[發(fā)明專利]電化學傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510082174.1
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104880499B
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發(fā)明（設計）人: 馬蒂亞斯·梅茲;迪米特里·索科爾
• 申請（專利權）人: ams國際有限公司
• 主分類號: G01N27/403
• 分類號: G01N27/403
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 王波波

相關申請和共同未決申請的交叉引用

本申請可以涉及并通過引用而包含2014年1月20日由Merz等人提交的共同未決的美國專利申請序列號No.14/159036，該申請題為“Electrochemical Sensor Device”。該申請被轉讓給荷蘭埃因霍溫的恩智浦有限公司(NXP B.V.)。

技術領域

本說明書通常涉及電化學傳感器。

附圖說明

圖1A和1B示出了第一電化學傳感器的一個示例。

圖2A和2B示出了第二電化學傳感器的一個示例。

圖3示出了具有兩個中間電極的第二電化學傳感器的一個示例。

圖4A和4B示出了第三電化學傳感器的一個示例。

圖5示出了具有附加傳感器的第一電化學傳感器的一個示例。

圖6示出了具有過濾器的第一電化學傳感器的一個示例。

圖7示出了具有貯液器(reservoir)的第一電化學傳感器的一個示例。

圖8示出了具有堆疊結構的第一電化學傳感器的一個示例。

圖9是用于制造電化學傳感器的方法的第一示例。

盡管本公開支持多種修改和備選形式，但是附圖中示意性地示出了本公開的詳情，并將對此進行詳細描述。然而，應注意，除了上述具體實施例之外，其它實施例也是有可能的。同樣涵蓋落入所附權利要求的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和備選實施例。

具體實施方式

本文提出了電化學傳感器的多個示例實施例。電化學傳感器檢測目標物質(zhì)，并響應于此而產(chǎn)生電信號。以下示例實施例針對的是設計用于感測目標氣體的電化學傳感器，然而所提供的教導同樣可應用于感測目標液體、分子、固體、化學元素等。在一個示例實施例中，電化學傳感器用于在所居住或公共的建筑物中監(jiān)測諸如一氧化碳的碳化合物(carbon compound)。

電化學傳感器包括電化學單元部分和穩(wěn)壓器電路。電化學單元和穩(wěn)壓器電路通過工作電極、反電極以及參考電極(取決于電化學單元所需的精確度)相耦接。通過電解質(zhì)(electrolyte)將這些電極耦接在一起。在一個示例實施例中，全部電極+電解質(zhì)＝電化學單元。

工作電極通過氧化或還原氣體并由此產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電流，來對目標氣體進行響應。通過反電極將該電流提供到電化學單元。

針對未偏置的電化學傳感器，將工作電極電勢保持為與參考電極電勢相同的電勢，或針對需要偏置的傳感器提供偏移電勢。

反電極連同工作電極使電路完整，并且如果工作電極進行氧化，則反電極還原化學組分(例如，氧)，或如果工作電極還原目標氣體，則反電極氧化化學組分。允許反電極的電勢發(fā)生浮置，有時反電極的電勢由于氣體濃度增加而改變。如果包括參考電極，則只要穩(wěn)壓器電路可以提供足夠的電壓和電流來將工作電極保持在與參考電極相同的電勢下，反電極上的電勢不再重要。

通過穩(wěn)壓器電路控制反電極，使得工作電極的電勢相對于參考電極的電勢保持恒定。在兩個電極的情況下，控制反電極使得工作電極和反電極之間的電壓保持恒定。

電化學單元包括開口，氣體分子通過所述開口進入電化學單元并隨后擴散到電解質(zhì)和電極，其中通過施加在電極之間的電壓來還原或氧化所述氣體。在電化學CO傳感器的一個示例實施例的情況下，在電極處發(fā)生以下反應：

在感測(工作)電極處：CO+H₂O→CO₂+2H⁺+2e^-

在反電極處：1/2O²+2H⁺+2e^-→H₂O

整體反應為：CO+1/2O₂→CO₂

在電化學單元的一個示例實施例中，控制平衡情況的三個過程為：

在電解質(zhì)界面處目標化學物質(zhì)的吸收；

通過擴散傳輸[CO]和[O₂]；以及

在電極表面處吸收化學分子。

這種化學反應產(chǎn)生電流，所述電流與進入開口的反應氣體分子的數(shù)目成正比，因此可以計算氣體的濃度。穩(wěn)壓器控制反電極，并測量參考電極電勢，測量單元的電流并呈現(xiàn)讀數(shù)。通過向電極擴散CO分子來限制穩(wěn)壓器內(nèi)的電流。下面是允許根據(jù)氣體壓力估計最大電流的等式：

其中“n”是該反應涉及的電子的個數(shù)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，A