[发明专利]包括具有扩散势垒的电极的电化学传感器

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61/256,787的权益，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

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在电化学气体传感器中，待测量气体通常通过气体多孔或气体可渗透膜从大气进入传感器壳体中而到达发生化学反应的通称为工作电极(有时称为感应电极)的第一电极。互补性的化学反应发生于通称为对电极(或辅助电极)的第二电极处。电化学传感器经由电流的产生而生成分析信号，所述电流直接源自于工作电极处分析气体(也就是，待检测气体)的氧化或还原。在Cao，Z.and Stetter，J.R.，“The Properties and Applications of Amperometric Gas Sensors，”Electroanalysis，4(3)，253(1992)也提供了电化学气体传感器的综合评述，其内容通过引用并入本文。

为了可用作电化学传感器，工作电极和对电极的组合必须能够生成电信号，所述电信号(1)与分析气体的浓度相关，以及(2)足够强以提供适于在所关注的整个范围内区分分析气体的浓度水平的信噪比。换句话说，电流在工作电极和对电极之间流动必须在所关注的浓度范围内与分析气体的浓度可测量地成比例。

除了工作电极和对电极之外，电化学传感器通常包括第三电极，通常称为基准电极。基准电极用于将工作电极保持在已知电压或电位。基准电极应当在电解质中保持物理化学稳定。

工作电极和对电极之间的电连接通过电解质来保持。电解质的功能包括：(1)有效地运载离子电流；(2)使分析气体溶液化；(3)支持对电极和工作电极这二者的反应；以及(4)通过基准电极来形成稳定的基准电位。电解质的标准可包括如下方面：(1)电化学惰性；(2)离子传导性；(3)化学惰性；(4)温度稳定性；(5)低成本；(6)低毒性；(7)低易燃性；以及(8)适当的粘度。

通常，电化学电池的电极提供了发生氧化或还原反应以提供机理的表面，由此电解质溶液的离子传导与电极的电子传导耦合以为电流提供完整的电路。

源自于电化学电池的电池反应的可测量电流与发生于电极处的反应程序直接成比例。优选地，因此在电化学电池中保持高反应率。出于此原因，电化学电池的对电极和/或工作电极通常包括在其表面上支持反应率的适当的电催化剂。

要检测两个或多个气体分析物的电化学气体传感器通常包括两个或多个工作电极。这些电极能够例如放置为彼此紧邻(例如，在传感器内相邻且共平面)以便提供从传感器的入口至每个电极的相似扩散路径。通常，检测多于一种分析气体的传感器(其包括多于一个的工作电极)会遭遇一种分析气体对于工作电极中的设计为检测另一分析气体的至少一种工作电极的交叉灵敏度。这种交叉灵敏度的一种可能的原因是通过扩散膜和/或电解质横向扩散至相邻电极。

多种方法已用于解决两个或多个工作(或其它)电极之间的交叉灵敏度。一种方法是通过在每个电极的催化剂之间的共用或共享扩散膜中形成槽而在电极之间形成扩散势垒。当传感器填充有电解质时，一个或多个槽填充有液态电解质。相似的方法是将电极放置于两个单独的扩散膜上并且在它们之间提供同样能够填充有电解质来形成扩散势垒的间隙。尽管电解质将减少气体扩散，但是电解质并不能完全消除气体扩散。在这点上，公知的是，气体将溶解于电解质中并且在其中迁移或扩散，但是与通过与电极的连接中使用的气体扩散膜相比速率降低。此外，由于通常期望使得传感器的尺寸最小化，能够在单独的扩散膜之间或者共同的扩散膜上的单独催化剂层之间保持的距离受限制。另一方法是在电极之间的区域中压缩扩散膜以形成“较小可渗透区域”。当传感器被组装时，这种压缩能够通过例如以机械方式压缩膜的杆状结构或邻接部件(例如，形成在传感器盖中)来实现。尽管通过这种压缩减少了横向扩散，但是不能够完全消除。

发明概述