CN205991959U - 液态微型电化学气体传感器及气体感应信号转换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种液态微型电化学气体传感器及气体感应信号转换电路，包括壳体，所述壳体内设置有电解液，所述壳体一端密封设置有膜片，所述电解液内设置有工作电极、对电极以及参考电极，所述工作电极部分伸出于所述电解液，本实用新型能够全方位提高液态电化学气体传感器的性能指标并延长使用寿命。

Description

液态微型电化学气体传感器及气体感应信号转换电路

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，特别涉及一种液态微型电化学气体传感器及气体感应信号转换电路。

背景技术

目前，液态微型电化学气体传感器采用的是定电位电解法，该方法的基本原理就是：将气体传感器通常是由浸没在液体电解液中的三个电极构成，传感器的三个电极分别称为工作电极(working electrode)、参考电极(reference electrode)、对电极(counterelectrode),简称W、R、C。传感器的工作过程为:被测气体由进气孔扩散到工作电极表面,在工作电极、电解液、对电极之间进行氧化或还原反应。其反应的性质依工作电极的热力学电位和被分析气体的电化学性质而定。被分析气体为SO2、CO、H2S、NO时是氧化反应,被分析气体为NO2、Cl2时是还原反应。工作电极是由将具有催化活性贵金属的高纯度粉末,例如铂,噴镀在透气层薄膜上形成。传感器在氧化反应中,电化学反应中参加反应的电子流出工作电极；传感器在还原反应中,电化学反应中参加反应的电子流向工作电极。流出或流向工作电极的电流与被分析气体的浓度值成正比。而决定的因素有:电极电位、反应物浓度、电流、溶液的量、温度等。但在使用传感器时,最关键的是怎样控制电极电位,电极电位是一个极为重要的因素。参考电极就是为了提供电解液中的工作电极具有一个稳定的电化学电位而设置的。参考电极在传感器中要保证其不暴露在被分析气体之中,这样参考电极的热力学电位就总是具有同一数值并且保持稳定。此外,参考电极不允许有电流通过,否则将改变电位值。定电位电解传感器必须与前置放大器匹配使用,才能实现对被分析气体的测试。前置放大器内部应包括电流/电压转换、恒电位电路等功能。电流/电压转换实现将传感器电流信号变为电压输出信号,恒电位电路向传感器提供稳定的电极电位。定电位电解传感器与前置放大器的匹配是使用的关键,关系到传感器能否实现定量测量,能否使传感器的各项参数正常发挥以及直接关系到传感器的使用寿命。定电位电解传感器的基本性能,亦即传感器的基本考核指标,它显示了传感器的质量和性能,但其大多数性能指标要与前置放大器经过较好的匹配才能体现出来。在使用中要对传感器进行考核的基本指标有如下几种:输出信号、电极电位、响应时间、响应线性度、测量重复性、抗干扰性、传感器寿命。

定电位电解传感器的输出信号指标非常重要,它不仅为前置放大器的设计提供了基本参数,而且为今后核实传感器的使用寿命提供了标准。不同公司生产的传感器输出信号不同,同一公司生产的不同传感器其输出信号也不同。例如：CO为011μA/ppm时，传感器的输出信号随使用时间的增加而降低,一般来说当其输出信号降至标称值的50％时,这支传感器就不能再使用了。

定电位电解传感器的电极电位决定了传感器分析被分析气体的种类、传感器对各种气体交叉反应的大小以及传感器抗交叉反应的能力。不同公司生产的传感器给出的电极电位方式也不一样。英国CITI公司是以定值给出,例如SO2传感器为0mV；NO传感器为300mV，我公司则是给出一个范围施加-25-50mV方波脉冲，到参靠电极(或C与R连接情况下的2电极工作模式)，在10-50毫秒时间,这产生了+25-50mV有效偏置电位移到了工作电极。

响应时间指标是指从传感器接受到被分析气体起计到达到响应值的90％,亦即t90所需的时间。一般传感器指标给出的指扩散式的响应时间,如<60秒等，响应时间较长。

响应线性度与测量重复性指标与响应时间一起是考核传感器与仪器优良与否的重要因素。

由结构和原理所决定,定电位电解传感器是存在交叉反应的,合理的电极电位可以使其减小到最低程度,这是主动的方法。另外,不同公司在生产的传感器上安装了过滤膜,或针对不同的传感器设计了不同的过滤器,这是被动的方法。之所以说被动,是因为无论过滤膜还是过滤器,经过一段时间或长时间使用后,毕竟会因为饱和而失效。

跟所有的电化学传感器一样,定电位电解传感器的输出信号随着时间的推移也会逐渐衰降或“老化”,这一现象是多种因素的结合造成的。另外传感器的使用寿命与被分析气体的浓度、前置放大器设计等因素有直接关系。一般生产厂家给出的指标是2年。

因此，现在亟需一种液态微型电化学气体传感器及气体感应信号转换电路，能够全方位提升其性能指标，并延长其使用寿命。

实用新型内容

本实用新型提出一种液态微型电化学气体传感器及气体感应信号转换电路，解决了现有技术中电化学传感器性能指标低、使用寿命短的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：液态微型电化学气体传感器，包括壳体，壳体内设置有电解液，壳体一端密封设置有膜片，电解液内设置有工作电极、对电极以及参考电极，工作电极、对电极以及参考电极部分伸出于壳体。

优选的，膜片上设置有炭黑氟树脂隔膜。

优选的，膜片外部设置有固定环，固定环环绕膜片外沿，并向壳体方向形成弯折的包边。

优选的，膜片与壳体之间还设置有密封环。

优选的，工作电极、参考电极和对电极为金属橡胶电极。

优选的，工作电极、参考电极和对电极通过贵金属薄层与电解液接触。

优选的，贵金属薄层均匀设置于工作电极、参考电极和对电极表面。

优选的，壳体外部设置有封装外壳，封装外壳为环氧树脂的封装外壳，封装外壳上设置有多层阻挡孔。

优选的，壳体的尺寸规格为20*24*5mm，尺寸误差0.15mm。

另一方面，本实用新型提供一种气体感应信号转换电路，包括如上任一项的液态微型电化学气体传感器。

采用了上述技术方案后，本实用新型的有益效果是：本申请采用内在电解液、贵金属的创新，使用寿命传统电化学气体传感器是2-3年，该申请的使用寿命能长达5-10年；封装材料从传统电化学的纯化学材料升级为了纯天然材料，以至即便是使用完后的丢弃也不会对环境造成任何污染；对于电化学传感器而言，贵金属和电解液的配合的合理性，就决定了传感器的好与次，提高了微型传感器的测量准确度；采用了一种更轻薄、韧性更强、透气不透水的材料制作出一种全新的炭黑氟树脂隔膜，在传感器微型化的应用上起到了关键性的作用；传统的电化学传感器采用的是噴镀技术，缺点是贵金属的感应层会薄厚不均匀，而且整体金属面会相对比较厚，导致传感器在使用的过程中出现信号不稳定的情况。而本申请采用了新型的印刷技术将配比好的贵金属层印刷到上述化学膜上，贵金属层会十分均匀并且整体要更薄这样使化学层跟金属层的接触以及反应更直接更快，传统传感器一般恢复时间通常＜30秒微型传感器的恢复时间＜20秒；封装技术是规模生产的关键技术，由于传感器内部要用酸进行化学反应，促使传感器工作。如何保持传感器正常工作，又不使酸液漏出，这是传统传感器已经解决的问题。传统传感器使用的是改性聚苯醚属于化工类材料为外壳，本申请的封装采用的是环氧树脂为外壳，相比之下更环保丢弃后对环境0无污染。另外，把传统的金属电极更换成了金属橡胶电极，能将传感器直接跟微型电路板相结合提高他的应用性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的正面尺寸图；

图3为本实用新型的背面尺寸图；

图4为本实用新型的线性度表现图；

图5为本实用新型的重复性表现图；

图6为本实用新型气体感应信号转换电路的一种接法电路图。

图中，1-壳体；2-电解液；3-膜片；4-贵金属薄层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图6所示，本液态微型电化学气体传感器，包括壳体1，其特征在于，壳体1内设置有电解液2，壳体1一端密封设置有膜片3，电解液2内设置有工作电极、对电极以及参考电极。膜片3上设置有炭黑氟树脂隔膜。膜片3外部设置有固定环，固定环环绕膜片3外沿，并向壳体1方向形成弯折的包边。膜片3与壳体1之间还设置有密封环。工作电极、参考电极和对电极为金属橡胶电极。工作电极、参考电极和对电极通过贵金属薄层4与电解液2接触。贵金属薄层4均匀设置于工作电极、参考电极和对电极表面。壳体1外部设置有封装外壳，封装外壳为环氧树脂的封装外壳，封装外壳上设置有多层阻挡孔。壳体1的尺寸规格为20*24*5mm，尺寸误差0.15mm。

另一方面，还提供一种气体感应信号转换电路，包括本申请提供的液态微型电化学气体传感器。

工作时，在工作电极与参考电极之间加上预先给定的极化电压，然后，将气体样品通过透气性薄膜使其中的待测成分作用电极表面，进行电化学反映，由此而来所产生正比被测气体在传感器中发生如下反应：

SO₂+2H₂O——→SO^2-+2e

NO₂+H₂O——→NO^- ₂+2H⁺+e

CO+H₂O——→CO₂+2H⁺+2e

无论采用上述那种方式都将根据下式的电解电流求得待侧气体成分的浓度：

式中：I：电解电流(安培)

A：气体扩散的面积(平方厘米)

N：每摩尔气体的电子数

D：扩散系数

E：扩散层的厚度(厘米)

C：被测气体浓度(摩尔/毫升)

F：法拉第常数

由传感器产生的电流I，经转换电路变换成所要求的标准信号。

下面以CO传感器为例：当一氧化碳气体穿过气体扩散膜后到达工作电极，在传感器中的一氧化碳气体被氧化后产生电子。通过在工作电极和反电极以简单低成本的运算放大器之间的反馈，电子通过外部电路移动到对电极。在传感器内，工作电极上产生离子反应，到达对电极上维持电子中立平衡。这些反应被理解为：

i)在感应电极上的反应(阳极)：

CO+H2O→CO2+2H++2e-；

ii)同时，在对电极的反应(阴极)：

O2+4H++4e-→2H2O；

传感器的电流和一氧化碳浓度之间存在着线性关系。通过提供第三个“参考电极”，我们能够实现，与那些设计用于实现工业应用的更大更昂贵的传感器相比，获得相同或更好的性能。

通过校准传感器与单一已知浓度的一氧化碳气体的反应，可以通过传感器的输出电流与在空气中的一氧化碳气体浓度确立定量比例关系。因为一氧化碳传感器是一个电催化装置，存在电极中的活性材料或没有消耗。这保证了SC一氧化碳传感器能提供优异的长期稳定的输出信号，从而免于维护操作。此外，传感器的燃料电池型工作运行不需要电流(其实传感器实际上产生一个小的输出电流)，从而可以使用电池供电的一氧化碳探测器，与低功耗设计相结合成为现实。由传感器产生的电流I，经转换电路变换成所要求的标准信号，气体感应信号转换电路的接法如图4所示，此处不做详述。

本实用新型采用内在电解液、贵金属的创新，使用寿命传统电化学气体传感器是2-3年，该申请产品的使用寿命能长达5-10年；封装材料从传统电化学的纯化学材料升级为了纯天然材料，以至即便是使用完后的丢弃也不会对环境造成任何污染；对于电化学传感器而言，贵金属和电解液的配合的合理性，就决定了传感器的好与次，提高了微型传感器的测量准确度；采用了一种更轻薄、韧性更强、透气不透水的材料制作出一种全新的炭黑氟树脂隔膜，在传感器微型化的应用上起到了关键性的作用；传统的电化学传感器采用的是噴镀技术，缺点是贵金属的感应层会薄厚不均匀，而且整体金属面会相对比较厚，导致传感器在使用的过程中出现信号不稳定的情况。而本申请采用了新型的印刷技术将配比好的贵金属层印刷到上述化学膜上，贵金属层会十分均匀并且整体要更薄这样使化学层跟金属层的接触以及反应更直接更快，传统传感器一般恢复时间通常＜30秒微型传感器的恢复时间＜20秒；传统传感器使用的是改性聚苯醚属于化工类材料为外壳，本申请的封装采用的是环氧树脂为外壳，相比之下更环保丢弃后对环境0无污染。把传统的金属电极更换成了金属橡胶电极，能将传感器直接跟微型电路板相结合提高他的应用性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.液态微型电化学气体传感器，包括壳体，其特征在于，所述壳体内设置有电解液，所述壳体一端密封设置有膜片，所述电解液内设置有工作电极、对电极以及参考电极，所述膜片上设置有炭黑氟树脂隔膜，所述膜片外部设置有固定环，所述固定环环绕所述膜片外沿，并向壳体方向形成弯折的包边，所述膜片与所述壳体之间还设置有密封环，所述工作电极、参考电极和对电极为金属橡胶电极，所述工作电极、参考电极和对电极通过贵金属薄层与所述电解液接触，所述贵金属薄层均匀设置于工作电极、参考电极和对电极表面，所述壳体外部设置有封装外壳，所述封装外壳为环氧树脂的封装外壳，所述封装外壳上设置有多层阻挡孔。

2.根据权利要求1所述的液态微型电化学气体传感器，其特征在于，所述壳体的尺寸规格为20*24*5mm，尺寸误差0.15mm。

3.气体感应信号转换电路，其特征在于，包括如权利要求1-2中任一项所述的液态微型电化学气体传感器。