专利名称:具有氧扩散内隔障的电化学氧传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学气体传感器。更具体地，本发明涉及能够阻止内部氧扩散的电化学氧传感器。
背景技术
电化学传感器是已公知的，并且能够被用于检测各种类型的气体，所述气体包含氧以及其他类型的气体。
典型的传感器已在Finbow等人的于1997年9月16日授权的题目为电化学气体传感器组件的美国专利No. 5，668，302中公开以及已在Finbow等人的于1998年5月5日授权的题目为电化学气体传感器的美国专利No. 5746,899中公开。该“302”和“899”号专利已被转让给本申请的受让人，并通过引用被合并入本文。虽然它们越来越有用，但是这些传感器却有一些局限性。
控制/阻止大量气体在传感器内流动是普遍的需求。这种流动可由许多情况产生，如热、压力或机械冲击都能引起位移，从而潜在地导致不期望的大量气体的运动。(气体可以通过某些路径到达传感器的各部分，这些路径不是原本设计意图的一部分，并会因此导致错误的传感器输出，从某种意义上说是这是所不希望的。)
便携式氧气检测设备的用户遇到的一个特别问题是设备受热，机械或压力冲击的影响容易产生失效模式。这样的设备能产生不稳定的传感器输出，或者在某种情况下足够大小的振冲击会产生假警报。当设备遭遇温度的快速变化时，最常出现温度骤变。发生这种情况的典型例子是当用户离开温度高的办公室或校准站进入低温的工作环境中的时候。
这种情况在冬季温差达到最大时最为显著。其效果通常与负温度变化有关系，即从温暖的环境移动到低温的环境，同样的效果也会出现在相反的情形下，即产生正温度变化时。解决这个问题的一种方案已在美国专利申请No. 11/877, 331的说明书中公开，其名称为“气体传感器”，申请日为2007年10月23日，公开号为2008-0202929。
大量空气从传感元件内部流向外界或者反之亦然，被认为是由于当传感器遭受冲击时引起信号不稳定造成的。在这些传感器内广泛使用的电解质的腐蚀性环境使得不影响各传感器正常工作的惰性材料的识别和选择受到限制。当传感器在特定环境的操作条件下使用时，由于那些在历史上已经被检验过，且有局限性的成功材料(如纤维素、聚碳酸酯、尼龙)对高腐蚀性环境的化学耐受性差，使得必须从这些材料以外另选材料。
因此，能够将假警报降至最少程度的经过改进的氧传感器的需求是持续的。优选地是这种功能上的改进不需要大大增加生产复杂性和设备成本就能实现。[0011]当然，优选地，为了利于使用，这种经过改进的探测器应当被设计为便携式的或可佩带在身的。
图I是密封圆盘的平面图；
图2是示出了图I所示的密封圆盘的侧视图；
图2A是图2所示圆盘边缘的部分放大图；
图2B是图2所示圆盘中央区域的部分放大图；和
图3是示出了根据本发明的一个实施例的氧电解池(oxygen cell)中的部件的分解图。
具体实施方式
虽然本发明的多个实施例可采取多种不同形式，但是同时其典型实施例阐述在附图中，并在此进行详细描述，其理解为，目前公开的被认为是本发明原理的范例，以及实践本发明的最佳模式，而不是旨在将所示的典型实施例理解为对本发明的限制。
在本申请实施例中，上述关注的问题可得到解决，其方案是通过向电化学传感器中加入一种物质，该物质能够维持高离子电导率，同时产生有效阻隔防止内部氧扩散，也能在阳极和阴极之间维持有效的压力隔障。虽然本申请公开了使用琼脂为例，但是本领域技术人员明白有许多其他的水溶性聚合物也可以使用。在传感器内的电解质中，所述材料需要具有足够的溶解性。选定聚合物应该在电解质环境中基本上是化学惰性的。
琼脂是满足这些要求的自然存在的多糖聚合物的一个实例。其它可能的多糖，如藻酸盐、卡拉胶或黄原胶，被证明也是合适的。同样的，瓜尔胶或其它工业树胶，以及基于纤维素的聚合物，如羧甲基、羟乙基、甲基纤维素等。也有大量的合成水溶性聚合物也可能是合适的，公知地且可包含聚乙烯醇(PVA)，聚甲基丙烯酸羟乙基酯(poly (HEMA))，聚丙烯酰胺和多种可替代的丙烯酰胺。预先交联N-丙烯酰-三(羟甲基)氨基甲烷已被用作胶凝材料来阻止电解质的泄漏，并且不用加入隔膜分离器。
本领域技术人员还能了解，具有上述特征的其它材料也可使用而不受限制。被感测的气体类型也不受限制。上述聚合物能够被使用，例如，在氧传感器中也不受限制。
决定选择聚合物的一个重要因素是在制造环境可轻易方便地使用。琼脂特别有吸引力，这是因为它无毒且不需要化学聚合步骤，而这是某些合成聚合物需要的。
本申请的多个实施例包括一种含2%琼脂凝胶的材料，由胶凝强度为NLT950G/CM2 (I. 5%胶凝NIKAN测试)的琼脂粉制成。干的琼脂粉，分子量为(C12H18O9) n，在温度高于85°C时溶解在电解质中。随后，热琼脂溶液可被用于浸溃传感器或电解池(cell)中的任何多孔材料。琼脂将冷却成胶。此外或者可替换的，不受限制的各种元件，如隔膜或过滤器，可在组装前被凝胶浸溃，随后在组装电解池时合并进去。
隔板可在电解池中生成，以阻止气体大量流动或气体(空气)在电解池与外界之间交换。隔板可包括被支承在带孔塑料圆盘上的微孔塑料薄膜。
圆盘具有许多功能。首要的功能就是支承薄膜。
可包括由圆盘支承的,任选的,可压缩性泡沫垫圈,其有两个作用。其粘性表面确保支承架和薄膜材料之间的气密性；此外，材料的可压缩性确保隔板上的任意“死体积”降至最小程度。在隔板上的自由“死体积”的数量与初始热瞬态的大小有关，所有铅基氧传感器都表现出快速的温度变化。
圆盘可为环形，中间带有一个孔，使得电解质离子穿过位于电解池上下隔室之间的隔板，从而利于电解池正常运转。另一种可选方式是，圆盘中单独的中心孔可被多个更小的孔取代，每个小孔也能让电解质从电解池的主体部分穿过圆盘到达电极。
薄膜被充分地支承，保证在压力下不会变形和弯曲，这是因为变形和弯曲也会产生足够大小的压力瞬态效应从而引起假警报。微孔薄膜的功能是阻止气体(通常是气泡的形式)通过电解池大量运送。
本发明的多个实施例包含微孔塑料薄膜材料。该薄膜材料不会因电解质发生膨胀或变形，也不会因电解质或氧还原的反应产物发生化学降解。薄膜中微孔同样允许离子穿过薄膜运送，不像某些固态膜只允许水迁移。如图I所示，采用塑料支承圆盘或平板，被超声焊接到电解池主体上，使得主体和集电器间形成气密性，提高了电解池的可靠性和使用寿命。圆盘同样能阻止薄膜在压力下弯曲。使用可压缩性垫圈将电解池的保护盖或覆盖物中的“死体积”减至最低，因此减小了初始热瞬态效应。
图1，2_2B描述了依照本法的圆盘或隔板12的多个方面。如图中所示，圆盘12是刚性的，一般为环形件，具有隔开的第一和第二平面12-1，12-2，以边缘支撑12-3为界。圆盘12有中央开口 12-4。圆盘12承载选定的微孔塑料薄膜16。
圆盘12被超声焊接到相应氧传感器的外壳上。本领域技术人员可以理解，圆盘12可被一个或多个从其中穿过的开口交替穿孔。这些开口不必在中央，但其分布可以遍及圆盘。
图3是实施本发明的典型氧传感器30的分解图。电解池30包括中空的圆柱体32，它界定了内部区域34为电解池存放电解质34a。
主体32的顶端36界定了一环形区域，以附图标号38所示，其能接纳和支承多元件分离过滤器10。
如前文中讨论的圆盘12，被环形表面38所支承，并且可被超声焊接到主体32上。
薄膜16覆盖在圆盘12上。电解池30被保护盖40关闭，该保护盖可通过焊接或粘合剂附着在主体32上。保护盖40可承载工作电极42。主体32可承载内部集电器元件44。
一方面，当琼脂粉溶解在热电解质中并且之后注入外壳32时，琼脂粉能通过圆盘12渗透，并与垫圈14、薄膜16和工作电极42相接触。当电解质34a的温度降低时，不论琼脂胶位于传感器中何处，均提供内部的氧扩散隔障。可另选的是，诸如元件16，18和46能在组装前被选定凝胶浸溃，并在电解池组装时合并进去。
如图3所示，在本发明的一具体实施例组装中，多个分离过滤器46中的元件都位于电解池主体模型32顶端36上的中央。
例如图I所示的塑料圆盘12，随后被放置在分离过滤器46顶部上的主体模型32的凹形空间38内的中央，确保内部集电器44放置在塑料密封圆盘12和主体模型32之间。圆盘12随后被超声焊接到主体模型32上。[0039]微孔薄膜16被设置在圆盘12顶部上的中央。薄膜16的一种示例材料是尼龙。本领域技术人员可以理解，其它微孔材料可不受限制地被用于代替尼龙。
可选的压缩性泡沫粘性垫圈14也是环形的，具有中心开口 14a，覆盖并由圆盘12支承。过滤器18填满垫圈14的开口 14a。在不使用垫圈14的情况下,薄膜16可被直接放置在圆盘12上，并与其接触。
内部集电器44随后被折叠覆在薄膜16上。预先组装的保护盖模型40和工作电极42随后被放置在电解池主体组件32上，并超声焊接在完整的电解池30上。
本申请的多个实施例通过向内部的氧扩散提供一基于凝胶的隔障阻止了氧气在氧气电解池内的扩散，同时电极间仍维持了有效的压力隔障。相应地这就将热冲击降到最小程度。类似的结构可以在传感其它气体的电解池中使用。此外，通过使用塑料圆盘，如圆盘12作为薄膜16的支架，以及将圆盘焊接到如电解池30的氧电解池中的主体32上，这使得有可能在电解池的上部和下部之间产生气密性密封，并进一步减少由于两部分之间的气体交换引起的热冲击效应。
总之，一种提供良好的粘性/流动性/密封性特性的凝胶/电解质组合物能在控制电解池内大量气体流动方面向电解池设计者提供巨大的有益之处，同时与电化学操作的高离子电导率要求完全相符。
如前文所述，可以发现，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明作出许多变动和变型。然而应该理解本申请中所示的特定装置没有相关限制是已知的或应该被预计到的。当然，本申请旨在通过所附权利要求
书涵盖所有在本权利要求
书范围内相符的所有变型。
权利要求
1.ー种电化学气体传感器，所述电化学气体传感器包括 具有内表面的中空外壳，所述外壳承载电解质，所述电解质含有与所述内表面的至少多个部分相接触的选定凝胶；和 密封件，所述密封件具有至少ー个穿过其中的开口和承载在其中与至少一部分凝胶相接触的上覆的微孔薄膜。
2.如权利要求
I所述的电化学气体传感器，包括传感电极和对电极，其中，上述电极与至少部分电解质和凝胶相接触，且其中所述凝胶选自包含至少多糖、エ业树胶、或基于纤维素的聚合物的组。
3.如权利要求
I所述的电化学气体传感器，其中微孔薄膜位于传感器中对电极和气体流入ロ之间。
4.如权利要求
3所述的电化学气体传感器，包括承载薄膜的可压缩性垫圈。
5.如权利要求
I所述的电化学气体传感器，包括承载薄膜的可压缩性泡沫粘性垫圈。
6.ー种电化学气体传感器，所述电化学气体传感器包括中空外壳，所述外壳承载至少一个电极，并且包括向内延伸的，至少部分的，用于密封件、垫圈和薄膜的环形支承表面。
7.如权利要求
6所述的电化学气体传感器，其中所述垫圈承载所述薄膜。
8.如权利要求
7所述的电化学传感器，具有密封件，所述密封件包括附接到中空外壳上的基本上呈平面的结构。
9.如权利要求
6所述的电化学气体传感器,其中所述外壳承载呈多层堆叠构型的密封件、垫圈和薄膜。
10.如权利要求
9所述的电化学气体传感器，其中所述外壳被带有气体流入ロ的盖子封闭，所述盖子与所述薄膜邻近，该密封件与外壳的内部区域和电极邻近。
11.一种便携式氧传感器，所述氧传感器包括中空外壳；该外壳至少承载传感电极和对电极；该外壳内与所述电极相接触的电解质和选定凝胶；所述外壳限定出气体流入ロ ；以及带有被电解质和凝胶充满孔隙的微孔平面薄膜。
12.如权利要求
11所述的氧传感器，包括承载薄膜的可压缩性垫圈。
13.如权利要求
12所述的氧传感器，其中，所述外壳承载用于垫圈的内部支承构件，该支承构件有助于在外壳的流入口和外壳的内部区域之间形成气密性密封。
14.如权利要求
13所述的氧传感器，其中所述电解质与支承构件邻近，并位于外壳的内部区域中。
15.如权利要求
14所述的氧传感器，其中所述支承构件包括能够附接所述垫圈的环形塑料元件，其中该环形元件密封能够被密封到外壳邻近内部区域的部分上。
专利摘要
本发明涉及一种具有氧扩散内隔障的电化学氧传感器。一种电化学传感器包括被支撑在圆盘上并且位于气体流入口和具有胶凝氧扩散隔障的电解质之间的微孔塑料薄膜。该氧扩散隔障，由凝胶琼脂形成，通过浸透传感器中的任意多孔材料将热冲击效应降至最小程度。
文档编号G01N27/407GKCN102818831SQ201210063778
公开日2012年12月12日 申请日期2012年1月27日
发明者J·A·蒂罗特森, I·A·麦莱奥, J·查普尔斯 申请人:生命安全销售股份公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan