CN104634835A - 使用内部安装台支撑电极堆栈和为气体传感器提供通风 - Google Patents

Abstract

本发明公开了使用内部安装台支撑电极堆栈和为气体传感器提供通风。传感器具有传感器外壳或本体、位于所述传感器外壳中的塑料模制台以及承载在所述台的第一端上的对电极。

Description

使用内部安装台支撑电极堆栈和为气体传感器提供通风

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年11月6日提交的发明名称为“使用内部安装台支撑电极堆栈和为气体传感器提供通风（Support for Electrode Stack & Provision for Venting of a Gas Sensor Using an Internally Mounted Table）”的第61/900,669号美国临时申请的申请日的利益。第61/900,669号申请通过引用并入本文中。

技术领域

本申请涉及电化学氧气传感器。更明确地说，本申请涉及这样的传感器，它们具有支撑装配在内部的台的外壳，所述台支撑电极堆栈组件。此外，本申请涉及Aclar?作为电化学气体传感器中的阻隔材料的用途。

背景技术

氧气泵传感器需要通风孔以便运作，其中在感测电极处消耗氧气而在对电极处产生氧气。因此，在对电极放置在电极堆栈的基底处时，需要通向外部大气的连接件以便将所产生的氧气从传感器内部排出。向堆栈基底处的对电极提供通风的一种方法是延长模制管以达到电极（例如，City Technology、ECO-OX）。

氧气泵传感器内的电极堆栈还需要适当的物理支撑以维持一致的堆栈压缩。电极堆栈的压缩方便了与集流器的电接触，且确保电解液充分地传递到堆栈内的分隔件。

附图说明

图1是根据本文的传感器的分解图。

图2A是支撑台的放大侧视图。

图2B是示出了电极堆栈和支撑台的放大截面图。

图3是组装流程图。

图4A是支撑台的放大侧视截面图。

图4B是通风管的另一放大侧视截面图。

图5是另一传感器的分解图。

图6是另一传感器的分解图。

图7是支撑台的放大图。

图8是本体的放大图。

图9是本体的横截面的放大图。

图10是气体传感器的通风部件的放大图。

具体实施方式

虽然所公开的实施例可以采用许多不同形式，但是其特定实施例示出于附图中且将在本文中进行详细描述，要理解本公开将被视为本发明的原理的例示以及实践本发明的最好模式且不打算将本发明的权利要求书限于所示出的特定实施例。

本发明的主题提供了具有两件式模制件的传感器，包括含有接线销和基底中的进气口或孔的现有主体以及装配在内部的“台”，所述台支撑电极堆栈组件。所述台具有中空的中央支腿，所述支腿用环氧树脂密封到传感器本体中，环氧树脂的主要目的是防止电解液经由所插入的接线销流出。环氧树脂的另一个目的是防止销的腐蚀，销的腐蚀可能会产生电流且将最终使泄漏更有可能发生。环氧树脂还用以将台支腿保持在适当位置。台的中空中央支腿还支撑组装在其顶部上的电极堆栈。此设计的一个有用方面是PTFE对电极带（counter tape）的使用促进了传感器内部压力与传感器外部的大气压力的快速均衡，极大地降低了传感器“出现差错”的可能性。本领域的技术人员将理解如何选择此类带的等级。

“台”是注射模制物品。模制传感器最初具有焊接到接线销顶部的至少一个集流器或线。接着将环氧树脂施配到传感器本体的基底中，覆盖住传感器的内基底和接线销的顶部。进气口是基底中央的突出部且置于环氧树脂的高度以上，使得环氧树脂在固化期间不会从传感器本体模制件漏出且确保环氧树脂不会进入通风孔并堵住所述孔。

接着在环氧树脂固化之前将台添加到此环氧树脂。台置于模制件的基底中央的突出部之上，且允许环氧树脂固化。环氧树脂是放热的，但通过将环氧树脂传递经过烘炉来缩减固化时间。这还促进了环氧树脂粘性的降低，这样确保它在台支腿四周流动且将台支腿密封在适当位置。

较低的粘性还确保台恰当地安置到传感器本体模制件的底板上，但是台与传感器本体突出部的紧密配合也促进了确实的、一致的定位。这样，已产生了从传感器本体的外基底一直到电极堆栈底部的气体通路，所述电极堆栈位于传感器本体的顶部处。

在一个实施例中，所述传感器包括：本体，所述本体具有连接到至少一个集流器的至少一个接线销、以及进气口；台，所述台具有与所述本体的所述进气口对准的进气口、置于所述本体上的靠近所述至少一个接线销的至少一条支腿；通风膜片，所述通风膜片承载在所述台上；对电极，所述对电极承载在所述通风膜片上；参比电极，所述参比电极与所述对电极通信但通过至少一个垫圈或垫与所述对电极分隔；感测电极，所述感测电极与所述参比电极通信但通过至少一个垫圈或垫与所述参比电极分隔；以及在所述感测电极顶部上的罩，所述罩附接到所述本体且形成密封以容纳被封入的电解液。

在另一实施例中，传感器包括外壳、至少两个电极、电解液和至少一个分隔件，其中所述至少一个分隔件包含聚三氟氯乙烯。

在又一实施例中，传感器包括：电极堆栈，所述电极堆栈至少包含感测电极和对电极；所述电极间的电解液；台，所述台承载所述电极堆栈；外壳，所述外壳承载所述电解液和所述台，其中所述台提供了将所述堆栈的所选区域连接到所述外壳的外表面的通风路线。

在再一实施例中，传感器包括外壳、至少两个电极、电解液和与通向外部大气的通风孔连通的通风膜片。

附图示出了本发明的实施例的多个方面。图1示出了根据本发明的传感器的分解图。图2A、图2B示出了用环氧树脂封到传感器本体壳套中的支撑台的细节。图3示出了传感器组装过程。图4A、图4B示出了支撑台的额外方面。图5示出了另一传感器的分解图。图6示出了又一传感器的分解图。图7是支撑台的放大图。图8是本体的放大图。图9是本体的横截面的放大图。图10是气体传感器的通风部件的放大图。

图5涉及氧气传感器10的一个实施例的一般组件。从传感器10的下端开始，存在本体40，所述本体可由塑料或任何惰性材料模制成。本体40具有至少一个接线销42，所述接线销具有连接到接线销42顶部的铂集流器(未图示)。所述至少一个集流器沿本体的内壁延伸。在一个实施例中，本体具有三个接线销，对应数目的集流器附接到所述接线销。本体40可任选地在外表面上具有标签。本体40上有进气口或孔(未图示)，气体可以进入并穿过所述进气口或孔。本体的进气口可以是中空突出部。本体40具有可容纳电解液38的凹穴，可以经由出入孔来添加电解液，在添加完电解液38之后对所述出入孔热封。

支撑台46附接到本体40，所述支撑台具有与本体的进气口对准的进气口以及附接到本体的外周的三条支腿，其中所述支腿位于本体的接线销附近。台的进气口可以是与其他台支腿在台的同一侧的中央中空支腿。本体中央中的凸起的突出部进口可卡接到台的中央中空支腿中。在一个实施例中，氧气传感器10具有三个集流器，且台46具有三条支腿。台的外周支腿在支脚的底部处具有切除部段，其中集流器可以从下方行进以接触本体的内壁。将环氧树脂(未图示)施配到销42的顶部上，致使在销42周围形成密封件，使得电解液38在这些部件周围不能泄漏。环氧树脂还流动到台46的支腿与本体40之间可能存在的任何可能间隙中。

碳布圆盘36位于台46的顶面上。可通过粘合剂将碳布圆盘36固定到台46的顶面。任选地，台46的顶部可含有用于搁置圆盘36的凹口。在碳布圆盘36的顶部上有通风膜片34，所述通风膜片可由聚四氟乙烯(PTFE)制成。通风膜片34具有沿膜片34的外周从膜片34的底部突出的至少一个翼片。虽然示出了两个翼片，但是可存在多于或少于两个的翼片。可将通风膜片34热封在碳布圆盘36上面以防止电解液38泄漏。对电极32放置于通风膜片34上方，所述对电极置于PTFE带48的一部段之上。通风膜片34与PTFE带48的上面搁置了对电极32的该部段紧密接触。通过PTFE带部段与通风膜片34两者上的翼片来实现传感器10内的气压的均衡。PTFE带48是可透气的。垫50位于对电极32的顶部上。所述垫可由玻璃纤维制成。垫50可任选地具有沿其直径从其底面突出的翼片。垫圈分隔件30位于垫50的顶部上。垫圈分隔件30可由玻璃纤维制成。

在垫圈分隔件30的顶部上或在垫圈分隔件30的开口内存在气体阻隔件12。气体阻隔件12可由聚三氟氯乙烯(PCTFE)制成，如在Aclar?膜或Hydroblock?膜中。Aclar?膜可用作许多气体传感器装置中的气体阻隔件。参比电极52位于气体阻隔件12的顶部上。在参比电极52的顶部上增添分隔件14。气体阻隔件54放置于分隔件14的顶部上。气体阻隔件54可由PCTFE制成，如在Aclar?膜或Hydroblock?膜中。任选地，气体阻隔件54的形状可为正方形以确保其上方的分隔件将保持湿润且仍被允许进行电化学连通。气体阻隔件54上方有另一分隔件16，所述分隔件可由玻璃纤维制成。可由玻璃纤维制成的垫圈分隔件56位于分隔件16的顶部上。感测电极18位于垫圈分隔件56的顶部上。扩散器28位于感测电极18的顶部上。扩散器28放置于罩20底下的凹口中。将感测电极热封到罩20上的适当位置，所述罩还用以防止电解液38泄漏。在组装完这些部件之后，将罩20放置到本体40上并密封。在一个实施例中，可以通过超声波焊接来实现密封。将粘合环26放置于罩20的表面上，所述粘合环环绕位于罩20中央的毛细管。将块体流组件22增添到粘合环26的顶部上。可将网状外盖24增添到块体流组件22的顶部。虚线表示集流器，所述集流器沿本体40的壁在部件的堆栈内部往上延伸。

图6涉及氧气传感器10的一个实施例的一般组件。从传感器10的下端开始，存在本体40，它可由塑料或任何惰性材料模制成。本体40具有至少一个接线销42，所述接线销具有附接到接线销42顶部的铂集流器(未图示)。所述至少一个集流器沿本体的内壁延伸。在一个实施例中，本体具有三个接线销，对应数目的集流器附接到所述接线销。本体40可任选地在外表面上具有标签。本体40上有进气口或孔(未图示)，气体可以进入并行进穿过所述进气口或孔。本体的进气口可以是中空突出部。本体40具有可容纳电解液38的凹穴，可以经由出入孔来添加电解液，在添加完电解液38之后对所述出入孔热封。

台46附接在本体40的顶部上，所述台具有与本体的进气口对准的进气口以及附接到本体的外周的至少一条支腿，其中所述支腿位于接线销附近。台的进气口可以是与其他支腿在台的同一侧的中央中空支腿。本体中央中的凸起的突出部进口可卡接到台的中央中空支腿中。在一个实施例中，氧气传感器10具有三个集流器，且台46对应地具有附接到本体的外周的三条支腿。台的外周支腿在支脚的底部处具有切除部段，其中集流器可以从下方行进以接触本体的内壁。将环氧树脂(未图示)施配到销42的顶部上，致使在销42周围形成密封件，使得电解液38在这些部件周围不能泄漏。环氧树脂还流动到台46的支腿与本体40之间可能存在的任何可能间隙中。

碳布圆盘36位于台46的顶面上。可通过粘合剂将碳布圆盘36固定到台46的顶面。任选地，台46的顶部可含有用于搁置圆盘36的凹口。在碳圆盘的顶部上有对电极32，所述对电极置于PTFE带48的一部段之上。所述带具有沿外周从底部突出的至少一个翼片。通过PTFE带部段48上的翼片来实现传感器10内的气压的均衡，所述PTFE带部段是可透气的。垫50位于对电极32的顶部上。所述垫可由玻璃纤维制成。有气体阻隔件12位于垫50的顶部上。气体阻隔件12可由聚三氟氯乙烯(PCTFE)制成，如在Aclar?膜或Hydroblock?膜中。参比电极52位于气体阻隔件12的顶部上。在参比电极52的顶部上增添垫圈30。分隔件14放置于垫圈30的顶部上。气体阻隔件54放置于分隔件14的顶部上。气体阻隔件54可由PCTFE制成，如在Aclar?膜或Hydroblock?膜中。任选地，气体阻隔件54的形状可为正方形以确保其上方的分隔件将保持湿润且仍被允许进行电化学连通。气体阻隔件54上方有另一分隔件16，所述分隔件可由玻璃纤维制成。可由玻璃纤维制成的垫圈分隔件56位于分隔件16的顶部上。感测电极18位于垫圈分隔件56的顶部上。扩散器28位于感测电极18的顶部上。扩散器28放置于罩20底下的凹口中。将感测电极热封到罩20上的适当位置，所述罩还用以防止电解液38泄漏。在组装完这些部件之后，将罩20放置到本体40上并密封。在一个实施例中，可以通过超声波焊接来实现密封。将粘合环26放置于罩20的表面上，所述粘合环环绕位于罩20中央的毛细管。将块体流组件22增添到粘合环26的顶部上。可将网状外盖24增添到块体流组件22的顶部。图中的虚线表示集流器(未图示)，所述集流器沿本体40的壁在部件的堆栈内部往上延伸。

已知电化学气体传感器在外壳内容纳有大容积的内部“空闲空间”，所述空间在传感器的大部分操作寿命内充满空气。由于传感器外壳通常被密封以防止电解液漏出，因此空气保持截留在传感器内且如“气体定律”所描述空气可能会受局部环境条件(具体来说是温度和压力)的改变所影响。传感器中与传感器外的大气之间的压力差可能会破坏装置的性能。本气体传感器提供了将内部与外部大气连通的路线，如本文中通过从电极堆栈经支撑台到外部通风孔的路径所例示。此路径提供足够低的流动阻力以确保在所有操作条件下压力都能快速地均衡。此外，传感器内需要通风的所有空间都紧密地连通，要注意它们的位置可能会受传感器取向和例如振动和冲击等外力所影响。在惰性的多孔聚合物(例如，聚丙烯或PTFE)用作通风孔时，这可能会成问题，因为借助热焊接或压缩(例如，使用“O形”环)实现的密封可能会严重地限制材料孔隙率。本气体传感器结合了多孔通风部件且将它密封到壳套，但密封机构没有严重地影响通风功能性。

本气体传感器的通风部件(图10)采用具有不同材料特性以分离所述功能性的不同方面的两条PTFE带。使用如图6中的PTFE带48的部段所示的“翼片式/带翼的”部件几何形状，高进水压力(WIP) PTFE可实现稳固的密封且低WIP PTFE可实现良好的侧向通风，所述侧向通风可接近传感器壳套内的许多气窝。将高WIP PTFE带的圆盘热封到通风孔上且允许足够的空气流过(垂直于薄片平面)它以防止不想要的在内部与外部环境之间的高压力差。接着铺上低WIP、高孔隙率的PTFE带且使所述带保持与高WIP PTFE带的圆盘紧密接触，使得低WIP、高孔隙率的PTFE内的气流的侧向(在薄片平面中)扩散速率足够高以在内部与外部环境之间有效地进行通风。低WIP、高孔隙率的PTFE还与沉积到其表面上的电极相容。

可使用由GORE?制造的6千天然级（grade 6 thou natural）结实的、高WIP多孔PTFE带或Mupor高WIP来提供密封。先前已论证了此材料的通风能力，并且重要的是，它形成了对外壳中使用的Noryl?工程塑料的稳固密封且足够结实以便在制造过程中进行处置。Mupor PTFE带(PM17Y级)可用作对电极带。

从前文中，将观察到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可实现众多变化和修改。将理解，不欲或不应推断出关于本文中所示的特定设备的限制。当然，所附权利要求书打算涵盖落在权利要求书的范围内的所有此类修改。

另外，附图中所描绘的逻辑流程不需要按照所示的特定次序或先后顺序也可实现所希望的结果。可提供其他步骤，或可以从所描述的流程中去除多个步骤，且可以向所描述的实施例增添其他部件或从所描述的实施例中移除其他部件。

Claims (15)

1. 一种传感器，包括：

本体，所述本体包括连接到至少一个集流器的至少一个接线销以及进气口；

台，所述台具有与所述本体的所述进气口对准的进气口以及置于所述本体上的靠近所述至少一个接线销的至少一条支腿；

通风膜片，所述通风膜片被承载在所述台上；

对电极，所述对电极被承载在所述通风膜片上；

参比电极，所述参比电极与所述对电极通信但通过至少一个垫圈或垫与所述对电极分隔；

感测电极，所述感测电极与所述参比电极通信但通过至少一个垫圈或垫与所述参比电极分隔；以及

在所述感测电极的顶部上的罩，所述罩附接到所述本体且形成密封件以容纳被封入的电解液。

2. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述台与所述通风膜片之间的碳布。

3. 根据权利要求1所述的传感器，其中，所述通风膜片包含聚四氟乙烯。

4. 根据权利要求1所述的传感器，其中，所述对电极置于聚四氟乙烯带的一部段上。

5. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述对电极与所述参比电极之间的所述垫的顶部上的垫圈分隔件。

6. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述对电极与所述参比电极之间的所述垫圈分隔件的顶部上的气体阻隔件。

7. 根据权利要求6所述的传感器，其中，所述气体阻隔件包含聚三氟氯乙烯。

8. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述参比电极与所述感测电极之间的分隔件，其中，所述分隔件位于所述参比电极的顶部上。

9. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述参比电极与所述感测电极之间的气体阻隔件，其中，所述气体阻隔件位于所述分隔件的顶部上。

10. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述参比电极与所述感测电极之间的分隔件，其中，所述分隔件位于所述气体阻隔件的顶部上。

11. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述参比电极与所述感测电极之间的垫圈分隔件，其中，所述垫圈分隔件位于所述分隔件的顶部上。

12. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述感测电极的顶部上的扩散器。

13. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述参比电极与所述感测电极之间的分隔件，其中，所述分隔件位于所述气体阻隔件的顶部上且在所述罩下方。

14. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括在所述罩的表面上的粘合环。

15. 根据权利要求1所述的传感器，进一步包括块体流组件，所述块体流组件位于所述粘合环的顶部上。