非织造化学电容式或化学电阻式气体传感器

摘要

描述了一种由非织造材料形成的化学气体传感器。所述气体传感器包括柔性、透气、非织造纤网材料基底，所述基底具有由以下纤维构成的基质：作为主要部分或次要部分的多种惰性的热塑性纤维、浆料纤维、纤维素纤维或人造短纤维，以及多种由能够吸收挥发性有机物（VOC）的聚合物形成的气敏纤维和多种导电纤维。所述气敏纤维与相邻导电纤维网络混合且在相邻导电纤维网络中空间关联，使得由与挥发性有机物相互作用导致的所述气敏纤维的物理形态的变化引起干扰相邻导电纤维网络的介电性质的变化。所述传感器能够构造为化学电阻式传感器或化学电容式传感器。

权利要求

1.一种化学气体传感器，其包括：

柔性、透气、非织造纤网材料基底，其具有由以下纤维构成的基质：作为主要部分或次要部分的多种惰性的热塑性纤维、浆料纤维、纤维素纤维或人造短纤维，以及多种由能够吸收挥发性有机物(VOC)的聚合物形成的气敏纤维和多种导电纤维；

所述气敏纤维与相邻导电纤维网络混合且在相邻导电纤维网络中空间关联，使得由与挥发性有机物相互作用导致的所述气敏纤维的物理形态的变化引起干扰所述相邻导电纤维网络的介电性质的变化，其中在所述基质内，所述气敏纤维和导电纤维通过彼此混合在一起而交织或关联以形成所述非织造纤网材料基底；

所述非织造纤网材料基底具有大于200平方微米空气的透气率。

2.根据权利要求1所述的化学气体传感器，其中所述基质是用于电阻式传感器的独立片。

3.根据权利要求1所述的化学气体传感器，其中非导电气体感测层位于两层非织造纤网材料基底之间以形成电容器。

4.根据权利要求1所述的化学气体传感器，其中所述气敏纤维由选自如下聚合物的一种或多种聚合物形成：聚乙烯-醋酸乙烯酯(PEVA)、聚乙烯醇(PVA)、聚苯胺、聚环氧氯丙烷或聚(N-乙烯基砒咯烷酮)。

5.根据权利要求1所述的化学气体传感器，其中所述挥发性有机物包括芳香烃和氯代烃、三乙胺、苯甲醛、氨、硫醇、二甲基二硫醚、酒精蒸汽、以及水蒸汽。

6.根据权利要求1所述的化学气体传感器，其中所述气敏纤维占所述基质的5wt.％至

95wt.％。

7.根据权利要求1所述的化学气体传感器，其中所述导电纤维占所述基质的5wt.％至

80wt.％。

8.根据权利要求1所述的化学气体传感器，其中在布置为化学电阻式传感器时，针对至少1000欧姆的相对电阻变化监测所述基质。

9.根据权利要求1所述的化学气体传感器，其中所述基质对介于1000欧姆至10,000,

000欧姆之间的相对电阻变化敏感。

10.根据权利要求1所述的化学气体传感器，其中在布置为化学电容式传感器时，所述基质对至少10-100pF的变化敏感。

11.一种化学传感器，其包括：化学电容体，其具有第一导电非织造纤网层、介电层以及第二导电非织造纤网层；至少一个所述导电非织造纤网层是多孔的以使得气体能够扩散通过所述导电非织造纤网层并与所述介电层相互作用；每个所述导电非织造纤网层是具有由以下纤维构成的基质的基底：作为主要部分或次要部分的多种惰性的热塑性纤维、浆料纤维、纤维素纤维或人造短纤维，以及多种由能够吸收挥发性有机物(VOC)的聚合物形成的气敏纤维和多种导电纤维；所述气敏纤维与相邻导电纤维网络混合且在相邻导电纤维网络中空间关联，使得由与挥发性有机物的相互作用导致所述气敏纤维的介电性质的变化，其中在所述基质内，所述气敏纤维和导电纤维通过彼此混合在一起而交织或关联以形成所述非织造纤网材料基底。

12.根据权利要求11所述的化学传感器，其中所述介电层是非多孔块体、薄膜或多孔基底。

13.根据权利要求11所述的化学传感器，其中所述化学电容体是柔性的且能够构造为各种弯曲形状或形式。

14.根据权利要求11所述的化学传感器，其中所述传感器是传感器阵列的部件。

15.一种化学传感器阵列系统，其包括：1)电阻体或2)多个化学电容体，每个化学电容体具有第一导电非织造纤网层、介电层以及第二导电非织造纤网层；所述电阻体和每个导电非织造纤网层是柔性、透气、非织造纤网材料基底，所述基底具有由以下纤维构成的基质：作为主要部分或次要部分的多种惰性的热塑性纤维、浆料纤维、纤维素纤维或人造短纤维，以及多种由能够吸收挥发性有机物(VOC)的聚合物形成的气敏纤维和多种导电纤维；所述气敏纤维与相邻导电纤维网络混合且在相邻导电纤维网络中空间关联，使得由与挥发性有机物的相互作用导致所述气敏纤维的物理形态或介电性质的变化，其中在所述基质内，所述气敏纤维和导电纤维通过彼此混合在一起而交织或关联以形成所述非织造纤网材料基底。

16.根据权利要求15所述的化学传感器阵列系统，还包括电气检测输出设备，其与所述传感器有线或无线地连接。

17.一种保护性制品，其包括化学气体传感器，所述化学气体传感器包括柔性、透气、非织造纤网材料基底，所述基底具有由以下纤维构成的基质：作为主要部分或次要部分的多种惰性的热塑性纤维、浆料纤维、纤维素纤维或人造短纤维，以及多种由能够吸收挥发性有机物(VOC)的聚合物形成的气敏纤维和多种导电纤维；所述气敏纤维与相邻导电纤维网络混合且在相邻导电纤维网络中空间关联，使得由与挥发性有机物相互作用导致的气敏纤维的物理形态的变化引起干扰所述相邻导电纤维网络的介电性质的变化，其中在所述基质内，所述气敏纤维和导电纤维通过彼此混合在一起而交织或关联以形成所述非织造纤网材料基底。

18.根据权利要求17所述的保护性制品，其中所述化学气体传感器构造为电阻式传感器。

19.根据权利要求17所述的保护性制品，其中所述化学气体传感器构造为电容式传感器。

说明书

非织造化学电容式或化学电阻式气体传感器

技术领域

[0001] 本发明通常涉及化学传感设备。特别地，本发明公开了一种柔性、非织造材料气体传感器，其能够以化学电容形式或化学电阻形式构造。

背景技术

[0002] 人们生活或工作的环境会包含有害的气相化合物。近年来，气体传感器技术发展显著。具有多种设计的许多类型的气体传感器在市场上可获得，其用于从工业或制造业使用到消费者家庭使用的各种应用。然而，这些传感器是耐久品或半耐久品。存在对能够适于与某些工业应用一起使用和用于保护装置中的一次性且柔性的基底的需求。

发明内容

[0003] 通常，本发明涉及化学气体传感器。所述气体传感器具有柔性、透气、非织造纤网材料基底，所述基底具有由以下纤维构成的基质：作为主要部分或次要部分的多种惰性的热塑性纤维、浆料纤维、纤维素纤维或人造短纤维，以及根据需要多种由能够吸收挥发性有机物（VOC）的聚合物形成的气敏纤维和多种导电纤维。所述气敏纤维与相邻导电纤维网络混合且在相邻导电纤维网络中空间关联，使得由与挥发性有机物相互作用导致的气敏纤维的物理形态的变化引起干扰相邻导电纤维网络的物理性质或介电性质的变化。可以针对相对电阻或电容的变化监测所述柔性非织造基质。

[0004] 取决于设计和期望使用或检测方法，所述柔性非织造基质可以是电阻式传感器中的独立层或独立片，或位于两层传导层之间以形成电容器。例如，在化学电阻式传感器中，所述非织造材料可以是单层或单片，其对约1000欧姆至约10,000,000欧姆的相对电阻变化敏感。可以针对至少约1000欧姆的相对电阻变化监测所述非织造材料。

[0005] 可替代地，在化学电容式传感器中，所述传感器包括：化学电容体，其具有第一非织造电极、介电层以及第二非织造电极；至少一个所述非织造电极是多孔的以使得气体或蒸汽能够扩散通过所述非织造材料并与所述介电层相互作用。所述非织造材料可以具有例如对约10-100pF变化敏感的较宽电容区间。

[0006] 导电层可以是导电纸片。所述气敏纤维可以由选择以与特定VOC反应的各种聚合物中的一种或多种形成。存在于非织造基底中的气敏纤维的量的范围可以是整个非织造基质重量的约5%至约90%。导电纤维量的范围可以取决于整个非织造基质中除了气敏纤维外余下的总重量百分比而为约5%或10%或12%至约75%或80%。可形成一般非织造基质的其他纤维可以选自天然或合成的聚合物、纤维素或浆料材料。在某些实施例中，惰性热塑性纤维或纤维素纤网纤维可以是非常少的，表现为总非织造材料基质的约10%、5%或更少（例如，～1-2%）的量；而在其他实施例中，这些纤维可以表现为很大量，例如，达到约50%或60%。

[0007] 化学阵列或系统可以包括电阻式传感器或电容式传感器，或这两种类型的组合，以及各种检测设备或读出器输出装备。所述电子输出设备或装备可以与所述传感器有线或无线地连接。

[0008] 非织造材料的优势在于该材料是柔性的，且能够容易地适于适应各种构造或遵照各种空间限制。以这种非织造材料构造的气体传感器能够例如用于气体面罩、气体传感器标志物、或湿气传感器标志物中的“寿命末期”指示器，或可替代地结合为某些吸收性或保护性服装或制品中的部件以用于各种工业应用或安全应用。

[0009] 本发明的其他特征和优势将在下面的详细描述、实例和附图中进一步描述。

附图说明

[0010] 图1示出了连接至处理器或读出器12的传感器主体10的示意图概述。

[0011] 图2A是根据本发明的非织造基底的侧视图，其具有遍布于非织造基底的纤网的各活性或气体聚合物纤维；

[0012] 图2B是非织造物上各气敏、活性纤维102和导电细丝104的布置的放大细节，以及它们彼此的接近关系和相互作用的示意。

[0013] 图3是根据本发明的化学电阻式气体传感器20的示意图，其通过电路24连结至检测器或处理器26。

[0014] 图4是根据本发明的化学电容式气体传感器的示意图，其中化学敏感聚合物32位于两层导电非织造材料基底30之间，所述传感器通过电路34与检测器或处理器36通信。

[0015] 图5是示出根据本发明实施例的具有用于测量电容的充电时间测量单元（CTMU）的电路布置的结构图。

[0016] 图6是可替代的用于测量电容的LC谐振电路构造的结构图。

[0017] 图7是示出根据本发明实施例的具有用于测量电阻的分压器的电路布置的结构图。

[0018] 图8是可替代的用于测量电阻的惠斯登电桥电路构造的结构图。

[0019] 图9是示出本发明的非织造化学气体传感器在异丙醇蒸汽的电阻检测中的效能的曲线图。

[0020] 图10是示出本发明的非织造化学气体传感器在异丙醇蒸汽的电容检测中的效能的曲线图。

具体实施方式

[0021] 通常，本发明涉及含有导电纤维的导电非织造纤网，其可以构造为化学传感器。特别地，我们描述了一种非织造材料和包含这种材料的传感器，该传感器用于检测或感测某些气体（即，挥发性有机物（VOC））的存在。所述非织造材料含有至少一种类型的气体响应纤维。根据实施例，所述传感器利用包括多种不同类型的气体响应纤维的非织造材料来检测各种不同的VOC种类。在根据本发明的气体传感器暴露于感兴趣气体（VOC）时，所述气体响应纤维改变它们的物理性质，这转而改变所述非织造材料的基质或基底。例如，所述纤维能够改变其维度（例如，膨胀或收缩）或改变其介电性质。

[0022] 本发明建立于Davis-Dang Nhan等人的第11/888,334和12/130,573号美国专利申请中描述的导电非织造纤网并对其进行了适应性扩展，所述申请的相关内容通过引用纳入本文。所述导电纤维例如能够加入所述纤网中，从而所述纤网在非织造纤网结构区域上是导电的。例如，所述纤网能够构造以使得它能够运载沿纤网长度、宽度、或任意合适方向的电流。当维度和/或介电性质改变时，具有气体响应非织造材料的气体传感器能够基于该配置构造为化学电阻器或化学电容器。本发明能够用于制成挥发性气体传感器，诸如用于气体面罩、气体传感器标志物、湿气传感器标志物的“寿命末期”传感器。

[0023] 图1示出了根据本发明的化学气体传感器的一般示意图。如图1所示，气体和挥发性有机物进入传感器组件10并与其进行反应，并且数据或输出结果被输送或传输至处理器或读出器12。根据本发明，化学气体传感器包括柔性、非织造基底，该基底具有遍布于非织造基底的纤网的气体反应纤维。所述非织造材料能够包含至少一种气敏纤维，但理想地是更多种，诸如用于不同挥发性气体的气敏纤维的组合。所述气敏纤维或细丝能够由各种活性聚合物制成，诸如表I中所归纳的聚合物种类。这些聚合物对相应挥发性有机物（VOC）的存在敏感且起反应。

[0024] 表I-对相应挥发性化合物（VOC）敏感且起反应的纤维用活性聚合物

[0025]

[0026] 图2A是具有遍布于非织造材料的纤网106的活性或气体反应聚合物纤维102的柔性非织造基底1的侧视图示意，所述非织造材料的纤网106被预想为置于根据本发明的传感器中。基于期望用途，气体反应纤维能够在非织造基底的表面上或非织造材料的纤网或基质内平均地或均匀地分布；或可替代地，所述活性纤维能够随机地或以一定式样或设计非均匀地布置或集中在非织造材料的不同区域处。例如，所述气体反应纤维能够处于非织造基底的某些区域处或区域中诸如基底的中心区域内，或是在中心区域的外侧表面上，或是沿外围区域。所述纤维分布能够是连续的或非连续的，在整个非织造基底区域上产生“斑”，其中具有较高浓度的某些区域和具有较低浓度的毗邻区域混合。所述气体反应纤维应该靠近位于非织造材料的纤网或基质内的某些导电纤维或细丝分布。在某些实施例中，纤网含有导电细丝，它们均匀地遍布于非织造材料，而在其他实施例中，导电细丝是非均匀分布的。类似气体反应纤维，导电细丝也能够在整个非织造纤网或在其表面上连续或非连续布置。图2B示出了图2A中非织造材料布置的放大细节，其示出了在例如热塑性材料或纤维素材料106的纤网基质中、或在非织造材料的表面108上的各种活性气体反应纤维102和导电细丝104。

[0027] 非织造材料的柔性特质在人们期望将该材料构造为各种形状或尺寸时是有利的。例如，相比传统的材料和设计，人们能够将更大量反应表面积的材料装配在紧密的或小的空间中（例如，达到大约2-5cm直径或横截面尺寸）。针对柔性、非织造材料气体传感器的实际应用能够存在于各种工业产品和消费品中。例如，存在对相对低成本、可穿戴、一次性气体传感器的需求，它们能够用于呼吸防护产品中，诸如用于气体面罩的寿命末期传感器、用于化学工厂工人的个人气体传感器。根据本发明的所述非织造传感器能够构造以通过化学电容或化学电阻检测模式来工作。

[0028] 第一部分-导电非织造基底

[0029] 本发明的非织造气体传感器利用类似于第12/341,419和12/474,024号美国专利申请中所描述的导电非织造材料，所述申请的内容通过引用结合于本文。然而，在本发明中，除了导电纤维，所述非织造基底还包含气敏活性纤维。特别地，所述非织造材料由以下纤维组成：作为主要部分的多种惰性的热塑性纤维、浆料纤维、纤维素纤维或人造短纤维，以及多种由能够吸收挥发性有机物（VOC）的聚合物形成的气敏纤维和多种导电纤维。所述导电纤维能够加入纤网中以例如使得所述纤网在至少一个方向上导电。例如，所述非织造纤网能够制造为使得其能够运载沿长度方向、宽度方向、或任何合适方向的电流。气敏活性纤维同样集成在所述纤网中。人们可以将气敏纤维布置为均匀地和/或平均地分布在非织造纤网上；或可替代地，人们可以根据预定式样或随机地将气敏纤维布置到诸如簇或块的较大密度或较小密度的区域中。

[0030] 要加入的气敏纤维的量可以根据预定量或根据随材料的特定应用和/或要应用的材料的状态认为必要时的某些设定的空间布置来设置。气敏纤维能够存在的量为以重量计约5%至约95%；典型地，该百分比介于约20wt.%或22wt.%至约90wt.%或93wt.%之间，以及更典型地介于约40wt.%或50wt.%至约85wt.%或88wt.%之间。理想地，气敏纤维存在的百分比占主要成分；然而，可替代的有益范围能够介于约30-32wt.%或35wt.%至约75-83wt.%或85wt.%，诸如约45wt.%至约80wt.%。非织造材料的其余部分能够由导电纤维或细丝以及其他种类的天然或人造纤维或细丝如聚合物材料、纤维素材料或浆料材料组成。根据该实施例，这些其他成分的量可以在总重量的约5或10wt.%至约55-60-75wt.%之间变化。在剩余部分中，期望的是导电细丝构成主要部分；例如，基于剩余部分的总重量百分比，介于约12%、
25%或30%至约60%、70%或80%之间。

[0031] 根据本发明，导电非织造纤网可含有大量的浆料纤维并可使用造纸工艺来制造。例如在一个实施例中，导电纤维可与浆料纤维和水混合，形成含水纤维悬浮物，然后沉积到多孔面上以形成导电的棉纸纤网。可通过选择特定的导电纤维、将纤网定位在纤网内特定位置以及通过控制各种其它要素和变量来控制棉纸纤网的导电率。例如在一个实施例中，加入非织造纤网中的导电纤维含有短切碳纤维。

[0032] 在根据本公开制成导电的非织造材料之后，材料可以被切成多个长条，然后这些长条被卷绕到卷轴上。例如，每个长条宽度可以为约1mm到约15mm，如约3mm到约10mm。一旦卷绕到卷轴上，每个长条可随后被加入任何合适的产品中。

[0033] 如上所述，本公开的基础纤网通过结合导电纤维和浆料纤维来制造，以形成非织造纤网。在一个实施例中，使用棉纸制造工艺或造纸工艺来形成纤网。

[0034] 依照本发明可使用的导电纤维可以根据特定的应用和期望的结果而变化。可用于形成非织造纤网的导电纤维包括碳纤维、金属纤维、含有由导电聚合物制成的纤维的导电聚合物纤维或含导电材料的聚合物纤维、金属涂覆纤维及其混合物。可使用的金属纤维例如包括铜纤维、铝纤维等。含导电材料的聚合物纤维包括涂覆有导电材料的热塑性纤维或浸润有或混有导电材料的热塑性纤维。例如在一个实施例中，可使用的热塑性纤维涂覆有银。

[0035] 加入非织造材料中的导电纤维可具有任何合适的长度和直径。在一个实施例中，例如导电纤维可具有约100∶1到约1000∶1的纵横比。

[0036] 非织造纤网中含有的导电纤维量可根据许多不同因素而变化，如加入纤网中的导电纤维类型以及纤网的最终用途。加入非织造纤网中的导电纤维量可例如为以重量计约1％到以重量计90％。在特定实施例中，存在于非织造纤网中的导电纤维量可为以重量计约
5％或7％到以重量计约25％或30％，以及更通常地为以重量计约8％或10%到以重量计约
12％或15%。

[0037] 可用于本公开的碳纤维包括完全由碳制造的纤维或者其含碳量足以使得纤维导电的纤维。在一个实施例中，例如可使用的碳纤维由聚丙烯腈(或PAN)聚合物形成。特别是，通过对聚丙烯腈PAN聚合物纤维进行加热、氧化以及碳化来形成碳纤维。这样的纤维通常具有高纯度并且含有分子量相对高的分子。例如，纤维含碳量可大于以重量计约85％。例如，在一个实施例中，碳纤维的纯度可以在以重量计85％到以重量计约95％，如在以重量计约88％到以重量计约92％。尽管更高纯度的纤维具有更好的导电性质，但是更高纯度的纤维会更昂贵。另一方面，使用具有上述纯度范围的纤维可以获得足够的电特性。

[0038] 为了由聚丙烯腈PAN聚合物纤维形成碳纤维，聚丙烯腈PAN纤维首先在如空气的含氧环境中被加热。加热时，聚丙烯腈PAN聚合物内的氰基位置形成重复的四氢吡啶环状单元。随着加热的继续，聚合物开始氧化。在氧化过程中释放出氢气，使得碳形成芳香环。

[0039] 氧化后，在缺氧环境中进一步加热纤维。例如纤维可被加热到高于约1300℃的温度，如高于1400℃，如从约1300℃到约1800℃。纤维在加热过程中被碳化。在碳化过程中，相邻的聚合物链连在一起形成几乎为纯碳的片状基面结构。

[0040] 可从多种商业途径获得聚丙烯腈基碳纤维。例如，这样的碳纤维可从位于田纳西州洛克伍德的东邦耐克斯美国公司购得。

[0041] 用于制造碳纤维的其它原料为人造丝和石油沥青。

[0042] 特别有利的是，所形成的碳纤维可被切断成任何合适的长度。在本公开的一个实施例中，例如可加入基础纤网中的短切碳纤维的长度为约1mm到约6mm，如约2mm到约5mm。纤维可具有约3μm到约15μm、如约5μm到约10μm的平均直径。在一个实施例中，例如碳纤维可具有约3mm的长度和约7μm的平均直径。

[0043] 在一个实施例中，加入非织造基础纤网中的碳纤维具有水溶性胶料。胶料的量可为以重量计0.1-10％。水溶性胶料可以是但不限于聚酰胺化合物、环氧树脂酯和聚（乙烯基吡咯烷酮）。通过这种方式，当在水中混合碳纤维时，胶料溶解，从而在形成非织造纤网之前在水中提供良好的碳纤维分散。胶料还有助于处理纤维，在处理过程中被加入时，通过控制纤维防止它们浮在空气中传播。

[0044] 在形成根据本公开的导电非织造纤网时，上述导电纤维与其它适合用在棉纸或造纸工艺中的纤维组合。与导电纤维组合的纤维可包括任何天然或合成的纤维素纤维，包括但不限于非木质纤维，如棉、蕉麻、洋麻、印度草、亚麻、细茎针草、稻草、黄麻、大麻、甘蔗渣、马利筋绒毛纤维、藻类纤维和菠萝叶纤维；以及木质纤维或浆料纤维如从落叶树和针叶树获得的纤维，包括软木纤维如北方和南方软木硫酸盐浆纤维；硬木纤维如桉木、枫木、桦木和杨木。浆料纤维可以以高产率和低产率形式制备并且可以按照任何已知的方式制浆，包括硫酸盐制浆法、亚硫酸盐制浆法、高产率制浆法以及其它已知的制浆法。也可使用由有机溶剂制浆法制得的纤维，包括于1988年12月27日授予Laamanen等人的美国专利US4793898、于1986年6月10日授予Chang等人的美国专利US4594130以及美国专利US3585104所公开的纤维和方法。可用的纤维也可由于1997年1月21日授予Gordon等人的美国专利US5595628所例举的蒽醌制浆法制造。

[0045] 在一个实施例中，软木纤维用来生产非织造材料。软木纤维往往较长，这降低了制造和转换过程中的颗粒物排放。较长的浆料纤维还更容易与导电纤维例如碳纤维缠结在一起。

[0046] 加入非织造材料中的浆料纤维例如软木纤维还可以进行精制，从而增加每根纤维上的粘合点数量。粘合点的增多增强了浆料纤维与导电纤维在成品材料中的机械缠结。这使得在生产过程中可以获得非常平且均匀的纸，并且散落的碳纤维减少。精制作用还增加了非织造材料的总体强度。例如，在一个实施例中，浆料纤维可具有大于约350mL，例如大于约375mL的加拿大标准游离度。例如，浆料纤维能被如此精制，从而具有约350mL到约600mL的加拿大标准游离度。

[0047] 纤维的一部分，例如以干重计高达50％或略少或者以干重计约5％到约30％，可以是合成纤维如人造丝、聚烯烃纤维、聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、皮芯型双组分纤维、多组分粘结纤维等。聚乙烯纤维例如是 其可从赫克力士公司(特拉华州，威尔明顿)购得。合成纤维素纤维类型包括所有类型的人造丝以及从纤维胶或化学改性纤维素中得来的其它纤维。

[0048] 将热塑性纤维加入非织造纤网中可提供许多优点和益处。例如，将热塑性纤维加入纤网中可允许纤网热粘合到相邻结构。例如，纤网可热粘合到其它非织造材料，如可包括纺粘纤网或熔喷纤网的尿布内衬。

[0049] 也可使用化学处理的天然纤维素纤维，如丝光处理的浆料、化学增强或交联的纤维，或磺化纤维。为了在使用造纸纤维时获得良好的机械性质，理想的是，纤维是相对未损坏的且大部分未精制或仅稍微精制。可以使用丝光纤维、再生纤维素纤维、由微生物制造的纤维素、人造丝以及其它纤维素材料或纤维素衍生物。合适的纤维还可包括回收的纤维、原始纤维或其混合物。

[0050] 可用在本发明中的其它造纸纤维包括碎纸纤维或回收纤维以及高产率纤维。高产率浆料纤维是那些由具有约65％或更高（具体地，约至少75％或更高；更具体地，约75％至约95％）的产率的制浆工艺制造的造纸纤维。产率用加工后获得的纤维的量占原木质量的百分率来表示。这种制浆工艺包括漂白化学热磨机械浆(BCTMP)工艺、化学热磨机械浆(CTMP)工艺、压力/压力热磨机械浆(PTMP)工艺、热磨机械浆(TMP)工艺、热磨机械化学浆(TMCP)工艺、高产率亚硫酸盐浆工艺和高产率硫酸盐浆工艺，以上所有工艺都使产生的纤维具有高水平的木质素。众所周知，与典型的化学制浆纤维相比，高产率纤维的强度在干湿状态下都很出色。

[0051] 一般地，任何可以形成棉纸或纸幅的工艺可被用于形成导电纤网。例如，本公开的造纸工艺可使用压花、湿压、气压、空气穿透干燥、无皱空气穿透干燥、水刺、气流成网以及其它在本领域中已知的步骤。棉纸纤网可由含有以重量计至少50％，如以重量计至少60％、如以重量计至少70％、如以重量计至少85％的量的浆料纤维的纤维配料形成。

[0052] 非织造纤网也可以被案印压实或被压印的，如以下任何一个美国专利中公开的纸片：在1985年4月30日授予Johnson等人的美国专利US4514345；在1985年7月9日授予Trokhan等人的美国专利US4528239；在1992年3月24日公告的美国专利US5098522；在1993年11月9日授予Smurkoski等人的美国专利US5260171；在1994年1月4日授予Trokhan等人的美国专利US5275700；在1994年7月12日授予Rasch等人的美国专利US5328565，在1994年8月2日授予Trokhan等人的美国专利US5334289；在1995年7月11日授予Rasch等人的美国专利US5431786；在1996年3月5日授予Steltjes,Jr.等人的美国专利US5496624；在1996年3月19日授予Trokhan等人的美国专利US5500277；在1996年5月7日授予Trokhan等人的美国专利US5514523；在1996年9月10日授予Trokhan等人的美国专利US5554467；在1996年10月22日授予Trokhan等人的美国专利US5566724；在1997年4月29日授予Trokhan等人的美国专利US5624790；以及在1997年5月13日授予Ayers等人的美国专利US5628876。上述公开内容以与本文不矛盾的方式被引用纳入本文。这种压印纸片可具有由压印织物压印到转筒干燥器上的致密区域和与压印织物中的弯曲管道对应的不太致密的区域(如纸片中的“丘状部”)构成的网络，其中叠覆在弯曲管道上的纸片通过弯曲管道两头的气压差而在纸片上形成低密度的枕形区或丘状部。

[0053] 湿强剂和干强剂可被用到或加入基片中。本文所用的“湿强剂”是指在湿态下用于固定纤维间粘合的材料。通常，在纸制品和棉纸制品中使纤维结合的手段包括氢键，有时是氢键、共价键和/或离子键的组合。在本发明中，提供以下材料可能是有用的，该材料能允许通过固定纤维间粘合点并使其在湿态下抵抗断裂来粘合纤维。在本申请中，湿强剂还有助于将导电纤维例如碳纤维粘合到包含在纤网中的其余纤维。通过这种方式，阻止了导电纤维在进一步的处理过程中从纤网落下。

[0054] 对于本发明的目的，在被添加到棉纸片或纸片中时导致提供一种其湿几何抗拉强度/干几何抗拉强度之均值比超过约0.1的棉纸片的任何材料将被称为湿强剂。通常，这些材料被称为永久型湿强剂或“暂时型”湿强剂。为了使永久型湿强剂与暂时型湿强剂区分开，永久型湿强剂将被限定为这样的树脂：在加入纸制品或棉纸制品中时，其能使纸制品或棉纸制品在接触水至少5分钟后保持大于其原始湿强度的50％。暂时型湿强剂为这样的树脂：其能使纸制品或棉纸制品在被水浸透5分钟后显示其原始湿强度的约50％或更少。这两种湿强剂都被用在本发明中。基于纤维干重，添加到浆料纤维中的湿强剂量可以是至少约0.1干重百分比，特别是约0.2干重百分比或更高，更特别是约0.1到约3干重百分比。

[0055] 永久型湿强剂通常能为棉纸片结构提供几乎长期的湿弹性。与此相比，暂时型湿强剂通常可提供低密高弹的棉纸片结构，但不提供长期抵抗暴露于水或者体液的结构。

[0056] 暂时型湿强剂可以是阳离子型、非离子型或阴离子型。这样的化合物包括PAREZTM631NC和 725暂时型湿强树脂，它们为经乙醛酸处理的阳离子聚丙烯酰胺，可从氰特工业公司购得(新泽西州，西帕特森)。这种及类似的树脂在1971年1月19日授予Coscia等人的美国专利US3556932和在1971年1月19日授予Williams等人的美国专利US3556933中公开。由位于特拉华州威尔明顿的赫克力士公司制造的Hercobond1366是另一种可从商业渠道获得的、可根据本发明使用的经乙醛酸处理的阳离子聚丙烯酰胺。暂时型湿强剂的其它例子包括双醛淀粉如国民淀粉化学公司的 1000以及其它醛类聚合
物如那些在下列专利中公开的：于2001年5月1日授予Schroeder等人的美国专利
US6224714；于2001年8月14日授予Shannon等人的美国专利US6274667；于2001年9月11日授予Schroeder等人的美国专利US6287418；于2002年4月2日授予Shannon等人的美国专利US6365667，这些专利的内容以与本文不矛盾的方式被引用纳入本文。

[0057] 含有阳离子寡聚或多聚树脂的永久型湿强剂可被用在本发明中。聚酰胺-多胺-环氧氯丙烷树脂，如位于特拉华州威尔明顿的赫克力士公司出售的KYMENE557H，是最广泛地使用的永久型湿强剂并且适用在本发明中。这些材料已由以下美国专利公开：于1972年10月24日授予Keim的US3700623；于1973年11月13日授予Keim的US3772076；于1974年12月17日授予Petrovich等人的US3855158；于1975年8月12日授予Petrovich等人的US3899388；于1978年12月12日授予Petrovich等人的US4129528；于1979年4月3日授予Petrovich等人的US4147586；于1980年9月16日授予van Eenam的US4222921。其它阳离子树脂包括通过甲醛与三聚氰胺或尿素进行反应获得的聚乙烯亚胺树脂和氨基塑料树脂。可有利的是，永久型湿增强树脂和暂时型湿增强树脂都被用在织物产品的制造中。

[0058] 在一个实施例中，相对大量的湿强剂被加入非织造材料中。湿强剂还可以增加产品的干燥强度。此外，湿强剂有助于材料中纤维的化学缠结，以改善导电纤维的保持力。加到非织造材料中的湿强剂的量可取决于多种不同的因素。通常，例如，湿强剂可以约1千克/百万吨到约12千克/百万吨的量，例如约5千克/百万吨到约10千克/百万吨的量加入。在某些实施例中，可能期望加入尽可能多的湿强剂。在这些实施例中，例如，湿强剂能以大于约7千克/百万吨的量例如大于约8千克/百万吨的量加入。

[0059] 在本领域中熟知的干强剂包括但不限于改性淀粉以及其它多糖如阳离子淀粉、两性淀粉和阴离子淀粉、瓜尔胶和刺槐豆胶、改性聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、糖、聚乙烯醇、壳聚糖等。这些干强剂通常在棉纸片成型之前或作为起皱封装的一部分被加到纤维浆中。

[0060] 可加到非织造纤网中的其它类型化学制品包括但不限于通常呈阳离子型、阴离子型或非离子型表面活性剂形式的吸收促进剂、湿润剂、增塑剂如低分子量聚乙二醇以及多羟基化合物如甘油和丙二醇。对皮肤健康有益的材料如矿物油、芦荟提取物、维他命E、硅酮、普通洗剂等也可被加入成品中。

[0061] 一般地，本公开的产品可以与任何已知的材料和化学品结合使用，只要该材料和化学品不与本产品的使用目的冲突。这些材料的例子包括但不限于爽身粉、苏打粉、螯合剂、沸石、香水或其它气味掩蔽剂、环糊精化合物、氧化剂等。特别有利的是，当碳纤维被用作导电纤维时，碳纤维还用作气味吸收剂。也可以使用超吸收微粒、合成纤维或膜。其它选择包括染料、荧光增白剂、湿润剂、软化剂等。

[0062] 根据本公开制成的非织造纤网可以包括单个均质纤维层，或者可以包括层化构造或分层构造。例如，非织造纤网叠层可以包括两层或三层纤维。每层可具有不同的纤维成份。每层所含的特定纤维通常依据要制成的产品和期望的结果。例如在一个实施例中，中间层包含与导电纤维结合的浆料纤维。另一方面，外覆层可以仅包含浆料纤维，如软木纤维和/或硬木纤维。

[0063] 在一个实施例中，根据本公开制成的非织造纤网通常根据湿法成网工艺制成。在这个实施例中，纤维与水相结合形成水悬浮物，并随后沉积到多孔成形面上，在成形面上形成湿纤网。在一个实施例中，首先生产出含有浆料纤维的水悬浮物。随后，在将水悬浮物沉积到成形面上之前，导电纤维例如碳纤维被注入浆料纤维水悬浮物中。例如，在将纤维沉积到成形面上之前，导电纤维可以被注入流浆箱中的浆料纤维水悬浮物中。浆料纤维的水悬浮物例如可以含有大于以重量计99％的水。例如，在一个实施例中，浆料纤维的水悬浮物含有浆料纤维的量为小于以重量计1％，例如以重量计约0.5％。导电纤维然后以类似的稀释度被注入水悬浮液中。例如，包含碳纤维的量为大约0.5重量％的碳纤维水悬浮物可以注入到浆料纤维的水悬浮物中。

[0064] 已经发现将导电纤维注入浆料纤维的水悬浮物中，可以减少碳纤维絮凝物的形成。已经发现当纤维混合在一起的时间量增加时，更容易形成絮凝物。絮凝物的生成，例如，会在得到的材料中产生弱点并在随后对非织造材料进行处理时引起湿断裂。

[0065] 就绝大部分而言，针对气敏化学电容式传感器和化学电阻式传感器的典型应用是类似的。也就是说，它们适于检测或量化微环境中挥发剂的存在。然而，化学电容式传感器还能够使用在所谓的“远程查询”应用中，其中一个电容式传感器连接至感应线圈（L）。传感器构造类似于图6所示，其将在下文描述。该L-C具有随“C”变化漂移的固有谐振频率。这能够通过靠近传感器线圈布置的次级感应线圈查询。随着传感器线圈的谐振频率变化，次级线圈的相应谐振频率也将变化。

[0066] 第二部分-化学电阻器

[0067] 根据实施例，所使用的气体传感器可以构造为化学电阻器。通常，“化学电阻器”是在暴露于一种或多种化学物种的分子后电阻变化的电阻器。化学电阻器包括化学电阻材料，其横跨至少一对间隔电极或在至少一对间隔电极之间布置。化学电阻材料包括至少一种导电材料（例如，微粒、纤维），该导电材料对特定分析物的吸收或吸附（例如，挥发性有机物、水蒸汽，等）敏感。在分析物被吸收或吸附到聚合物材料中时，聚合物材料膨胀。该膨胀增大了存在于化学电阻器的相邻导电微粒之间的间隔，这导致了化学电阻器电阻的增大。所述电阻变化（或另一电气性质的相应变化，诸如电导）能够被测量和记录，并用于在吸收性制品发生污损时发信号给该吸收性制品的护理者和/或穿戴者。由于该过程是可逆的（即，所述分析物可以从所述聚合物材料释放，因此减小了化学电阻器的电阻），化学电阻器可以用于检测多种污损。

[0068] 本公开的化学电阻器被选择以对某些挥发性有机物（VOC）的吸收或吸附敏感，以及特别的，被选择以对与诸如尿液、粪便、月经液、和/或血液的特定体内废物或分泌物相关的VOC敏感。如这里所使用的，术语“挥发性有机物”意在包括由体内废物或分泌物中存在的微生物产生的有机和无机代谢气体和化合物。

[0069] 特定的VOC可以与一种或多种类型的体内废物相关。通常与尿液相关的VOC例如包括，氨化合物（例如，氢氧化氨）、短链（C1-C2）酸（例如，乙酸）、中等长度(C8-C10)醛（例如，壬醛）、酮（例如，甲基乙基酮）、酚（例如，甲酚）、二甲基二硫醚、三甲胺、二戊烯（例如，4-异丙烯基-1-甲基环己烷）、乙酸、苯甲酸甲酯、苯甲酰胺、苯甲醛、以及三乙胺等。通常与粪便相关的VOC例如包括，粪臭素（例如，3-甲基-1H-吲哚、3-甲基吲哚等）、硫醇（例如，2-巯基乙醇）、硫化氢、短链脂肪酸（例如，肉豆蔻酸）、硫醇（例如，2-巯基乙醇）、以及二甲硫醚等。通常与月经液相关的VOC例如包括三甲胺等。

[0070] 针对特定VOC的化学电阻器的特异性取决于化学电阻器中所使用的聚合物材料。通常，不同的聚合物将以不同的特异度吸收或吸附VOC。合适的聚合物材料通常通过首先确定待检测的VOC的化学性质来选择，例如VOC是亲水还是疏水的、VOC的极性、VOC的功能团等。优选地，所选择的聚合物材料的化学性质类似于待检测的VOC的性质。

[0071] 在一个实施例中，聚合物材料能够基于其溶解参数Δ选择，所述溶解参数Δ优选地与待吸收进入聚合物材料中的VOC的溶解参数大致相同。在聚合物材料和VOC的溶解参数Δ大致相同时，聚合物材料和VOC的分子之间将有显著的相互作用，进而导致VOC被大量吸收进入聚合物材料中。各种聚合物和VOC的溶解参数Δ能够通过简单实验确定、能够简单地计算、或能够从化学参考书的表格中确定（还参见美国专利6902701，其通过引用并入本文）。

[0072] 用于检测VOC的特定聚合物的适宜性还能够通过本领域技术人员部分地基于本文的公开从实验上容易和方便地确定。例如，一旦选择了具有类似于待检测VOC的那些化学性质的聚合物，则可以测试包含这种聚合物的化学电阻器（例如，通过使用诸如本文实例所描述的方法）以确定在该化学电阻器暴露于该VOC时是否有电阻变化。产生大的电阻变化的聚合物优选地用于该化学电阻器中。

[0073] 在目标VOC存在时化学电阻器的电阻（或上述的其他电气性质）变化部分地取决于VOC的浓度。例如，化学电阻器的电阻将通常在目标VOC的浓度增加时增大。它的一个实例示于图13中，其示出了VOC二甲基二硫醚的浓度和含有聚乙烯-醋酸乙烯酯（PEVA）的化学电阻器的电阻之间的关系。通常优选的是，本公开的化学电阻器能够检测目标VOC浓度至少约1ppm的目标VOC（例如，在目标VOC存在时表现为电阻的增加、或表现其他电气性质诸如电导的变化）。

[0074] 能够用于形成用在本公开中的化学电阻器的特定聚合物材料包括聚环氧氯丙烷（PECH）、聚N-乙烯基吡咯烷酮（PVNP）、聚异丁烯（PIB）、聚乙烯-醋酸乙烯酯（PEVA）、聚乙烯醇（PVA）、乙基纤维素（EC）、以及聚二苯氧基膦嗪（PDPP）等。优选地，聚合物材料选自由PECH、PVNP、PIB和PEVA组成的群组。

[0075] 除了吸收特定VOC，某些聚合物还可以对水蒸汽敏感。因此，水蒸汽（例如，来自穿戴者的排汗或来自外环境）也可由所述聚合物材料吸收并影响化学电阻器的电阻。如上面关于VOC所论述的，聚合物材料对水蒸汽的敏感性将取决于聚合物材料的化学性质。例如，包含PNVP的化学电阻器对水蒸汽敏感（即，在暴露于饱和水蒸汽时具有电阻变化），而包含PEVA、PIB和PECH的化学电阻器在暴露于饱和水蒸汽时表现为电阻变化很小。通过将对水蒸汽敏感的化学电阻器加入吸收性制品中，还可以监测吸收性制品穿戴者的舒适水平。

[0076] 如上所述，聚合物材料能够通过匹配聚合物材料的化学性质与待检测VOC的化学性质被选择，以为检测特定VOC提供高敏感性或选择性。因此，在一个实施例中，本公开的吸收性制品可以包括单个化学传感器，其对特定类型的VOC敏感。例如，PECH对芳香烃和氯代烃、以及苯甲醛是特别敏感的。PVNP，一种极性化合物，对于诸如三甲胺、苯甲醛、氨、硫醇、以及水蒸汽的极性VOC是敏感的。PIB和PEVA是疏水的且对疏水的VOC诸如二戊烯和苯甲醛敏感。PIB还对非极性VOC敏感。

[0077] 另外，本公开的吸收性制品可以包括单个化学电阻器，其对超过一种类型的VOC的存在敏感。例如，特定聚合物材料可以对共享其结构内类似功能性或化学亚群的VOC类敏感。含有该聚合物的化学电阻器在暴露于该类中多种VOC中的任何一种时表现为电阻变化。然而，针对各种单个VOC的变化度通常会是不同的。例如，聚合物通常会对一种特定VOC比其他VOC更敏感，即使针对该类中多于一种VOC表现为一些电阻变化。因此，在检测多种类型的VOC时，通常优选针对各种单个VOC使用不同的化学电阻器。

[0078] 在另一实施例中，本公开的吸收性制品可以包括多于一个的化学电阻器。在该实施例中，所述化学电阻器可以各自对不同VOC敏感，或可替代地，一些或所有化学电阻器可以对同一VOC敏感。例如，该吸收性制品可以包括多种化学电阻器，其中一些或所有化学电阻器对同一VOC敏感，其中所述化学电阻器定位在吸收性制品的不同区域，如下所述。在另一实例中，吸收性制品可以包括两个或更多个化学电阻器，其中一些或所有化学电阻器对于与不同类型污损相关的VOC敏感。在这种情况下，所述化学电阻器可以用于基于所检测的VOC来区分不同类型的污损。

[0079] 除了聚合物材料，化学电阻器材料还包括多种导电微粒。在所述间隔电极之间施加有电压时，所述导电微粒提供用于电流流动的多条传导路径。通常，导电微粒在化学电阻材料的整个容积上是均匀分布的。

[0080] 在构造为化学电阻式传感器时，非织造纤网基底自身是足够的，诸如图3所示意，其示出了本发明的非织造化学气体传感器在电路环路24中作为电阻式传感器20与处理器或读出器机构26通信的布置。所述传感器和处理器可以通过导线25物理连接，或它们可以无线连接。

[0081] 为了构造化学电阻式传感器，可以使用传统非织造加工工艺，诸如湿法（例如，造纸工艺）或干法工艺（例如，气流成网加工或共成形加工）。所述非织造材料通常由占大部分的惰性的热塑性细丝或纤维（例如，聚丙烯、聚乙烯、聚脂）、以及浆料或纤维素纤维、或人造短纤维、或其混合的组合物的基质制成。在该基础纤维基质内或其上，至少一种气体响应纤维和一种导电纤维通过彼此混合在一起而交织且关联以形成导电非织造材料。由各种气体吸收聚合物制成的活性气敏纤维沿导电纤维散布。随着气敏纤维吸收VOC，纤维维度将变化，并取决于特定的VOC，气敏纤维维度的变化将干扰导电纤维的网络，并且会引起对电子的阻力根据吸收至非织造材料的VOC的量而增加。

[0082] 根据加工工艺，通常，导电非织造物被切割为用于传感器的合适尺寸。取决于目的应用，通常传感器的非织造基底能够具有约1cm或2cm、或5-8cm（～1-3英寸）之间的维度，诸如以用于呼吸器或面罩，或达到约25-80cm（1-3英尺）的维度，以用于空气过滤器，或者它们可以更大以用于其他用途或构造。根据实施例，酒精气体传感器例如能够通过使用3mm短切的聚乙烯醇(PVOH)纤维和3mm短切的碳纤维制成。制成具有6%碳纤维的16gsm片层并将其用作化学电阻式传感器。酒精吸收的结果和对电阻的影响示于下文的实验部分中。

[0083] 对于化学电阻器构造，制成16gsm片层（PVOH和6%碳纤维）并将其用作化学电阻器传感器。该结果示于附件中。对于化学电阻器构造，首先使用50/50比率的3mm短切的聚乙烯醇（PVOH）纤维和纤维素纤维（LL19）来制成32gsm酒精感测层。通过使PVOH/纤维素片层适配在两个37gsm导电纸（10%碳纤维）层之间来构造化学电阻式传感器。

[0084] 化学电阻材料包含导电材料的约3wt.%至约60wt.%，典型地约5或6wt.%至约40或45wt.%。更典型地，导电材料具有介于7或8wt.%和约30或35wt.%之间的量，优选地具有介于
9或10wt.%和约27或30wt.%之间的量。通常，可以使用任意的导电材料。合适的导电材料在本领域是公知的，例如包括碳纤维、金属涂覆纤维材料等。优选地，导电材料包括碳纤维。导电纤维的精确尺寸不是关键的，但通常具有约1mm或2mm至约12mm或15mm的长度。

[0085] 第三部分-化学电容器

[0086] 根据另一实施例，气体传感器可以是化学电容器。在构造为化学电容式构造时，非导电气体感测层位于本发明的两个导电非织造纤网层之间，诸如图4所示意，以形成电容器。图4示出了本发明的非织造化学气体传感器作为电容式传感器的布置，其包括导电平板30和介电层32。化学敏感介电聚合物32夹在两个导电非织造层30之间，所述两个导电非织造层30能够连接至电路环路34或与电流环路34关联，以及与数据处理器、读出器、检测或电子输出设备或者其他相关电子机构或硬件36通信。与化学电阻形式类似，所述传感器可以通过导线35物理连接，或它们能够无线连接。

[0087] 虽然所述文献描述了某些类型的化学电容气体传感器，但是这些传感器设备在构造及操作方法上与本发明非常不同。所述文献描述了一种气体传感器，其使用微机械技术制造的金属平板电容器构造。所述平板中的一个具有孔阵列以允许感兴趣气体与夹在所述平板之间的介电材料相互作用。本发明与这些其他类型的气体传感器的重要区别在于电容器的构造。

[0088] 与此对比，导电非织造层的优势在于它们的相对多孔性。非织造基底应该具有大于200平方微米空气的透气率。典型地，透气率介于约220平方微米至约600平方微米、更典型地，约230或250平方微米至大约520或550平方微米，或者至约430或450平方微米。本发明的气体传感器是薄的且柔性的，并且不需要目的性穿孔（洞）来允许气体进入并与检测材料相互作用。而是，非织造纤网材料的渗透性允许气体与气敏纤维自由地相互作用。从外环境进入传感器的气体交换或流动是相对无限制的，这允许VOC通过非织造材料的纤网并吸附在感测层上。一旦VOC吸收至感测层，感测层的介电性质变化。这些变化触发了传感器电容值的变化。根据实施例，非导电感测层夹在两层导电纸之间。所构造的电容器被切割为合适的尺寸以用作气体传感器。例如，非织造材料能够制成基底，其例如具有能够产生约0.125cm2或0.5cm2、或1cm2、至约20cm2、30cm2、40cm2、或50cm2或更大面积的维度，这类似于化学电阻形式。典型地，该维度能够产生约1或1.25cm2至约12cm2或15cm2的面积；或更典型地约2、3或4cm2至约7、8或10cm2的面积，这些区间内的所有值包括在内。

[0089] 类似于化学电阻形式，至少一种气体响应纤维用于形成感测非织造材料，其能够使用如上述的湿法或干法工艺来制造。

[0090] 作为实例，酒精感测层通过使用50/50比率的3mm短切的聚乙烯醇(PVOH)纤维和纤维素纤维（LL19）来制成。通过形成32gsm的PVOH/纤维素片层并将其夹在两层37gsm导电纸（10%碳纤维）之间来构造化学电容式传感器。所述结果被归纳在下文实验部分中。

[0091] 第四部分-非织造气体传感器电子检测方法的系统结构图和硬件设计

[0092] 有许多方法来测量电容变化。本发明预想人们能够根据两种一般方法来构造非织造气体传感器；即，电容式传感器和电阻式传感器。在检测电路的布置方式方面，各种方法能够使用不同变体。这里对这些变体构造进行描述。

[0093] A、非织造电容式气体传感器

[0094] 对于非织造电容式气体传感器而言，该传感器能够通过将PVA共成形材料夹在两层导电非织造材料之间来构造。这形成了典型的平板电容式传感器。在例如酒精蒸汽的挥发物存在时，内部非织造层扩展引起平板电容器的电容变化，这能够通过下述检测电路构造来检测。

[0095] 布置1：充电时间测量单元方法

[0096] 用于该构造的系统设计包括微控制器，诸如由微芯科技公司（Microchip Technologies Inc.）（部件编号(PIC24FJ128GA106)）生产的，其具有专用的充电时间测量单元（CTMU）。该CTMU是外接至微控制器的模块，其能够用于直接检测电容变化。通过该系统设计，非织造电容式气体传感器阵列连结至微控制器（微芯PIC24FJ系列）的A/D输入端，并用于计算在酒精蒸汽存在时随着介电变化的电容变化。图5示意了该电路系统。电容测量电路类似于第12/648,645号美国专利申请中所描述的电路，该专利申请的内容通过引用合并于本文。

[0097] 布置2：已调谐振电路

[0098] 可替代地，可以检测已调电路或LC电路的谐振频率的变化，所述已调电路或LC电路具有由字母L表示的电感器以及由字母C表示的电容器。随着谐振电路的电容值变化，谐振器的振荡频率变化，这能够通过频率-电压（F/V）转换芯片如TC9400来检测，该芯片由微芯科技公司制造。图6示出了该系统的结构图。由F/V生成的电压能够被直接送入如由微芯科技公司制造的PIC16F876A的微控制器中，其中模拟电压信号被数字化并计算所检测的蒸汽量的计算逻辑。

[0099] B、非织造电阻式气体传感器

[0100] 如上所述，气体传感器能够通过将气体感测聚合物加入诸如导电纸的导电非织造材料内来构造。随着材料暴露于挥发性气体或蒸汽，敏感聚合物膨胀，进而改变导电材料的电阻。存在多种电路布置用于测量电阻变化。出于示意目的，下文论述了该系统构造的两个实例。

[0101] 布置1：分压器电路

[0102] 分压器电路，如附图7所示，生成了作为输入电压一部分的电压，并依赖于选定为分压器的两个电阻器。一旦非织造气体传感器开始接触挥发性气体或蒸汽，气体传感器的电阻会变化，这还改变了输出电压。该输出电压被供给到缓冲放大器，诸如国家半导体公司制造的LM241，以帮助将高阻抗输入提供至A/D转换器。来自缓冲放大器的电压能够被直接供给到诸如由微芯科技公司制造的PIC16F876A的微控制器，其中模拟电压信号被数字化并计算存在电压量的定量逻辑。

[0103] 布置2：惠斯登电桥电路

[0104] 惠斯登电桥电路，如图8所示，用于通过平衡桥接电路的两个支路来测量未知电阻，其中一条支路包括未知部件（Rx）。桥接电路的两条支路之间的电压差（Vb）能够使用下文所示的差分放大器电路来放大。该电压能够被直接供给到诸如由微芯公司制造的PIC16F876A的微控制器，其中模拟电压信号被数字化并计算存在电压量的定量逻辑。

[0105] 第四部分-实验实例

[0106] 下面的实例还示范了根据本发明制造的气体传感器。

[0107] 实例1

[0108] 采用手抄纸片成型器来制造化学电阻材料。所使用的碳纤维是从东邦耐克斯公司获得的TENAX150纤维，其具有3mm切割长度，所使用的聚乙烯醇纤维是来自可乐丽公司（Kuraray）的VPW101，其具有3mm的切割长度。0.045克的碳纤维和0.7克的聚乙烯醇纤维在英国碎浆机（从佐治亚州亚特兰大市的劳伦森韦特瑞公司(Lorentzen and Wettre)可得）中分散于大约40°C的水中，在5分钟后达到固体含量约1.2%的浓度。然后该桨被稀释至0.3浓度并在正方形（9*9英寸）的瓦赖手抄纸模具（Valley Handsheet Mold）（从威斯康星州阿普尔顿的福伊特（Voith）公司可得）上成型为手抄纸片。该手抄纸片通过使用擦手纸片用手从该模具移出，并且在每平方英寸达到100磅的力下压制纸的反面1分钟。接下来，该手抄纸片置于两张隔离纸之间并采用从威斯康星州阿普尔顿的福伊特公司可得的瓦赖蒸汽加热板（Valley Steam Hotplate）干燥纸的反面2分钟，瓦赖蒸汽加热板具有加重的帆布套，所述帆布套具有重4.75磅的铅灌铜管来维持张力。

[0109] 从产生的片层上切割2"*0.5"的条并将其置于含有约20ml异丙醇的100ml玻璃烧杯顶上。该条连接至从安捷伦科技公司（Agilent Technologies,Inc）可得的Agilent34401A数字万用表来采集作为时间函数的电阻数据。该烧杯和条覆盖有保鲜膜。结果示于附图9中。在封闭系统中，当暴露于异丙醇蒸汽时，传感器的电阻从约1000欧姆增大至更高水平，并保持在约10,000,000欧姆的水平直至暴露于周围空气，在此刻电阻回到初始水平。

[0110] 实例2

[0111] 采用手抄纸片成型机制成化学电容材料。

[0112] 外层：

[0113] 传感器的外层由导电纸构造，该导电纸在第11/888,334和12/130,573号美国专利申请描述的造纸机上制成，所述专利申请的内容结合于本文，所述传感器外层的构造使用具有3mm切割长度的TENAX150碳纤维（从东邦耐克斯公司获得）和LL19木浆料纤维（来自Terrace Bay Pulp公司）。所述导电纸具有每平方米37克的基重，并且其含有10%碳纤维。

[0114] 中层：

[0115] 传感器的中层由木浆纤维（北方漂白软木牛皮纤维LL19，从Terrace Bay Pulp公司可得）和具有3mm切割长度的聚乙烯醇纤维制成。约0.86克的木浆纤维和0.86克的聚乙烯醇在英国碎浆机（从佐治亚州亚特兰大市的劳伦森韦特瑞公司可得）中分散于大约40°C的水中，在5分钟后达到固体含量约1.2%的浓度。然后该桨被稀释至0.3浓度并在正方形（9*9英寸）的瓦赖手抄纸模具（从威斯康星州阿普尔顿的福伊特公司可得）上成型为手抄纸片。该手抄纸片通过手从该模具移出，并且两张导电纸片置于手抄纸片的两侧。所结合的手抄纸片在每平方英寸100磅的力下被压制1分钟。接下来，该结合的手抄纸片采用从威斯康星州阿普尔顿的福伊特公司可得的瓦赖蒸汽加热板干燥2分钟，瓦赖蒸汽加热板具有加重的帆布套，所述帆布套具有重4.75磅的铅灌铜管来维持张力。

[0116] 从产生的片层上切割2.5cm*1.5cm的条。从3M可得的铜箔带1181被切割为0.5cm*0.5cm的条。铜线焊接至每个铜箔带条以形成电连接。具有铜线的铜箔带条连结至导电非织造条的每一侧。该导电非织造条置于含有约50ml异丙醇的100ml玻璃烧杯顶上。来自该条的两根导线连接至从百科精密仪器公司（B&K Precision Corp.）可得的889A Bench LCR/ESR仪表来采集作为时间函数的电容数据。该烧杯和条覆盖有保鲜膜。结果示于附图10中。在封闭系统中，当暴露于异丙醇蒸汽时，电容函数快速地从约60pF升高至几乎160pF。当暴露于外界空气时，电容函数快速降低至80pF以下。

[0117] 本发明通过实例进行了一般性描述。本领域技术人员能够理解的是，本发明无需限定于所特别公开的实施例，而是能够在不偏离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下做出改进和变形。