CN101031795B - 用于气体传感器的热隔离的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于检测第一气体流中存在的成分的气体传感器组件(10)。该组件包括：(a)具有一对相对面对的表面的柔性电路(15)；(b)安装在柔性电路的一个表面上的传感器(22)，该传感器与柔性电路中的导体电连接；(c)用于引导第二气体流穿过柔性电路的背向传感器的表面的通道(14)，该通道至少部分由所述柔性电路背向所述传感器的表面形成。第一和第二气体流可来自于共同的气体流。在操作中，传感器(22)和相邻的热传导结构部件(12)之间的热传导率降低，因此降低了传感器的电能消耗。

Description

用于气体传感器的热隔离的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于检测气体流中存在的成分的传感器。更加具体地，本发明涉及一种热隔离的气体传感器结构，其中，传感器安装在具有气体填充间隙的柔性电路上，所述气体填充间隙形成在柔性电路的背向所述传感器的表面下方。

背景技术

在一些气体传感器的应用中，希望在不妨碍其功能的情况下，将传感器与外部环境隔离。这种隔离可能出于以下目的：减少或最小化热损失，减小或最小化到达传感器的光的数量，和/或减小或最小化机械干扰的影响。通常，传感器在特定的温度下工作，典型地是在高于其所感测的周围气体的温度下。这有时通过使用布置在与传感器相同的基底上的加热装置来实现。在这种情况下，会有一定量的热损失流向传感器周围的气体流以及与传感器热(和电)接触的部件和结构。该热损失与其中结合有传感器的整个系统中的能量损失的大小成比例。因此希望从传感器中减小或最小化这种热损失。

传统的现有技术中的热隔离技术包括将传感器本身以某种特定的方法制造以形成能够提供热隔离的结构(例如，参见专利号为5211053，5464966，5659127，5883009和6202467的美国专利)。这些热隔离技术的例子特别设计用于所涉及的传感器的结构类型，没有克服与组件水平相关的热损失问题，所述组件水平即指在该水平中，将传感器构建成更大的组件的一部分。这样的气体感测装置的现有应用，例如催化式气体传感器，应用了不同的技术使所述装置热隔离，例如在正在感测的气体流中，将所述装置使用分开的引线悬置，所述分开的引线将所述感测装置电连接到其下游处理和控制电路(例如，参见专利号为5902556的美国专利)，但是这些方法对于多连接的传感器并非优选方法。

例如，通过三到六根分开的引线悬置传感器以使传感器热隔离，这在涉及多个传感器元件的结构中存在问题。特别地，多元件传感器结构具有大量的与传感器相关的引线，因此在设定的体积中很难获得足够程度的热隔离，因为大量的引线倾向于将大量的热从传感器传导出。制造这样的悬置组件价格过高而且过于复杂。

现有技术的气体传感器的结构具有安装在陶瓷基底上或由引线悬置的多个传感器元件，所述结构不能获得足够程度的以使气体传感器结构所需要的电能能够显著降低的热隔离。这样的现有技术的结构通常涉及将传感器与陶瓷元件结合，所述陶瓷元件有时指“双列直插封装”，其中两排引脚连接从陶瓷基底伸出。双列直插封装的引脚连接与标准电路板的安装孔对准并且能够插入其中。现有技术的气体传感器结构因此显示出不理想的高的热损失，并且需要更多的电能，以补偿这种热损失。

发明内容

本发明的气体传感器组件具有一种将其中的传感器热隔离的结构，并且克服了现有技术中的气体传感器的一个或多个前述缺点。尤其是，本发明的热隔离气体传感器组件通过应用一种结构减少了电能消耗，在所述结构中，传感器安装在柔性电路上，所述柔性电路具有结合其中的导体(铜膜导线)，用于将传感器电连接到下游处理和控制电路。本发明的组件具有气体填充的间隙，所述间隙形成在柔性电路的背向所述传感器的表面的下面。传感器安装在柔性电路的上面，并且通过连线焊接与柔性电路电连接。本发明的结构因而将传感器与其相邻的部件和结构热隔离。

在一个实施例中，用于检测气体流中存在的成分的气体传感器组件包括：

(a)具有一对相互背对的表面的柔性电路；

(b)具有顶部表面和底部表面的传感器，所述传感器底部表面安装在所述柔性电路上从而所述柔性电路整体位于所述传感器底部表面下，其中所述传感器与所述柔性电路中的导体电连接；

(c)气体填充间隙，其位于所述柔性电路的与所述传感器背对的表面的下面，其在顶侧邻接所述柔性电路的与所述传感器背对的表面。

在操作中，传感器和其相邻的电路组件之间的热传导率降低，因此降低了传感器的电能消耗。

在本发明气体传感器组件的一个优选实施例中，气体流和气体填充间隙中的气体来源于共同的气体流。

在本发明气体传感器组件的另一个优选实施例中，柔性电路的相互背对的表面为平面。

一种用于使气体传感器热隔离的方法，所述传感器用于检测气体流中存在的成分，所述方法包括：

(a)将传感器安装在具有一对相互背对的表面的柔性电路的表面上，所述传感器具有顶部表面和底部表面从而所述柔性电路整体位于所述传感器底部表面下；

(b)产生气体填充间隙，所述气体填充间隙位于所述柔性电路的与所述传感器背对的表面的下面，并且所述气体填充间隙在顶侧邻接所述柔性电路的与所述传感器背对的表面；

其中，在所述传感器和其相邻的电路组件之间发生热隔离。

在本发明的方法的一个优选实施例中，气体流和气体填充间隙中的气体流来自于共同的气体流。

附图说明

图1为示意图，显示了本发明的热隔离气体传感器的第一基本结构的剖视图。

图2为应用了图1中示意性示出的结构的气体传感器组件的一个实施例的立体图。

具体实施方式

本文所涉及的气体传感器类型通常表现出三种热损失机理：(a)自顶部对流，(b)由接合线传导到柔性电路中的铜膜导线，和(c)由传感器的连接传导到柔性电路。柔性电路可反过来通过传导到柔性电路的边缘散热，所述柔性电路的边缘将柔性电路连接到电路板或安装硬件，通过由铜膜导线传导到达相同的电路板或硬件上散热，并且通过从柔性电路的表面的对流散热。柔性电路具有将这些损失控制到需要程度的柔性装置。与通常半导体封装的传感器相比较，柔性电路的长的铜膜导线和高的热阻提供相当大程度的热阻。另外，通过将铜膜导线制作得更长并且面积更小，可将经过柔性电路和铜膜导线的传导减小。可通过将柔性电路的面积减到最小并且通过在柔性电路周围提供静止的大气环境使热传递减到最小，从而将与周围空气的对流减小。

转到图1，气体组件10具有气体填充间隙，所述间隙由组件的几何形状限定，用于减小或最小化热损耗。特别地，气体传感器22与柔性电路15机械连接并且电连接，柔性电路15悬置在体积或间隙14上，通过所述体积或间隙14，可将气体流引导。气体流可以是正在检测的空气中的任一种或两种，和/或一些其它气体流。间隙14的存在减小或最小化了传感器22和其相邻的电路组件(在图1中用数字12泛指)之间的直接热传导。气体填充的间隙14使传感器22热隔离，因为气体通常的热传导率比固体的低10到100倍。柔性电路的使用使得可以使用各种形状来形成气体填充间隙。

如图1中所示，气体传感器组件10包括传感器22，传感器22安装到柔性电路15的表面上，并且悬置在具有固定体积的气体填充间隙14上。图1也显示了具有封闭结构30的气体传感器组件，所述封闭结构30安装在柔性电路15的表面上并且围绕传感器22。封闭结构30包括壁组件32和气体渗透膜34，如图所示。在封闭结构30内形成有内部体积，底部以柔性电路15和传感器22为界，侧部以壁组件32为界，顶部以膜34为界。

图2为应用示意性示出在图1中的气体传感器组件的一个实施例的立体图。如图2中所示，传感器22安装到柔性电路15的纵向长度的中心部分。柔性电路15的端部15a折叠到包含有传感器22的中心部分的下面，以形成一种结构，在该结构中，向下折叠的端部15a支撑着中心部分15c，并且阻止中心部分15c与在下面的组件10的部件相接触。由向下折叠的端部15a提供的支撑还使得在其上安装有传感器22的柔性电路15的中心部分的下面提供气体填充间隙或体积，这样，热隔离传感器22与下面的组件10的部件隔开。

如图2中进一步所示，柔性电路15终止于端部15b，其中从传感器22延伸的铜膜导线(未显示)电连接到引脚连接19。每一个引脚连接具有头部19a和尖头部分19b。在示出的实施例中，从气体传感器22延伸的铜膜导线电连接到引脚连接的头部19a。引脚连接19的尖头部分插入穿过位于柔性电路15的端部15b中的孔，然后穿过位于电绝缘支撑层17中的对准的孔中。引脚连接19的尖头部分能够插入位于电路板(未示出)中的对准的安装孔中，所述电路板包含下游处理和控制电路，来自传感器22的信号被指引到所述电路板中。

本领域的技术人员将认识到，很多其它形状的柔性电路可提供用于使安装在其上的传感器热隔离的气体填充间隙。

本发明的热隔离气体传感器组件中，其上安装有传感器的柔性电路的一个或多个表面限定了气体填充间隙，现有技术的设计中，传感器由各自的引线悬置远离相邻的电路组件，本发明的热隔离气体传感器组件与现有技术的设计不同。

在标准的半导体封装的传感器的情况下，柔性电路结构的热阻提供了相当程度地提高的热隔离。通常，标准封装设计用于将热排出传感器，而不是用于促进热的保持。在传感器由引线悬置的情况下，柔性电路为具有多条引线的传感器提供了相当多的优点。典型地，引线悬置的传感器只具有四条引线。而柔性电路的方法可以使用多条引线。引线的增加有利于在一个传感器上具有多个传感器并且使用四引线法感测，其中感测引线与供电引线相独立。该方法提供更高的精度和稳定性。

尽管本发明的装置已经以其优选实施例应用于感测氢气，但是本领域的技术人员将认识到，本装置的一个或多个方面可应用或容易地改进以感测和/或检测流体气体流中存在的成分和/或各成分的量，所述流体流通常包括包含氢气和/或不包含氢气的气体流、液体流、包含有夹带气体和/或固体的液体流和包含有夹带液体和/或固体的气体流。而且，本装置的各方面可应用或容易地改进以感测和/或检测滞留在固体的孔和/或晶格结构中的液体的成分和/或各成分的含量。

已经显示并描述了本发明的具体的步骤、元件、实施例和应用，但是应可理解，本发明不受本文描述的限制，因为本领域的技术人员，尤其是根据前述技术，可对本发明做出改进。

Claims (16)

1.一种气体传感器组件，用于检测气体流中存在的成分，所述组件包括：

(a)具有一对相互背对的表面的柔性电路；

(b)具有顶部表面和底部表面的传感器，所述传感器底部表面安装在所述柔性电路上且位于所述柔性电路的纵向长度的中心部，从而所述柔性电路整体位于所述传感器底部表面下，并且所述柔性电路的端部折叠到包含有所述传感器的所述柔性电路的部分下面，其中所述传感器与所述柔性电路中的导体电连接；

(c)气体填充间隙，其位于所述柔性电路的与所述传感器背对的表面的下面，其在顶侧邻接所述柔性电路的与所述传感器背对的表面；

由此，所述传感器和其相邻的电路组件之间的热传导率降低，因此降低了传感器的电能消耗。

2.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中，所述气体流和气体填充间隙中的气体来自共同的气体流。

3.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中，所述的相互背对的表面为平面。

4.根据权利要求1所述的气体传感器组件，还包括安装在所述柔性电路表面上的封闭结构，其中所述封闭结构包围所述传感器。

5.根据权利要求4所述的气体传感器组件，其中所述封闭结构包括壁组件和气体渗透膜。

6.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中由所述传感器检测的成分是氢气。

7.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中所述柔性电路包括铜膜导线。

8.根据权利要求7所述的气体传感器组件，其中所述铜膜导线从所述传感器延伸并电连接到引脚连接上。

9.根据权利要求8所述的气体传感器组件，其中每个引脚连接具有头部和尖头部分。

10.根据权利要求9所述的气体传感器组件，其中铜膜导线电连接到所述引脚连接的头部。

11.根据权利要求9所述的气体传感器组件，其中所述引脚连接的尖头部分穿过所述柔性电路端部的孔。

12.根据权利要求1所述的气体传感器组件，其中所述传感器和其相邻的电路组件之间的直接热传导减小。

13.一种用于使气体传感器热隔离的方法，所述传感器用于检测气体流中存在的成分，所述方法包括：

(a)将传感器安装在具有一对相互背对的表面的柔性电路的表面上且位于所述柔性电路的纵向长度的中心部，所述传感器具有顶部表面和底部表面从而所述柔性电路整体位于所述传感器底部表面下，并且所述柔性电路的端部折叠到包含有所述传感器的所述柔性电路的部分下面；

(b)产生气体填充间隙，所述气体填充间隙位于所述柔性电路的与所述传感器背对的表面的下面，并且所述气体填充间隙在顶侧邻接所述柔性电路的与所述传感器背对的表面；

其中，在所述传感器和其相邻的电路组件之间发生热隔离。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述气体流和气体填充间隙中的气体流来自于共同的气体流。

15.根据权利要求13所述的方法，其中在所述传感器和其相邻的电路组件之间的直接热传导减小。

16.根据权利要求13所述的方法，其中由所述传感器检测的成分是氢气。