具有雙極對/參比電極的氣體檢測器的製作方法

2023-10-08 06:13:29 1

專利名稱：具有雙極對/參比電極的氣體檢測器的製作方法
技術領域：
本申請涉及電化學氣體檢測器。更特別地，本申請涉及這樣的檢測器，其包括用於改進檢測器性能的電極結構。
背景技術：
各種構造的電化學氣體檢測器是已知的。例如在殼體內將兩個電極或三個電極與適當的電解質組合以提供緊湊、輕質的氣體傳感器，該傳感器能夠與電子設備組合併設置
在外部殼體中，例如具有耐用的氣體檢測器的形式。儘管已經發現這些檢測器非常有用，但有時在暴露於預定氣體後，傳感器輸出的恢復所花費的時間比期望的更長。優選地，可以用各種傳感器元件的替代構造來縮短恢復時間。圖1、2顯示了現有技術的氣體傳感器20，30的特性。如這裡所顯示的，電化學傳感器単元(cell)包括充當三個連接插腳2的固定點的主體1，該連接插腳允許電連接到集電器3並進而電連接到工作電極4、對電極5和參比電極6。電極和集電器由電極7之間的絕緣材料電隔離。這些絕緣體也充當用於傳輸/分散傳感器単元的內部部件周圍的電解質8的裝置。電極和絕緣體形成頂部疊層組件(stack assembly) 9,其由底部疊層壓縮器(stackcompressor) 10支撐。疊層蓋11安裝於主體的頂部,正面中具有孔。取決於正在被測量的氣體，粉末等形式的各種過濾材料12被置於蓋和工作電極之間的氣體路徑中。圖I顯示了現有技術的傳感器20，具有面對工作電極4的「分開的對參比」電極5、6。這種設計受益於工作、參比和對電極之間非常短的距離，從而使離子阻抗最小化。阻抗越小，傳感器單元對氣體濃度的變化的響應越快，這是有益的。該設計的缺點在於在長時間或重複的氣體應用時，參比電極暴露於對電極和工作電極處發生的電化學反應的產物，導致參比電勢的改變。這種改變的效果就是本領域技術人員所已知的「正基線偏移」(零偏移)。當氣體被去除時，隨著參比電極恢復至其加載氣體前的狀態，要經過幾分鐘或甚至幾小時偏移才能夠歸零。氣體濃度越高和或氣體應用的時間越長或重複次數越多，基線歸零所花費的時間越長。圖2顯示了現有技術的三電極傳感器30，其中，小直徑的參比電極6面向工作電極4，且對電極5面向上/向下。使用塑料圈環從對電極5屏蔽工作電極4，且在工作電極4和參比電極6之間以及在參比電極6和對電極5之間使用分隔件7。傳感器30得益於防止H+到達對電極5，因此相比圖I中的替代傳感器20，濃度梯度在長得多的距離上分布。這防止了在圖I的「分開的對參比」電極的情況下基線行為中所觀察到的問題。缺點是在頂部疊層中存在很多絕緣體，這增加了離子阻抗從而降低了傳感器単元的響應速度。本領域技術人員通過向傳感器單元中加入更多的電解質來應對這樣的問題。然而，額外的電解質會限制傳感器単元能夠工作而不出現性能降低或發生潛在機械故障的環境窗ロ。這是由於電解質的吸溼性造成的，吸溼性在高溼度條件下使體積顯著増加。這種故障機制不總是被用戶很容易地察覺，並且會潛在地對安裝了該傳感器単元的儀器造成損壞。


圖I是三電極現有技術傳感器的分解圖；圖2是另ー個三電極現有技術傳感器的分解圖；圖3是根據本發明的三電極傳感器的分解圖；圖4顯示了根據本發明的雙極電極的附加細節；圖5A、5B、5C顯示了圖3中的傳感器的性能特性；並且圖6顯示了包括圖3中的氣體傳感器的氣體檢測器。
具體實施方式

儘管所公開的實施例可採用許多不同的形式，但其特定的實施例顯示於附圖中，並在此進行詳細的描述，需要理解的是，應將本公開視為其原理的示例以及實施該原理的最佳模式，而不意味著將本申請或權利要求限制為所示特定實施例。有利地，根據本公開，可改變內部電極的位置/方向。如以下所公開的，改變對電極相對於工作/感應電極的位置，使對電極背離工作電極，能夠改善傳感器的性能。然而，僅移動對電極遠離工作/感應電極可導致對其它特定傳感器性能特性的不利影響，尤其是極端溫度下(空氣中的傳感器基線、對目標氣體的敏感度和響應時間-由幹與移動對電極有關的離子阻抗的增加)。還存在其它與改變電極位置相關的製造問題。已知的設計包括在公共基底材料的相同表面上彼此相鄰地沉積的對電極和參比電極催化劑。移動對電極要求對電極和參比電極分開，從而需要額外的電極基底材料(PTFE)和額外的電極分隔件材料(玻璃纖維)_増加了產品的直接成本並增加了製造複雜程度，潛在地引入故障模式，這是由於部件的不正確放置較差地對準的分隔件/電極導致電極之間的短路。改變對電極的方向(以背離工作電極)也會引入新的製造問題，因為在切割和放置電極的過程中催化劑墊不可見。與僅移動電極相對於彼此的位置不同，通過產生以下所描述的雙極電極，可以提高傳感器的基線恢復性能特性。電極被設計成使得對電極和參比電極催化劑墊被沉積在同一絕緣基底(例如PTFE平坦構件)的任ー側。該設計(相比使用兩個分開的對電極和參比電極的替代方式)受益於不需要位於對電極和參比電極之間的額外分隔件。這減小了離子阻抗，改善了基線恢復性能和傳感器響應時間(尤其在低溫吋)。不再需要額外分隔件並且具有電極的公共基底減少了零部件/直接生產成本，也減小了故障的可能性，改善了可製造性。由於對電極和參比電極優選地面對相反的方向，使用共享的具有背靠背催化劑的基底有利於製造，因為可以看到一個催化劑墊確保了部件的正確切割和放置，並且排除了與電極短路相關的故障模式。此外，由於電極位於共享的基底上，電極之間的溫度穩定更加迅速。另ー個製造益處是通過使用對電極和參比電極的公共載體，雙極電極的方向對性能沒有影響，並有利於製造故障安全(poke-yoke)設計。在兩個磁性鋼模板之間夾持PTFE(基底)片或其它種類的絕緣或塑料片，電極模板每ー側對準，並且將模板置於轉移板上，通過定位參考銷進行對準並使用磁體保持平坦。然後，使用自動機器人分配系統來分配催化劑材料並使其固化。一種此類方法公開於2010年 9 月 14 日授權的名稱為「Method of Manufacturing Gas Diffusion Electrodes」的美國專利No. 7，794，779中，該專利是共同擁有的。該』 779號專利在此通過引用併入本文中。然後，從轉移板上移除模板(同時仍舊夾持基底材料)，翻轉模板從而不帶有催化劑的基底表面位於最高位置。將模板放回到轉移板上(定位銷確保電極在片的兩側上的對準)，然後分配用於第二電極的電極催化劑並使其固化。模板使得每個基底片上能夠分配144個電極或更多。然後，在自動組裝機器上將電極安裝到產品中。將電極片(每個片144個電極)置於組裝機器上，視覺系統檢測単獨電極的位置以確保正確的切割位置(製造時實現的電極對準確保了位於基底的相對側上的電極也能夠被正確地切割)。圖3顯示了根據本發明的傳感器40，其克服了圖I和2所示的現有技術的不足。 圖3的「雙極電極」42具有位於公共絕緣基底V上的參比電極6』和對電極5』。電極「背靠背」地設置在基底7』上。在同一基底7』上形成參比電極6』和對電極5』確保了催化劑墊在熱方面非常接近，因而，由於溫度導致的對電極活性/電勢的任何變化在參比電極6』中被更快地補償。在傳感器40中，公共的軸向線A(最佳參見附圖4)延伸通過對電極5、參比電極6和絕緣基底7』中的每ー個。在電極的形狀實質上相同的情況下，線A包括公共中心線。需要理解的是，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，電極5』、6』可具有不同的形狀。進ー步，參比電極和對電極中的催化劑墊活性被「調節」以賦予傳感器単元特定的性能特性。作為依序施加催化劑墊的結果，催化劑墊可被精確地匹配/對準。因此，相對於參比電極和對電極位於分開的基底上的設計，在該設計的傳感器単元之間觀察到較小的差異。相對於圖I的傳感器20的「分開的對參比電扱」，ー個益處是存在較大的基底以安裝參比和對電極墊。這允許為了成本/性能而更容易地定製/調節傳感器單元性能，因此有益於本領域的製造者。相對於圖2的現有技木，另ー個益處是少了一個分隔件；因此，在工作電極和對電極之間不需要塑料圈形狀的屏蔽。這顯著地減小了離子阻抗，從而在環境溫度下響應速度與圖I所示的現有技術設計相當。在所公開的實施例中，傳感器40具有參比催化劑墊，其與對催化劑墊直徑相匹配並裝配於對催化劑墊上，確保部件為故障安全的(即參比和對催化劑墊是相同的，從而在組裝期間方向不重要)。相對於圖2所示的現有技術，雙極電極42也帶來了顯著的商業優勢，因為相比於圖2所示的傳感器30，用幹支撐電極催化劑所需的塑料基底減少ー個，不再需要塑料圈密封/防護，並且消除了一些分隔件。雙極電極42還帶來了部件數量的顯著減少。更簡單的設計意味著由於錯誤放置絕緣體從而電化學傳感器単元中的短路/不良連接造成的缺陷的潛在數量降低。圖4顯示了ー氧化碳電化學傳感器単元中可用的雙極電極42的設計細節。電極基底可以比圖4所示的基底更大或更小，或者具有不同的形狀，而沒有限制。類似地，顯示為圓形的催化劑墊可以為方形或實際上為任何形狀。每單位面積的催化劑墊的負載可以比圖4的示例更大或更小。類似地，對電極和參比電極5』、6』也可以比圖2所示的更大或更小，然而優選地具有相同的直徑和負載，它們可以被調節以滿足不同的性能特性。軸向線A可以是公共中心線，並且從中延伸通過。圖5A、5B、5C顯示了圖3的傳感器40與圖2的傳感器30相比較的性能情況。雙極電極(如電極42)當與圖2的控制傳感器30相比時表現出對ー氧化碳更緊密的量程漂移特性和更緊密更短的恢復時間。圖6顯示了氣體檢測器50，其包括氣體傳感器40。檢測器50包括耦接到氣體傳感器40的控制電路52。控制電路52耦接到可聽的或可視的警報輸出54及接ロ電路56。電路56可以使檢測器50與外部區域性監測系統或對接站進行雙向的有線或無線通信。上述部件可以被承載在殼體60內，殼體60可以由用戶攜帶並由電源62 (如電池)供電。由以上內容，可以知道在不偏離本發明的精神和範圍的情況下可進行各種變化和改進。需要理解的是，這裡所說明的具體裝置並非意圖或推斷為對本發明的限制。當然意 在用所附的權利要求來涵蓋落入本發明範圍內的各種改迸。進ー步，圖中所示的邏輯流並不要求所示的特定順序或序列以獲得期望的結果。可以從所描述的流提供其它步驟或刪除步驟，並且可以向所述實施例増加或移除其它部件。
權利要求
1.ー種氣體檢測器，包括 氣體傳感器，其具有公共基底以及在所述公共基底上形成的第一和第二電極，所述基底位於所述第一和第二電極之間；和殼體，其承載所述傳感器。
2.根據權利要求I的檢測器，其中，所述基底具有第一和第二平坦表面，且所述電極形成在所述表面中的各自ー個上。
3.根據權利要求I的檢測器，其中，所述電極選自至少包括圓柱狀輪廓、方形輪廓或矩形輪廓的種類。
4.根據權利要求I的檢測器，其中，所述電極沿公共中心線布置。
5.根據權利要求I的檢測器，其中，所述電極關於公共的軸向延伸線對稱。
6.根據權利要求5的檢測器，其中，所述軸向延伸線包括公共中心線，其也穿過所述公共基底並與所述公共基底實質上垂直。
7.根據權利要求6的檢測器，其中，所述殼體大致平行於所述公共中心線延伸。
8.根據權利要求5的檢測器，其包括耦接到所述傳感器的控制電路，並且其中，所述控制電路響應於來自所述傳感器的信號來確定選定氣體的存在。
9.根據權利要求8的檢測器，其包括鄰近於每個電極和公共基底定位的圓柱狀絕緣體。
10.ー種氣體傳感器,包括 長形中空殼體； 被承載在所述殼體中的疊層壓縮器； 位於所述疊層壓縮器的端部上的第一絕緣層； 位於所述第一絕緣層上的複合電極結構，其中，所述電極結構具有第一電極、另ー個絕緣體和第二電極，且所述絕緣體位於兩個電極之間；和位於所述複合電極結構上的第三絕緣層。
11.根據權利要求10的傳感器，其中，所述第一和第二電極形成在所述絕緣體上，具有實質上相同的形狀。
12.根據權利要求10的傳感器，其中，所述絕緣體包括平坦的絕緣片構件。
13.根據權利要求10的傳感器，其包括至少位於所述複合電極結構的每ー側上的選定的電解質。
14.根據權利要求13的傳感器，其包括鄰近於所述疊層壓縮器從所述殼體延伸的多個接觸器，所述接觸器耦接到所述電扱。
15.根據權利要求10的傳感器，其中，所述絕緣體包括平坦的PTFE片構件。
全文摘要
本發明涉及具有雙極對/參比電極的氣體檢測器。具體地，一種氣體檢測器包括至少兩個電極。電極被承載在公共基底上，該公共基底具有第一和第二間隔開的表面。電極形成在各自一個表面上，且基底被夾在電極之間。
文檔編號G01N27/30GK102735725SQ20121013919
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月24日 優先權日2011年3月25日
發明者F·蒙西斯, G·R·米切爾, J·查普爾斯, M·威廉森 申請人:生命安全銷售股份公司