專利名稱：電化學(xué)氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)氣體傳感器，該傳感器具有由平行布置的電極和纖維網(wǎng)層形成的疊置系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電化學(xué)氣體傳感器廣泛地用在定性和定量地分析的氣體測(cè)量中。在一種有選擇性地同待檢測(cè)的氣體起反應(yīng)的測(cè)量電極上要實(shí)現(xiàn)一種被分析物的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化基于其關(guān)于可準(zhǔn)確測(cè)量的電學(xué)值的可選擇性和可接近性而用于定性分析和定量分析。常用的電化學(xué)氣體傳感器具有多個(gè)電極，這些電極經(jīng)過(guò)一種電解質(zhì)而彼此相聯(lián)通。
按一種微型配置，一個(gè)電化學(xué)氣體傳感器具有一個(gè)測(cè)量電極和一個(gè)對(duì)向電極。按一種擴(kuò)大的通常稱之為三電極傳感器的類型，其配置還增加了一個(gè)參考電極。這些電極經(jīng)常完全地被一種電解質(zhì)所包圍，其中該電解質(zhì)、或者說(shuō)在傳感器外殼中的、容納該電解質(zhì)的空腔基本上決定了電化學(xué)傳感器的總體大小。在為了達(dá)到縮小結(jié)構(gòu)的努力中，已知有了各種不同的變型，其中都采用了由電極和纖維網(wǎng)層形成的疊置系統(tǒng)，其中電極的聯(lián)通是經(jīng)過(guò)包容在纖維網(wǎng)層中的電解液體積加以實(shí)現(xiàn)的。為了獲得足夠的耐用時(shí)間，更確切說(shuō)，為了獲得對(duì)環(huán)境濕度波動(dòng)的不敏感性，通常在這類傳感器中使用一種分開(kāi)的電解質(zhì)體積，各個(gè)纖維網(wǎng)層經(jīng)過(guò)有吸收能力的化合物而與該電解質(zhì)體積相接觸。電極-纖維網(wǎng)包在這種情況下通常被安置在用作為存儲(chǔ)室的電解質(zhì)室的后面，因此，所得出的這類氣體傳感器的結(jié)構(gòu)高度是由該電解質(zhì)室的高度以及疊置系統(tǒng)的厚度來(lái)決定的。
為了在采用電化學(xué)氣體傳感器時(shí)能獲得可靠的和可復(fù)驗(yàn)的測(cè)量值，必須考慮到一系列的邊界條件。這些條件包括傳感器的能力-即經(jīng)過(guò)一個(gè)有效的同環(huán)境的壓力的平衡而為傳感器內(nèi)部減去負(fù)荷、以及盡可能避免非所希望的電解質(zhì)蠕變過(guò)程的發(fā)生。
另一個(gè)重要的邊界條件是，經(jīng)常和穩(wěn)定地用電解質(zhì)去潤(rùn)濕有源的電極部位，因?yàn)榉駝t就可能產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)明顯失真的現(xiàn)象。此外，對(duì)一個(gè)電化學(xué)氣體傳感器的普通要求還包括對(duì)沖擊的較為不敏感性、小的位置靈敏性、以及一般的工藝要求如價(jià)格合算的可制造性或簡(jiǎn)單的可使用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供這樣一種電化學(xué)氣體傳感器，它可以最佳地滿足上述各項(xiàng)要求。
上述任務(wù)是通過(guò)一種具有權(quán)利要求1中所述特征的電化學(xué)氣體傳感器加以解決的。
權(quán)利要求2至25提出根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的一些有利的實(shí)施方式。
本發(fā)明涉及的一種具有一個(gè)由平行地布置的電極和纖維網(wǎng)層形成的疊置系統(tǒng)的電化學(xué)氣體傳感器，該傳感器包括至少一個(gè)測(cè)量電極和至少一個(gè)對(duì)向電極，其中一個(gè)透氣的、最好是多微孔的和不透電解質(zhì)的膜片同由平行布置的電極和纖維網(wǎng)層形成的疊置系統(tǒng)至少單面地相接觸，在電極之間安置至少一個(gè)親水的纖維網(wǎng)層、例如玻璃纖維網(wǎng)層，透氣的多微孔膜片和親水的纖維網(wǎng)伸入到一個(gè)分開(kāi)的、至少部分地充填著電解質(zhì)的平衡容積中，該容積至少部分地處在一個(gè)帶有電極的平面中，在該平面中電極裝置至少部分地被包圍著，透氣的多微孔的膜片至少在部分區(qū)域中處于環(huán)境壓力之下。通過(guò)氣體傳感器的這種結(jié)構(gòu)便可達(dá)到下述目的可以進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)高度，其中帶有電解質(zhì)容積的電極至少部分地處在一個(gè)平面中，這樣便可避免這兩個(gè)組成部分的結(jié)構(gòu)高度的增加。
通過(guò)以環(huán)繞的空腔形式的電解質(zhì)容積的特定結(jié)構(gòu)，該空腔部分地充填有電解質(zhì)，于是便可達(dá)到高的電化學(xué)氣體傳感器的位置獨(dú)立性。由于一個(gè)透氣的膜片部分地進(jìn)到電解質(zhì)容積中、即進(jìn)入到用于容納它的空腔中，然而另一方面又部分地處在環(huán)境壓力之下，所以經(jīng)過(guò)這種透氣的膜片的多微孔結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)有效的同環(huán)境的壓力平衡，從而可避免電解質(zhì)容積中內(nèi)壓的超高或急劇下降。
電極之間親水的纖維網(wǎng)層有助于實(shí)現(xiàn)充分潤(rùn)濕，這種潤(rùn)濕必須經(jīng)常得到保證，因?yàn)橛H水的纖維網(wǎng)層至少部分地進(jìn)入到充填有電解質(zhì)的平衡容積中。在采用兩個(gè)以上的電極時(shí)必須保證的是每個(gè)電極至少與一個(gè)親水的纖維網(wǎng)層相接觸。在此情況下，一種根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的親水的纖維網(wǎng)層在多個(gè)位置上布置在由平行地布置的電極和纖維網(wǎng)層所形成的疊置系統(tǒng)中。在下面主要只就一個(gè)親水的纖維網(wǎng)層進(jìn)行說(shuō)明。使用纖維網(wǎng)層作為電解質(zhì)載體可以促成良好的振動(dòng)不敏感性。
從工藝上說(shuō)特別有利的做法是，將對(duì)向電極安置在多微孔的透氣的膜片上。于是，該膜片可以同時(shí)用作為壓力平衡裝置和對(duì)向電極載體。當(dāng)平衡容積沿著一個(gè)封閉的圖形而包圍著電極裝置時(shí)，便可達(dá)到根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一種特別高的位置獨(dú)立性。根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方式，與對(duì)向電極相接觸的多微孔透氣的膜片是用聚四氟乙烯(PTFE)制成的。結(jié)合至少部分地圍繞著電極裝置的、用于容納電解質(zhì)的容積，當(dāng)親水的纖維網(wǎng)層和多微孔透氣的膜片基本上分別占有一個(gè)中心區(qū)、例如呈一種圓面積形式時(shí)-其中多微孔透氣膜片具有呈星形布置的條帶，該條帶從中心區(qū)的邊緣一直伸入到平衡容積中-就能實(shí)現(xiàn)一種特別有利的實(shí)施方式。在部分地充填電解質(zhì)容積的情況下，便可幾乎與位置無(wú)關(guān)地保證至少一些呈星形布置的條帶不伸入到電解質(zhì)中，而是伸入到一個(gè)處在平衡容積中的空氣泡中，從而可實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的有效的壓力平衡。
特別有利之處是親水的纖維網(wǎng)層也具有呈星形布置的條帶，這些條帶從一個(gè)這樣的中心區(qū)的邊緣出發(fā)一直伸入到平衡容積中，其中所述條帶中的至少一個(gè)的端部浸入到平衡容積內(nèi)的電解質(zhì)中。上述要求也可有利地利用電解質(zhì)容積的根據(jù)本發(fā)明的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，更確切地說(shuō)與電化學(xué)傳感器的位置無(wú)關(guān)。為了電化學(xué)傳感器的高的功能安全性，有利的做法是親水的纖維網(wǎng)層和多微孔透氣的膜片分別具有至少三個(gè)呈星形布置的條帶，該條帶從一個(gè)圓面積的邊緣出發(fā)一直伸入到平衡容積中。特別有利的是，親水的纖維網(wǎng)層和多微孔透氣膜片分別具有四個(gè)呈星形布置的條帶，該條帶從圓面積的邊緣出發(fā)一直伸入平衡容積中。這樣就可以保證幾乎與傳感器的指向無(wú)關(guān)而且?guī)缀跖c電解質(zhì)容積的充填程度無(wú)關(guān)，透氣的膜片的呈星形布置的條帶中的至少一個(gè)總是與一個(gè)空氣泡相接觸，而親水的纖維網(wǎng)層的呈星形布置的條帶中的至少一個(gè)與電解質(zhì)相接觸，這就總能確保根據(jù)本發(fā)明的傳感器的功能。
為了防止非所希望的氣體通過(guò)多微孔透氣的膜片而進(jìn)入電解質(zhì)中，有利的做法是設(shè)置一個(gè)過(guò)濾體，通過(guò)該過(guò)濾體對(duì)于那些從包圍著傳感器的大氣中達(dá)到多微孔透氣的膜片上的氣體加以過(guò)濾。該過(guò)濾體例如可以含有吸收性材料，這種材料幾乎可排除非所希望的氣體滲入。
為了從大氣方面附加地保護(hù)過(guò)濾體，有利的做法還有設(shè)置一個(gè)遮蓋物，通過(guò)這個(gè)遮蓋物引導(dǎo)一個(gè)確定氣體進(jìn)口的孔。這樣可實(shí)現(xiàn)充分的壓力平衡，并可防止過(guò)濾體的迅速飽和。上述過(guò)濾體遮蓋物最好是一種型號(hào)牌，它上面載有表明傳感器特征的標(biāo)記。
按照一種可有利地用于更精密的氣體測(cè)量的傳感器結(jié)構(gòu)，集成了一個(gè)參考電極，更確切地說(shuō)是按下述方式配置的所述電極裝置包括至少一個(gè)參考電極，該電極在測(cè)量電極和對(duì)向電極之間兩側(cè)都嵌入到親水的纖維網(wǎng)層中，并且具有一個(gè)面積，該面積小于測(cè)量電極的面積，也小于對(duì)向電極的面積。這樣就不致于妨礙在測(cè)量電極和對(duì)向電極之間所發(fā)生的擴(kuò)散過(guò)程，從而可抑制對(duì)測(cè)量目的很需要的電化學(xué)反應(yīng)或者通過(guò)電流。
特別有利的是，在測(cè)量電極和對(duì)向電極之間安置一個(gè)阻止擴(kuò)散的膜片。該膜片可防止可能在對(duì)向電極上產(chǎn)生的物質(zhì)或者在對(duì)向電極附近可能滲入到傳感器中的物質(zhì)通過(guò)沿測(cè)量電極方向的擴(kuò)散而使測(cè)量結(jié)果失真。這在下述條件下具有特殊的意義一個(gè)電化學(xué)指示反應(yīng)如此地加以組織，使得在測(cè)量電極上的分析物被分解或者被轉(zhuǎn)化，而在對(duì)向電極上又重新形成，如在某些類型的氧傳感器的情況下那樣。但是，通過(guò)電解質(zhì)的離子擴(kuò)散則不得被抑制。因此，這樣一種抑制擴(kuò)散的膜片要么只可遮蓋傳感器橫截面的一部分，要么按一種有利的實(shí)施方式而設(shè)計(jì)為抑制擴(kuò)散的膜片，這種膜片對(duì)離子所起的阻擋作用小于對(duì)中性物質(zhì)所起的阻擋作用。這類膜片以其它用途得知其稱之為Nafion。一個(gè)非選擇性的抑制擴(kuò)散的膜片最好遮蓋傳感器橫截面的50-95％，并具有一種小于5*10-16kg m*m-2s-1Pa-1、最好是1*10-16kg m*m-2s-1Pa-1的氧可滲透性。
一種根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以依下法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的制造該傳感器由一個(gè)兩部分的外殼包起來(lái)，該外殼的部分通過(guò)一個(gè)卡定連接件而彼此相連，其中外殼部分是如此成形的，使得由平行的電極、纖維網(wǎng)層和透氣的膜片構(gòu)成的系統(tǒng)可以傳力連接地加以固定。在進(jìn)行這種固定時(shí)產(chǎn)生的力此外還可導(dǎo)致在導(dǎo)引電解質(zhì)的纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電板之間的良好接觸，從而亦有利于提高傳感器的功能安全性。
為了即使在采用多部分的傳感器外殼時(shí)也可防止電解質(zhì)從存儲(chǔ)容積中漏泄出來(lái)，有利的做法是在所述外殼部分之間的接觸區(qū)具有一個(gè)不透過(guò)電解質(zhì)的液體密封體。參考電極最好用一種燒結(jié)的、由金屬和其金屬氧合物形成的混合物制成，該金屬最好選自鉑族、銥族或金。
按另一種可選擇的優(yōu)選實(shí)施方式，所述參考電極是用摻雜的金剛石或金剛石類的碳制成的，這樣就可在電解質(zhì)中獲得對(duì)pH-值或p02-值波動(dòng)的高的不依賴性。
此外下述做法也是有利的傳感器含有可該數(shù)的裝置以用存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)。這些用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的、可讀數(shù)的裝置例如可以包含一個(gè)EE-PROM(電可擦除只讀存儲(chǔ)器)或一個(gè)應(yīng)答器，并加以如此設(shè)計(jì)，使得可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)類型信號(hào)、和/或關(guān)于傳感器靈敏度的信息以及關(guān)于一種已進(jìn)行過(guò)的校準(zhǔn)、標(biāo)定的信息、和/或關(guān)于其它與許可性有關(guān)的信息。
特別有利的是，測(cè)量電極用多個(gè)在電上彼此分開(kāi)的、由不同電極材料制成的部分組成。通過(guò)一般適用于指示被分析物的電化學(xué)反應(yīng)的選擇性，便可依此方式進(jìn)行多個(gè)被測(cè)氣體的同時(shí)指示。
為了保護(hù)傳感器不受可能出現(xiàn)的環(huán)境壓力波動(dòng)的影響，最好采用下述做法傳感器外殼有一個(gè)氣體進(jìn)入孔以用于被測(cè)氣體的進(jìn)入，該氣體進(jìn)入孔經(jīng)過(guò)一個(gè)氣動(dòng)的防震元件而與傳感器環(huán)境相聯(lián)通。這樣便可攔截壓力波動(dòng)，這種壓力波動(dòng)可能導(dǎo)致傳感器損壞或者測(cè)量結(jié)果暫時(shí)失真。
電極和/或用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的可讀數(shù)裝置的觸點(diǎn)接通在根據(jù)本發(fā)明的傳感器上最好經(jīng)過(guò)可插入到傳感器外殼中的觸針來(lái)實(shí)現(xiàn)，該觸針在插入狀態(tài)中時(shí)與有導(dǎo)電能力的連接裝置固定地接觸，該連接裝置通向電極和/或用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的可讀數(shù)裝置，并與之保持電連接。上述連接裝置最好能包含這樣的導(dǎo)線，該導(dǎo)線至少部分地通過(guò)那些配有液體密封體的區(qū)域。這樣，便能非常有效地防止電解質(zhì)沿著導(dǎo)線滲出。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器由于可選擇合適的電解質(zhì)和電極材料的結(jié)合，所以可毫無(wú)問(wèn)題地適應(yīng)不同測(cè)量要求，而不須在傳感器外殼上采取特殊的結(jié)構(gòu)性措施。


現(xiàn)參照一些實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
附圖示出圖1根據(jù)本發(fā)明的一種電化學(xué)傳感器的截面圖，圖2一種從屬的對(duì)向電極，它處在一個(gè)多微孔透氣的膜片上，圖3一種有利地構(gòu)造的親水纖維網(wǎng)的形狀，圖中示出其用在各電極之間的情形，圖4根據(jù)本發(fā)明的傳感器的背面的視圖，該傳感器具有一個(gè)作為型號(hào)牌的遮蓋物，圖5傳感器外殼部位，可將各觸針插入到該部位中，圖6根據(jù)本發(fā)明的、設(shè)計(jì)為氧傳感器的一種傳感器的局部圖，該傳感器配有一種氣動(dòng)防震元件，圖7一種根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)傳感器的截面圖，其結(jié)構(gòu)是具有分成兩個(gè)部分的測(cè)量電極，圖8一種根據(jù)本發(fā)明的傳感器的簡(jiǎn)化俯視圖，該傳感器帶有五個(gè)觸針和一個(gè)兩部分的測(cè)量電極。
具體實(shí)施例方式
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一種電化學(xué)傳感器的一個(gè)水平定位的截面圖，該傳感器是設(shè)計(jì)為三電極傳感器。該傳感器具有一個(gè)兩部分的外殼，該外殼由一個(gè)前外殼部分1和一個(gè)后外殼部分2組成。該外殼由一種可彈性變形的塑料制成。這兩個(gè)外殼部分1、2具有這樣一個(gè)邊緣結(jié)構(gòu)，通過(guò)該結(jié)構(gòu)將這兩個(gè)外殼部分可根據(jù)一種卡接形式而形狀配合地連接起來(lái)。連接起來(lái)的外殼部分在傳感器的中心部位上固定著一個(gè)由平行布置的電極和纖維網(wǎng)層所形成的疊置系統(tǒng)，其中該疊置系統(tǒng)的各組成部分按功能上有利的方式相互壓緊。該由平行布置的電極和纖維網(wǎng)層所形成的疊置系統(tǒng)包含一個(gè)測(cè)量電極3、一個(gè)參考電極4、一個(gè)對(duì)向電極5、一個(gè)位于測(cè)量電極3和參考電極4之間的親水的纖維網(wǎng)層6、一個(gè)位于參考電極4和對(duì)向電極5之間的親水的纖維網(wǎng)層7、以及一個(gè)由聚四氟乙烯(PTFE)制成的位于對(duì)向電極5和后外殼部分2之間的多微孔透氣膜片8。該多微孔透氣膜片8和對(duì)向電極5是如此地彼此相連接的，使得對(duì)向電極5在多微孔透氣膜片8上形成一個(gè)隆起的部位，該部位與親水的纖維網(wǎng)層7穩(wěn)固地相接觸。由平行布置的電極和纖維網(wǎng)層形成的疊置系統(tǒng)由一個(gè)部分地填充電解質(zhì)的平衡容積9所包圍。由于前外殼部分1的特殊結(jié)構(gòu)之故，由平行布置的電板和纖維網(wǎng)層所形成的疊置系統(tǒng)與部分地填充了電解質(zhì)的平衡容積9彼此在很大程度上分開(kāi)。只有親水的纖維網(wǎng)層7和多微孔透氣的膜片8的延長(zhǎng)部分可通過(guò)隔開(kāi)著的外殼部分上的凹穴一直伸到那個(gè)部分地填充有電解質(zhì)的平衡容積9之中。一個(gè)氣體進(jìn)入孔10通過(guò)前外殼部分1一直通到測(cè)量電極3。前外殼部分1具有一個(gè)設(shè)有一個(gè)環(huán)繞槽11的保持結(jié)構(gòu)，這種保持結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)將不同適配器安置在氣體進(jìn)入孔的前方。這種適配器例如可以具有能限定氣體進(jìn)口的孔，從而可用來(lái)使傳感器適合于彼此相差很大的分析物濃度。測(cè)量電極3的支撐是通過(guò)一個(gè)集成在前外殼部分中的橋接裝置12來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣就可確保使得通過(guò)氣體進(jìn)入孔10所進(jìn)入的氣體可與測(cè)量電極3實(shí)現(xiàn)全面接觸。后外殼部分2在其中心處具有一個(gè)壓力平衡孔13，經(jīng)過(guò)該平衡孔可使所述多微孔透氣的膜片8同傳感器環(huán)境相接觸。從環(huán)境方面看，在壓力平衡孔13之前存在一個(gè)過(guò)濾器14。后外殼部分與外部的隔絕是通過(guò)一個(gè)型號(hào)牌15予以實(shí)現(xiàn)的，該型號(hào)牌具有一個(gè)中心孔16。該中心孔的小直徑一方面有助于實(shí)現(xiàn)同傳感器環(huán)境的充分壓力平衡，另一方面還有助于防止同環(huán)境的氣體交換，這可導(dǎo)致有效延長(zhǎng)過(guò)濾器14的使用壽命。
在水平的傳感器位置上，在整個(gè)的平衡容積9中存在著一個(gè)均勻的電解質(zhì)水準(zhǔn)。在下述條件下可以保證傳感器的功能親水的纖維網(wǎng)層7的部分伸入到電解質(zhì)中；并且多微孔透氣的膜片8的部分處在平衡容積9的充填了空氣的區(qū)域中。如果傳感器的定向改變了，便在平衡容積9的各個(gè)區(qū)域中調(diào)定出一個(gè)較高的電解質(zhì)液位，而從其它區(qū)域則可將電解質(zhì)排放出去。通過(guò)親水的纖維網(wǎng)層7的以及多微孔透氣的膜片8的條帶狀延長(zhǎng)部分的一種星狀布置，就總有至少一個(gè)星狀延長(zhǎng)部分進(jìn)入到電解質(zhì)中，并且總有另一個(gè)延長(zhǎng)部分終止在平衡容積9的一個(gè)充滿空氣的區(qū)域中。這樣便可不依賴于傳感器的位置而實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的有效壓力平衡，而且可使纖維網(wǎng)層達(dá)到穩(wěn)定的浸透。因此，即使在干燥的環(huán)境條件下，電極都總是潤(rùn)濕的。按照本實(shí)施例，所述參考電極4所具有的面積明顯地小于其它電極的面積。這樣，親水的纖維網(wǎng)層6、7就可在足夠大的面積范圍內(nèi)彼此相接觸，借以保證有效的電解質(zhì)交換。在此情況下，只要所述親水纖維網(wǎng)層6、7中的一個(gè)、在這里就是處于對(duì)向電極5和參考電極4之間的纖維網(wǎng)層7具有可一直伸入到電解質(zhì)中的延長(zhǎng)部分，則傳感器的對(duì)于一種根據(jù)本發(fā)明的作用原理就足夠了。另一種做法是，也可以采用多個(gè)具有這種延長(zhǎng)部分的纖維網(wǎng)層。
在前外殼部分的邊緣區(qū)域中存在凹穴，在該凹穴中可以實(shí)現(xiàn)觸針17的一種傳力連接的固定，該觸針用于使傳感器與相應(yīng)適配器進(jìn)行連接。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的一種對(duì)向電極5，該電極處在一個(gè)多微孔透氣的膜片8上。所述多微孔透氣的膜片8基本上由一種圓形的中心部位構(gòu)成，從其邊緣出發(fā)有四個(gè)呈星形布置的條帶，這些條帶在裝配好的傳感器上從中心部位的邊緣一直伸入到平衡容積中。
圖3表示一個(gè)根據(jù)本發(fā)明形成的親水纖維網(wǎng)層7，該纖維網(wǎng)層也由一個(gè)圓形的中心部位構(gòu)成，從其邊緣出發(fā)有四個(gè)呈星形設(shè)置的條帶，這些條帶在裝配好的傳感器上從中心部位的邊緣一直伸入到平衡容積中，并通過(guò)同電解質(zhì)的接觸而有助于實(shí)現(xiàn)纖維網(wǎng)層7的均勻浸透。
圖4表示一種根據(jù)本發(fā)明的傳感器的背面視圖，該傳感器設(shè)有一個(gè)作為型號(hào)牌15設(shè)計(jì)的遮蓋物。型號(hào)牌15具有一個(gè)可限定氣體進(jìn)口的中心孔16，并設(shè)有一個(gè)能體現(xiàn)傳感器特征的雕刻花紋18。從所述電極(在圖上看不出來(lái))有接觸導(dǎo)線19、19’、19”通到觸針17、17’、17”，該觸針都插置在前外殼部分1的邊緣部位上。
圖5表示傳感器外殼的邊緣部位，可將各個(gè)觸針17插入其中。電極的接通經(jīng)過(guò)細(xì)的金屬導(dǎo)線19來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些金屬導(dǎo)線最好用Pt、Pd、Au或Ta制成。這些導(dǎo)線19不與觸針17相焊接，而是在插入觸針17時(shí)被卡入到觸針17和外殼壁之間。這可以實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單、快速而安全的固定。不會(huì)有出現(xiàn)冷焊點(diǎn)的危險(xiǎn)。此外，還可消除固定過(guò)程中傳感器的強(qiáng)熱負(fù)荷的危險(xiǎn)。按本實(shí)施例，導(dǎo)線19被引導(dǎo)通過(guò)所述兩個(gè)外殼部分之間的連接區(qū)。為了封閉上述通路，在這里可以使用一種液體密封體。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的作為氧傳感器設(shè)計(jì)的一種傳感器的一個(gè)局部圖，該氧傳感器具有一個(gè)氣動(dòng)的減震元件。氧傳感器按照這樣一種原理進(jìn)行工作，其中在對(duì)向電極5上產(chǎn)生氧氣。由于緊密相鄰地布置電極之故而存在這樣一種危險(xiǎn)該氧氣到達(dá)測(cè)量電極，并在該處導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真。依照根據(jù)本發(fā)明的傳感器的上述實(shí)施形式，因此在測(cè)量電極3后方的親水纖維網(wǎng)層6和參考電極4之間有一個(gè)作為抑制擴(kuò)散的膜片20的、離子傳導(dǎo)的膜片(Nafion)，該膜片防止氧擴(kuò)散，但幾乎不影響離子輸送。另一個(gè)與作為氧傳感器工作相適配的方法在于氣體進(jìn)入孔10’作為狹小毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)。由于傳感器-其中所述氣體進(jìn)入孔經(jīng)過(guò)一個(gè)毛細(xì)管而受到限制-對(duì)壓力沖擊反應(yīng)靈敏，所以在毛細(xì)管前面安置了一個(gè)氣動(dòng)的減震元件。該減震元件由一個(gè)多微孔的聚四氟乙烯膜片21構(gòu)成，它由一個(gè)夾持元件22加以固定，該央持元件被固定在前外殼部分1的環(huán)繞的槽11中。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明的一種電化學(xué)傳感器的一個(gè)截面圖，其結(jié)構(gòu)中配有一個(gè)分成為兩個(gè)部分23、24的測(cè)量電極。其構(gòu)造與圖1所示的構(gòu)造很相似。相應(yīng)于用作為測(cè)量電極的部分23、24，有分開(kāi)的氣體進(jìn)入孔25、26，借以盡可能有效地將待測(cè)量的氣體導(dǎo)往各個(gè)部分23、24。通過(guò)對(duì)電解質(zhì)和電極材料相結(jié)合的選擇及這些結(jié)合中存在的選擇性，使根據(jù)本發(fā)明的傳感器都可以用于有選擇地對(duì)于不同氣體的測(cè)量。可以進(jìn)行這種測(cè)量的有代表性的氣體是CO，H2S，O2，SO2，NO2，NH3，HCN，Cl2，HCl，HF，CO2，PH3，NO等等。利用配有分開(kāi)的測(cè)量電極的一種傳感器，在使用不同電極材料制成測(cè)量電極各部分23、24的情況下，便可同時(shí)測(cè)量不同的氣體，只不過(guò)所需電化學(xué)反應(yīng)都要求相同的電解質(zhì)而已。測(cè)量電極的各部分23、24必要時(shí)也可以用不同的預(yù)壓進(jìn)行加載。還有一個(gè)可能性是，氣體可經(jīng)過(guò)完全去除耦聯(lián)的區(qū)域進(jìn)入各部分23、24。這樣，各部分的幾何學(xué)條件可匹配于不同的測(cè)量氣體濃度，從而大大地?cái)U(kuò)大了根據(jù)本發(fā)明的傳感器在不同氣體混合物分析上的應(yīng)用范圍。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明的一種傳感器的一個(gè)簡(jiǎn)化了的俯視圖，該傳感器具有五個(gè)觸針和一個(gè)兩部分的測(cè)量電極。嵌置在一個(gè)透明的傳感器外殼中的是兩個(gè)半月形的電極部分23’、24’。兩個(gè)分開(kāi)的氣體進(jìn)入孔25、26通到這兩個(gè)部分。在傳感器外殼的邊緣部位上有五個(gè)觸針，其中該觸針的數(shù)目可以通過(guò)簡(jiǎn)單工藝措施加以改變。如果觸針的數(shù)目超過(guò)了待接通的電極或電極部分的數(shù)目的話，則可在超過(guò)數(shù)量的觸針上實(shí)現(xiàn)用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的可讀數(shù)裝置27的一種觸點(diǎn)接通，這些裝置均嵌置在傳感器外殼中。
權(quán)利要求
1.具有一個(gè)由平行布置的電極和纖維網(wǎng)層形成的疊置系統(tǒng)的電化學(xué)傳感器，該電化學(xué)傳感器具有至少一個(gè)測(cè)量電極(3)和至少一個(gè)對(duì)向電極(5)，其中一個(gè)多微孔透氣的膜片(8)至少單面地與由平行布置的電極和纖維網(wǎng)層形成的疊置系統(tǒng)相接觸；在電極之間布置至少一層親水纖維網(wǎng)(7)；多微孔透氣的膜片(8)和親水的纖維網(wǎng)(7)伸到一個(gè)分開(kāi)的至少部分地充填了電解質(zhì)的平衡容積(9)中；該平衡容積至少部分地處在一個(gè)帶有電極的平面中；在該平面中電極裝置至少部分地被包圍著，多微孔透氣的膜片(8)至少部分部位地處于環(huán)境壓力之下。
2.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，對(duì)向電極(5)被安置在多微孔透氣的膜片(8)上。
3.按權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于，平衡容積(9)沿著一個(gè)封閉的圖形包圍著電極裝置。
4.按權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，多微孔透氣的膜片(8)由聚四氟乙烯制成。
5.按權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，電極(3、5)、親水的纖維網(wǎng)層(7)及多微孔透氣的膜片(8)基本上分別占據(jù)一個(gè)圓面積，其中多微孔透氣的膜片具有呈星形布置的條帶，該條帶從圓面積的邊緣一直伸到平衡容積(9)中。
6.按權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于，親水的纖維網(wǎng)層(7)具有呈星形布置的條帶，該條帶從圓面積的邊緣一直伸到平衡容積(9)中，其中所述條帶中的至少一個(gè)的端部被浸入到平衡容積(9)中的電解質(zhì)內(nèi)。
7.按權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，親水的纖維網(wǎng)層(7)和多微孔透水的膜片(8)分別具有至少三個(gè)呈星形布置的條帶，該條帶從圓面積的邊緣一直伸到平衡容積(9)中。
8.按權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于，親水的纖維網(wǎng)層(7)和多微孔透氣的膜片(8)分別具有四個(gè)呈星形布置的條帶，該條帶從圓面積的邊緣一直伸到所述平衡容積中。
9.按權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，包括一個(gè)過(guò)濾體(14)，通過(guò)該過(guò)濾體對(duì)于從包圍著傳感器的大氣中而達(dá)到多微孔透氣的膜片(8)上的氣體進(jìn)行過(guò)濾。
10.按權(quán)利要求9所述的傳感器，其特征在于，過(guò)濾體(14)在大氣一側(cè)由一個(gè)遮蓋物加以保護(hù)，有一個(gè)確定氣體通路的孔引導(dǎo)通過(guò)該遮蓋物。
11.按權(quán)利要求10所述的傳感器，其特征在于，所述遮蓋物是一個(gè)型號(hào)牌(15)，該型號(hào)牌具有一個(gè)體現(xiàn)傳感器特征的標(biāo)記。
12.按權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，電極裝置包含至少一個(gè)參考電極(4)，該參考電極在測(cè)量電極(3)和對(duì)向電極(5)之間兩側(cè)地嵌置在親水的纖維網(wǎng)層(6，7)中，并具有一個(gè)面積，該面積小于測(cè)量電極(3)的面積，也小于對(duì)向電極(5)的面積。
13.按權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，在測(cè)量電極(3)和對(duì)向電極(5)之間安置了一個(gè)抑制擴(kuò)散的膜片(20)。
14.按權(quán)利要求13所述的傳感器，其特征在于，所述抑制擴(kuò)散的膜片(20)對(duì)離子的抑制作用小于對(duì)中性物質(zhì)的抑制作用。
15.按權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器由一個(gè)兩部分的外殼包住，該外殼的部分利用一個(gè)卡定連接件而彼此連接起來(lái)，其中該外殼部分是如此成形的，使得由平行的電極、纖維網(wǎng)層和透氣的膜片組成的系統(tǒng)可以傳力連接地加以固定。
16.按權(quán)利要求15所述的傳感器，其特征在于，在所述外殼部分之間的接觸部位具有一個(gè)不透電解質(zhì)的液體密封體。
17.按權(quán)利要求12至16中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，包含一種參考電極，該參考電極用一種燒結(jié)的、由金屬和其金屬氧化物組成的混合物制成，最好是鉑族、銥族或金。
18.按權(quán)利要求12至16中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，包含一種參考電極，該參考電極用摻雜的金剛石或金剛石類的碳做成。
19.按權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器包括用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的可讀數(shù)裝置(27)。
20.按權(quán)利要求19所述的傳感器，其特征在于，用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的可讀數(shù)裝置包括至少一個(gè)EEPROM或一個(gè)應(yīng)答器。
21.按權(quán)利要求19所述的傳感器，其特征在于，準(zhǔn)備用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的可讀數(shù)裝置，用于存儲(chǔ)類型信息、和/或關(guān)于傳感器靈敏度的信息、和/或關(guān)于所執(zhí)行的標(biāo)定和/或校準(zhǔn)的信息、和/或關(guān)于許可性有關(guān)的信息。
22.按權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，測(cè)量電極是由多個(gè)用不同電極材料制成的、在電上彼此分開(kāi)的部分(23，24)構(gòu)成的。
23.按權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，傳感器外殼具有一個(gè)氣體進(jìn)入孔(10)，以用于被測(cè)量氣體的進(jìn)入，該氣體進(jìn)入孔經(jīng)過(guò)一個(gè)氣動(dòng)的減震元件而與傳感器環(huán)境相聯(lián)通。
24.按權(quán)利要求1至23中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，電極和/或用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的可讀數(shù)裝置的觸點(diǎn)接通是經(jīng)過(guò)可插入到傳感器外殼中的觸針(17)加以實(shí)現(xiàn)的，該觸針在插入狀態(tài)中時(shí)與可導(dǎo)電的連接裝置保持著牢固的接觸，該連接裝置通向電極和/或用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的可讀數(shù)裝置，并與之實(shí)現(xiàn)電連接。
25.按權(quán)利要求24所述的傳感器，其特征在于，可導(dǎo)電的連接裝置從可插入到傳感器外殼中的觸針的所在之處通向電極和/或用于存儲(chǔ)傳感器專門數(shù)據(jù)的可讀數(shù)裝置，該連接裝置包含導(dǎo)線(19)，該導(dǎo)線至少部分地引導(dǎo)通過(guò)一種液體密封體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有一個(gè)由平行布置的電極和纖維網(wǎng)層形成的疊置系統(tǒng)的電化學(xué)氣體傳感器，該傳感器包括至少一個(gè)測(cè)量電極和至少一個(gè)對(duì)向電極；其中一個(gè)多微孔透氣的膜片至少單側(cè)地與由平行布置的電極和纖維網(wǎng)層所形成的疊置系統(tǒng)保持接觸，在電極之間安置至少一個(gè)親水的纖維網(wǎng)層；多微孔透氣的膜片和親水的纖維網(wǎng)層伸入到一個(gè)單獨(dú)的至少部分地充填了電解質(zhì)的平衡容積中，該平衡容積至少部分地處在一個(gè)帶有電極的平面中，在該平面中所述電極裝置至少部分地被包圍，并且多微孔透氣的膜片至少在部分區(qū)域中處在環(huán)境壓力之下。這種傳感器的特征是扁平的結(jié)構(gòu)、高的震動(dòng)不敏感性、位置獨(dú)立性、及對(duì)環(huán)境濕度波動(dòng)的大的容許性。
文檔編號(hào)G01N27/404GK1790001SQ20051012979
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者A·瑙伯, D·克呂格爾, M·西克, C·伯恩斯泰因, M·迪特里希, H·-J·布薩克, R·赫贊, K·赫爾曼 申請(qǐng)人:德拉格安全股份兩合公司