专利名称：具有双极对/参比电极的气体检测器的制作方法
技术领域：
本申请涉及电化学气体检测器。更特别地，本申请涉及这样的检测器，其包括用于改进检测器性能的电极结构。
背景技术：
各种构造的电化学气体检测器是已知的。例如在壳体内将两个电极或三个电极与适当的电解质组合以提供紧凑、轻质的气体传感器，该传感器能够与电子设备组合并设置
在外部壳体中，例如具有耐用的气体检测器的形式。尽管已经发现这些检测器非常有用，但有时在暴露于预定气体后，传感器输出的恢复所花费的时间比期望的更长。优选地，可以用各种传感器元件的替代构造来缩短恢复时间。图1、2显示了现有技术的气体传感器20，30的特性。如这里所显示的，电化学传感器単元(cell)包括充当三个连接插脚2的固定点的主体1，该连接插脚允许电连接到集电器3并进而电连接到工作电极4、对电极5和參比电极6。电极和集电器由电极7之间的绝缘材料电隔离。这些绝缘体也充当用于传输/分散传感器単元的内部部件周围的电解质8的装置。电极和绝缘体形成顶部叠层组件(stack assembly) 9,其由底部叠层压缩器(stackcompressor) 10支撑。叠层盖11安装于主体的顶部,正面中具有孔。取决于正在被测量的气体，粉末等形式的各种过滤材料12被置于盖和工作电极之间的气体路径中。图I显示了现有技术的传感器20，具有面对工作电极4的“分开的对參比”电极5、6。这种设计受益于工作、參比和对电极之间非常短的距离，从而使离子阻抗最小化。阻抗越小，传感器单元对气体浓度的变化的响应越快，这是有益的。该设计的缺点在于在长时间或重复的气体应用时，參比电极暴露于对电极和工作电极处发生的电化学反应的产物，导致參比电势的改变。这种改变的效果就是本领域技术人员所已知的“正基线偏移”(零偏移)。当气体被去除时，随着參比电极恢复至其加载气体前的状态，要经过几分钟或甚至几小时偏移才能够归零。气体浓度越高和或气体应用的时间越长或重复次数越多，基线归零所花费的时间越长。图2显示了现有技术的三电极传感器30，其中，小直径的參比电极6面向工作电极4，且对电极5面向上/向下。使用塑料圈环从对电极5屏蔽工作电极4，且在工作电极4和參比电极6之间以及在參比电极6和对电极5之间使用分隔件7。传感器30得益于防止H+到达对电极5，因此相比图I中的替代传感器20，浓度梯度在长得多的距离上分布。这防止了在图I的“分开的对參比”电极的情况下基线行为中所观察到的问题。缺点是在顶部叠层中存在很多绝缘体，这增加了离子阻抗从而降低了传感器単元的响应速度。本领域技术人员通过向传感器单元中加入更多的电解质来应对这样的问题。然而，额外的电解质会限制传感器単元能够工作而不出现性能降低或发生潜在机械故障的环境窗ロ。这是由于电解质的吸湿性造成的，吸湿性在高湿度条件下使体积显著増加。这种故障机制不总是被用户很容易地察觉，并且会潜在地对安装了该传感器単元的仪器造成损坏。
图I是三电极现有技术传感器的分解图；图2是另ー个三电极现有技术传感器的分解图；图3是根据本发明的三电极传感器的分解图；图4显示了根据本发明的双极电极的附加细节；图5A、5B、5C显示了图3中的传感器的性能特性；并且图6显示了包括图3中的气体传感器的气体检测器。
具体实施方式
尽管所公开的实施例可采用许多不同的形式，但其特定的实施例显示于附图中，并在此进行详细的描述，需要理解的是，应将本公开视为其原理的示例以及实施该原理的最佳模式，而不意味着将本申请或权利要求限制为所示特定实施例。有利地，根据本公开，可改变内部电极的位置/方向。如以下所公开的，改变对电极相对于工作/感应电极的位置，使对电极背离工作电极，能够改善传感器的性能。然而，仅移动对电极远离工作/感应电极可导致对其它特定传感器性能特性的不利影响，尤其是极端温度下(空气中的传感器基线、对目标气体的敏感度和响应时间-由干与移动对电极有关的离子阻抗的增加)。还存在其它与改变电极位置相关的制造问题。已知的设计包括在公共基底材料的相同表面上彼此相邻地沉积的对电极和參比电极催化剂。移动对电极要求对电极和參比电极分开，从而需要额外的电极基底材料(PTFE)和额外的电极分隔件材料(玻璃纤维)_増加了产品的直接成本并增加了制造复杂程度，潜在地引入故障模式，这是由于部件的不正确放置较差地对准的分隔件/电极导致电极之间的短路。改变对电极的方向(以背离工作电极)也会引入新的制造问题，因为在切割和放置电极的过程中催化剂垫不可见。与仅移动电极相对于彼此的位置不同，通过产生以下所描述的双极电极，可以提高传感器的基线恢复性能特性。电极被设计成使得对电极和參比电极催化剂垫被沉积在同一绝缘基底(例如PTFE平坦构件)的任ー侧。该设计(相比使用两个分开的对电极和參比电极的替代方式)受益于不需要位于对电极和參比电极之间的额外分隔件。这减小了离子阻抗，改善了基线恢复性能和传感器响应时间(尤其在低温吋)。不再需要额外分隔件并且具有电极的公共基底减少了零部件/直接生产成本，也减小了故障的可能性，改善了可制造性。由于对电极和參比电极优选地面对相反的方向，使用共享的具有背靠背催化剂的基底有利于制造，因为可以看到一个催化剂垫确保了部件的正确切割和放置，并且排除了与电极短路相关的故障模式。此外，由于电极位于共享的基底上，电极之间的温度稳定更加迅速。另ー个制造益处是通过使用对电极和參比电极的公共载体，双极电极的方向对性能没有影响，并有利于制造故障安全(poke-yoke)设计。在两个磁性钢模板之间夹持PTFE(基底)片或其它种类的绝缘或塑料片，电极模板每ー侧对准，并且将模板置于转移板上，通过定位參考销进行对准并使用磁体保持平坦。然后，使用自动机器人分配系统来分配催化剂材料并使其固化。一种此类方法公开于2010年 9 月 14 日授权的名称为“Method of Manufacturing Gas Diffusion Electrodes”的美国专利No. 7，794，779中，该专利是共同拥有的。该’ 779号专利在此通过引用并入本文中。然后，从转移板上移除模板(同时仍旧夹持基底材料)，翻转模板从而不带有催化剂的基底表面位于最高位置。将模板放回到转移板上(定位销确保电极在片的两侧上的对准)，然后分配用于第二电极的电极催化剂并使其固化。模板使得每个基底片上能够分配144个电极或更多。然后，在自动组装机器上将电极安装到产品中。将电极片(每个片144个电极)置于组装机器上，视觉系统检测単独电极的位置以确保正确的切割位置(制造时实现的电极对准确保了位于基底的相对侧上的电极也能够被正确地切割)。图3显示了根据本发明的传感器40，其克服了图I和2所示的现有技术的不足。 图3的“双极电极”42具有位于公共绝缘基底V上的參比电极6’和对电极5’。电极“背靠背”地设置在基底7’上。在同一基底7’上形成參比电极6’和对电极5’确保了催化剂垫在热方面非常接近，因而，由于温度导致的对电极活性/电势的任何变化在參比电极6’中被更快地补偿。在传感器40中，公共的轴向线A(最佳參见附图4)延伸通过对电极5、參比电极6和绝缘基底7’中的每ー个。在电极的形状实质上相同的情况下，线A包括公共中心线。需要理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，电极5’、6’可具有不同的形状。进ー步，參比电极和对电极中的催化剂垫活性被“调节”以赋予传感器単元特定的性能特性。作为依序施加催化剂垫的结果，催化剂垫可被精确地匹配/对准。因此，相对于參比电极和对电极位于分开的基底上的设计，在该设计的传感器単元之间观察到较小的差异。相对于图I的传感器20的“分开的对參比电扱”，ー个益处是存在较大的基底以安装參比和对电极垫。这允许为了成本/性能而更容易地定制/调节传感器单元性能，因此有益于本领域的制造者。相对于图2的现有技木，另ー个益处是少了一个分隔件；因此，在工作电极和对电极之间不需要塑料圈形状的屏蔽。这显著地减小了离子阻抗，从而在环境温度下响应速度与图I所示的现有技术设计相当。在所公开的实施例中，传感器40具有參比催化剂垫，其与对催化剂垫直径相匹配并装配于对催化剂垫上，确保部件为故障安全的(即參比和对催化剂垫是相同的，从而在组装期间方向不重要)。相对于图2所示的现有技术，双极电极42也带来了显著的商业优势，因为相比于图2所示的传感器30，用干支撑电极催化剂所需的塑料基底減少ー个，不再需要塑料圈密封/防护，并且消除了一些分隔件。双极电极42还带来了部件数量的显著減少。更简单的设计意味着由于错误放置绝缘体从而电化学传感器単元中的短路/不良连接造成的缺陷的潜在数量降低。图4显示了ー氧化碳电化学传感器単元中可用的双极电极42的设计细节。电极基底可以比图4所示的基底更大或更小，或者具有不同的形状，而没有限制。类似地，显示为圆形的催化剂垫可以为方形或实际上为任何形状。每单位面积的催化剂垫的负载可以比图4的示例更大或更小。类似地，对电极和參比电极5’、6’也可以比图2所示的更大或更小，然而优选地具有相同的直径和负载，它们可以被调节以满足不同的性能特性。轴向线A可以是公共中心线，并且从中延伸通过。图5A、5B、5C显示了图3的传感器40与图2的传感器30相比较的性能情況。双极电极(如电极42)当与图2的控制传感器30相比时表现出对ー氧化碳更紧密的量程漂移特性和更紧密更短的恢复时间。图6显示了气体检测器50，其包括气体传感器40。检测器50包括耦接到气体传感器40的控制电路52。控制电路52耦接到可听的或可视的警报输出54及接ロ电路56。电路56可以使检测器50与外部区域性监测系统或对接站进行双向的有线或无线通信。上述部件可以被承载在壳体60内，壳体60可以由用户携带并由电源62 (如电池)供电。由以上内容，可以知道在不偏离本发明的精神和范围的情况下可进行各种变化和改进。需要理解的是，这里所说明的具体装置并非意图或推断为对本发明的限制。当然意 在用所附的权利要求来涵盖落入本发明范围内的各种改迸。进ー步，图中所示的逻辑流并不要求所示的特定顺序或序列以获得期望的结果。可以从所描述的流提供其它步骤或删除步骤，并且可以向所述实施例増加或移除其它部件。
权利要求
1.ー种气体检测器，包括 气体传感器，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电极，所述基底位于所述第一和第二电极之间；和壳体，其承载所述传感器。
2.根据权利要求I的检测器，其中，所述基底具有第一和第二平坦表面，且所述电极形成在所述表面中的各自ー个上。
3.根据权利要求I的检测器，其中，所述电极选自至少包括圆柱状轮廓、方形轮廓或矩形轮廓的种类。
4.根据权利要求I的检测器，其中，所述电极沿公共中心线布置。
5.根据权利要求I的检测器，其中，所述电极关于公共的轴向延伸线对称。
6.根据权利要求5的检测器，其中，所述轴向延伸线包括公共中心线，其也穿过所述公共基底并与所述公共基底实质上垂直。
7.根据权利要求6的检测器，其中，所述壳体大致平行于所述公共中心线延伸。
8.根据权利要求5的检测器，其包括耦接到所述传感器的控制电路，并且其中，所述控制电路响应于来自所述传感器的信号来确定选定气体的存在。
9.根据权利要求8的检测器，其包括邻近于每个电极和公共基底定位的圆柱状绝缘体。
10.ー种气体传感器,包括 长形中空壳体； 被承载在所述壳体中的叠层压缩器； 位于所述叠层压缩器的端部上的第一绝缘层； 位于所述第一绝缘层上的复合电极结构，其中，所述电极结构具有第一电极、另ー个绝缘体和第二电极，且所述绝缘体位于两个电极之间；和位于所述复合电极结构上的第三绝缘层。
11.根据权利要求10的传感器，其中，所述第一和第二电极形成在所述绝缘体上，具有实质上相同的形状。
12.根据权利要求10的传感器，其中，所述绝缘体包括平坦的绝缘片构件。
13.根据权利要求10的传感器，其包括至少位于所述复合电极结构的每ー侧上的选定的电解质。
14.根据权利要求13的传感器，其包括邻近于所述叠层压缩器从所述壳体延伸的多个接触器，所述接触器耦接到所述电扱。
15.根据权利要求10的传感器，其中，所述绝缘体包括平坦的PTFE片构件。
全文摘要
本发明涉及具有双极对/参比电极的气体检测器。具体地，一种气体检测器包括至少两个电极。电极被承载在公共基底上，该公共基底具有第一和第二间隔开的表面。电极形成在各自一个表面上，且基底被夹在电极之间。
文档编号G01N27/30GK102735725SQ20121013919
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月24日 优先权日2011年3月25日
发明者F·蒙西斯, G·R·米切尔, J·查普尔斯, M·威廉森 申请人:生命安全销售股份公司