CN109073586B - 用于降低气体传感器的在高温下的基线的方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于防止密封材料（109）（诸如环氧树脂）与一氧化碳或其他气体电化学传感器（100）内的电解质材料之间的反应的系统和方法。通常，电化学传感器（100）包括气体扩散工作电极（110）、对电极（116）以及可选地包括参考电极（114）。每个电极（110、116、114）与含水电解质接触。气体传感器（100）可以包括靠近于传感器（100）的壳体（102）中的间隙（108）定位的突片（117），其中突片（117）防止填充间隙（108）的任何密封材料（109）进入壳体（102）的内部。在一些实施例中，突片（117）可以被附接到对电极（116）。在一些实施例中，壳体（102）可以包括定位在间隙（108）附近的槽（132），其中突片（117）装配到壳体（102）的槽（132）中。

Description

用于降低气体传感器的在高温下的基线的方法

相关申请的交叉引用

本申请是于2016年1月29日提交的并且题为“Method For Decreasing BaselineUnder High Temperature Of Gas Sensor”的国际申请No. PCT/CN2016/072685的国家阶段，如同全文复制一样通过引用将其并入本文中。

关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用。

对缩微平片附录的引用

不适用。

背景技术

已知用于检测和产生关于危险状况（诸如一氧化碳（CO）的存在）的警告的设备。一些CO传感器可以包括电化学传感器。通常，电化学传感器可以采用化学反应来将CO转化为二氧化碳（CO₂）以在电池的一部分中产生化学不平衡，这继而产生指示存在的CO的量的电流。

附图说明

为了对本公开的更完整的理解，现在结合附图和具体实施方式参考以下附图说明，其中相同的参考标号表示相同的部分。

图1图示了根据本公开的实施例的气体传感器的组装视图；

图2图示了根据本公开的实施例的气体传感器的分解视图；

图3图示了根据本公开的实施例的壳体和对电极；以及

图4A-4B图示了根据本公开的实施例的壳体和对电极的组件。

具体实施方式

在开始应当理解，虽然以下图示了一个或多个实施例的说明性实现，但是可以使用无论当前已知的还是还未存在的任何数量的技术实现公开的系统和方法。本公开应决不被限于说明性实现、附图和以下图示的技术，但是可以在所附的权利要求的范围连同它们的等同物的全部范围内修改。

术语的以下简要定义将贯穿本申请应用：

术语“包括”意味着包括但不限于，并且应当以其在专利上下文中通常使用的方式来解释；

短语“在一个实施例中”、“根据一个实施例”以及诸如此类通常意味着跟随所述短语的特定特征、结构或特性可以被包括在本发明的至少一个实施例中，并且可以被包括在本发明的多于一个实施例中（重要的是，这样的短语不一定指代相同的实施例）；

如果说明书将某事物描述为“示例性的”或“示例”，应当理解其指代非排他性的示例；

如由本领域技术人员理解的那样，当与数量一起使用时，术语“约”或“大致”或者诸如此类可以意味着该具体数量、或替代地靠近于具体数量的范围；以及

如果说明书声明部件或特征“可以”、“可能”、“能够”、“应当”、“将”、“优选地”、“可能地”、“通常地”、“可选地”、“例如”、“常常”或“也许”（或其他这样的语言）被包括或具有特性，则不要求该特定部件或特征被包括或具有特性。这样的部件或特征可以被可选地包括在一些实施例中，或者其可以被排除。

本公开的实施例包括用于防止密封材料（环氧树脂）与一氧化碳（或其他气体）传感器内的电解质材料之间的反应的系统和方法。通常，在本文中公开的电化学传感器包括气体扩散工作电极、对电极以及可选地包括参考电极。每个电极与含水电解质接触。气体传感器可以包括靠近于传感器的壳体中的间隙定位的突片，其中突片防止填充间隙的任何密封材料进入壳体的内部。在一些实施例中，突片可以被附接到对电极。在一些实施例中，壳体可以包括定位在间隙附近的槽，其中突片装配到壳体的槽中。

现在参考图1，示出了传感器100的示例性实施例。在一些实施例中，传感器100可以包括CO传感器。传感器100可以包括壳体102，其中壳体102可以包括间隙108，以允许一个或多个导线/引线（未示出）穿过进入壳体102中。在一些实施例中，导线可以包括铂线，其中导线可以用作集电器（current collector）。壳体102还可以包括框架130，其中连接器印刷电路板（PCB）104可以被可操作以装配在框架130内。连接器PCB 104可以被附接到一个或多个导线。在一些实施例中，传感器100可以包括底盖或标签106。

现在参考图2，示出了传感器100的分解视图。传感器100通常包括壳体102，所述壳体102限定了设计用于容纳电解质溶液的腔或贮存器103。可以将工作（或感测）电极110放置在开口127和贮存器103之间，其中开口127允许要被检测的气体进入壳体102。可以将对电极116和参考电极114定位在贮存器内。当气体在贮存器103内反应时，可以在电极之间产生电流和/或电势，以提供气体的浓度的指示。也可以将参考电极114定位在贮存器103内，以为工作电极110和对电极116之间的检测电流和电势提供参考。

壳体102通常可以由对电解质和被测量的气体是基本上惰性的任何材料形成。在实施例中，壳体102可以由聚合材料、金属或陶瓷形成。例如，壳体可以由包括但不限于以下材料的材料形成：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚苯撑氧（polyphenylene oxide）（PPO）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）（例如，高密度聚乙烯（HDPE））、聚苯醚（PPE）或其任何组合或共混物。

可以穿过壳体102形成一个或多个开口127，以允许环境气体进入壳体102和/或允许在壳体内产生的任何气体逸出。在实施例中，传感器100可以包括至少一个入口开口127，以允许环境气体进入壳体102。开口127可以在存在盖时被布置在盖126（或顶盖）中，和/或被布置在壳体102的壁中。在一些实施例中，传感器100可以包括顶盖126，所述顶盖126可操作以装配到壳体102中并至少部分地密封传感器100。在一些实施例中，顶盖126可以包括开口以允许气流进入传感器100。在一些实施例中，传感器100可以包括定位在传感器100的开口127周围的防尘盖128，所述防尘盖128可操作以防止不想要的颗粒进入传感器100。

在一些实施例中，传感器100可以包括碳过滤器124，所述碳过滤器124可操作以过滤经由开口127流入到壳体102中的环境空气。在一些实施例中，碳过滤器124可以起扩散势垒（diffusion barrier）的作用以限制气体（例如一氧化碳、硫化氢等）流动到工作电极110。在另一个实施例中，可以通过将开口127形成为毛细管来产生扩散势垒，和/或薄膜或膜可以被用于控制通过一个或多个开口127的质量流率。

贮存器103包括对电极116、参考电极114和工作电极110。在一些实施例中，电解质可以被包含在贮存器103内，并且对电极116、参考电极114和工作电极110可以通过电解质来电接触。在一些实施例中，可以使用一个或多个多孔隔板112、118或其他多孔结构来保持电解质与电极接触。隔板112、118可以包括多孔构件，所述多孔构件充当芯（wick），用于在贮存器和电极之间保持和传输电解质同时电绝缘以防止归因于任何两个电极之间的直接接触的短路。多孔隔板112、118中的一个或多个可以延伸到贮存器中以向电解质提供去往电极的路径。在实施例中，隔板112可以被布置在对电极116和参考电极114之间，并且隔板112可以被布置在参考电极114和工作电极110之间。

隔板112、118中的一个或多个可以包括非织造多孔材料（例如，多孔毡构件）、编织多孔材料、多孔聚合物（例如，开孔泡沫、固体多孔塑料等）或者诸如此类，并且通常相对于电解质和形成电极的材料是化学惰性的。在实施例中，隔板112、118可以由对电解质是基本上化学惰性的各种材料形成，所述材料包括但不限于玻璃（例如，玻璃垫、玻璃纤维）、聚合物（塑料盘）、陶瓷或者诸如此类。

电解质可以是任何常规的含水酸性电解质，诸如硫酸、磷酸或诸如盐溶液（例如锂盐，诸如氯化锂等）的中性离子溶液，或其任何组合。例如，电解质可以包括硫酸，所述硫酸具有在约3 M至约12 M之间的摩尔浓度。由于硫酸是吸湿的，因此浓度可以在约3至约95%的环境的相对湿度（RH）范围内从约10至约70 wt%（1至11.5摩尔）变化。在实施例中，电解质可以包括磷酸，所述磷酸具有按重量约30％至约60％的H₃PO₄之间的含水溶液中的浓度。作为另一个示例，电解质可以包括具有按重量约30％至约60％的LiCl的氯化锂盐，其中剩余部分（balance）是含水溶液。

在一些实施例中，电解质可以是包括离子交换膜的固体聚合物电解质的形式。在一些实施例中，电解质可以是自由液体的形式，其以诸如玻璃纤维（例如，隔板118、隔板112等）的基质或浆料来布置或者以半固体或固体凝胶的形式来布置。

工作电极110可以被布置在壳体102内。进入传感器100的气体可以接触工作电极110的一侧并穿过工作电极110以到达工作电极110和电解质之间的界面。气体然后可以反应以产生指示气体浓度的电流。

对电极116可以被布置在壳体102内。对电极116可以包括其上布置有催化材料的基底或膜，诸如聚四氟乙烯（PTFE）膜、GEFC-IES膜、Nafion®膜或者诸如此类。在实施例中，催化材料可以被混合并使用任何合适的工艺（诸如轧制、涂布、丝网印刷或者诸如此类）布置在膜上，以将催化材料施加在膜上。在实施例中，用于对电极116的催化材料可以包括贵金属，诸如金（Au）、铂（Pt）、钌（Ru）、铑（Rh）、铱（Ir）、其氧化物或其任何组合。

类似地，参考电极114可以被布置在壳体102内。参考电极114可以包括其上布置有催化材料的基底或膜，诸如PTFE膜、GEFC-IES膜、Nafion®膜或者诸如此类。在实施例中，催化材料可以与疏水材料（例如，PTFE等）混合并且布置在PTFE膜上。在实施例中，与参考电极114一起使用的催化材料可以包括贵金属，诸如金（Au）、铂（Pt）、钌（Ru）、铑（Rh）、铱（Ir）、其氧化物或其任何组合。在实施例中，用于形成参考电极的催化材料可以包括被丝网印刷在膜上的Pt-Ru混合物，其中膜可以是GEFC-IES膜。虽然在图2中图示为具有参考电极114，但是电化学传感器的一些实施例可以不包括参考电极114。

在一些实施例中，隔板118可以包括芯118，所述芯118可操作以收集电解质并确保传感器100中的其他元件保持湿润。在一些实施例中，传感器100可以包括用于电极的堆叠的支撑件120。在一些实施例中，支撑件120可以在传感器100内产生腔，其中电解质（或酸）可以被定位在支撑件120的腔内。在一些实施例中，传感器100可以包括底盖122，所述底盖122可操作以装配到壳体102中并密封传感器100的底部。在一些实施例中，传感器100可以包括定位在传感器100的外部上的一个或多个标签106、107。

为了响应于气体（一氧化碳）的存在来检测跨电极的电流和/或电势差，可以将一个或多个引线或电触点电耦合到工作电极110、参考电极114和/或对电极116。由于基底包括导电材料，因此接触工作电极110的引线可以接触工作电极110的任一侧。为了避免电解质的腐蚀作用，接触工作电极的引线可以接触工作电极110的不与电解质接触的一侧。引线可以被类似地电耦合到对电极116和参考电极114。引线可以被电耦合到外部连接引脚以提供去往外部处理电路（或PCB）104的电连接。外部电路104可以检测电极之间的电流和/或电势差，并将电流转换成相应的气体浓度。

引线可以穿过外部电路104和电极之间的壳体102中的间隙108。在一些实施例中，可以用环氧树脂（或另一类似的密封材料）密封间隙108，以防止电解质经由间隙108从传感器100中泄漏出。因此，当传感器100在操作中时，环氧树脂可能与电解质接触。在一些实施例中，特别是如果正在升高的温度下操作传感器100，则环氧树脂材料可能与电解质反应以形成挥发性有机化合物（VOC）。这可能破坏传感器100，从而可能导致错误警报并增加对于传感器的基线读数。在一些实施例中，该反应可能在约50 C或更高时发生。

在图2的实施例中，对电极116可以包括从对电极116的一部分延伸的突片117。在一些实施例中，突片117可以被合并到对电极116的PTFE膜中。突片117可以被可操作以防止填充间隙108的环氧树脂接触定位在贮存器103内的电解质。在一些实施例中，突片117宽度方面可以是大致4毫米。在一些实施例中，间隙108可以在彼此的大致4毫米内，使得突片117的宽度覆盖间隙108中的所有间隙。在一些实施例中，多个间隙108的末端之间的距离可以小于突片117的宽度。

现在参考图3，示出了壳体102和对电极116。如以上描述的那样，对电极116的突片117可以被可操作以覆盖壳体102内的间隙108的一部分，由此防止密封间隙108的环氧树脂接触壳体102内的电解质。间隙108可以在壳体102的边缘周围彼此靠近定位，从而允许突片117被定位在对电极116的仅一部分上，覆盖间隙108。如在图3中示出的那样，壳体102可以包括切入到壳体102的内部中的槽132。槽132可以被定位在间隙108附近。在实施例中，对电极116的突片117可以被成形以装配在槽132内。在一些实施例中，支撑件120（在图2在示出）可以将突片117固定就位在槽132内。在一些实施例中，引线（以上描述的）可以穿过壳体中的间隙108，穿过突片117附近的槽132并在必要时接触电极。在用环氧树脂填充间隙108之前，对电极116可以在壳体102内就位，使得突片117填充槽132。然后，环氧树脂可以填充间隙108但是当环氧树脂接触突片117时停止。

在一些实施例中，突片117可能未完全防止电解质接触环氧树脂。在该情况下，突片117可以减少电解质和环氧树脂之间的相互作用。此外，在一些实施例中，如果环氧树脂和电解质反应，则突片117可以阻止由反应形成的任何气体进入传感器100的其余部分的路径并阻止破坏传感器100。

图4A-4B图示了用于壳体102和对电极116的组装方法。在图4A中，引线107可以经由间隙108插入到壳体102中。然后，对电极116的突片117可以被装配到槽132（未示出）中。在图4B中。突片117可以在壳体102内就位，并且间隙108可以填充有密封材料109（或环氧树脂）。图4A-4B仅示出了用于整个气体传感器100的组装方法的一部分。

在一些实施例中，实施例可以包括用于气体传感器的制造的方法，其中所述方法包括：穿过壳体中的间隙放置引线，在壳体内组装至少对电极，其中对电极包括靠近于间隙放置的突片，并且然后用环氧树脂填充间隙（在引线周围）以密封间隙，其中突片防止环氧树脂进入壳体的内部。

本公开的实施例可以包括电化学气体传感器，其包括：壳体；布置在壳体内的电解质；与壳体内的电解质接触的多个电极，其中所述多个电极包括工作电极和对电极，并且其中所述多个电极接触穿过壳体中的一个或多个间隙的多个引线，并且其中壳体中的间隙用密封材料密封；以及靠近于壳体中的间隙定位在壳体内的突片，其可操作以防止密封材料进入壳体的内部。

在一些实施例中，突片被合并到对电极中。在一些实施例中，突片被合并到对电极的PTFE膜中。在一些实施例中，突片垂直于对电极的表面延伸。在一些实施例中，突片包括PTFE材料。在一些实施例中，多个电极进一步包括参考电极。在一些实施例中，气体传感器可以进一步包括外部电路，所述外部电路可操作以装配到壳体的一部分中并接触多个引线。在一些实施例中，气体传感器可以进一步包括支撑件，所述支撑件可操作以支撑多个电极并产生可操作以容纳电解质的腔。在一些实施例中，壳体包括定位在间隙附近的槽，并且其中突片装配在壳体中的槽内。在一些实施例中，密封材料包括环氧树脂材料。在一些实施例中，间隙被定位在彼此的大致4毫米内。在一些实施例中，突片宽度方面是大致4毫米。

本公开的附加的实施例可以包括用于组装气体传感器的方法，所述方法包括：提供壳体，其中壳体包括一个或多个间隙和壳体的内部上的槽；经由间隙将多个引线插入到壳体中，其中引线的一部分从壳体中延伸；将突片放置在壳体内，其中突片装配到壳体的槽中，并且其中突片靠近于一个或多个间隙定位；以及用密封材料填充间隙，其中突片可操作以防止密封材料进入壳体的内部。

在一些实施例中，方法可以进一步包括将电解质放置在壳体内；以及将多个电极放置在壳体内，其中所述多个电极与电解质接触，并且其中所述多个电极与所述多个引线接触。在一些实施例中，突片被合并到电极中。

本公开的其他实施例可以包括电化学气体传感器，其包括：壳体；布置在壳体内的电解质；与壳体内的电解质接触的多个电极；穿过壳体中的一个或多个间隙的多个引线，其中引线接触所述多个电极，并且其中壳体中的间隙用密封材料密封；以及靠近于壳体中的间隙定位在壳体内的突片，其可操作以防止密封材料进入壳体的内部。

在一些实施例中，突片被合并到对电极中。在一些实施例中，突片被合并到对电极的PTFE膜中。在一些实施例中，壳体包括定位在间隙附近的槽，并且其中突片装配在壳体中的槽内。在一些实施例中，间隙被定位在彼此的大致4毫米内。

虽然以上已经示出和描述了根据在本文中公开的原理的各种实施例，但是在不脱离本公开的精神和教导的情况下，本领域技术人员可以做出其修改。在本文中描述的实施例仅是代表性的并且并非旨在进行限制。许多变化、组合和修改是可能的并且在本公开的范围内。由组合、集成和/或省略（一个或多个）实施例的特征产生的替代的实施例也在本公开的范围内。相应地，保护的范围不是由以上记载的描述限制，而是由之后的权利要求限定，该范围包括权利要求的主题的所有等同物。如进一步的公开那样，将每一个权利要求结合到说明书中，并且权利要求是（一个或多个）本发明的（一个或多个）实施例。此外，以上描述的任何优点和特征可能涉及具体实施例，但是不应将这样发布的权利要求的本申请限制到实现以上优点中的任何或所有优点或具有以上特征中的任何或所有特征的过程和结构。

另外，针对与按照37 C.F.R. 1.77的建议的一致性，提供在本文中使用的节标题或者节标题否则提供组织线索。这些标题不应限制或表征在可以从本公开发布的任何权利要求中记载的（一个或多个）发明。具体地并且通过示例的方式，尽管标题可能涉及“技术领域”，但是不应以在此标题之下所选择的语言将权利要求限制到描述所谓的技术领域。此外，不将在“背景技术”中的技术的描述解释为对某技术是在本公开中的任何（一个或多个）发明的现有技术的承认。也不将“发明内容”认为是在发布的权利要求中记载的（一个或多个）发明的限制性表征。此外，在本公开中以单数对“发明”的任何引用不应被用于争辩在本公开中仅存在单个新颖性的点。根据从本公开发布的多个权利要求的限制可以记载多个发明，并且相应地这样的权利要求限定由此保护的（一个或多个）发明和其等同物。在所有情况下，应依据按照本公开的它们自身的优点来考虑权利要求的范围，但是权利要求的范围不应由在本文中记载的标题限制。

诸如“包括”、“包含”和“具有”之类的较宽泛的术语的使用应当被理解成对诸如“由……组成”、“实质上由……组成”和“基本上由……组成”的较窄的术语提供支持。关于实施例的任何元素使用术语“可选地”、“可以”、“可能”、“可能地”以及诸如此类意味着不需要元素，或者替代地，需要元素，两种替代方案都在（一个或多个）实施例的范围内。另外，对示例的引用仅仅被提供用于说明性目的，并且不旨在是排他性的。

虽然在本公开中已经提供了若干实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以以许多其他具体形式来实现公开的系统和方法。本示例要被考虑为说明性的并且不是限制性的，并且意图不是要限制到在本文中给出的细节。例如，可以将各种元素或部件组合或集成在另一个系统中或可以省略或不实现某些特征。

另外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在各种实施例中描述和图示为分立或分离的技术、系统、子系统和方法与其他系统、模块、技术或方法组合或集成。示出或讨论为彼此直接地耦合或通信的其他条目可以通过一些接口、设备或中间部件间接地耦合或通信，而无论电地、机械地或其他方式。改变、代替和变更的其他示例是可由本领域技术人员查明的并且可以在不脱离在本文中公开的精神和范围的情况下做出所述改变、代替和变更的其他示例。

Claims (8)

1.一种电化学气体传感器（100），包括：

壳体（102），包括定位在一个或多个间隙附近的槽；

布置在壳体（102）内的电解质；

与壳体（102）内的电解质接触的多个电极（110、116），其中所述多个电极（110、116）包括工作电极（110）和对电极（116），并且其中所述多个电极（110、116）接触穿过壳体（102）中的一个或多个间隙（108）的多个引线（107），并且其中壳体（102）中的间隙（108）用密封材料（109）密封；以及

合并到对电极（116）中并且在壳体（102）内的突片（117），其中突片（117）垂直于对电极（116）的表面延伸并且至少覆盖间隙（108）的一部分以防止密封材料（109）进入壳体（102）的内部，并且其中突片（117）被配置为装配到壳体（102）的槽中以防止间隙（108）中的密封材料（109）接触定位在壳体（102）内的电解质。

2.根据权利要求1所述的气体传感器（100），进一步包括外部电路（104），所述外部电路（104）可操作以装配到壳体（102）的一部分中并接触所述多个引线（107）。

3.根据权利要求1所述的气体传感器（100），进一步包括支撑件（120），所述支撑件（120）可操作以支撑所述多个电极（110、116）并产生可操作以容纳电解质的腔。

4.根据权利要求1所述的气体传感器（100），其中壳体（102）包括定位在间隙（108）附近的槽（132），并且其中突片（117）装配在壳体（102）中的槽（132）内。

5.根据权利要求1所述的气体传感器（100），其中间隙（108）被定位在彼此的大致4毫米内。

6.一种用于组装气体传感器的方法，包括：

提供壳体（102），其中壳体（102）包括一个或多个间隙（108）和壳体（102）的内部上的槽（132）；

将电解质放置在壳体（102）内；

经由间隙（108）将多个引线（107）插入到壳体（102）中，其中引线（107）的一部分从壳体（102）中延伸；

将突片（117）放置在壳体（102）内，其中突片（117）装配到壳体（102）的槽（132）中，其中突片（117）被合并到传感器的对电极（116）中,以及

其中突片（117）垂直于对电极（116）的表面延伸并且至少覆盖间隙（108）的一部分；并且

用密封材料（109）填充间隙（108），其中突片（117）可操作以防止密封材料（109）接触定位在壳体（102）内的电解质。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：

将电解质放置在壳体（102）内；以及

将多个电极（110、116）放置在壳体（102）内，其中所述多个电极（110、116）与电解质接触，并且其中所述多个电极（110、116）与所述多个引线（107）接触。

8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括通过突片（117）阻止由密封材料（109）和电解质之间的反应形成的任何气体进入传感器的其余部分的路径。

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