[发明专利]包含排气构件的传感器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请号61/256,712的权益，其披露内容通过引用结合在此。

背景技术

除非在本文件中另外清楚地指出，否则在此所使用的术语并非旨在受限于任何具体的狭义解释。在此所引用的任何参考文献的披露内容通过引用进行结合。

安培计式电化学气体传感器是在结构以及操作上与电池以及燃料电池类似的电化学电池。这样，这三种装置具有一些共同的结构，包括(i)一个阳极或阳极室(其中发生电化学氧化)，(ii)一个阴极或阴极室(其中发生电化学还原)，(iiii)一种离子式导电的电解质(该电解质保持了在这两个电极之间的离子式电接触)，(iv)一个壳体(该壳体封闭了这些电极以及电解质)，(v)触点或极点(它们总体上是在这些电极与外电路之间的金属型电触点)以及(vi)用于与这些装置相连接的外电路。电池以及燃料电池主要作为电源来工作并且对于可以与它们处于电接触的电路设置了极少的设计限制。安培计式气体传感器经常要求使用特定的驱动电路(例如一个恒电势器)来获得适当的功能。然而，存在多种安培计式气体传感器，它们与燃料电池类似地工作，并且仅要求一种在目标或分析物气体存在的情况下对在该阳极与阴极之间流动的电流进行测量的方法。

蓄电池是独立式的电化学能量存储和转换装置。它们被安排为使阳极以及阴极均包括较大量的具有不同电化学能的物质，或与这些物质紧密地电接触。当一个蓄电池的阳极以及阴极被连接到一个电子电路中时，显著的且有用的量的电流流动穿过电子电路。这种电流的来源是阳极以及阴极材料的电化学转换(氧化以及还原)。从一种电化学的观点看，电池是独立式的，因为它们是用足够的阳极材料以及阴极材料制作的，以提供一个有用的寿命或电能的量。这样，电池经常是良好地密封的。在许多设计中，电池是不透气地密封的。这些电池的常见例子包括勒克朗谢电池(“干”电池)以及普兰特电池(铅酸蓄电池)。

另一方面，燃料电池是电化学的能量转换装置，它们要求阳极材料、阴极材料、或阳极材料与阴极材料两者的外部供给。燃料电池的电极通常是电催化性质的。在该方面，这些燃料电池的电极提供了电化学活性表面以支持该电池的电化学反应，但是实际上在化学上并不参与这些反应。和蓄电池不同(其有用寿命总体上在这些电化学活性的电极材料被消耗掉时结束)，只要为该装置供应电化学活性的燃料(阳极材料)以及氧化剂(阴极材料)，燃料电池就将连续地运行。通常的燃料电池的一个例子是革罗夫电池，或氢-氧燃料电池。在革罗夫电池中，氢是燃料并且氧是氧化剂。

安培计式电化学气体传感器是燃料电池的特殊情况。它们典型地是微型尺寸的(与用于发电的燃料电池相比)并且被设计为使用有分析意义的目标气体(即，分析物气体)作为燃料。在没有目标气体时，不存在发生于电极上的本体电化学转化(法拉第反应)，并且因此该传感器内流动的电流实质上为零。当存在时，分析物气体经历了电化学氧化或还原，从而导致了法拉第电流的产生。产生的电流被外部驱动电路感知并且提供了该感应器的分析信号。典型地，观察到的电流与该分析物气体的浓度直接成正比。

如以上所讨论的，蓄电池、燃料电池以及安培计式电化学气体传感器在许多方面是类似的。然而，安培计式气体传感器的制造具有许多独有的困难。首先，与蓄电池不同，必须存在一个气体入口以允许该分析物气体进入该电池中。还必须存在将电流从电极的表面运载到外电路中的触点或极点。最后，该传感器必须以保存离子型电解质的方式制造，该电解质通常是一种高度腐蚀性的水性酸或碱。将安培计式电化学气体传感器密封以防止内部液体电解质泄漏而同时允许分析物气体进入并且收集产生的电流，明显是电化学气体传感器的机械设计的重要特征。

氧气传感器是安培计式电化学气体传感器的一种特殊情况。典型地，电化学氧气传感器包括一个贵金属工作电极以及一个牺牲性金属阳极，该阳极典型地是铅或锌。这种类型的传感器已经使用了许多年，用来检测并且测量许多不同应用中的氧气浓度。基于铅的传感器受到若干缺点的影响，包括有限的寿命以及有毒金属的使用。

尽管如此，氧气传感器的牺牲性金属阳极典型地是一个铅阳极。进入该传感器的氧在工作电极上被还原，而铅阳极被氧化成氧化铅。只要在传感器中存在电化学可得的铅，传感器就工作。为了增加使用寿命，必须增加铅含量或者必须减小氧气的注入量。用来增加传感器寿命的这些途径中的每一种均具有相关的优点以及缺点。然而，在任何情况下，传感器的寿命受其中存在的铅量的限制，这个量在制造时就被确定。