[發明專利]用于電化學傳感器的高表面積電極

在審

• 申請號: 202010309579.5
• 申請日: 2020-04-17
• 公開（公告）號: CN111830099A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 斯科特·愛德華·貝克;菲利普·C·福斯特;王勇發
• 申請（專利權）人: 霍尼韋爾國際公司
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 蔣駿;陳嵐

本發明涉及與基于微機電系統(MEMS)的電化學傳感器相關的裝置和相關聯的制造方法，該裝置和相關聯的制造方法包括接觸布置在基板上的兩個或更多個電極的電解質，以及設置在傳感器的至少感測電極的頂部上的高表面積電極。高表面積電極的各種實施方案可增大由基于MEMS的電化學傳感器響應于一種或多種目標化學物質或氣體而產生的電流或電勢，并且允許制造和操作較小的電化學傳感器。電極可電耦合到控制和測量電路。在一些示例中，控制和測量電路可形成于同一基板上。

技術領域

本公開整體涉及電化學傳感器。具體地講，描述了具有高表面積電極的電化學傳感器的各種實施方案。

背景技術

電化學傳感器為與所選擇的化學物質相互作用并且將相互作用的化學能轉換成信號的設備，該信號可被檢測和分析以提供所選擇的化學物質的信息。例如，電化學氣體傳感器可通過氧化或還原電極處的目標氣體并測量所得的電流來測量目標氣體的濃度。這種類型的傳感器通常包含與電解質接觸的一個或多個電極。當氣體與電極相互作用時，電化學反應可能導致電流經過外部電路進行強度測量。

例如，電化學傳感器可用于環境監測。例如，傳感器可監測空氣質量、檢測空氣污染的存在并且/或者確定空氣污染源的組分。在可能突然存在危險化學品的環境中，電化學傳感器可用于人身安全。傳感器可觸發可聽警報和/或可見警示燈。一些電化學傳感器不需要系統電源即可工作(即，不需要傳感器的電極上的偏置電壓)，并且因此非常適用于大容量商業電池供電的應用。

最近，已經開發出MEMS電化學傳感器。然而，因為這種類型的電化學傳感器較小，所以由分析物(例如，感興趣的化學物質)的反應產生的電流也較小。具體地講，MEMS電化學傳感器通常包括小于50平方毫米的數量級的平面電極，并產生nA范圍內的電流。發明人已經認識到，這影響了MEMS電化學傳感器可靠地測量和區分大范圍的化學濃度的能力。因此，本領域需要具有改善的感測能力的MEMS電化學傳感器及其對應的制造方法。

發明內容

本發明的實施方案包括與電化學傳感器(例如，基于微機電系統(MEMS)的電化學傳感器)相關的裝置和相關聯的制造方法。

在各種實施方案中，電化學傳感器包括基板、設置在基板上的多個電極、設置在基板上使得多個電極的至少一部分不與基板接觸的電介質層、設置在基板和/或電介質層上的高表面積電極，以及設置在高表面積電極和多個電極中的每個電極的至少一部分上方的電解質。

在一些實施方案中，高表面積電極包括多孔材料。例如，高表面積電極可包括分形金屬電極，諸如分形鉑電極。在各種實施方案中，高表面積電極可通過電化學沉積形成。在一些實施方案中，高表面積電極在金屬溶劑混合物中或使用無顆粒復合導電油墨形成。

在各種實施方案中，多個電極可包括反電極和參考電極。在一些實施方案中，多個電極可包括感測電極，該感測電極設置在基板和/或電介質層上并且在高表面積電極與基板和/或電介質層之間。

在各種實施方案中，高表面積電極可包括金、鉑、鈀、銠或釕中的至少一種。在一些實施方案中，基板包括多孔硅基板、多孔氧化鋁基板或具有微通道的硅基板中的至少一種。

根據各種實施方案，還提供了一種形成電化學傳感器的方法。在一些實施方案中，形成電化學傳感器的方法可包括以下步驟：在基板上形成多個電極；將電介質層設置在基板上，使得多個電極的至少一部分不與基板接觸；將高表面積電極設置在基板和/或電介質層上；并且將電解質設置在高表面積電極和多個電極中的每個電極的至少一部分上方。

在各種方法實施方案中，高表面積電極可由多孔材料形成。在一些實施方案中，高表面積電極可為分形金屬電極，諸如分形鉑電極。

在一些方法實施方案中，高表面積電極通過電化學沉積形成。在一些實施方案中，高表面積電極通過印刷金屬溶劑混合物中的油墨或無顆粒復合導電油墨中的一種形成。