Область техники
Настоящее изобретение относится к газовым датчикам, использующим электрохимическую ячейку.
Предшествующий уровень техники
Электрохимический газовый датчик для восприятия окисляемого или восстанавливаемого газа (например оксида углерода) в атмосфере обычно содержит чувствительный или рабочий электрод, электрод, состоящий не из анализируемого вещества (противоположный электрод), и впускное отверстие (обычно диффузионный барьер) для того, чтобы позволить воздуху атмосферы проникать к чувствительному электроду. Оба электрода находятся в контакте с электролитом, во-первых, для того чтобы получить электрохимическую реакцию у чувствительного электрода с газом, который воспринимается, и, во-вторых, для получения электрохимической реакции у противоположного электрода с кислородом в атмосфере, электролите или другом источнике газа. Ток протекает через раствор посредством ионов, полученных в реакции, и посредством электронов через внешнюю цепь, ток в цепи показывает концентрацию газа. Электрод сравнения может применяться в комбинации с цепью потенциостата для поддержания потенциала между чувствительным электродом и электролитом ячейки для того, чтобы повысить стабильность процесса.
В терминах физической конструкции датчик обычно содержит наружный корпус, который служит как резервуар для электролита, фитиль или матрицу для удержания электролита в контакте с электродами и внешние электрические выводы, образующие электрическое соединение с электродами.
Большинство современных сенсорных элементов используют множественные электродные устройства, как например в US-A-4406770, с электродами, находящимися близко друг к другу в контакте с кусочками фитиля под давлением, передаваемым от О-образной уплотняющей прокладки. Эта конструкция имеет тот недостаток, что обычно необходимо большое количество веществ в качестве электродных контактов для отделения электродов и обеспечения доступа электролита к фитилю из резервуара к электродам. Это приводит к высоким затратам времени и стоимости. Вторым недостатком является то, что уплотнение будет со временем ослабевать, вызывая утечку электролита и повреждение. Этого второго недостатка избегают в конструкциях, в которых компоненты уплотнены вместе, как например в DE-A-3324682, в котором множество электродов удерживают в позиции на центральном основании посредством нагревания и давления в процессе сварки. Оба элемента типов, раскрытых в US-A-4406770 и DE-A-3324682, используют электродные контакты в виде металлических полос, которые из-за корродирующей природы электролита должны быть из платины или другого благородного металла и, таким образом, дают значительный вклад в стоимость материала ячейки (элемента).
EP-A-0461449 раскрывает конструкцию для предотвращения утечки электролита в газовом датчике, где поддерживающая основа из серебра имеет центральный кольцевой резервуар для электролита с узкой верхней частью с отверстиями, тем самым приводя к тому, что лист золотого электрода приводится в соприкосновение с верхней поверхностью поддерживающей основы. Покрытие наклеено к поддерживающей основе так, что оно образует непроницаемый липкий (клейкий) участок сбоку между покрытием и поддерживающей основой для предотвращения проникновения электролита через золотой электрод. Внешний вывод связан с одним краем золотого электродного листа. Хотя эта конструкция предотвращает утечку электролита, она требует описанных специальных веществ и не раскрывает средств для широкого применения.
US-A-5183550 раскрывает газовый датчик, в котором чувствительный, противоположный электроды и электрод сравнения крепятся на общей пластине на общей керамической подложке с контактными проводами, протянутыми от электродов до другой поверхности подложки для электрического соединения. Однако полученный датчик все же имеет много компонентов и включает в себя относительно сложные стадии изготовления, которые увеличивают стоимость производства.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - снизить количество компонентов и сложность сборки газового датчика в соответствии с настоящими конструкциями и избежать применения дорогостоящих платиновых выводов, а следовательно, снизить стоимость производства.
Настоящее изобретение предлагает газовый датчик, включающий:
подложку, по меньшей мере первый и второй электроды, сформированные как плоские элементы на подложке, и подложку, имеющую поры по меньшей мере на участке, смежном с первым электродом для разрешения проникновения газа к электроду снаружи от газового датчика,
корпус, содержащий резервуар с электролитом для контакта электродов,
средство внешнего вывода, закрепленное в корпусе или прикрепленное к корпусу для образования наружного электрического соединения по меньшей мере с первым электродом,
отличающийся тем, что подложка и корпус связаны вместе в периферической области, и часть первого электрода простирается через указанную периферическую область к положению, расположенному по соседству со средством вывода, указанная связь служит для поддержания средства вывода и первого электрода в электрической связи с другим электродом, указанный электрод изготовлен из вещества, которое является пористым для электролита, и указанная часть электрода пропитывается на указанной периферической области, блокируя пористость для того, чтобы предотвратить проникновение электролита через электрод для электрического контакта.
В другом аспекте изобретение предлагает способ сборки газового датчика, способ включает:
1) корпус, содержащий резервуар для электролита и корпуса, имеющего соединенное с ним средство электрического вывода,
2) по меньшей мере первый и второй электродный элемент на подложке, электроды являются пористыми для электролита,
3) расположение подложки по отношению к корпусу так, чтобы часть первого электрода располагалась по соседству с указанным средством электрического вывода и периферической областью, и
4) связывание подложки с корпусом на периферической области так, чтобы часть первого электрода электрически соединена со средством электрического вывода, пористость электрода блокируется на периферической области для предотвращения проникновения электролита к электрическому соединению.
В то время как для создания необходимой сжимающей силы может применяться адгезивное связывание для связи подложки и уплотняющей прокладки электрода или механическое средство (например, защелка), предпочтительно применять нагревание и/или способ герметизирующего давления для связи подложки с корпусом и сжатие и уплотнение электрода, это имеет то дополнительное преимущество, что происходит пропитывание электродной структуры с веществом корпуса для соответствующего уплотнения электрода на участке электрического контакта.
Таким образом, в соответствии с изобретением изготовлено особенно простое, надежное и эффективное средство соединения электрода газового датчика с внешним пространством, избегая применения дорогостоящих платиновых выводов. В дополнение, подложка одновременно связана с корпусом, из-за чего во время единственной операции сборки возникают электрические контакты и корпус герметизируется посредством этих контактов.
Первый электрод будет обычно рабочим или чувствительным электродом для проведения требуемой электрохимической реакции между электролитом и поступающим воспринимаемым газом. Второй электрод будет обычно электродом сравнения, требуемым для проведения противоположной электрохимической реакции с кислородом и для проведения требуемых ионных и электронных потоков через электролит между электродами. Предпочтительно второй электрод аналогично первому электроду простирается к внешнему средству вывода, где он удерживается в электрическом контакте, в то же время блокируется пористость электрода.
В одной предпочтительной конструкции корпус образован из двух частей: основной части, содержащей резервуар, и крышки (колпачка). Подложка и электроды на ней соединяются с основной частью с использованием нагревания и/или давления, прижимающего (уплотняющего) основную часть корпуса к подложке, в то же время сжимая подложку и электроды и вызывая необходимое проникновение вещества корпуса в поры электрода, таким образом поток электролита через электроды блокируется. Электрические выводы в основной части обеспечивают электрический контакт со сжатыми электродами. В следующей предпочтительной конструкции подложка образует верхнюю часть корпуса так, что крышки не требуется. Подложка имеет выбранные площади пористости для разрешения диффузии атмосферного воздуха в корпус.
В предпочтительной конструкции промежуточное количество электрически проводящего полимера располагается между электродами и выводами так, что при нагревании и приложении давления полимер самостоятельно формуется вокруг основы выводов и проникает внутрь электродного вещества, посредством чего создается стабильное и надежное электрическое соединение. Предпочтительно, чтобы головки электрических выводов крепились в пазах, а проводящий полимер заполнял пазы. Предпочтительно, чтобы подложка была пористой и гибкой так, что это согласуется с процессом уплотнения.
Электроды предпочтительно образуются из пористого электропроводящего вещества, содержащего ПТФЭ (политетрафторэтиленовое) или аналогичное полимерное связующее вещество, предпочтительно частицы катализатора и необязательно дополнительное вещество - носитель катализатора и вещество для повышения проводимости.
Электроды могут быть расположены на подложке посредством, например, трафаретной печати, фильтрованием в выбранные области из суспензии, нанесенной на подложку, посредством распыления покрытия или любым другим способом, подходящим для получения шаблонного осаждения твердого вещества. Осаждение может быть одного вещества или более чем одного вещества последовательными слоями таким образом, например, чтобы изменить свойства электродного вещества по его толщине или чтобы добавить второй слой с повышенной электропроводимостью поверх или ниже слоя, который является основным местом газовой реакции.
Вещество подложки является предпочтительно пористым, позволяя газу достигать электрода сквозь подложку и не проникать к электролиту. В одном варианте конструкции подложка является высокопористой и нет препятствия для диффузии газа через нее - ограничение диффузии чувствительности элемента обеспечивается отдельным диффузионным барьером. В другом варианте конструкции подложка сама является диффузионным барьером и не требуется разделяющего барьерного вещества.
Совокупность электрода и подложки предпочтительно прижимается к верхней поверхности корпуса, процесс уплотнения образует электропроводящий контакт между областью электродного вещества и контактным проводником для каждого электрода и одновременно прижимает подложку и остающиеся участки электродного вещества к корпусу, образуя уплотнение, которое непроницаемо для электролита. Хотя уплотнение может быть адгезивным уплотнением, предпочтительно уплотнение образуется нагреванием и прижатием к пластиковому корпусу.
Пластиковый корпус является веществом с более низкой точкой плавления, чем подложка, при нагревании и прижатии к корпусу через подложку вещество корпуса вынуждено двигаться вверх и проникать внутрь подложки, образуя сильную связь. Связь может, если необходимо, охлаждаться под давлением для предотвращения отслаивания перед отверждением вещества корпуса. Одновременно вещество электрода деформируется вокруг контактного проводника и образует замкнутый соответствующий (конформационный) контакт с низким электрическим сопротивлением и высоким сопротивлением к утечке электролита. Электродное вещество является композицией, которая позволяет это обеспечить. Альтернативно, если используется препятствующий слой проводящего полимерного состава, во время уплотняющего процесса состав будет течь вокруг неподвижного контакта и электродного вещества и, возможно, пропитывать электродное вещество, как раскрыто выше. Особенностью конструкции корпуса ячейки является то, что паз, в котором состав течет, имеет для этого оптимальную конфигурацию.
Средство внешнего вывода или контактные проводники, расположенные в пластиковом корпусе, могут быть необязательно покрыты слоем проводящего углерода (графита), погруженного в полимерный состав прежде, чем конструкция электродной подложки прижимается к корпусу. Состав будет затем течь в процессе уплотнения так, чтобы покрыть контактный проводник и либо образовать замкнутый конформационный контакт с веществом электрода, либо начать проникать внутрь него. Это будет повышать надежность контакта и его сопротивление утечке от медленного растекания электролита вдоль контактного пути, известная проблема предшествующих конструкций элемента. Если используется металлический проводник, то покрытие его, таким образом, полимерным составом будет особенно благоприятно для предотвращения коррозии от растекания ("фитильного питания") электролита через электродное вещество. Это позволит использовать дешевый неблагородный металл.
В конструкции, в которой электродная подложка не ограничивает диффузию, покрывающая пластина, которая содержит средство для ограничения диффузии газа к чувствительному электроду, прикрепляется поверх стороны конструкции электрода, которая не несет электродов. Средство, ограничивающее диффузию, может быть одним или большим количеством капилляров, пористой мембраной или комбинацией обоих средств. Покрывающая пластина блокирует доступ газа к электродам, отличным от чувствительного электрода. Если подложка сама является диффузионным барьером, покрывающая пластина приводит только к блокировке доступа газа к электродам, отличным от чувствительного. Альтернативно в этом случае доступ газа блокируется посредством обработки подложки для предотвращения ее проницаемости на участках поверх этих электродов и покрывающую пластину не используют.
Конструкция является подходящей для изготовления более чем одного датчика на одной и той же подложке осаждением дополнительных электродов и добавлением дополнительных компонентов элемента, либо для образования элемента с несколькими чувствительными электродами и другими частями в одно целое, либо для образования более одного отдельного элемента на общей подложке, используя соответствующим образом изготовленный корпус и компоненты фитиля.
Раскрытие чертежей
Предпочтительные воплощения изобретения будут раскрыты со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематичный вид первого воплощения этого изобретения;
фиг. 2 - вид сверху первого воплощения по линии 2-2 на фиг. 1;
фиг. 3 - схематичный вид второго воплощения изобретения.
Раскрытие предпочтительных воплощений
На фиг. 1 и 2 показан электрохимический газовый датчик 2, содержащий две части корпуса, а именно основную часть 4, которая представляет собой цилиндр с полой внутренней частью 6 для образования электролитного резервуара, и крышку 8 в форме диска. Три электрических вывода 10 из никеля или облуженной меди имеют головки 14, расположенные в пазах 16 на верхней части основы 4 корпуса, пазы 16, имеющие прямоугольную форму на плане и ступенчатую форму в сечении так, чтобы обеспечить верхние расширенные участки 18.
Пористая гибкая подложка 20 в форме диска расположена на верхней поверхности основного элемента 4. Первый, второй и третий электроды 22, 24, 25, образованные смесью электропроводящих частиц катализатора в ПТФЭ связующем, впечатываются трафаретной печатью или осаждаются фильтрованием на нижнюю поверхность подложки в виде сегментов, как показано на фиг. 2. Некоторое количество проводящего полимер/углеродного состава 26 располагается в пазах 16 поверх каждой головки 14 контакта.
Крышка 8 имеет сквозные отверстия 28, просверленные в нем до распределительной площадки 30 в виде паза для того, чтобы атмосферный газ диффундировал через отверстия 28 и оттуда - через распределительную площадку 30, через подложку 20 - к электроду 22.
Электролит внутри электролитной полости или резервуаре 6 приводится в контакт с электродами 22, 24, 25 посредством фитиля 31, образованного пористым войлочным (фетровым) элементом, находящимся в контакте со всеми тремя электродами посредством пластикового U-образного упругого элемента 32. Резервуар закрывается в основании с помощью элемента 34 основания, имеющего отверстие 36 снижения давления, закрытое пористой мембраной 38.
Для сборки конструкции, показанной на фиг. 1 и 2, основная часть 4 имеет электрические выводы 10, расположенные в ней с проводящими массами 26, расположенными внутри пазов 16 поверх головок 14. В альтернативном способе сборки вещество 26 может наноситься либо внутри пазов, либо наноситься на контактные выводы перед тем, как они вставляются в основание.
В следующем этапе сборки подложку располагают сверху цилиндрического основания 4. Нагревание и давление применяют к участкам A, как показано, посредством сжимающего приспособления (не показано) для того, чтобы прижать подложку и электроды к верхней пластиковой поверхности и проводящей массе 26 для того, чтобы связать (закрепить) конструкцию вместе так, чтобы подложка надежно крепилась к верхней части корпуса. Сжатие электродов и подложки в области А вместе с проникновением в пористые вещества пластикового корпуса и проводящей массы 26 обеспечивает то, что подложка и электроды уплотняются для предотвращения вхождения электролита в области электрических соединений. Одновременно пластиковая масса 26 прессуется вокруг головок выводящих штырей, посредством этого гарантируя хорошее электрическое соединение между контактными выводами и электродами.
Затем крышка 8 прикрепляется к верхней части подложки приклеиванием. Фитиль 31 затем располагается в пространстве 6 резервуара и удерживается на месте посредством U-образной пружины 32. Электролит добавляется к резервуару и нижняя крышка 34 приваривается на место посредством ультразвукового связывания.
Во время работы датчика, показанного на фиг. 1 и 2, атмосферный газ проникает через отверстия 28 в распределительную область 30. Эти отверстия 28 ослабляют поток газа в камеру и образуют диффузионный барьер для управления скорости впуска газа. Газ течет через подложку, которая в этом воплощении не образует значительного диффузионного барьера для газа до контакта с электродом 22. Электрод 22 работает как чувствительный электрод присутствия заданного газа в атмосфере и определения места этого присутствия, действует как катализатор для реагирования газа с водой в электролите для образования в растворе ионов и электронов. У противоположного электрода 24 кислород в электролите реагирует с ионами, освобожденными чувствительным электродом для замыкания электрической цепи. Разность потенциалов, образованная электрохимическими реакциями, появляется на контактах 10, и результирующий ток, протекающий через внешнюю цепь, связанную с контактами, является мерой концентрации газа. К тому же электрод 25 работает как электрод сравнения совместно с внешней цепью потенциостата для смещения элемента к требуемой разности потенциалов.
На фиг. 3 показано второе воплощение изобретения, части, аналогичные фиг. 1, обозначаются теми же порядковыми номерами. В этом воплощении различные отличия будут очевидны. Во-первых, головки 14 контактов изготовлены так, что частично торчат наружу из верхней поверхности основной части 4. Верхняя поверхность подложки 20 имеет газонепроницаемый слой 40, покрывающий ее так, что газ может только проникать в центральную область 42 выше электрода 22. В этом воплощении верхняя крышка основы не присутствует. Подложка 20 имеет хотя и слабо, но управляемую проникаемость (коэффициент диффузии) для того, чтобы задать диффузионный барьер для поступающего газа для обеспечения точного контроля над скоростью проникновения газа. Проникаемость может быть однородной для всей подложки или измененной на участке 42, например, давлением или пропиткой, более высокопроникаемой подложкой для уменьшения проникаемости.
В воплощении фиг. 3 подложка и электроды прижаты к верхней поверхности основания корпуса способом, описанным со ссылкой на фиг. 1. Однако в этом воплощении электроды 22, 24 сами заполняют место вокруг головок 14 контактных выводов и, следовательно, образуют непосредственный электрический контакт.
В этом воплощении пористая матрица 44 располагается внутри пространства 6 резервуара для того, чтобы удержать электролит посредством капиллярного действия. Верхняя поверхность матрицы 44 прижата к электродам или, альтернативно, используется вставка с усилием для обеспечения электрического контакта с электродами.
Другие примеры могут производиться комбинированием особенностей из двух вышеизложенных примеров. Хотя три электрода описываются как находящиеся на одной подложке, количество их может быть больше в случае сложных (множества) чувствительных функций и либо один, либо оба из электрода сравнения или противоположного электрода могут располагаться где-нибудь в конфигурации элемента в месте, отличном от подложки.
Дополнительно, если должны восприниматься высокие концентрации газа, отдельный доступ для кислорода может обеспечиваться к противоположному электроду или электродам сравнения посредством каналов, включенных в либо основании, либо крышке, причем эти каналы выполняют подачу воздуха, свободного от воспринимаемого газа.
Жидкий электролит может быть заменен гелем или полимером, если требуется нанести пасту на электроды.
При обобщении вышеописанных воплощений следующие достоинства являются очевидными:
(1) плоская электродная конструкция упрощает производство - все электроды могут производиться в единственном процессе;
(2) контактный способ позволяет избежать применения дорогих металлических контактов и образует контакты быстро и одновременно с процессом сборки элемента;
(3) контактный способ означает, что утечка электролита вокруг контактов, известная проблема в обычных элементах, избегается; использование проводящего полимерного состава, который покрывает контактный проводник в течение процесса уплотнения, является особенно благоприятным в обеспечении надежности, если используются металлические проводники, так как они являются очень подверженными коррозии, если происходит утечка электролита;
(4) способ контактирования электродного материала в области, отдаленной от электролита, препятствует изменениям в сопротивлении контакта при использовании, возникающим от движения контакта по отношению к электроду и вхождения электролита в щель, признанной проблемы в обычных конструкциях;
(5) способ уплотнения дает высокопрочный элемент, который противостоит утечкам;
(6) маленькое количество компонентов и процессов, необходимых для сборки, означает, что сборка является быстрой и дешевой; компоненты в отдельности являются надежными и, таким образом, повреждение в течение сборки маловероятно;
(7) компоненты элемента получают, используя простые стандартные процессы;
(8) простой процесс сборки элемента возможно автоматизировать;
(9) плоская электродная конструкция допускает расположение более трех электродов на одной подложке, если это может потребоваться, например, для того, чтобы получить более одного датчика, например несколько датчиков, чувствительных к различным газам в том же устройстве.
Изобретение относится к газовым датчикам, использующим электрохимическую ячейку. Сущность: газовый датчик, образованный как электрохимический элемент, содержит электроды, сформированные как пористые плоские элементы на подложке, подложка является пористой для предотвращения проникновения газа к электродам снаружи от газового датчика, внешние электродные выводы прикрепляются к периферии корпуса, где в области внешних выводов электроды, подложку и корпус подвергают нагреванию и давлению в процессе сварки для того, чтобы поддержать выводы и электроды в электрическом контакте один с другим, в то же время блокируя пористость электродов для предотвращения проникновения электролита через электроды к электрической связи. Технический результат изобретения заключается в снижении количества компонентов и сложности сборки газового датчика, и в исключении применения дорогостоящих платиновых выводов, а следовательно, в снижении стоимости производства. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.
| DE 3324682 A, 17.01.85 | |||
| EP 0405483 A, 02.01.95 | |||
| Устройство для магнитной записи | 1973 |
|
SU461449A1 |
| Электрохимический газоанализатор | 1982 |
|
SU1097927A1 |
