CN114518396A - 一种电化学气体传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电化学气体传感器及其制作方法，其中传感器壳体内上层为平面排布的传感电极、参比电极与辅助电极，下层为电解质与膜材料；传感器壳体上方设有通气口，下方设有三个电极与外部电路连接的连接器。相比传统的圆柱体层叠式电化学气体传感器，该平板体薄膜式传感器的制作方法简单、受环境压力及温湿度变化等影响较小，有利于气体分析电子仪器仪表的扁平化与微型化。
Description
技术领域
本发明涉及电化学气体传感器领域。更具体地说，涉及一种电化学气体传感器及其制作方法。
背景技术
传统的电化学气体传感器起源于上世纪60年代，采用类似于当时的圆柱体状的真空管及晶体管设计，传感器内的二、三或四个电极、电解质、吸液膜与透气膜之间形成层层堆叠或圆柱体层叠式结构（参见专利CN211148505U、CN107991366A、US20210172901A1、EP1305837B1）。这种一直沿用至今的传感器设计至少存在下述缺陷：
第一，层叠式结构制作工序繁多，多为手工装配，费时费力。
第二，层叠式结构应力结构复杂，当环境温湿度或压力变化时，容易造成电极破碎、接触不良、电解液溶胀而泄露等问题。
第三，较高的层叠式圆柱体设计与现代的薄膜电子器件或产品的匹配度或相容性较差，不利于气体检测电子仪器仪表的扁平化。
为克服传统的电化学气体传感器以上所述的缺陷，本发明创造提供一种平板体薄膜式电化学气体传感器，生产工序简单、受环境影响小，有利于配合气体检测仪器仪表的扁平化。
发明内容
本发明提供了一种电化学气体传感器，由传感电极（1）、参比电极（2）、辅助电极（3）、电解质（4）、膜材料（5）和传感器壳体（6）组成。所述传感电极（1）、参比电极（2）和辅助电极（3）在传感器壳体（6）内横向排布；所述传感电极（1）上方的传感器壳体（6）设置有进气口（7）；所述传感电极（1）、参比电极（2）、辅助电极（3）和膜材料（5）浸于电解质（4）中；所述传感器壳体（6）设置有信号连接器（8），嵌套于传感器底部或侧边。
所述传感电极（1）、参比电极（2）和辅助电极（3）的形状包含但不限制于长方形、正方形、圆形、环形。
所述信号连接器（8），其形状包含但不限于圆形和L形。所述信号连接器（8）嵌套于传感器底部或侧边，这大大降低了传感器的高度，更加扁平化。
所述膜材料（5）包含但不限于玻璃纤维滤纸、聚丙烯膜、聚乙烯膜、含氟乙烯膜，浸于电解质（4）中，起到保持电解液的作用，增加所述传感电极（1）、参比电极（2）、辅助电极（3）的浸润性。所述传感器壳体（6）设置有加液小孔，用于传感器制作中电解质的注入，注入后用胶封装。
当气体浓度较低（比如ppb或十亿分之一体积分率浓度量级）或传感器的灵敏度较低时，可在所述传感电极（1）的外圈设置分隔件（9），分隔件高度不小于传感电极（1）的厚度，形成一个分隔腔室，使得从进气口（7）扩散进来的气体分子不会影响到参比电极（2）和辅助电极（3），所述传感电极（1）、参比电极（2）和辅助电极（3）下方设置有膜材料（5）。所述分隔件可设置于传感器壳体上，也可与传感器壳体分开。
在本发明的研究过程中已经证实，这种平板体薄膜式传感器，由于相比传统的圆柱体叠层式传感器内部的复杂的应力作用，受环境温湿度与气压变化的影响较小，解决了传统的圆柱体层叠式传感器设计因环境温湿度或大气压改变引起的电极破碎、接触不良、电解质泄漏的问题。
本发明还提供一种电化学气体传感器的制作方法，包括但不限于：
提供传感器上壳体、传感器下壳体、传感电极、参比电极、辅助电极、膜材料、一种电解质；
将上述三个电极固定设置于所述传感器上壳体内；
将上述膜材料固定设置于上述传感器下壳体内；
将上述分别装配的传感器上下壳体通过压模的方式固定封装；
将上述的电解质从传感器下壳体的小孔中注入到装有膜材料的空腔内。
所述的传感器的制作方法，其特征在于，所述的传感器上壳体设有通气口，用于待检测的气体对流扩散到传感电极，与参比电极及辅助电极之间产生电流或电压等变化的信号。
所述的传感器的制作方法，其特征在于，所述的传感器下壳体设有连接所述三个电极的连接器，用于连接到信号放大与处理电路上进行气体检测分析。
所述的传感器的制作方法，可先将电极基底固定在传感器上壳体上，再通过包含但不限于3D打印技术或印刷技术将传感电极（1）、参比电极（2）和辅助电极（3）的浆料在电极基底上一次成型；也可将通过包含但不限于3D打印技术或印刷技术先将传感电极（1）、参比电极（2）和辅助电极（3）的浆料在电极基底上一次成型，再固定到传感器上壳体。
本发明创造的一种平板体的电化学气体传感器及其制作方法，可以带来以下有益效果：
1、传感器的结构为平板体，气体检测电子仪器仪表的结构设计不受传感器高度的限制，更加扁平化。
2、传感器的结构为平板体，结构简单，解决了传感器因环境温湿度或压力变化造成的电极破碎、接触不良、电解质溶胀而泄露等问题。
3、传感器的结构为平板体，较传统的圆柱体电化学气体传感器的结构简单，生产工序简单，有利于提高生产效率。
附图说明
图1为本发明的传感器的剖面结构示意图1。
图2为本发明的传感器的剖面结构示意图2。
图3为本发明的传感器的三个电极结构示意图。
图4为本发明的传感器的信号连接器结构示意图。
图5 为本发明的传感器的制作方法示意图。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
具体实施例1
本实施例描述一种电化学H2传感器的结构（附图1）和制作方法（附图5）。该传感器的传感电极（1）、参比电极（2）、辅助电极（3）的形状为长方形（附图3a），在传感器壳体（6）内横向排布；传感器壳体（6）设置有进气口（7）；传感电极（1）、参比电极（2）、辅助电极（3）和膜材料（5）浸于电解质（4）中；传感器壳体（6）设置有圆形的信号连接器（8）（附图4a），嵌套于传感器底边。
其制作方法如附图5所示，S101中，通过印刷技术将电极浆料一次印刷在基底上，再通过热熔机将印刷好的电极焊接在传感器上壳体上；S102中，在传感器下壳体上放置膜材料（5）；S103中，通过超声焊接将传感器上壳体和传感器下壳体焊接；S104中，从传感器壳体上的小孔注入电解质（4），用胶封装。
具体实施例2
本实施描述一种电化学NO传感器的结构（附图2）和制作方法（附图5）。该传感器的传感电极（1）的形状为圆形、参比电极（2）和辅助电极（3）的形状为半环形（附图3b），在传感器壳体（6）内横向排布；传感电极（1）位于中间位置，其外圈设置有分隔件（9）；分隔件与传感器上壳体是一体的；传感器壳体（6）设置有进气口（7）；传感电极（1）、参比电极（2）、辅助电极（3）和膜材料（5）浸于电解质（4）中；传感器壳体（6）设置有L形的信号连接器（8）（附图4b），嵌套于传感器底部和侧边，呈L形。
其制作方法如附图5所示，S101中，将电极基底用热熔机焊接在传感器上壳体上，通过3D打印技术将电极浆料打印在基底上；S102中，在传感器下壳体上放置膜材料（5）；S103中，通过超声焊接将传感器上壳体和传感器下壳体焊接；S104中，从传感器壳体上的小孔注入电解质（4），用胶封装。
传感电极（1）、参比电极（2）和辅助电极（3）的形状不限制于上述实施例中形状，3个电极形状可以一致，也可以不一致，可以为任意形状。
以上实施例的传感器的结构较传统的圆柱体电化学气体传感器的结构简单，生产工序简单，有利于提高生产效率。用本发明的电化学气体传感器应用于气体检测电子仪器仪表时，仪器结构简单，更加扁平化。
本发明不限于显示和描述的实施例，但是任何变化和改进都在所附权利要求书的保护范围内。
Claims (9)
1.一种电化学气体传感器，由传感电极（1）、参比电极（2）、辅助电极（3）、电解质（4）、膜材料（5）和传感器壳体（6）组成，其区别特征在于：所述传感电极（1）、参比电极（2）和辅助电极（3）在传感器壳体（6）内横向排布；所述传感电极（1）上方的传感器壳体（6）设置有进气口（7）；所述传感电极（1）、参比电极（2）、辅助电极（3）和膜材料（5）浸于电解质（4）中；所述传感器壳体（6）设置有信号连接器（8），嵌套于传感器底部或侧边。
2.如权利要求1所述电化学气体传感器，所述传感电极（1）、参比电极（2）和辅助电极（3）的形状包含但不限制于长方形、正方形、圆形、环形；所述信号连接器（8），其形状包含但不限于圆形和L形。
3.如权利要求1所述电化学气体传感器，所述膜材料（5）包含但不限于玻璃纤维滤纸、聚丙烯膜、聚乙烯膜、含氟乙烯膜。
4.如权利要求1所述电化学气体传感器，所述电解质（4）包含但不限于酸、碱、盐等可释放离子或质子的溶液。
5.如权利要求1所述电化学气体传感器，在所述传感电极（1）的外圈可设置分隔件（9），分隔件高度不小于传感电极（1）的厚度，形成一个分隔腔室。
6.一种传感器制造方法，其特征在于，包括：
提供传感器上壳体、传感器下壳体、传感电极、参比电极、辅助电极、膜材料，一种电解质；
将所述三个电极固定设置于所述传感器上壳体内；
将所述膜材料固定设置于上述传感器下壳体内；
将所述分别装配的传感器上下壳体通过压模的方式固定封装；
将所述的电解质从传感器下壳体的小孔中注入到装有膜材料的空腔内。
7.如权利要求6所述的传感器制造方法，其特征在于，在所述的传感器上壳体上将配置的电极浆料通过包含但不限于3D打印或丝网印刷的方式形成所述的三个电极。
8.如权利要求6所述的传感器制造方法，其特征在于，所述的传感器上壳体设有通气口，用于待检测的气体对流扩散到传感电极，与参比电极及辅助电极之间产生电流或电压等变化的信号。
9.如权利要求6所述的传感器制造方法，其特征在于，所述的传感器下壳体设有连接所述三个电极的连接器，用于连接到信号放大与处理电路上进行气体检测分析。
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