CN110300887A - 超薄电化学气体传感器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种电化学传感器(100)。该电化学传感器(100)具有：衬底(102)；多个电极(104,105,106)，该多个电极设置在衬底(102)的第一表面上；电解质(103)，该电解质设置在多个电极(104,105,106)中的每个电极的至少一部分之上；和一个或多个毛细管(113)，该一个或多个毛细管穿过衬底(102)设置，其中该一个或多个毛细管(113)被配置为提供目标气体从传感器的外部传递到多个电极(104,105,106)中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中衬底(102)的长度或宽度与一个或多个毛细管(113)的直径的比率大于约30。

Description

超薄电化学气体传感器

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦赞助

研究或开发的声明

不适用。

对微缩胶片附录的参考

不适用。

背景技术

电化学传感器传统上包括气体扩散工作(或感测)电极，其通常是基于分散在聚四氟乙烯(PTFE)带上的铂或石墨/铂催化剂。目标气体在该电极处进行反应，同时平衡反应在反电极处发生。电极容纳在外部壳体内，该外部壳体容纳液体电解质，诸如硫酸。气体通常通过受控扩散入口进入壳体，该受控扩散入口调节目标气体进入电池。气体在电极处进行反应并影响传感器的电输出。

发明内容

在一个实施方案中，电化学传感器可以包括：衬底；多个电极，该多个电极设置在衬底的第一表面上；电解质，该电解质设置在多个电极中的每个电极的至少一部分之上；和一个或多个毛细管，该一个或多个毛细管穿过衬底设置，其中一个或多个毛细管被配置为提供目标气体从壳体的外部传递到多个电极中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中衬底的长度或宽度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约30。

在一个实施方案中，形成电化学传感器的方法可以包括：穿过衬底形成一个或多个毛细管，其中衬底的长度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约50；在衬底的第一表面上形成多个电极；将电解质设置在多个电极中的每个电极的至少一部分之上；以及密封多个电极和电解质以使其与外部环境隔开，其中一个或多个毛细管形成外部环境与多个电极之间的唯一开口。

在一个实施方案中，电化学传感器可以包括：衬底；多个电极，该多个电极设置在衬底的第一表面上；电解质，该电解质设置在多个电极中的每个电极的至少一部分之上；以及多个毛细管，该多个毛细管穿过衬底设置，其中毛细管被配置为提供目标气体从壳体的外部传递到多个电极中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中传感器的厚度与毛细管的直径的比率大于约20。

根据以下具体实施方式并结合附图和权利要求，将更清楚地理解这些特征和其他特征。

附图说明

为了更全面地理解本公开，现在参照以下结合附图和详细说明所作的简要说明，在附图中相似的附图标号代表相似的部件。

图1示意性地示出根据一个实施方案的传感器的剖视图。

图2示意性地示出根据一个实施方案的在另一个电路板上的传感器。

图3A至图3B示意性地示出根据一个实施方案的传感器和多个毛细管的近距剖视图。

图4A至图4B示意性地示出根据一个实施方案的传感器和多个毛细管的顶视图。

图5示意性地示出根据一个实施方案的在电路板上的另一个传感器。

具体实施方式

首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的、无论是当前己知的还是尚不存在的技术来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围及其等同物的全部范围内进行修改。

以下简短术语定义应适用于整个申请文件：

术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；

短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的多于一个实施方案中(重要的是，此类短语不一定是指相同实施方案)；

如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；

术语“大约”或“约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；并且

如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”(或其他此类词语)被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。此类部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。

实施方案涉及用于防止电化学气体传感器内的电解质泄漏的系统和方法。典型的电化学气体传感器包括壳体、设置在壳体内的电解质和与电解质接触的多个电极。行业趋势表明期望减小传感器设备的尺寸。为了成功地实现尺寸减小，可以将复杂部件集成到电化学传感器内的一个衬底上。电极和电解质可以逐层地施用(或印刷)到衬底上，其中衬底含有用于使气体穿过衬底扩散到电极的毛细管。传感器的最外层可以是密封层，其也可以印刷在电解质的顶部以用于密封目的。

然而，电解质从衬底中的毛细管泄漏，特别是在较高环境湿度下，可能产生问题。电解质泄漏可能是由于在衬底中的毛细管附近的电极损坏而导致的。由于这种泄漏，电解质可能干涸，从而导致传感器的灵敏度下降或甚至完全地失去灵敏度。

本公开的实施方案包括防止电解质从衬底中的毛细管泄漏的系统和方法。例如，可以减小毛细管直径，从而减小毛细管的表面积。当表面积减小时，对抵抗毛细管与电极之间的接触的部位处的变形的电极强度的要求降低。因此，降低电极在毛细管部位处可能被损坏的风险，并且消除电解质泄漏的可能性。减小毛细管的直径也减小了电极之间的接触表面和气体扩散。为了保持足够量的气体扩散到电极，当毛细管的直径减小时，毛细管的数量可以增加。

图1示意性地示出了设置在陶瓷衬底102上的集成传感器组件100的实施方案。传感器元件122可以更大规模地实现，以在陶瓷衬底上形成集成传感器组件100以及用于操作传感器的相关联电路。集成传感器组件100可以在陶瓷衬底102上使用固体电解质103和电极104、106以形成集成传感器，在一些实施方案中，集成传感器可以不具有与其相关联的壳体或其他盖。感测元件122和电路的整体集成可以使整体尺寸小且成本低，并且降低由集成传感器组件100产生的信号中的噪声。通过使部件之间的连接距离更短并减少或消除使用机械接触(例如，电导体的机械连接)，可以降低噪声。集成传感器组件100还需要比需要与控制电路的单独的机械连接的传感器122更少的功率。集成传感器组件100可能能够检测在感测电极处易于电化学氧化或还原的气体或蒸气，诸如一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮、氮气、二氧化氮、氯气、氢气、氰化氢、氯化氢、臭氧、环氧乙烷、氢化物和/或氧气。

集成传感器组件100包括两个或更多个电极，诸如设置在衬底102上的感测电极104、反电极106和参考电极(如图2所示)、电解质103、与电极104、106电连通的电引线110，以及穿过衬底102设置的一个或多个毛细管113。如本文所述，参考电极的使用是任选的，并且在一些实施方案中可以不存在参考电极。另外，在一些实施方案中可以存在多于三个电极。密封剂112可以设置在电解质103之上以密封电解质和电极104、106来使其与环境大气隔开，使得电极104、106与周围环境之间的唯一流体连通是通过毛细管113的。其他电路也可以设置在衬底102上，如本文更详细地描述的。

衬底102用于支撑和保持感测元件122。在图1中所示的实施方案中，衬底可以用作印刷电路板或用作各种电路的其他支撑。因此，衬底102可以包括电绝缘材料。在一些实施方案中，衬底102可以包括陶瓷，诸如氧化铝或二氧化硅，但是也可以使用其他陶瓷衬底。陶瓷材料的使用可以允许半导体制造技术用于生产集成传感器组件100。

电极104、106可以包括能够通过诸如热沉积、溅射、化学气相沉积、蚀刻、电沉积等工艺沉积的材料。例如，电极104、105、106可以包括能够电沉积和蚀刻以形成单独电极的材料。

电极104、105、106一般允许发生各种反应以允许电流或电位响应于目标气体的存在而发展。然后，所得的信号可以允许确定目标气体的浓度。电极可以包含适于进行期望的反应的反应性材料。例如，感测电极104和/或反电极106可以由一种或多种金属或金属氧化物形成，诸如铜、银、金、镍、钯、铂、钌、铱、钨、碳、其组合、其合金和/或其氧化物。参考电极105可以包括针对感测电极104和/或反电极106列出的任何材料和/或其盐，但是参考电极105一般可能对电解质中的材料呈惰性，以便提供传感器的参考电位。例如，参考电极可以含有贵金属诸如铂和金，或高导电金属/盐组合诸如Ag/AgCl。

在一些实施方案中，电极104、105、106中的一个或多个电极可以包括多孔气体可渗透膜。在该实施方案中，电极(例如，感测电极104)可以放置在孔口或毛细管113之上。然后，通过毛细管113扩散的气体可以接触并扩散通过可渗透膜，以与电极的相对表面处的电解质进行反应。此类电极可以由本文所述的任何材料形成。除了用于形成电极的任何材料之外，各种疏水性组分诸如PTFE可以与电极材料组合和/或用作衬底102上的电极的背衬层(例如，作为带或支撑)。例如，感测电极104可以包括被支撑在PTFE膜上的催化剂诸如铂或碳。在一些实施方案中，诸如有毒气体传感器，反电极106可以包括安装在PTFE背衬带上的催化剂，其方式与气体感测电极104相同。

在一些实施方案中，电极可以包含疏水性材料。各种涂层诸如PTFE涂层可以用于提供疏水性表面，同时保持用于目标气体的气体扩散的孔隙度。在一些实施方案中，电极材料可形成为呈现疏水性或超疏水性。在Pratt的U.S.8,142,625中公开了可用于制备一种或多种疏水性电极的各种材料和制备技术，该专利的全文并入本文。在一个实施方案中，可以使用模板材料来形成电极材料以形成用于电极的图案化表面，其中图案可以赋予电极疏水性质。图案化材料可以包括在电极形成时可移除的任何合适的材料。在一个实施方案中，纳米大小的聚合物球体(例如，可商购的纳米大小的乳胶球体)可以布置在合适的牺牲衬底(例如，金属诸如铜)上。然后可以围绕组装的球体电镀电极金属以产生合适的疏水性表面。所得的电极表面也可以具有用于气体扩散的孔隙率。可以适当地添加镀槽添加剂。或者，可以使用其他模板技术，诸如自组装表面活性剂分子。然后可以随后去除模板材料，例如通过溶解、加热等。然后，所得的电极材料可以用于电极104、105、106中的一个或多个电极，同时呈现疏水性质。

电极104、106的尺寸可以使用各种沉积技术，诸如丝网印刷、厚膜沉积、油墨印刷等。在一些实施方案中，可以使用电极材料的单个沉积层来形成电极，然后进行蚀刻以形成最终电极结构。所得的结构可以包括在衬底102上的电极104、106的共面布置。

电极104、105、106可以至少部分地被电解质103覆盖或与电解质103接触。可以通过一个或多个电导体诸如导线109与外部接触电引线110进行电接触。导线109可以包括在衬底102上的箔、导线或沉积材料。电导体可以包括贵金属(例如铂)，诸如通过由贵金属形成或在导体与电解质接触的情况下用贵金属涂覆。在一些实施方案中，如果电导体不与电解质103接触，那么电导体可以不由贵金属形成。在一些实施方案中，引线110可以不穿过电解质103，如图1所示，但是可以连接到电极104、105、106的在电解质103外部的暴露区域和/或通过使用通孔或多个层到达衬底的相同面或相对面，以避免电解质103与引线110之间的接触，如参见图6更详细地描述的。关于图6描述的引线的配置中的任一种配置也可以适于与传感器100一起使用。外部接触引线110可以电耦合到控制电路，诸如在感测组件122和/或壳体101外部的恒电位器和/或检测电路。

电解质103可以包括能够在电极104、105、106之间提供导电通路的任何材料。电解质103可以不与衬底102材料进行反应。如果电解质103和衬底102可以进行反应，那么在设置电极104、105、106和电解质103之前，可以在衬底之上放置绝缘非反应层。电解质103可以包括液体电解质、凝胶电解质、固体电解质等。在一些实施方案中，电解质103可以容纳在多孔或吸收材料中或由多孔或吸收材料保留。

在一个实施方案中，取决于关注的目标气体，电解质103可以包括任何含水电解质103，诸如盐、酸和/或碱的溶液。在一个实施方案中，电解质可以包含吸湿性酸诸如硫酸，以用于氧传感器中。例如，电解质103可以包含摩尔浓度介于大约3M至大约10M之间的硫酸。由于硫酸是吸湿的，因此在大约3％至大约95％的环境相对湿度(RH)范围内，浓度可以在大约10重量％至大约70重量％(1摩尔至11.5摩尔)之间变化。又如，电解质可包含具有大约30重量％至大约60重量％LiCl的氯化锂盐，余量是水溶液。其他目标气体可以使用相同或电解质组合物。

除水基电解质之外，离子液体电解质也可以用于检测某些气体。离子液体可以具有比对应的含水电解质大的粘度。在电解质中的任一者中，可以加入增粘剂以提供增加的粘度，这可以有助于保持电解质与电解质接触。在一些实施方案中，电解质可以以凝胶或半固体的形式存在。

在一个实施方案中，电解质可以包括固体电解质。固体电解质可以包括吸附或吸收到固体结构中的电解质，固体结构诸如固体多孔材料和/或允许所形成的质子和/或电子传导的材料。在一个实施方案中，固体电解质可以是质子传导电解质膜。固体电解质可以是全氟离子交换聚合物诸如Nafion，或质子传导聚合物诸如聚(乙二醇)、聚(环氧乙烷)、聚(碳酸亚丙酯)。Nafion是聚四氟乙烯和含有侧链硫酸基团的聚磺酰氟乙烯基醚的水合共聚物。当使用时，Nafion膜可以任选地用酸诸如H3PO4、硫酸等来处理，这改善了Nafion的保湿特性和氢离子穿过Nafion膜的传导性。感测电极、反电极和参考电极可以热压到Nafion膜上，以在电极与固体电解质之间提供高传导性。

在一些实施方案中，固体电解质103可以包括聚合物基质作为多孔材料和聚合物基质内的电荷携带组分。电荷携带组分可以包含小于聚合物基质并分散在其中的分子。聚合物本身可以是非导电的，并且聚合物基质可以是非离子的和/或不可离子化的，这可以为酸主体提供更大的设计自由并使质子去除更容易以改善体系的传导性。术语非离子和/或不可离子化的使用是指在正常操作条件下使用固体电解质。

固体电解质体系的聚合物可以是偏二氟乙烯(PVdF)的均聚物或偏二氟乙烯与氟化共聚单体的共聚物，例如偏二氟乙烯和六氟丙烯(HFP)、三氟乙烯(VF3)或三氟氯乙烯(CTFE)的共聚物。电荷携带组分可以包含分散在聚合物基质中的氟化有机质子导体。氟化有机质子导体可以赋予导电性，并且经选择以与聚合物基质化学相容，以提供氟化有机质子导体在聚合物中的高溶解度。在一个实施方案中，有机质子导体可以包含氟化磺酸或氟化磺酰胺。在一些实施方案中，氟化有机质子导体可以是以下中的一种或多种：十七氟辛烷磺酸(Hepta)、双-三氟甲烷磺酰亚胺(双)、N-(2,6-二乙基苯基)-1,1,1-三氟甲烷磺酰胺、N-苄基三氟甲烷磺酰胺、N,N-环己烷-1,2-二基双(1,1,1-三氟甲烷磺酰胺)和全氟(2-乙氧基乙烷)磺酸和N-乙基全氟辛基磺酰胺。聚合物基质中还可以包括各种添加剂。在Chapples等人于2001年7月27日提交的美国专利申请公布2004/0026246中提供了固体电解质的附加细节，其全部内容以引用方式并入本文。

固体电解质103还可以包含一种或多种固体电解质103材料。例如，如果待检测的气体是CO2和/或湿气，那么固体电解质103可以是氧化镧、即La2O3。根据需要，固体电解质可以是La2O3层或掺杂有La2O3的材料层(例如诸如二氧化硅)。其他固体电解质材料可以包括但不限于氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、K2CO3、Na1+xZr2SixP3-xO12、β-Al2O3(Na2O.11Al2O3)、Li3PO4、LISICON(Li2+2xZn1-xGeO4)、锂磷氮氧化物、Li2CO3-MgO、Li2SO4、Li4SiO4、Li14ZnGe4O16、γ-Li3.6Ge0.6V0.4O4、Li3N、Li-β-氧化铝Li1-xTi2-xMx(PO4)3(其中(M＝Al、Sc、Y或La))、LGPS(Li2GeP2S12)和LixLa(2-x)/3TiO3。可以使用金属掩模来将固体电极103设置在衬底102上，或通过沉积工艺诸如热沉积、溅射、丝网印刷、溶胶-凝胶工艺、化学气相沉积、原子层沉积、喷墨印刷等直接地设置在期望部分处。

毛细管113可以穿过衬底102设置，以提供环境气体与电极104、106和电解质103中的一者或多者之间的流体连通。毛细管113可以具有选定的直径，以提供穿过衬底到达电极104、106和/或电解质103中的一者或多者的期望的扩散速率。毛细管113的直径可以大于大约0.5微米(μm)、大于大约1μm、大于大约5μm、大于大约10μm、大于大约20μm、大于大约40μm、大于大约50μm、大于大约60μm、大于大约70μm或大于约80μm。在一些实施方案中，毛细管113的直径可以小于大约200μm、小于大约150μm、小于大约100μm、小于约80μm或小于大约60μm。在一些实施方案中，毛细管113的直径可以在从毛细管直径下限中的任一者扩展到毛细管直径上限中的任一者的范围内。可以使用任何已知的技术穿过衬底102来形成毛细管113，所述技术包括化学蚀刻、钻孔(例如，机械钻孔、激光钻孔等)或任何其他合适的技术。

可以穿过衬底102来形成毛细管113，以与电极104、106中的一个或多个电极对准。在一个实施方案中，毛细管13可以提供到感测电极104的扩散通路。感测电极104可以延伸穿过毛细管113的开口，或者感测电极104可以具有开口以提供使目标气体穿过毛细管并接触电解质103的路径。在一些实施方案中，可以存在穿过衬底102的多个毛细管。

密封剂112可以放置在感测组件122的部件之上，以密封感测组件122与使其与环境隔开。密封剂112可以放置在电极104、106和电解质103之上。在一些实施方案中，可以在电解质103与密封剂112之间包括任选的水合层。密封剂112可以围绕电极104、106和电解质103延伸一定距离，该距离足以在部件之上提供密封以使其与衬底102隔开。然后，毛细管113可以是用于将目标气体传送到电极104、106和电解质103的唯一端口。

密封剂112可以包括适于结合到衬底并将电解质103保持在衬底102上的适当位置的任何材料。密封剂112可以包括聚合物材料(例如，环氧树脂、树脂、热固性聚合物、热聚合物等)或焊料，并且/或者硅橡胶或其他聚合物材料也可以用作密封剂112。

在一些实施方案中，密封剂112可以包括聚对二甲苯层、硅层或其任何组合。派瑞林，即聚(对二甲苯)的示例可以包括“派瑞林N”或其取代的衍生物，诸如“派瑞林C”和“派瑞林D”。派瑞林“C”涂层是氯原子被取代成其结构的对二甲苯。使用化学气相沉积(CVD)工艺来施用对二甲苯的“C”变体，这在0.1托的压力下可能不需要涂层的“视线”。存在可能是合适的许多其他聚对二甲苯衍生物，包括派瑞林AM、AF、SF、HT、X、E、VT、CF等。

其他疏水性、耐化学性涂层也可以用作本文所述的实施方案中的任一实施方案中的的密封剂112。一般来讲，可以使用用作对无机溶剂和有机溶剂、强酸、苛性碱溶液、气体和水蒸气的良好屏障的任何材料。当传感器用于检测氧泵配置中的氧时，密封剂112还可以允许氧的充分扩散，以允许氧在反电极处生成时逸出传感器。如果氧不能在氧传感器中逸出，例如如果使用完全地密封的屏障，那么参考电位可以漂移并且/或者反电极106可以将其机制改变为进行析氢而不是氧还原，以便传递所需的传感器电流。这些效果都不是期望的。用于氧传感器的合适的阻挡材料可以包括具有高氧与水传输比的那些，例如氟化聚合物(例如PTFE等)或聚合物诸如聚丙烯、聚乙烯等。在电解质含有吸湿材料诸如强硫酸作为加湿材料的情况下，除非这可以从阻挡材料中隔离出，否则后者在非常干燥的条件下可能在存在的高酸浓度的情况下也需要化学稳定。

密封剂112的其他特征可以包括展现出具有高拉伸应变和低介电常数的电隔离、无微孔和无针孔、呈现出热和机械稳定性、具有非常低气体渗透性以及展现出高电阻抗。密封剂112可以沉积在硅层之上。密封剂112可以在直接地覆盖包括一种或多种固体电解质的电解质的硅层的外表面上。密封剂112可以具有合适的厚度，并且在一些实施方案中，密封剂112可以具有大约1微米至大约50微米的厚度。在另一个实施方案中，密封剂112可以包括小于大约10微米的厚度。

密封剂112可以包括柔性或柔顺材料，诸如硅橡胶和/或聚对二甲苯，以适应电解质103中的任何体积变化。固体电解质103可以取决于周围环境的湿度而吸收湿气和/或失去湿气。密封剂112的厚度可取决于密封剂112的组成和通过密封剂112的可接受的流体损失。密封剂层112可以足够厚，使得电解质103的一种或多种组分的扩散速率低于可接受的阈值。

如图1所示，陶瓷衬底102的使用可以允许使用标准制造技术来形成部件中的一个或多个部件，如下面更详细地描述的。在一些实施方案中，引线110可以穿过一个或多个通孔或孔形成在衬底102的任一表面上。如图所示，耦接到反电极106的引线110可以形成在反电极106与衬底102的第一表面之间。然后，引线110可以在连接到各种部件之前穿过通孔到达衬底102的第二表面。如图1所示，引线110可以穿过第二通孔以接触控制电路504。此类配置可以防止引线110与电解质103直接接触，在一些实施方案中，这可能是有益的。此类配置还可以允许密封剂112围绕电极104、106直接地接触衬底102，这可以帮助减少从传感器组件122逸出的湿气的量，这可以在围绕穿过密封剂112的任何连接和/或在密封剂112与衬底102之间的泄漏点处发生。

图2示出了集成传感器组件100的顶部平面图，集成传感器组件包括衬底102，衬底具有设置在其上的传感器组件122，除此之外还有各种电路，诸如控制电路504、一个或多个附加传感器或测量仪506、恒电位器502、包括例如处理器510和/或存储器512的操作和控制电路504、通信电路508等。各种电路和部件可以与下面在图5中描述的部件相同或类似。在该实施方案中，衬底102是各种部件共用的。可以按需要来在衬底中形成附加通孔或贯穿孔，以提供穿过衬底的电连接作为电路板的一部分。焊料和其他元件可以用作板形成工艺的一部分以及用于将外部电路耦接到衬底的连接装置。

在一些实施方案中，多于一个传感器组件122可以设置在单个衬底102上。例如，可以在单个衬底102上形成多个单独传感器组件122，每个传感器组件被设计成检测相同或不同的目标气体。多个传感器组件122可以使用相同的电路，诸如相同的控制电路，或者另选地，可以为每个传感器组件提供单独电路。

可以使用任何合适的制造工艺来形成集成传感器组件100。参见图1和图2，用于生产传感器组件100的制造工艺可开始于提供衬底102。可以穿过衬底形成一个或多个毛细管113。如果多于一个感测组件122与集成传感器组件100一起使用，那么可以在初始工艺中在衬底102上的适当位置形成对应的毛细管。穿过衬底102的任何通孔或其他孔也可以形成在衬底102中。

在下一步骤中，然后可以在衬底102上形成任何印刷电路板轨道，诸如引线、部件之间的电连接、接口引线、PCB轨道、边缘连接器、通孔等。可以使用半导体制造技术或工艺来在衬底上直接地制造包括电阻器、电容器等的附加部件。此类工艺可以使用掩模工艺、丝网印刷、蚀刻、电沉积或任何其他合适的工艺来形成印刷电路板轨道。在一些实施方案中，厚膜丝网印刷可以用于在衬底102上形成各种部件。一旦形成适当的部件，就可以使用焊料、引线结合或其他印刷电路板连接技术来将任何外部部件耦接到衬底。由于这些工艺通常涉及施加热和使用可能污染传感器材料(例如，电极、电解质、密封剂等)的化学物质，因此可以在形成一个或多个感测组件122之前形成集成传感器组件100的各个部分。

一旦已形成板的部分，就可以使用膜沉积、丝网印刷、油墨印刷或本文所述的其他技术中的任一种来沉积电极。然后可以配制电解质并将该电解质施用在电极之上。作为最后步骤，可以将密封剂施用在感测组件122之上以密封电极104、105、106和电解质103。如果存在水合层，那么可以在沉积密封剂之前将水合层施用在电解质之上。如果需要固化密封剂或任何其他组分，那么可以进行固化步骤。然后，一个或多个感测组件122和集成传感器组件100可以准备好进行使用。集成传感器组件100可以结合到更大的封装件或设备中或者用作独立部件。

虽然描述为以特定顺序制造，但是制造工艺可以以不同的顺序或使用不同的制造技术而进行。例如，在形成传感器组件122之后(例如，在将集成传感器组件100结合到更大的电子组件等中之前或同时)，可以将耦接到板的任何外部部件联接到板。

可以组装和压缩和/或加热电化学传感器以附接传感器122的部件层。典型的电化学传感器可能经历电解质泄漏到衬底102中并穿过该衬底中的毛细管113泄漏到传感器100的其他区域，这可能部分地由在传感器122的组装期间施加在衬底102上的压力而导致。例如，压力可能导致电极104损坏，以允许电解质103进入毛细管113。另外，如果电解质103经由毛细管113泄漏，那么电解质103可能耗尽并变干，以导致传感器122不再起作用。

现在参见图3A，可以经由毛细管113发生到电极108的气体扩散300，如上所述。在一些实施方案中，传感器122的厚度302可以介于约0.8毫米至2毫米(mm)之间。在一些实施方案中，传感器122的厚度302可以大于约0.5mm。

图3A中所示的电极104可以类似于传感器122内的其他电极。电极104与毛细管113接触的区域可以暴露于气体扩散130，其中气体扩散130也可以在电极104本身内发生。在传感器的组装期间，由于施加到电极104和/或衬底102的压缩，毛细管113与电极104之间的接触点可以产生高应力点。如上所述，电极104可能在与毛细管113的接触点附近被损坏或破坏，从而允许电解质103泄漏到毛细管113中。

参见图3B，在本公开的实施方案中，可以减小毛细管113的直径以减小在电极104与毛细管113之间的接触点处作用在电极104上的应力。然而，当毛细管113的直径减小时，电极104暴露于气体扩散130的表面积随后减小。因此，可以增加毛细管113的数量以补偿毛细管直径的减小(如图3所示)。可以调节毛细管113的直径和量以调谐传感器灵敏度。

通过减小直径和增加毛细管113的量，可以控制气体扩散300进入传感器的速度，这将允许控制传感器的灵敏度。另外，位于毛细管113与电极104之间的接触点处的扩散点比图3A中所示的那些更好地分布在电极104上，这提高了催化剂活性的利用率。毛细管113的直径的减小可以改善由衬底102提供给电极104的支撑，从而防止损坏电极104并防止电解质103经由毛细管113泄漏。作为一个示例，可以通过将毛细管113的直径从约150μm减小到小于约30μm来修改衬底102。

现在参见图4A和图4B，示出了图3A和图3B中所示的传感器122的顶视图。毛细管113被示出为在电极104、106下方。如上面在图3A和图3B中所示，图4A中所示的毛细管113的直径404可减小到较小直径404，如图4B所示。图4A和图4B中所示的毛细管113的数量和图案是示例，其中取决于毛细管113的尺寸、传感器122的尺寸和传感器122的预期用途，可以使用任何数量或图案的毛细管。

在一些实施方案中，衬底102的一侧的长度402(或整个传感器122的长度)与毛细管113中的一个毛细管的直径404的比率(或长度402/直径404)可以大于约30。衬底102的一侧的长度402与毛细管中的一个毛细管的直径404的比率可以大于约50。衬底102的一侧的长度402与毛细管中的一个毛细管的直径404的比率可以大于约100。衬底102的一侧的长度402与毛细管中的一个毛细管的直径404的比率可以介于约50与约400之间。

在一些实施方案中，传感器122的厚度302(图3A至图3B中所示的)与毛细管113中的一个的直径404(或厚度302/直径404)的比率可以大于约20。传感器122的厚度302与毛细管113中的一个毛细管的直径404的比率可以大于约50。传感器122的厚度302与毛细管113中的一个毛细管的直径404的比率可以大于约60。传感器122的厚度302与毛细管113中的一个毛细管的直径404的比率可以介于约20与约80之间。

图5示出了在较大电路的上下文中的传感器100。该电路可以包括电路板501，该电路板可以包括与传感器分开的部件、壳体的一部分，或在一些实施方案中是衬底的延伸部，使得传感器100形成在单个衬底上，其他部件也设置在衬底上。在该实施方案中，引线110可以延伸穿过壳体的壁，并且接触各种外部电路，诸如各种感测电路506(例如，传感器、测量仪等)、恒电位器502、操作和控制电路504、通信电路508等。传感器和测量仪可以包括附加传感器，诸如温度传感器和/或压力传感器，这可以允许补偿传感器100的输出，使得在传感器100本身处或附近进行补偿测量。此外，传感器电路506在传感器100处或附近的定位可以允许检测较小电流而不干扰较长电导体中的电阻、电流损耗或电噪声。控制电路504可以包括处理器510和存储器512，以用于执行各种计算和控制功能，这些计算和控制功能可以在软件或硬件中执行。通信电路508可以允许将整个传感器结果或读数传送到外部源，并且可以包括使用例如板上触点的有线通信或使用在各种通信协议下操作的收发器的无线通信(例如，WiFi、蓝牙等)两者。在一些实施方案中，传感器100可以是电耦合到外部操作电路的单独部件。

在第一实施方案中，电化学传感器可以包括：衬底；多个电极，该多个电极设置在衬底的第一表面上；电解质，该电解质设置在多个电极中的每个电极的至少一部分之上；和一个或多个毛细管，该一个或多个毛细管穿过衬底设置，其中一个或多个毛细管被配置为提供目标气体从壳体的外部传递到多个电极中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中衬底的长度或宽度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约30。

第二实施方案可以包括根据第一实施方案所述的电化学传感器，其中一个或多个毛细管包括穿过衬底设置的多个毛细管。

第三实施方案可以包括根据第一实施方案或第二实施方案所述的电化学传感器，其中衬底具有介于大约10μm至大约10mm之间的长度或宽度。

第四实施方案可以包括根据第一实施方案至第三实施方案中任一项所述的电化学传感器，其中毛细管具有介于大约0.5μm和大约30μm之间的直径。

第五实施方案可以包括根据第一实施方案至第四实施方案中任一项所述的电化学传感器，其中传感器具有介于约0.2mm和大约2mm之间的厚度。

第六实施方案可以包括根据第一实施方案至第五实施方案中任一项所述的电化学传感器，其中衬底的长度或宽度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约50。

第七实施方案可以包括根据第一实施方案至第六实施方案中任一项所述的电化学传感器，其中衬底的长度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约100。

第八实施方案可以包括根据第一实施方案至第七实施方案中任一项所述的电化学传感器，其中传感器的厚度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约20。

第九实施方案可以包括根据第一实施方案至第八实施方案中任一项所述的电化学传感器，还包括密封剂，该密封剂施用在电解质之上，其中一个或多个毛细管是位于外部环境与多个电极之间的唯一流体连通通路。

第十实施方案可以包括根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的电化学传感器，其中一个或多个毛细管中的至少一个毛细管包括在衬底的第一表面上的开口，并且其中开口被多个电极的感测电极围绕。

在第十一实施方案中，形成电化学传感器的方法可以包括：穿过衬底形成一个或多个毛细管，其中衬底的长度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约50；在衬底的第一表面上形成多个电极；将电解质设置在多个电极中的每个电极的至少一部分之上；以及密封多个电极和电解质以使其与外部环境隔开，其中一个或多个毛细管形成位于外部环境与多个电极之间的唯一开口。

第十二实施方案可以包括根据第十一实施方案所述的方法，其中密封多个电极和电解质以使其与外部环境隔开包括将密封剂施用在多个电极之上。

第十三实施方案可以包括根据第十一实施方案或第十二实施方案所述的方法，其中形成一个或多个毛细管包括穿过衬底以某个图案形成多个毛细管。

第十四实施方案可以包括根据第十一实施方案至第十三实施方案中任一项所述的方法，其中形成多个电极包括在第一表面上形成与一个或多个毛细管中的至少一个毛细管的开口相邻的至少一个电极，其中至少一个电极围绕一个或多个毛细管中的至少一个毛细管的开口设置。

第十五实施方案可以包括根据第十四实施方案所述的方法，其中将电解质设置在多个电极的至少部分之上包括将电解质设置在在开口之上的至少一个电极上。

在第十六实施方案中，电化学传感器可以包括：衬底；多个电极，该多个电极设置在衬底的第一表面上；电解质，该电解质设置在多个电极中的每个电极的至少一部分之上；和多个毛细管，该多个毛细管穿过衬底设置，其中毛细管被配置为提供目标气体从壳体的外部传递到多个电极中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中传感器的厚度与毛细管的直径的比率大于约20。

第十七实施方案可以包括根据第十六实施方案所述的电化学传感器，其中多个毛细管中的至少一个毛细管包括在衬底的第一表面上的开口，并且其中开口被多个电极的感测电极围绕。

第十八实施方案可以包括根据第十六实施方案或第十七实施方案所述的电化学传感器，其中多个毛细管中的至少一个毛细管包括在衬底的第一表面上的开口，并且其中开口被多个电极的反电极围绕。

第十九实施方案可以包括根据第十六实施方案至第十八实施方案中任一项所述的电化学传感器，其中衬底包括硅、氮化硅、氧化硅、掺杂硅或其任何组合。

第二十实施方案可以包括根据第十六实施方案至第十九实施方案中任一项所述的电化学传感器，其中衬底的长度或宽度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约30。

尽管上文已经示出和描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但在不脱离本公开的实质和教导的情况下，本领域的技术人员可以对其作出修改。本文所述的实施方案仅是代表性的而并非意在进行限制。许多变化、组合和修改都是可能的，且在本公开的范围之内。由于合并、整合和/或省略一个或多个实施方案的特征而引起的替代实施方案也在本公开的范围之内。因此，保护范围不受上面给出的描述的限制，而是由以下的权利要求限定，该范围包括权利要求书的主题的所有等价物。每一项权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，且权利要求书为一个或多个本发明的一个或多个实施方案。此外，任何上述优点和特征可涉及特定实施方案，但不应将这些公布的权利要求书的应用限制为实现任何或所有以上优点或具有任何或所有以上特征的方法和结构。

另外，本文所使用的章节标题是为了与37C.F.R.1.77的建议一致或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可以从本公开公布的任何权利要求书中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题可能是指“技术领域”，但权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的领域。此外，“背景技术”中的技术的描述不应被解读为承认某项技术是本公开中的任何一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不应被认为是在公布的权利要求中所阐述的一个或多个发明的限制性表征。此外，本公开中对单数的“发明”的任何提及不应被用于证明在本公开中仅有一个新颖点。根据从本公开公布的多个权利要求的限制，可以阐述多个发明，并且这些权利要求相应地限定了由其保护的一个或多个发明及其等同形式。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开按照权利要求自身的优点来考虑，而不应受到本文所陈述的标题的限制。

应当理解，使用广义的术语如“包含”、“包括”和“具有”提供对狭义的术语如“由…组成”、“基本上由…组成”和“基本上由…构成”的支持。针对实施方案的任何元件使用术语“任选地”、“可”、“可能”、“有可能地”等意指该元件是不需要的，或者另选地，该元件是需要的，两种替代方案均在一个或多个实施方案的范围之内。另外，对示例的提及仅仅用于说明目的，并非意在是排他性的。

尽管本公开中提供了若干实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的实质或范围的情况下可以通过许多其他具体形式来体现所公开的系统和方法。本发明示例应被认为是例示性的而非限制性的，并且本发明并非局限于本文中给出的细节。例如，可以将各种元件或部件结合或集成到另一个系统中，或者可以省略或不实现某些特征。

此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在各个实施方案中被描述和示出为分立或独立的技术、系统、子系统和方法与其他系统、模块、技术或方法结合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦接或通信的其他项可以通过一些接口、设备或中间部件间接耦接或通信，而不论是通过电、机械还是其他方式进行这种耦接或通信。本领域技术人员可确定并且在不脱离本文所公开的实质和范围的情况下可以作出变化、替换和变更的其他示例。

Claims (15)

1.一种电化学传感器(100)，包括：

衬底(102)；

多个电极(104,105,106)，所述多个电极设置在所述衬底(102)的第一表面上；

电解质(103)，所述电解质设置在所述多个电极(104,105,106)中的每个电极的至少一部分之上；和

一个或多个毛细管(113)，所述一个或多个毛细管穿过所述衬底(102)设置，其中所述一个或多个毛细管(113)被配置为提供目标气体从所述传感器的外部传递到所述多个电极(104,105,106)中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中所述衬底(102)的长度或宽度与所述一个或多个毛细管(113)的直径的比率大于约30。

2.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述一个或多个毛细管(113)包括穿过所述衬底(102)设置的多个毛细管(113)。

3.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述衬底(102)具有介于大约10μm至大约10mm之间的长度或宽度。

4.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述一个或多个毛细管(113)具有介于大约0.5μm和大约30μm之间的直径。

5.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述传感器(100)具有介于约0.2mm和大约2mm之间的厚度。

6.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述衬底(102)的所述长度或所述宽度与所述一个或多个毛细管(113)的所述直径的所述比率大于约50。

7.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述衬底(102)的所述长度与所述一个或多个毛细管(113)的所述直径的所述比率大于约100。

8.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述传感器(100)的所述厚度与所述一个或多个毛细管(113)的所述直径的比率大于约20。

9.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，还包括密封剂(112)，所述密封剂施用在所述电解质(103)之上，其中所述一个或多个毛细管(113)是位于外部环境与所述多个电极(104,105,106)之间的唯一流体连通通路。

10.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述一个或多个毛细管(113)中的至少一个毛细管包括在所述衬底(102)的所述第一表面上的开口，并且其中所述开口被所述多个电极的感测电极(104)围绕。

11.一种形成电化学传感器的方法，所述方法包括：

穿过衬底形成一个或多个毛细管，其中所述衬底的长度与所述一个或多个毛细管的所述直径的所述比率大于约50；

在所述衬底的第一表面上形成多个电极；

将电解质设置在所述多个电极中的每个电极的至少一部分之上；以及

密封所述多个电极和所述电解质以使其与外部环境隔开，其中所述一个或多个毛细管形成所述外部环境与所述多个电极之间的唯一开口。

12.根据权利要求11所述的方法，其中密封所述多个电极和所述电解质以使其与所述外部环境隔开包括将密封剂施用在所述多个电极之上。

13.根据权利要求11所述的方法，其中形成一个或多个毛细管包括穿过所述衬底以某个图案形成多个毛细管。

14.根据权利要求11所述的方法，其中形成所述多个电极包括在所述第一表面上形成与所述一个或多个毛细管中的至少一个毛细管的开口相邻的至少一个电极，其中所述至少一个电极围绕所述一个或多个毛细管中的所述至少一个毛细管的所述开口设置。

15.根据权利要求14所述的方法，其中将所述电解质设置在所述多个电极的至少所述部分电极之上包括将所述电解质设置在所述开口之上的所述至少一个电极上。