具有扩散曲径的电化学传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种电化学传感器（１），其包含具有室的外壳（１１），所述室含有电解质（９）；至少一个用于氧检测的测量电极（２ａ）；至少一个对电极（２ｂ）和至少一个参比电极；其特征在于所述传感器（１）具有一个两部分扩散阻挡物，其中该阻挡物的第一部分（１２）与设置在测量电极和对电极（２ａ、２ｂ）之间的该阻挡物的第二部分（６）形成曲径。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种电化学传感器，其具有一个两部分扩散阻挡物，其中该阻挡物 的第一部分与该阻挡物的第二部分形成曲径(labyrinth)，所述阻挡物位于测量电极和对电 极之间。该扩散阻挡物特别可用于无铅电化学氧传感器。
技术介绍
氧传感器的市场标准为简单的双电极传感器，其中阴极为可消耗的铅块。这些 传感器的使用寿命首先取决于它们包含的铅的量，其次取决于氧至测量电极的质量流控 制。使用寿命通常为1至3年。除了固定的使用寿命之外，由于铅的潜在危险性质，该类 型的传感器的另一缺点是铅的使用。这导致许多开发无铅氧传感器的尝试。由于本专利技术 不涵盖消耗性传感器，也不涵盖需要高操作温度(高意指120°C以上)的传感器，因此关 于此点必须明确排除在消耗性反应中使用除了铅之外的金属的传感器(例如改进的锌-空 气电池)，以及那些在高温下用金属氧化物电解质工作的传感器(如λ探测仪)。一段 时间以来，Digger和RAE Systems公司已将根据氧泵原理在环境温度下(_40°C至60°C ) 运行的氧传感器投入市场。在这些传感器中，氧气在测量电极(ME)被还原为02_(其进 一步反应形成水)，且02_(来自水)在对电极(CE)被氧化形成氧气。作为结果，质量平 衡得以建立。然而，此类传感器需要第三电极，即参比电极(RE)，相对于参比电极，测 量电极电势保持在-300至-SOOmV范围内。该传感器工作原理在许多专利和专利申请中 记载。最初的专利之一为1964年Honeywell公司的US 3328277A，其中无铅氧传感器使 用清除电极(scavengerelectrode)进行操作。也可用于测量气态氧的测量单元的进一步描 述来自20世纪90年代的DrSger (DE 4231256C2和DE 1962293 Cl)。这些首先描述了 在测量电极中使用不同的金属，其次确定了钼_氧电极为稳定的参比电极。用于氧还原 的金属的范围可扩展至包括其他钼系金属，例如铱。然而，在20世纪60年代的K.Vetter 教授(博士)撰写的教科书 Elektrochemische Kinetik (K.Vetter，Elektrochemische Kinetik， Springer Verlag, 1961)中已提出使用Pt空气-氧电极作为参比电极，其中该作者描述了 在钼表面上的O2还原。因此，专利DE 4231256 C2希望避免的O2分压与还原电势之间 的Nernst关系可被排除，因为不可能作为标准常规电极。更近期的专利和专利申请涉及找到在构造无铅O2传感器中涉及的核心问题，即 保持ME与CE之间的氧气浓度梯度并除去在CE处生成的O2气(以防止O2反向扩散至 ME)的解决办法。DrSger专利DE 19726453C2描述了如何由第四电极保护ME免受电 解质中溶解的O2气的反向扩散。遵循类似思路的专利DE 19845318 C2旨在使用烧结电 极实现该效果。来自Industrial Scientific的美国专利6666963 Bl主张在传感器中产生的 气体经由压力补偿系统除去。在此情况中，通过将电极设置在传感器的相对端而获得ME 和CE之间所需的距离。在专利文件中教导的最新方向涉及增加传感器的坚固性。这首先增加了它们的 使用寿命和应用广度，其次，这有可能将气体传感器小型化而同时保持或改进它们的性能。来自DrMger的公布的专利申请DE 102004037A1描述了使用离子液体作为电解质的 平面传感器的构造。DrSger的专利DE 102004059280 B4具体描述了 02气平面传感器， 其中用Nafion膜使ME免受O2反向扩散，该传感器也配备有集成存储芯片。来自RAE Systems的美国专利7258773B2使用Nafion作为固体电解质工作以确保无渗漏。其中也 使ME免受气体的反向扩散。具有Nafion膜的氧传感器的构造在Y.Osada，D.E.DeRossi 的 Polymer Sensors and Actuators，Springer (2000)；原始来源H.Q.Yan，J.T Lu(1989) Sensors and Actuators 19 33 中清楚教导。 更近期的传感器报道于来自MST-Technology的公布的专利申请WO 2007/115801 Al。其中，ME和CE在传感器中在一个水平上。ME通过气体扩散阻挡 物与外界接触；CE的特征在于设计用于除去产生的氧气的多个开口。ME由围绕其同心 放置的阻挡物包围。该同心阻挡物用于增加ME与CE之间的距离，这对于产生O2浓度 梯度是必要的。由此防止了 O2反向扩散至溶液中。然而，该简单的同心阻挡物的一个缺点是需要大量部件，这是因为ME和CE不 能结合在单个部件中。数个部件的需要增加了制造误差的可能性，并使得结构复杂化。 此外，使用该简单的同心阻挡物仅可能增加相对较小的距离。为了保证稳定的梯度，ME 与CE之间的扩散距离必须具有特定的最小长度。
技术实现思路
本专利技术提供了一种需要较少部件的电化学传感器，从而使得设计更简单，且传 感器的操作更可靠和稳定。还期望使用扩散阻挡物提供CE和ME之间更大的距离而同时 仍然保持为小且紧凑的传感器。这些优点通过根据权利要求11所述的电化学传感器而得以实现。尽管这些优 点可在各种电化学传感器(包括h2S、H2和CO以及氧)中实现，将主要对于氧传感器 描述益处。通常，本专利技术包括一种电化学氧传感器(1)，其由如下组成具有室的外壳 (11)，所述室含有电解质(9)、至少一个用于分析物检测的测量电极(2a)、至少一个对电 极(2b)和至少一个参比电极(7)，以及控制氧至测量电极(2a)的质量流(通量)的开口 (4)和至少一个在对电极(2b)处的通风口(5)(和另外的通风口(10)，如需要)，其特征 在于所述传感器(1)具有两部分的扩散阻挡物，其中该阻挡物的第一部分(12)与设置在 测量电极和对电极(2a、2b)之间的该阻挡物的第二部分(6)形成曲径。由于功能原因，ME与CE之间必须存在扩散间隙，分析物梯度可沿着该扩散间 隙形成。在氧传感器的情况中，所述梯度具有在ME处氧气浓度为零的值，以及在CE处 氧气浓度通常>20.9%的值。由此气态氧在ME处被还原为水；水中的氧阴离子在CE处 被氧化为氧气。反应通过在参比电极(RE)与ME之间施加的-300至-800mV的偏压维 持。为了防止RE处的电势偏移，RE应位于ME与CE之间的梯度之外。在一个实施方案中，扩散阻挡物的第一部分(12)带有膜(15)，所述膜(15)具有 在一个水平上的测量电极(2a)和对电极(2b)。相比于如上所述的大多数传感器，该传感 器具有的益处是若ME和CE在传感器中在一个水平上，传感器可更容易小型化，且欧姆 电阻(其与传感器响应时间相关)可最小化。为了产生足够的O2浓度梯度所需的ME与 CE之间的有效距离通过半圆交错的阻挡物的曲径产生。在设计上测量电极(2a)优选为圆形，对电极(2b)优选为开放环或闭合环，且它 们彼此同心设置。在用于CE的开放环的情况中，额外的优点是ME接触引线无需跨过 CE,这进而最小化了 ME和CE之间电短路的风险。所述阻挡物的第一部分(1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学传感器（１），其包含具有室的外壳（１１），所述室含有电解质（９）；至少一个用于分析物检测的测量电极（２ａ）；至少一个对电极（２ｂ）和至少一个参比电极（７）；以及控制质量流至测量电极（２ａ）的开口（４），其特征在于所述传感器（１）具有两部分的扩散阻挡物，其中所述阻挡物的第一部分（１２）与设置在所述测量电极和所述对电极（２ａ、２ｂ）之间的所述阻挡物的第二部分（６）形成曲径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗尔夫埃克哈特，马丁韦伯，
申请(专利权)人：MSA奥尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]