[发明专利]带有保护栅的气体传感器、构成传感器的方法和传感方法

说明书

本发明涉及气体传感器。具体地，本发明涉及带有保护栅的传感器。

气体和水汽传感器具有许多工业应用。这些应用包括为了工人的安全，检测车间中的危险气体、燃料燃烧时空气-燃料混合物和馈送的增强控制、生产流程中增加产品产量、和减小浪费。这些应用通常依赖于独特的传感器，它们被安装来检测其浓度达到有害水平的单种气体或水汽。这些气体的例子包括，但不限于，硫化氢、一氧化碳、氯、氨、氢、和甲烷。

用于工业气体和水汽传感的方法基本上沿两种技术路径展开。第一种路径涉及复杂的分析仪器的使用，例如红外波谱学、气体色谱学、和质谱学。微控制器和微计算机的发展导致这些分析仪器的小型化。这些仪器是强有力的，但它们有重大的缺点，例如，需要很大的维护强度。而且，这些仪器对于有害的腐蚀环境很敏感，必须把它们放置在人工气候控制室中，远离气体或水汽源的地方。因此，气体(水汽)样本必须被传送到分析仪，结果，不能提供实时信息。另外，这些仪器是昂贵的，因而，它们不能担当对于实时的现场应用的候选者。

对于工业气体传感器的第二种技术路径是以化学传感器技术来开发的。在化学过程中的化学传感器的应用已被很好地建立，这些化学传感器可以放置在处理过程流中，提高处理过程的效率和产量，以及减少浪费。例如，在硅处理过程馈送流中的水浓度总量的确定可通过使用化学传感器来传感水浓度而得以提高。

识别目标气体的传感器的能力取决于几种因素。这些因素包括传感器对于其它干扰气体和水汽的灵敏度，以及目标气体的浓度。从其它气体中分辨目标气体的能力被称为灵敏度。只有非常少的具有高灵敏度的已知传感器，在其中传感器在传感状态与非传感状态之间在气体检测上具有约十倍以上的差别。而且，在这些非常少的传感器中，相对更可靠地精确检测各个气体的传感器甚至更少。例如，当干扰物的浓度很大时，不可靠的传感器不能提供气体总量的正确的指示。实际上，这种限制可通过使传感器只使用在干扰物浓度不太高而得以避免的。然而，这种解决办法限制了传感器的有效性和使用。

气体传感器被使用来检测在充油的电气变压器中的特定的不想要的气体。在充油的变压器中的缺陷包括电弧(电气)、电晕放电(电气)、低能量电火花(电气)、严重过载(电气)、泵电动机故障(电气和热)、和在绝缘系统中的过热(电气和热)。这些缺陷会产生不想要的气体，例如氢(H₂)、乙炔(C₂H₂)、乙烯(C₂H₄)、和一氧化碳(CO)。这些缺陷条件导致变压器不正常工作或指示即将来临的不正常工作，如果不纠正，它会造成变压器的故障。在变压器故障与由变压器产生的缺陷气体之间存在统计的相关性。这个相关性利用气体来检测可能的变压器故障的预兆。因此，如果实现精确检测变压器中的潜在危险的气体，则变压器的可能的故障和失效可被找到，并常常可避免。

一类气体检测传感器通常包括半导体基片、放置在(例如生长在)半导体基片上的薄的绝缘层、和放置在(例如放置在)薄绝缘层上的催化的金属栅。这种性质的传感器是熟知的。传感器的灵敏度水平对于每种气体是不同的，取决于栅材料。栅材料决定哪种指定的气体将被检测，换句话说，栅材料调节传感器，以用于指定的气体。因此，虽然独特的传感器可能对于检测其被调节到的单个气体是有用的，但它对于检测其它的气体将不太有用。如果传感器没有被适当地调节，则所指定的气体可能不能被精确地检测，这当然是不希望的。

再者，已知的传感器没有提供对于传感器部件在有害环境下的保护。例如，在变压器中常常存在腐蚀气体，它们有害地影响传感器的工作。变压器中的这些腐蚀气体必须保持远离传感器的催化栅，以使得传感器精确地和正常地工作。另外，这些已知的传感器没有被保护不受水或粒子的外来物质的干扰，这些物质是在变压器中经常出现的。

某些气体传感器建议使用薄膜、滤网、和材料的间断层来保护传感器。然而，没有看到这些建议可保护传感器不受腐蚀物、水、和外来粒子材料的损害。薄膜、滤网、和间断层没有被固定到传感器部件，所以它们没有粘接到和保护传感器，特别是栅。

所以，希望能提供一种传感器，它包括对腐蚀环境、水、和外来物质的防护。也希望能提供一种传感器，它可被设计成可调节的，以便于选择地通过和检测指定的气体。另外，希望能提供在各种应用中，例如在制造设备中用于监视气体的浓度以及对于电力变压器的设备过程的故障模式监视的系统。