用于使用用于选择性、低分辨率甲醛检测器的多种固体电解质传感器的系统和方法

本申请是国家申请号为201780097246.7的发明专利申请的分案申请，该发明专利申请的申请日为2017年10月26日，发明名称为“用于使用用于选择性、低分辨率甲醛检测器的多种固体电解质传感器的系统和方法”。

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦赞助研究或开发的声明

不适用。

缩微平片附件的引用

不适用。

背景技术

在监测各种气体的存在时，可存在可在传感器内反应的其它气体（例如，一氧化碳（CO））。例如，传感器的电极可包括催化剂，该催化剂可催化目标气体和干扰气体（例如，一氧化碳）两者的反应。因此，干扰气体的存在可产生传感器中的交叉敏感性，从而导致环境气体中存在的目标气体的水平大于实际存在水平的错觉。由于各种目标气体的存在带来的危险，用于触发警报的阈值水平可相对较低，并且因干扰物的存在而引起的交叉敏感性可足够高，从而造成目标气体传感器的误报警。

发明内容

在一个实施方案中，一种用于在存在第一目标气体的情况下确定第二目标气体的浓度的方法可包括：在第一操作条件下操作第一传感器，其中第一传感器是传感器组件的一部分；在第二操作条件下操作第二传感器，其中第二传感器是传感器组件的一部分，并且其中第二操作条件不同于第一操作条件；通过所述第一传感器检测至少一种目标气体；通过所述第二传感器检测至少一种目标气体；处理从所述第一传感器输出的信号和从所述第二传感器输出的信号；以及基于处理后的输出信号确定第一目标气体和第二目标气体中至少一者的浓度。

在一个实施方案中，被配置成在存在第一目标气体的情况下检测第二目标气体的传感器组件可包括：第一传感器，其包括第一操作条件；第二传感器，其包括第二操作条件，其中第一操作条件与第二操作条件不同；以及处理器，其被配置成从第一传感器接收第一输出信号；从第二传感器接收第二输出信号；通过比较所接收的输出信号来处理它们；以及基于处理后的输出信号确定第一目标气体和第二目标气体中至少一者的浓度。

在一个实施方案中，一种用于在一氧化碳存在下确定甲醛浓度的方法可包括：在第一操作条件下操作第一传感器，其中第一传感器是传感器组件的一部分；在第二操作条件下操作第二传感器，其中第二传感器是传感器组件的一部分，并且其中第二操作条件不同于第一操作条件；通过第一传感器检测一氧化碳和甲醛中的至少一者；通过第二传感器检测一氧化碳和甲醛中的至少一者；处理从所述第一传感器输出的信号和从所述第二传感器输出的信号；以及基于处理后的输出信号确定一氧化碳和甲醛中至少一者的浓度。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在结合附图和具体实施方式参考以下简要描述，其中类似的附图标号表示类似的部分。

图1示出了根据本公开内容的实施方案的传感器的示意图。

图2示出了根据本公开内容的实施方案的传感器组件。

图3A至图3B示出了根据本公开内容的实施方案的第一传感器和第二传感器的分解图。

具体实施方式

首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的技术（无论是当前己知的还是尚不存在的技术）来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。

以下简短术语定义应适用于整个申请文件：

术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；

短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的不止一个实施方案中（重要的是，此类短语不一定是指相同的实施方案）；

如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；

术语“大约”或“约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；和

如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”（或其它此类词语）被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。此类部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。

本公开内容的实施方案包括用于在对一氧化碳没有交叉敏感性的情况下检测甲醛系统和方法。随着住房市场的增长，对家用甲醛检测器（用于个人用途）的需求可能会增加，在某些地区中，人们由于暴露于低水平的甲醛中，特别是在新建房屋中（由于在建筑中供应物和油漆中存在甲醛）可能会受到健康损害。当前对于甲醛的检测器通常对一氧化碳（CO）具有交叉敏感性，其中CO可能以较大浓度存在（当与甲醛水平相比时）。这种交叉敏感性可能引起误报警并且阻碍对甲醛的有效检测。而且，当前可用的高质量检测器（可能不会遭受这些交叉敏感性问题）可能过于昂贵。

本公开内容的实施方案可采用在两种不同条件下操作的两个固体电解质传感器（SECS）。例如，传感器可在两个不同的偏置电势下和/或在两个不同的过滤器下操作。这两个传感器在暴露于甲醛时的响应可能与暴露于CO（和其它交叉敏感气体）时的响应不同，从而可隔离和检测与甲醛相关的响应。SECS的低成本可允许更广泛的家庭使用，从而为用户提供负担得起的选择性甲醛检测器。另外，通过比较从两个传感器的输出，可消除信号中的噪声，从而在检测到的信号中实现高分辨率。这种提高的分辨率可使得能够检测到较低浓度的甲醛。

气体检测器使用多个传感器来提供选择性在本领域中是已知的。然而，所公开的实施方案包括在不同条件下操作的两个传感器，这可提供附加的检测益处，如本文所述。例如，甲醛检测器可包括施加到两个传感器的两种不同的偏置电压。作为另一个示例，甲醛检测器可包括用于两个传感器的不同的过滤器，这可对甲醛提供提高的分辨率和选择性。不同操作条件的这两个示例可单独使用和/或在同一甲醛检测器中同时使用。

可通过确定两个传感器的响应差异来利用双传感器设计。传感器响应可能由于偏置电压的差异而变化，这可能会产生对气体（例如，甲醛、CO和其它有机气体）的敏感性、响应时间和噪声的差异。可解释两个传感器的响应差异来识别一种或多种气体。也可消除信号中的噪声，以实现选择性和高分辨率。

现在参照图1，示出了传感器100的示例性实施方案，其中传感器100可包括附接至基板102的多个层。基板102可包括氧化铝陶瓷材料，并且可包括贯穿基板的厚度的一个或多个扩散通道112，其中扩散通道112可允许气体从周围环境流入传感器100。在一些实施方案中，传感器100可包括第一层104（例如，其可以是催化层和/或电极层），该第一层104被配置成允许气体转移到传感器100和传感器100的其它层中。在一些实施方案中，第一层104可包括铂（Pt）和离子溶液材料。尽管图1的示意图仅示出了一个电极层（即，催化层，第一层104），但是传感器100可包括彼此共面的两个或三个电极。在一些实施方案中，第一层104可包括介于一个和三个之间的电极，这些电极可包括感测（或工作）电极、反电极和/或参考电极。

在一些实施方案中，传感器100可包括第二层106（例如，其可为加湿层），第二层106被配置成吸收传感器100内的任何湿气，这可防止来自第三层108的电解质淹没位于第一层104内的电极。在一些实施方案中，第二层106可包括二氧化硅（SiO

在一些实施方案中，传感器100可包括第四层110（例如，其可包括密封层），该第四层110被配置成与基板102密封以为传感器100提供气密密封。该密封层110可防止空气除了在扩散通道112处之外流入传感器100。在一些实施方案中，密封层110可包括有机硅材料。在一些实施方案中，传感器100可包括一个或多个电触点120，其延伸出传感器100以提供与气体检测器的其它元件的电连接。在一些实施方案中，对于位于第一层104内的三个电极中的每一个，传感器100可包括至多三个电触点120。

参照图2，示出了传感器组件200，其中传感器组件200可包括甲醛气体检测器的至少一部分。传感器组件200可包括位于传感器组件200内的至少两个传感器202和204。在一些实施方案中，传感器202和204可包括电化学传感器。在一些实施方案中，第一传感器202可在第一条件下操作，并且第二传感器204可在第二条件下操作，其中可通过调节操作条件来调节来自第一传感器202和/或第二传感器204的输出。在一些实施方案中，传感器组件200可包括被配置成向传感器组件200的元件供电的电源212（例如，电池）。在一些实施方案中，传感器组件200可包括一个或多个其它部件，例如部件214，其可包括另外的传感器元件、通信元件、电气元件和/或可位于传感器组件200内的任何其它部件214。

在一些实施方案中，施加到第一传感器202和第二传感器204的不同操作条件可包括偏置电压的差异、过滤条件的差异和/或两者的组合。通过比较从两个传感器202和204输出的信号，可预测气体浓度，而无需传感器202和204达到稳态。另外，可通过比较信号来抵消从传感器202和204中的每一个输出的信号中的任何共模信号（例如，温度、压力和/或湿度瞬变和/或电干扰）。

传感器组件200可包括印刷电路板（PCB）210，印刷电路板（PCB）210可包括被配置成与传感器202和204连接的一个或多个电连接元件。在一些实施方案中，PCB 210可被配置成向传感器202和204中的一个或多个施加一个或多个控制（即，PCB 210可控制传感器202和204的一个或多个操作条件）。例如，PCB 210可包括被配置成向传感器202和204中的一者或两者施加偏置电压的一个或多个元件。PCB 210可包括处理器、存储器以及本领域的那些技术人员已知的其它元件。

在传感器组件200的一些实施方案中，第一传感器202可包括第一偏置电压，而第二传感器204可包括第二偏置电压，其中第二偏置电压不同于第一偏置电压。当两个传感器202和204在不同的偏置电压下操作时，可调节和比较传感器对不同气体的相对敏感性。作为示例，传感器202和204可包括被配置成检测第一气体的传感器，其中传感器对第一气体的响应可不随偏置电压的改变而改变（例如，由于扩散限制）。然而，可通过调节施加到传感器的偏置电压来改变传感器202和204对其它气体或第二气体的响应。在一些实施方案中，可通过增加偏置电压来增加对其它气体的敏感性。如果将两个不同的偏置电压施加到两个不同的传感器202和204，则可比较和/或处理来自两个传感器202和204的信号，以确定由除第一气体以外的气体（即，第二气体）引起的响应。该信息可用于确定第二气体的浓度。可用于处理传感器输出的算法可能会考虑传感器的特定类型、传感器的气体流速、施加到传感器的偏置电压的影响、操作条件（例如温度、压力、湿度）以及其它事情。另外，由于不同的操作条件（即，不同的偏置电压），传感器202和204的瞬态行为可能是不同的，因此在处理来自传感器202和204两者的信号的算法中可考虑时间依赖性。

作为示例，第一气体可包括CO，并且第二气体可包括甲醛。传感器组件可被配置成基于两个传感器202和204的输出来检测CO和甲醛。施加到两个传感器的偏置电压可介于零（即，无偏置电压）和约300mV之间。

在一些实施方案中，仅一个传感器可具有施加的偏置电压。在一些实施方案中，两个传感器可具有施加的偏置电压，其中，对于两个传感器，施加的偏置电压是不同的。在一些实施方案中，传感器组件200可包括多于两个传感器（即，多个传感器），其中，多个传感器中的每个传感器可包括不同的偏置电压，并且其中，可由传感器组件200检测到的气体的种数可等于传感器的数目。

传感器202和204的两个（或多个）中的每一个可包括气体通道，该气体通道被配置成允许气体从外部环境流入传感器202和204（例如，类似于图1中描述的扩散通道112）。在一些实施方案中，通向传感器202和204的气体通道可彼此分开。在一些实施方案中，通向传感器202和204的气体通道可被配置成向传感器中的每个传感器提供相等的气流。

在传感器组件200的一些实施方案中，传感器202和204可包括不同的过滤元件，该不同的过滤元件被配置成从进入传感器的气流中过滤某些气体。例如，第一传感器202可包括第一过滤器，而第二传感器204可包括第二过滤器，其中第一过滤器被配置成与第二过滤器不同地过滤。作为另一示例，第一传感器202和第二传感器204中的一个可包括过滤器，而另一个则不包括过滤器。

作为示例，传感器202和204可包括被配置成检测第一气体的传感器，并且传感器组件200可被配置成还检测第二气体。为了完成对第二气体的检测，第一传感器202可包括被配置成捕获/阻挡第二气体的过滤器，而第二传感器204不包括过滤器。因此，第一传感器202可响应于第一气体而产生信号，而第二传感器204可响应于第一气体和第二气体而产生信号。

在操作期间，可将第一传感器202的输出（不包括第二气体）与第二传感器204的输出（包括第二气体）进行比较以确定第二气体的浓度。在一些实施方案中，由传感器202和204响应于第一气体产生的信号可显著高于由传感器202和204响应于第二气体产生的信号。在一些实施方案中，第一气体通常可以比第二气体高得多的浓度存在。作为示例，确定的甲醛浓度可比一氧化碳的浓度小约100倍。作为示例，一氧化碳浓度与甲醛浓度的比率可为约100:1。作为另一示例，一氧化碳浓度与甲醛浓度的比率可为约500:1。在一些实施方案中，过滤第一气体进入传感器202和204可能比过滤第二气体更困难。

可用于处理传感器输出的算法可能会考虑传感器的特定类型、传感器的气体流速、施加到传感器的偏置电压的影响、操作条件（例如温度、压力、湿度）以及其它事情。可在原型传感器组件上完成测试以确定优选或最佳算法处理。另外，由于不同的操作条件（即，不同的过滤条件），传感器202和204的瞬态行为可能是不同的，因此在处理来自传感器202和204两者的信号的算法中可考虑时间依赖性。例如，当第一传感器202包括过滤器而第二传感器204不包括过滤器时，流入第一传感器202的气体可比流入第二传感器204的气体慢。

作为示例，图3A至图3B示出了包括不同的过滤条件的第一传感器302和第二传感器304（其中传感器302和304可类似于传感器202和204）。第一传感器302和第二传感器304可包括底壳体320和顶壳体322，其中顶壳体322包括进气口323。第一传感器302和第二传感器304还可包括基板102（例如，如图1所述），以及基板102中的一个或多个扩散通道112和一个或多个电触点120。底壳体320可包括被配置成保持基板102（以及图1中描述的其它层）的腔330。在一些实施方案中，第一传感器302和/或第二传感器304可包括被配置成防止颗粒物质通过进气口323进入的灰尘过滤器324。

另外，第一传感器302可包括位于从进气口323到扩散通道112的气流路径中的过滤器326（其可被配置成过滤第二（目标）气体）。过滤器326可包括被配置成过滤第二气体的一种或多种材料（如上所述）。作为示例，过滤器326可包括高锰酸钾浸渍的玻璃纤维片。在一些实施方案中，第一传感器302还可包括膜328，该膜328被配置成将过滤器326保持原位，使得它不会在传感器壳体320和322内移动。

本公开内容的一些实施方案可包括用于在第一目标气体存在下检测第二目标气体的方法。一种方法可包括通过传感器组件的第一传感器检测至少一种目标气体，其中第一传感器可包括第一操作条件。该方法可包括通过第二传感器检测至少一种目标气体，其中第二传感器包括第二操作条件，并且第二操作条件不同于第一操作条件。该方法可包括比较和/或处理来自第一传感器和第二传感器的输出信号，以确定至少一种目标气体的浓度。在一些实施方案中，该方法可包括确定第一目标气体的浓度和确定第二目标气体的浓度。在一些实施方案中，该方法可包括在存在第一目标气体时确定第二目标气体的浓度。在一些实施方案中，第一目标气体可包括CO，而第二目标气体可包括挥发性有机化合物（VOC）。在一些实施方案中，第二目标气体可包括甲醛。

本文已描述了各种装置和方法，示例性实施方案或方面可包括但不限于：

在第一实施方案中，一种用于在存在第一目标气体的情况下确定第二目标气体的浓度的方法可包括：在第一操作条件下操作第一传感器，其中所述第一传感器是传感器组件的一部分；在第二操作条件下操作第二传感器，其中所述第二传感器是所述传感器组件的一部分，并且其中所述第二操作条件不同于所述第一操作条件；通过所述第一传感器检测至少一种目标气体；通过所述第二传感器检测至少一种目标气体；处理从所述第一传感器输出的信号和从所述第二传感器输出的信号；以及基于处理后的输出信号确定所述第一目标气体和所述第二目标气体中至少一者的浓度。

第二实施方案可包括第一实施方案所述的方法，其中所述第一目标气体包括一氧化碳。

第三实施方案可包括第一实施方案或第二实施方案所述的方法，其中所述第二目标气体包括挥发性有机化合物。

第四实施方案可包括第一实施方案至第三实施方案中任一实施方案所述的方法，其中所述第二目标气体包括甲醛。

第五实施方案可包括第一实施方案至第四实施方案中任一实施方案所述的方法，其中所述第一操作条件包括第一偏置电压，并且所述第二操作条件包括第二偏置电压。

第六实施方案可包括第五实施方案所述的方法，其中所述第一偏置电压和所述第二偏置电压中的一者包括零偏置电压。

第七实施方案可包括第五实施方案或第六实施方案所述的方法，其中所述第一偏置电压和所述第二偏置电压中的一者包括约300mV。

第八实施方案可包括第五实施方案至第七实施方案中任一实施方案所述的方法，其中所述第一偏置电压和所述第二偏置电压中的一者包括介于约0mV和约500mV之间的偏置电压。

第九实施方案可包括第一实施方案至第八实施方案中任一实施方案所述的方法，其中所述第一操作条件包括第一过滤条件并且所述第二操作条件包括第二过滤条件。

第十实施方案可包括第九实施方案所述的方法，其中所述第一传感器和所述第二传感器中的一者包括过滤器。

在第十一实施方案中，被配置成在存在第一目标气体的情况下检测第二目标气体的传感器组件可包括：第一传感器，其包括第一操作条件；第二传感器，其包括第二操作条件，其中所述第一操作条件与所述第二操作条件不同；以及处理器，其被配置成从所述第一传感器接收第一输出信号；从所述第二传感器接收第二输出信号；通过比较所接收的输出信号来处理它们；以及基于处理后的输出信号确定所述第一目标气体和所述第二目标气体中至少一者的浓度。

第十二实施方案可包括第十一实施方案所述的传感器组件，其中所述处理器被配置成确定两个输出信号之间的差异。

第十三实施方案可包括第十一实施方案或第十二实施方案所述的传感器组件，其中所述第一操作条件允许所述第一传感器检测所述第一目标气体，并且其中所述第二操作条件允许所述第二传感器检测与所述第二目标气体组合的所述第一目标气体。

第十四实施方案可包括第十一实施方案至第十三实施方案中的任一实施方案所述的传感器组件，其中所述第一传感器包括第一过滤器，并且其中所述第二过滤器包括与所述第一过滤器不同的第二过滤器。

第十五实施方案可包括第十一实施方案至第十四实施方案中的任一实施方案所述的传感器组件，其中所述第一传感器包括第一偏置电压，并且其中所述第二过滤器包括与所述第一过滤器不同的第二偏置电压。

在第十六实施方案中，一种用于在一氧化碳存在下确定甲醛浓度的方法可包括：在第一操作条件下操作第一传感器，其中所述第一传感器是传感器组件的一部分；在第二操作条件下操作第二传感器，其中所述第二传感器是所述传感器组件的一部分，并且其中所述第二操作条件不同于所述第一操作条件；通过第一传感器检测一氧化碳和甲醛中的至少一者；通过所述第二传感器检测一氧化碳和甲醛中的至少一者；处理从所述第一传感器输出的信号和从所述第二传感器输出的信号；以及基于处理后的输出信号确定一氧化碳和甲醛中至少一者的浓度。

第十七实施方案可包括第十六实施方案所述的方法，其中处理从所述第一传感器输出的信号与所述第二传感器输出的信号包括确定两个输出信号之间的差异。

第十八实施方案可包括第十六实施方案或第十七实施方案所述的方法，其中所述第一操作条件包括第一过滤条件并且所述第二操作条件包括第二过滤条件。

第十九实施方案可包括第十六实施方案至第十八实施方案中任一实施方案所述的方法，其中所述第一操作条件包括第一偏置电压，并且所述第二操作条件包括第二偏置电压。

第二十实施方案可包括第十六实施方案至第十九实施方案中任一实施方案所述的方法，其中一氧化碳的浓度与甲醛的浓度之比为约100:1。

尽管上文已经示出和描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但在不脱离本公开的实质和教导的情况下，本领域的技术人员可以对其做出修改。本文所述的实施方案仅是代表性的而并非意在进行限制。许多变化、组合和修改都是可能的，且在本公开的范围内。由于合并、整合和/或省略一个或多个实施方案的特征而得到的替代实施方案也在本公开的范围内。因此，保护范围不受上面给出的描述的限制，而是由以下的权利要求书限定，该范围包括权利要求书的主题的所有等价物。每一项权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，并且权利要求书为一个或多个本发明的一个或多个实施方案。此外，任何上述优点和特征可涉及特定实施方案，但不应将此类公布的权利要求书的应用限制为实现任何或所有以上优点或具有任何或所有以上特征的方法和结构。

另外，本文所使用的章节标题是为了与37 C.F.R. 1.77的建议一致或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可以从本公开公布的任何权利要求书中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题可能是指“技术领域”，但权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的领域。此外，“背景技术”中的技术的描述不应被解读为承认某项技术是本公开中的任何一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不应被认为是在公布的权利要求书中所阐述的一个或多个发明的限制性表征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何提及不应被用于证明在本公开中仅有一个新颖点。根据从本公开公布的多个权利要求的限制，可以阐述多个发明，并且此类权利要求相应地限定了由其保护的一个或多个发明以及其等同形式。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开按照权利要求自身的优点来考虑，而不应受到本文所陈述的标题的限制。

应当理解，使用广义的术语如“包含”、“包括”和“具有”提供对狭义的术语如“由……组成”、“基本上由……组成”和“基本上由……构成”的支持。针对实施方案的任何元件使用术语“任选地”、“可”、“可能”、“有可能地”等意指该元件是不需要的，或另选地，该元件是需要的，两种替代方案均在一个或多个实施方案的范围内。另外，对示例的提及仅仅用于说明目的，并非意在是排他性的。

尽管本公开中提供了若干实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的实质或范围的情况下可以通过许多其它具体形式来体现所公开的系统和方法。本发明示例应被认为是例示性的而非限制性的，并且本发明并非局限于本文中给出的细节。例如，可以将各种元件或部件结合或集成到另一个系统中，或者可以省略或不实现某些特征。

此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在各个实施方案中被描述和示出为分立或独立的技术、系统、子系统和方法与其它系统、模块、技术或方法结合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦接或通信的其它项可以通过一些接口、装置或中间部件间接耦接或通信，而不论是通过电的方式、机械的方式还是其它方式进行这种耦接或通信。本领域技术人员可确定并且在不脱离本文所公开的实质和范围的情况下可以做出变化、替换和变更的其它示例。