为了如防止由催化或可燃气体的爆炸引起的事故，催化或易燃(可燃)气体 传感器已经使用了多年。一般地，易燃气体传感器通过易燃气体的催化氧化来操作。 如图1A中说明的，常规易燃气体传感器10一般包括封装在充满催化剂(例如，钯 或铂)以形成活性(pelement)40或pellistor的耐火材料(例如，氧化铝)小珠 30内的铂元件或线圈20。Mosely，P.T.和Tofield，B.C.，ed.， Solid State Gas Sensors，Adams Hilger Press，Bristol，England(1987)中可以找到pelement 以及包括这种pelement的催化易燃气体传感器的详细讨论。易燃气体传感器一般 也在Firth，J.G.等人编著的， Combustion and Flame 21，303(1973)和Firth，J.G.， Eds.， Detection and Measurement of Hazardous Gases，Heinemann，Exeter， 29(1981)中进行讨论。
一般地，pelement 40作为测量易燃气体的氧化所释放的能量的小的量热器而 工作。氧化反应期间释放的一部分能量被小珠30吸收，使小珠30的温度上升。铂 元件20的温度也随着温度的上升而上升。在施加恒定电流时，电阻的增加作为元 件20两端的电压降的增加而被测得。铂元件20在pelement40中达到两个目的： (1)把小珠30电加热到其工作温度(一般近似为500℃)以及(2)检测易燃气 体的氧化速率。
小珠30将会对不同于能改变其温度的催化氧化的现象(即，任何能改变小珠 上能量平衡的东西)起反应并且从而引起易燃气体浓度的测量中的误差。在这些现 象中，按照它们影响大小的最重要的是环境温度以及从小珠30通过分析物气体的 热扩散或热传导方面的变化。其它因素一般影响较小。
为了使传感器输出上的二次热效应最小，可以依据相对于包含在无源的补偿 pelement50中的参考电阻的铂元件20的电阻中的变化来测量易燃气体的氧化速 率。这两个电阻一般是像图1B说明的惠斯通电桥电路这样的测量电路的一部分。 当存在易燃气体时在电桥电路上形成的输出或电压提供了易燃气体浓度的测量。补 偿pelement50的特性一般尽可能接近地与活性pelement40相匹配。然而，补偿 pelement50一般或者不携带催化剂，或者携带非激活的催化剂。
一般地，活性pelement40和补偿pelement50被用在防爆炸外壳70的井60A 和60B中并且用如多孔金属烧结物80的逆燃挡板与周围的环境隔离。多孔金属烧 结物80允许周围气体进入外壳70但是阻止周围环境中的可燃气体被热元件点燃。 这种催化气体传感器通常被安装在某些情况下必须为便携式的并因此携带自身电 源的仪器中。因此，使催化气体传感器的能耗最小是合乎需求的。
最近几年，实质的研究工作被投入到使用半导体技术和硅微切削加工的易燃 气体检测器的研制中。尽管常规催化气体传感器的典型电功率损耗在250到700mW 的级别上，然而正在研制电功率损耗在不大于100mW的级别上的小型、集成的催化 气体传感器。 见Krebs，P.和Grisel，A.所著的“A Low Power Integrated Catalytic Gas Sensor，” Sensors and Actuators B，13-14，155-158页(1993)。
一般地，这些微传感器的总的电子控制电路设计非常相似于常规易燃气体传 感器的电子控制电路设计。在这一点上，这种微传感器一般既带有催化活性的元件 或检测器又带有催化非活性的补偿元件或补偿器，每个都被用于诸如惠斯通电桥电 路的测量电路。检测器和补偿器可被安放在衬底上安放的微加热器码片上。
在常规传感器和微传感器中，制造催化元件和补偿元件都是昂贵的。这两者 一般占有传感器制造费用的大半部分。因此，研究其中消除了常规补偿元件的传感 器和方法是合乎需求的。
发明摘要
本发明提供了一种包括与测量电路电气连接的活性元件的易燃气体传感器。 测量电路包括用来把环境温度的变化对活性元件的电阻的影响进行补偿的热敏电 阻网络。一般地，热敏电阻网络包括一个热敏电阻和至少一个电阻器。然而，如果 热敏电阻与活性元件的热反应特性最佳匹配，则不需要任何电阻器。
例如，为了调节在补偿环境温度的变化时热敏电阻网络的输出，热敏电阻网 络可以包括与热敏电阻电气串联的第一电阻器以及与热敏电阻电气并联的第二电 阻器。
在一个方面，其中热敏电阻的阻值随着温度的增加而增加，热敏电阻可以处 于桥形电路的一条支路中而活性元件可以处于桥形电路的另一条支路中。在另一个 方面，其中热敏电阻的阻值随着温度的增加而减少，则热敏电阻网络可被放置在与 活性元件串联的位置上。
随着活性元件的几何表面区域被减少，因此由来自活性元件的热传导对活性 元件输出产生的热损失效应降低。可取的是，对于工作在约400℃到约600℃的温 度范围内的传感器，活性元件的几何表面区域不大于约0.5mm2。更为可取的是， 活性元件的几何表面区域不大于约0.3mm2。工作在低于约400℃的温度下的传感 器可能比上述传感器具有更大的几何表面区域而没有由热传导引起的过多的热损 耗。一般地，增加活性元件上的催化剂活性允许较低温度下的工作。
可取的是，来自本发明传感器中的热传导的损耗低于通过活性元件处以传感 器的满刻度催化的反应所产生的热量的大约10％。传感器的满刻度一般是在分析 物(对于甲烷为5％)的较低爆炸电平(LEL)处传感器的输出。更为可取的是，来 自本发明传感器中的热传导的损耗低于通过活性元件处以传感器的满刻度催化的 反应所产生的热量的大约5％。还要可取的是，来自本发明传感器中的热传导的损 耗低于通过活性元件处以传感器的满刻度催化的反应所产生的热量的大约3％。
在另一个方面，本发明提供了一种用于包括与上述热敏电阻网络电气连接的 活性元件的易燃气体传感器的测量电路。
在另一个方面，本发明提供了一种包括活性元件的易燃气体传感器，该活性 元件与测量电路电气连接的几何表面区域不大于大约0.5mm2。测量电路包括补偿 器，它补偿环境温度的变化对活性元件的阻抗影响而不补偿由来自活性元件的热传 导引起的热损耗。补偿器可以包括如上所述的热敏电阻。可选择或额外地，补偿器 可以包括一个传感器，该传感器用来测量环境温度的变化对活性元件的输出进行补 偿的与处理器电路系统(例如，微处理器或专用/硬线电路系统)通信的传感器的 环境温度。本发明的测量电路可以测量，例如电压、电流或频率。
在还有一个方面，本发明提供了一种感测气体的方法，它包括下列步骤：(i) 提供带有足够小的几何表面区域的催化活性元件，以便依据由热传导产生的来自活 性元件的热损耗对活性元件输出的影响相对较小(如上所述)，以及(ii)仅仅补 偿环境温度变化对活性元件的输出的影响。
通过消除对常规补偿元件的需求(在常规传感器和微传感器中)，本发明大 大减少了传感器的制造费用而无须牺牲气体浓度测量中的准确度。正如这里所用 的，术语“气体传感器”一般既是指常规传感器又是指微传感器。
附图的简要说明
图1A说明了当前可用的易燃气体传感器的设计的剖面图。
图1B说明了图1A的易燃气体传感器的测量电路系统。
图2A说明了本发明的传感器的测量电路的实施例，它包括其中热敏电阻的阻 抗随着温度的上升而上升的热敏电阻网络。
图2B说明了本发明的传感器的测量电路的另一个实施例，它包括其中热敏电 阻的阻抗随着温度的上升而上升的热敏电阻网络。
图3A说明了本发明的传感器的测量电路的实施例，它包括其中热敏电阻的阻 抗随着温度的上升而降低的热敏电阻网络。
图3B说明了本发明的传感器的测量电路的另一个实施例，它包括其中热敏电 阻的阻抗随着温度的上升而降低的热敏电阻网络。
图4说明了本发明的传感器的另一个实施例。
发明的详细说明
在本发明的易燃气体传感器中，昂贵的补偿元件被去除。在若干实施例中， 这种补偿元件被廉价的热敏电阻网络所替代。一般地，热敏电阻是由其阻抗随 温度快速并可预测地变化的材料制成的廉价、商用的电阻器。热敏电阻的阻抗 随着温度的上升而上升或降低。在本发明中，热敏电阻被用来提供常规补偿元 件的环境温度补偿功能。在下面更详细的讨论中，对于有限几何的或外表面区 域的催化元件，只有当对环境温度的变化进行补偿时才可以作出分析物气体浓 度的准确测量。
在热敏电阻网络的情况下，本发明的测量电路系统的配置取决于热敏电阻 的阻抗作为温度的函数而改变的方向(即，正向或反向)。在图2A和图2B中， 其中阻抗随温度的上升而上升(与典型催化元件和补偿元件的变化方向相同) 的热敏电阻120被用在热敏电阻网络100或100’中(分别由图2A和2B中虚线 包围示出)。热敏电阻网络100或100’可以直接替代惠斯通电桥中的补偿元件。
热敏电阻网络100和100’包括热敏电阻120、串联电阻器Rs和并联电阻 器Rp。串联电阻器Rs和并联电阻器Rp被用来精密调节热敏电阻网络100的温 度响应以匹配催化元件140的响应。
对于其中阻抗随着温度的上升而降低的热敏电阻(与典型的催化元件和补 偿元件的方向相反)，像热敏电阻网络200或200’(分别由图3A和3B中的虚 线包围示出)这样的热敏电阻网络最好与催化元件240串联放置。如上所述， 热敏电阻220、串联电阻器Rs’和并联电阻器Rp’可被用于精密调节热敏电阻网 络200或200’的温度响应以匹配催化元件240的响应。
尚未作出尝试来使图2A到3B的热敏电阻网络中的热敏电阻120或热敏电 阻220’的选择最优。可以足够接近地使特定热敏电阻的阻抗的温度依赖性与相 应的活性元件的阻抗的温度依赖性相匹配，从而不需要结合这些实施例所描述 的“调节”电阻器(例如，图2A和2B的Rs和Rp)的其一或其二。
在带有包括图3A的测量电路系统配置的易燃气体传感器的若干实验中， 18ohm(室温下)的催化元件与热敏电阻网络一起被使用，该热敏电阻网络包 括从Betatherm Corporation of Shrewsbury，Massachusetts可得到的100ohm 的热敏电阻220’和两个微调电阻器(Rs’＝100ohm，Rp’＝20ohm)。选择串 联电阻器Rs’和并联电阻器Rp’的阻抗值来使热敏电阻网络200对环境温度变 化的响应一般等于催化元件240对环境温度变化的响应，但是符号相反。
从点a到点b施加55mA的电流并且监控总电压(V)变化。在25℃时， 清洁空气中电路的电压为3.2561V。暴露于25℃下空气中2.5％的甲烷时的电 压为3.4582V。0.2021V或202.1mV的差异(3.4582V-3.2561V)是从甲 烷产生的信号(在满量程的一半)。接着在一连串的环境温度下测量空气中电 路的电压并且与25℃时测得的电压的差异被记录为满刻度甲烷电压(即，对于 25℃时的5％甲烷所测得的电压)的百分比。
                              表1   温度   (℃) 55mA下空气 中的输出(V) 相对于25℃的输出 变化(满刻度的％) 对于固定电阻器相对于25℃ 的输出变化(满刻度的％)    -20     3.2601     1     -19    -10     3.2571     0.3     -11    25     3.2561     0     0    40     3.2591     0.7     6    50     3.2640     2.0     12
如表1第三列的数据所说明，随着环境温度的改变而产生的电压变化与传 感器的满刻度量程相比很小。此外，可以通过比表1的实验所作的更完全地表 征催化元件的温度响应并且选择更接近地匹配的热敏电阻来进一步改进性能。 然而，甚至表1的实验的“非最优的”热敏电阻网络也提供比包括常规补偿元 件的传感器的相似，即使不是更好的，结果。一般地，传感器规格要求，随着 温度从室温到表1提出的范围内改变时，传感器输出的变化不超过满刻度的 3％。
在表1的第四列和最后一列中，提出了相似实验的结果，然而该实验带有 替代热敏电阻网络200的固定的40ohm电阻器(55mA下催化元件240的近似 热阻抗)。在这些实验中，电压变化成为满刻度传感器响应的实质部分。这些 实验清楚地指示了热敏电阻网络200表现良好。
如上所述，常规补偿元件不仅补偿环境温度变化，也补偿诸如由从活性元 件到通过之相邻的分析物气体的热传导引起的损耗的其它效应。来自催化元件 的热损耗的数量由下式给出：
Q＝U·A·ΔT， 其中Q是由传导引起的来自小珠的热损耗，U是“热传输系数”，ΔT是小珠和 分析物气体之间的温度差异。U主要依赖于(并与之成比例)邻近于小珠的分 析物气体的热电导率。Bird，R.B.，等人编著的 Transport Phenomena(Wiley， NewYork(1960))中详细讨论了热传输的概念。
在上面的方程式中，与小珠的内表面区域相对，A是小珠的外部、或几何 表面区域(例如，球面情况下的4πr2)。一般地，易燃气体传感器中使用的小 珠或其它活性元件带有大量导致相对大的“内表面区域”的内部通道或管孔， 该内表面区域能支持的催化剂分子大大多于相似形状的无孔小珠的外部或几 何表面区域所能支持的催化剂分子。诸如氧化铝的用于催化元件的一般有孔陶 瓷的内表面区域在50-200m2/g的级别上。
上述方程式表示，如果分析物气体混合物的热电导率上升，则催化小珠失 去热量。这种热损耗使小珠冷却，造成其阻抗和信号电压下降。这种传导的热 损耗的影响可以通过减小催化小珠的尺寸或区域A而被降低。
与热电导率效应相关的重要变量是环境相对湿度(RH)。表2的实验示出 当对于不同外表面区域的催化元件的RH(在25℃下)以满刻度催化元件输出 的百分比表示从10％变为90％时，空气中催化小珠输出的响应大小。
                           表2  催化元件  近似工作温度     (℃)   近似外表面区域       (mm2)  输出变化10％到90％     RH(满刻度的％)     A     500       0.3         -1     B     500       0.5         -3     C     500       0.6         -3.5     D     600       2.0         -6.5
如所预期的，输出随着RH的上升而降低。在大约300℃以上，水的热电导 率大于空气的热电导率。此外，湿度灵敏度被发现随着外表面区域的增加而上 升，尤其是工作在500℃下的催化元件中。
RH灵敏度的传感器规格一般在满刻度的+/-3％的级别上。在诸如欧洲标准 EN50056/7和加拿大标准CSA C22.2 No.152M中提出了RH灵敏度标准。如果催 化元件具有足够小的外部或几何表面区域，则传感器将不用补偿RH的变化而 具有可接受的小的RH响应。本发明的热敏电阻网络不响应或补偿RH变化。因 此，虽然本发明的热敏电阻网络可被用于带有任意尺寸的催化元件的传感器 中，然而催化元件的外部或几何表面区域最好不大于约0.5mm2。更为可取的是， 催化元件的外部或几何表面区域最好不大于约0.3mm2。本发明的热敏电阻网络 尤其适用于其中催化元件的外部或几何表面区域通常不大于0.1mm2的微传感 器。美国专利号为5599584、题为“Microminiature Combustible Gas Sensor and Method of Fabricating a Microminiature Combustible Gas Sensor” 的专利中揭示了适用于本发明的微传感器，该专利被转让给本发明的受让人并 且其揭示通过引用被结合于此。
在带有具有相对小的几何表面区域的催化元件的传感器中，也可以通过不 同于如上所述使用热敏电阻网络的方式来实现对温度变化的补偿而无须使用 昂贵的补偿元件。例如，图4说明了包括活性元件340、用于测量环境温度的 传感器350和处理器电路系统360的催化气体传感器300。活性元件340的输 出最好首先被表征为环境温度变化的函数。该输出可被记录为，如，存储在微 处理器360的存储器中的数据表，或者通过微处理器360的存储器中存储的算 法来表征。环境温度数据通过传感器350被提供给微处理器360。处理器360 (或者，专用电路系统)可以用环境温度数据来计及/补偿环境温度变化对活 性元件340接收到的输出的影响。
尽管结合上述示例详细描述了本发明，然而可以理解，这些细节仅仅为了 说明的目的，本领域的技术人员可以无须背离由所附权利要求限定的本发明的 精神而对其作出改变。