在可调温度下提供电化学传感器的方法和设备的制作方法

专利名称：在可调温度下提供电化学传感器的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及在较高温度下使用的电化学传感器。
技术背景监测有毒气体是关注关于环境污染、职业病、以及工业排放控制。已 经开发出来已知方法和设备来检测气体的存在。例如，气相色谱分析、离 子色谱分析、电解电导检测、以及电导测量通常用来检测气体。然而，用 于检测气体的这些方法通常费钱、费力，表现出较差的灵敏度和较慢的响 应时间。其还通常无法易于用来在线测量。其它用来监测的方法包括电容 传感器和表面声学波传感器。然而，这些装置的灵敏度和、或检测能力通 常处于低ppm至高ppb的范围。提供电化学传感器来克服这些限制。电化 学传感器通常在室温下工作，提供根据分析样品浓度变化的信号，具有较 短的响应时间，并且表现出令人满意的灵敏度、稳定性和重复性。另外， 电化学传感器节省空间并且可以用于连续监测。电化学气体传感器通常以足够的可靠性和精度来检测气体的存在。然而，若传感器内待测样品气体的湿度与传感器周围大气的湿度不同，其通 常是用来确定测量基线的，传感器的精度会受到折损。湿度的差距越大， 传感器越不易精确地检测气体。另外，升高传感器温度会对精度产生负面影响。在可以是高于室温的 任何温度的较高温度下，传感器相信会由于脱水而失去离子传导性，这种 脱水通常随着时间而恶化并且可以包括电解材料、电解液、或两者的脱水。 没有足够的水合，传感电极上进行的测量的精度会受损。尽管传感器可以 通过补充电解液或溶液来纠正这一问题，但该过程会需要重复非常多次， 由于实验的重复中断和增加了人为干预，这会使问题复杂。
在某些情况下，传感器的温度较低也会对精度产生负面影响。较低的 温度可以使电解质冻结通过阻碍的电解液或电解材料的离子流。结果，传 感器的响应会与室温下读取的传感器响应不一致。发明内容因此，本发明的目的在于提供一种传感器和方法，其提供在一段时间 上的精确和一致的读数，无论环境条件如何。另一目的在于提供一种传感器和方法，其自动调节内部温度，不依赖 于周围条件。再 一 目的在于提供一种传感器和方法，其促进电解材料的水合从而保 持传感器灵敏度。本发明的这些和其它目的通过一种电化学传感器实现，其具有绝缘体， 淀积在绝缘体上的电极，与电极相接触用于提供电连接的电解材料，以及 与绝缘体相接触并与电极隔开用来调节传感器温度的冷却和加热元件。在某些实施例中，绝缘体设置在电极与冷却和加热元件之间。在一实 施例中，绝缘体为基板，且可以包括孔，其中冷却和加热元件设置在孔中。 在某些实施例中，绝缘体包括用于覆盖冷却和加热元件的传感器片。在一实施例中，传感器片或绝缘体的厚度尺寸能够抑制电极与冷却和 力口热元件之间的电连通。传感器可以包括贮液器容纳电解质溶液与电解材料接触用于水合电解 材料。可选地，冷却和加热元件还包括用于接收来自温度控制器的信号的信 号接收器。尽管优选但非必要地，可以设置散热器与冷却和加热元件相连通用于 从冷却和加热元件去除热量。在这些实施例中的一些中，排气口与散热器 连通用于排除热量。在实施例中，提供导体用于从冷却和加热元件散发能曰里。在一实施例中，电解材料包括从电解材料的第一表面向第二表面延伸 的开口。在此实施例的某些变化中，开口接近电极使得开口中的气体同时 接触电极和电解材料。在 一 实施例中，绝缘体还包括至少 一个从绝缘体的第 一表面向第二表
面延伸的孔，用于允许湿气经至少一个孔扩散从而接触电解材料。在此实 施例的某些变化中，贮液器位于绝缘体与电解材料相对一侧。
在一实施例中，电解材料与绝缘体分开且电极设置在绝缘体与电解材 料之间并与两者都接触。在某些变化中，绝缘体包括缺口，用于限定用来 使气体同时接触缺口、电极、以及电解材料的通道。
在另一方面，该电化学传感器包括具有第一表面和第二表面的绝缘体， 淀积在第一表面上的电极，与电极接触用于提供电连接的电解材料，设置 在绝缘体的第二表面一侧用于调节传感器温度的冷却和加热元件，处于冷 却和加热元件与第二表面之间用于从冷却和加热元件散发能量的导体，以 及其中冷却和加热元件有利于电解材料的水合并调节传感器温度。
在本发明的另一方面中， 一种用于提供电化学传感器的方法，包括提 供绝缘体，在绝缘体上淀积电极，设置电解材料与电极相接触用来提供电 连接，设置冷却和加热元件与绝缘体接触并与电极分开，以及利用冷却和 加热元件调节传感器的温度。
在某些实施例中，该方法还包括在位于绝缘体中的孔中设置冷却和加 热元件。在实施例中，该方法还包括设置与冷却和加热元件连通用于从传 感器去除热量的散热器。


图l示出了根据本发明一个实施例的用于电化学传感器的设备；
图2示出了根据图1的传感器的组装图3示出了根据图1的传感器的截面图4示出了根据图1的传感器一段时间上响应读数的稳定性；
图5示出了根据图1的传感器对各个区域一段时间上响应读数的稳定
性；
图6示出了用来提供根据图1的传感器的方法； 图7示出了根据图1的传感器的另一实施例； 图8更加显著地示出了图7所示的电极； 图9示出了根据图1的传感器的另一实施例； 图IO示出了根据图l的传感器的另一实施例； 图ll示出了根据图l的传感器的另一实施例；
图12示出了根据图1的传感器的另一实施例；以及 图13示出了根据图l的传感器的另一实施例。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明一个实施例的感应设备8。如图所示，传感器 10用来分析气体样品从而检测样品内的选定气体成分。反应器14用来加热 可以加入传感器10内的样品气体的反应物，传感器10内加热的反应物会 增强样品气体内成分的检测。贮液器6容纳了诸如电解液的溶液，从而水 合传感器内的电解材料，经常需要水合来增强气体成分的精确检测。电解 液通过供给管7供至贮液器6。
如图所示，反应器14紧密靠近传感器10,这通常是因为实际出发要求 传感器10靠近反应器14设置。反应器14如此靠近的缺点在于反应器14 会增加传感器10的温度。
参照图1和2，通风口 16紧密靠近或接触传感器IO，用来从传感器10, 特别是散热器18排出热量。通风口 16可以选择性地包括风扇12或吹风机， 用来加强从散热器18通过对流排除热量。风扇12使气流通过散热器18并 从通风口 16出去进入到大气中。
另外，如图2所示，元件22设置在通常切入到传感器IO机壳50内的 孔48内。用于机壳50的材料通常与用于基板52或绝缘体20的材料相同。 如图所示，元件22包括电引线54A、 54B,使得可以向元件22提供电能。 紧固件56用于将散热器18、元件22、以及导体34固定于传感器10的机 壳50。
更加特别地如图3所示，传感器10包括绝缘体20、淀积在绝缘体20 上的电极24、与电极24相接触的电解材料26 (注意图3中不包括"24") 用来提供从电极24到参考电极28和/或相反电极32的电性连接、以及用来 帮助维持传感器10内温度的冷却和加热元件22。由此，采用了导体34和 散热器18,尽管可以理解元件22可以适当工作而不用导体34和散热器18。 导体34和散热器18的功能在于加强散热或冷却的功效。
例如，在反应器14发出热量并使得传感器10的温度升高时，元件22 通过从传感器10的内部42 (注意图3中不包括"42")取走热量来作为 冷却元件工作。来自内部42的热量将传输至导体34，其随后传输热量至散
热器18。散热器18、以及散热器18的散热片19将热量散至通风口 16中。 如图所示，冷却和加热元件22为珀耳帖冷却器/加热器。在另一实施例 中，可以使用能够冷却或加热传感器的另一种装置。在实施例中，元件22 额外地和/或可选地作为了冷却装置。通过引入冷却和加热元件22,传感器 10的内部温度可以保持在期望的范围，例如在所示实施例中，为20至25。C 的范围，无论来自反应器14的热辐射和周围环境条件如何，这在所示实施 例中会是30。C以上。
尽管用户可以经供给线路7用电解液填充贮液器7从而水合传感器8， 此程序却无需按照没有元件22的频率来重复。该重复会中断实-睑，由于中 断导致不精确读数。另外，这种频繁的补充会模拟来来回回的脱水和水合 循环，并且不会如在传感器10种设置元件22那样有效地有助于保持一致 的温度。另外，重复对传感器脱水会对传感器导致损伤，无论传感器是否 接着水合了。
没有元件22调节传感器10的温度，实验数据表示的传感器的响应会 以每1。C温度改变接近5至10%的变化。温度改变越大，传感器变化越大， 由此误差越大。在传感器10中，并且更加具体地在电极/电解材料界面23 处或附近设置元件22，使得内部温度可以固定在大致一致的温度会降低传 感器和/或测量误差。尽管响应读数可以在传感器10内温度处于近似10至 35。C范围内时取得，内部温度在近似15至30°C范围内时的响应读数在所 示实施例中是更加优选的。
由此元件22在传感器IO温度升高时启动，热电偶43可以设置在传感 器10内的多个位置，在所示实施例中，位于界面23附近。在某些实施例 中，温度控制器52连接于热电偶43从而读取和/或显示热电偶43的温度。 温度控制器52还与元件22连通，用来控制或指示元件22基于热电偶43 的读数为传感器10提供冷却或加热。在某些实施例中，温度控制器52为 自动恒温器、计算机、处理器、或者其它用来使得元件22能够有助于自动 地且不再需要用户介入地保持传感器10内的温度大致一致的装置。如图所 示，位于元件22上的信号接收器54可以从温度控制器52接收信号，诸如 电信号。信号接收器54具有与温度控制器52相同的部件，包括引线54A 和54B。
当环境温度、或者传感器10外的温度升高到30。C以上或下降到15。C以下时，内部温度分别开始升高或降低。在反应器14在紧靠近传感器10
使用时，并且在反应器14的正常工作温度通常在近似800至1200。C的范 围内时，传感器10可以由于来自反应器14的辐射或对流而受到不利地加 热。反应器14产生的影响增加了或取代了由于环境条件产生的影响。如上 所述，该些影响确信会产生脱水，其导致传感器信号的劣化和降低响应稳 定性。元件22可以由此有助于保持内部温度在近似15至30。C的范围而无 论环境条件如何。
图4示出了使用具有元件22的传感器一段时间用于氦中包括300 ppb DMS(二曱基硫)的样品气体的实验的信号稳定性。该实验还使用了 0.32 mm IDRTX-1柱在气相色谱法中用于样品分离和反应器用于转化DMS到H2S。 溫度近似为室温。
如图所示，在17小时中，信号的相对标准偏差(RSD)为约1.1%，其 与没有元件22情况下获得的信号的RSD相比较低。实际上，所示的稳定性 低于没有元件22的相同实验的约4至10倍。因此，室温下，在传感器单 元具有元件22时，传感器响应更加稳定。
图5示出了在环境温度从近似18至26。C改变的实验期间具有和没有 元件22的传感器读数之间的比较。线A示出了包围传感器IO的大气、或 者环境的温度。如图所示， 一段时间上线A的稳定性根据温度变化。换句 话说，稳定性依赖于环境条件。
线B表示出没有分析物测量的情况下传感器10的基线。线C表示出位 于传感器10内的热电偶温度。线D表示出分析物在传感器10内时的传感 器信号。
如图所示，元件22降低了传感器响应和基线对环境温度的依赖。传感 器信号和基线每。C分别变化(线B至D)约1.5%和lmV。与没有元件22 的系统(线A)相比，响应和基线变化分别降低了近似3至5和5至20倍。
如图3所示，冷却和加热元件22设置在传感器10内从而有助于保持 传感器10内一致的期望温度，并且由此有助于保持电解材料26的水合。 元件22显示为与电极24分开设置，使得元件22与电极24之间的电导性 降低。为进一步降低元件22与电极24之间会使传感器10内的短路或妨碍 传感器IO精确读数的电导性，在电极24与元件22之间设置绝缘体20。在 其它实施例中，元件22设置在电极24上方，从而容纳在机壳(见图3、 7、
10、 12和13 )的顶部51内。
如图3所示，在基板52或机壳50内切出孔48,孔48并未完全穿透基 板52使得在元件22与电极24之间有绝缘间隔。在孔48完全穿透基板52 的情况下，基板片或绝缘体20会插入到孔48中并且电极24可以淀积在片 20上。可以理解，绝缘体20可以是电极24与元件22之间多种绝缘材料中 的一种或多种，包括传感器片、基板52、机壳50等。
如图所示，导体34与绝缘体20相接触以从绝缘体20和间4妄地从传感 器10的诸如电极24、电解材料26、以及内部间隔42的其它部件传输热量。 热量从导体34传输到元件22并且到散热器18，在那里其排出到通风口 16。
尽管使用元件22通过冷却传感器10来抵消来自反应器14的加热影响， 可以理解，在传感器10经历会导致传感器10的温度低于期望的情况下， 元件22能够加热传感器10。元件22在这种情况下为传感器IO提供热量从 而有助于保持一致的温度。
在这种情况，元件22的能量传播方向相反。换句话说，热量从元件22 的底面56向顶面44传播。能量或热量到达顶面44后，其传输至导体34， 在此散发到传感器10中。
图6示出了根据本发明的一个实施例用于提供传感器10的方法82。方 法82包括以下步骤，84设置绝缘体，86在绝缘体上淀积电极，88设置电 解材料与绝缘体接触，94设置冷却和加热元件与绝缘体接触，96利用冷却 和加热元件调整传感器的温度，以及98通过调整传感器温度促进电解材料 水合。
可选地，方法82还可以包括92在绝缘体中设置孔，用来在孔中放置 冷却和加热元件。方法82还可以包括93设置散热器与冷却和加热元件相 连通从而排除热量。
图7示出了根据本发明的电化学气体传感器100的另一实施例。电化 学气体传感器100包括两个传感器，参考传感器150和活性传感器160，其 每一个具有相同构造并且具有彼此相同的特征，除了传感电极上电解材料 152和162的厚度差别。参考和活性传感器两者均包括机壳、基板、其上用 来淀积电极的基板表面、用来在电极之间载运离子的电解材料、第一电极、 以及第二电极。电化学气体传感器100工作从而检测特定气体的存在同时 通过润湿电解材料来补偿相对湿度从而降低对湿度的依赖性。传感器100
还在不直接对相对湿度进行测量的情况下对其进行了补偿。
传感器100通过获取参考传感器150的第一与第二电极120与122之 间电流测量与活性传感器160的第一与第二电极170与172之间电流测量 的差距来检测未知气体的混合物中的期望气体的存在。电流测量指示了气 体存在的浓度。电解材料130与每个传感器的第一和第二电极都接触，并 且作为导体介质从第一电极向第二电极，或反之载运离子。贮液器180容
纳用来润湿电解材料130的溶液184。
如图7所示，第一电极120为反电极，第二电极122为感应和工作电 极。然而，第一和第二电极120和122可以互换，第二电极122可以是反 电极而第一电极120可以是传感电极。相同情况对活性传感器160的第一 和第二电极170和172也是。
第一电极120和第二电极122可以包括适于导电的导体材料。通常， 可以使用诸如铂的金属，而其它允许在电极之间进行电流测量的材料也可 以。电极使用薄膜技术淀积，包括在表面114上旋/溅射涂膜或蒸发电极。 除了旋/賊射涂膜，电极还可以使用光刻淀积。
另外，参考传感器150和活性传感器160每个都可以包括淀积在表面 114上的第三电极124、 174。参考传感器150上的第三电极124和活性传 感器160上的第三电极174对于电化学气体传感器100的功能是不必要的， 但会改善灵敏度、准确度、选择性、和/或重复性。第三电极124和174起 到参考电极的作用，其为设置传感电极电势提供了稳定的参考电势，在该 电势下反电极与传感电极之间的电流在较高的再现性和稳定性下得到测 量。第三电极、或参考电极包括第一和第二电极的所有特征，并且还可以 与其中的任何一个互换。然而，对于图7的目的，第三电极124和174示 为参考电极。
如图8所示，电解材料130还包括导体介质的薄膜162与活性传感器 160的传感电极相接触，以及导电介质的薄层152与参考传感器50的传感 电极相接触。薄膜162和薄层152可以改善灵敏度，因为其增加了气体、 电解材料130、以及电极之间的接触面积。另外，因为薄膜162和薄层152 具有比电解材料130更小的厚度，提高了响应时间和气体扩散。薄膜162 和薄层152由与电解材料130或任何离子导电材料相同的材料制成。
在测量气体的湿度与围绕传感器100的大气的湿度不同的情况，电流 测量会提供对气体浓度不准确的指示，因为湿度影响电流测量。另外，因 为湿度无法由传感器100控制，传感器100在不直接测量湿度的情况下对 相对湿度进行了补偿。因此，因为未测量湿度，在补偿相对湿度时，传感
器IOO可以降低不确定性或误差。
传感器100在不直接测量湿度的情况下通过使参照传感器150传感电 极122上的电解材料薄层152的厚度与活性传感器160传感电极172上的 电解材料130的膜162不同对相对湿度进行了补偿。这在图8中更加特别 地示出。因为气体通过电解材料130扩散，并且更加特别地是通过层152 和膜162，以便得到检测，改变电解材料130的厚度影响传感器100的响应 信号大小。根据这个概念，所示实施例利用了对响应信号大小的影响，从 而为补偿相对湿度提供检测气体的数学定式。另外，数学定式期望与相对 湿度的测量无关。使用二硫化氢作为待测气体样品并且层152比膜162厚 10倍，数学定式如下
传感器1 (薄Nafion涂层) 100% H2S + RH, - RH2
传感器2 (厚10倍的Nafion涂层) 10% H2S + RH, - RH2
测量差(传感器1 -传感器2 ): 90% H2S
RH,为样品气体的相对湿度，RH2为周围空气或用作基线测量的气体的 相对湿度。因为没有测量湿度，本发明由此降低了与湿度测量相关的误差。 如图7所示，层152为近似2.5至130微米厚。IO倍厚的膜162近似为0.25 至3微米之间厚。
只要层152与膜162的厚度不同，传感器100就能检测气体的存在同 时补偿相对湿度。优选地，但对于传感器100的正确功能非必要的，层152 至少比膜162厚10倍。在另一实施例中，层152比膜162厚10倍。由此， 层152近似10至60微米之间厚，而膜近似0.5至3微米之间厚。由此数学 定式如下
传感器1 (薄Nafion涂层) 100% H2S + RH, - RH2
传感器2 (厚20倍的Nafion涂层) 5% H2S + RH, - RH2
测量差(传感器1 -传感器2): 95%H2S
在一个实施例中，层152比膜162厚几个量级，而数学公式将相应改 变。原因在于层152与膜162之间厚度的变化提供了通过电解材料130的 气体扩散的对应差别。这是期望的，因为层152与膜162之间的厚度差距
增大，活性传感器与参考传感器读数之间的测量差距接近100%。由于读数
差距接近100%,传感器100变得更加精确，同时对相对湿度进行了补偿， 并且标准偏差和/或读数误差变低。因此，尽管层152与膜162的厚度优选 差距为层152至少厚10倍，任何厚度差距都可满足要求。越低的厚度差距， 标准偏差和/或误差就越大。
图9示出了传感器200的另一个实施例，其包括槽口 220。槽口 220 为缺口、沟道、凹槽、或者基板212或者，更加特别地表面214中的蚀刻， 用来限定用于接收气体的通道。如图9所示，缺口 220为沟道，其中在从 气体源或泵接收到以后，电化学气体传感器200内的气体传输到三通接口 224。缺口 220可以使用一种或多种已知或新型的方法或设备形成或制成， 诸如机械加工、研磨、蚀刻、激光切割等。
每个缺口还包括电解材料230、以及导体材料膜240。如图所示，膜240 用于连接缺口 ，由此允许电性测量存在于每个槽口中的气体的量。
图10示出了本发明的另一实施例。电化学气体发生器310包括机壳 311、基板312、基板312的表面314、电解质330、第一电极342、以及第 二电极344。电化学气体发生器310工作从而产生已知浓度的期望气体。
基板312包括用于形成支撑面314的已知或新型材料，其上设置电极。 基板具有基本，尽管不必要，平坦的表面，使得交叉梳状电极40的期望薄 的膜可以自由淀积在其上而不会出现不必要的孔或裂缝，由此导致毛细或 多孔性，这两者都会对发生器的灵敏度都产生不利影响。适合的基板材料 包括玻璃或任何非导电性材料。基板312和表面314应由相对低电导性材 料制成从而不干扰电化学气体发生器310的正常功能。该材料可以分类成 绝缘材料。
电解材料330包括导体介质的薄膜用作载运第一与第二电极322与324 之间的离子流或电流的电解质。电解材料330还包括固态的离子或电导介 质，诸如Nafion。
溶液384用于通过润湿电解材料330来改善发生器的效率。溶液384 包括电解质、水、或者酸性溶液。溶液384容纳在发生器310内的贮液器 380中。然而，期望用来向电解材料注水所需的受控的润湿使电极受淹。受 溶液340淹的电极对传感器响应时间和精度产生负面影响。
图11中，薄膜型传感器元件组件401包括三相接触区域402，用于传
感电极403，气体样品、传感电极403、以及固体离子膜405可以作为传感 器设计的主要部分连接。三相接触区域402由传感电极403上方固体离子 膜405中的圓形开口 406形成，直径约l.Omm。传感器响应时间基于固体 离子膜405，该层简单地作为膜型传感电极403、参考电极407、以及反电 极408之间的质子传导元件。信号响应还受到了特定离子膜处理过程的影 响，其作为"催化活性"膜。在此过程期间，铂嵌在固体离子膜405内。 该响应是由于铂，Pt,结合在膜405内对三相接触区402中的信号发生起到 帮助。细微分散的铂在膜405内部和表面上固定，并且不影响膜405的离 子传导性或水容量。另外，膜405内细微扩散的催化剂与渗透的气体催化 反应，并且降低了反应气体到达参考电极407的可能，并扰动其Pt/空气(02) 静止电势。
图11示意图中所示的膜型传感器单元组件包括储水器409用来保持固 体离子膜405的水合。储水器409利用盖帽423密封。在湿润的空气中使 用装置时，可以不需要储水器409并且将是传感器机壳设计410明显简化， 同时装置可以在湿润的条件下封装，便于使用。
图12示出了根据本发明的电化学气体传感器510。电化学气体传感器 510包括基板512、基板512的表面514、第一电极520、第二电极522、以 及具有预定多孔的电解质。电化学气体传感器510还可以包括第三电极524。
电解支撑层包括导电介质534的薄膜，用来载运第一与第二电极520 与522之间的离子流或电流。导电介质534还载运如果应用的第三电极524 与第 一或第二电极之间的离子流或电流。所示电解支撑层还包括由斜角淀 积("GLAD")工艺形成的多个柱532。使用GLAD工艺形成的电解支撑层 产生了具有预定多孔和孔尺寸的薄膜。另外，多孔并在多个柱之间具有间 隔的电解支撑层作为用来固定导电介质534的机构，诸如电解质。使用 GLAD工艺形成的电解支撑层具有范围5%至50%的多孔性和范围0.01至1 微米的孔尺寸。因为增加的多孔性和孔尺寸对于固定电解质534是期望的， 电解支撑层可以具有范围5%至80%的多空性和范围2微米的孔尺寸。
电解质534可以固定在柱之间，并且在电解支撑层的孔内。因此，利 用GLAD工艺形成的电解支撑层有利于允许电解支撑层的总厚度成为薄 膜，通常小于5微米厚，或者优选，小于2微米厚。电解质534由于由多 个柱532固定而将不会扩散并且跑掉。电解支撑层还可以包括第一电极、
第二电极、第三电极、及其组合上的薄涂层536或膜。因为电解支撑层如 愿的较薄并且电极522淀积在电解支撑层顶上，气体通过其扩散的时间缩 短，由此使得电化学气体传感器510具有较快的响应时间和次ppb浓度范 围的灵敏度，传统传感器通常具有高ppb至ppm范围的检测能力。
图13示出了根据本发明的电化学气体传感器630。传感器630包括基 板632、离子膜634、以及设置在机壳648内的电极638。气体通过入口 642 进入传感器630，通过扩散孔644扩散到接触电极638后受到检测，接触电 极与离子膜634相接触。气体通过通风口 646离开传感器630，可以理解， 气体可以沿相反方向流动，通风口 646为入口，入口 642为通风口。
图13的传感器630通过经过基板632中的孔636润湿离子膜634克服 这一缺点，容液652位于基才反632与电才及638相反的一侧。因为贮液器656 的位置，长度L，可以缩短，由此降低了气体扩散时间并且改善了传感器630 的灵敏度。长度L，缩短的越多，传感器630的响应时间越快。在某些实施 例中，长度L，小于1.4mm。在其他实施例中，长度L，小于0.1mm。在又一 实施例中，长度L，小于0.5mm。在再一实施例中，长度L，小于0.1mm。实 际上，长度L，或离子膜634的厚度可以减小直到其与电极638表面相平或 者低于其。在某些实施例中，消除了扩散孔644，因为长度L，与电极638 的表面相平或低于其。所有所需的是为了使任意长度L，的离子膜634与电 极638接触，使得经过入口 642进入的气体提供期望的气体/离子膜/电极界 面。
为进一步提高灵敏度，减小基板632的厚度从而改善通过溶液652的 润湿。基板632为非导电材料，用于提供一表面，电极638设置于其上。 可选地，基板632为具有绝缘、或非导电性质的薄箔，诸如Kapton或任何 其它材料。箔并非金属或导电性的。箔与陶瓷或玻璃相比还可以是弹性的。 箔或基板632的厚度通常小于约4千分之一英寸，并且优选小于约1千分 之一寸。基板632约薄，离子膜634润湿的越快，这会对传感器响应时间 产生有利影响。由此，随着基板632厚度接近0千分之一寸，响应时间进 一步降低。
可选地，在某些实施例中，传感器630可以包4舌毛细材料654从而^更 于或加强离子膜634通过溶液652的润湿。毛细材^H" 654通常为吸收液体 的材料，诸如海绵体。因此，如图13所示，毛细材料654将向上从贮液器 656朝向离子膜634吸取溶液652。
可以理解，传感器IO可以用于检测气体和液体样品。尽管本发明已经 参照特定部分、部件等的设置介绍本发明，这些不应排除所有可能的设置 或部件，并且实际上，本领域技术人员将可以知道多种其它调整和改变。
权利要求
1.一种电化学传感器，包括绝缘体；淀积在所述绝缘体上的电极；与所述电极相接触用于提供电连接的电解材料；以及与所述绝缘体相接触并与所述电极隔开用来调节传感器温度的冷却和加热元件。
2. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述绝缘体设置在所述电极与 所述冷却和加热元件之间。
3. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述绝缘体为基板。
4. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述绝缘体包括孔且所述冷却 和加热元件设置在所述孔中。
5. 根据权利要求4所述的传感器，其中所述绝缘体包括用于覆盖所述 冷却和加热元件的传感器片。
6. 根据权利要求5所述的传感器，其中所述传感器片的厚度尺寸能够 抑制所述电极与所述冷却和加热元件之间的电连通。
7. 根据权利要求1所述的传感器，还包括贮液器容纳电解质溶液与所 述电解材料接触用于水合所述电解材料。
8. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述冷却和加热元件还包括用 于接收来自温度控制器的信号的信号接收器。
9. 根据权利要求1所述的传感器，还包括与所述冷却和加热元件相连 通用于从所述冷却和加热元件去除热量的散热器。
10. 根据权利要求9所述的传感器，还包括与所述散热器连通用于排除 热量的排气口。
11. 根据权利要求1所述的传感器，还包括用于从所述冷却和加热元件 散发能量的导体。
12. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述电解材料包括从所述电解 材料的第 一表面向第二表面延伸的开口 。
13. 根据权利要求12所述的传感器，其中所述开口接近所述电极使得 所述开口中的气体同时接触所述电极和所述电解材料。
14. 根据权利要求12所述的传感器，其中所述绝缘体还包括至少一个从所述绝缘体的第一表面向第二表面延伸的孔，用于允许湿气经所述至少 一个孔扩散从而接触所述电解材料。
15. 根据权利要求14所述的传感器，还包括位于所述绝缘体与所述电 解材料相对一侧的贮液器。
16. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述电解材料从所述绝缘体分 开且所述电极设置在所述绝缘体与所述电解材料之间并于两者都接触。
17. 根据权利要求16所述的传感器，其中所述绝缘体包括缺口，用于 限定用来使气体同时接触所述缺口、所述电极、以及所述电解材料的通道。
18. —种电化学传感器，包括 具有第一表面和第二表面的绝缘体；淀积在所述绝缘体的所述第 一 表面上的电极； 与所述电极接触用于提供电连接的电解材料；设置在所述绝缘体的所述第二表面一侧用于调节传感器温度的冷却和 力口热元件；位于所述冷却和加热元件与所述第二表面之间用于乂人所述冷却和加热 元件散发能量的导体；以及其中所述冷却和加热元件有利于所述电解材料的水合并通过调节传感器温度提高所述电极的灵敏度。
19. 一种用于提供电化学传感器的方法，包括步骤 提供绝缘体；在绝缘体上淀积电极；设置电解材料与电极相接触用来提供电连接； 设置冷却和加热元件与绝缘体接触并与电极分开；以及 利用冷却和加热元件调节传感器的温度。
20. 根据权利要求19所述的方法，还包括在位于绝缘体中的孔中设置 冷却和加热元件的步骤。
21. 根据权利要求19所述的方法，还包括设置与冷却和加热元件连通 用于从传感器去除热量的散热器的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种电化学传感器和用来提供传感器的方法，该传感器具有绝缘体，淀积在绝缘体上的电极，与电极相接触用于提供电连接的电解材料，以及与绝缘体相接触并与电极隔开用来调节传感器温度的冷却和加热元件。
文档编号G01N27/403GK101156063SQ200680011872
公开日2008年4月2日 申请日期2006年2月15日 优先权日2005年2月15日
发明者唐纳德·L·格罗希纳, 约翰·T·麦卡弗雷, 迈克尔·J·拉法, 阿维纳什·达尔米娅, 马里奥·卡罗扎 申请人:珀金埃尔默Las公司