专利名称：生产气敏基底的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及气体感测，特别涉及一种生产气敏(gas-sensitive)基底 (substrate)的方法和系统。
背景技术：
人们经常需要或者希望对环境中存在的气体进行监控，从而例如检测指定区域中 的有毒气体的存在和/或浓度。采用的一种典型方式是使用带有气体响应或者气敏材料的 纸带。在使用过程中，典型地使采样的气体通过传统的纸带，或者使采样的气体与传统的纸 带接触。如果指定的气体存在，对这种气体敏感的气敏或者气体响应材料引起纸带的颜色 发生变化。颜色的变化可通过多种光学测量技术被检测，并且可以标定(calibrate)颜色 的变化以对应于指定气体的浓度。传统的生产气敏纸带的工艺通常会造成成卷的带在带的整个宽度上浸有气敏化 学试剂。例如，一个传统的工艺包括展开一卷纸带，将带浸没在一槽(bath)气敏染料中，对 纸带进行干燥，重新缠绕该卷带。然而，传统的工艺的产率(yield)很低，意味着制造完成 的带不能满足高速率或者过高速率下的质量保证测试。而且，传统的生产工艺不能方便地 制造对多种气体敏感的基底。
发明内容
该发明提供了一种生产气敏基底的方法和系统。在第一个代表性的实施例中，方法包括在生产过程中通过分配一种或者多种气敏 材料到基底上并且干燥基底上的一种或者多种气敏材料来形成气敏基底。该方法还包括根 据与基底和生产过程中的至少一个相关的传感器测量结果来调整生产过程。在第二个代表性的实施例中，系统包括配置成在生产过程中形成气敏基底的生产 设备。该系统还包括至少一个控制室，配置成用于在生产过程中调节所使用的气体，使所调 节的气体具有一个或者多个指定的特性。在第三个代表性的实施例中，设备包括界面，该界面被配置成接收(i)与在生产 过程中产生的气敏基底相关的一个或者多个性质的测量结果，和/或(ii)与生产过程相关 的一个或者多个性质的测量结果。该设备还包括配置成根据测量结果调整生产过程的处理
4直.
从下面的附图、说明书和权利要求书中，本领域技术人员可对该发明的其它技术 特性进行清楚的了解。
为了更完整地理解发明，下面结合附图对本发明给予说明图1图示了根据本发明的生产气敏基底的系统的示例；图2到4图示了根据本发明的气敏基底的示例；图5到6图示了根据本发明将气敏材料分配到基底上的分配单元的示例。图7图示了根据本发明生产气敏基底的方法的示例。
具体实施例方式以下讨论的图1到7，和本专利文件中用于说明本发明的原理的各种实施例，只用 于说明，无论如何不能解释为对本发明的范围的限制。本领域技术人员应当明白，本发明的 原理可以通过任何类型适当设置的装置或者系统来实现。图1示出了根据本发明的用于生产气敏基底的示例的系统100。如图1所示，基底 102从第一卷轴(reel) 104上展开，通过分配单元106将一种或者多种气敏材料沉积到基底 102上。基底102然后进入干燥单元108，干燥单元108对基底102上的一种或者多种气敏 材料进行干燥。然后基底102被重新缠绕到第二卷轴110上。基底102包括任何合适的能够接收和保持气敏材料的材料，如纸或者塑料带。气 敏材料包括任何合适的材料，如受能够改变颜色或者提供一种或者多种指定气体或者气族 (gas family)存在的指示的化学试剂。气敏材料通常提供一种或者多种指定气体或者气族 的浓度的指示。卷轴104和110包括任何合适的基底能够缠绕的结构。然而，基底102不 是必须被缠绕在卷轴104和110上，代替地，基底102可以被折叠或者以任何其它合适的方 式被收集(collect)。分配单元106包括任何合适的用于将一种或者多种气敏材料分配到 基底上的结构。干燥单元108包括任何合适的用于干燥基底的结构。在这个例子中，系统100还包括一个或者多个控制室(controlledchamber)。例 如，分配单元106可包括控制室112，干燥单元108可包括控制室114，第二卷轴110在控制 室116内操作。控制室112-116中每一个都可用于控制在系统100的不同部分中所使用的 空气的一个或者多个特性(如湿度、温度或者组成(composition))。在本文献中，术语“空 气”(air)指一种或多种气体的任意组合。如上所述，生产气敏带的传统技术的一个困难是通常这些技术的产率不高。根据 本发明，可以使用一个或者多个控制室112-116来调节生产过程中所使用的空气，如调节 空气为希望的温度、湿度或者组成。这可以有利于提高系统100中生产的基底102的产率。在一些实施例中，控制室112-116中的至少一个可以调节空气，从而空气的一个 或者多个特性基本上固定。例如，控制室能够调节空气使该空气具有30%的相对湿度。控 制室还能够调节空气使其具有基本上固定的温度或者任何其它的或者另外的特性。能够对 这些特性进行选择以提高生产的基底102的产率。在这些实施例中，控制器118能够接收 来自控制室的温度、湿度或者其它测量结果，使用这些测量结果来调整控制室的操作，这样被调节的空气就能够维持基本上固定的特性。在其它的实施例中，由一个或者多个控制室112-116所调节的空气的湿度、温度、 组成或者其它特性可被控制器118动态地调整。例如，基底102的水分(水)的含量可被 测量并用于控制一个或者多个控制室112-116。在这个例子中，第一传感单元120位于分配 单元106的前面，第二传感单元122位于干燥单元108的后面。传感单元120和122在系 统100中的这些位置测量基底102的水分含量。有很多快速的(和相当廉价的)技术用于测量基底的水分含量。例如，O-H拉伸红外吸收(0-H stretch infrared light absorption)技术是众所周知的技术，其中利用 很宽范围和强度的红外吸收来测量材料的总水分含量。如图1所示，红外光源124以非垂 直的入射角对基底102进行照射，入射光与基底102相互作用。基底102中任何的水分都 吸收特征红外光，并且阻止所述光被反射或透射，被反射或者透射的光可以被光检测器126 记录下来。需要提醒的是，有很多不同的方法能够用于达到上述目的。例如，宽光源124或者 调谐为特定O-H拉伸的光源124是可用的。同样，光谱仪能够作为对于宽光源124的光检 测器126使用，或者光电二极管能够作为对于调谐光源124的光检测器126使用。另外，光 源124和光检测器126可以相对基底102和彼此具有任何合适的设置(如在基底102的同 一侧或者在基底102的相对侧)。每个传感单元120和122包括任何用于测量基底的水分含量的合适的结构。同样， 系统100中还可以使用其它的或者另外的传感单元，如位于分配单元106和干燥单元108 之间的传感单元。进一步地，也可以使用任何其它合适的技术来测量基底的水分含量。在这些实施例中，来自传感单元120和122的水分测量结果能够提供给控制器 118。控制器118能够利用这些测量结果来调整生产过程中的一个或者多个方面直到基底 102的水分含量具有希望的值或者在希望的值的范围内。这支持在气敏基底102的生产期 间将过程测量技术用于实时反馈控制。这有助于提高生产产率并且提高气敏基底102的最 终精确度和准确度，意味着使用基底102得到的气体浓度的测量结果更加接近于实际的浓 度(与使用传统的带得到的测量结果比较)，并且能够提高用于分析过程的可再现性。控制器118能够使用任何合适的控制技术来调整生产过程的一个或者多个方面。 例如，控制器118能够利用来自传感单元120和122的水分测量结果来控制每个控制室 112-116怎样调节进入控制室的外部空气，使空气具有希望的温度、湿度、组成和/或可以 影响制造完成的基底对一种或者多种气体或者气族的敏感度的其它特性。在图1所示的系 统100中，控制器118可以控制各种变量以达到控制气敏基底102的生产的目的。在特定 实施例中，这些变量包括(但是不限于)-基底102的张力(整个的过程期间)；-分配单元的控制室112中的空气的湿度、温度和/或组成；-干燥单元的控制室114中的空气的湿度、温度和/或组成；_控制室116中第二卷轴110周围的空气的湿度、温度和/或组成。每个控制室的环境条件都能够通过适当的反馈回路或者其它的控制机构被监控、 记录并且控制。需要提醒的是，不同的系统100中可以使用不同的控制逻辑。在一些实施例中，由特定系统中的控制器118实现的控制逻辑是通过对系统进行测试来确定的。例如，气敏材料可被沉积在基底102上，与此同时可以改变基底的张力和/或同时改变在一个或多个控 制室112-116中的湿度、温度、组成或其它特性。通过这种方法，可建立一个或者多个模型， 该模型识别一个或者多个被控制的变量(如温度、湿度、组成或者基底的张力)怎样影响基 底102的水分含量。这些模型然后可以由控制器118用来控制另外的气敏基底102的生产。控制器118包括任何硬件、软件、固件或者它们的组合来控制生产气敏基底的系 统中的一个或者多个特性。例如，控制器118可以代表控制计算机或者个人计算机(PC)。 在这些实施例中，控制器118可包括至少一个处理器128、至少一个存储指令和数据的存储 器130和至少一个用于接收和/或发送数据的接口 132。控制室112-116中的每一个都包 括用于调节空气以具有一个或者多个希望特性的任何合适的结构。使用根据本发明的图1中的系统100能够获得各种优点或者好处。例如，系统 100能够在基底102上沉积多个区域的气敏材料，这些材料可以对多种气体或者气体类 型敏感。同样，如上所述，一个传统的生产气敏纸带的技术涉及将纸带浸没在一槽气敏染 料中。然而这种浸没槽会引起溶剂的蒸发，而根据环境保护条例，溶剂的蒸发需要隔绝 (sequester)和处理，这通常会造成生产带的成本的增加。如图1所示沉积气敏材料可帮助 减轻溶剂的蒸发因此降低生产成本。进一步地，通常会有部分传统的纸带在气体感测时并 不使用。结果，在这些位置沉积染料是没有价值的，还造成生产过程成本的增加。系统100 能够将气敏材料只沉积在气敏基底102的指定部分，这意味着可以在更低成本的情况下生 产基底102。另外，在一些实施例中，控制器118或者其它的控制逻辑可以控制在基底102上沉 积特定量的气敏材料。传统的浸没槽中，没有机构来调整浸在纸带中的特定量的气敏材料。 而是，带只是吸收气敏材料，而且这种吸收沿着带的长度并不是必然一致的。图1中的系统 100可在基底102上提供精确的气敏材料的沉积。 当基底102的生产完成后，基底102可以以任何合适的方式被使用。例如，基底102 可被暴露于一个或多个空间或者其它区域的空气中，光学传感器或者其它传感器能够检测 基底102中的颜色改变。通过这种方式，基底102可用于检测一个或者多个区域内的一种 或多种气体或者气族的存在和/或浓度。使用气敏基底102的示例系统在之前引用的多个 专利文献中被提供。虽然图1示出了生产气敏基底的系统100的一个例子，图1也可以有各种的变化。 例如，任何类型的水分传感器和任何数量的水分传感器都可用于系统100中。同样，系统 100可包括一个、两个、三个或者更多的用于调节空气的控制室。另外，传感单元120和122 被描述为用于测量基底102的水分含量，控制器118被描述为(在一些实施例中)基于水 分含量测量结果来更改基底102的生产。在其它的实施例中，一个或者多个传感单元能够 测量基底102的任何其它的或者另外的(一个或多个)性质。传感单元也可测量生产环境 的一个或者多个性质，如控制室中的湿度等。另外，控制器118能够使用基底102的任何其 它的或者另外的(一个或多个)性质来更改生产过程的一个或者多个方面。图2-4图示了根据本发明的气敏基底102a-102c的例子。特别地，图2_4图示了 一种或者多种气敏材料通过图1的系统100沉积到基底上的不同的方式。在图2中，气敏基底102a包括多个区域202-206，每个含有一种或者多种气敏材料。这些区域202-206通常形成沿着基底102a的长度延伸的轨迹(track)。需要注意这些 轨迹顺着基底102a的长度基本上或者完全连续，可能会也可能不会在轨迹中断开，这里， 区域202-206能够用于测量或者检测的气体或者气族的数量可达三种。在图3中，气敏基底102b包括多个区域302-306，每个含有一种或者多种气敏材 料，基本上横跨基底102b的宽度沉积。区域302-306沿着基底102b的长度具有重复的图 案。同样，在宽度方向延伸的区域302-306可用于测量或者检测的气体或者气族的数量可 达三种。在图4中，气敏基底102c包括多个区域402-408，每个含有一种或者多种气敏材 料，沉积在基底102c上离散的或者不连续的区域内。这些离散的或者不连续的区域可表现 为含有气敏材料的成方形、圆形、点、斑(spot)或者任何其它或另外的形状的区域。这里， 不连续的区域可用于测量或者检测的气体或者气族可达四种。任何的这些气敏基底都可以用图1所示的系统100来生产。然而，图1的系统100 可用于生产任何配置的含有任何数量的气敏材料的任何其它的气敏基底。而且，在图2-4 中，气敏材料不是沉积在基底102a-102c的整个表面上。然而，图1的系统100也可用于使 用一种或者多种气敏材料完全覆盖基底表面。尽管图2-4图示了气敏基底的例子，图2-4也可以做各种改变。例如，图2_4中的每个基底可包括任何合适数量的含有气敏材料的区域。同样，任何合适的图案可用来在基 底上沉积气敏材料，沉积气敏材料的区域可以有任何的形状和大小。进一步地，每个基底上 的气敏材料可用于感测单种气体或者气族，或者每个基底上的气敏材料可用于感测多种气 体或者气族。图5和6图示了根据本发明的分配材料到气敏基底上的分配单元106的示例。一般地，任何合适的技术都可用于将气敏材料沉积到基底的一个或者多个区域。在图5中，通过分配单元106将一种或者多种气敏材料沉积到基底102上。在这 个例子中，分配单元106例如从卷轴拉出(extract)基底102，将其沿着方向502移动以通 过沉积位置504。在沉积位置504，使用来自一个或者多个贮存器(reservoir) 506a-506d 的材料将一种或者多种气敏材料施加给基底102。一种或者多种气敏材料可通过分配�？� 508有选择地沉积在基底102上。在这个例子中，分配�？�508将一种或者多种气敏材料以分开的连续延伸的轨迹 510a-510d的形式沉积到基底102上。轨迹510a-510d可对相同气体或者气族敏感，也可以 是不同的轨迹510a-510d对不同的气体或者气族敏感。需要注意的是，轨迹的数量，每一个 轨迹的大小以及轨迹之ASZ间的间隔只是示意性的。同时需要注意的是，这里也可以不用 纵向(lengthwise)延伸的轨迹。如上所述，也可以在基底102上形成其它的图案。这些其 它的图案包括横跨基底102的宽度延伸的区域或者是沿着纵向方向延伸的不连续的系列 的分开的区域。也可使用图案的组合(如连续的轨�：筒涣牡慊蛘咂渌那�)。在图5中，分配�？�508表现为能够从一个或者多个贮存器接收材料并且能够将 材料沉积到基底102上成为多个轨迹的�？椤Ｍü峙淠？�508沉积可以通过任何合适的 方式进行，例如通过使用喷雾器(sprayer)、滴沉积(drop-cbpositing)设备或者泵。图6 示出了可以用于在基底上沉积气敏材料的独立轨迹或者其它区域的独立设备。独立设备可 包括滴沉积设备602、喷雾器604或者泵输出606。同样，如图6所示的纵向延伸的轨迹外，也可以在基底上形成其它的图案。在特定例子中，滴沉积设备602可包括微螺线管阀(micro-solenoid valve)、喷墨打印机、或者压电、声或热阀。喷雾器604可包括基于喷雾或者气雾(aerosol)的分配头， 并且如果需要的话，可使用液体泵来输送气敏材料。泵输出端606表现为孔(orifice)或 者管，从中可泵出小体积的气敏材料。作用力(applied force)(如蠕动的(peristaltic)、 注射的(syringe)或者毛细作用的(capillary)力)能够用来输送气敏材料。尽管图5和6示出了用于分配气敏材料到基底上的分配单元106的例子，图5和 6也可以做出各种变化。例如，也可以使用其它的或者另外类型的沉积单元。图7图示了根据本发明的生产气敏基底的示例的方法700。为了解释的方便，方法 700根据图1的系统100来描述。但是，方法700可用于任何合适的系统。在步骤702中，基底从第一卷轴上展开。这可包括，例如，传输机构或者其它的使 纸或者塑料带或者其它基底102从第一卷轴104上展开的结构。基底的或者生产系统的水 分含量或者其它性质在步骤704测量。这可包括，例如，传感单元120利用O-H拉伸或者其 它合适的技术测量基底102的水分含量。在步骤706中调节沉积单元的空气。这可包括，例如，控制室112调节空气到固定 的湿度、温度或者组成。这还可包括控制室112调节空气到由控制器118所指定的湿度、温 度或者组成(可随时间变化)。在步骤708中，一种或者多种气敏材料通过沉积单元被沉积 在基底上。这可包括，例如，沉积单元106将气敏材料沉积为轨迹或者其它的图案。在步骤710中，调节干燥单元的空气。这可包括，例如，控制室114调节空气到固 定的湿度、温度或者组成。这还可包括，控制室114调节空气到控制器118所指定的湿度、 温度或者组成(可随时间而变化)。在步骤712中，基底被干燥单元干燥。这可包括，例如， 干燥单元108对沉积在基底102上的气敏材料进行干燥。在步骤714中，测量基底或者生 产系统的水分含量或者其它性质。这可包括，例如，传感单元122使用O-H拉伸或者其它合 适的技术测量基底102的水分含量。在步骤716中，调节第二卷轴(或者收集干燥的基底的其它位置)的空气。这可 包括，例如，控制室116调节空气到固定的湿度、温度或者组成。这还可包括，控制室116调 节空气到控制器118所指定的湿度、温度或者组成(可随时间而变化)。在步骤718中基底 被缠绕在第二卷轴上或者通过其它方式被收集。在步骤720中，被调节的空气或者生产系统的一个或者多个特性可被调整。例如， 控制器118为了试图使基底102的水分含量或者其它性质是特定的值或者在特定的范围 内，可改变任意控制室112-116中的空气的温度、湿度或者组成。控制器118还可以基于基 底102的水分含量或者其它性质而调整基底102的张力或者做出任何其它的或者另外的动 作。控制器118还可以进一步根据来自一个或者多个控制室的温度、湿度或者其它的测量 结果来调整系统的一个或者多个特性。尽管图7图示了用于生产气敏基底的一个示例的方法700，图7可做各种的改变。 例如，在生产过程中，可调节任意数量的位置的气体，所以方法700中可包含使用少于三个 或者多于三个的控制室。同样，在生产过程中可测量任意数量位置的水分含量或者其它的 性质/特性，所以方法700中可包含使用少于两个或者多于两个的传感器。另外，在所示的 一系列的步骤中，图7中的不同步骤可重叠，平行进行，以不同的顺序进行，或者多次进行。例如，步骤720可与步骤702-718平行进行。在一些实施例中，上文中记载的不同的功能通过计算机程序来实现或者支持，所述计算机程序由计算机可读程序代码形成并包含在计算机可读介质中。术语“计算机可读 程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。术语“计算 机可读介质”包括任何类型的能够由计算机访问的介质，如只读存储器(ROM)、随机存取存 储器(RAM)、硬盘驱动器、紧凑盘(CD)、数字视频盘(DVD)或者任何其它类型的存储器。为该专利文件中的特定的词或者术语做出明确的定义是有益的。术语“包括”和 “包含”，以及派生出的词，表示没有限制的包括。术语“或”是广泛的含义，表示和/或。术
语“相关”和“关联”，以及派生出的词，表示包括、包括在其中、与......互连、包含、被包
含在其、与......连接或连接到、与......耦合或耦合到、与......通信、与......合
作、交错(interleave)、并列(juxtapose)、与......接近、结合到或与......结合、有、
有......的性质或者相似的含义。术语“控制器”表示控制至少一个操作的任何装置、系
统或者其中的部分。控制器可通过硬件、固件、软件或者其中至少两者的组合来实现。与任 何特定控制器相关的功能可以是集中的或者分布的，本地的或者远程的。尽管该发明记载了特定的实施例和与之相关的方法，对本领域人员来说，对这些 实施例和方法的一些改变和变更是显而易见的。因此，上述对实施例的记载不能限制本发 明。其它的变化，代替或者改变也可能不背离该发明的，通过其权利要求所限定的本质和保 护范围。
权利要求
一种方法，包括在生产过程期间通过分配(708)一种或者多种气敏材料到基底上并干燥(712)所述基底上的所述一种或者多种气敏材料来形成气敏基底(102，102a-102c)；和根据与基底和生产过程中的至少一个相关联的一个或者多个传感器测量结果调整(720)生产过程。
2.如权利要求1所述的方法，其中调整生产过程包括调节(706，710，716)基底周围的空气，使被调节的空气具有一个或者多个指定的特 性；和根据所述一个或者多个传感器测量结果调整(720)所述被调节的空气的所述一个或 者多个指定的特性。
3.如权利要求2所述的方法，其中调整所述被调节的空气的所述一个或者多个指定的 特性包括下列至少其一调整第一控制室(112)中的空气的第一湿度、第一温度和第一组成中的至少一个，在 所述第一控制室中所述一种或者多种气敏材料被分配到基底上；调整第二控制室(114)中的气体的第二湿度、第二温度和第二组成中的至少一个，在 所述第二控制室中所述一种或者多种气敏材料被干燥；调整第三控制室(116)中的气体的第三湿度、第三温度和第三组成中的至少一个，在 所述第三控制室中基底在干燥后被收集。
4.如权利要求1所述的方法，其中调整生产过程包括调节基底周围的空气，使空气具 有固定的湿度、固定的温度和固定的组成中的至少一个。
5.如权利要求1所述的方法，其中调整生产过程包括调整基底的张力。
6.如权利要求1所述的方法，其中分配一种或者多种气敏材料到基底上包括沿顺着基 底纵向延伸的多个轨迹(202-206，510a-510d)沉积所述一种或者多种气敏材料。
7.如权利要求1所述的方法，其中分配一种或者多种气敏材料到基底上包括在基底的 离散的位置(402-408)沉积所述一种或者多种气敏材料。
8.一种系统，包括生产设备(106-108)，配置成在生产过程中形成气敏基底(102，102a-102c)；和至少一个控制室(112-116)，配置成在生产过程中调节使用的空气，从而使被调节的空 气具有一个或者多个指定的特性。
9.如权利要求8所述的系统，进一步包括至少一个传感器(120-122)，配置成产生与基底和生产过程中的至少一个相关联的一 个或者多个传感器测量结果；和控制器(118)，配置成根据所述一个或者多个传感器测量结果来调整所述至少一个控 制室的操作。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个传感器包括配置成测量基底的水分 含量的至少一个水分传感器。
11.一种设备，包括配置成接收下列至少之一的接口(132) :(i)与在生产过程中产生的气敏基底(102， 102a-102c)相关联的一个或者多个性质的测量结果，和(ii)与生产过程相关联的一个或者多个性质的测量结果；和处理装置(128)，配置成根据所述测量结果调整生产过程。
全文摘要
生产气敏基底的方法和系统，包括在生产过程中通过分配(708)一种或者多种气敏材料到基底(102，102a-102c)上并且干燥(712)基底上的一种或多种气敏材料形成气敏基底。还包括根据与基底和/或生产过程相关的一个或者多个传感器测量结果调节(720)生产过程，包括调节(706，710，716)基底周围的空气，使其具有一个或者多个指定的特性，根据所述传感器测量结果调节(720)该指定的特性。所述传感器测量结果包括基底的一个或者多个水分含量测量结果。调节生产过程还包括调节(720)基底张力。一种或者多种气敏材料例如沿着顺着基底纵向延伸的多个轨迹沉积到基底上的多个区域(202-206，302-306，402-408，510a-510d)。
文档编号G01N21/78GK101799426SQ20091100001
公开日2010年8月11日 申请日期2009年12月16日 优先权日2008年12月17日
发明者A·D·麦布拉迪, N·里韦拉, P·霍根, R·S·法齐奥, 山口孝, 山口玉实 申请人:霍尼韦尔国际公司
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