[發(fā)明專利]電化學傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680016266.9
• 申請日: 2006-05-05
• 公開（公告）號: CN101203749A
• 公開（公告）日: 2008-06-18
• 發(fā)明（設計）人: W·J·金
• 申請（專利權）人: 達特傳感器有限公司
• 主分類號: G01N27/403
• 分類號: G01N27/403
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司
• 代理人: 項丹

技術領域

本發(fā)明涉及電化學傳感器的改進，具體地說，提供了一種與常規(guī)的電化學傳感器相比能在更高的環(huán)境溫度下操作的電化學傳感器，故該電化學傳感器可用于更寬范圍的應用中。

背景技術

電化學傳感器用于探測具體的“目標”氣體的存在，所述“目標”氣體通常(但不是必須)是污染氣體分子，尤其是毒性氣體分子。但是，電化學傳感器還可用于衛(wèi)生用途中，例如用于指示手上含酒精的消毒凝膠的存在；用于呼吸含醇量分析儀中；作為在封閉的環(huán)境如機動車艙中操作的空氣質(zhì)量傳感器；以及用于感知一氧化碳的存在，尤其是探測從汽油驅(qū)動的壓縮機供給的壓縮空氣中一氧化碳的存在，在那里空氣供給中的一氧化碳會存在一氧化碳中毒的危險。但是，常規(guī)的傳感器不能在與上述用途有關的環(huán)境條件下操作。

常規(guī)的電化學傳感器通常是雙電極或三電極類型的。雙電極傳感器使用燃料電池技術，包含在電解質(zhì)中的貴金屬電極，并包括在要分析的氣體在與電極接觸之前通過其的擴散屏障，目標氣體(如果存在的話)與電極的反應導致電流流過，從而提供了目標氣體存在的指示。在三電極靜電位受控裝置中，第三電極通常稱作參比電極，使傳感電極的電勢出現(xiàn)偏差，從而控制對具體的目標氣體的靈敏度。多孔的擴散屏障(通常是PTFE膜)用作傳感電極材料的支撐物，用來在傳感電極的空氣側(cè)保持干燥的區(qū)域，以防止與任何游離的液體電解質(zhì)的接觸。用于感知目標氣體分子的存在的氣體擴散通過膜進入電催化劑層中到達活性位點，所述活性位點是用電解質(zhì)濕潤的區(qū)域，在那里可發(fā)生電化學反應以產(chǎn)生目標氣體分子存在的輸出信號指示。然而，多孔膜是不利的，因為其延遲了氣體的通過，從而增加了響應時間。即使膜具有高達50％，甚至更高的孔隙率，也會產(chǎn)生這一效應。此外，該膜將傳感器的操作壓力限制到大氣壓或接近大氣壓；大氣壓以上的壓力變化會損壞或毀壞電極結(jié)構(gòu)，從而損壞或毀壞傳感器。

響應時間也受電催化劑上吸附傳感器電解質(zhì)的影響。由于在某種程度上，所有的電解質(zhì)用作催化劑毒物，所以理想的是可以選擇對催化劑的有害影響最小的電解質(zhì)。但是，中毒效應可通過環(huán)境條件來減輕，因此，磷酸(其在室溫下是嚴重的催化劑毒物)可在更高的溫度下用作電解質(zhì)，在該更高的溫度下中毒效應會減輕。

影響電化學傳感器的響應速率的另一個因素是傳感器的內(nèi)阻，尤其是在雙電極傳感器的情況下。假設電極本身能充分地導電，則內(nèi)阻的主要來源將是電解質(zhì)本身，并且，由于大多數(shù)傳感器含有酸電解質(zhì)(其是高(離子的)導電性的)，對電阻具有主要影響的變量是傳感器的結(jié)構(gòu)。一些傳感器的電極是串聯(lián)的，從而導致用于導電的長路徑長度，因而具有高的內(nèi)部電阻，這導致優(yōu)選平行板設計，在該設計中電極之間的分隔間隙盡可能小。較佳地，為了使傳感器部件之間產(chǎn)生接觸電阻的可能性最小化，傳感器制成部件的單一單元(傳感電極/隔板+電解質(zhì)/對電極)，而不是分開地組裝入傳感器外殼中。然而，該傳感器僅含有少量的電解質(zhì)，因此易受溫度和濕度變化的影響。在高溫和/或低濕度條件下，水從傳感器中蒸發(fā)，電解質(zhì)從電極表面退去，從而改變了其性能特征。另一方面，在低溫和/或高濕度條件下，從空氣中吸收水，從而導致酸從傳感器溢流和可能泄漏的危險。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種電化學傳感器，它避免了現(xiàn)有的傳感器的問題和缺點。

一方面，本發(fā)明提供了一種電化學傳感器，它包括傳感電極和對電極，以及具有不同孔隙率的第一(傳感器)基體(matrix)和第二(貯槽)基體，各個基體含有電解質(zhì)，所述第一基體的表面與第二基體相鄰并接觸，所述第二基體具有施涂于其上作為傳感電極的催化劑涂層，并且包含在所述第二基體中的電解質(zhì)能夠流向第一基體或者流自第一基體。

在使用時，電解質(zhì)在第一和第二基體之間流動的能力可在第一(傳感器)基體中保持基本上不變的電解質(zhì)體積，與溫度和濕度的環(huán)境條件無關。

較佳地，施涂到或置于第一基體上的催化劑涂層具有最小的孔隙率或最大的表面積；傳感器基體本身具有中等的孔隙率或表面積，而貯槽基體具有最小的表面積。表面積較大的材料具有較小的孔徑尺寸，因此，與較高或較粗孔隙率的表面積較小的材料相比，保持流體的能力更強。

在本發(fā)明的傳感器中，對電極宜包括施涂在第一基體的其它表面上的催化劑涂層，但是任選地，也可在與第一基體相鄰的第二基體的表面上施加涂層。