專利名稱：氣體傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器及其制造方法。本發(fā)明具體涉及檢測(cè)一氧化碳(CO)氣體的電化學(xué)傳感器，但是不限于這種傳感器。
檢測(cè)氧化或還原氣體如一氧化碳的電化學(xué)氣體傳感器通常包括一個(gè)檢測(cè)電極，一個(gè)反電極和一個(gè)擴(kuò)散隔膜。該擴(kuò)散隔膜允許待測(cè)氣體流通到檢測(cè)電極。在一種類型的氣體傳感器中，例如在本申請(qǐng)人共同未決的國際申請(qǐng)WO-A1-9614576中所述的氣體傳感器中，檢測(cè)電極和反電極位于一個(gè)氣體滲透膜上，并與電解質(zhì)接觸。
根據(jù)物理結(jié)構(gòu)，電化學(xué)氣體傳感器通常包括一個(gè)用作電解質(zhì)容器的外殼，；一個(gè)保持電解質(zhì)與這些電極接觸的芯；以及數(shù)個(gè)與這些電極電接觸的外部電端子。
上述氣體傳感器工作期間，在檢測(cè)電極上出現(xiàn)與待檢測(cè)氣體發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，在反電極上也發(fā)生與氧氣的反應(yīng)。電流依靠這些反應(yīng)產(chǎn)生的離子通過電解質(zhì)，電流量表示被檢測(cè)氣體的濃度。也可以使用另一個(gè)電極(參考電極)，例如與穩(wěn)壓電通路結(jié)合，來在檢測(cè)電極和電解質(zhì)之間保持恒勢(shì)差。這就提高了氣體傳感器的工作穩(wěn)定性。這些電極通過電端子與外部電流傳感器連接。
外部電端子通常由黃銅或銅針制成。黃銅和銅都與酸性電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此不得不將該氣體傳感器特別設(shè)計(jì)成使這些針不與電解質(zhì)接觸。鉑與酸不發(fā)生反應(yīng)，因此鉑條可以被用于形成這些電極和外部傳感器和/或外部電力供應(yīng)之間的電通路。但是，鉑條通常被放置在殼和氣體滲透膜之間的密封區(qū)域內(nèi)，電解質(zhì)可能從該區(qū)域泄漏。鉑還很昂貴，因此具有鉑端子的氣體傳感器造價(jià)高。
氣體傳感器的另一種實(shí)例描述于美國專利US-A-5314605(Dragerwerk)中。上述美國專利描述了一種具有通孔的氣體滲透區(qū)。電極通過這些孔。不管怎樣仔細(xì)密封每一個(gè)孔周邊和電極之間的區(qū)域，都會(huì)有電解質(zhì)通過該密封泄漏的危險(xiǎn)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種比現(xiàn)有氣體傳感器生產(chǎn)成本低的氣體傳感器。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種比現(xiàn)有傳感器泄漏傾向小的氣體傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種具有用于容納電解質(zhì)的容器的殼的氣體傳感器制造方法，該方法包括步驟用導(dǎo)電材料浸漬氣體多孔膜，以便所述導(dǎo)電材料確定一個(gè)位于該膜第一表面上的電接點(diǎn)和該膜第二表面上的電極之間的電通路，及布置氣體多孔膜來密封該容器。
因此根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種將一個(gè)或多個(gè)放置在氣體傳感器密封容器內(nèi)的電極連接到傳感器外電通路上的簡單可靠的方法；該方法不必使用昂貴的鉑端子，并能夠制造一種泄漏傾向小的氣體傳感器。
該導(dǎo)電材料優(yōu)選包括一種導(dǎo)電聚合物，并在熱壓條件下被引入微孔膜的孔內(nèi)。
該方法還包括步驟將一個(gè)芯吸裝置連接至一個(gè)或多個(gè)電極。該芯吸裝置保證每一個(gè)電極與電解質(zhì)保持接觸，而不管已經(jīng)安裝的傳感器的方向如何?？梢栽?00℃至370℃的溫度下，最優(yōu)選在320℃至370℃的溫度下將該芯吸裝置壓至或燒結(jié)在該電極或每一個(gè)電極上。精確的溫度取決于芯吸裝置、電極材料和基層的性質(zhì)。芯吸裝置的連接可以在任何熔融導(dǎo)電聚合物被引入之前進(jìn)行，這種情況下，芯吸裝置可以具有至少一個(gè)使熔融聚合物通過并到達(dá)電極的孔。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種跨過具有第一和第二主要表面的多孔膜而形成電通路的方法，其中使用的膜不能夠透過液體，但是能夠透過氣體，包括步驟維持足夠的熱量使導(dǎo)電材料熔融；通過在表面之間建立壓差迫使熔融導(dǎo)電材料通過膜第一表面上的孔；控制熱量和壓力差，直到導(dǎo)電材料出現(xiàn)于第二表面；及使材料冷卻，以便形成一個(gè)從第一表面到第二表面的連續(xù)的導(dǎo)電通路，同時(shí)保持膜的液體不滲透性和氣體滲透性。
因此形成的微孔膜優(yōu)選被組合在可以引入氣體傳感器的電化學(xué)組件中。
導(dǎo)電材料可以通過芯吸裝置、通過電極、通過基層、或通過它們的組合被引入該基層中。
該導(dǎo)電材料優(yōu)選包括導(dǎo)電聚合物。一旦該導(dǎo)電材料冷卻和固化，就在電極和電接點(diǎn)或外部連接裝置之間形成一個(gè)電通路。使用時(shí)在檢測(cè)電極上產(chǎn)生的電流因此可以依靠導(dǎo)電聚合物并經(jīng)過多孔膜流到外部連接裝置，接著到達(dá)一個(gè)可以檢測(cè)檢測(cè)電極上產(chǎn)生的電流量的適當(dāng)電子儀器(或在測(cè)試氣體發(fā)生器情況下的電源)。
第一和第二電極優(yōu)選由含PTFE或類似聚合粘合劑的多孔導(dǎo)電材料制成。電極還可以含有催化劑和任選輔助催化劑載體材料和強(qiáng)化導(dǎo)電性的材料。
這些電極可以通過如絲網(wǎng)印刷、在選擇區(qū)域內(nèi)從基層上放置的懸浮體過濾，通過噴涂、噴墨印刷、燒結(jié)或任何其它適合產(chǎn)生固體材料圖案沉積等方法設(shè)置在基層上。沉積可以是單一一種材料，或著是先后成層的多種材料，以便在整個(gè)厚度范圍改變電極材料的性能。
優(yōu)選將第一和第二電極設(shè)置在與外部電接觸裝置相對(duì)的基層表面上?；蛘撸€可以將第一和第二電極以及外部電接觸裝置設(shè)置在相同的基層表面上。
可以采用粘合劑將基層與殼連結(jié)在一起?；蛘撸部梢允褂脵C(jī)械裝置如咬合連接件。但是優(yōu)選使用熱和/或壓方式將該基層連結(jié)在殼上。該殼優(yōu)選包括一種熔融點(diǎn)比基層熔點(diǎn)低的合成塑料材料。當(dāng)使用熱和/或壓方式將基層與殼固定在一起時(shí)，殼材料浸漬基層，從而形成一種也透過電解質(zhì)的強(qiáng)機(jī)械連結(jié)。
也可以設(shè)置一個(gè)具有擴(kuò)散隔膜的的帽件。該基層位于該帽件和該殼之間。接著施加熱和/或壓(或其它適當(dāng)方法)，來密封傳感器組件。如果不使用帽件，那么為了控制到達(dá)電極的氣體量，可以改變基層至少一個(gè)區(qū)域的滲透性。這還可以利用具有要求多孔率的材料實(shí)現(xiàn)，或者該多孔性可以通過i)壓縮該區(qū)域，或ii)通過例如用蠟、聚合物或者蠟/聚合物混合物浸漬該(這些)區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種氣體傳感器，包括至少設(shè)置在平面基層上的第一和第二電極；一個(gè)含有用于容納與第一和第二電極接觸的液體電解質(zhì)的容器的殼；一個(gè)從氣體傳感器形成外部電連接的電接點(diǎn)；以及一種設(shè)置在電極和該外部電接點(diǎn)之間的導(dǎo)電材料，其中至少大體靠近的一部分電極和一部分基層浸漬了導(dǎo)電材料，該材料形成通過膜的電通路，至少將一個(gè)電極連接至外部電接點(diǎn)。
這些電極優(yōu)選是多孔平面元件。該第一電極優(yōu)選是一種在電解質(zhì)和待測(cè)氣體之間產(chǎn)生要求的電化學(xué)反應(yīng)的氣體檢測(cè)(工作電極)。該第二電極優(yōu)選是一個(gè)與氧氣發(fā)生對(duì)等電化學(xué)反應(yīng)的反電極。該氣體傳感器可以包括另一些電極，如一個(gè)參考電極和/或一個(gè)氣體發(fā)生測(cè)試電極。
該導(dǎo)電材料可以是一個(gè)插頭，一個(gè)針，或者其它形狀的適合形成電極和外部連接裝置之間電通路的元件。
外部電接點(diǎn)或連接裝置優(yōu)選是一種可以按照與電極形成方式相同的方式形成在基層上的多孔平面元件。換言之，該外部連接裝置可以用與該導(dǎo)電材料相同的或相似的材料制成。該外部連接裝置還可以是與基層連接的金屬條或金屬線。
該傳感器可以具有一個(gè)帽，以便該基層布置在該帽和該殼之間。在該具體方案中，基層優(yōu)選具有很高的氣體滲透性，很少或幾乎不阻擋氣體擴(kuò)散。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，氣體擴(kuò)散到檢測(cè)電極優(yōu)選受到位于帽內(nèi)的擴(kuò)散隔膜的限制。
或者，該傳感器可以沒有帽，因此基層本身用做一個(gè)擴(kuò)散隔膜，并形成該殼的上部。這種情況下，為了限制到達(dá)檢測(cè)電極和/或反電極的氣體量，優(yōu)選降低基層某些區(qū)域的多孔性。該基層可以是柔性的，半剛性的或剛性的。
該電解質(zhì)優(yōu)選是硫酸或其它適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)。
現(xiàn)在將通過實(shí)例參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中

圖1表示第一氣體傳感器的橫剖面；圖2表示第二氣體傳感器的橫剖面；及圖3表示另一個(gè)氣體傳感器的剖視圖。
參照?qǐng)D1，圖1表示一種直圓柱體形電化學(xué)氣體傳感器10a的剖視圖，該傳感器包括兩部分殼12a和12b，一個(gè)檢測(cè)電極14，一個(gè)反電極16，以及形成在一個(gè)大體為圓形的膜18上的外部接觸軌道28a和28b。如圖所示，電極14和16由PTFE粘合劑與導(dǎo)電催化劑粒子混合物制成，通過絲網(wǎng)印刷或過濾器沉積在分成段的膜18表面上。外部接點(diǎn)28a和28b通過推動(dòng)導(dǎo)電聚合物通過該膜18而形成，該導(dǎo)電聚合物可以裝載有非催化劑粒子。
殼部分12b是圓柱形的，具有確定電解質(zhì)容器20的中空內(nèi)部，用于容納液體電解質(zhì)30。電解質(zhì)30通過芯21與電極14，16保持接觸。電解質(zhì)容器20利用一個(gè)減壓孔由多孔膜封閉的底部元件32封閉。殼部分12a是一個(gè)有孔22的盤形帽件，該孔允許大氣擴(kuò)散到凹入的多個(gè)區(qū)域24內(nèi)然后擴(kuò)散到檢測(cè)電極14。該殼部分包括一種合成塑料材料?？?2可以是擴(kuò)散隔膜，以便控制到達(dá)檢測(cè)電極的氣體量。
膜18是盤形的，其直徑基本與上殼部分12a和下殼部分12b的直徑相同。該膜布置在上殼部分12a和下殼部分12b之間。當(dāng)上殼部分12a的直徑小于下殼部分12b的直徑時(shí)，外部接觸軌道28a和28b延伸到上殼部分12a的邊緣之外，因此可以被用作一個(gè)外部電接點(diǎn)或連接件。這些外部電接點(diǎn)可以通過針、彈簧夾或電線(未示出)與印刷電通路板和電源連接。固態(tài)聚合物26受熱和受壓而被迫通過膜，因此形成接點(diǎn)28。下面將討論這究竟是這樣實(shí)現(xiàn)的。
參照?qǐng)D2，圖2表示本發(fā)明第二實(shí)施例10b的剖視圖，其中與圖1中相同的部件用相同的附圖標(biāo)記表示。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，沒有出現(xiàn)上殼部分12a。為了確定一個(gè)對(duì)來流氣體的擴(kuò)散隔膜，膜18對(duì)氣體的滲透率很小。因此提供了對(duì)氣體進(jìn)入速度的準(zhǔn)確控制。膜18的滲透率在膜整個(gè)面積上是均勻一致的，或者其特定區(qū)域的滲透率可以通過用適當(dāng)?shù)幕鶎訅嚎s或浸漬膜的某些區(qū)域來降低。
在氣體傳感器10b中，電極14和16以及膜18區(qū)域浸漬導(dǎo)電聚合物26，因此導(dǎo)電聚合物26通過并伸出膜18，形成外部接點(diǎn)28a和28b。此外，可以接著設(shè)置外部電接點(diǎn)裝置。
與現(xiàn)有氣體傳感器相比，根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是傳感器10a和10b的電極不是在該殼和膜18之間延伸，而這通常是氣體傳感器組件最薄弱的部分。因此在氣體傳感器10a和10b中，在殼和膜之間形成了嚴(yán)密的密封，并且電解質(zhì)很少從傳感器泄漏。
在氣體傳感器10a和10b工作期間，來自周圍環(huán)境的氣體通過膜18(通過傳感器10a的孔22)擴(kuò)散到檢測(cè)電極14。如果該氣體含有例如一氧化碳，那么在檢測(cè)電極14上會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在反電極16上會(huì)發(fā)生與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)。電流由這些反應(yīng)產(chǎn)生的離子攜帶而通過電解質(zhì)30。電流的大小表示一氧化碳的濃度。
也可以在穩(wěn)壓器電通路(未示出)上合并使用一個(gè)參考電極(未示出)，保持檢測(cè)電極14和電解質(zhì)30之間的電勢(shì)，以便提高傳感器10a的穩(wěn)定性。
現(xiàn)在將描述傳感器組件10a。電極14和16設(shè)置在膜18的下表面。外部接觸軌道28a和28b設(shè)置在該膜上表面。芯21燒結(jié)到電極14和16上。通過施加熱和壓，迫使聚合物通過膜，使熔融的導(dǎo)電聚合物26經(jīng)過芯21內(nèi)的孔或者從外部接觸軌道28a，b上表面進(jìn)入膜18的指定區(qū)域，因此在外部接點(diǎn)28a和28b與電極14和16之間形成了一個(gè)接點(diǎn)。一旦聚合物26固化，就在電解質(zhì)容器20容納的的電解質(zhì)30和外部接觸軌道28a和28b之間形成了一個(gè)電通路。
接著將該膜放置在上殼部分12a和下殼部分12b之間，使用沖壓工具施加熱和壓，將膜和外部接點(diǎn)壓在殼部分上，從而將組件結(jié)合在一起?；蛘?，可以利用粘合劑將一個(gè)或兩個(gè)殼部分12a和12b連結(jié)到膜18上。
接著通過孔32將電解質(zhì)引入電解質(zhì)容器20內(nèi)。接著用酸密插頭(可以是氣體滲透的)填塞該孔，并在適當(dāng)位置用超聲波焊接密封。這保證電解質(zhì)30不會(huì)從傳感器組件10a泄漏。
該傳感器組件10b與傳感器組件10a相同。電極14和16形成在默18的下表面。如上所述，如果必要，膜該區(qū)域的氣體滲透性可以被降低。芯21接著被燒結(jié)到電極14和16上。通過施加熱和壓，迫使聚合物通過膜，使熔融的導(dǎo)電聚合物26從外部接觸軌道28a，b引入膜18的指定區(qū)域，因此一旦固化，一部分固化的導(dǎo)電聚合物通過并伸出膜18，形成跨過多孔膜的外部接點(diǎn)，而不會(huì)改變其機(jī)械完整性(即撕膜)，但是提供了一個(gè)通過膜28a和28b的電通道。此外，也可以利用固化導(dǎo)電聚合物在適當(dāng)位置提供和固定外部電接觸裝置。
將膜放置在下殼部分12b上，使用沖壓工具施加熱和壓，將膜壓在該殼部分上，因此將該組件結(jié)合在一起?；蛘?，下殼部分12b可以利用粘合劑與膜18結(jié)合在一起。接著如前所述，將電解質(zhì)引入電解質(zhì)容器。
參照?qǐng)D3，通過液體形式的導(dǎo)電材料浸漬多孔膜或基層18的方法形成導(dǎo)電接點(diǎn)或通道28。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，基層8是具有開孔的聚合材料，將要被浸漬的材料是熔融點(diǎn)低于基層材料熔融點(diǎn)的聚合物，負(fù)載有導(dǎo)電粒子。該浸漬材料26在受壓時(shí)被迫以液體形式進(jìn)入基層18的孔內(nèi)，以便在從基層一側(cè)延伸到另一側(cè)的孔內(nèi)形成導(dǎo)電物質(zhì)26。導(dǎo)電粒子的平均尺寸可以小于基層內(nèi)孔的尺寸，或者可以等于或大于基層內(nèi)孔的尺寸，在這種情況下，可以選擇浸漬方法和基層材料，使基層內(nèi)的孔在經(jīng)過熱或壓或熱和壓之后有足夠的變形，使導(dǎo)電粒子通過這些孔足以形成一個(gè)導(dǎo)電通路。
可以通過一種工具將導(dǎo)電材料引入，在表面一側(cè)或兩側(cè)留一定量的導(dǎo)電材料，該材料在接下來的步驟中由該工具(未示出)模壓成指定的形狀，例如形成一個(gè)電接點(diǎn)28，或者形成將要伸出組件外的其它連接裝置，或者在另一個(gè)基層上形成另一種類似的導(dǎo)電組件。該基層16可以具有一個(gè)與之相關(guān)聯(lián)、優(yōu)選與該基層成整體并通過絲網(wǎng)印刷或吸入沉積等形成在基層上的電極。
在一種最佳實(shí)施方法中，該基層材料是一種多孔含氟聚合物膜，例如多孔PTFE，該浸漬材料是裝載碳粒子的聚丙烯。裝載聚丙烯的熔融點(diǎn)小于200℃，明顯小于PTFE的熔融溫度(軟化溫度約300℃)，易于在一般為200-240℃的工具溫度下，迫使該聚丙烯通過PTFE的孔。
實(shí)例對(duì)于一個(gè)PTFE片，如Mupor(注冊(cè)商標(biāo))型131(MUPORLTD.，Alness，UK)，厚度0.2mm，平均孔徑2祄，浸漬材料聚丙烯(來自Whitaker Technical Plastics Ltd.，Macclesfield，UK的材料)裝載有40wt％平均結(jié)塊尺寸等級(jí)為200祄的炭黑粒子，在200-240℃下，大致200N/cm2的壓力下保持10s，使用熱壓技術(shù)獲得通過該膜的良好導(dǎo)電性。這就產(chǎn)生一個(gè)通過該膜到Pt/PTFE氣體擴(kuò)散電極的低阻接點(diǎn)，該接點(diǎn)是有孔的，平均孔徑等于膜的孔徑，并安裝在膜對(duì)側(cè)。在所述實(shí)施例表示的氣體傳感器中，這樣一種電極和接點(diǎn)可以用來檢測(cè)一氧化碳。
圖3表示一種氣體傳感器100，該氣體傳感器包括一個(gè)容納液態(tài)電解質(zhì)的容器104的殼102。該容器104上端有一個(gè)安裝或連接到殼的支撐元件108，給連接于其上的元件提供剛性或半剛性支撐。該殼102上安裝有接觸針110，114，118，每一個(gè)針都與導(dǎo)電聚合物112，116，120的有關(guān)模制元件有良好的電接觸。支撐元件108上面是由具有催化劑層124的膜122構(gòu)成的第一電極組件。該催化劑材料優(yōu)選與電極燒結(jié)在一起，制造一個(gè)加強(qiáng)的電極組件。在將基層引入殼之前，通過如絲網(wǎng)印刷、吸入沉積等將該催化劑層設(shè)置在基層上。催化劑層124可以是一種由催化劑材料如Pt或RuO2制成的多孔層，如現(xiàn)有技術(shù)公知的那樣，利用PTFE粘合劑粘結(jié)在一起，粘結(jié)到基層122上。或者，也可以是一種非多孔性材料，例如金屬膜，很可能經(jīng)過處理后已經(jīng)提高了催化劑的活性。該基層122是多孔的，并且含有熔融點(diǎn)比殼102的材料和導(dǎo)電聚合物120的熔融點(diǎn)高的材料。
通過施加熱和壓，或者通過超聲波焊接將該電極組件密封在具有所示最上層催化劑層124的殼內(nèi)。該殼材料局部熔融，被迫進(jìn)入多孔基層122內(nèi)，在區(qū)域126形成很強(qiáng)的粘結(jié)。同時(shí)，原本突出于包圍它的殼之上的導(dǎo)電聚合物熔融，被迫通過基層122與電極124接觸。如果該催化劑是多孔的，那么優(yōu)選迫使導(dǎo)電聚合物進(jìn)入該催化劑層，因此提高組件的電接觸和機(jī)械強(qiáng)度。
芯組件130位于第一電極124上。該芯組件是可壓縮的，并具有一個(gè)向下伸入電解質(zhì)容器的延伸部分(如虛線132所示)。由一個(gè)或者多個(gè)電極-在圖3中是兩個(gè)，即136和138-組成并位于第二多孔基層134上的第二電極組件接觸對(duì)側(cè)的芯。至少第二電極136由一個(gè)能夠在出現(xiàn)空氣和電解質(zhì)時(shí)能夠與信號(hào)氣體發(fā)生反應(yīng)的多孔催化劑層構(gòu)成。
通過施加熱和壓、超聲波焊接或前述相同的方式，將該第二電極組件密封于具有最下層催化劑層的殼上。該殼材料被迫進(jìn)入基層134，在區(qū)域140形成粘結(jié)，導(dǎo)電聚合物熔融并被浸漬在電解質(zhì)136和任何根據(jù)本發(fā)明的要求提供于共同基層上的其它電解質(zhì)中，并與它們電接觸。該第二密封和接觸方法主要描述于已經(jīng)授予申請(qǐng)人的美國專利US5914019中。最后利用熱密封、超聲波焊接等將殼帽144安裝在該殼102上。帽144提供了從外部經(jīng)多孔基層134和氣體分布空間148到電極136的通路，該通路受到擴(kuò)散隔膜146的限制，所示擴(kuò)散隔膜是毛細(xì)管形式的。該容器經(jīng)殼內(nèi)的注入塞(未示出)部分地充入電解質(zhì)(通常為硫酸)。
使用時(shí)，具有始于外部氣體通道的第二電極136用作檢測(cè)電極，第一電極124用作參考電極，或者在兩個(gè)電極組件中用作反電極。如果設(shè)置第三電極138，那么該電極用作反電極。
可以進(jìn)行各種變化，例如第一基層122上可以具有兩個(gè)電極，第二導(dǎo)電聚合物和針接點(diǎn)與它接觸，這些電極用作反電極和參考電極，該第二基層134上可以只有一個(gè)電極。
雖然所示接點(diǎn)114，116和118，120與組件邊緣的距離不同，但是它們也可以處于任何適合密封方法和工具加工的實(shí)際幾何形狀，例如它們可以成直線，一個(gè)挨著另一個(gè)的邊緣。此外，雖然所示密封表面126和140處于組件內(nèi)不同高度上，密封方法也已經(jīng)被描述為分兩個(gè)階段進(jìn)行，尤其如果采用非常薄的元件，那么這些表面可以處于相同的高度，可有選擇地開發(fā)利用元件的柔順性和柔韌性，以便同時(shí)進(jìn)行密封。
所示接點(diǎn)是通過將接觸針通過導(dǎo)電聚合物物質(zhì)聯(lián)結(jié)到電極上而形成的，或者也可以沒有接觸針，而由導(dǎo)電聚合物本身引導(dǎo)到組件外部，或者用導(dǎo)電聚合物共同模制為殼部分，或者可以在模制之后在殼上聯(lián)結(jié)一個(gè)獨(dú)立的元件。
本發(fā)明的另一種變型在于支撐元件108的設(shè)計(jì)。這種可能的變型包括一個(gè)壓縮在容器底部和膜122下側(cè)之間的柔性元件，還可以包括任選的另一些均勻支撐上面元件的片狀元件。
本發(fā)明中使用的層疊結(jié)構(gòu)減少了共同基層使用的面積，因此減少了組件的“足跡”；其次，在平面設(shè)計(jì)如US5914019中，必須采取措施防止信號(hào)氣體到達(dá)參考電極，這意味著氣體分布空間148的邊緣和參考電極之間的一些密封形式。該密封是造成不可靠性的原因，不要密封有很大的優(yōu)點(diǎn)。在芯另一側(cè)的參考電極的遠(yuǎn)離檢測(cè)電極，防止了信號(hào)氣體到達(dá)參考電極，因?yàn)?i)氣體不能夠很快通過芯擴(kuò)散及(ii)如果不是全部信號(hào)氣體，那么絕大多數(shù)氣體都可能將在檢測(cè)電極上以任何方式發(fā)生反應(yīng)。
對(duì)上述實(shí)施例可以進(jìn)行變化，但是都不超出本發(fā)明的保護(hù)范圍。例如，對(duì)于這里描述的傳感器，可以在膜上設(shè)置三個(gè)或更多個(gè)電極。這些附加電極可以產(chǎn)生測(cè)試氣體，因此這些傳感器具有自測(cè)能力。
權(quán)利要求
1.一種具有一個(gè)容納電解質(zhì)的容器的殼的氣體傳感器制造方法，該方法包括步驟用導(dǎo)電材料浸漬氣體多孔膜，使所述導(dǎo)電材料確定膜第一表面的電接點(diǎn)和膜第二表面的電極之間的電通路，設(shè)置膜密封該容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括步驟將芯吸(wicking)裝置(21)連接到電極(14，16)。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中芯吸裝置(21)壓靠或燒結(jié)在電極(14，16)上。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中芯吸裝置(21)在300-370℃的溫度下燒結(jié)到電極(14，16)上。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中芯吸裝置(21)在320-370℃的溫度下燒結(jié)到電極(14，16)上。
6.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中導(dǎo)電材料(26)經(jīng)該芯吸裝置(21)引入基層(18)內(nèi)。
7.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中導(dǎo)電材料(26)經(jīng)電極(14，16)引入基層(18)內(nèi)。
8.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中導(dǎo)電材料(26)經(jīng)外部連接裝置(28a，b)引入基層(18)內(nèi)。
9.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中導(dǎo)電材料(26)經(jīng)基層(18)引入基層(18)內(nèi)。
10.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中處于熔融狀態(tài)的導(dǎo)電材料(26)被引入基層(18)內(nèi)。
11.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中電極(14，16)和/或外部連接裝置(28a，b)通過(a)絲網(wǎng)印刷，(b)在選定區(qū)域內(nèi)從放置在該基層上的懸浮物中過濾，(c)噴涂，或(d)燒結(jié)而形成在基層(18)上。
12.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中電極(14，16)形成在外部連接裝置(28a，b)對(duì)側(cè)的基層(18)表面上。
13.如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)所述的方法，其中電極(14，16)形成在與外部連接裝置(28a，b)相同的基層(18)表面上。
14.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中基層(18)和殼(12a，b)使用粘合劑連結(jié)在一起。
15.如權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)所述的方法，其中基層(18)和殼(12a，b)使用熱和/或壓方法聯(lián)結(jié)在一起，因此形成殼的材料熔融并浸漬該基層，在它們之間形成了很強(qiáng)的聯(lián)結(jié)。
16.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中降低基層(18)中至少一個(gè)區(qū)域的氣體滲透性，以便限制到達(dá)一個(gè)電極的氣體量。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中通過a)壓縮該區(qū)域，b)用蠟浸漬該(這些)區(qū)域，c)用聚合物浸漬該(這些區(qū)域)，或者通過步驟a)-c)的任意組合來降低基層(18)上至少一個(gè)區(qū)域的氣體滲透性。
18.一種氣體傳感器包括形成在一個(gè)平面基層上的至少第一和第二電極；一個(gè)具有用于容納接觸第一和第二電極的液態(tài)電解質(zhì)的容器的殼；一個(gè)從該氣體傳感器外部電連接的電接點(diǎn)；及一種設(shè)置在電極和該外部電接點(diǎn)之間的導(dǎo)電材料，其中至少靠近它的一部分電極和一部分基層浸漬有導(dǎo)電材料，該材料形成一個(gè)連接至少一個(gè)電極和該外部電接點(diǎn)的通過該膜的電通路。
19.如權(quán)利要求18的氣體傳感器，其中電極(14，16)和/或外部連接裝置(28a，b)由含有催化劑材料的多孔導(dǎo)電材料制成。
20.如權(quán)利要求18和19的氣體傳感器，其中第一電極(14)是在電解質(zhì)(30)和待測(cè)氣體之間產(chǎn)生所需電化學(xué)反應(yīng)的檢測(cè)電極。
21.如權(quán)利要求18-20任一項(xiàng)的氣體傳感器，其中第二電極(16)是與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的反電極。
22.如權(quán)利要求18-21任一項(xiàng)的氣體傳感器，其中進(jìn)一步包括一個(gè)參考電極。
23.如權(quán)利要求18-22任一項(xiàng)的氣體傳感器，其中進(jìn)一步包括一個(gè)氣體發(fā)生電極。
24.如權(quán)利要求18-23任一項(xiàng)的氣體傳感器，其中該導(dǎo)電物質(zhì)(26)包括聚合物電解質(zhì)。
25.如權(quán)利要求24的氣體傳感器，其中該導(dǎo)電物質(zhì)(26)是插頭、針或其它形狀的元件，適合于形成電極(14，16)和外部連接裝置(28a，b)之間的電通路。
26.如權(quán)利要求18-25中任一項(xiàng)的氣體傳感器，其中外部連接裝置(28a，b)包括聚合物電解質(zhì)。
27.如權(quán)利要求18-25中任一項(xiàng)的氣體傳感器，其中外部連接裝置(28a，b)是連接到基層(18)的金屬條或線。
28.如權(quán)利要求18-27中任一項(xiàng)的氣體傳感器，其中進(jìn)一步包括一個(gè)芯吸裝置(21)，該芯吸裝置設(shè)置成在使用時(shí)與電解質(zhì)(30)和電極(14，16)都接觸，從而用電解質(zhì)潤濕這些電極。
29.如權(quán)利要求18-28中任一項(xiàng)的氣體傳感器，其中該芯吸裝置(21)至少有一個(gè)孔，聚合物電解質(zhì)(26)可以通過該孔引入。
30.一種基本參照附圖描述的氣體傳感器。
31.一種形成跨過具有第一和第二主要表面的微孔膜的電通路的方法；該膜使用時(shí)不滲透液體，而滲透氣體，該方法包括步驟保持足夠的熱量來熔融導(dǎo)電材料；通過在這些表面之間建立壓差，迫使熔融的導(dǎo)電材料通過膜第一表面上的孔；控制熱量和壓差，直到導(dǎo)電材料出現(xiàn)于第二表面；及使該材料冷卻，形成一條從第一到第二表面的連續(xù)電通路，同時(shí)保持膜的液體不滲透性和氣體滲透性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器及其制造方法。電化學(xué)氣體傳感器通常包括一個(gè)外殼,該外殼用作電解質(zhì)的容器;一個(gè)保持電極被電解質(zhì)潤濕的芯和數(shù)個(gè)外部電端子,用來與這些電極電接觸。通常使用一種氣體滲透/微孔膜密封氣體傳感器,以便防止電解質(zhì)泄漏。現(xiàn)有傳感器的一個(gè)問題是在電連接件通過的區(qū)域周圍電解質(zhì)可能通過膜泄漏。本發(fā)明通過提供一種在熱和壓的受控條件下迫使導(dǎo)電聚合物通過膜的方法,從而在確定一條電/導(dǎo)電通路的同時(shí)保證膜的完整性,從而克服了上述缺陷。
文檔編號(hào)G01N27/416GK1376266SQ0081325
公開日2002年10月23日 申請(qǐng)日期2000年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月24日
發(fā)明者約翰·R·道奇森, 馬爾科姆·T·奧斯汀 申請(qǐng)人:研究中心實(shí)驗(yàn)室(有限)