[發(fā)明專利]一種微型電化學(xué)傳感器參比電極電勢(shì)測(cè)算裝置

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011556296.7
• 申請(qǐng)日: 2020-12-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112525972A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陸世龍;黃欣;吳江
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇英諾麥德科技有限公司
• 主分類號(hào): G01N27/416
• 分類號(hào): G01N27/416;G01N27/30;G01D21/02
• 代理公司: 北京知呱呱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11577
• 代理人: 張永維

本發(fā)明公開(kāi)了一種微型電化學(xué)傳感器參比電極電勢(shì)測(cè)算裝置，包括密閉殼體、參比電極、溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、測(cè)量電路和工作電極，密閉殼體內(nèi)設(shè)置有參比電極、溫度傳感器和電導(dǎo)率傳感器，參比電極、溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和工作電極均通過(guò)連接線與測(cè)量電路電連接。本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中電化學(xué)傳感器測(cè)量時(shí)參考電勢(shì)的穩(wěn)定度不高，存在潛在漂移，使用壽命受限，并且直接測(cè)量參比電極電勢(shì)困難的問(wèn)題。達(dá)到的技術(shù)效果為：本裝置解決了微型電化學(xué)傳感器的參比電極難以直接測(cè)量其電極電勢(shì)的問(wèn)題，進(jìn)而解決了由于參比電極的劣化、漂移問(wèn)題而帶來(lái)的傳感器測(cè)量精度下降，使用壽命有限的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微型電化學(xué)傳感器參比電極電勢(shì)測(cè)算裝置。

背景技術(shù)

電化學(xué)傳感器是基于待測(cè)物的電化學(xué)性質(zhì)并將待測(cè)物化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量進(jìn)行傳感檢測(cè)的一種傳感器，在使用時(shí)通過(guò)測(cè)量目標(biāo)電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的電位、電流等電信號(hào)的變化來(lái)表征待測(cè)物的電化學(xué)屬性。

在眾多的傳感器類型中，電化學(xué)傳感器具有體積相對(duì)較小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸成為研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用范圍。但其也存在測(cè)量漂移、測(cè)量精度下降、需要定期校準(zhǔn)和維護(hù)等問(wèn)題。隨著電化學(xué)傳感器進(jìn)一步小型化、微型化以及智能化，可以被更廣泛地應(yīng)用于科研、醫(yī)療、工業(yè)、國(guó)防、環(huán)境等眾多領(lǐng)域。

電化學(xué)傳感器通常由電極組、電解質(zhì)和滲透膜組成。電極組可以采用2個(gè)電極(2電極體系)或3個(gè)電極(3電極體系)，包括參比電極(reference electrode)，工作電極(working electrode)，有時(shí)還會(huì)有輔助電極(counter electrode)。參比電極一般是用來(lái)提供一個(gè)已知的溶液電位，常用類型如標(biāo)準(zhǔn)氫電極，甘汞電極，而最常用的是銀/氯化銀電極。工作電極一般是是由惰性金屬制成，如金屬鉑，金等。輔助電極一般同樣由惰性金屬制成，但電極面積需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作電極。電解質(zhì)提供了一個(gè)可以進(jìn)行離子交換的環(huán)境，能夠發(fā)生目標(biāo)電化學(xué)反應(yīng)(氧化還原反應(yīng))，并有效地將離子電荷傳送到電極。電解液環(huán)境需要保持穩(wěn)定且與電極材料兼容，與參考電極形成穩(wěn)定的參考電勢(shì)。電解液離子濃度的變化會(huì)直接影響到參考電勢(shì)的穩(wěn)定性，因而直接影響到實(shí)際測(cè)量結(jié)果。此外為了控制其他物質(zhì)或反應(yīng)帶來(lái)的干擾，有些電化學(xué)傳感器會(huì)加入過(guò)濾膜(透氣膜)，以此來(lái)選擇性的使待測(cè)物質(zhì)通過(guò)并發(fā)生目標(biāo)電化學(xué)反應(yīng)。

電化學(xué)傳感器一般采用計(jì)時(shí)電流測(cè)量法，就是電極組在同一電解質(zhì)溶液中，當(dāng)電極組間工作電極和參比電極被施加了一個(gè)特定電壓后，目標(biāo)電化學(xué)反應(yīng)就會(huì)在電極組發(fā)生，因而會(huì)在電極間產(chǎn)生一定的電流。這個(gè)反應(yīng)電流與溶液中的反應(yīng)速率直接相關(guān)，具體來(lái)說(shuō)與溶解中分子擴(kuò)散到工作電極表面的速率有關(guān)，由其擴(kuò)散模型決定，一般來(lái)講成線性關(guān)系。而擴(kuò)散模型與待測(cè)離子濃度和電極形狀、尺寸有關(guān)。因此在傳感器電極上施加特定電壓并測(cè)量其反應(yīng)電流，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)計(jì)算后就可以得到特定目標(biāo)濃度值。典型的傳感器如溶解氧濃度傳感器。

此外還有些電化學(xué)傳感器通過(guò)測(cè)量電極電勢(shì)差來(lái)表征物理量。此類傳感器通常采用針對(duì)特定離子的選擇性電極作為工作電極，配合參比電極組成電極組。電極電勢(shì)是電極中極板與溶液之間的電勢(shì)差，不同類型的電極會(huì)存在不同的電勢(shì)。而參比電極一般可以認(rèn)為其電勢(shì)穩(wěn)定，不隨測(cè)量環(huán)境變化而變化，但工作電極會(huì)在不同離子濃度的溶液中產(chǎn)生不同的電勢(shì)，因而對(duì)比參比電極，測(cè)量工作電極和參比電極間的電勢(shì)差，在校準(zhǔn)計(jì)算后就可得到溶液中的待測(cè)離子濃度值。

如上文提到微型電化學(xué)傳感器的性能和穩(wěn)定度與多種因素相關(guān)，其中與參比電極的狀態(tài)、性質(zhì)、穩(wěn)定度直接相關(guān)。無(wú)論是采用計(jì)時(shí)電流測(cè)量法還是電極電勢(shì)差來(lái)測(cè)量表征物理量，都需要有一個(gè)穩(wěn)定的參比電極作為參考電勢(shì)。計(jì)時(shí)電流測(cè)量法需要基于參比電極的電勢(shì)來(lái)在傳感器上(工作電極和參比電極間)施加一個(gè)特定的電壓信號(hào)，而參比電極的電極電勢(shì)波動(dòng)會(huì)引起施加在工作電極上的電勢(shì)出現(xiàn)波動(dòng)、漂移，進(jìn)而直接影響目標(biāo)反應(yīng)的發(fā)生，最后導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差。如圖3是溶解氧傳感器電極間反應(yīng)的電流/電壓關(guān)系圖，可以看到，當(dāng)傳感器電極間電壓在不同的范圍內(nèi)是會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，因而會(huì)造成反應(yīng)電流發(fā)生一定的變化，產(chǎn)生測(cè)量誤差。