用于沉积在表面上的源于气态基质的组分的传感器制造技术

技术编号：43628817 阅读：5 留言：0更新日期：2024-12-11 15:08

本申请涉及用于沉积在表面上的源于气态基质的组分的传感器。一种用于检测来自气体环境的质量沉积的传感器系统，包括第一传感器元件，第一传感器元件包括第一导电加热部件和第一导电加热部件上的第一界面结构。传感器系统还包括与第一导电加热部件连接的电子电路。电子电路被配置为向第一导电加热部件提供能量以加热第一传感器元件并测量第一传感器元件的热力学响应，热力学响应随着第一界面结构上一种或多种组分的质量沉积而变化。

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【技术实现步骤摘要】

技术介绍

1、提供以下信息以帮助读者理解下面公开的技术以及通常可以使用这些技术的环境。除非在本文件中另有明确说明，否则本文中使用的术语不旨在限于任何特定的狭义解释。本文所述的参考文献可以有助于理解技术或其背景。本文中引用的所有参考文献的公开内容均通过引用并入。

2、在许多不同的应用中，来自气态基质或环境的沉积在表面上的蒸气或气态组分/污染物存在显著的问题。例如，这种组分/污染物可能沉积在设备部件上并导致故障或失效。

3、例如，硅氧烷通常会在许多环境中发现，并且由现代硅酮材料分解形成，包括用于工业和个人护理产品的硅油、硅脂、硅橡胶、硅树脂和硅酮添加剂。在环境释放之后，许多硅氧烷最终进入废水和垃圾填埋场。

4、诸如硅氧烷的许多含硅化合物在许多工艺中被认为是污染物。消化池和填埋场气体也称“生物气”，主要包括甲烷和二氧化碳，并且可以燃烧以作为热电发动机的燃料。硅氧烷d3-d6（即六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷和十二甲基环六硅氧烷）和l2-l5（即六甲基二硅氧烷、八甲基三硅氧烷、十甲基四硅氧烷、十二甲基五硅氧烷和十四甲基六硅氧烷）通常与一系列烃（包括烷烃、烯烃和芳族化合物）一起存在于生物气中。诸如发动机、涡轮和燃料电池部件的设备部件可能会例如因生物气中存在的痕量低分子量硅氧烷产生的氧化产物（例如二氧化硅）的磨损或堵塞而损坏。除硅氧烷分解导致被供电设备部件损坏之外，用于去除诸如一氧化碳或甲醛的有毒产物的下游催化洗涤器也会因硅氧烷暴露而受到损害。硅氧烷的催化失活导致转化效率较低且受影响反应器的现场老化加速。

5、为了改善生物气中的硅氧烷化合物的影响，在生物气动力设备的上游使用吸附洗涤器系统从生物气流中去除硅氧烷，吸附洗涤器系统通常包括粒状活性炭（gac）。原始和再生gac材料产生显著的成本。因为上游硅氧烷浓度是可以变化的，所以可能难以从历史测量或第一原理计算预测gac的使用寿命。如果gac更换过早，则材料成本比需要的更高。如果gac更换过迟（在发生硅氧烷穿透后），则热电发动机可能需要昂贵的维护。

6、传统上，使用气袋或吸附管对生物气中的硅氧烷含量进行采样，然后将样本送到外部实验室以使用气相色谱仪-质谱仪（gc-ms）进行分析。采样位置包括gac床的上游和/或下游。离线分析的缺点包括采样与分析之间存在大约几天的延迟，以及重复分析测试所产生的成本。已经提出使用ftir光谱仪进行在线硅氧烷测量。通过在线ftir测量的生物气中的d5和其它硅氧烷的浓度在gac床的上游和下游与离线gc-ms结果相关。然而，在线ftir分析的技术缺点包括不含硅氧烷的烃的干扰和对生物气背景一致性的依赖。操作缺点包括检测器的成本以及此类分析设备的持续维护。

7、开发改进的在线硅氧烷浓度测量设备对于例如最大化gac床（以及其它硅氧烷/污染物组分过滤系统）的效率和最小化操作成本来说是非常期望的。实际上，生物气中硅氧烷浓度的高级在线采样已被认为是利用可再生生物燃料的知识缺口。在相关应用中，在没有吸附剂洗涤器的情况下使用原生物气燃料运行的发动机将能够利用来自在线设备的硅氧烷暴露测量，预测二氧化硅积聚并主动安排维护。

技术实现思路

1、在一个方面，一种用于检测来自气体环境的质量沉积的传感器系统，包括第一传感器元件，第一传感器元件包括第一导电加热部件和第一导电加热部件上的第一界面结构（interface structure）。传感器系统还包括与第一导电加热部件连接的电子电路。电子电路被配置为向第一导电加热部件提供能量以加热第一传感器元件并测量第一传感器元件的热力学响应，热力学响应随着第一界面结构上一种或多种组分的质量沉积而变化。第一传感器元件的热力学响应可以例如通过测量第一导电加热部件的电特性来测量。

2、传感器系统还可以例如包括第二传感器元件，第二传感器元件包括第二导电加热部件和第二导电加热部件上的第二界面结构。电子电路可以例如被配置为将第二传感器元件作为至少第一传感器元件的补偿元件操作，以补偿环境条件。第二传感器元件可以例如被处理为对一种或多种组分中的至少一种基本上不敏感。第二传感器元件可以例如用预定量的氧化有机硅化合物处理。

3、在许多实施例中，第一界面结构被选定为吸附一种或多种组分中的至少一种。吸附的一种或多种组分中至少一种可以例如在加热时氧化。

4、在许多实施例中，第一界面结构包含氧化物。第一界面结构可以例如包括氧化硅或金属氧化物。第一界面结构可以例如具有至少75m2/g的表面积。在许多实施例中，第一界面结构包括耐火金属氧化物。第一界面结构可以例如包括铝、锡、锌、铜、锆、钛、硅、铈或镧的氧化物。

5、在许多实施例中，第一传感器元件不含金属催化剂。在许多实施例中，第一传感器元件基本上由第一导电加热部件和第一界面结构组成，第一界面结构基本上由氧化物组成。

6、在许多实施例中，第一传感器元件是低热质量元件，第二传感器元件是低热质量元件。第一传感器元件和第二传感器元件中的每一个可以例如独立地具有小于8秒或小于6秒的热时间常数。第一传感器元件和第二传感器元件可以例如是低热质量器件（pelement）。

7、在许多实施例中，电子电路向第一传感器元件施加脉冲，其中，到第一传感器元件的能量增加或减少，以引起来自第一传感器元件的热力学响应。

8、第二传感器元件的温度可以例如保持低于至少一种或一种或多种组分在第二界面结构上氧化的温度。第二传感器元件的温度可以例如保持在150℃以下或90℃以下。

9、在许多实施例中，第一传感器元件的温度经由脉冲增加以引起焦耳加热，并且持续足够的时间以升高第一传感器元件的温度。在许多实施例中，能量经由脉冲从至少第一温度的温度减少，使得第一界面结构与周围气体之间的对流热传递停止，并且持续足够的时间，使得第一传感器元件的温度降低至低于第一传感器元件的焦耳加热发生的温度。

10、电子电路可以例如被配置为随着时间的推移向第一传感器元件施加多个脉冲，在其中，到第一传感器元件的能量增加或减少，以在多个脉冲的每个脉冲中引起来自第一传感器元件的测量热力学响应。电子电路可以进一步被配置为分析一个或多个测量热力学响应。

11、在另一方面，一种用于检测来自气体环境的质量沉积的方法，包括提供传感器系统，该传感器系统包括第一传感器元件，第一传感器元件具有第一导电加热部件和第一导电加热部件上的第一界面结构，提供与第一导电加热部件连接的电子电路，经由电子电路向第一导电加热部件提供能量以加热第一传感器元件，以及经由电子电路测量第一传感器的响应，以确定第一传感器元件是否已经暴露于气体环境中的一种或多种组分。第一传感器元件的测量响应随着传感器系统在环境中随时间推移而暴露于的一种或多种组分的量而变化。

12、在另一方面，一种系统，包括对一种或多种组分的质量沉积敏感的设备，该一种或多种组分来自设备周围的气体环境；以及用于检测来自气体环境的质量沉积的传感器系统。传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种用于检测来自气体环境的质量沉积的传感器系统，包括：第一传感器元件、第二传感器元件和电子电路，所述第一传感器元件基本上由第一导电加热部件和所述第一导电加热部件上的第一界面结构组成，所述第一导电加热部件基本上由氧化物组成，所述第二传感器元件包括第二导电加热部件和所述第二导电加热部件上的第二界面结构，所述电子电路与所述第一导电加热部件和所述第二导电加热部件连接，其中，所述电子电路被配置为向所述第一导电加热部件提供能量以加热所述第一传感器元件，将所述第二传感器元件作为至少所述第一传感器元件的补偿元件操作以补偿环境条件，且通过测量所述第一导电加热部件的电特性来测量所述第一传感器元件的热力学响应，所述热力学响应随着所述第一界面结构上一种或多种组分的质量沉积而变化。

2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述第二传感器元件被处理为对所述一种或多种组分中的至少一种组分基本上不敏感。

3.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述第一界面结构被选定为吸附所述一种或多种组分中的至少一种组分。

4.根据权利要求3所述的传感器系统，其中，被吸附的所述一种或

5.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述第一界面结构包括氧化物。

6.根据权利要求5所述的传感器系统，其中，所述第一界面结构基本上由氧化硅或金属氧化物组成。

7.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述第一界面结构具有至少75m2/g的表面积。

8.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，所述第一界面结构基本上由耐火金属氧化物组成。

9.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，所述第一界面结构基本上由铝、锡、锌、铜、锆、钛、硅、铈或镧的氧化物组成。

10.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述第一传感器元件是低热质量元件，并且所述第二传感器元件是低热质量元件。

11.根据权利要求10所述的传感器系统，其中，所述第一传感器元件和所述第二传感器元件中的每个独立地具有小于8秒的热时间常数。

12.根据权利要求10所述的传感器系统，其中，所述第一传感器元件和所述第二传感器元件中的每个独立地具有小于6秒的热时间常数。

13.根据权利要求12所述的传感器系统，其中，所述第一传感器元件和所述第二传感器元件中的每个是低热质量器件。

14.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述电子电路向所述第一传感器元件施加脉冲，其中，到所述第一传感器元件的能量增加或减少，以引起来自所述第一传感器元件的热力学响应。

15.根据权利要求14所述的传感器系统，其中，所述第二传感器元件的温度保持为低于至少一种或所述一种或多种组分在所述第二界面结构上氧化的温度。

16.根据权利要求15所述的传感器系统，其中，所述第二传感器元件的所述温度保持低于150℃。

17.根据权利要求15所述的传感器系统，其中，所述第二传感器元件的所述温度保持低于90℃。

18.根据权利要求15所述的传感器系统，其中，所述第一传感器元件的温度经由所述脉冲增加以引起焦耳加热，并且持续足够的时间以升高所述第一传感器元件的所述温度。

19.根据权利要求14所述的传感器系统，其中，能量经由所述脉冲从至少第一温度的温度减少，使得所述第一界面结构与周围气体之间的对流热传递停止，并且持续足够的时间，使得所述第一传感器元件的温度降低至低于所述第一传感器元件的焦耳加热发生的温度。

20.根据权利要求14所述的传感器系统，其中，所述电子电路被配置为随着时间的推移向所述第一传感器元件施加多个脉冲，其中到所述第一传感器元件的能量增加或减少，以在所述多个脉冲的每个脉冲中引起来自所述第一传感器元件的测量到的热力学响应，所述电子电路被配置为分析一个或多个所述测量到的热力学响应。

21.一种用于检测来自气体环境的质量沉积的方法，包括：

22.一种用于检测来自气体环境的质量沉积的传感器系统，包括：第一传感器元件、第二传感器元件和电子电路，所述第一传感器元件包括第一导电加热部件和所述第一导电加热部件上的第一界面结构，所述第二传感器元件包括第二导电加热部件和所述第二导电加热部件上的第二界面结构，所述电子电路与所述第一导电加热部件和所述第二导电加热部件连接，其中，所述电子电路被配置为向所述第一导电加热部件提供能量以加热所述第一传感器元件，将所述第二传感器元件作为至少所述第一传感器元件的补偿元件操作以补偿环境条件，并且通过测量所述第一导电加热部件的电特性来测量所述第一传感器元件的热力学响应，所述...

【技术特征摘要】