CN109313159A - 电化学气体传感器 - Google Patents

Abstract

电化学气体传感器具有：呈板状且具有凹部的陶瓷制的壳体、MEA、第一导电性气体扩散膜、第二导电性气体扩散膜、和以覆盖凹部的方式被固定在壳体上的金属制的盖。MEA具有离子导电性膜、在离子导电性膜表面的第一电极和在离子导电性膜背面的第二电极。壳体具有：从凹部的底面向壳体的底面延伸的第一电气布线；和从包围凹部的顶面向壳体的底面延伸的第二电气布线。第一导电性气体扩散膜配置于MEA与凹部的底面之间，且与第一电气布线电连接。第二导电性气体扩散膜配置于MEA与盖之间，且与盖电连接。盖固定在壳体的顶面上，且与第二电气布线电连接，第二导电性气体扩散膜被盖按压向MEA侧，在盖或壳体的底面设有气体导入部。提供一种容易小型化、性能偏差小且容易安装到印刷电路基板上的电化学气体传感器。

Description

电化学气体传感器

技术领域

本发明涉及一种电化学气体传感器的壳体结构。

背景技术

通过电化学气体传感器检测CO等气体的技术已广为人知(专利文献1：JP5693，496B，专利文献2：WO 01/014864A)。构成气体传感器主体的膜电极接合体(Membrane-Electrode-Assembly，MEA)在质子导电性膜或保持电解液、离子流体等的保液片的两个面上具有检测电极和对电极。于是，在与气体接触时，会输出由接触产生的在电极间流动的电流或电动势。MEA被夹在具有通气性的一对导电性膜(导电性气体扩散膜)之间，由检测电极侧的导电性膜供给要检测的环境气体，由对电极侧的导电性膜供给氧，生成的水蒸气从对电极排出(专利文献1)。

作为电化学气体传感器的壳体结构，专利文献1提出了与纽扣型电池类似的结构，在通过密封垫绝缘的两片金属板之间配置导电性膜和MEA，以铆接(カシメ)方式将两片金属板固定。通过铆接产生的压力获得MEA与两片金属板的电接触。

在专利文献2中，使具有凹部的一对壳体以凹部相对的方式重叠，并在凹部内配置MEA。在专利文献2中，由于使用了液体电解质，因此，凹部兼用作液体电解质的储存容器，通过壳体的孔等使电极露出，从而能够与外部连接。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP5693496B；

专利文献2：WO 01/014864A。

发明内容

发明所要解决的问题

由于专利文献1的壳体使用了密封垫和铆接，因而气体传感器难以小型化。另外，由于铆接容易引起MEA位置的偏差，因而很难进行工序管理。

对于专利文献2中的壳体而言，难以配置连接电极与周边电路的布线。另外，在使用通气性导电性膜的情况下，难以以规定的压力对通气性导电性膜进行加压使其与电极接触。

本发明提供一种容易小型化、性能偏差小且容易安装到基板上的电化学气体传感器。

解决问题的技术手段

本发明的电化学气体传感器，

具有：

陶瓷制的壳体，呈板状且具有凹部，

MEA，具有离子导电性膜、位于离子导电性膜的表面的第一电极和位于离子导电性膜的背面的第二电极，

第一导电性气体扩散膜，

第二导电性气体扩散膜，和

金属制的盖，以覆盖所述凹部的方式被固定在所述壳体上；

所述壳体具有从所述凹部的底面向壳体的底面延伸的第一电气布线、和从包围所述凹部的顶面向壳体的底面延伸的第二电气布线，

第一导电性气体扩散膜配置于所述MEA与所述凹部的底面之间，且与所述第一电气布线电连接，

第二导电性气体扩散膜配置于所述MEA与所述盖之间，且与所述盖电连接，

所述盖被固定在所述顶面上，且与所述第二电气布线电连接，

所述第二导电性气体扩散膜被所述盖按压向所述MEA侧，

在所述盖或所述壳体的底面设有气体导入部。

在本发明中，由于不需要铆接也不需要密封垫，因此能够将电化学气体传感器小型化。通过盖使第一以及第二导电性气体扩散膜和MEA被按压向凹部的底面侧，可获得从MEA经由第二导电性气体扩散膜到盖的电气路径以及从MEA经由第一导电性气体扩散膜到第一电气布线的电气路径。而且，通过第二电气布线将布线从盖引出至壳体的底面，第一电气布线也延伸向壳体的底面。因此，能够在壳体的底面将气体传感器的两个电极与周边电路连接。需要说明的是，在本说明书中，以盖在上并以凹部的底面在下，来表示方向。

优选在所述顶面上设有金属层，且所述盖被焊接在所述金属层上。由于将盖焊接在金属层上，因此容易进行盖和壳体的固定并能可靠且气密地电连接盖与金属层。

优选所述盖具有作为所述气体导入部的孔，且所述壳体的底面是气密的。由于盖为金属，因此能够准确地设置直径小的气体导入孔，并使向气体传感器内的通气性保持固定。另外，由于在盖上设有气体导入孔，因此壳体的底面被制成气密的。

优选在所述第二导电性气体扩散膜与所述盖之间设有呈导电性且片状的气体吸附过滤器。活性炭是具有导电性的物质，例如通过与炭黑等导电性粒子混合，能给硅胶、沸石、介孔二氧化硅等气体吸附剂赋予导电性。因此，能够确保从第二导电性气体扩散膜经由气体吸附过滤器再到盖的导电路径。另外，由于气体吸附过滤器只要对从盖的气体导入孔扩散来的少量气体进行处理即可，因此能够使过滤器的寿命长。

优选所述MEA、第一导电性气体扩散膜、第二导电性气体扩散膜、所述凹部、所述壳体以及所述盖在俯视图下为四边形，例如长方形或正方形。由于使用了四边形的MEA而不是像专利文献1那样的圆形的MEA，因此，能够在从原料片冲切MEA时减少损失。而且，随着该MEA被制成四边形，壳体、盖、凹部、第一以及第二导电性气体扩散膜也都被制成四边形。

优选的是，所述凹部具有：底面、包围底面的第一壁、位于第一壁的上部的平坦面、和包围平坦面的第二壁，在第二壁的上部存在所述顶面，

所述第一导电性气体扩散膜与凹部的底面接触，且被第一壁包围，

所述第二导电性气体扩散膜被第二壁包围，

所述MEA的端部或所述第二导电性气体扩散膜的端部位于所述平坦面上。

导电性气体扩散膜被来自盖的压力压缩，该压力具有确保第一导电性气体扩散膜与MEA接触以及第二导电性气体扩散膜与MEA和第一电气布线接触的作用。平坦面设在凹部的底面与顶面之间，沿着深度方向将凹部分为从顶面到平坦面的部分和从平坦面到底面的部分，因此能够限制加压时第一导电性气体扩散膜的厚度和第一导电性气体扩散膜的厚度。另外，由于MEA的端部或第二导电性气体扩散膜的端部位于平坦面上，因此，两个导电性气体扩散膜不接触，且能够在平坦面的上方与下方之间隔断环境气体。

附图说明

图1是实施例的电化学气体传感器的剖视图。

图2是实施例的电化学气体传感器的俯视图。

图3是实施例的电化学气体传感器在卸下盖的状态下的俯视图。

图4是实施例的电化学气体传感器的壳体的剖视图。

图5是实施例的电化学气体传感器的主要部分的放大剖视图。

图6是变形例的电化学气体传感器的剖视图。

图7是第二变形例的电化学气体传感器的剖视图。

具体实施方式

以下，示出了用于实施本发明的最佳实施例。

实施例

图1～图5示出了实施例。电化学气体传感器2具有：陶瓷制的壳体4、MEA6、MEA6的上下的导电性气体扩散膜8、10、以及金属制的盖12。这些构件4～12在俯视图下为长方形～正方形，MEA6和导电性气体扩散膜8、10被收纳在壳体4的凹部13。

壳体4具有在俯视图下为长方形～正方形的凹部13；14是凹部13的底面；15是中间的平坦面，其包围着底面14；25是顶面，其包围着平坦面15。在顶面25与平坦面15之间例如具有垂直的壁面17；在平坦面15与底面14之间例如具有垂直的壁面18。在顶面25的例如整个面上具有金属层16，金属层16既可以是将金属与壳体4的陶瓷材料一同烧成的，也可以是通过钎焊等将金属板固定在顶面25上而成的。金属层16通过电气布线20被连接至在壳体4的底面19的电气布线21。

布线22被设在凹部13的底面14的整个面或一部分上，通过布线23、24被引出至壳体4的底面19。布线20～24是金属与壳体4的陶瓷材料一同烧成的。需要说明的是，也可以在壳体4中设置导电性的气密性的通孔来代替在壳体4的端面设置布线20、23。

在盖12上设置一个～多个气体导入孔26，并使气体导入孔26的尺寸固定，从而使向气体传感器2的内部的通气性保持固定。由于是对金属进行钻孔加工，因此能够制造固定尺寸的气体导入孔26。需要说明的是，也可以由通气性的陶瓷构成从壳体4的底面19到凹部13的底面14的层来代替在盖12上设置气体导入孔。

如图1的左侧所示，对于MEA6而言，在质子导电性膜34的上部设有检测电极35，在下部设有对电极36。在MEA6中，也可以使用保持电解液或离子流体的片来代替质子导电性膜34。MEA6是气体传感器2中最昂贵的构件，通过对MEA6的原料片进行冲切来制造MEA6，若是长方形～正方形的MEA6就不会产生因冲切造成的损失。

导电性气体扩散膜8、10是具有炭黑、碳纤维等导电性粒子的通气性片，不需要高导电性。虽然可以以加入PTFE等纤维的方式对扩散膜8、10进行疏水化，但是优选混合聚酰胺、甲基纤维素、聚乙烯醇等亲水性纤维来使其具有调湿性，并降低气体传感器2的湿度依赖性。

28是过滤器，其是具有通气性和导电性的活性炭片，被配置在盖2与第一导电性膜8之间，并电连接它们。在沸石、硅胶、介孔二氧化硅等其他的吸附剂中混合导电性粒子并通过纤维状的粘合剂成形的片，也能够作为过滤器28使用。

对气体传感器2的制造过程进行说明。如图5所示，壳体4由三个层30～32构成，例如，通过在层30的两个面上形成布线21、22、24，在层32的顶面25上形成金属层16，再重叠层30～32并进行烧成，从而制造壳体4。布线20、23可以与层30～32同时形成并同时进行烧成，或者也可以在层30～32烧成后形成。

在MEA6的上下重叠导电性气体扩散膜8、10，例如将导电性气体扩散膜10配置在凹部13的底面14上。使MEA6和导电性气体扩散膜8中的任意一者的端部被平坦面15支撑，由此防止导电性气体扩散膜8、10的接触并同时在平坦面15的上方和下方将环境气体分离。

在气体扩散膜8上重叠过滤器28，用盖12覆盖凹部13，通过缝焊将盖12熔接在金属层16上。缝焊用于将IC芯片密封在陶瓷封装中，能够将盖12简单且气密地固定于壳体4。需要说明的是，也能够用导电性粘合剂进行粘合来代替缝焊。

过滤器28、导电性气体扩散膜8、MEA6、导电性气体扩散膜10被盖12按压向凹部13的底面14侧按压，从而这些构件被电连接而且位置也被固定。导电性气体扩散膜8、10因加压而变薄，导电性气体扩散膜10的加压后的厚度由壁面18的高度决定，导电性气体扩散膜8的加压后的厚度由壁面17的高度决定。另外，由于MEA6和导电性气体扩散膜8的端部位于平坦面15上，因此导电性气体扩散膜8、10不会接触。此外，壁面18与导电性气体扩散膜10的空隙被MEA6和导电性气体扩散膜8覆盖，由此限制了检测电极侧的环境气体迂回进入对电极侧。

MEA6的检测电极和对电极与壳体4的底面的布线21、24连接，能够通过回流焊接、导电性粘合剂等将气体传感器2安装在印刷电路基板等基板上。

图6示出了第一变形例的电化学气体传感器42，除非有特别声明外，其与图1～图5的实施例相同。在气体传感器42中，将由气体吸附剂构成的过滤器48配置在盖12的气体导入孔26的上部。由于是对以气体导入孔26限缩通气量前的气体进行处理，因此，需要比过滤器28更大的过滤器48。

图7示出了第二变形例的电化学气体传感器52，除非有特别声明外，其与图1～图5的实施例相同。使用图1～图5中的在俯视图下为长方形～正方形的一段凹部53而不是中间具有平坦面15的两段凹部13来收纳MEA6和气体扩散膜8、10、过滤器28。57是凹部53的壁面。

附图标记说明

2电化学气体传感器；4壳体；6MEA；8、10导电性气体扩散膜；

12盖；13凹部；14凹部的底面；15平坦面；16金属层；

17、18壁面；19壳体的底面；20～24布线；25顶面；

26气体导入孔；28、48过滤器；30～32层；34质子导电性膜；

35检测电极；36对电极；42、52电化学气体传感器；53凹部；

57壁面。

Claims (6)

1.一种电化学气体传感器，

具有：

陶瓷制的壳体，呈板状且具有凹部，

MEA，具有离子导电性膜、位于离子导电性膜的表面的第一电极和位于离子导电性膜的背面的第二电极，

第一导电性气体扩散膜，

第二导电性气体扩散膜，和

金属制的盖，以覆盖所述凹部的方式被固定在所述壳体上；

所述壳体具有从所述凹部的底面向壳体的底面延伸的第一电气布线、和从包围所述凹部的顶面向壳体的底面延伸的第二电气布线，

第一导电性气体扩散膜配置于所述MEA与所述凹部的底面之间，且与所述第一电气布线电连接，

第二导电性气体扩散膜配置于所述MEA与所述盖之间，且与所述盖电连接，

所述盖被固定在所述顶面上，且与所述第二电气布线电连接，

所述第二导电性气体扩散膜被所述盖按压向所述MEA侧，

在所述盖或所述壳体的底面设有气体导入部。

2.如权利要求1所述的电化学气体传感器，其特征在于，

在所述顶面上设有金属层，且所述盖被焊接在所述金属层上。

3.如权利要求1或2所述的电化学气体传感器，其特征在于，

所述盖具有作为所述气体导入部的孔，且所述壳体的底面是气密的。

4.如权利要求1～3中任一项所述的电化学气体传感器，其特征在于，

在所述第二导电性气体扩散膜与所述盖之间设有呈导电性且片状的气体吸附过滤器。

5.如权利要求1～4中任一项所述的电化学气体传感器，其特征在于，

所述MEA、第一导电性气体扩散膜、第二导电性气体扩散膜、所述凹部、所述壳体以及所述盖在俯视图下为四边形。

6.如权利要求1～5中任一项所述的电化学气体传感器，其特征在于，

所述凹部具有：底面、包围底面的第一壁、位于第一壁的上部的平坦面、和包围平坦面的第二壁，在第二壁的上部存在所述顶面，

所述第一导电性气体扩散膜与凹部的底面接触，且被第一壁包围，

所述第二导电性气体扩散膜被第二壁包围，

所述MEA的端部或所述第二导电性气体扩散膜的端部位于所述平坦面上。