超薄电化学气体传感器制造技术

本公开提供了一种电化学传感器(100)。该电化学传感器(100)具有：衬底(102)；多个电极(104,105,106)，该多个电极设置在衬底(102)的第一表面上；电解质(103)，该电解质设置在多个电极(104,105,106)中的每个电极的至少一部分之上；和一个或多个毛细管(113)，该一个或多个毛细管穿过衬底(102)设置，其中该一个或多个毛细管(113)被配置为提供目标气体从传感器的外部传递到多个电极(104,105,106)中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中衬底(102)的长度或宽度与一个或多个毛细管(113)的直径的比率大于约30。

Ultra-thin electrochemical gas sensor

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超薄电化学气体传感器相关申请的交叉引用不适用。关于联邦赞助研究或开发的声明不适用。对微缩胶片附录的参考不适用。
技术介绍
电化学传感器传统上包括气体扩散工作(或感测)电极，其通常是基于分散在聚四氟乙烯(PTFE)带上的铂或石墨/铂催化剂。目标气体在该电极处进行反应，同时平衡反应在反电极处发生。电极容纳在外部壳体内，该外部壳体容纳液体电解质，诸如硫酸。气体通常通过受控扩散入口进入壳体，该受控扩散入口调节目标气体进入电池。气体在电极处进行反应并影响传感器的电输出。
技术实现思路
在一个实施方案中，电化学传感器可以包括：衬底；多个电极，该多个电极设置在衬底的第一表面上；电解质，该电解质设置在多个电极中的每个电极的至少一部分之上；和一个或多个毛细管，该一个或多个毛细管穿过衬底设置，其中一个或多个毛细管被配置为提供目标气体从壳体的外部传递到多个电极中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中衬底的长度或宽度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约30。在一个实施方案中，形成电化学传感器的方法可以包括：穿过衬底形成一个或多个毛细管，其中衬底的长度与一个或多个毛细管的直径的比率大于约50；在衬底的第一表面上形成多个电极；将电解质设置在多个电极中的每个电极的至少一部分之上；以及密封多个电极和电解质以使其与外部环境隔开，其中一个或多个毛细管形成外部环境与多个电极之间的唯一开口。在一个实施方案中，电化学传感器可以包括：衬底；多个电极，该多个电极设置在衬底的第一表面上；电解质，该电解质设置在多个电极中的每个电极的至少一部分之上；以及多个毛细管，该多个毛细管穿过衬底设置，其中毛细管被配置为提供目标气体从壳体的外部传递到多个电极中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中传感器的厚度与毛细管的直径的比率大于约20。根据以下具体实施方式并结合附图和权利要求，将更清楚地理解这些特征和其他特征。附图说明为了更全面地理解本公开，现在参照以下结合附图和详细说明所作的简要说明，在附图中相似的附图标号代表相似的部件。图1示意性地示出根据一个实施方案的传感器的剖视图。图2示意性地示出根据一个实施方案的在另一个电路板上的传感器。图3A至图3B示意性地示出根据一个实施方案的传感器和多个毛细管的近距剖视图。图4A至图4B示意性地示出根据一个实施方案的传感器和多个毛细管的顶视图。图5示意性地示出根据一个实施方案的在电路板上的另一个传感器。具体实施方式首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的、无论是当前己知的还是尚不存在的技术来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围及其等同物的全部范围内进行修改。以下简短术语定义应适用于整个申请文件：术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本专利技术的至少一个实施方案中，并且可包括在本专利技术的多于一个实施方案中(重要的是，此类短语不一定是指相同实施方案)；如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；术语“大约”或“约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；并且如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”(或其他此类词语)被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。此类部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。实施方案涉及用于防止电化学气体传感器内的电解质泄漏的系统和方法。典型的电化学气体传感器包括壳体、设置在壳体内的电解质和与电解质接触的多个电极。行业趋势表明期望减小传感器设备的尺寸。为了成功地实现尺寸减小，可以将复杂部件集成到电化学传感器内的一个衬底上。电极和电解质可以逐层地施用(或印刷)到衬底上，其中衬底含有用于使气体穿过衬底扩散到电极的毛细管。传感器的最外层可以是密封层，其也可以印刷在电解质的顶部以用于密封目的。然而，电解质从衬底中的毛细管泄漏，特别是在较高环境湿度下，可能产生问题。电解质泄漏可能是由于在衬底中的毛细管附近的电极损坏而导致的。由于这种泄漏，电解质可能干涸，从而导致传感器的灵敏度下降或甚至完全地失去灵敏度。本公开的实施方案包括防止电解质从衬底中的毛细管泄漏的系统和方法。例如，可以减小毛细管直径，从而减小毛细管的表面积。当表面积减小时，对抵抗毛细管与电极之间的接触的部位处的变形的电极强度的要求降低。因此，降低电极在毛细管部位处可能被损坏的风险，并且消除电解质泄漏的可能性。减小毛细管的直径也减小了电极之间的接触表面和气体扩散。为了保持足够量的气体扩散到电极，当毛细管的直径减小时，毛细管的数量可以增加。图1示意性地示出了设置在陶瓷衬底102上的集成传感器组件100的实施方案。传感器元件122可以更大规模地实现，以在陶瓷衬底上形成集成传感器组件100以及用于操作传感器的相关联电路。集成传感器组件100可以在陶瓷衬底102上使用固体电解质103和电极104、106以形成集成传感器，在一些实施方案中，集成传感器可以不具有与其相关联的壳体或其他盖。感测元件122和电路的整体集成可以使整体尺寸小且成本低，并且降低由集成传感器组件100产生的信号中的噪声。通过使部件之间的连接距离更短并减少或消除使用机械接触(例如，电导体的机械连接)，可以降低噪声。集成传感器组件100还需要比需要与控制电路的单独的机械连接的传感器122更少的功率。集成传感器组件100可能能够检测在感测电极处易于电化学氧化或还原的气体或蒸气，诸如一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮、氮气、二氧化氮、氯气、氢气、氰化氢、氯化氢、臭氧、环氧乙烷、氢化物和/或氧气。集成传感器组件100包括两个或更多个电极，诸如设置在衬底102上的感测电极104、反电极106和参考电极(如图2所示)、电解质103、与电极104、106电连通的电引线110，以及穿过衬底102设置的一个或多个毛细管113。如本文所述，参考电极的使用是任选的，并且在一些实施方案中可以不存在参考电极。另外，在一些实施方案中可以存在多于三个电极。密封剂112可以设置在电解质103之上以密封电解质和电极104、106来使其与环境大气隔开，使得电极104、106与周围环境之间的唯一流体连通是通过毛细管113的。其他电路也可以设置在衬底102上，如本文更详细地描述的。衬底102用于支撑和保持感测元件122。在图1中所示的实施方案中，衬底可以用作印刷电路板或用作各种电路的其他支撑。因此，衬底102可以包括电绝缘材料。在一些实施方案中，衬底102可以包括陶瓷，诸如氧化铝或二氧化硅，但是也可以使用其他陶瓷衬底。陶瓷材料的使用可以允许半导体制造技术用于生产集成传感器组件100。电极104、106可以包括能够通过诸如热沉积、溅射、化学气相沉积、蚀刻、电沉积等工艺沉积的材料。例如，电极104、105、106可以包括能够电沉积和蚀刻以形成单独电极的材料。电极10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学传感器(100)，包括：衬底(102)；多个电极(104,105,106)，所述多个电极设置在所述衬底(102)的第一表面上；电解质(103)，所述电解质设置在所述多个电极(104,105,106)中的每个电极的至少一部分之上；和一个或多个毛细管(113)，所述一个或多个毛细管穿过所述衬底(102)设置，其中所述一个或多个毛细管(113)被配置为提供目标气体从所述传感器的外部传递到所述多个电极(104,105,106)中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中所述衬底(102)的长度或宽度与所述一个或多个毛细管(113)的直径的比率大于约30。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电化学传感器(100)，包括：衬底(102)；多个电极(104,105,106)，所述多个电极设置在所述衬底(102)的第一表面上；电解质(103)，所述电解质设置在所述多个电极(104,105,106)中的每个电极的至少一部分之上；和一个或多个毛细管(113)，所述一个或多个毛细管穿过所述衬底(102)设置，其中所述一个或多个毛细管(113)被配置为提供目标气体从所述传感器的外部传递到所述多个电极(104,105,106)中的一个或多个电极的扩散通路，并且其中所述衬底(102)的长度或宽度与所述一个或多个毛细管(113)的直径的比率大于约30。2.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述一个或多个毛细管(113)包括穿过所述衬底(102)设置的多个毛细管(113)。3.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述衬底(102)具有介于大约10μm至大约10mm之间的长度或宽度。4.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述一个或多个毛细管(113)具有介于大约0.5μm和大约30μm之间的直径。5.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述传感器(100)具有介于约0.2mm和大约2mm之间的厚度。6.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述衬底(102)的所述长度或所述宽度与所述一个或多个毛细管(113)的所述直径的所述比率大于约50。7.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述衬底(102)的所述长度与所述一个或多个毛细管(113)的所述直径的所述比率大于约100。8.根据权利要求1所述的电化学传感器(100)，其中所述传感器(100)的所述厚度与所...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆庆辉，刘玲，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国,US