CN110530952B - 一种插卡式电化学气体传感器模组及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种插卡式电化学气体传感器模组及其封装方法，包括：电极板、模块电路板、信号处理放大电路、导电触片。电极板正面与背面安装有微间距电极，并与信号处理放大电路封装在同一块模块电路板上，模块电路板内在放置电极板的区域挖空形成气腔；电极板背面朝下。被测气体通过模块电路板背部进入气腔，通过气体滤网到达电极板背面；电极板在电解质区域开有大量贯穿通气孔，被测气体通过通气孔到达电极板背面电极；通过金丝连接到模块电路板上的信号处理放大电路把检测到的电气信号传输到检测设备，进行处理、存储、显示等，实现对气体的检测，大幅缩短传感芯片与放大电路间的距离，减少信号损失，大幅提升传感器准确度。

Description

一种插卡式电化学气体传感器模组及其封装方法

技术领域

本发明涉及电化学传感器领域，具体涉及插卡式电化学传感器。

背景技术

气体传感器一般广泛应用于石化、工业生产、生物医疗、航空和家居生活等领域。随着物联网技术的发展，气体传感器的应用需求也不断增加。近年来，基于电化学技术的气体传感器得到快速发展和广泛应用。

一个典型的电化学传感器的基本元件为：一个工作(或传感)电极、一个对电极，通常还包括一个参比电极。上述电极附于传感器内，衬以电解质。电极位于一块扩散膜的内面上，有多孔结构供待检测物质穿过，但电解质无法渗透。被测物质扩散进入传感器并穿过薄膜到达电极后，将发生电化学反应——或为氧化，或为还原，依物质类型而定。氧化反应使电子通过外电路从工作电极流向对电极；与此相反，还原反应使电子从对电极流向工作电极。上述电子流构成电流，并与气体浓度互成比例，从而实现气体检测。

实现气体检测完整功能的气体传感器模组，通常是由传感器和外围驱动电路独立两部分组成，通过连接器实现电气的连接，这种组装的方式使传感器模组厚度高，体积过大，受此限制，目前气体传感器模组仅主要应用于工业气体检测等对不要求微小体积的应用领域；但难以植入便携式设备，微型化设备，如手机等，从而大大制约了气体传感器应用空间。

专利CN201320878017.8描述了一种空气质量监控传感模组，包含PCB电路基板、气体传感器，传感器模拟前端驱动芯片，传感器数据采集芯片。气体传感器通过连接器安装在信号处理放大电路板上，但组装后的模组尺寸过厚，难以植入微型化设备内，限制了气体传感器的应用范围。

综上所述，目前急需一种封装方法，能实现薄片化，小体积的气体传感器模组，从而可以在微型化设备内植入气体传感器，实现气体传感器更广阔的应用领域。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种插卡式电化学气体传感器模组的封装设计，以解决现有技术存在的技术问题。

本发明的技术解决方案是，提供一种插卡式电化学气体传感器模组，包括：电极板、气体滤网、模块电路板、信号处理放大电路、导电触片。

电极板正面电极与背面电极均采用三电极共面体系，包括第一电极，第二电极和第三电极；其中第一电极为工作电极，第二电极为对电极，第三电极是辅助参比电极；电极表面修饰催化金属或合金，包括镍、铜、金、镍-磷、金锡合金等；

电极板背面电极表面覆盖有固态电解质，电极板在固态电解质覆盖区域开有大量贯穿通气孔；

电极板封装在模块电路板上，模块电路板内在放置电极板的区域挖空，安装所述气体滤网，形成气腔；电极板背面朝下，位于气腔上方；

电极板正面电极表面设置有焊接盘，模块电路板正面设置有焊接盘，通过金丝绑定方式，将电极板正面电极连接到模块电路板上；电极板、固态电解质、绑定的金丝及焊盘通过封胶封装固化并密封；

模块电路板上安装有信号处理放大电路，信号处理放大电路包括恒电位功能模块、信号放大功能模块、数据采集模块、通信接口模块，分别具有气体传感器驱动、输出微电流信号放大、模数转换、数据处理、外围数字接口功能；

模块电路板边缘安装有导电触片，信号处理放大电路板与导通触片连接，用于供电及输入、输出信号。

进一步地，电极板采用一种或多种陶瓷材料，包括氧化铝，氮化铝，玻璃，硅片，压电陶瓷，微波介电陶瓷，塑料薄膜等。

进一步地，模块电路板采用通用、低成本的PCB板工艺，基材采用刚性基板材料或柔性基板材料。

进一步地，电极板电极的第一电极和第二电极是微间距电极，制备方法为丝网印刷法、湿法蚀刻法、干法蚀刻法中的一种；电极图形为叉指阵列电极、旋转环盘电极中的一种。

传感器模组以插卡形式插入到微型化检测设备内，检测设备有插槽，导电触片插入插槽内，实现传感器模组与检测设备的电气连接。

本发明还提供了一种插卡式电化学气体传感器模组的封装方法，具体封装步骤如下：

(1)将信号处理放大电路焊接在模块电路板上，电极板安装固定在模块电路板的气腔位置，通过金丝焊接把电极板正面电极与模块电路板连接，在电极板上注入灌封胶、固化；在气腔内安装气体滤网；

(2)在电化学传感器模组上安装信号处理放大电路，通过金丝焊接，与电极板正面电极实现电气导通，为电极板供电并获取微小电流信号；

(3)将电化学传感器模组插入检测设备，电化学传感器模组上的导电触片，与检测设备内的插槽连接，通过导电触片从检测设备取电，并实现数据传输。

本发明设计的插卡式电化学气体传感器模组，在检测过程中，待测气体通过模块电路板背部，进入气腔，通过气体滤网到达电极板背面；电极板在电解质区域，开有大量的贯穿通气孔，电极板背面的气体可通过通气孔，到达覆盖在背面的电解及三电极后，将发生电化学反应——或为氧化，或为还原，依物质类型而定。氧化反应使电子通过信号处理放大电路从工作电极流向对电极；与此相反，还原反应使电子从对电极流向工作电极。

上述电子流构成电流，并与气体浓度互成比例，实现气体采集与电气转换；通过金丝连接到模块电路板上的信号处理放大电路，上述微小电流在信号处理放大电路作用下实现放大、模数转换，并通过模块电路板上的导电触片，把检测到的气体电气信号传输到检测设备，进行处理、存储、显示等，实现对气体的检测。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本专利提出的气体传感器嵌入封装于模组电路板上的一体化设计，可节省传感器的单独封装空间，无需传感器焊接管脚，气室嵌入在电路板内，从而减少器件整体厚度。气体传感器模组整体厚度最小可实现在3mm内；并通过将电极板与信号处理放大电路封装在模块电路板上，大幅缩短传感芯片与放大电路间的距离，减少信号损失，大幅提升传感器准确度。

(2)本专利采用叉指电极作为电化学反应中的工作电极和对电极，固态电解质用胶密封，仅通过电极板上的通气孔与气体接触，减少电解质的挥发与失效，增强传感器的稳定，延长其使用寿命。

(3)本专利采用导电触片接口方式的设计，传感器模组以插卡方式与检测设备连接，方便简洁，易拆卸更换，具备可维护性，降低使用成本。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明设计的插卡式电化学气体传感器模组的封装模块示意图；

图2是本发明设计的插卡式电化学气体传感器模组的电极板设计示意图；

图3是本发明设计的插卡式电化学气体传感器模组的模块电路板设计示意图；

图4是本发明设计的插卡式电化学气体传感器模组的总体示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说，没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需要说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

插卡式电化学气体传感器模组的封装：

参考附图4所示，示意了本发明插卡式电化学气体传感器模组的一种实现方式，包括：电极板、气体滤网、模块电路板、信号处理放大电路、导电触片。

如图2所示，传感器电极板采用氮化铝陶瓷材料，背面是包括第一电极，第二电极，第三电极的共面集成电极，其中第一电极(工作电极)和第二电极(对电极)是叉指电极形态，第三电极是参比电极；电极正面第一电极和第二电极的叉指电极形态与背面图形一致。

传感器采用固态电解质，电解质覆盖于电极板正面第一、二、三电极上；电极板在电解质覆盖区域开有大量的贯穿通气孔，电极板背面的气体可通过通气孔，接触到覆盖在正面的电解质及三电极；三电极上各有一个金属化通孔作为焊接盘，与正反面电极电路导通。

如图3所示，模块电路板采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板(FR-4)，在电极板位置挖空，并安装气体滤网，形成气腔；电极板安装在模块电路板上气腔位置，通过金丝焊接，连接电极板电极与模块电路板上的信号处理放大电路，将电极板、电解质、焊接金丝上灌注灌封胶，进行密封。

信号处理放大电路板焊接在模块电路板上，包括模拟前端，放大模块，模数转换模块，数据处理模块；电路板上设计有导通线路，可分别连接传感器与信号处理放大电路、信号处理放大电路之间、信号处理放大电路与导电触片，实现电气连接及各电路模块功能。

如图1所示，传感器模块电路板上的一端是导电触片，触片表面电镀镍金，以增强其耐磨及抗腐蚀能力及导电性能。

本实施例的插卡式电化学气体传感器模组，在检测过程中，待测气体通过模块电路板背部，进入气腔，通过气体滤网到达电极板背面；电极板在电解质区域，开有大量的贯穿通气孔，电极板背面的气体可通过通气孔，到达覆盖在背面的电解及三电极后，将发生电化学反应——或为氧化，或为还原，依物质类型而定。氧化反应使电子通过信号处理放大电路从工作电极流向对电极；与此相反，还原反应使电子从对电极流向工作电极。

上述电子流构成电流，并与气体浓度互成比例，实现气体采集与电气转换；通过金丝连接到模块电路板上的信号处理放大电路，上述微小电流在信号处理放大电路作用下实现放大、模数转换，并通过模块电路板上的导电触片，把检测到的气体电气信号传输到检测设备，进行处理、存储、显示等，实现对气体的检测。

实施例采用导电触片接口方式的封装设计，在减小设备总体厚度、节省封装空间的同时，传感器模组以插卡方式与检测设备连接，方便简洁，易拆卸更换，具备可维护性，可大幅降低使用成本。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种插卡式电化学气体传感器模组，其特征在于：包括电极板、模块电路板、信号处理放大电路、导电触片，其中所述电极板、所述信号处理放大电路、所述导电触片统一封装于所述模块电路板表面；

所述电极板正面电极与背面电极均采用三电极共面体系，包括第一电极，第二电极和第三电极；所述第一电极为工作电极，所述第二电极为对电极，所述第三电极是辅助参比电极；所述电极表面修饰催化金属或合金，包括镍、铜、金、镍-磷、金锡合金；

所述电极板背面电极表面覆盖有固态电解质，所述电极板在所述固态电解质覆盖区域开有大量贯穿通气孔；

所述电极板封装在所述模块电路板上，所述模块电路板内在放置所述电极板的区域挖空，安装气体滤网，形成气腔；所述电极板背面朝下，位于所述气腔上方；

所述电极板正面电极表面设置有焊接盘，所述模块电路板正面设置有焊接盘，通过金丝绑定方式，将所述电极板正面电极连接到所述模块电路板上；所述电极板、所述固态电解质、绑定的金丝及焊盘通过封胶封装固化并密封；

所述模块电路板上安装有所述信号处理放大电路，所述信号处理放大电路包括恒电位功能模块、信号放大功能模块、数据采集模块、通信接口模块，分别具有气体传感器驱动、输出微电流信号放大、模数转换、数据处理、外围数字接口功能；

所述模块电路板边缘安装有所述导电触片，所述信号处理放大电路板与所述导电触片连接，用于供电及输入、输出信号；

所述电化学传感器模组以插卡形式插入到微型化检测设备内，检测设备设置有插槽，所述导电触片插入所述插槽内，实现所述电化学传感器模组与所述检测设备的电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种插卡式电化学气体传感器模组，其特征在于：所述电极板采用材料包括氧化铝，氮化铝，玻璃，硅片，压电陶瓷，微波介电陶瓷，塑料薄膜的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种插卡式电化学气体传感器模组，其特征在于：所述模块电路板采用通用、低成本的PCB板工艺，基材采用刚性基板材料或柔性基板材料。

4.根据权利要求1所述的一种插卡式电化学气体传感器模组，其特征在于：所述电极板电极的所述第一电极和所述第二电极是微间距电极，制备方法为丝网印刷法、湿法蚀刻法、干法蚀刻法中的一种；所述电极图形为叉指阵列电极、旋转环盘电极中的一种。

5.一种权利要求1所述的插卡式电化学气体传感器模组的封装方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将所述信号处理放大电路焊接在所述模块电路板上，所述电极板安装固定在所述模块电路板的气腔位置，通过金丝焊接把所述电极板正面电极与所述模块电路板连接，在所述电极板上注入灌封胶、固化；在所述气腔内安装气体滤网；

(2)在所述电化学传感器模组上安装所述信号处理放大电路，通过金丝焊接，与所述电极板正面电极实现电气导通，为所述电极板供电并获取微小电流信号；

将所述电化学传感器模组插入检测设备，所述电化学传感器模组上的所述导电触片，与所述检测设备内的插槽连接，通过所述导电触片从所述检测设备取电，并实现数据传输。

Images