CN110462392A - 具有改进的准确度和速度的电化学气体传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种用于感测气体的电化学单元，其为工作电极添加机械支撑以防止所述工作电极归因于压差而发生屈曲。所述添加的机械支撑包含：1)将所述工作电极的较大区域附连到所述单元的主体；2)通往所述主体的腔以均衡压力的排气口；3)邻接所述工作电极的后表面的刚性电解质层；4)将粘附剂深入灌注到多孔工作电极的侧部中以增强刚度；5)用刚性封装体支撑所述工作电极的相对表面；和6)使所述工作电极更具刚性的其它技术。还描述一种偏压电路，其使用可控电流源、变化电流的积分器，以及用于将电压供应到反电极并且将偏压电压供应到参考电极的反馈电路。

Description

具有改进的准确度和速度的电化学气体传感器系统
相关申请的交叉引用
本申请案是基于并且主张Jim Chih-Min Cheng等人2017年2月15日申请的第62/459,597号美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案转让给本发明受让人并且以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及电化学单元结合感测电路来感测和识别气体，且特定来说，涉及用于减小工作电极的屈曲的技术和改进的偏压电路。
背景技术
随着工业化和自然源促使地球大气层急剧改变，以及家庭和城市污染源的数目急剧增加，对准确和连续空气质量监测的需求已变得为识别来源并且警告消费者即将发生的危险所必需。进行实时监测和暴露评估(exposure assessment)的实质是提供可集成到最广泛范围的平台和应用中的低成本、小外观尺寸且低功率的装置。
存在多种感测例如气体等相异低密度材料的方法。常见方法包含气相色谱法、非色散红外光谱法(NDIR)、使用金属氧化物传感器、使用化敏电阻器以及使用电化学传感器。本发明涉及电化学传感器。电化学传感器的操作原理是众所周知的并且汇总于以下综述中：http://www.spec-sensors.com/wp-content/uploads/2016/05/SPEC-Sensor-Operation-Overview.pdf，其以引用的方式并入本文中。
从根本上来说，在电化学传感器中，多孔传感器电极(也被称作工作电极)接触适合的电解质。气体渗透电极并且接触电解质。传感器电极通常包括与目标气体反应的催化金属和释放或接受电子的电解质，其当电极被恰当地加偏压时且当结合适当的反电极使用时者电解质中产生特性电流。电流通常与接触传感器电极的目标气体的量成比例。通过使用适合于待检测的特定气体的传感器电极材料和偏压，可从感测电流确定周围大气中的目标气体的浓度。
电化学单元对特定气体的敏感度可受偏压电压施加于所述单元的影响。因此，通过将一组不同的偏压施加到电化学单元，并且将所记录的信号与对应于个别已知气体的那些信号特性的信号库(在查找表中)进行比较，有可能确认传感器的环境中的多种气体的存在、其间的区别并且量化所述多种气体的发生率。通过使施加到所述单元的偏压连续并且快速斜变，单个电化学单元可快速区分其环境中的多种气体。经由电势斜变方案识别受控环境(例如实验室的受控环境)中的分析物在所属领域中已知为“伏安法”。然而，所属领域中已知的电化学感测系统在可运行伏安法的速度方面受到限制，这是因为电化学单元的组合具有大电阻-电容(RC)时间常数且驱动电子装置具有长稳定时间，从而造成伏安法测量花费高达20分钟或甚至更多时间。典型的是以每秒仅数毫伏的方式使偏压电压斜变。
在这类测量在高度受控制环境中执行的情况下，这类长数据收集时间毫无意义，这是因为可以在所述时间段内控制测试条件。然而，在受控制的实验室环境外部，所述单元的环境条件在这类延长的数据收集时段的进程内可显著地改变。举例来说，在日常消费者用例中，环境相对湿度、环境温度和分析物气体的环境混合物和浓度可在这类延长的数据采集时段内显著地改变。所有这些因素结合在电化学单元上运行伏安法所固有的电子漂移一起造成数据分析无意义。此外，如果气体传感器预期检测危险气体，那么长的延迟时间可造成有害效应。
因此，对于这类消费者应用，例如在申请人的美国专利申请案序列号15/598,228中所描述，需要具有小外观尺寸以及因此小时间常量的电化学气体传感器，以及实现短稳定时间的新型驱动电路。这类系统使得能够在数秒或更少的时段内执行伏安法。在这类时间尺度内，在其中可存在所述单元的大部分不受控制的消费者环境中的环境条件基本上不变，从而使得能够在基本上不受控制的环境中执行伏安法，同时还提供足以实现准确电化学分析的数据质量。
变化的偏压电压可为正弦形的或具有另一波形。常见的是经由输出变化的电压的数/模转换器(DAC)供应可变偏压电压。这类输出归因于DAC输出的经量化性质而含有离散步长，且因此存在高dv/dt。可使电化学单元中的偏压斜变的速率受所述单元的电容，以及在到所述单元的偏压斜变逐步施加期间在所述单元内发生电流峰值等因素限制。通过方程式i＝C dv/dt描述所述单元的电容性质对在电压阶跃期间发生的电流峰值的影响。过量瞬变电流可导致所述单元损坏。在特定方案中，所述单元的精确测量需要瞬变电流在很大程度上衰减以使得所述单元输出在处于其稳态条件中时被测量。因此，通常在电压阶跃施加到所述单元所处的点与测量所述单元的工作电极处产生的电流所处的点之间发生稳定时间。这限制可施加所述单元的偏压扫描的速率。使所述单元的电容和所述单元内的电流峰值的发生率最小化允许使可执行伏安法的速率最大化，因此使传感器的性能最大化。
电子噪声也是电化学传感器中的影响所述传感器可达成的准确度和速度的重要问题。已知电化学传感器归因于大电极和电解质而拾取60Hz和多种RF噪声。商用系统可通过使遮蔽壳体围绕传感器，使用电池为传感器供电，并且使用信号处理滤除噪声，使噪声降到最小。然而，归因于使噪声降到最小所需的附加电子装置，有噪声环境通常仍会限制电化学系统的准确度和系统的大小。这归因于可在由于为减少噪声需要添加例如电阻器和电容器等额外电路元件引起的阶梯跃变期间发生的较高电流峰值和较长稳定时间，影响可执行伏安法的斜变所处的速率。
另外，工作电极的任何屈曲改变其电特性。可归因于气体压力波动而发生屈曲。归因于电极中的小孔隙大小累积的压力也可改变电极内部的三相界面的位置/构型，这可影响传感器的敏感度。三相界面是气体扩散电极的关键方面并且形成于气体、固体和液体(即，气体/电极/电解质)的结合界面处。压力的改变可影响三相界面的密度和形成三相界面的位置。
因此，需要用于气体的采用不具有高dv/dt特性的变化偏压信号的电化学传感器系统。还需要较不易受噪声影响的电化学传感器。另外，需要其中工作电极不会归因于改变的气体压力而发生显著屈曲的电化学传感器以在改变的环境中获得稳定性。此外，期望与可在短时间内快速检测到多种不同气体的低电容气体传感器一起使用的控制方法。
发明内容
公开一种扫描偏压电压产生器，其将变化的偏压电压施加到电化学传感器，其中所述偏压电压可为正弦形或斜变的且无任何阶跃，因此是连续的。因此，归因于i＝C dv/dt可忽略电流峰值。因此，需要极少或不需要稳定时间，且传感器可具有对改变的环境气体的极快速响应。
为使工作电极的屈曲降到最小，公开工作电极的机械支撑特征，其防止工作电极归因于改变的气体压力而变形。另外，描述均衡工作电极的相对表面上的气体压力以防止屈曲的结构结构。
为使电子噪声降到最小，将导体和金属屏蔽件嵌入于传感器主体(例如，经模制陶瓷)的壁中，防止噪声对系统的影响。嵌入导体和屏蔽件保护金属并且防止归因于电解质(例如，酸)接触和环境暴露的腐蚀。这还允许简化电路设计，允许最小集成电路大小(因此电路可与传感器集成在一起)，并且归因于较小噪声而允许简化后处理。
使用传感器模块包含空气质量(例如，一氧化碳)检测、气体暴露控制、有毒气体检测、呼气分析、工业工艺反馈等。
描述其它实施例和优点。
附图说明
图1说明根据本发明的一个实施例的耦合到电化学单元的偏压电路。
图2是电化学单元的一部分的横截面，在所述部分中，工作电极(WE)在WE的大区域上附连到所述单元的刚性主体以防止WE屈曲。
图3是电化学单元的一部分的横截面，在所述部分中，刚性电解质层机械支撑WE的后表面以防止WE屈曲。
图4是电化学单元的一部分的横截面，在所述部分中，允许传入气体为主体中的腔加压以均衡WE的相对表面上的压力。
图5是电化学单元的一部分的横截面，在所述部分中，刚性电解质层机械支撑WE的后表面以防止WE屈曲，其中密封WE的侧部以防止气体从多孔WE的侧部排出，且其中还密封反电极(CE)的侧部以防止气体进入CE的侧部。
图6是电化学单元的横截面，其中刚性封装主体本身用以机械支撑WE的后表面以便防止屈曲。
图7是具有集成式屏蔽层和用于将信号路由到电极的导体的电化学单元的横截面。屏蔽层和导体完全围封于封装体的壁内。导体终止于金属垫中以用于接合到印刷电路板。
在各图式中相同或等效的元件标记有相同编号。
具体实施方式
图1说明电化学传感器模块10，其示出单元12和用于扫描偏压电压以允许单元12检测到不同类型的气体的偏压电路14。单元特征被设计成使得单元12可响应于不同偏压电压电平而检测不同类型的气体。以实际最快的速度扫描所述电压以更快速地识别目标气体的存在，所述目标气体可为有害气体。
从根本上来说，单元12含有腔16，其含纳接触工作电极(WE)18、反电极(CE)20和参考电极(RE)22的电解质。可针对用于气体检测的单元的不同变体而添加额外电极作为额外工作电极和反电极。RE 22提供参考电势可施加到所述单元所借助的装置。
单元12的主体包含允许正被感测的气体或大气扩散到多孔WE 18中的气体开口。在某些实施例中，所述开口部分或完全填充有多孔材料，所述多孔材料允许气体扩散到WE18中但阻挡液体或膏状电解质离开所述腔。
电极18/20/22可包括导电材料，例如碳，以及催化剂，例如钌、铜、金、银、铂、铁、钌、镍、钯、钴、铑、铱、锇、钒，或任何其它合适的过渡金属和其合金。所述催化剂经选择以便与一或多种特定气体反应。电极18/20/22对于电解质和待检测气体可为可部分渗透的，使得可在电极18/20/22的主体内发生电化学反应。
电解质可包括离子材料，例如酸。电解质可为粘性的，例如凝胶，或可为灌注有机酸或无机酸的聚合物。
偏压电路14在WE 18、CE 20和RE 22之间施加电势。感测电路26感测在WE 18、CE20和RE 22之间传送的电流，并且报告感测的信号。感测电路26可包括跨阻放大器(TIA)以及能够将来自工作电极的所感测信号转换成数字表示的模/数转换器(ADC)。通过例如使得能够报告出所校准气体浓度的微处理器来处理所述数字信号，算法可存储于所述微处理器上并且在所述微处理器上执行。感测电路26和其到电极的连接可为常规的。
在一实例中，当例如一氧化碳(CO)等有毒气体接触WE 18(感测电极)时，将在WE18上通过与空气中的水分子化学反应而发生CO气体的氧化。通过恒电势电路连接WE 18和CE 20将允许WE 18上所产生的质子(H+)穿过电解质(离子导体)朝向CE 20流动。另外，所产生的电子穿过恒电势电路移动到CE 20。将在CE 20上发生与氧气反应以重整水。通过测量WE 18所述CE 20之间的电流电平，电化学单元12可检测空气中的目标气体(例如，CO)的浓度。这通常在单个偏压点处进行。传统上，使用不同类型的电极和不同偏压电压检测不同类型的气体。
图1说明根据本发明的一个实施例的与电化学单元一起使用的偏压电路(恒电势器)。偏压电路将可变偏压信号供应到RE 22。
将数字控制信号施加到电流源28的输入，所述电流源28将数字代码转换成模拟电流。数字代码可为恒定或变化的。变化的数字代码可致使电流源28输出大体正弦形电流。经由输入电阻器30将电流施加到op amp 32的反相输入。归因于反馈电容器34连接于输出与反相输入之间，将op amp 32作为积分器进行连接。非反相输入连接到接地。反馈用以致使反相输入与非反相输入之间的电势大约等于零伏特。输入电流的积分在op amp 32的输出处产生连续信号，即使电流源28的输出可为步进式的。op amp 32的输出随电流源28输出的电流而连续变化。通过电流源28供应正电流会减小op amp 32的输出处的电势，且提供负电流会增加所述输出处的电势。提供零电流将维持恒定输出电压。op amp 32的输出是输入电流的反向积分(积分的180°相移)。输入处的阶跃函数不致使op amp 32的输出电压的不连续性。
接着经由电阻器40将op amp 32的连续输出施加到op amp 38的反相输入，所述opamp 38的输出耦合到CE 20。op amp 38的非反相输入耦合到接地，且反馈环路尝试将反相输入与非反相输入之间的电势保持在零伏特。
RE 22耦合到另一op amp 44的非反相输入，所述op amp 44的反相输入耦合到其输出。op amp 44的输出经由电阻器46耦合到op amp 38的反相输入，op amp 38的非反相输入连接到接地，且反馈环路尝试将RE 22和op amp 38的反相输入之间的电势保持在零伏特。
op amp 44是单位增益放大器。在一阶上，op amp 44和其反馈环路对电路不具有影响。事实上，op amp并非理想的并且具有输入泄漏电流。输入泄漏电流通常进入op amp的反相输入的部分大于进入非反相输入的部分。op amp 44的作用是减小从RE 22吸取的输入泄漏电流。理想地，RE 22将偏压施加到电化学单元，但不吸取电流。如果确实因此，那么其影响所述单元的性能和状态。恒电势电路(基于op amp 38)通过改变通过CE 20驱动的偏压和电流来起作用以使得：(i)RE 22保持在施加于通往op amp 38的反相输入处的偏压电势，以及(ii)将支持在所述单元内在WE 18与CE 20之间发生的电化学反应所需的电流提供给所述单元。
因此，电化学单元12的RE 22在变化(例如，斜变)连续信号下经恰当加偏压以用于操作气体传感器。RE 22可在任何电压下被加偏压。所述电路允许CE 20的电势视需要变化，以使得所需电流能够在CE 20与WE 18之间流动。这被称为伏安法。所施加偏压中的不连续性抑制使得能够在最小化或完全消除可不利地影响性能的瞬变信号的情况下准确地控制传感器。可快速执行斜变以快速检测不受控制的环境中的一系列气体。不需要稳定时间。如果检测到危险气体，那么电路可用以产生告警或关断气体源。
电容器(未示出)可任选地耦合于RE 22与CE 20之间以滤除高频率信号。
可通过使电阻分压器连接于RE 22与op amp 38的反相输入之间来删除op amp44，其中电容器连接于电阻器节点与CE 20之间；或与电阻分压器并联。
存在检测传感器与目标气体的反应的各种方式。气体扩散到多孔WE 18中，在其中被氧化或减小。此电化学反应产生穿过外部感测电路26的电流。偏压电路14维持WE 18和RE22之间的偏压电压。在CE 20处，发生逆向半反应(counter half reaction)，使得在WE 18处产生或消耗的电子等于在CE 20处产生或消耗的电子。另外，应使CE 20而非WE 18暴露于环境，CE 20将运行正反应，而WE 18将运行逆反应。在气体感测时，很少使CE 20面对环境，不过已知此配置是可能的。
电流的量值受多少目标气体在WE 18处反应控制，使得来自传感器的输出与气体浓度线性地成比例。因此，感测电路26测量电流并且可执行分析以使电流与偏压电压以及当前正在测量的目标气体相关联。
由于偏压电路14受电流控制而非受电压控制，因此不存在归因于电容的电流峰值(因此无瞬变稳定时间)，且传感器可用以快速检测各种目标气体的存在。
在一个实施例中，电流源28和电组件经选择以使所施加偏压在1V和-1V之间变化。偏压电压也可大于1V，例如高达2.5V，并且小于-1V，例如降至-2.5V。一些目标气体(例如环氧乙烷)取决于所选择的电极/电解质组合而可能甚至需要更高偏压电平用于其氧化，而一些气体(例如一氧化碳)仅需要相对低偏压电平。一些气体甚至在多个偏压电平下氧化。可基于使WE 18处的气体做出反应所需的变化偏压电平来区分两种气体。在其中两种气体具有极其类似的偏压电平的更复杂情况下，可通过扫描数个偏压点产生更详细伏安图。
偏压电路14和传感器26可形成为单个集成电路。
整个传感器可使用小于10mm×10mm的占用面积。
还公开新型驱动方案。为识别单一气体，或多种混合气体，将多个偏压施加到RE22。由于在不同的所施加偏压下促进或抑止不同反应，因此有可能通过查看在施加多个偏压点期间记录的气体的“谱”来识别特定气体。
在存在多种气体的情况下，理论上，所记录的气体混合物的谱包括按比例缩放其相对浓度和敏感度的个别组分气体的谱的线性总和。通过将所捕获谱与气体谱的参考库进行比较，应可能识别存在的多种气体。
类似气体将在所记录的谱中具有类似峰值。举例来说，甲醇和乙醇包括类似化学键，因此可具有可在任何一个特定偏压扫描期间显著重叠的类似谱。虽然所属领域中已知的是改变施加到分析物的偏压的波形可改变所记录峰值的位置，但通常归因于可成功地施加到典型电化学系统的有限偏压斜变速率而在实际中难以实施。此原理已知用于液体光谱法应用，不过尽发明者所知，归因于有限硬件而未展示用于气体的电化学光谱法。因此，在电化学单元实现所施加偏压的快速斜变的情况下，有可能通过以超过并高于标准电化学系统中的能力的方式改变所施加偏压波形以及尤其偏压斜变速度dV/dt，更进一步地区分两种或更多种类似气体。
除了能够确定化学品的存在之外，伏安法使得能够确定电化学单元的相对湿度、温度和离子状态。已知这些因素影响电化学单元对所述单元暴露于的气体的敏感度。在标准和当前最新技术中，通常将所述因素中的一或多个捆绑到用以产生用于恰当补偿的必要波形的有限单元硬件和能力的漂移所得值的通用参数中。在不受控制的环境中但以大约数秒或更少的时间执行伏安法且其中所述单元的环境状态和内部状态因而基本上恒定的情况下，有可能在电化学单元还暴露于气体的时间确定所述单元的相对湿度、温度和离子状态。此数据因而可用以补偿这些因素对所述单元对气体的敏感度的影响，进而改进所述系统可识别和量化气体的用。
在受控制环境中的传感器校准期间收集的数据存储于局部查找表中，所述局部查找表例如与偏压电路和微处理器位于相同集成电路中。还存储对应于已知目标气体和环境条件的传感器特性(偏压电平、传感器电流等)。接着在扫描偏压电压时，使用所检测环境相对于校准数据的改变来确定环境和其它环境因素中的目标气体的浓度。可通过所检测湿气、温度等补偿气体读数以确定所述浓度。胜于在例如20分钟或更多的现有技术循环时间内扫描偏压，使用本发明的循环时间可小于一分钟。这使得能够在稳定环境期间快速检测多种气体。
对应于环境中的目标气体的检测的波形可包括重叠的气体信号。微处理器接着基于所存储数据和算法区分对应于重叠气体信号的不同气体。微处理器可执行为具有一组识别存在的气体的方程式的推理引擎。
另一传感器特征涉及减小或消除WE 18的任何屈曲的技术。WE 18在存在改变条件的情况下的屈曲将改变WE 18对目标气体的响应。起初在理想条件下执行校准，且传感器读数将在WE 18相对于其校准状态屈曲时发生的情况下偏斜。一个屈曲原因是WE 18的前表面和后表面上的气体压力差异。
图2是电化学单元的一部分的横截面图。WE 60示出为通过粘附剂63附连到所述单元的刚性主体62(例如，陶瓷)。所述单元的宽度和长度可为仅数毫米。主体62中的开口64允许环境气体接触WE 60。WE 60是多孔的，且气体渗透到接触WE 60的后表面的电解质(未示出)。电解质承载CE(未示出)和WE 60之间的电荷以产生有效地识别目标气体的存在的电流。
粘附剂63还充当气体密封。粘附剂63可为环氧树脂、硅酮、丙烯酸酯，或其它粘附剂，并且可例如经由包含导电金属、碳或其它颗粒而具导电性。如果粘附剂63导电，那么其可用以将WE 60电连接到导体，所述导体通向用于接合到印刷电路板的金属垫。WE 60的除气体开口64区域之外的整个前表面附连到刚性主体62，因此防止WE 60归因于温度波动和压差的屈曲。WE 60还形成为刚性的以防止在普通操作条件下的屈曲。气体横向扩散并进入WE 60，因此重要的是粘附剂63基本上不扩散到WE 60中。可通过印刷或压印到主体62上来施加粘附剂63。电解质可为接触WE 60的后表面的液体或凝胶，因此不提供对WE 60的大力机械支撑。
图3是另一电化学单元的一部分的横截面图，在所述部分中，WE 70和CE 72经由粘附剂76附连到所述单元的刚性主体74。粘附剂76可为导电的以将电极连接到主体74上的金属垫。主体74中的开口78允许环境气体扩散到WE 70中。不同于在图2中，粘附剂76仅施加到WE 70的周边部分。这允许气体进入WE 70和主体74之间的小密封腔以针对更快反应时间更早扩散到WE 70的较大区域中。粘附剂76阻挡气体接触CE 72。因此，粘附剂76本身基本上不会阻止WE 70屈曲。
通过接触WE 70和CE 72的后表面的极其刚性的电解质层80来阻止WE 70和CE 72屈曲。电解质层80可为刚性但多孔的聚合物，其灌注有离子材料，例如硫酸或磷酸。电解质层80足够厚和刚性以防止WE 70和CE 72在普通操作条件下屈曲。电荷在WE 70与CE 72之间自由移动穿过电解质层80以在恰当偏压条件下产生对目标气体的电流标志。电解质层80主要地形成电极之间的离子桥。电解质层80可扩散到多孔WE 70和CE 72中高达10微米或更大以用于良好接触。应注意，可在WE 70的相对表面上的气体之间存在压力差，且归因于电解质层80的刚度，这类压力差不足以使WE 70屈曲。
图4是电化学单元的一部分的横截面图，在所述部分中，归因于粘附剂86中的开口84，WE 82的后表面和前表面暴露于相同气体压力。粘附剂86可围绕WE 82的几乎整个周边延伸以用于良好机械支撑，但仅需要具有小开口以均衡气体压力。主体88可为陶瓷。由于目标气体89进入主体88的后腔90，必须用粘附剂或密封剂94(例如环氧树脂)使CE 92与后腔90密封开。电解质层96可为灌注有例如酸等电解质的多孔材料以用于输送WE 82和CE 92之间的电荷。电解质层96对于气体来说可为足够无孔的以便防止后腔90中的气体89扩散到电解质中并与WE 82的后表面反应。如果发生这类“后向”扩散，那么传感器将用长时间来对环境空气中的改变做出反应。
在图4的变型中，通过粘附剂86完全密封WE 82的底表面周边，且允许气体89横向扩散穿过高度多孔WE 82并且离开WE 82的边缘进入主体88的后腔90。此设计的缺点是后压力对改变的前压力缓慢做出反应。CE 92的侧部被密封剂94密封以防止气体扩散到WE 82的侧部之外并且与CE 92反应。
图5是另一电化学单元的一部分的横截面图，在所述部分中，多孔WE 100的侧部被例如环氧树脂的密封剂102密封，以防止气体离开所述侧部并且影响其它电极。如关于图4所描述，CE 92的侧部也被密封剂94密封。可在电极接合到主体88之前或之后，通过针施配、喷射、印刷或其它方法来施加侧部密封剂。替代地，侧部密封层可在其单分之前例如通过印刷施加到电极。在此情况下，电极侧部在接合到主体88之前被密封并且不需要进一步侧部密封。最后，电极可置于个别腔中以使其与彼此隔离。此基于腔的分离提供对增加电极的结构支撑的替代性方法。
密封电极的侧部还防止电极磨损。密封剂可以是任何适合的聚合物。
图6说明使WE 100机械稳定以防止屈曲的方式的另一实施例。除例如陶瓷的刚性主体88以外，图6可与图5相同，所述刚性主体88直接接触电解质层96的后表面，所述电解质层96与图3中的电解质层80一样也可为刚性的。这继而支撑接触电解质层96的前表面的WE100。因此，刚性封装本身用以机械支撑WE 100的后表面以便防止屈曲。
在所有实施例中，可在主体88中存在含纳至少一工作电极和反电极的单独腔。每一腔和相关联电极都是独立的并且可针对特定气体被加偏压。所有腔接纳环境气体且每一腔可专用于特定目标气体。电流传感器和微处理器可使用多路复用检测不同腔感测到的各种气体。
图7是具有集成式屏蔽层和用于路由信号的导体的电化学单元的横截面。围绕形成传导感测电流和偏压电压的导体104的引线框模制例如陶瓷的电介质主体105。导体104被主体材料复杂围封并且在主体105的内壁和外壁之间延伸。密封气体并且将电极附连到主体的粘附剂86可为导电粘附剂并且电接触WE 100。其它导体电连接到图外部的CE 92。沿着主体105的每一表面的所有导体104都可在同一平面中。在主体105的顶部暴露导体104以形成用于接合(例如焊接)到电路板的金属垫106。可使用任何数目个垫106。
感测电流具有小信噪比，因此导体104上的任何噪声都是显著的。通过可接地或浮动的金属屏蔽层108遮蔽导体104免受噪声。屏蔽层108围封于主体105中。屏蔽层108可取决于屏蔽要求而位于主体105的顶部、底部和侧部周围，以大体环绕导体104。屏蔽层108极大地减小耦合到偏压信号和传感器电流信号的外部噪声。
通过将导体104嵌入于主体105内，保护所述导体104免受电解质(例如，腐蚀性酸)和其它可能的损坏。这允许导体104由几乎任何类型的高度导电金属形成并且允许在主体105内有效地布设导体104。
虽然已示出和描述本发明的特定实施例，但所属领域的技术人员将显而易见的是，可在不脱离本发明和其更广泛方面的情况下做出改变和修改，且因此，所附权利要求书将本发明的真实精神和范围内的所有这类改变和修改涵盖在其范围内。

Claims (23)

1.一种电化学气体传感器，其包括：
主体，其含有一或多个腔；
电解质，其含纳于所述一或多个腔内；
多个电极，其处于所述一或多个腔的内侧上，所述电极接触所述电解质，所述电极包含多孔的第一电极；和
气体开口，其处于所述主体中以用于允许气体进入所述第一电极以致使发生化学反应，
所述第一电极支撑于所述腔内以基本防止所述第一电极归因于改变的气体压力而发生的屈曲。
2.根据权利要求1所述的传感器，其另外包括粘附剂，所述粘附剂大体覆盖所述第一电极的除气体入口区域之外的整个第一表面以用于将所述第一电极稳固地附连到所述主体。
3.根据权利要求1所述的传感器，其另外包括气体过道，所述气体过道允许经由所述第一电极的前表面进入所述第一电极的所述气体还进入所述腔，并且将气体压力提供到所述第一电极的相对后表面以大体均衡施加到所述前表面和所述后表面的气体压力。
4.根据权利要求3所述的传感器，其另外包括将所述第一电极附连到所述主体的粘附剂，所述粘附剂经图案化以将所述气体过道提供到所述腔中。
5.根据权利要求3所述的传感器，其中所述第一电极被配置成允许所述气体扩散到所述第一电极的侧部之外并进入所述腔。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述气体进入所述第一电极的前表面，所述传感器另外包括接触所述第一电极的后表面以机械支撑所述第一电极的大体刚性电解质层。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中密封所述第一电极的侧表面以防止所述气体离开所述第一电极的所述侧表面。
8.根据权利要求1所述的传感器，其另外包括所述腔内的多孔的第二电极，密封所述第二电极的侧表面以防止所述气体进入所述第二电极的所述侧表面。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述第一电极是工作电极且所述第二电极是反电极。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中通过所述第一电极的侧部灌注粘附剂以将机械稳定性添加到所述第一电极。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一电极相对于所述气体开口定位成将所述气体接纳到所述第一电极的前表面中，且所述电解质形成接触所述第一电极的后表面的电解质层，所述电解质层具有后表面，所述传感器另外包括：
机械支撑部分，所述电解质层处于所述第一电极与所述机械支撑部分之间，所述机械支撑部分接触所述电解质层的所述后表面以转而机械支撑所述第一电极。
12.根据权利要求10所述的传感器，其中所述电极层形成固体或凝胶电解质层。
13.根据权利要求1所述的传感器，其另外包括：
导体，从所述第一电极通到所述主体外部的金属垫，其中所述导体嵌入于所述主体内。
14.根据权利要求12所述的传感器，其另外包括处于所述导体的至少一部分与所述主体的外表面之间的金属屏蔽层，所述金属屏蔽层嵌入于所述主体内。
15.根据权利要求12所述的传感器，其中所述第一电极通过导电粘附剂附连到所述主体，所述导电粘附剂还围绕所述第一电极的至少一部分形成气体密封，所述导电粘附剂使所述第一电极电连接到所述导体。
16.一种电化学气体传感器，其包括：
主体，其含有一或多个腔；
电解质，其含纳于所述一或多个腔内；
多个电极，其处于所述一或多个腔的内侧上，所述电极接触所述电解质，所述电极包含多孔的第一电极；
气体开口，其处于所述主体中以用于允许气体进入所述第一电极以致使发生化学反应；且
所述主体支撑用于连接到外部电路的金属垫，所述金属垫耦合到导体，所述导体使所述金属垫电耦合到所述多个电极，所述导体完全围封于所述主体的壁内。
17.根据权利要求16所述的传感器，其另外包括围封于所述主体的所述壁内的金属屏蔽层，所述金属屏蔽层位于所述导体与所述主体的至少一个外壁之间。
18.一种传感器系统，其包括：
电化学单元，其具有工作电极、反电极和参考电极，其中所述参考电极被加电偏压，且所述工作电极与所述反电极之间的电流取决于渗透所述工作电极的目标气体；和
偏压电路，其耦合到所述单元并且包括：
可控电流源，其被配置成输出可控电流；
积分器，其耦合到所述可控电流源的输出；和
反馈电路，其耦合到所述积分器的输出，所述反馈电路将第一电压供应到所述反电极并且设置所述参考电极的偏压电压。
19.一种使用电化学气体传感器执行的方法，其包括：
在标称地不受控制的环境中在大约一分钟或更少时间内对电化学气体传感器执行伏安法，借此通过一系列电压扫描通往所述电化学气体传感器中的一或多个电极的偏压信号以至少检测所述环境中的一或多种目标气体；
从在所述伏安法期间收集的数据确定所述电化学单元的相对空气湿度、空气温度和离子状态中的一或多个；和
针对在相同单个伏安法操作中确定的所述单元的所述相对空气湿度、空气温度和离子状态中的一或多个，补偿来自所述伏安法的与所述目标气体有关的所检测数据。
20.一种使用电化学气体传感器执行的方法，其包括：
在标称地不受控制的环境中在大约一分钟或更少时间内对电化学气体传感器执行伏安法，借此通过一系列电压扫描通往所述电化学气体传感器中的一或多个电极的偏压信号以至少检测所述环境中的一或多种目标气体；
存储对应于所述环境中的所述目标气体的所述检测的波形；和
将所述波形与波形数据库进行比较以识别所存在的所述目标气体。
21.根据权利要求19所述的方法，其中对应于所述环境中的所述目标气体检测的所述波形包括重叠的气体信号，所述方法另外包括区分对应于所述重叠的气体信号的不同气体。
22.根据权利要求19所述的方法，其另外包括使用具有一组识别所存在气体的方程式的推理引擎来评估所述气体传感器所收集的数据。
23.根据权利要求19所述的方法，其中作为连续波形通过所述系列电压扫描通往所述一或多个电极的所述偏压信号。
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