[发明专利]电化学传感器

说明书

相关申请和共同未决申请的交叉引用

本申请可以涉及并通过引用而包含2014年1月20日由Merz等人提交的共同未决的美国专利申请序列号No.14/159036，该申请题为“Electrochemical Sensor Device”。该申请被转让给荷兰埃因霍温的恩智浦有限公司(NXP B.V.)。

技术领域

本说明书通常涉及电化学传感器。

附图说明

图1A和1B示出了第一电化学传感器的一个示例。

图2A和2B示出了第二电化学传感器的一个示例。

图3示出了具有两个中间电极的第二电化学传感器的一个示例。

图4A和4B示出了第三电化学传感器的一个示例。

图5示出了具有附加传感器的第一电化学传感器的一个示例。

图6示出了具有过滤器的第一电化学传感器的一个示例。

图7示出了具有贮液器(reservoir)的第一电化学传感器的一个示例。

图8示出了具有堆叠结构的第一电化学传感器的一个示例。

图9是用于制造电化学传感器的方法的第一示例。

尽管本公开支持多种修改和备选形式，但是附图中示意性地示出了本公开的详情，并将对此进行详细描述。然而，应注意，除了上述具体实施例之外，其它实施例也是有可能的。同样涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同物和备选实施例。

具体实施方式

本文提出了电化学传感器的多个示例实施例。电化学传感器检测目标物质，并响应于此而产生电信号。以下示例实施例针对的是设计用于感测目标气体的电化学传感器，然而所提供的教导同样可应用于感测目标液体、分子、固体、化学元素等。在一个示例实施例中，电化学传感器用于在所居住或公共的建筑物中监测诸如一氧化碳的碳化合物(carbon compound)。

电化学传感器包括电化学单元部分和稳压器电路。电化学单元和稳压器电路通过工作电极、反电极以及参考电极(取决于电化学单元所需的精确度)相耦接。通过电解质(electrolyte)将这些电极耦接在一起。在一个示例实施例中，全部电极+电解质＝电化学单元。

工作电极通过氧化或还原气体并由此产生与气体浓度成正比的电流，来对目标气体进行响应。通过反电极将该电流提供到电化学单元。

针对未偏置的电化学传感器，将工作电极电势保持为与参考电极电势相同的电势，或针对需要偏置的传感器提供偏移电势。

反电极连同工作电极使电路完整，并且如果工作电极进行氧化，则反电极还原化学组分(例如，氧)，或如果工作电极还原目标气体，则反电极氧化化学组分。允许反电极的电势发生浮置，有时反电极的电势由于气体浓度增加而改变。如果包括参考电极，则只要稳压器电路可以提供足够的电压和电流来将工作电极保持在与参考电极相同的电势下，反电极上的电势不再重要。

通过稳压器电路控制反电极，使得工作电极的电势相对于参考电极的电势保持恒定。在两个电极的情况下，控制反电极使得工作电极和反电极之间的电压保持恒定。

电化学单元包括开口，气体分子通过所述开口进入电化学单元并随后扩散到电解质和电极，其中通过施加在电极之间的电压来还原或氧化所述气体。在电化学CO传感器的一个示例实施例的情况下，在电极处发生以下反应：

在感测(工作)电极处：CO+H₂O→CO₂+2H⁺+2e^-

在反电极处：1/2O²+2H⁺+2e^-→H₂O

整体反应为：CO+1/2O₂→CO₂

在电化学单元的一个示例实施例中，控制平衡情况的三个过程为：

在电解质界面处目标化学物质的吸收；

通过扩散传输[CO]和[O₂]；以及

在电极表面处吸收化学分子。

这种化学反应产生电流，所述电流与进入开口的反应气体分子的数目成正比，因此可以计算气体的浓度。稳压器控制反电极，并测量参考电极电势，测量单元的电流并呈现读数。通过向电极扩散CO分子来限制稳压器内的电流。下面是允许根据气体压力估计最大电流的等式：

其中“n”是该反应涉及的电子的个数，F是法拉第常数，A