專利名稱:具有氧擴散內隔障的電化學氧傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電化學氣體傳感器。更具體地，本發明涉及能夠阻止內部氧擴散的電化學氧傳感器。
背景技術
電化學傳感器是已公知的，并且能夠被用于檢測各種類型的氣體，所述氣體包含氧以及其他類型的氣體。
典型的傳感器已在Finbow等人的于1997年9月16日授權的題目為電化學氣體傳感器組件的美國專利No. 5，668，302中公開以及已在Finbow等人的于1998年5月5日授權的題目為電化學氣體傳感器的美國專利No. 5746,899中公開。該“302”和“899”號專利已被轉讓給本申請的受讓人，并通過引用被合并入本文。雖然它們越來越有用，但是這些傳感器卻有一些局限性。
控制/阻止大量氣體在傳感器內流動是普遍的需求。這種流動可由許多情況產生，如熱、壓力或機械沖擊都能引起位移，從而潛在地導致不期望的大量氣體的運動。(氣體可以通過某些路徑到達傳感器的各部分，這些路徑不是原本設計意圖的一部分，并會因此導致錯誤的傳感器輸出，從某種意義上說是這是所不希望的。)
便攜式氧氣檢測設備的用戶遇到的一個特別問題是設備受熱，機械或壓力沖擊的影響容易產生失效模式。這樣的設備能產生不穩定的傳感器輸出，或者在某種情況下足夠大小的振沖擊會產生假警報。當設備遭遇溫度的快速變化時，最常出現溫度驟變。發生這種情況的典型例子是當用戶離開溫度高的辦公室或校準站進入低溫的工作環境中的時候。
這種情況在冬季溫差達到最大時最為顯著。其效果通常與負溫度變化有關系，即從溫暖的環境移動到低溫的環境，同樣的效果也會出現在相反的情形下，即產生正溫度變化時。解決這個問題的一種方案已在美國專利申請No. 11/877, 331的說明書中公開，其名稱為“氣體傳感器”，申請日為2007年10月23日，公開號為。
大量空氣從傳感元件內部流向外界或者反之亦然，被認為是由于當傳感器遭受沖擊時引起信號不穩定造成的。在這些傳感器內廣泛使用的電解質的腐蝕性環境使得不影響各傳感器正常工作的惰性材料的識別和選擇受到限制。當傳感器在特定環境的操作條件下使用時，由于那些在歷史上已經被檢驗過，且有局限性的成功材料(如纖維素、聚碳酸酯、尼龍)對高腐蝕性環境的化學耐受性差，使得必須從這些材料以外另選材料。
因此，能夠將假警報降至最少程度的經過改進的氧傳感器的需求是持續的。優選地是這種功能上的改進不需要大大增加生產復雜性和設備成本就能實現。[0011]當然，優選地，為了利于使用，這種經過改進的探測器應當被設計為便攜式的或可佩帶在身的。


圖I是密封圓盤的平面圖；
圖2是示出了圖I所示的密封圓盤的側視圖；
圖2A是圖2所示圓盤邊緣的部分放大圖；
圖2B是圖2所示圓盤中央區域的部分放大圖；和
圖3是示出了根據本發明的一個實施例的氧電解池(oxygen cell)中的部件的分解圖。
具體實施方式
雖然本發明的多個實施例可采取多種不同形式，但是同時其典型實施例闡述在附圖中，并在此進行詳細描述，其理解為，目前公開的被認為是本發明原理的范例，以及實踐本發明的最佳模式，而不是旨在將所示的典型實施例理解為對本發明的限制。
在本申請實施例中，上述關注的問題可得到解決，其方案是通過向電化學傳感器中加入一種物質，該物質能夠維持高離子電導率，同時產生有效阻隔防止內部氧擴散，也能在陽極和陰極之間維持有效的壓力隔障。雖然本申請公開了使用瓊脂為例，但是本領域技術人員明白有許多其他的水溶性聚合物也可以使用。在傳感器內的電解質中，所述材料需要具有足夠的溶解性。選定聚合物應該在電解質環境中基本上是化學惰性的。
瓊脂是滿足這些要求的自然存在的多糖聚合物的一個實例。其它可能的多糖，如藻酸鹽、卡拉膠或黃原膠，被證明也是合適的。同樣的，瓜爾膠或其它工業樹膠，以及基于纖維素的聚合物，如羧甲基、羥乙基、甲基纖維素等。也有大量的合成水溶性聚合物也可能是合適的，公知地且可包含聚乙烯醇(PVA)，聚甲基丙烯酸羥乙基酯(poly (HEMA))，聚丙烯酰胺和多種可替代的丙烯酰胺。預先交聯N-丙烯酰-三(羥甲基)氨基甲烷已被用作膠凝材料來阻止電解質的泄漏，并且不用加入隔膜分離器。
本領域技術人員還能了解，具有上述特征的其它材料也可使用而不受限制。被感測的氣體類型也不受限制。上述聚合物能夠被使用，例如，在氧傳感器中也不受限制。
決定選擇聚合物的一個重要因素是在制造環境可輕易方便地使用。瓊脂特別有吸引力，這是因為它無毒且不需要化學聚合步驟，而這是某些合成聚合物需要的。
本申請的多個實施例包括一種含2%瓊脂凝膠的材料，由膠凝強度為NLT950G/CM2 (I. 5%膠凝NIKAN測試)的瓊脂粉制成。干的瓊脂粉，分子量為(C12H18O9) n，在溫度高于85°C時溶解在電解質中。隨后，熱瓊脂溶液可被用于浸潰傳感器或電解池(cell)中的任何多孔材料。瓊脂將冷卻成膠。此外或者可替換的，不受限制的各種元件，如隔膜或過濾器，可在組裝前被凝膠浸潰，隨后在組裝電解池時合并進去。
隔板可在電解池中生成，以阻止氣體大量流動或氣體(空氣)在電解池與外界之間交換。隔板可包括被支承在帶孔塑料圓盤上的微孔塑料薄膜。
圓盤具有許多功能。首要的功能就是支承薄膜。
可包括由圓盤支承的,任選的,可壓縮性泡沫墊圈,其有兩個作用。其粘性表面確保支承架和薄膜材料之間的氣密性；此外，材料的可壓縮性確保隔板上的任意“死體積”降至最小程度。在隔板上的自由“死體積”的數量與初始熱瞬態的大小有關，所有鉛基氧傳感器都表現出快速的溫度變化。
圓盤可為環形，中間帶有一個孔，使得電解質離子穿過位于電解池上下隔室之間的隔板，從而利于電解池正常運轉。另一種可選方式是，圓盤中單獨的中心孔可被多個更小的孔取代，每個小孔也能讓電解質從電解池的主體部分穿過圓盤到達電極。
薄膜被充分地支承，保證在壓力下不會變形和彎曲，這是因為變形和彎曲也會產生足夠大小的壓力瞬態效應從而引起假警報。微孔薄膜的功能是阻止氣體(通常是氣泡的形式)通過電解池大量運送。
本發明的多個實施例包含微孔塑料薄膜材料。該薄膜材料不會因電解質發生膨脹或變形，也不會因電解質或氧還原的反應產物發生化學降解。薄膜中微孔同樣允許離子穿過薄膜運送，不像某些固態膜只允許水遷移。如圖I所示，采用塑料支承圓盤或平板，被超聲焊接到電解池主體上，使得主體和集電器間形成氣密性，提高了電解池的可靠性和使用壽命。圓盤同樣能阻止薄膜在壓力下彎曲。使用可壓縮性墊圈將電解池的保護蓋或覆蓋物中的“死體積”減至最低，因此減小了初始熱瞬態效應。
圖1，2_2B描述了依照本法的圓盤或隔板12的多個方面。如圖中所示，圓盤12是剛性的，一般為環形件，具有隔開的第一和第二平面12-1，12-2，以邊緣支撐12-3為界。圓盤12有中央開口 12-4。圓盤12承載選定的微孔塑料薄膜16。
圓盤12被超聲焊接到相應氧傳感器的外殼上。本領域技術人員可以理解，圓盤12可被一個或多個從其中穿過的開口交替穿孔。這些開口不必在中央，但其分布可以遍及圓盤。
圖3是實施本發明的典型氧傳感器30的分解圖。電解池30包括中空的圓柱體32，它界定了內部區域34為電解池存放電解質34a。
主體32的頂端36界定了一環形區域，以附圖標號38所示，其能接納和支承多元件分離過濾器10。
如前文中討論的圓盤12，被環形表面38所支承，并且可被超聲焊接到主體32上。
薄膜16覆蓋在圓盤12上。電解池30被保護蓋40關閉，該保護蓋可通過焊接或粘合劑附著在主體32上。保護蓋40可承載工作電極42。主體32可承載內部集電器元件44。
一方面，當瓊脂粉溶解在熱電解質中并且之后注入外殼32時，瓊脂粉能通過圓盤12滲透，并與墊圈14、薄膜16和工作電極42相接觸。當電解質34a的溫度降低時，不論瓊脂膠位于傳感器中何處，均提供內部的氧擴散隔障。可另選的是，諸如元件16，18和46能在組裝前被選定凝膠浸潰，并在電解池組裝時合并進去。
如圖3所示，在本發明的一具體實施例組裝中，多個分離過濾器46中的元件都位于電解池主體模型32頂端36上的中央。
例如圖I所示的塑料圓盤12，隨后被放置在分離過濾器46頂部上的主體模型32的凹形空間38內的中央，確保內部集電器44放置在塑料密封圓盤12和主體模型32之間。圓盤12隨后被超聲焊接到主體模型32上。[0039]微孔薄膜16被設置在圓盤12頂部上的中央。薄膜16的一種示例材料是尼龍。本領域技術人員可以理解，其它微孔材料可不受限制地被用于代替尼龍。
可選的壓縮性泡沫粘性墊圈14也是環形的，具有中心開口 14a，覆蓋并由圓盤12支承。過濾器18填滿墊圈14的開口 14a。在不使用墊圈14的情況下,薄膜16可被直接放置在圓盤12上，并與其接觸。
內部集電器44隨后被折疊覆在薄膜16上。預先組裝的保護蓋模型40和工作電極42隨后被放置在電解池主體組件32上，并超聲焊接在完整的電解池30上。
本申請的多個實施例通過向內部的氧擴散提供一基于凝膠的隔障阻止了氧氣在氧氣電解池內的擴散，同時電極間仍維持了有效的壓力隔障。相應地這就將熱沖擊降到最小程度。類似的結構可以在傳感其它氣體的電解池中使用。此外，通過使用塑料圓盤，如圓盤12作為薄膜16的支架，以及將圓盤焊接到如電解池30的氧電解池中的主體32上，這使得有可能在電解池的上部和下部之間產生氣密性密封，并進一步減少由于兩部分之間的氣體交換引起的熱沖擊效應。
總之，一種提供良好的粘性/流動性/密封性特性的凝膠/電解質組合物能在控制電解池內大量氣體流動方面向電解池設計者提供巨大的有益之處，同時與電化學操作的高離子電導率要求完全相符。
如前文所述，可以發現，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下，可對本發明作出許多變動和變型。然而應該理解本申請中所示的特定裝置沒有相關限制是已知的或應該被預計到的。當然，本申請旨在通過所附權利要求
書涵蓋所有在本權利要求
書范圍內相符的所有變型。
權利要求
1.ー種電化學氣體傳感器，所述電化學氣體傳感器包括 具有內表面的中空外殼，所述外殼承載電解質，所述電解質含有與所述內表面的至少多個部分相接觸的選定凝膠；和 密封件，所述密封件具有至少ー個穿過其中的開口和承載在其中與至少一部分凝膠相接觸的上覆的微孔薄膜。
2.如權利要求
I所述的電化學氣體傳感器，包括傳感電極和對電極，其中，上述電極與至少部分電解質和凝膠相接觸，且其中所述凝膠選自包含至少多糖、エ業樹膠、或基于纖維素的聚合物的組。
3.如權利要求
I所述的電化學氣體傳感器，其中微孔薄膜位于傳感器中對電極和氣體流入ロ之間。
4.如權利要求
3所述的電化學氣體傳感器，包括承載薄膜的可壓縮性墊圈。
5.如權利要求
I所述的電化學氣體傳感器，包括承載薄膜的可壓縮性泡沫粘性墊圈。
6.ー種電化學氣體傳感器，所述電化學氣體傳感器包括中空外殼，所述外殼承載至少一個電極，并且包括向內延伸的，至少部分的，用于密封件、墊圈和薄膜的環形支承表面。
7.如權利要求
6所述的電化學氣體傳感器，其中所述墊圈承載所述薄膜。
8.如權利要求
7所述的電化學傳感器，具有密封件，所述密封件包括附接到中空外殼上的基本上呈平面的結構。
9.如權利要求
6所述的電化學氣體傳感器,其中所述外殼承載呈多層堆疊構型的密封件、墊圈和薄膜。
10.如權利要求
9所述的電化學氣體傳感器，其中所述外殼被帶有氣體流入ロ的蓋子封閉，所述蓋子與所述薄膜鄰近，該密封件與外殼的內部區域和電極鄰近。
11.一種便攜式氧傳感器，所述氧傳感器包括中空外殼；該外殼至少承載傳感電極和對電極；該外殼內與所述電極相接觸的電解質和選定凝膠；所述外殼限定出氣體流入ロ ；以及帶有被電解質和凝膠充滿孔隙的微孔平面薄膜。
12.如權利要求
11所述的氧傳感器，包括承載薄膜的可壓縮性墊圈。
13.如權利要求
12所述的氧傳感器，其中，所述外殼承載用于墊圈的內部支承構件，該支承構件有助于在外殼的流入口和外殼的內部區域之間形成氣密性密封。
14.如權利要求
13所述的氧傳感器，其中所述電解質與支承構件鄰近，并位于外殼的內部區域中。
15.如權利要求
14所述的氧傳感器，其中所述支承構件包括能夠附接所述墊圈的環形塑料元件，其中該環形元件密封能夠被密封到外殼鄰近內部區域的部分上。
專利摘要
本發明涉及一種具有氧擴散內隔障的電化學氧傳感器。一種電化學傳感器包括被支撐在圓盤上并且位于氣體流入口和具有膠凝氧擴散隔障的電解質之間的微孔塑料薄膜。該氧擴散隔障，由凝膠瓊脂形成，通過浸透傳感器中的任意多孔材料將熱沖擊效應降至最小程度。
文檔編號G01N27/407GKCN102818831SQ201210063778
公開日2012年12月12日 申請日期2012年1月27日
發明者J·A·蒂羅特森, I·A·麥萊奧, J·查普爾斯 申請人:生命安全銷售股份公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan