专利名称：生成磁场的装置,制备这种装置的方法及测量顺磁气体组分的气体传感器的制作方法
技术领域：
本公开大体上涉及一种用于生成磁场的装置，其包括响应电流的线圈和具有极的磁芯，磁芯用于在极附近生成磁场以使得顺磁气体组分振动并发射声信号。本公开还涉及制备用于生成磁场的装置的方法和用于测量顺磁气体组分的气体传感器。
背景技术：
在麻醉及重症护理中，经常监视病人的状况，例如，通过分析病人呼出气体来得到其含量。出于这种考虑，将少量呼吸气体传输至气体分析仪或将气体分析仪直接连接至呼 吸回路。在主流类型的气体分析仪中，呼吸空气或气体混合物的全部体积或至少主要部分流过该分析仪及其测量腔。市面上的主流传感器多数只测量一种气体，二氧化碳。对于所有活体受检者的生命而言及在保健技术中，氧气(O2)是最重要的气体，因此亟需连续测量其浓度，特别是在病人呼吸的O2含量高于环境空气的20. 9 %的人工气体混合物的情况下。在麻醉和重症护理中这一需求是最明显的。这种测量应当足够快以能记录呼吸循环中吸入相和呼出相期间的氧气值。为了能覆盖儿童和成人的足够宽的呼吸频率，响应时间应当在IOOms左右或对于自然机制换气和人工机制换气都更好。该响应时间保证除记录吸入O2水平外，还获得精确的呼出O2水平，以证实氧气传输至肺部血液。如果还测量呼吸(respitary)流,这也使计算O2摄取成为可能。传统的电-化学O2传感器所具有的响应时间一般为数秒钟，并且即使它们可制造为获得更快的响应时间，也需要以其使用寿命作为代价。氧气为强顺磁性，这使得其与临床环境中出现的其他相关呼吸气体在物理上不同。这意味着在磁场梯度中有力作用于O2分子上。严格说来，该力与场强度及其空间梯度的乘积成比例。在气体填充的电-磁的间隙生成交替�。沟迷诩湎吨谢蛄诮湎侗咴档难醴肿佑胧┘拥礁么盘逑呷Φ牡缌魍秸穸⑸裳沽π藕�。磁场强度与磁通密度除以间隙长度成比例，并且在振荡场中生成的压力信号与场的平方成比例。即使这种效应在宏观上是微弱的，但从20世纪70-80年代开始，其在工业和临床气体测量应用中已经以多种技术配置被商业开发。在手术室和重症监护应用中最广泛使用的快速响应差分顺磁O2分析仪要求在侧流装备中测量，这意味着需要气体采样泵和可将气体从病人导气管传输至测量单元的薄管。这也在测量的信号和导气管实时浓度之间生成典型为1-2秒的传输延迟。这一基于气动桥设备的差分测量还要求抽吸到传感器中的参照气体。在大多数情况下，环境空气可用作有效的参照气体。还已知一种不需要泵和参照气体的快速主流顺磁O2分析仪，包括开放式螺线管型的声学发射器和用于探测已生成的传播声音振幅的麦克风，该声学发射器声称可发射强度与O2浓度成比例的声音。然而，这种螺线管在此应用中是存在问题的组件，因为动态的磁力作用在线圈上，与由O2生成的净信号相伴生成不希望的磁-机械干扰信号。
发明内容
本文致力于解决上述缺陷、缺点及问题，可通过阅读并理解下述说明书理解它们。在一个实施例中，一种用于生成磁场的装置，其包括响应电流的线圈和具有极的磁芯，该磁芯用于在极附近生成磁场以使得顺磁气体组分振动并发射声信号，线圈至少部分围绕磁芯。该用于生成磁场的装置还包括至少部分被磁芯和线圈覆盖的基板。在另一实施例中，一种制备用于生成磁场的装置的方法，其包括在基板上沉积第一线圈层，并在第一线圈层上至少部分沉积磁芯层。该制备用于生成磁场的装置的方法还包括在磁芯层上至少部分沉积第二线圈层，并且电连接第一线圈层至第二线圈层。在又一实施例中，一种用于测量顺磁气体组分的气体传感器，包括用于生成用以振动顺磁气体组分的磁场的装置，该装置包括响应电流的线圈和具有极的磁芯，磁芯在极附近生成磁场以使得顺磁气体组分振动并发射声信号，线圈至少部分围绕磁芯。该用于测量顺磁气体组分的气体传感器还包括接收由顺磁气体组分发射的声信号的声信号探测器。该用于生成磁场的装置还包括至少部分被磁芯和线圈覆盖的基板。 本领域技术人员可通过下述附图和其详细描述显见到本发明的多种其它特征、目的和优点。
图I是依据一实施例的、用于生成磁场的装置的示意图；图2是图I中在磁芯的极之间具有开放式间隙的装置的侧视图；图3是图I中具有磁芯的极之间的、填充介电材料的间隙的装置的侧视图；图4是图I中的发射器装置沿着线A-A截取的截面；图5是依据另一实施例的、用于生成磁场的装置的示意图；图6是包括沿着线B-B截取的、图5的用于生成磁场的装置的气体传感器的截面和依据一实施例的信号探测器的示意图；图7是包括沿着线A-A截取的、图I的用于生成磁场O的装置的气体传感器的截面和依据另一实施例的信号探测器的示意图；以及图8是装配入导气管适配器的、用于分析顺磁气体组分的气体传感器的示意图。
具体实施例方式参考附图，以下详细描述解释了特定实施例。可自然地修改具体实施例，并且具体的实施例不应限制权利要求阐明的本发明范围。在图I中公开了用于生成磁场的装置I。在气体空间中的磁场使得顺磁气体分子振动并发射声信号，例如声波，有助于测量顺磁气体(例如，氧气)。装置I包括基板2，其可由机械鲁棒(mechanically robust)的介电材料(例如，陶瓷材料或玻璃)制成。装置I也包括磁芯3和线圈4，磁芯3通常由形成环形电磁芯层的铁磁材料制成，且线圈4由导电材料(例如，铜)制成。线圈可由AC电流或脉冲电流驱动。有利地，至少部分由线圈4环绕的磁芯3位于基板的平面上。线圈4和磁芯3包括沉积在基板上的薄集成层。磁芯也可水平安置在基板的平面上。
具有极6和7的磁芯在这些极附近生成磁�。懦∥萍蛟诩�。在磁芯3相对的极6和7之间的间隙5中或其附近的强磁场产生激活的声波发射区域10，并且其场梯度邻近于如图2所示的其边缘，其中间隙5是开放式的。在该间隙的位于间隙后的一端与基板2相接，而远离基板的相对端与环境气体接触。基板边的间隙和相对的极用作声信号的反射器，使得间隙只向一个方向发射声音，该声信号由顺磁气体分子的振动生成。基本上，这也意味着，通过用介电材料8填充间隙5，由于如图3所示的条纹区域及其梯度的原因，在其上方的区域10在O2存在时仍用作 声波发射器。因此邻近间隙5的O2分子仍振动并发射声波。这种填充也有助于将不希望的磁力-机械背景信号最小。在最基础版本中，具有磁场的单个短间隙用作声波的线源，其强度与氧气的环境分压成比例。假设间隙的机械振动是可以忽略的，那么非顺磁气体(如氮气)的输出量将是零。位于间隙5后的基板2中也可以是一穿过基板的孔隙(未在图中示出)，这也可生成磁�。⑶铱稍诩湎断喽苑较蚍⑸渖藕牛桓龇较蛟独肴缤�2所不的基板水平面,另一方向穿过基板的孔隙传向另一侧。当磁场和声波发射选择分为两个相对方向时，这自然减小了远离基板处的磁场及声发射，但是如果需要，可通过增加供应到线圈的电流来增加声发射。这种类型的实施例在例如测量氧气消耗的应用中可能有所帮助，其中可利用传播向相对方向的两声束之间的频率差(多普勒效应)来相伴测量氧气浓度和气体速度。图4是如图I所示的发射器装置的截面，包括线圈缠绕的磁芯部分的放大及更详细视图。围绕磁芯3的半平坦线圈4可通过下述步骤构造在基板2上沉积第一线圈层21 (例如，铜丝线圈图案)的底层，其在沉积磁芯3的磁芯层23之前覆盖第一绝缘层22，如图4的放大图所示。当磁芯层23就位时，至少磁芯层的那些部分被第二绝缘层24覆盖，该第二绝缘层24可与线圈4的第二线圈层25接触，第二线圈层25沉积在第二绝缘层24上的磁芯层23的上方，如图4所示，以使得顶层图案相对于较下层的图案合适放置，以形成围绕平坦磁芯的功能线圈。在磁芯层23的两侧都需要薄绝缘层22和24，以防止如果与磁芯3接触而生成的线圈4短路。进一步，有利地通过利用介电层26至少部分覆盖磁芯层23或其顶表面和/或第二线圈层25，使得整个平坦结构钝化，以保护这些组件免于被腐蚀和污染，上述顶表面远离基板。如图I所示，为了减小电流(需要它以在较低电流运行磁通密度达到饱和)，有利地使磁芯3的宽度在靠近间隙5时逐渐减�。湎�5可以是开放式的或封闭的。图5显示了用于装置I另一可能的实施例，其中间隙5不是渐细的，但是其延伸在较宽的区域上以生成磁�。⑹股ǚ⑸淝蜓由煲猿晌喽矫嬖�。这可通过如下配置实现多种几何形状其中间隙5包括诸如带有磁芯3的相对的极6和7上的根部的“指状物，，的交错突起12。这些突起将间隙5分隔为数个亚-间隙13，其使得由多个空间分布点源生成的波前端生成更多方向的声束，而非如图I的单一间隙生成圆柱形或球形的声束。图5的其他结构类似于图I的结构。可依据应用需求决定装置I的尺寸。典型地，主流应用中可使用的从病人(特别是成人)的呼吸气体中测量氧气的接收磁芯3的基板面积可以是I平方英寸，其厚度可以是3-5mm。磁芯层厚度可以是从O. 2至O. 5mm,线圈导线厚度约O. 1mm。磁芯的空气间隙可以是O. 2mm,并且磁芯宽度为从5mm渐细至Imm,如图I所示,如果更可能优选用点源代替线源如图6所示。
为使气体传感器15可用于顺磁气体，除用于生成磁场的装置I外，还需要声信号探测器16 (如声音探测器或麦克风)来探测声信号，以测量声波振幅，如图6和图7所示，并提供指示顺磁气体浓度的信号。有两种用于它们的交互放置的主要选项。在图6中，声信号探测器16相对于装置1，留下有气体混合物的气体间隔17，气体混合物可包括能由传感器15测量的氧气。因此，声波通过气体间隔17传播，如果间隙5没有填充介电材料，使得在间隙5中及间隙周围邻近其边缘的氧分子振动，生成声信号(例如，声波)，该信号可被探测器16探测。用于气体传感器15的另一选项如图7所示，其中装置I和声音探测器16并排放置，例如利用反射器19放置在相同的基板2上或在相同壁上，反射器19可以是相对壁本身或邻近装置I的单独配置。在这种情况下，声波从气体空间17传播向反射器19，反射器19反射声波回穿过气体空间传向信号探测器16。可将反射器19设计成具有保证反射声音最佳聚焦于声信号探测器区域的形状。这种具有反射器19的集成构造使得在任何开放式空间方便测量环境O2成为可能。依据另外的实施例，可利用磁芯3内部或外部的基板2表面上的空的空间来放置额外传感器或传感组件，例如在完全主流气体传感器中用于测量在计算浓度-分压关系时需要的温度和压力的组件(图中未示出)。如本文之前所阐述的，用于测量由O2分子生成 的声音信号振幅的声信号探测器16或压力传感器可以放置在相同的带有磁芯3的基板2上。进一步，关于在相中同时流测量O2信号以实现实时O2消耗计算的可能性，两个声音探测器(图中未示出)可放置在基板2上的最佳位置中，以利用多普勒位移来测量两个方向的流。另一流测量的选项是在基板上放置热丝传感器(图中未示出)。图8显示了装配于导气管适配器33中的具有发射器装置I和声信号探测器16两者的气体传感器15的示意图。为了分析顺磁气体(例如，氧气)，气体传感器15也包括用于为装置I、实际是为其线圈4生成电流的电流源31。气体传感器进一步包括处理单元32，该处理单元32用于接收来自声信号传感器16的指示顺磁气体浓度的信号并用于接收来自电流源31的指示提供给线圈4的脉冲电流及其相位的信号。处理单元进一步控制电流源31的操作。基于从电流源31和声信号探测器16收集的信息，该处理单元32能够确定在发射器装置与声信号探测器16之间的气相17的顺磁气体浓度。当测量病人气体时，特别是在新生儿及小儿情况下，关键在于气体传感器15是快速、小型、和轻质的。典型地利用插管、Y-型、吸气管和呼气管(图中未示出)将病人连接至呼吸机，但是导气管适配器33可连接至插管。气体传感器15是一种测量呼吸机和病人之间的气流的所谓的主流气体传感器，其无需抽取气体样本到独立的气体分析仪，例如与呼吸机和病人之间的流隔一段距离的侧流气体分析仪。相同的气体分析技术自然也可应用于侧流气体分析仪。气体分析仪也可包括其它技术，例如红外技术以便在需要时测量除氧气外的其它气体，例如二氧化碳、一氧化二氮或任何挥发性麻醉剂例如三氟氯溴乙烷、恩氟烷、异氟烷、地氟醚及七氟醚。此外，可配备呼吸测定适配器(图中未示出)用于测量在呼吸回路中的气流。在图8中，被测量的气体流过导气管适配器33的气体通道36。该通道的截面一般可以是圆形或方形。气体传感器15包括投影部分37，其可通过导气管适配器33的孔隙38推入气体通道。装置I和声信号探测器16都固定在投影部分37上，有利地在其末端，其可距导气管适配器的边缘39 —段距离以免沿着边缘39移动的液滴干扰测量。如图8所示的气体传感器通过线缆40电连接至具有显示器42的病人监视器41，用于显示测量的氧气浓度。该适配器可用下述材料制成，其允许生成自装置I的声信号传播通过该材料，传向适配器内的气体通道36并最终传向声信号探测器16，特别是在用于生成磁场的装置I和探测器16布置在适配器的气体空间外侧的情况下。同样只有导气管适配器的一部分,对于声波传输是关键的，可以提供下述材料，该材料允许生成自装置I的声信号传输通过该材料，传向适配器内的气体通道36，并传向声信号探测器。如果还需要红外技术测量其它非顺磁气体，那么甚至相同的导气管适配器33也可配备一用于该红外技术的连接(图中未示出)。在这种情况下，导气管适配器可提供至少一个光学窗口用于允许红外辐射被气体组分吸收，该红外辐射广泛应用于分析二氧化碳、一氧化二氮和挥发性麻醉剂。典型地在气体通道36的相对侧上设置两个红外传输光学窗 口。红外源位于在适配器一侧的气体分析仪上，并在对侧设置非色散滤镜组装件及红外探测器(一个或多个)，这种方式使得直接从红外源发出的红外辐射通过窗口和相关窄带滤镜射向红外探测器。将来自红外探测器的信号放大并修正以反映测量的气体的浓度。总之，与现有技术已知的用于生成磁场的装置相比，本文前述公开的实施例具有数个优点。用于生成磁场并具有最小机械噪声引入的鲁棒的集成固态O2敏感装置将有机会以多个鲁棒的平坦固态配置中开创新一代紧凑型快速响应主流O2气体传感器。该装置也可用于构建小型独立氧气传感器，为了例如高海拔或地下矿藏环境中的人体安全而用于测量环境氧气分压。本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能制作和使用本发明。本发明可取得专利的范围由权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求文字语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。部件表
权利要求
1.一种用于生成磁场的装置，包括 响应电流的线圈⑷；以及 具有极(6、7)的磁芯(3)，所述磁芯在所述极附近生成磁场以使得顺磁气体组分振动并发射声信号，且所述线圈至少部分围绕所述磁芯，其特征在于用于生成磁场的所述装置还包括至少部分被所述磁芯和所述线圈覆盖的基板(2)。
2.如权利要求I所述的用于生成磁场的装置，其特征在于所述线圈(4)包括首先沉积在所述基板上的第一线圈层(21)和沉积在所述磁芯上方的第二线圈层(25)，所述磁芯至少部分沉积在所述第一线圈层的上方。
3.如权利要求2所述的用于生成磁场的装置，其特征在于所述磁芯(3)包括磁芯层(23)，在这种情况下在所述基板上的所述磁芯和所述线圈包括不同的层，这些层是沉积在所述基板上的第一线圈层(21)，至少部分沉积在所述第一线圈层上方的磁芯层(23)和沉积在所述磁芯层上方并电连接到所述第一线圈层的第二线圈层(25)。
4.如权利要求3所述的用于生成磁场的装置，其特征在于在所述第一线圈层(21)和所述磁芯层(23)之间提供第一绝缘层(22)，以及在所述磁芯层和所述第二线圈层(25)之间提供第二绝缘层(24)。
5.如权利要求I所述的磁场发生器，其特征在于所述基板由机械鲁棒的介电材料制成。
6.如权利要求I所述的磁场发生器，进一步包括在所述极之间的间隙(5)，所述间隙可以是开放式或被填充的。
7.如权利要求I所述的磁场发生器，其特征在于在所述极附近生成的磁场在所述极之间或周围。
8.如权利要求I所述的磁场发生器，其特征在于所述磁芯(3)的宽度在靠近所述极(6,7)之间的间隙(5)时是渐细的。
9.如权利要求I所述的磁场发生器，其特征在于在相对的极(6、7)之间有一间隙(5)，所述间隙(5)包括具有在所述磁芯(3)的所述相对的极(6、7)上的根部的交错突起(12)。
10.如权利要求9所述的磁场发生器，其特征在于所述突起(12)将所述间隙(5)分隔为数个亚间隙(13)。
11.一种制备用于生成磁场的装置的方法，包括 在基板(2)上沉积第一线圈层(21)； 至少部分在所述第一线圈层上沉积磁芯层(23)； 至少部分在所述磁芯层上沉积第二线圈层(25);以及 电连接所述第一线圈层到所述第二线圈层。
12.如权利要求11所述的制备用于生成磁场的装置的方法，进一步包括 在沉积所述磁芯层之前，通过第一绝缘层(22)覆盖所述第一线圈层；并且 在沉积所述第二线圈层之前，通过第二绝缘层(24)至少部分覆盖所述磁芯层的、可与所述第二线圈层接触的那部分。
13.如权利要求11所述的制备用于生成磁场的装置的方法，进一步包括 通过介电层(26)至少部分覆盖所述磁芯层(23)。
14.一种用于测量顺磁气体组分的气体传感器，包括生成用于振动顺磁气体组分的磁场的装置(I)，所述装置包括响应电流的线圈(4);和具有极出、7)的磁芯(3)，所述磁芯用于在所述极附近生成磁场以使得顺磁气体组分振动并发射声信号，且所述线圈(4)至少部分围绕所述磁芯；以及 接收所述顺磁气体组分发射的所述声信号的声信号探测器(16)， 其特征在于用于生成磁场的所述装置(I)还包括至少部分被所述磁芯(3)和所述线圈(4)覆盖的基板(2)。
15.如权利要求14所述的气体传感器，进一步包括 为用于生成磁场的所述装置(I)生成电流的电流源(31)，所述电流源(31)提供指示供应的所述电流的信号；以及 处理单元(32)，该处理单元(32)用于接收来自所述声信号探测器(16)的、指示所述顺磁气体组分浓度的信号，和用于接收来自所述电流源(31)的、指示供应给所述线圈(4)的所述电流的信号，并且基于从所述电流源(31)和所述声音探测器(16)收集的信息，所述处理单元(32)能确定所述顺磁气体浓度。
全文摘要
本发明名称为“生成磁场的装置，制备这种装置的方法及测量顺磁气体组分的气体传感器”。本文公开了一种用于生成磁场的装置。该装置包括响应电流的线圈(4)，和具有极(6、7)的磁芯(3)，磁芯在极附近生成磁场以使得顺磁气体组分振动并发射声信号，线圈至少部分围绕该磁芯。该用于生成磁场的装置还包括至少一部分被磁芯和线圈覆盖的基板(2)。还提供了一种制备用于生成磁场的装置的方法。进一步地，提供了一种用于测量顺磁气体组分的气体传感器。
文档编号G01N27/74GK102788838SQ20121024919
公开日2012年11月21日 申请日期2012年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者P·T·梅里莱宁 申请人:通用电气公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
