CN111855781A - 一种直接插拔式电化学气体传感器及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直接插拔式电化学气体传感器及其封装方法。具体包括透气管帽(5)、传感器芯片(1)、绝缘基板(4)、卡座固定器(2)以及TO管座(3)。具体将传感器芯片(1)及卡座固定器(2)焊接到TO管座(3)上方；然后首先将绝缘基板(4)推至到卡座固定器(2)的下卡槽内，接着将传感器芯片(1)电解质面朝下以及三电极导通孔朝外的方式推至到卡座固定器(2)的上卡槽内；通过焊线(35)金丝绑定将三个电极分别与TO管座(3)的三个管脚相连接；最后将透气管帽(5)放置于TO管座(3)上方，并通过弯曲管座的三个金属固定片(34)使透气管帽(5)固定在TO管座(3)上。
Description
技术领域
本发明属于传感器封装领域，具体涉及一种直接插拔式电化学气体传感器及其封装方法。
背景技术
伴随着科技的快速发展，传感器作为一种重要的便捷的检测工具在各个领域都有着重要作用。电化学气体传感器的核心部件包括覆盖了电解质三电极，三电极包括了工作电极、对电极、以及参比电极。其反应原理为待测气体与电极发生氧化/还原反应，产生电流，其电流变化的大小与待测气体浓度成比例关系，从而实现检测气体的功能。当前，关于这类的电化学气体传感器的结构封装设计往往过于复杂以及检测效率不高生产成本较高这些存在的问题都必须克服的。本发明能够简化相关的结构设计从而降低这类传感器封装的成本。同时本发明的传感器的封装插座采用标准化的TO管座能够实现较高的终端模块兼容性，进而使得使用者降低对相关传感器设备设计的投入。
CN 200910259755.2提供了一种电化学气体传感器，尽管能够解决现有电化学气体传感器尺寸较大这个问题，但是由于自身设计的问题，仍存在以下不足：传感器结构过于复杂(12个组装部件)，带来封装成本上的提高；传感器采用的是液体型的电解质，该传感器的使用寿命相对于固体电解质型的传感器来说较短。
CN 201510366015.4提供了一种电化学传感器及其电极的制作方法，虽然这种电化学气体传感器采用防尘透气膜、固体电解质、密封盖来提高传感器的稳定性于使用寿命，但是还存在一些问题：传感器的部件采用了塑料以及粘结剂等材料，在高温的环境中会释放特定气体，从而影响传感器检测的准确性。
基于此，开发一种电化学气体传感器的封装方式以解决上述问题是有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种直接插拔式电化学气体传感器。
本发明提供的电化学气体传感器具体包括透气管帽(5)、传感器芯片(1)、绝缘基板(4)、卡座固定器(2)以及TO管座(3)；其中TO管座(3)位于气体传感器的底部，传感器芯片(1)及卡座固定器(2)焊接在TO管座(3)的上部，绝缘基板(4)与传感器芯片(1)分别放置在卡座固定器(2)的底部卡槽与上部卡槽进行固定，传感器芯片(1)电极通过金丝绑定分别连接到到TO管座(3)的管脚，最后将透气管帽(5)放置于TO管座(3)的上部并用TO管座(3)上的金属固定片(34)将透气管帽(5)固定。
进一步，卡座固定器(2)拥有至少两道滑槽，滑槽之间留有一定距离，传感器芯片(1)和绝缘基板(4)分别安装在卡座固定器(2)不同高度的滑槽中，传感器芯片(1)位于绝缘基板(4)上方，双方平行且传感器芯片(1)的固体电解质不与绝缘基板(4)接触。
进一步，传感器芯片(1)包括第一电极(11)、第二电极(12)以及第三电极(13)，电解质覆盖于三个电极的围坝中，其中第一电极(11)以及第二电极(12)区域开有大量通气孔，传感器芯片(1)上还包括电极金属化导通孔。
进一步，TO管座(3)采用三针脚的TO管壳设计封装，使传感器芯片(1)与外部电路连接。
陶瓷材料具有更低的介电常数，更好的绝缘性，热稳定性好、热膨胀系数低、耐湿性好、耐腐蚀等优点，能够保证传感器的可靠性，因此本发明的电化学气体传感器的封装材料主要为陶瓷材料和金属材料。
本发明采用物理封装方式，通过金属材料自身的弹性将绝缘基板与传感器芯片进行固定；利用金属材料具有一定的韧性以及强度，通过弯折金属固定片来实现多孔陶瓷管帽的固定。此外，本案的封装管座的规格适用于各种TO管壳连接件。
优选地，传感器芯片(1)采用陶瓷材料，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。
优选地，TO管座(3)采用金属材料，包括可伐合金。
优选地，透气管帽(5)采用陶瓷材料，包括碳化硅、氧化铝，具有大量的通气孔，待测气体通过气孔与气体传感器内部的电解质及传感器芯片(1)发生反应。
优选地，绝缘基板(4)采用陶瓷材料，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。
优选地，卡座固定器(2)采用带有一定弹性的金属材料，包括铍青铜、磷青铜、合金弹簧钢。
本发明的另一目的是提供一种直接插拔式电化学气体传感器的封装方法。
具体包括以下步骤：
S1、采用钎焊的方法将TO管座(3)与卡座固定器(2)进行焊接固定；
S2、将绝缘基板(4)正对卡座固定器(2)的底部卡槽，缓慢地将其推至槽体末端；
S3、将传感器芯片(1)覆盖有电解质的面朝下，令三个电极的金属化导通孔朝向外端，正对卡座固定器(2)的上部卡槽，缓慢地将其至槽体末端；
S4、采用超声波金丝球焊接的方式，将传感器芯片(1)的三个电极通过金属化导通孔与TO管座(3)内的三个针脚分别进行绑定连接；
S5、将透气管帽(5)正面朝向TO管座(3)，缓慢放置到TO管座(3)的上部，将装有传感器芯片(1)和绝缘基板(4)的卡座固定器(2)进行全部覆盖；
S6、采用物理方式，将安装在TO管座(3)上的透气管帽(5)进行固定，完成整体器件封装。
基于现有电化学气体传感器的封装多为定制化设计，当需要将这些气体传感器应用到用户所设计的检测仪的时候，都需要额外设计相关的插件或者模块来配合使用。本发明的气体传感器封装采用标准化的TO管壳，能够大大降低或者免除用户对于传感器与设备电路板的通信设计，用户将无需对已设计的电路板进行大量的修改，是直接插板式、终端模块友好型的电化学气体传感器。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的电化学气体传感器的封装采用疏水透气型的多孔陶瓷作为传感器封装的管帽，提供充足的通气孔，能够高效的使气体扩散到传感器芯片，并且不会残留在管腔内，有效提高了气体传感器的检测效率。
(2)本发明的电化学气体传感器本身采用陶瓷与金属为主要材料并通过物理形式进行封装，无需使用粘合剂进行粘合，不产生影响气体检测的材料，在高温环境下也不会受到自身封装材料的影响，不仅能够保证传感器的稳定性而且还能实现数据检测的准确性。
(3)本发明的电化学气体传感器采用固体电解质，能够有效的提高气体传感器的使用时间；传感器封装结构简单，降低了封装成本。
(4)本发明的电化学传感器的封装采用标准的TO管座作为接插件，不仅能够给予后期产品使用者的便利性，而且还能减低整个封装的材料成本提高产品的通用性。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它附图。
图1是本发明的电化学气体传感器中的传感器芯片的(a)正面与(b)背面示意图；
图2是本发明的电化学气体传感器中的绝缘基板的(a)俯视图与(b)侧视图；
图3是本发明的电化学气体传感器中的卡座固定器的(a)俯视图、(b)主视图及(c)侧视图；
图4是本发明的电化学气体传感器中的TO管座的(a)侧视图与(b)俯视图；
图5是本发明的电化学气体传感器中的透气管帽的(a)侧视图与(b)俯视图；
图6是本发明的电化学气体传感器的侧视图；
图7是本发明的电化学气体传感器的俯视图；
图8是本发明的电化学气体传感器的底视图；
图9是本发明的电化学气体传感器的封装示意图。
图例说明：
1、传感器芯片；2、卡座固定器；3、TO管座；31、管脚a；32、管脚b；33、管脚c；34、金属固定片；35、焊线；4、绝缘基板；5、透气管帽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
本发明提供的直接插拔式电化学气体传感器由透气管帽5、传感器芯片1、绝缘基板4、卡座固定器2、TO管座3组成。
如图1所示，传感器芯片1的板材采用氧化铝陶瓷材料，电极为圆盘型，背面包括第一电极11(对电极)，第二电极12(工作电极)和第三电极12(参比电极)；传感器芯片1采用固态电解质，电解质覆盖于电极板背面的围坝内并涵盖第一电极11、第二电极12和第三电极13；围坝内的第一电极11和第二电极12的电极板上开有大量的贯穿通气孔，传感器芯片1正面的气体可经过通气孔，接触到覆盖在背面的电解质及三电极；三电极上各有一个金属化通孔，通过金丝绑定焊接到TO管座3上的管脚。
如图2所示，绝缘基板4采用氮化铝陶瓷材料，其大小尺寸与传感器芯片1一致。
如图3所示，卡座固定器2采用合金弹簧钢材料，将绝缘基板以及传感器芯片固定在TO管座3上。
如图4所示，TO管座3采用可伐合金为材料，设计有三个金属固定片34，用于将透气管帽5固定在TO管座3上，同时管座上设计有三个管脚，分别为管脚a31、管脚b32以及管脚c33，用于将传感器芯片1的电极信号传输。
如图5所示，透气管帽5疏水性多孔陶瓷材料，能够有效的让待测气体进入到检测腔内并且阻隔水汽对整个气体检测带来的影响。
实施例2
如图7-9所示，本发明提供的直接插拔式电化学气体传感器的封装过程具体包括以下步骤：
将传感器芯片1及卡座固定器2焊接到TO管座3上方；然后首先将绝缘基板4推至到卡座固定器2的下卡槽内，接着将传感器芯片1电解质面朝下以及三电极导通孔朝外的方式推至到卡座固定器2的上卡槽内；通过焊线35金丝绑定将三个电极分别与TO管座3的三个管脚相连接；最后将透气管帽5放置于TO管座3上方，并通过弯曲管座的三个金属固定片34使透气管帽5固定在TO管座3上。
实施例3
本发明提供的直接插拔式电化学气体传感器的封装过程具体包括以下步骤：
采用钎焊的方法将TO管座3与卡座固定器2进行焊接固定；将绝缘基板4正对卡座固定器2的底部卡槽，缓慢地将其推至槽体末端；将传感器芯片1覆盖有电解质的面朝下，令三个电极的金属化导通孔朝向外端，正对卡座固定器2的上部卡槽，缓慢地将其至槽体末端；采用超声波金丝球焊接的方式，将传感器芯片1的三个电极通过金属化导通孔与TO管座3内的三个针脚分别进行绑定连接；将透气管帽5正面朝向TO管座3，缓慢放置到TO管座3的上部，将装有传感器芯片1和绝缘基板4的卡座固定器2进行全部覆盖；采用物理方式，将安装在TO管座3上的透气管帽5进行固定，完成整体器件封装。
以上封装好的模块可通过焊接在仪器设备PCB板上的晶振插座来实现传感器的信号采集，同时由于该款传感器封装采用的是TO管座的规格，当传感器出现问题的时候，可直接将晶振插座的传感器模块进行更换，实现直接插拔式的电化学气体传感器。
当环境气体经过多孔陶瓷进入到TO管壳腔内，透过传感器基板上的通气孔进入背面电极和电解质相反应，电极间产生电流的变化，该电流变化通过TO管座3的管脚连接到外部的传感器的前端电路，从而实现气体数据的采集。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经过适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。本发明中所未详细描述的技术细节，均可通过本领域中的任一现有技术实现。特别的，本发明中所有未详细描述的技术特点均可通过任一现有技术实现。
Claims (10)
1.一种直接插拔式电化学气体传感器，其特征在于，所述气体传感器具体包括透气管帽(5)、传感器芯片(1)、绝缘基板(4)、卡座固定器(2)以及TO管座(3)；其中所述TO管座(3)位于所述气体传感器的底部，所述传感器芯片(1)及所述卡座固定器(2)焊接在所述TO管座(3)的上部，所述绝缘基板(4)与所述传感器芯片(1)分别放置在所述卡座固定器(2)的底部卡槽与上部卡槽进行固定，所述传感器芯片(1)电极通过金丝绑定分别连接到所述TO管座(3)的管脚，最后将所述透气管帽(5)放置于所述TO管座(3)的上部并用所述TO管座(3)上的金属固定片(34)将所述透气管帽(5)固定。
2.根据权利要求1所述的一种直接插拔式电化学气体传感器，其特征在于，所述卡座固定器(2)拥有至少两道滑槽，滑槽之间留有一定距离，所述传感器芯片(1)和所述绝缘基板(4)分别安装在所述卡座固定器(2)不同高度的滑槽中，所述传感器芯片(1)位于所述绝缘基板(4)上方，双方平行且所述传感器芯片(1)的固体电解质不与所述绝缘基板(4)接触。
3.根据权利要求1-2所述的一种直接插拔式电化学气体传感器，其特征在于，所述传感器芯片(1)包括第一电极(11)、第二电极(12)以及第三电极(13)，电解质覆盖于三个电极的围坝中，其中所述第一电极(11)以及所述第二电极(12)区域开有大量通气孔，所述传感器芯片(1)上还包括电极金属化导通孔。
4.根据权利要求1-3所述的一种直接插拔式电化学气体传感器，其特征在于，所述TO管座(3)采用三针脚的TO管壳设计封装，使所述传感器芯片(1)与外部电路连接。
5.根据权利要求3所述的一种直接插拔式电化学气体传感器，其特征在于，所述传感器芯片(1)采用陶瓷材料，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。
6.根据权利要求4所述的一种直接插拔式电化学气体传感器，其特征在于，所述TO管座(3)采用金属材料，包括可伐合金。
7.根据权利要求1所述的一种直接插拔式电化学气体传感器，其特征在于，所述透气管帽(5)采用陶瓷材料，包括碳化硅、氧化铝，具有大量的通气孔，待测气体通过气孔与所述气体传感器内部的电解质及所述传感器芯片(1)发生反应。
8.根据权利要求1-2所述的一种直接插拔式电化学气体传感器，其特征在于，所述绝缘基板(4)采用陶瓷材料，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。
9.根据权利要求1-2所述的一种直接插拔式电化学气体传感器，其特征在于，所述卡座固定器(2)采用带有一定弹性的金属材料，包括铍青铜、磷青铜、合金弹簧钢。
10.一种权利要求1-3所述的直接插拔式电化学气体传感器的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用钎焊的方法将所述TO管座(3)与所述卡座固定器(2)进行焊接固定；
S2、将所述绝缘基板(4)正对所述卡座固定器(2)的底部卡槽，缓慢地将其推至槽体末端；
S3、将所述传感器芯片(1)覆盖有电解质的面朝下，令三个电极的金属化导通孔朝向外端，正对所述卡座固定器(2)的上部卡槽，缓慢地将其至槽体末端；
S4、采用超声波金丝球焊接的方式，将所述传感器芯片(1)的三个电极通过金属化导通孔与所述TO管座(3)内的三个针脚分别进行绑定连接；
S5、将所述透气管帽(5)正面朝向所述TO管座(3)，缓慢放置到所述TO管座(3)的上部，将装有所述传感器芯片(1)和所述绝缘基板(4)的所述卡座固定器(2)进行全部覆盖；
S6、采用物理方式，将安装在所述TO管座(3)上的所述透气管帽(5)进行固定，完成整体器件封装。
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