CN1050197C - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

一种具有少量元件并且制造费用低的电化学气体传感器包括：在基板(20)上形如多孔平面元件的电极(22，24)，基板是多孔的以容许气体从气体传感器外部渗入电极中，外部电接头(10)安装在壳体(4)的周边上，其中：在电接头区域内，电极、基板和壳体受到热压焊作用以使电接头与电极保持相互间的电气连接，同时阻塞电极的孔隙以防止电解液通过电极渗透至电气连接。

Description

气体传感器
本发明涉及使用电化学电解槽(electrochemical cell)的气体传感器。
用来感应大气中可氧化或可还原气体(如一氧化碳)的电化学气体传感器通常含有一个感应或工作电极，一个反电极和一个入口(通常是一个扩散阻层)以容许大气渗到感应电极中。上述两个电极均与电解液触接，因而一方面在感应电极上与被检气体产生电化学反应，另一方面在反电极上与大气、电解液或其它气源中的氧气产生电化学反应。电流通过溶液由反应中产生的离子和外电路中的电子传导，电流值代表气体浓度。基准电极可与一恒势电路一起配用以保持感应电极和传感电解液间的电势能从而提高工作稳定性。
关于传感器的物理结构，它通常包括：起着电解液池作用的外壳体，用来保持电解液与电极触接的油心或多孔材料，以及实现电极间电气连接的外电接头。
如同美国专利号US-A-4,406,770中披露的一样，现有发明的传感元件中的大部分元件均采用一种堆积式电极结构，使电极通过来自O形压缩密封环的压力与油心保持密接。这种结构的缺点在于；需要大量的元件作为电极触点以分隔电极并为电解液从电解液池到电极提供油心通路。这样便导致组装时间长，成本高。第二个缺点在于：密封会随着时间而减弱，从而导致电解液泄漏和电解槽(cell)失效。如同专利DE-A-3 324 682中披露的那样，可以通过把元件密封在一起来避免上述第二个缺点，其中，堆积式电极通过热压焊过程而固持在中心基体上的位置中。US-A-4,406,770和DE-A-3,324,682中的电解槽类型均使用金属带电极触头，由于电解液的腐蚀作用，金属带电极触头需使用铂等贵金属材料，从而使电解槽材料的成本大大增加。
EP-A-0 461 449中披露了一种用来防止气体传感器中电解液泄漏的结构，其中，银制支承体与中心环形电解液池一起构造而成，支承体的窄上部区域含有导向深覆在支承体顶面上的金电极层的孔。涂层与支承体粘接而形成涂层和支承体之间的侧面方向上形成了一层不可渗透的粘接区域以防止电解液渗透出金电极。一个外接头连接到金电极层的一边。尽管这种结构可以防止电解液泄漏，但只适用于上述材料，同时该专利中没有披露出通用性的方法和结构。
US-A-5 183 550中披露了一种气体传感器，其中传感电极、反电极和基准电极均配置在同一陶瓷基板上的同一平面内，触头从电极延出到基板的另一表面以实现电气连接。但是，这种传感器仍然含有许多元件，并且制造工序相当复杂，从而也使制造成本增加。本发明简要说明
本发明的目的就是减少现有结构的气体传感器中的元件数量和组装复杂程度，避免使用贵重铂金属触头以降低制造成本。
本发明提供的一种气体传感器包括：
一个基板，构造在基板上并形如平面元件的至少第一和第二电极，并且基板至少在邻近第一电极的区域内是多孔的以容许气体从气体传感器外部渗到电极中；
一个含有用来与电极触接的电解液池的壳体；
安装在壳体内或壳体上外电接头装置以实现与至少第一电极的外部电气连接，
其特征在于：基板和壳体在周向区域内被粘接在一起，第一电极的一部分通过上述周向区域延展到邻近接头装置的位置处，上述粘接区用来保持接头装置与第一电极间的彼此电气连接，上述电极是一种多孔材料，并且上述电极部分在周向区域内被加以处理以阻塞孔隙以防止电解液通过电极渗透到电气连接区域。
另一方面，本发明提供一种组装气体传感器的方法，该方法包括：
1)提供含有用来容纳电解液池的壳体，并且壳体与电接头装置配接，
2)在基板上提供至少第一第二电极元件，该电极对于电解液来说是多孔的；
3)使基板相对于壳体定位，从而第一电极的一部分与上述电接头装置在周边区域内邻接，以及
4)把基板粘接在壳体的周边区域上，从而第一电极与电接头装置实现电气连接，并在周边区域内，电极的孔隙被阻塞以防止电解液渗透到电气连接中。
尽管可以用粘接方法来粘接基板并密封电极，或使用一种可施加所需压缩力的机械机构(如扣接件)，但最好采用热和/或压密封过程来把基板粘接到壳体上并对电极进行压缩和密封；这样做的优点还在于可以使电极结构与壳体材料渗接，从而对电气连接区域内的电极加以合理密封。
因此，按照本发明所述，提供了一种特别简单、可靠有效的结构来把气体传感器电极与外部区域连接起来，避免了贵重铂金属的使用，此外，基板被同时粘接在壳体上，因而在单一组装过程中，电气连接即可实现并且壳体被密封在接口上。
第一电极通常为工作或感应电极，用来在电解液和所检测的流入气体之间产生所需的电化学反应。第二电极通常为反电极，用来完成与氧气的相对应的电化学反应并在电极之间通过电解液产生所需的离子流和电子流。第二电极最好以与第一电极相同的方式连接到外电接头上，其中在保持电气连接的同时，电极孔隙被加以阻塞。
在一个优选结构中，壳体分为两个部分，即含有电解液池的基体部件和盖板部件。基板和电极粘接到基体部件上，利用热压法把壳体的基体部件与基板相密接同时对基板的电极压挤，从而导致壳体材料向电极孔隙中流动；这样便可以阻塞电解液通过电极产生的流动。安装在基体部件上的电接头实现与被压挤电极内的电气连接。在另一优选结构中，基板构成了壳体的上部从而可以省去盖板部件。基板上含有选定的孔隙区以允许大气渗透到壳体中。
在优选结构中，一定量的媒介导电聚合物被置于电极的电接头之间，从而当加热加压时，导电聚合物本身便环绕电接头基体模制并渗入电极材料中，由此可实现稳定可靠的电气联接。电接头的端部最好配置在凹槽中并且凹槽中充填满了导电聚合物。基板最好是多孔且柔性的，从而可与密封过程相匹配。
电极最好由含有聚四氟乙烯(PTFE)或类似聚合剂或触媒(Catalyst)优选颗粒的多孔导电材料以及可选附加触媒支承材料和提高导电性的材料制成。
电极可以通过如网板印刷。在所选区域内从置于基板上的悬浮液中滤制、或通过喷涂或其它任何可用来生产固体材料有序沉积的方法沉积在基板上。可以有单层材料沉积或多层材料沉积，从而可以在厚度方向上改变电极材料的性能，或者在气体反应主层的上或下部增加第二层导电性更高的材料。
基板材料最好为多孔的，使气体可通过基板传至电极但可阻止电解液穿透。在基板的一种结构中，基板是高度多孔的，并且对通过气体扩散没有阻碍，即电解槽响应的扩散限制是由一个分立的扩散阻层提供的。在基板的另一种结构中，基板本身是一个扩散阻层，不再需要分立的阻层材料。
电极和基板组件最好与壳体的上表面密接，该密封方法在电极材料区域和用于每一电极的触头导体间的导电接触同时把基板和电极材料的余下区域与壳体相封接形成，可以防止电解液的渗透的密封。尽管可以选用粘接密封，但最好通过对塑性壳体实行热压法来构成密封。
塑性壳体材料的熔点比基板材料熔点低，当通过基板对壳体加热加压时，壳体材料向上受力并浸入基板中而形成一个稳固的连接。如果必要的话，在壳体材料固化前使该连接在加压状态下冷却以防止产生松驰。同时，电极材料环绕触点导体变形并形成紧密共形接触，从而电阻低并且高效地阻止电解液泄漏。电极材料是复合材料，可以做到这一点。此外，如果使用导电聚合复合物(Composite)中内层。那么在密封过程中，如同前述，复合物将环绕触点导体和电极材料流动并且能够渗入电极材料中。本传感元件壳体的设计特点就在于：复合物流动的凹槽具有使上述状态产生的最佳结构。
位于塑性壳体中的外接头装置或触头导体可以有选择地先用一层具有聚合复合物的导电碳覆盖，然后再把电极基板组件密接在壳体上。在密封过程中，复合物流动并覆盖触点导体，从而与电极材料形成一个紧密的共形触接，或渗入到电极材料中。这样可以提高触点可靠性，同时可以提高其防止电解液沿接触路径缓慢虹吸产生的泄漏的能力，而这一问题在以前结构中普遍存在。如果使用金属导体，那么聚合复合物涂层便非常有利于防止由于电解液虹吸泄漏过电极材料引起的腐蚀。这样就允许使用非贵重的金属材料。
在电极基板不限制扩散的结构中，含有限制气体扩散到感应电极结构的盖板被配置在电极组件上不带有电极的那一侧的上方。扩散限制装置可以是一个或多个毛细管，一个多孔膜片，或两者的组合，盖板阻止气体流近除感应电极之外的电极。如果基板本身是一个扩散阻层，那么盖板只阻止气体流近除感应电极之外的电极。另一方面，通过对基板处理以消除在这些电极上面区域中的可渗透性，也可以阻气体接近，从而可以省去盖板。
通过沉积更多电极或增加更多的电解槽元件，本结构设计适用于在同一基板上制造一个以上的传感器，或者用来构造具有多个传感电极和其它普通零件的传感元件，或在同一基板上构造一个以上的分立传感元件，而该基板可合适地形成壳体和油心元件。
附图说明
下面参照附图对本发明的优选实施例加以说明，附图中：
图1为表示本发明第一实施例的示意图；
图2为表示第一实施例的沿图1的线2-2剖开的平面示意图；
图3为表示本发明第二实施例的示意图。
图1和图2示出的电化学气体传感器2包括一个由两个部分组成的壳体：即基体部件4，该部件4为带有空心内部6的圆柱形，空心内部构成了一个电解池；和一个盘形盖板部件8。由镍或镀锡铜制成的三个电接头10上含有端头14，端头14置于基体部件4上部的凹槽16内，凹槽16的平面图为矩形，截面图为阶梯形，从而在凹槽16上部具有加宽部分18。
一个盘状多孔柔性基板20配置在基体部件4的上表面上。由导电的在聚四氟乙烯粘接剂中的触媒颗粒混合物构成的由图2所示的扇形第一、第二、第三电极22，24，25通过网板印刷或过滤沉淀配置在基板的下表面上，一定量的导电聚合物/碳混合物26置于凹槽16中并覆盖各个接头14。
盖板部件8含有通往凹形集流腔30的钻出来的通孔28以使空气通过孔28扩散，从而经由集流腔30通过基板20扩散到电极22上。
电解凹槽或池6中的电解质通过由多孔带部件构成的油心31与电极22，24，25触接，并通过U形、塑料弹簧部件32保持与所有三个电极相触接。电解池的底部由含有减压孔36的基底部件34闭合，而孔36由多孔膜片38封闭。
为了对图1和图2中所示的结构进行组装，电接头10由导电混合物26定位在基体部件4中，而混合物26定位端头14的凹槽16中。在另一种组装方法中，可以把混合物26涂敷在凹槽内，也可以在电接头插入基体之前涂敷在电接头上。
组装的下一个步骤是：把基板定位在圆柱形基体部件4的上部。通过压挤工具(未示出)在区域A内加压加热，从而把基板和电极压挤在上塑性而和导电混合物26上；即把组件粘接在一起，因此使基板被可靠地固定在壳体的上部。区域A中电极的基板的紧缩并透到塑性壳体的多孔材料和导电混合物26中使得基板和电极被可靠密封以防止电解液浸入电气连接区。同时，塑性混合物26是绕着电接头端部模制的，从而在接触头和电极之间保证良好的电气连接。
其次，利用粘接剂把盖板部件8粘接在基板上部。然后把油心31置入电解池腔6中并利用U形弹簧32定位。再把电解液加到电解池中并通过超声粘接对底部盖板部件34加以密封定位。
在图1和图2所示的传感器的工作过程中，空气通过孔28渗入到集流腔30中。这些孔28对流入腔中的空气加以衰减并构成了一个扩散阻层以控制气体流入率。气体通过本实施例中并不构成基本扩散阻层的基板流入与电极22接触。电极22是一个检测电极，用来对大气中的目标气体进行检测，同时是一个触媒使目标气体与电解液中的水反应以产生在溶液中的离子和电子。在其对应电极24处，电解液中的氧气与检测电极释放出的离子反应以构成电路。由电化学反应产生的电压加在电接头10上，并且流过与电接头10连接的外电路中的合成电流就是目标气体浓度的度量。此外，电极25是一个与外部恒电势电路连接的基准电极，用来把电解槽(cell)调节到所需的电压值。
图3表示了本发明的第二实施例，由图3可见，与图1中相同的部件均以相同参考标号表示。在该实施例中，不同点是显而易见的。首先，接触端头14是这样安装的，即端头14凸出基体部件4的上表面之外。基板20的上表面含有一个气体防渗层40，从而使气体只能渗入电极22上方的中心区域42。在本实施例中不存在基体的上盖板部件。基板20具有一个低的、但可控的扩散渗透率从而对流入气体构成扩散阻层并对气体的渗透率提供精确控制。对于整个基板，渗透率可以是相同的，或在区域42内变化的，例如，通过压挤或浸渗具有较高渗透率的基板使该渗透率减小。
在图3的实施例中，基板和电极通过参照图1所述的相应过程被密接在壳体的上表面上。但是，在该实施例中，电极22、24绕着接触端头14模制并构成直接电气连接。
在本实施例中，在电解池腔6内配置了多孔填料44以通过毛细作用对电解液加以存储。填料44的上表面紧压在电极上，或者使用压缩插垫以保证与电极的电气连接。
结合上述两个实例的特点可以导出其它实施例、尽管如前所述，在同一基板上配置了三个电极，但在多检测功能情况下可使用更多的电极数量，或者在电解槽结构中的其它地方(而不是在基板上)配置一个基准电极或对电极，或两个电极。
此外，如需检测高浓度的气体，那么就需要通过包含在电解槽基体或盖板中的通道为反电极和基准电极提供氧气分立入口，而这些通道还传送从被检气体中释放的空气。
如果需要粘附在电极上，那么可以用凝胶或聚合物来代替液体电解质。
参照上述实施例，显然是有以下优点。
(1)平面电极组件使生产简化-所有电极均可在一个工序中生产出来；
(2)所用接触方法避免了昂贵金属触点的使用，并且可在电解槽组装过程中同时、快速地构成触点；
(3)所用接触方法意味着：避免了触点周围的电解液泄漏-普通传感器中的一个共同问题。如果使用金属导体，那么使用在密封过程中涂敷在接触导体上的导电聚合物，确保可靠性的优点便更为明显，这是因为如果产生电解液泄漏，金属导体便很容易产生腐蚀。
(4)与远离电解液区域中的电极材料的接触方法可以避免接触电阻由于触点相对于电极运动和电解液渗入气隙引起的变化，这一问题在普通设计结构中普通存在。
(5)密封工序使得电解槽具有高强度并抗泄漏。
(6)组装所需的少量元件和工序使得组装既快又经济。元件均坚固耐用，因而组装过程中不会发生损坏。
(7)使用简单的通用工序即可生产电解槽元件。
(8)简单的电解槽组装工序可以易于自动化生产。
(9)如果需要的话，平面电极组件允许在同一基板上配置三个以上的电极，即在同一装置中提供一个以上对不同气体敏感的传感器。

Claims (16)

1.一种气体传感器，包括：
一个基板(20)，在基板上构造成平面元件的至少第一和第二电极(22，24)，基板在至少邻近第一电极的区域内是多孔的以允许气体从气体传感器外部渗入电极中；一个壳体(4)，该壳体含有一个电解液池(6)；安装在壳体上或壳体内的外接头(10)，使得外部电气连接到至少第一电极上，
其特征在于：基板和壳体在周边区域(A)内被粘接在一起，并且第一电极的一部分通过上述周边区域延展到邻近接头装置的位置处，上述粘接用来保持接头装置和第一电极间的相互电气连接，上述电极对于电解液来说是多孔的，并且上述电极部分在上述周边区域内被加以处理以阻塞孔隙，从而防止电解液通过电极渗透到电气连接中。
2.按照权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于：基板是通过加热和/或加压法粘接在壳体的周边区域上的。
3.按照权利要求1或2所述的一种气体传感器，其特征在于：壳体内含有电解液池和一个壳体盖板(8)，其中：壳体盖板(8)构成了阻碍大气透渗到基板上的渗透阻层(28)。
4.按照权利要求1或2所述的一种气体传感器，其特征在于：基板对壳体的上表面形成封闭并且有一定的孔隙率，从而提供了一个控制气体流到电极上的渗透阻层。
5.按照权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于：导电塑性材料(26)配置在第一电极和电接头装置之间，这种材料浸透第一电极。
6.按照权利要求4所述的一种气体传感器，其特征在于：在电接头装置周围配置有凹槽，上述导电塑性材料即配置在该凹槽中。
7.按照权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，电接头装置是一个置于壳体内的触头。
8.按照权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，第二电极与电接头装置的电气连接方式与第一电极装置的相同。
9.按照权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，电极由多孔导电材料构成，该导电材料含有与上述基板粘接的触媒。
10.按照权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，基板是一种在第一电极区域内具有预定扩散性的多孔柔性材料。
11.按照权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，在电解液池中含有油心装置(32)以保持电解液与电极触接。
12.按照权利要求1所述的一种气体传感器，其特征在于，在电解液池中含有多孔材料(44)以保持电解液与电极触接。
13.一种组装气体传感器的方法，包括：
1)提供含有电解液池(6)的一个壳体(4)，壳体与电接头装置(10)配接；
2)在基板(20)上提供至少第一和第二电极(22，24)，电极对于电解液来说是多孔的；
3)使基板相对于壳体定位，从而第一电极的一部分在周边区域(A)内与上述接头邻近；以及
4)把基板粘接在壳体的周边区域内，从而第一电极与电接头装置电气连接，电极的孔隙在周边区域内被阻塞以防止电解液渗透到电气连接中。
14.按照权利要求13所述的一种方法，其特征在于：利用加热和/或加压法把基板粘接在壳体的周边区域上。
15.按照权利要求14所述的一种方法，其特征在于：一种导电塑性材料(26)、最好是含有导电颗粒的聚合物被置于第一电极和电气导电装置之间，从而在粘接过程中，上述材料环绕电接头模制并浸透第一电极。
16.按照权利要求13至15中任一项所述的一种方法，其特征在于：第二电极的电气连接方式与第一电极的相同。
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