用于低密度材料的低阻抗传感器制造技术

一种具有小的物理占用空间的电化学气体传感器装置被公开。元件内的电极被围绕电解质布置以使得所述传感器的电阻抗最小化。这导致在检测到气体之后快速稳定，并且使得偏置电压能够迅速改变以针对不同的气体。衬垫元件或可替换的设计被包括以消除电池内的电极之间的气体的扩散。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于低密度材料的低阻抗传感器相关申请本申请要求于2018年01月23日提交的、题目为“用于低密度材料的低阻抗传感器(LowImpedanceSensorforLowDensityMaterial)”的临时申请号62/620,963、以及于2018年01月22日提交的、题目为“用于低密度材料的芯片级感测装置(Chip-ScaleSensingDeviceforLowDensityMaterial)”的临时申请序列号62/620,372的权益和优先权，这两篇申请特此通过引用并入。
本专利技术涉及低密度材料(诸如气体)的感测和识别，特别是通过电化学电池与具有低电阻抗的感测电路结合对低密度材料的感测和识别。背景考虑到由于工业化和自然资源以及数量急剧增加的家庭和城市污染源而造成的地球大气的改变，对于准确的且连续的空气质量监视的需要已经成为确定源和警告消费者即将发生的危险的必要条件。使得进行实时的监视和暴露评定成为现实的是能够提供可以被集成到最广泛的范围的平台和应用中的低成本、小的形状因数和低功率装置的能力。存在感测不同的低密度材料(诸如气体)的多种方法。常见方法包括非色散红外光谱法(NDIR)、使用金属氧化物传感器、使用化敏电阻器、以及使用电化学传感器。本专利技术有关电化学传感器。常规的电化学传感器的一个缺点是其大小(例如，电解质的体积和电极的大小)相对较大，使得它在经受目标气体时要花很长的时间稳定下来。此外，因为对于气体做出响应的电流的改变很小，所以信噪比低，并且由于通向传感器外部的处理电路系统的金属痕迹，存在损耗和RF耦合，这进一步降低了信噪比。另外，电化学电池本体通常是不能经受高于150℃的温度的聚合物，并且电解质包括不能经受高于大约100℃的温度的酸的水溶液。这通过使焊料回流(通常在180-260℃下)来防止电触点被焊接到印刷电路板，并且防止一些热固性导电粘合剂(诸如含银的环氧树脂、或各向异性的导电膜或膏)(通常在120-150℃下被固化)的使用。存在感测不同的低密度材料(诸如气体)的多种方法。常见方法包括非色散红外光谱法(NDIR)、使用金属氧化物传感器、使用化敏电阻器、以及使用电化学传感器。一些电化学传感器对于本领域技术人员也是已知的。在本申请中，我们将能够生产的、改进的、小形状因数的电化学传感器装置描述为单个的组件或者在单颗化之前是成整体的。本申请的装置可以被有效地合并到其他电子产品(诸如移动装置)中，并且也可以符合用于在具有挑战性的环境(包括潮湿的和/或布满灰尘的环境)中操作的现代标准。概述以下描述和附图详细地阐述了本公开的某些说明性实施，这些实施指示可以实现本公开的各种原理的几种示例性方式。然而，说明性示例不是本公开的许多可能的实施方案的穷举。当结合附图考虑本公开时，本公开的其他的目的、优点和新颖的特征将在本公开的以下详细描述中被阐述。本文中所描述的专利技术的一方面是电化学电池中的电极相对于电解质的使得电池的电阻抗最小化的物理布置。这继而使得电化学电池能够更迅速地对施加的偏压中的改变做出响应。另一方面是电化学电池中的电解质的消除电极之间的气体的扩散的物理布置。一些实施方案针对一种电化学感测装置，电化学感测装置包括：封装面板；盖子面板；固体或板固体电解质；设置在一个或更多个电极室中的多个电极，每个电极与所述电解质接触；多个电极通过所述面板中的一个中的气体端口通孔与外部环境气体连通；以及密封件，密封件使至少一个电极室与任何其他的电极室气体隔离。其他实施方案针对一种用于制作具有多个传感器电极的电化学传感器装置的方法，方法包括：形成封装面板；形成盖子面板；在所述盖子面板和所述封装面板中的至少一个中创建多个通孔，多个通孔包括连接包含相应的电极的至少一个电极室与外部环境的气体端口通孔；在所述面板中的至少一个的内部面上形成一个或更多个衬垫(gasket)以使至少所述电极室与任何其他的电极室气体隔离；将电触点附连到所述盖子面板和所述封装面板中的一个或两个；形成设置在包括所述电极和另外的电极的多个电极之间的固体或半固体电解质层；以及配合所述盖子面板的内部面和所述封装面板的内部面以便限定所述电极室和任何其他的电极室，其中相应的电极和其他电极同时接触固体或半固体电解质层。附图的简要说明为了更充分地理解本技术的性质和优点，结合附图，参考优选实施方案的以下详细描述，在附图中：图1是根据本专利技术的一个实施方案的电化学传感器装置的截面图，该电化学传感器装置包括两个面板之间的部分封闭腔封装、多个电极、固体或半固体电解质、以及设置在电解质的任一侧的衬垫元件；图2是根据本专利技术的一个实施方案的电化学传感器装置的截面图，该电化学传感器装置包括由封装面板限定的传感器室、盖子面板、多个电极、固体或半固体电解质、以及设置在电解质的一侧的衬垫元件；图3是根据本专利技术的一个实施方案的电化学传感器装置的截面图，该电化学传感器装置包括由封装面板限定的传感器室、盖子面板、电极、固体或半固体电解质；图4是电化学传感器装置内的电极的正交相对定向的平面图表示；图5是电化学传感器装置内的电极的平行相对定向的平面图表示；图6图示说明用于气体隔离一个或更多个传感器电极室的衬垫材料；以及图7图示说明用于制作根据本公开的一个或更多个传感器装置的示例性方法。详细说明在电化学传感器中，传感器电极(也被称为工作电极)接触合适的电解质。传感器电极通常包括与目标气体和电解质发生反应以释放或接受电子的催化金属，当电极被适当地施加偏压时，以及当被结合适当的反电极使用时，该催化金属在电解质中创建特征电流。电流一般与接触传感器电极的目标气体的量成比例。通过使用传感器电极材料和针对将被检测的特定气体的偏压并且感测电流，周围大气中的目标气体的浓度可以被确定。本专利技术的一个或更多个实施方案针对如本文中将描述的和图示说明的、可以在一组面板、板、封装构件、盖子或封盖构件、或其他合适的组件(为简化起见，在本文中被共称为“面板”)上或者使用一组面板、板、封装构件、盖子或覆盖构件、或其他合适的组件制造的电化学感测装置。如下面将更详细地说明的，面板至少在其一个面上通常是平面的，并且通常可以用厚度尺寸来描述，但是它们的厚度在整个给定面板上无需是恒定的，例如，其中面板在一些区域中被机加工或蚀刻以在这样的区域处形成凹部或变化的厚度。传感器装置的一个面板在本文中被称为“封装面板”，另一个面板被称为“盖子面板”，但是该命名法不应限制本专利技术的一般性，并且不应例如被看作暗示封装面板必须在装置的底部，盖子面板必须在装置的顶部(尽管这当然是一种可能性)。在一般水平，本专利技术允许在至少一对这样的面板之间的体积中形成传感器室，其中面板被基本上彼此平行地设置，例如一个面板在水平方向上在另一个面板的上方。显然，将装置重新定向在空间中的任何方向上、例如以使得它是侧着的并且面板被垂直定向是同样有效的，并且通过本公开被理解，即使图示说明和描述可以指代封装面板、盖子面板或顶部和底部面板或其他术语，这些应被没有限制地、广本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学感测装置，所述电化学感测装置包括：/n封装面板；/n盖子面板；/n固体或半固体电解质；/n设置在一个或更多个电极室中的多个电极，每个电极与所述电解质接触；/n所述多个电极，其中至少一个通过所述面板中的一个中的气体端口通孔与外部环境气体连通；以及/n密封件，所述密封件使至少一个电极室与任何其他的电极室气体隔离。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180122 US 62/620,372;20180123 US 62/620,9631.一种电化学感测装置，所述电化学感测装置包括：
封装面板；
盖子面板；
固体或半固体电解质；
设置在一个或更多个电极室中的多个电极，每个电极与所述电解质接触；
所述多个电极，其中至少一个通过所述面板中的一个中的气体端口通孔与外部环境气体连通；以及
密封件，所述密封件使至少一个电极室与任何其他的电极室气体隔离。


2.如权利要求1所述的装置，其中所述盖子面板和封装面板被用粘合材料至少部分地彼此结合。


3.如权利要求1所述的装置，所述电极和所述电解质包括设置在由所述盖子面板和所述封装面板至少部分地限定的传感器室内的电化学传感器，所述电化学传感器通过一个或更多个电接触点被电压偏置，并且递送对所述电极中的一个或更多个、所述电解质和所述电极室内的感测到的气体的化学相互作用做出响应的电传感器输出信号。


4.如权利要求1所述的装置，所述装置包括多个电极室，所述多个电极室包括工作电极室，所述多个电极室彼此气体隔离以基本上防止气体在所述电极室之间的泄漏或扩散。


5.如权利要求4所述的装置，所述电解质包括设置在至少两个这样的电极室之间的固体或半固体层，电解质层的作用是阻隔所述至少两个这样的电极室之间的气体扩散。


6.如权利要求1所述的装置，所述密封件包括实现所述气体隔离的衬垫材料。


7.如权利要求1所述的装置，所述所述密封件被设置在所述封装面板和所述盖子面板的部分之间以阻隔一个或更多个电极室和所述装置的任何其他的电极室之间的气体扩散。


8.如权利要求1所述的装置，所述密封件被设置在所述封装面板或所述盖子面板的部分和所述电解质之间以阻隔一个或更多个电极室和所述装置的任何其他的电极室之间的气体扩散。


9.如权利要求8所述的装置，所述密封件包括实现所述气体隔离的衬垫材料。


10.如权利要求6所述的装置，所述衬垫材料包括下列中的任何一个：含氟聚合物、氟硅酮、聚酰亚胺、丁基或其他橡胶化合物、橡胶衍生物、环氧树脂、硅酮和丙烯酸类物质。


11.如权利要求1所述的装置，所述盖子面板和所述封装面板在其部分处彼此接触以便阻隔至少一个电极室和所述装置的任何其他的电极室之间的气体扩散。


12.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括对通过所述气体端口通孔的气体进行过滤的气体可渗透过滤器。


13.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括多个电触点和传导通孔，所述传导通孔将所述电极耦合到所述装置上的相应的外部连接点。


14.如权利要求13所述的装置，所述装置进一步包括集成电路，所述集成电路被设置在所述装置的外部面上，并且被电耦合到所述电触点。


15.如权利要求14所述的装置，所述集成电路包括专用集成电路(ASIC)。


16.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括所述封装面板和所述盖帽面板中的任何...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·C·巴特，J·C·程，E·P·李，
申请(专利权)人：英赛特系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US