電化學(xué)傳感器的制造方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)和共同未決申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)可W設(shè)及并通過引用而包含2014年1月20日由Merz等人提交的共同未 決的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)No. 14/159036,該申請(qǐng)題為"Electrochemical Sensor Device"。 該申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給荷蘭埃因霍溫的恩智浦有限公司（NXPB.V.)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本說明書通常設(shè)及電化學(xué)傳感器。
【附圖說明】
[0004] 圖1A和1B示出了第一電化學(xué)傳感器的一個(gè)示例。
[0005] 圖2A和2B示出了第二電化學(xué)傳感器的一個(gè)示例。
[0006] 圖3示出了具有兩個(gè)中間電極的第二電化學(xué)傳感器的一個(gè)示例。
[0007] 圖4A和4B示出了第S電化學(xué)傳感器的一個(gè)示例。
[000引圖5示出了具有附加傳感器的第一電化學(xué)傳感器的一個(gè)示例。
[0009] 圖6示出了具有過濾器的第一電化學(xué)傳感器的一個(gè)示例。
[0010] 圖7示出了具有貶液器（reservoir)的第一電化學(xué)傳感器的一個(gè)示例。
[0011] 圖8示出了具有堆疊結(jié)構(gòu)的第一電化學(xué)傳感器的一個(gè)示例。
[0012] 圖9是用于制造電化學(xué)傳感器的方法的第一示例。
[0013] 盡管本公開支持多種修改和備選形式，但是附圖中示意性地示出了本公開的詳 情，并將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)注意，除了上述具體實(shí)施例之外，其它實(shí)施例也是有可 能的。同樣涵蓋落入所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和備選實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本文提出了電化學(xué)傳感器的多個(gè)示例實(shí)施例。電化學(xué)傳感器檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)，并 響應(yīng)于此而產(chǎn)生電信號(hào)。W下示例實(shí)施例針對(duì)的是設(shè)計(jì)用于感測(cè)目標(biāo)氣體的電化學(xué)傳感 器，然而所提供的教導(dǎo)同樣可應(yīng)用于感測(cè)目標(biāo)液體、分子、固體、化學(xué)元素等。在一個(gè)示例 實(shí)施例中，電化學(xué)傳感器用于在所居住或公共的建筑物中監(jiān)測(cè)諸如一氧化碳的碳化合物 (carbon compound)。
[0015] 電化學(xué)傳感器包括電化學(xué)單元部分和穩(wěn)壓器電路。電化學(xué)單元和穩(wěn)壓器電路通過 工作電極、反電極W及參考電極（取決于電化學(xué)單元所需的精確度）相禪接。通過電解質(zhì) (electrolyte)將該些電極禪接在一起。在一個(gè)示例實(shí)施例中，全部電極+電解質(zhì)=電化學(xué) 單元。
[0016] 工作電極通過氧化或還原氣體并由此產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電流，來對(duì)目標(biāo)氣 體進(jìn)行響應(yīng)。通過反電極將該電流提供到電化學(xué)單元。
[0017] 針對(duì)未偏置的電化學(xué)傳感器，將工作電極電勢(shì)保持為與參考電極電勢(shì)相同的電 勢(shì)，或針對(duì)需要偏置的傳感器提供偏移電勢(shì)。
[0018] 反電極連同工作電極使電路完整，并且如果工作電極進(jìn)行氧化，則反電極還原化 學(xué)組分（例如，氧），或如果工作電極還原目標(biāo)氣體，則反電極氧化化學(xué)組分。允許反電極的 電勢(shì)發(fā)生浮置，有時(shí)反電極的電勢(shì)由于氣體濃度增加而改變。如果包括參考電極，則只要穩(wěn) 壓器電路可W提供足夠的電壓和電流來將工作電極保持在與參考電極相同的電勢(shì)下，反電 極上的電勢(shì)不再重要。
[0019] 通過穩(wěn)壓器電路控制反電極，使得工作電極的電勢(shì)相對(duì)于參考電極的電勢(shì)保持恒 定。在兩個(gè)電極的情況下，控制反電極使得工作電極和反電極之間的電壓保持恒定。
[0020] 電化學(xué)單元包括開口，氣體分子通過所述開口進(jìn)入電化學(xué)單元并隨后擴(kuò)散到電解 質(zhì)和電極，其中通過施加在電極之間的電壓來還原或氧化所述氣體。在電化學(xué)CO傳感器的 一個(gè)示例實(shí)施例的情況下，在電極處發(fā)生W下反應(yīng)：
[0021] 在感測(cè)（工作）電極處；〇)+&0 -C〇2+2H++2e-
[0022] 在反電極處；1/2妒巧H++2e--H2〇
[0023] 整體反應(yīng)為；C0+1/202 -CO2
[0024] 在電化學(xué)單元的一個(gè)示例實(shí)施例中，控制平衡情況的S個(gè)過程為：
[0025] 在電解質(zhì)界面處目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的吸收；
[0026] 通過擴(kuò)散傳輸[CO]和[02]擬及
[0027] 在電極表面處吸收化學(xué)分子。
[002引該種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，所述電流與進(jìn)入開口的反應(yīng)氣體分子的數(shù)目成正比，因 此可W計(jì)算氣體的濃度。穩(wěn)壓器控制反電極，并測(cè)量參考電極電勢(shì)，測(cè)量單元的電流并呈現(xiàn) 讀數(shù)。通過向電極擴(kuò)散CO分子來限制穩(wěn)壓器內(nèi)的電流。下面是允許根據(jù)氣體壓力估計(jì)最 大電流的等式：
[0029]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于感測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的電化學(xué)傳感器，包括： 電解質(zhì)基體，其中所述基體貯藏電解質(zhì)； 工作電極，在第一位置處耦接至電解質(zhì)基體； 反電極，在第二位置處耦接至電解質(zhì)基體； 電子電路，耦接至工作電極和反電極，并且能夠響應(yīng)于在工作電極和反電極之間響應(yīng) 于目標(biāo)物質(zhì)的存在而流動(dòng)的電流產(chǎn)生輸出信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述電介質(zhì)基體是由固態(tài)電解質(zhì)和全氟磺酸構(gòu) 成的組中之一。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中： 所述電解質(zhì)基體是浸漬有液體電解質(zhì)的多孔層；以及 所述多孔層包括由以下物質(zhì)構(gòu)成的組中的至少之一：多孔無機(jī)材料、二氧化硅、氧化 鋁、多孔有機(jī)材料、聚合物、具有孔洞的非多孔無機(jī)材料、纖維襯底以及玻璃纖維網(wǎng)絡(luò)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述電解質(zhì)基體保持電極與電解質(zhì)相接觸，而 無論電化學(xué)傳感器的物理朝向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述電子電路包括穩(wěn)壓器，所述穩(wěn)壓器耦接至 工作電極和反電極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述工作電極位于目標(biāo)物質(zhì)和電解質(zhì)基體的第 一側(cè)之間，以及所述反電極位于基底和與電解質(zhì)基體的與第一側(cè)相對(duì)的一側(cè)之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述工作電極和反電極位于目標(biāo)物質(zhì)和電解質(zhì) 基體的第一側(cè)之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述目標(biāo)物質(zhì)在接觸反電極之前接觸工作電 極。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述目標(biāo)物質(zhì)是由以下物質(zhì)構(gòu)成的組中的至少 之一：氣體、液體、固體、分子、化學(xué)元素和碳化合物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述襯底包括由以下物質(zhì)構(gòu)成的組中的至少 之一：硅、二氧化硅、氮化物層、玻璃、聚合物、防水化合物、耐化學(xué)化合物。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器， 還包括包含電解質(zhì)基體的電化學(xué)單元； 其中所述電子電路包括穩(wěn)壓器； 其中所述電化學(xué)單元和穩(wěn)壓器共同集成在襯底中；以及 其中所述襯底位于穩(wěn)壓器的第一側(cè)上，而所述電化學(xué)單元位于與穩(wěn)壓器電路的第一側(cè) 相對(duì)的一側(cè)上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括： 電化學(xué)單元，包括電解質(zhì)基體； 封裝，密封電子電路并具有開口； 其中所述開口位于電化學(xué)單元上方；以及 其中所述封裝包括第二開口，位于電子電路內(nèi)的環(huán)境傳感器上方。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括過濾器，所述過濾器鄰近所述開口并阻擋一 個(gè)或更多個(gè)非目標(biāo)物質(zhì)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括電解質(zhì)儲(chǔ)液器，所述電解質(zhì)儲(chǔ)液器鄰近所述 電解質(zhì)基體并向電解質(zhì)基體中補(bǔ)充電解質(zhì)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中使用CMOS工藝來制造所述電化學(xué)單元和穩(wěn)壓 器。
16. -種用于感測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的電化學(xué)傳感器，包括： 第一和第二電解質(zhì)基體，所述第一和第二電解質(zhì)基體具有多孔結(jié)構(gòu)，其中所述多孔結(jié) 構(gòu)貯藏電解質(zhì)； 中間電極，耦接在第一和第二電解質(zhì)基體之間； 底部電極，耦接至第一電解質(zhì)基體的與中間電極相對(duì)的一側(cè)； 頂部電極，耦接至第二電解質(zhì)基體的與中間電極相對(duì)的一側(cè)； 電子電路，耦接至頂部電極、中間電極和底部電極，并且能夠響應(yīng)于在任意兩個(gè)電極之 間響應(yīng)于目標(biāo)物質(zhì)的存在而流動(dòng)的電流產(chǎn)生輸出信號(hào)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器， 其中所述頂部電極是工作電極，所述中間電極是反電極，以及所述底部電極是參考電 極；以及 其中所述電子電路包括耦接至工作電極、反電極和參考電極的穩(wěn)壓器。
18. -種用于制造用于感測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的電化學(xué)傳感器的方法，包括： 制作具有多孔結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)基體； 在第一位置處將工作電極與所述電解質(zhì)基體相耦接； 在第二位置處將反電極與電解質(zhì)基體相耦接； 向所述多孔結(jié)構(gòu)添加電解質(zhì)；以及 將電子電路與工作電極和反電極相耦接，其中所述電子電路能夠響應(yīng)于在工作電極和 反電極之間響應(yīng)于目標(biāo)物質(zhì)的存在而流動(dòng)的電流產(chǎn)生輸出信號(hào)。
【專利摘要】公開了一種用于感測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的電化學(xué)傳感器。在一個(gè)示例中，所述傳感器公開了：電解質(zhì)基體，其中所述基體貯藏電解質(zhì)；工作電極，在第一位置處與電解質(zhì)基體相耦接；反電極，在第二位置處與電解質(zhì)基體相耦接；電子電路，與工作電極和反電極相耦接，能夠響應(yīng)于在工作電極和反電極之間響應(yīng)于目標(biāo)物質(zhì)的存在流動(dòng)的電流產(chǎn)生輸出信號(hào)。
【IPC分類】G01N27-403
【公開號(hào)】CN104880499
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510082174
【發(fā)明人】馬蒂亞斯·梅茲, 迪米特里·索科爾
【申請(qǐng)人】恩智浦有限公司
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年2月15日
【公告號(hào)】EP2913667A1, US20150241375