用于检测气体的集成感测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电化学气体感测元件(290)，其具有小于5mm×5mm的占用面积，使得电解质容量、电极(302、303)的尺寸及电互连件(310)十分小。这导致在检测气体之后快速稳定且使偏置电压的迅速变化能够以不同气体为目标。传感器主体(300)是陶瓷的，且其它组件在包含焊料回流温度在内的温度下是稳定的，从而允许使用常规焊料回流技术将感测元件安装到PCB(321)。传感器电路(312)被安装在所述感测元件主体上以检测通过传感器电极的电流且以数字方式处理信息，从而导致更准确分析。小尺寸、低电力消耗及模块化允许所述传感器元件被安装于小的手持式装置中。揭示校准及重新校准个别气体传感器网络的额外方法及关于环境条件校正测量数据的方法。

Integrated Sensing Device for Gas Detection

The invention relates to an electrochemical gas sensing element (290), which has an occupied area of less than 5 mm *5 mm, so that the electrolyte capacity, the size of electrodes (302, 303) and the electrical interconnection component (310) are very small. This results in rapid stabilization after gas detection and enables the rapid change of bias voltage to target different gases. The sensor body (300) is ceramic and other components are stable at temperatures including solder reflux temperature, thus allowing the sensor to be installed into PCB (321) using conventional solder reflux technology. The sensor circuit (312) is mounted on the main body of the sensor element to detect the current passing through the sensor electrode and process information digitally, thereby leading to more accurate analysis. Small size, low power consumption and modularity allow the sensor elements to be installed in small handheld devices. Additional methods for calibrating and re-calibrating individual gas sensor networks and methods for calibrating measurement data under environmental conditions are revealed.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于检测气体的集成感测装置相关申请案的交叉参考本申请案是基于由杰罗姆钱德拉巴特(JeromeChandraBhat)及理查德伊恩奥尔森(RichardIanOlsen)在2016年5月19日申请的序列号为62/338,900的美国临时专利申请案且主张来自所述美国专利申请案的优先权，所述美国专利申请案经转让给本受让人且以引用方式并入本文中。
本专利技术涉及低密度材料(例如气体)的感测及识别，且特定来说，涉及由电化学电池结合感测电路感测及识别低密度材料。
技术介绍
考虑到由工业化及自然源以及数量急剧增加的家庭及城市污染源促成的地球大气的巨大变化，对准确及连续空气质量监测的需要对识别所述源及警告消费者即将发生的危险两者已成为必需。等同于进行实时监测及暴露评估，现实是递送可被集成到最广范围的平台及应用中的低成本、小形状因子及低电力装置的能力。存在感测不同低密度材料(例如气体)的多种方法。常见方法包含非色散红外光谱学(NDIR)、使用金属氧化物传感器、使用化敏电阻器及使用电化学传感器。本专利技术涉及电化学传感器。电化学传感器的操作原理是众所周知的且在以引用方式并入本文中的以下概述中概述：http://www.spec-sensors.com/wp-content/uploads/2016/05/SPEC-Sensor-Operation-Overview.pdf。基本上，在电化学传感器中，传感器电极(也称为工作电极)接触合适的电解质。传感器电极通常包括与目标气体及电解质反应以释放或接受电子的催化金属，当所述电极被适当地偏置时及当电极连同适当的对电极使用时，这在电解质中产生特性电流。电流通常与接触传感器电极的目标气体的量成比例。通过使用针对待检测的特定气体的传感器电极材料及偏压并感测电流，可确定环境大气中目标气体的浓度。常规电化学传感器的一个缺点是其尺寸(例如，电解质的体积及电极的尺寸)相对较大，使得其在遭受到目标气体时花费较长的时间变稳定。此外，响应于气体的电流变化较小，所以存在较低信噪比，且由于金属迹线通向传感器外部的处理电路，所以存在损耗及RF耦合，从而进一步降低信噪比。另外，电化学电池主体通常是不能承受高于150℃的温度的聚合物，且电解质包括不能承受高于大约100℃的温度的酸的水溶液。这使电接点无法通过使焊料回流(通常在180到260℃下)被焊接到印刷电路板，且使得无法使用一些热固性导电粘合剂(例如含银环氧树脂)或各向异性导电膜或膏(通常在120到150℃下固化)。因此，需要不具有常规传感器的缺点的用于气体的电化学传感器。
技术实现思路
下文概述一种电化学传感器架构，其实现在存在多种多样的大气情况下选择性地识别特定气体、小形状因子及低电力的基本要求。进一步概述在持续基础上校准网络化传感器的方法。在本专利技术的一个实施例中，存在四个基本新颖元素。首先是包括机械平台的结构组件，各种功能组件被附接于所述机械平台中及其之上。所述结构形成允许组件的多个层的机械模块，所述组件可包含(但不限于)过滤器、约束结构、电极、液体容器、固体容器、电互连件、半导体裸片及附接结构(例如焊料球或金(或其它金属)柱形凸块)。接合在一起的陶瓷及金属层形成用于电子及电化学子系统两者的机械拓扑以及电互连件两者。额外非陶瓷层也可经覆盖到陶瓷基底上以添加关于气体过滤、抗水性及热成像的功能性。到系统中的其它组件的连接也经由应用到例如结构的底部、侧或顶部的互连方法学经集成到机械平台中。由于电化学传感器的主体是陶瓷的(例如铝)，所以其可承受超过焊料流温度(例如，260℃)的温度。此外，电极及非水电解质也可承受焊料回流温度。另外，传感器的占用面积可小到4mm×4mm，其中高度约2mm。因此，电解质的体积及电极的尺寸十分小，当传感器遭受到目标气体时，这导致十分快速的反应及稳定时间，例如，小于一秒。第二元素是电化学(EC)电池，EC电池在功能性上由电极、催化剂及电解质的特定组合组成。电极被放置到呈特定配置的结构平台的盖子上以允许在存在催化剂及反应气体的情况下的电流流动。所述盖子具有一或多个孔隙以允许气体与催化剂相互反应。替代地，一或多个孔隙可被并入到基底中。一或多个EC电池可被支撑于单个结构平台中。因此，可通过多个电池或通过由电子子系统控制的电极偏压的修改来适应多气体检测。接着，将电极与模拟及数字子系统互连，所述模拟及数字子系统放大相互反应的信号特性且接着将所述信号特性转换成所述信号的数字表示。与EC电池成一体的是特定任选过滤器材料，其可(举一实例)排斥挥发性有机化合物气体进入电池。同样地，疏水过滤器可(举另一实例)排斥水进入电池。通过提供十分少量的电解质及小电极，使传感器适合于不同目标气体的偏置电压的变化导致传感器的特性的迅速变化。因此，可在短时间内检测广泛范围的气体。在一些应用中，快速反应时间可为必要的，例如，对于呼吸测试来说。第三元素是EC电池的输出信号的电子处理以及与传感器模块外的其它系统组件的接口。如上所述，被诱发到电极上的信号传递通过放大及噪声减少电路，接着，所述信号从模拟信号转换成信号电平的数字表示。原始数字信号现可存储于电子子系统(ES)的存储器中，且可通过标准接口(例如I2C)被发送，或在模块中进行本地处理。电极偏压的控制也可由ES自动控制或通过系统接口外部控制，或若需要，由单个输入信号控制。经由例如中断信号的阈值通告或校准循环也可由ES管理及执行。在优选实施例中，处理电路是附装到传感器的底部的芯片。因此，由于小的迹线从电极通向电流检测电路，所以存在十分少的损耗及RF耦合。此外，芯片中的温度传感器由于其直接附接到传感器而准确地测量传感器的温度。另外，由于传感器及处理电路形成具有约4mm×4mm的占用面积的单个模块，所以其可容易地被提供于手持式装置中。这三个元素形成用于检测、转译及报告特定气体存在及其浓度的全部功能块。可将添加的功能性以添加的传感器形式容易地添加到结构组件，添加的传感器例如(但不限于)温度传感器(接触及非接触两者)、气压传感器(接触及非接触两者)及湿度传感器。添加的功能性也可通过额外电路被提供到ES以处理额外功能的并行或循序读数。此实施例的第四元素包括具有已知固定或移动位置的多个传感器的联网以允许传感器的持续校准。在此方案中，两个或两个以上传感器的联网以及对那些传感器的地理位置及传感器取样环境的时间的获知允许比较多个传感器中的两者的读数，且允许最近不太校准或较差校准的传感器基于来自其附近中的其它传感器的数据进行重新校准。传感器模块中的处理电路的数字输出可由RF或因特网传输到远程中央网络以用于监测传感器网络的输出。传感器也可经远程地控制以检测所关注广泛范围的不同气体。来自分散的传感器的检测可由网络处理以确定特定气体的源及检测环境条件对气体的影响。传感器模块的使用包含气体质量监测(例如，一氧化碳)、气体暴露控制、有毒气体检测、呼吸分析、工业过程中的反馈等。描述其它实施例及优点。附图说明图1是根据本专利技术的一个实施例的传感器模块的实施例的横截面图，所述传感器模块包括空腔封装、电极、电解质、感测电路及电互连件。图2说明图1的传感器模块，其中临时保护盖经放置在开口之上以使电极在处理期间免于中毒。图3是类似于图1的传感器模块的传感器模块的分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学气体感测元件，其包括：封装主体，其含有部分围封空腔；所述空腔内含的电解质；所述部分围封空腔内部上的多个电极，所述电极接触所述电解质；所述封装主体中的气体开口，其用于允许气体接触所述电极中的至少一者；电互连件，其从所述电极导向所述空腔外部；及所述封装主体的外表面上的多个电接点，其用于接收电力且用于输出与检测到的气体有关的信息，其中所述封装、电解质及电极由承受大于180℃的处理温度的材料形成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.19 US 62/338,900;2017.05.17 US 15/598,2281.一种电化学气体感测元件，其包括：封装主体，其含有部分围封空腔；所述空腔内含的电解质；所述部分围封空腔内部上的多个电极，所述电极接触所述电解质；所述封装主体中的气体开口，其用于允许气体接触所述电极中的至少一者；电互连件，其从所述电极导向所述空腔外部；及所述封装主体的外表面上的多个电接点，其用于接收电力且用于输出与检测到的气体有关的信息，其中所述封装、电解质及电极由承受大于180℃的处理温度的材料形成。2.根据权利要求1所述的气体感测元件，其中所述封装主体包括陶瓷材料。3.根据权利要求1所述的气体感测元件，其中所述电解质在高达260℃的处理温度下在物理上及化学上是稳定的。4.根据权利要求1所述的气体感测元件，其中所述电解质包括两性离子材料。5.根据权利要求1所述的气体感测元件，其中所述电解质包括灌注有酸的聚合物。6.根据权利要求1所述的气体感测元件，其中所述电解质在高达260℃的处理温度下在物理上及化学上是稳定的。7.根据权利要求1所述的气体感测元件，其中所述电互连件沿着所述封装主体的外部形成。8.根据权利要求1所述的气体感测元件，其中所述电互连件的一部分经屏蔽而免遭电磁干扰。9.根据权利要求1所述的气体感测元件，其进一步包括：传感器电路，其经附装到所述封装主体，所述传感器电路检测通过至少一第一电极的对应于撞击于所述第一电极上的气体浓度的电流，所述传感器电路经配置以处理所述电流且将数字数据输出到所述多个电接点。10.根据权利要求9所述的气体感测元件，其中所述传感器电路包含模/数转换器及处理器，所述处理器用于生成与由所述气体感测元件检测到的气体有关的所述数字数据。11.根据权利要求10所述的气体感测元件，其中所述传感器电路包括专用集成电路ASIC。12.根据权利要求9所述的气体感测元件，其中所述传感器电路进一步包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：热罗姆·钱德拉·巴特，理查德·伊恩·奥尔森，
申请(专利权)人：因赛特系统公司，
类型：发明
国别省市：美国,US