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Einige Sensorvorrichten werden durch die elektrochemische Reaktion einer Zielspezies an einer Elektrode einer elektrochemischen Zelle betrieben. Die elektrochemische Zelle für Sensorvorrichtungen wird auf konventionelle Weise durch das Füllen eines zuvor vorbereiteten Gehäuses mit einem flüssigen Elektrolyt gebildet. Feste Elektrolyte wurden ebenso entwickelt, die einfacher in dem Gehäuse einer Sensorvorrichtung zu halten sind, jedoch sind feste Elektrolyte aktuell nur für eine begrenzte Anzahl an Zielspezies verfügbar.
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Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben die Herausforderung identifiziert, eine neue Art Sensorvorrichtung bereitzustellen, die flüssige Elektrolyte verwendet.
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Hiermit wird ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum sensorischen Erfassen einer Zielspezies bereitgestellt, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Bereitstellen einer ersten und zweiten Komponente, die jeweils einen Trägerfilm umfassen, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Komponente mindestens eine Arbeitselektrode umfasst, die auf dem jeweiligen Trägerfilm getragen wird, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Komponente mindestens eine Gegenelektrode umfasst, die auf dem jeweiligen Trägerfilm getragen wird, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Komponenten eine Schutzbarriere definiert, die auf dem jeweiligen Trägerfilm getragen wird, und mindestens eine der ersten und zweiten Komponente umfasst eine Anordnung aus Abstandhalterstrukturen, die auf dem jeweiligen Trägerfilm getragen werden; das Auftragen eines Volumens eines flüssigen Elektrolyts auf der ersten Komponente; Laminieren der zweiten Komponente an der ersten Komponente, so dass das Volumen des flüssigen Elektrolyts in einem Raum innerhalb eines Bereichs des flüssigen Elektrolyts verteilt wird, der durch die Anordnung aus Abstandhalterstrukturen erzeugt wird, der durch die Schutzbarriere begrenzt ist; wobei der flüssige Elektrolyt so funktioniert, dass er mindestens ein elektrochemisches Reaktionsprodukt einer elektrochemischen Reaktion der Zielspezies an der Arbeitselektrode zu der Gegenelektrode zu einer elektrochemischen Gegenreaktion an der Gegenelektrode transportiert.
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Ebenso wird hiermit eine Vorrichtung zum sensorischen Erfassen einer Zielspezies bereitgestellt, umfassend: erste und zweite Komponenten, die zusammenlaminiert sind, wobei jede der ersten und zweiten Komponente jeweils einen Trägerfilm umfasst, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Komponente mindestens eine Arbeitselektrode umfasst, die auf dem jeweiligen Trägerfilm getragen wird, mindestens eine der ersten und zweiten Komponente umfasst mindestens eine Gegenelektrode, die auf dem jeweiligen Transportfilm getragen wird, mindestens eine der ersten und zweiten Komponente umfasst eine Schutzbarriere, die auf dem jeweiligen Trägerfilm getragen wird, und mindestens eine der ersten und zweiten Komponente umfasst eine Anordnung aus Abstandhalterstrukturen, die auf dem jeweiligen Trägerfilm getragen wird; wobei die Vorrichtung ferner ein Volumen eines flüssigen Elektrolyts umfasst, der in einem Raum verteilt wird, der durch die Anordnung aus Abstandhalterstrukturen erzeugt wird, innerhalb eines Bereichs des flüssigen Elektrolyten, der durch die Schutzbarriere begrenz wird; und wobei der flüssige Elektrolyt so funktioniert, dass er mindestens ein elektrochemisches Reaktionsprodukt einer elektrochemischen Reaktion der Zielspezies an der Arbeitselektrode zur Gegenelektrode für eine elektrochemische Gegenreaktion an der Gegenelektrode transportiert.
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Nach einer Ausführungsform umfasst die Schutzbarriere mindestens teilweise eine oder mehrere Linien aus Klebstoff, um die erste und zweite Komponente aneinander zu fixieren.
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Nach einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Aushärten der einen oder mehreren Linien aus Klebstoff, nachdem die erste und zweite Komponente aneinander laminiert wurden.
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Nach einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bilden einer strukturierbaren Schicht des Abstandhalterstrukturmaterials, oder eines Präkursors davon, auf dem jeweiligen Trägerfilm, und das Strukturieren der strukturierbaren Schicht in situ auf dem jeweiligen Trägerfilm, um die Anordnung aus Abstandhalterstrukturen zu bilden.
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Nach einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Auftragen einer Linie aus dem Elektrolytmaterial an einem proximalen Ende der ersten Komponente, und das darauffolgende Laminieren zunehmend distalerer Abschnitte der zweiten Komponente mit der ersten Komponente in einer Laminierungsrichtung.
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Nach einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Auftragen von Klebstoff auf mindestens eine der ersten und zweiten Komponente vor dem Laminieren; und das darauffolgende Laminieren zunehmend distaler Abschnitte der zweiten Komponente mit der ersten Komponente in einer Laminierungsrichtung; wobei zumindest ein Teil des Klebstoffs, der auf die erste und/oder zweite Komponente aufgetragen wird, eine Anordnung aus Paaren aus Linienabschnitten des Klebstoffs definiert, wobei jedes Paar der Linienabschnitte zu einem jeweiligen Treffpunkt zusammenlaufen, der entgegengesetzt zu der Laminierungsrichtung liegt.
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Nach einer Ausführungsform werden die Paare der Linienabschnitte an distalen Enden dieser Paare zusammengefügt.
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Nach einer Ausführungsform definiert die Anordnung aus Paaren von Linienabschnitten mindestens eine durchgehende Zickzacklinie, die sich in einer Richtung erstreckt, die im Wesentlichen senkrecht zu der Laminierungsrichtung liegt.
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Nach einer Ausführungsform wird die Anordnung aus Paaren von Linienabschnitten mindestens durch einen am meisten distalen Abschnitt des aufgetragenen Klebstoffs in der Laminierungsrichtung definiert.
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Nach einer Ausführungsform umfasst das Laminieren die Verwendung einer Walze, um sukzessive zunehmend distale Abschnitte der zweiten Komponente gegen die erste Komponente zu pressen, während der Teil der zweiten Komponente, der vor der Walze liegt, unter Spannung gehalten wird, und Aushärten des am meisten distalen Abschnitts des aufgetragenen Klebstoffs, bevor die Kraft der Walze gegen die zweite Komponente gelöst wird.
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Nach einer Ausführungsform umfasst das Laminieren die Verwendung einer Walze, um sukzessive zunehmend distale Abschnitte der zweiten Komponente gegen die erste Komponente zu pressen, während der Teil der zweiten Komponente, der vor der Walze liegt, unter Spannung gehalten wird, und Lösen der Kraft der Walze gegen die zweite Komponente, wenn die Walze in Kontakt mit einem Endabschnitt der zweiten Komponente steht, und wobei die Anordnung aus Paaren der Linienabschnitte, die durch den aufgetragenen Klebstoff in mindestens dem Endabschnitt und/oder einem Abschnitt zwischen dem Endabschnitt und dem am meisten distalen Bereich des flüssigen Elektrolyten definiert ist.
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Nach einer Ausführungsform ist die Anordnung aus Paaren aus Linienabschnitten durch den aufgetragenen Klebstoff in mindestens einem Abschnitt definiert, der unmittelbar vor dem Endabschnitt liegt.
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Nach einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Aushärten des Klebstoffs mindestens in dem Endabschnitt und/oder in mindestens dem Abschnitt zwischen dem Endabschnitt und dem am meisten distalen Bereich des flüssigen Elektrolyts, bevor die Kraft der Walze gegen die zweite Komponente gelöst wird.
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Nach einer Ausführungsform umfasst das Laminieren die Verwendung einer Walze, um sukzessive zunehmend distale Abschnitte der zweiten Komponente gegen die erste Komponente zu pressen, wobei der Teil der zweiten Komponente vor der Walze unter Spannung gehalten wird; und Aushärten mindestens eines am meisten distalen Teils des aufgetragenen Klebstoffs, bevor die Kraft der Walze gegen die zweite Komponente gelöst wird.
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Nach einer Ausführungsform befindet sich der am meisten distale Abschnitt des aufgetragenen Klebstoffs an der Kontaktlinie der zweiten Komponente mit der Walze, wenn die Kraft der Walze gegen die zweite Komponente gelöst wird, oder er befindet sich zwischen dem am meisten distalen Bereich des flüssigen Elektrolyts und der Kontaktlinie der zweiten Komponente mit der Walze, wenn die Kraft der Walze gegen die zweite Komponente gelöst wird.
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Nach einer Ausführungsform befindet sich der am meisten distale Abschnitt unmittelbar vorgelagert vor der Kontaktlinie der zweiten Komponente mit der Walze, wenn die Kraft der Walze gegen die zweite Komponente gelöst wird.
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Nach einer Ausführungsform umfassen die erste und die zweite Komponente eine Vielzahl von mindestens der Arbeitselektroden, der Gegenelektroden, der Schutzbarrieren, der Anordnungen von Abstandhalterstrukturen und der Volumen des flüssigen Elektrolyts, zum Bilden einer Vielzahl von Sensorvorrichtungen; wobei das Verfahren das sukzessive Laminieren zunehmend distaler Abschnitte der zweiten Komponente an die erste Komponente in einer Laminierungsrichtung umfasst, gemäß einer Technik, nach der das flüssige Elektrolytmaterial über mindestens zwei Regionen mit flüssigem Elektrolyt verteilt wird, die jeweils durch Schutzbarrieren von mindestens zwei Sensorvorrichtungen begrenzt werden; wobei die zwei Regionen mit flüssigem Elektrolyt in der Laminierungsrichtung in Reihe angeordnet sind, und wobei das Verfahren das Bereitstellen der Abstandshalterstrukturen zusätzlich in mindestens einer Zwischenregion zwischen den zwei Regionen mit flüssigem Elektrolyt in der Laminierungsrichtung umfasst.
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Nach einer Ausführungsform werden die Abstandhalterstrukturen zusätzlich in einem Abschnitt der Zwischenregion bereitgestellt, die direkt angrenzend an eine proximale der zwei Regionen mit flüssigem Elektrolyten in der Laminierungsrichtung angrenzt.
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Nach einer Ausführungsform werden diese Abstandhalterstrukturen im Wesentlichen gleichmäßig über mindestens eine proximale Hälfte der Zwischenregion in der Laminierungsrichtung bereitgestellt.
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Nach einer Ausführungsform werden diese Abstandhalterstrukturen im Wesentlichen gleichmäßig über mindestens eine distale Hälfte der Zwischenregion in der Laminierungsrichtung bereitgestellt.
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Nach der Ausführungsform wird der Klebstoff auf mindestens einer der ersten und zweiten Komponente bereitgestellt, so dass sich der Klebstoff über einem Teil der, aber nicht über der gesamten Zwischenregion befindet, und die Abstandhalterstrukturen werden zusätzlich in einem Teil der Zwischenregion bereitgestellt, an dem sich der Klebstoff nicht befindet.
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Nach einer Ausführungsform umfasst mindestens eine der ersten und zweiten Komponente mindestens eine Referenzelektrode, die auf dem jeweiligen Trägerfilm getragen wird.
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Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung werden detailliert hiernach als Beispiel beschrieben, lediglich in Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, wobei:
- 1 eine schematische Grundrissdarstellung von zwei Komponenten zum Zusammenlaminieren ist, um eine Sensorvorrichtung nach einer beispielhaften Ausführungsform einer Technik der vorliegenden Erfindung herzustellen;
- 2 ein Beispiel einer Technik zu Herstellen einer der zwei Komponenten von 1 darstellt;
- 3 ein Beispiel einer Technik zum Herstellen der anderen der zwei Komponenten in 1 darstellt;
- 4 das Laminieren der beiden Komponenten aus 1 miteinander nach einer beispielhaften Ausführungsform einer Technik nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 5 und 6 stellen ein Beispiel einer Laminierungstechnik zur Verwendung in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildlich dar; und
- 7 und 8 stellen Beispiele von Klebstoffmustern zur Verwendung in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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Nach einer beispielhaften Ausführungsform einer Technik nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung die nachfolgend beschriebenen Schritte. Sofern nichts Anderslautendes angegeben wurde, können die Schritte in einer anderen Reihenfolge als der unten angegebenen durchgeführt werden. Das nachfolgend detailliert beschriebene Beispiel gilt für den Fall der Herstellung einer einzelnen Sensorvorrichtung durch eine Laminierung von zwei Komponenten, wie jedoch weiter unten erwähnt, kann dieselbe Technik verwendet werden, um eine Vielzahl Sensorvorrichtungen durch eine Laminierung von zwei Komponenten herzustellen.
- A. Mit besonderer Bezugnahme auf 3 wird ein planarisierter, flexibler Kunststoffbasisfilm 22 (zeitweise und umkehrbar auf einem starreren Träger (nicht gezeigt) getragen, der eine Dicke von z. B. 50 Mikrometer aufweist, mit einer Schicht aus einem Elektrolyt-Barrierematerial 24 (wie einem Fluorpolymer) mindestens in dem Bereich beschichtet, in dem der flüssige Elektrolyt gehalten werden soll. Diese hydrophobe Schicht 24 funktioniert so, dass sie den Kunststoffbasisfilm 22 vor einem chemischen Angriff durch den flüssigen Elektrolyten schützt.
- B. Der sich daraus ergebende Basisfilm 2 wird dann beispielsweise durch Laserablation oder mechanisches Stanzen strukturiert, um Durchgangsöffnungen 26 zu bilden, die sich vollständig durch den Kunststoffbasisfilm 22 und die hydrophobe Schicht 24 in eine Region erstrecken, in der sich eine Sensor- (Arbeits-) Elektrode 6 befinden soll.
- C. Eine poröse Sensorelektrode 6 wird gebildet, z. B. durch Siebdruck einer Paste aus Elektrodenmaterial auf die hydrophobe Schicht 24 in der Region, in der Durchgangsöffnungen 26 gebildet sind. Die Sensorelektrode 6 ist ausreichend porös, um die Diffusion des Zielgases aus den Durchgangsöffnungen 26 in der hydrophoben Schicht / dem Kunststoffbasisfilm zu Reaktionspunkten zu ermöglichen, in denen das Sensorelektrodenmaterial in engem Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyten 20 steht (Besprechung weiter unten), aber die Sensorelektrode 6 verhindert ebenso, dass der flüssige Elektrolyt durch die Durchgangsöffnungen 26 aus der Zelle austritt. Die poröse Sensorelektrode kann ein Trägermaterial umfassen, das eine poröse Struktur aufweist, das in seinen Poren Partikel eines Katalysatormaterials trägt, das die elektrochemische Reaktion zwischen der Zielspezies und dem flüssigen Elektrolyten 20 fördert. Die Sensorelektrode 6 umfasst einen Abschnitt 8 außerhalb des Bereichs, in dem der flüssige Elektrolyt gehalten werden soll, um eine elektrische Verbindung über einen entsprechenden Kontakt 14 auf der zweiten Komponente B mit einem elektronischen Auslesechip 28 herzustellen, der auf dem Trägerfilm 30 der zweiten Komponente B getragen wird.
- D. Mit besonderer Bezugnahme auf 2 beginnt die Herstellung einer zweiten Komponente B mit dem Beschichten eines flexiblen Trägerfilms aus Kunststoff 30 mit einer Schicht aus einem Elektrolyt-Barrierematerial 24 (wie einem Fluorpolymer) in mindestens einem Bereich, in dem der flüssige Elektrolyt gehalten werden soll, und dann durch das Bilden strukturierter Referenz- und Gegenelektroden 10, 12 und damit assoziierter Routing-Schaltkreise 10a, 12a durch das Bilden einer Deckschicht aus z. B. Metall, beispielsweise durch eine Dampfablagerungstechnik, und dann durch Strukturieren der Deckschicht durch z. B. Fotolithographie. Abhängig von der Art des Zielgases und der elektrochemischen Reaktion des Zielgases an der Sensorelektrode kann die Gegenelektrode aus einem unterschiedlichen Material hergestellt sein, das mehr (als das Material der Sensorelektrode 6) für die elektrochemische Gegenreaktion geeignet ist, die die elektrochemische Reaktion an der Sensorelektrode 6 ausgleicht. Jede der Referenz- und Gegenelektroden 10, 12 wird mit einem jeweiligen Routing 10a, 12a zu jeweiligen Kontakten außerhalb eines Bereichs bereitgestellt, in dem der flüssige Elektrolyt enthalten ist; diese Kontakte sind für die Verbindung der jeweiligen Eingänge z. B. eines Chips 28 bestimmt, der Ausleseelektronik umfasst. Die Leiter- (z. B. Metall-) Schicht, die die Referenz- und Gegenelektroden 10, 12 definiert, definiert ebenso (i) einen Kontakt 14, der elektrisch mit dem Kontakt 8 der ersten Komponente in Verbindung kommt, wenn die zwei Komponenten A, B zusammenlaminiert werden; und (ii) das Routing von diesem Kontakt 14 zu einem Kontakt zur Verbindung mit dem jeweiligen Eingang des Chips 28, der Ausleseelektronik umfasst.
- E. Über den strukturierten Referenz- und Gegenelektroden 10, 12 und über den exponierten Bereichen der Elektrolyt-Barriereschicht 32 in mindestens dem Bereich, in dem der flüssige Elektrolyt gehalten werden soll, wird eine Schicht 34 aus Abstandshalterstrukturmaterial oder ein Präkursor eines Abstandshalterstrukturmaterials aufgetragen. Diese Schicht 34 wird dann durch Fotolithographie strukturiert, um in der Schicht aus Abstandhaltern eine Anordnung aus Abstandhalterstrukturen 16 zu definieren, die in der gesamten Vorrichtung so funktionieren, dass sie einen Raum für das flüssige Elektrolytmaterial zwischen der Sensorelektrode 6 und der Referenz- /Gegenelektroden 10, 12 gewährleisten. Die Abstandhalterstrukturen dienen dazu, einen im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand zwischen der Sensorelektrode und den Referenz-/Gegenelektroden über im Wesentlichen den gesamten Bereich aufrechtzuerhalten, der von dem flüssigen Elektrolyten eingenommen wird. Das Abstandhaltermaterial, das verwendet wird, um die Abstandhalterstrukturen zu bilden, kann jedes Material sein, das widerstandsfähig gegen einen chemischen Angriff durch den flüssigen Elektrolyten ist. Ein Fluorpolymermaterial kann für viele Arten flüssiger Elektrolyte geeignet sein. Der geringste Trennungsabstand zwischen der Referenz- und Gegenelektrode 10, 12 wird so erstellt, dass er wesentlich größer als die Dicke der Schicht aus Abstandhaltermaterial ist, so dass der kleinste Trennungsabstand zwischen der Referenz- und Gegenelektrode größer ist als die Dicke des Elektrolyts zwischen der Arbeits- und Gegenelektrode in der fertigen Vorrichtung. Die Abstandhalterstrukturen 16 können die Form von Säulen oder anderen Strukturen annehmen. Die Struktur/ Form der Abstandhalterstrukturen 16 kann zwischen Bereichen, in denen die Abstandhalterstrukturen 16 gebildet werden, variieren.
- F. Der Klebstoff 18 wird beispielsweise durch z. B. eine Spritze um den Umfang des Bereichs aufgetragen, in dem sich die Abstandhalterstrukturen 16 befinden, und ein Volumen eines Elektrolytmaterials 21 wird z. B. als eine Linie aus Elektrolytmaterial 20 an einem proximalen* Abschnitt des Bereichs aufgetragen, der durch den Klebstoff 18 begrenzt wird und durch den Elektrolyt im fertigen Produkt besetzt werden soll (*proximal in der Richtung, in die der obere Film an dem unteren laminiert ist, wie nachfolgend besprochen). Der Klebstoff 18 wird in 1 als einfache, gerade Linie gezeigt, aber wie beispielsweise nachfolgend besprochen, kann der Klebstoff in komplexeren Mustern aufgetragen werden. Das Volumen des flüssigen Elektrolyts wird so ausgewählt, dass ausreichend flüssiger Elektrolyt vorhanden ist, um die Räume zwischen den Abstandhalterstrukturen 16 über den gesamten Bereich auszufüllen, der durch die Linie aus Klebstoff 18 begrenzt wird, wenn die erste und zweite Komponente A, B zusammenlaminiert werden. Die Linie aus Elektrolytmaterial erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zu der Laminierungsrichtung 134, in der die erste Komponente A mit der zweiten Komponente B laminiert wird. Linie 18a in 1 zeigt die Position der Klebstofflinie auf der ersten Komponente A, wenn die erste Komponente A an die zweite Komponente B laminiert wird.
- G. Die erste Komponente A wird dann schrittweise an die zweite Komponente B laminiert, z. B. durch Walzen von in der Längsrichtung aufeinanderfolgenden Breitenabschnitten der ersten Komponente A auf von in der Längsrichtung aufeinanderfolgende Breitenabschnitte der zweiten Komponente B. Die Kompressionskraft, die wirkt, um die erste und zweite Komponente zusammenzupressen, funktioniert so, dass sie das Volumen des Elektrolytmaterials 21 (das ursprünglich als Line 20 auf der zweiten Komponente aufgetragen wurde) in der Laminierungsrichtung 134 verteilt. Die Klebstofflinie 18 enthält das verteilte Elektrolytmaterial zwischen der ersten und zweiten Komponente A, B.
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Der Laminierungsprozess umfasst die Verwendung einer Walze 128, um sukzessive zunehmend distale Abschnitte der Komponente A, die die Sensorelektrode 6 umfasst, gegen die zweite Komponente B, die die Gegen- /Referenzelektroden 10/12 umfasst, zu pressen, während ein proximales Ende der Komponente A an einem Fixpunkt 136 befestigt ist, um den Abschnitt der Komponente A, der vor der Walze liegt (d. h., der Abschnitt der Komponente A zwischen der Walze 128 und dem Fixpunkt 136), unter Spannung zu halten. Der Laminierungsprozess wird fortgesetzt, bis die Walze 128 sich über (oder nachgelagert hinter) dem am meisten distalen Abschnitt 120 des Klebstoffs befindet.
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Wie oben aufgeführt, wird der Laminierungsprozess weitergeführt, bis die Walze 128 sich über (oder nachgelagert hinter) dem am meisten distalen Abschnitt 120 des Klebstoffs befindet. Der Klebstoff, der in diesem Bereich 120 aufgetragen wurde, umfasst eine durchgehende Linie, die eine Anordnung von Paaren von Linienabschnitten (40, 42) umfasst, wobei jedes Paar zu einem Treffpunkt in einer Richtung zusammenläuft, die entgegengesetzt zu der Laminierungsrichtung liegt. Zwei Beispiele werden in den 7 und 8 gezeigt. In dem Beispiel in 7 umfasst die durchgehende Klebstofflinie zwei sich schneidende Zickzacklinien, die sich in einer Richtung erstrecken, die im Wesentlichen senkrecht zu der Laminierungsrichtung liegt. In dem Beispiel von 8 umfasst die durchgehende Klebstofflinie zwei parallele, sich nicht schneidende Zickzacklinien, die sich jeweils in einer Richtung erstrecken, die im Wesentlichen senkrecht zu der Laminierungsrichtung liegt. Wie in den 5 und 6 gezeigt, werden diese Zickzackmuster aus Klebstoff selektiv in einem Bereich 120 gebildet, an dem die Laminierung endet und/oder unmittelbar vor dem Punkt, an dem die Laminierung endet; sie werden nicht an einem anderen Punkt zwischen den Komponenten A und B gebildet. Der Bereich 120, über dem die Zickzackmuster gebildet werden, erstreckt sich über die gesamte Breite der Komponente A. Die Zickzackmuster bieten eine durchgehende und nicht durchbrochene Reihe diagonaler Linienabschnitte, die sich (in Bereich 120) im Wesentlichen über die gesamte Breite der Komponente A erstrecken, ohne Zwischenräume oder laterale Linienabschnitten zwischen den diagonalen Linienabschnitten. Die laterale Breite bezieht sich auf die Breite in einer Richtung, die senkrecht zu der Laminierungsrichtung liegt. Jeder diagonale Linienabschnitt 40, 42 führt direkt zu einem weiteren diagonalen Linienabschnitt 40, 42, ohne einen dazwischenliegenden Raum oder einen lateralen Linienabschnitt, der sich in einer Richtung erstreckt, die senkrecht zu der Laminierungsrichtung liegt.
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Wenn die Walze 128 den am meisten distalen Abschnitt 120 des Klebstoffs erreicht, wird der Klebstoff in diesem am meisten distalen Abschnitt 120 durch ultraviolette (UV-) Bestrahlung ausgehärtet, bevor die Kraft der Walze 128 gegen die erste Komponente A gelöst wird. Es kann bevorzugt sein, Klebstoff zu diesem Zeitpunkt in allen Regionen gleichzeitig auszuhärten, d. h., ebenso den Klebstoff in proximaleren Regionen zusätzlich zu dem Klebstoff in dem am meisten distalen Abschnitt 120 zu härten. 6 zeigt das Beispiel einer Bestrahlung von unter der zweiten Komponente B, aber der Klebstoff kann alternativ oder zusätzlich UV-Strahlung von oben über der ersten Komponente A ausgesetzt werden.
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Die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung haben ein Problem des Knitterns identifiziert, das bei dem laminierten Abschnitt der oberen Komponente A auftritt, nachdem die Kraft der Walze 128 gegen die obere Komponente A gelöst wird, und haben herausgefunden, dass dieses Knittern durch die oben beschriebenen Techniken besser vermieden werden kann. Ohne eine dem zugrundeliegende Theorie wird angenommen, dass Klebstoffmuster der in 7 und 8 gezeigten Art effektiv sind, da sie besser das Knittern in dem überschüssigen Abschnitt der oberen A, der nachgelagert hinter der Walze 128 liegt, vermeiden (der überschüssige Abschnitt, der nie unter Spannung gesetzt wird) der sich über den distalen Klebepunkt 120 erstreckt, wenn die Kraft der Walze 128 gegen die obere Komponente A gelöst wird.
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Die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung haben herausgefunden, dass diese Techniken insbesondere effektiv zur Reduzierung des Knitterns ist, wenn Kunststoffträgerfilme verwendet werden, die für Komponente A eine Dicke von etwa 40 Mikrometer und weniger aufweisen; das Knittern kann ein geringeres Problem sein, wenn Kunststoffträgerfilme verwendet werden, die eine Dicke von etwa 60 Mikrometer und mehr aufweisen. Das Reduzieren der Dicke der zwei Komponenten A, B kann zum Herstellen einer flexiblen Vorrichtung vorteilhaft sein; es wurde befunden, dass dünnere Filme im Allgemeinen in dem laminierten Verbundstoff weniger Belastung beim Biegen des Verbundstoffs erzeugen.
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Wie es in 1 gezeigt wird, weist die erste Komponente A eine geringere Breite auf (Abmessung in einer Richtung, die senkrecht zu der Laminierungsrichtung 134 der Walze liegt), so dass die Kontakte zum Verbinden jeweiliger Eingänge eines elektronischen Auslesechips 28 nach dem Laminieren der ersten Komponente A an der zweiten Komponente B exponiert bleiben.
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H. Nachdem das Laminieren abgeschlossen ist, wird der Klebstoff ausgehärtet, und mindestens die zweite Komponente B wird auf ihre endgültigen Abmessungen zugeschnitten, bevor die montierte Vorrichtung aus dem starren Träger 126 gelöst wird, der die zweite Komponente B während des Herstellungsprozesses trägt.
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Beim Betrieb kann die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion an der Sensorelektrode (die von der Konzentration der Zielspezies abhängig ist, der die Sensorelektrode ausgesetzt ist) beispielsweise durch Steuerschaltkreise gemessen werden, die den Strom durch die elektrochemische Zelle steuern, so dass die Sensor- und Referenzelektrode bei einem ähnlichen Potential gehalten werden. Die Referenzelektrode wird vor elektrochemischen Reaktionen abgeschirmt, an denen das Zielgas beteiligt ist, und kann als etwa bei demselben Potential wie der Elektrolyt liegend angesehen werden. Der Level des Stroms, der durch die chemische Zelle fließt, der erforderlich ist, um die Sensor- und Referenzelektrode auf demselben Potential zu halten, ist ein Indikator für den Potentialunterschied zwischen der Sensorelektrode und dem Elektrolyten, der durch elektrochemische Reaktionen an der Sensorelektrode verursacht wird, und ist somit ein Indikator für die Konzentration des Zielgases an der Sensorelektrode.
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Beispiel eines Kohlenstoffmonoxidsensors: Kohlenstoffmonoxid wird einer elektrochemischen Reaktion mit Wasser in dem flüssigen Elektrolyt an der Sensorelektrode unterzogen, die z. B. einen Platinkatalysator für die elektrochemische Reaktion umfasst, wobei die elektrochemische Reaktion Kohlenstoffdioxid und Wasserstoffionen erzeugt. Die Wasserstoffionen werden durch den flüssigen Elektrolyten zu der Gegenelektrode transportiert, wo sie einer elektrochemischen Reaktion mit Sauerstoff unterzogen werden, der in dem flüssigen Elektrolyten aufgelöst ist, um Wasser zu bilden.
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Ein Herstellungsverfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde oben für das Beispiel eines Designs mit drei Elektroden beschrieben, jedoch ist dieselbe Art Herstellungsverfahren ebenso auf andere Designs von elektrochemischen Zellen anwendbar, so wie solche, die nur eine Sensorelektrode und eine Gegenelektrode einschließen (ohne eine Referenzelektrode), wobei der Strom, der innerhalb der elektrochemischen Zelle durch elektrochemische Reaktionen an der Sensorelektrode (und Gegenreaktionen an der Gegenelektrode) erzeugt wird, als Indikator für die Konzentration des Zielgases an der Sensorelektrode genommen wird.
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In dem oben beschrieben Beispiel wird das Volumen des flüssigen Elektrolyts 21 als eine Linie aufgetragen, und die Laminierung wird durch Walzen der ersten Komponente A über die zweite Komponente von dem Ende der zweiten Komponente B durchgeführt, wo sich die Linie 20 aus flüssigem Elektrolyt befindet. Nach einer alternativen Laminierungstechnik wird der flüssige Elektrolyt 21 mehr weitläufig über den gesamten Bereich aufgetragen, der durch die Klebstofflinie 18 begrenzt wird, und die gesamte erste Komponente A wird dann auf die zweite Komponente B im Wesentlichen gleichzeitig abgesenkt und in einer einzigen Bewegung nach unten gegen die zweite Komponente B gepresst, wobei der flüssige Elektrolyt durch diese Bewegung gleichmäßig über den Raum verteilt wird, der durch die Abstandhalterstrukturen innerhalb des Bereichs erzeugt wird, der durch die Klebstofflinien 18 begrenzt wird.
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In dem oben beschrieben Beispiel wird ein Chip 28 verwendet, um die Ausleseelektronik bereitzustellen. Nach einer Variation wird die Ausleseelektronik durch einen Stapel strukturierter Schichten definiert, die über dem Kunststoffträgerfilm 30 aufgetragen werden, die eine oder mehrere Leiterschichten, eine oder mehrere Halbleiterschichten und eine oder mehrere dielektrische/ isolierende /Isolierungsschichten einschließt.
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In der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform wird eine einzige Sensorvorrichtung durch das Laminieren zweier Komponenten hergestellt. Jedoch kann mehr als eine Sensorvorrichtung als Ergebnis der Laminierung zweier Komponenten hergestellt werden, indem alle Elemente für eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen auf den Trägerfilmen 22, 30 der der ersten und zweiten Komponente A, B gebildet werden. Beispielsweise können Sets der oben für eine einzige Sensoreinheit beschriebenen Elemente an mehreren Stellen relativ langer Bahnen von Kunststoffträgerfilmen 22, 30 gebildet werden, so dass eine einzige Laminierung der verarbeiteten langen Bahnen aus Kunststoffträgerfilmen zu der Herstellung einer Vielzahl von Sensorvorrichtung führt, wobei die Vielzahl der Sensorvorrichtung durch Schneiden nach dem Laminierungsprozess voneinander getrennt werden kann. In einem Beispiel werden zusätzlich Abstandhalterstrukturen in Bereichen zwischen Sensorbereichen (Bereiche mit flüssigem Elektrolyt, die durch die jeweiligen Klebstoffbarrieren 18 begrenzt werden) aufeinanderfolgender Sensorvorrichtungen in der Laminierungsrichtung gebildet. Die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung fanden heraus, dass das Einbinden von Abstandhalterstrukturen in einer Zwischenregion zwischen Sensorbereichen dabei hilft, eine Kontamination mit Klebstoff in den Sensorbereichen und/oder eine Entwicklung übermäßiger Mengen flüssigen Elektrolyts in Teilen der Sensorvorrichtungen zu vermeiden. Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass diese zusätzlichen Abstandhalterstrukturen in dem (den) Zwischenbereich(en) effektiv sind, da sie das Risiko reduzieren, dass überschüssiges flüssiges Elektrolytmaterial aus einem Sensorbereich in den nächsten Sensorbereich (in der Laminierungsrichtung) läuft und Klebstoffmaterial hineinträgt, indem ein Schacht mit relativ großem Volumen für überschüssiges flüssiges Elektrolytmaterial zwischen zwei Sensorbereichen bereitgestellt wird. Wie oben aufgeführt, können die Abstandhalterstrukturen 16 in unterschiedlichen Bereichen ein(e) unterschiedliche(s) Muster/Form aufweisen. Beispielsweise können die Abstandhalterstrukturen 16 ein(e) Muster/Form in den Sensorbereichen aufweisen und ein(e) weitere(s), unterschiedliche(s) Muster/Form in Bereichen zwischen Sensorbereichen. Beispielsweise kann das Muster / die Form der Abstandhalterstrukturen 16 in den Regionen zwischen Sensorbereichen besser (als das Muster/ die Form der Abstandhalterstrukturen 16 in den Sensorbereichen) zum Bereitstellen eines Schachts mit relativ großem Volumen für überschüssiges flüssiges Elektrolytmaterial zwischen zwei Sensorbereichen sein.
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In der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform umfasst jede fertiggestellte einzelne Sensorvorrichtung eine einzelne Sensorzelle, die eine Arbeits-, Gegen-, und Referenzelektrode und einen Elektrolyte umfasst, der in Kontakt mit den drei Elektroden steht. Jedoch kann eine einzelne Sensoreinheit eine Vielzahl von Sensorzellen umfassen, die jede (i) ein jeweiliges Seit von Arbeits-, Gegen- und Referenzelektroden umfasst, die zusammen durch denselben oberen und/oder unteren Film getragen werden und (ii) ein jeweilige Volumen eines flüssigen Elektrolyten, das zwischen demselben oberen und unteren Trägerfilm eingeschlossen ist und in Kontakt mit dem jeweiligen Set aus Arbeits-, Gegen-, und Referenzelektrode steht. Beispielsweise kann die Vielzahl Sensorvorrichtungen eine Anordnung aus Sensorzellen zum Erfassen derselben Zielspezies in unterschiedlichen Bereichen der Sensorvorrichtung umfassen, wodurch die Ausgabe der Sensorvorrichtung die jeweiligen Konzentrationen der Zielspezies in unterschiedlichen Bereichen der Sensorvorrichtung anzeigen kann, wodurch ein Weg zu einer hohen räumliche Auflösung des Ursprungs der Zielspezies bereitgestellt wird. Nach einem weiteren Beispiel kann die Vielzahl der Sensorzellen ein Set von Sensorzellen zum Erfassen unterschiedlicher Zielspezies umfassen, wobei jede Sensorzelle jeweils ein Set von Arbeits-, Gegen-, und Referenzelektroden umfasst und jeweils eine Art flüssigen Elektrolyts, die alle für die Erfassung der jeweiligen Zielspezies geeignet sind. Jede der Vielzahl von Sensorzellen kann ein jeweiliges paralleles Set von Ausleseelektronik aufweisen, oder mehrere Sensorzellen können mit einem einzigen Set Ausleseelektronik gebündelt werden.
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Sensorvorrichtungen, die nach den oben beschriebenen Techniken hergestellt werden, können beispielsweise als tragbare Sensoren vom Typ Smart Card verwendet werden, z. B. in industriellen Sicherheitsanwendungen, wobei dem Träger beispielsweise übermäßige Level eines oder mehrerer schädlicher Gase mitgeteilt werden.
