CN111656175A - 用于低密度材料的低阻抗传感器 - Google Patents

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Abstract

一种具有小的物理占用空间的电化学气体传感器装置被公开。元件内的电极被围绕电解质布置以使得所述传感器的电阻抗最小化。这导致在检测到气体之后快速稳定，并且使得偏置电压能够迅速改变以针对不同的气体。衬垫元件或可替换的设计被包括以消除电池内的电极之间的气体的扩散。

Description

用于低密度材料的低阻抗传感器
相关申请
本申请要求于2018年01月23日提交的、题目为“用于低密度材料的低阻抗传感器(Low Impedance Sensor for Low Density Material)”的临时申请号62/620,963、以及于2018年01月22日提交的、题目为“用于低密度材料的芯片级感测装置(Chip-Scale SensingDevice for Low Density Material)”的临时申请序列号62/620,372的权益和优先权，这两篇申请特此通过引用并入。
技术领域
本发明涉及低密度材料(诸如气体)的感测和识别，特别是通过电化学电池与具有低电阻抗的感测电路结合对低密度材料的感测和识别。
背景
考虑到由于工业化和自然资源以及数量急剧增加的家庭和城市污染源而造成的地球大气的改变，对于准确的且连续的空气质量监视的需要已经成为确定源和警告消费者即将发生的危险的必要条件。使得进行实时的监视和暴露评定成为现实的是能够提供可以被集成到最广泛的范围的平台和应用中的低成本、小的形状因数和低功率装置的能力。
存在感测不同的低密度材料(诸如气体)的多种方法。常见方法包括非色散红外光谱法(NDIR)、使用金属氧化物传感器、使用化敏电阻器、以及使用电化学传感器。本发明有关电化学传感器。
常规的电化学传感器的一个缺点是其大小(例如，电解质的体积和电极的大小)相对较大，使得它在经受目标气体时要花很长的时间稳定下来。此外，因为对于气体做出响应的电流的改变很小，所以信噪比低，并且由于通向传感器外部的处理电路***的金属痕迹，存在损耗和RF耦合，这进一步降低了信噪比。另外，电化学电池本体通常是不能经受高于150℃的温度的聚合物，并且电解质包括不能经受高于大约100℃的温度的酸的水溶液。这通过使焊料回流(通常在180-260℃下)来防止电触点被焊接到印刷电路板，并且防止一些热固性导电粘合剂(诸如含银的环氧树脂、或各向异性的导电膜或膏)(通常在120-150℃下被固化)的使用。
存在感测不同的低密度材料(诸如气体)的多种方法。常见方法包括非色散红外光谱法(NDIR)、使用金属氧化物传感器、使用化敏电阻器、以及使用电化学传感器。一些电化学传感器对于本领域技术人员也是已知的。在本申请中，我们将能够生产的、改进的、小形状因数的电化学传感器装置描述为单个的组件或者在单颗化之前是成整体的。本申请的装置可以被有效地合并到其他电子产品(诸如移动装置)中，并且也可以符合用于在具有挑战性的环境(包括潮湿的和/或布满灰尘的环境)中操作的现代标准。
概述
以下描述和附图详细地阐述了本公开的某些说明性实施，这些实施指示可以实现本公开的各种原理的几种示例性方式。然而，说明性示例不是本公开的许多可能的实施方案的穷举。当结合附图考虑本公开时，本公开的其他的目的、优点和新颖的特征将在本公开的以下详细描述中被阐述。
本文中所描述的发明的一方面是电化学电池中的电极相对于电解质的使得电池的电阻抗最小化的物理布置。这继而使得电化学电池能够更迅速地对施加的偏压中的改变做出响应。另一方面是电化学电池中的电解质的消除电极之间的气体的扩散的物理布置。
一些实施方案针对一种电化学感测装置，电化学感测装置包括：封装面板；盖子面板；固体或板固体电解质；设置在一个或更多个电极室中的多个电极，每个电极与所述电解质接触；多个电极通过所述面板中的一个中的气体端口通孔与外部环境气体连通；以及密封件，密封件使至少一个电极室与任何其他的电极室气体隔离。
其他实施方案针对一种用于制作具有多个传感器电极的电化学传感器装置的方法，方法包括：形成封装面板；形成盖子面板；在所述盖子面板和所述封装面板中的至少一个中创建多个通孔，多个通孔包括连接包含相应的电极的至少一个电极室与外部环境的气体端口通孔；在所述面板中的至少一个的内部面上形成一个或更多个衬垫(gasket)以使至少所述电极室与任何其他的电极室气体隔离；将电触点附连到所述盖子面板和所述封装面板中的一个或两个；形成设置在包括所述电极和另外的电极的多个电极之间的固体或半固体电解质层；以及配合所述盖子面板的内部面和所述封装面板的内部面以便限定所述电极室和任何其他的电极室，其中相应的电极和其他电极同时接触固体或半固体电解质层。
附图的简要说明
为了更充分地理解本技术的性质和优点，结合附图，参考优选实施方案的以下详细描述，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方案的电化学传感器装置的截面图，该电化学传感器装置包括两个面板之间的部分封闭腔封装、多个电极、固体或半固体电解质、以及设置在电解质的任一侧的衬垫元件；
图2是根据本发明的一个实施方案的电化学传感器装置的截面图，该电化学传感器装置包括由封装面板限定的传感器室、盖子面板、多个电极、固体或半固体电解质、以及设置在电解质的一侧的衬垫元件；
图3是根据本发明的一个实施方案的电化学传感器装置的截面图，该电化学传感器装置包括由封装面板限定的传感器室、盖子面板、电极、固体或半固体电解质；
图4是电化学传感器装置内的电极的正交相对定向的平面图表示；
图5是电化学传感器装置内的电极的平行相对定向的平面图表示；
图6图示说明用于气体隔离一个或更多个传感器电极室的衬垫材料；以及
图7图示说明用于制作根据本公开的一个或更多个传感器装置的示例性方法。
详细说明
在电化学传感器中，传感器电极(也被称为工作电极)接触合适的电解质。传感器电极通常包括与目标气体和电解质发生反应以释放或接受电子的催化金属，当电极被适当地施加偏压时，以及当被结合适当的反电极使用时，该催化金属在电解质中创建特征电流。电流一般与接触传感器电极的目标气体的量成比例。通过使用传感器电极材料和针对将被检测的特定气体的偏压并且感测电流，周围大气中的目标气体的浓度可以被确定。
本发明的一个或更多个实施方案针对如本文中将描述的和图示说明的、可以在一组面板、板、封装构件、盖子或封盖构件、或其他合适的组件(为简化起见，在本文中被共称为“面板”)上或者使用一组面板、板、封装构件、盖子或覆盖构件、或其他合适的组件制造的电化学感测装置。如下面将更详细地说明的，面板至少在其一个面上通常是平面的，并且通常可以用厚度尺寸来描述，但是它们的厚度在整个给定面板上无需是恒定的，例如，其中面板在一些区域中被机加工或蚀刻以在这样的区域处形成凹部或变化的厚度。传感器装置的一个面板在本文中被称为“封装面板”，另一个面板被称为“盖子面板”，但是该命名法不应限制本发明的一般性，并且不应例如被看作暗示封装面板必须在装置的底部，盖子面板必须在装置的顶部(尽管这当然是一种可能性)。
在一般水平，本发明允许在至少一对这样的面板之间的体积中形成传感器室，其中面板被基本上彼此平行地设置，例如一个面板在水平方向上在另一个面板的上方。显然，将装置重新定向在空间中的任何方向上、例如以使得它是侧着的并且面板被垂直定向是同样有效的，并且通过本公开被理解，即使图示说明和描述可以指代封装面板、盖子面板或顶部和底部面板或其他术语，这些应被没有限制地、广泛地且一般地看待。所描述的面板可以被缩放以形成一个离散的传感器装置(意指具有与单个的传感器装置大致相同的尺寸)，或者它们可以被缩放地足够大以使用一对共享或公用面板来构造几个或许多这样的传感器装置的阵列，此后单个的形成的传感器装置可以从面板被切开、被分离、被切割(例如，被单颗化)。
在一些方面，陶瓷、玻璃、聚合材料、半传导材料或其他基板可以被用于制作本申请的设计的面板。一些实施方案对基底和/或盖子单元利用共烧的陶瓷晶圆。这些可以通过以下步骤来制作：1.制备单个的陶瓷片材、板或层，2.将通孔(导电填充通孔或气体端口通孔)形成为一个或更多个层，3.在层上印刷电互连迹线，例如，以填充导电通孔，4.使层相互对齐，以及5.将层一起共烧。该过程可以被用作对于本文中公开的任何给定的实施方案都是合理的。
本装置优选地是尺寸紧凑的，大量制造是相对容易的且便宜的，并且可以具有超出先前的传感器设计的广泛的应用。在一方面，本申请的传感器装置可以被用来检测传感器装置的大气或环境中的某些气体。许多配置可以基于当前的公开来设计。本公开可以利用可以包括公开US2017/0336434中描述的示例的若干个不同的电化学传感器，该公开通过引用被并入本文，是针对电化学电池与电子电路在小规格封装中的集成。一些特定的优选的实施方案在下面被呈现，但是本领域技术人员将意识到如何使用全都通过本公开及其所附权利要求理解的各种材料、尺寸和布置来扩展本公开。
图1图示说明电化学电池或装置1000的实施方案，电化学电池或装置1000可以包括电化学传感器设备或者是电化学传感器设备的一部分，并且可以被包括在其中。装置1000是基于与多个传感器电极1400、1402、1404、1406接触的固体或半固体电解质1010。装置1000一般是在双面板或双面板架构上构造的，双面板或双面板架构具有共同至少部分地限定一个或更多个传感器室1410、1412、1414、1416的第一面板1100(例如，封装面板)和第二面板、基板或面板1200(例如，盖子面板)。例如，面板1100和1200可以基本上描述一个或更多个传感器室的、例如基本上限定传感器室的水平边界的下壁和上壁。另外，其他元件可以进一步限定一个或更多个传感器室，例如，如所示的衬垫材料1300a/1300b、1302a/1302b、1304a/1304b。面板1100和1200可以被如本文中进一步描述的那样构造，并且一般在相应的平行平面1101、1201中(例如，被水平地描绘)。面板1100和1200可以被进一步设计轮廓、蚀刻、雕刻、机加工、铸造或形成(根据它们的组成和目的)以限定包括进一步描述一个或更多个传感器外壳或室的上升的或下降的边沿或肩部(例如，1102)的形状。在所示的示例性的、非限制性的实施方案中，封装面板1100在一些地方是中凹的(dished)以夹持下电极1402、1406，并且上面板、盖子或盖子面板1200被形成为夹持上电极1400、1404。本领域技术人员将意识到，电极和它们各自的室的位置和大小可以被制定为容纳各种形状和大小的电极。因此，这些图示中所示的配置仅仅是作为示例给出的。在一个实施方案中，封装面板1100(或盖子面板1200)可以侧向延伸超过另一个面板以便将另一个面板夹持在其中。例如，如所示，封装面板1100的作用是基本上限定装置1000的底部以及其侧壁1104、1106。如果盖子面板1200延伸到碰到或环绕封装面板1100(其中任何一个都在本文中被理解)，则当然可以创建相反情况。此外，虽然本示例示出侧壁1104和1106由面板(1100)形成，但是装置1000的侧面可以基本上至少部分由如本发明人描述的间隔件面板(例如，被夹在示出的面板1100和1200之间以分隔面板1100和1200并且使得在电极室内允许有一些空间用于电极的第三层、面板、***件或间隔件)限定。根据基底/盖子面板的特定配置和布置，粘合剂1800可以被用来将两个主要部分固定在一起。盖子面板1200和基底元件的结合一般可以经由例如粘合剂、焊料或玻璃来执行。
更进一步地，电解质材料1010(其可以包括电解质材料的层、板或片材)可以分割或限定所述传感器室。具体地说，在所示的实施方案中，每个传感器电极1400、1402、1404和1406被设置在它自己的限定的室(我们有时可以称其为电极室)中，并且与其他的电极室气体隔离。电化学传感器电极分别被设置在各种室中。在该示例中，工作电极1400在它自己的相应的电极室1410中，电极室1410至少部分地能够通过相应的面板1200中的气体端口通孔1500与环绕装置1000的外部环境1002交换低密度流体(例如，气体)。
优选地，工作电极1400与其他电极气体隔离以防止气体从室1410移动或扩散到其他电极室1412、1414、1416中，反之亦然。然而，其他电极或电极室也可以或者另外还可以相互气体隔离。气体隔离通过使用防止气体在室之间移动的屏障或密封件(例如，衬垫材料或结构屏障)来实现。这里，电解质1010以及衬垫1300a和1302a防止电极室中的气体扩散到相邻的电极或电极室中。这限定1002处的外部大气或环境气体仅与工作电极1400接触，工作电极1400被允许通过其气体端口通孔1500接收这样的气体。要理解，工作电极1400不是可以被提供气体端口通孔的唯一的电极室。其他电极中的一个或更多个也可以通过提供的气体端口通孔被提供外部气体。类似地，当在各种可选的示例中，使相应的一个或更多个电极室相互密封，其他的电极室可以是代替和/或补充工作电极室被密封的电极室。例如，包括如本文中所描述的衬垫的密封件可以被应用于固体或半固体电解质、其上方和/或下方以便使电极和电极室中的任何一个或全部相互气体隔离。衬垫一般是可以被如所描述的那样应用的气体密封件的示例。在本发明的一个或更多个实施方案中，气体密封件或衬垫可以通过被粘附到固体或半固体电解质本身、或者被压在固体或固体电解质本身上、被结合到固体或半固体电解质本身、被与固体或半固体电解质本身配合、或者被附连到固体或半固体电解质本身来与密封件或衬垫材料直接接触(一般因此，密封件可以通过使用任何这样的方法与电解质接触)。
可选的气体过滤器1600可以通过对可能进入工作电极室1410的任何微粒进行大小限制来阻隔或过滤或控制是否以及什么通过过滤器1600。如该实施方案和其他的本申请的实施方案中利用的过滤器还可以例如滤除特定的化学物种以免进入室，例如通过吸收它们或者催化或以其他方式使它们发生反应成为其他物种。过滤器还可以阻止液体或固体元素进入工作电极室。疏水和/或疏油材料可以可选地被用在本申请的过滤器中。此外，过滤器可以包括允许它们被压在壳体或外壳或其他构件上以更防水和/或防尘的密封的侧面或边缘。在一些方面，传感器装置可以是IP6x兼容的，其中传感器及其封装和壳体在具有挑战性的环境中一般实现某些操作标准。过滤器(诸如临时申请62/730,076和62/750,926中公开的那些，这些申请通过引用被并入本文)可以被用作一些过滤器设计和组成的基础。但是这样的设计可以在本申请的实施方案中被改动、添加或省略以更好地适合特定的目的。
在一些实施方案中，因为电解质1010本身具有有限的扩散性并且可以作用来阻止或减小气体通过电解质1010的扩散。在一些方面，电解质层本身也采用衬垫(例如，1300a/b、1302a/b、1304a/b)以帮助控制气体在装置的一个传感器室或多个传感器室内的不同体积之间的移动。
衬垫(例如，1300、1302、1304)可以包括粘合剂，或者可以包括顺应性材料或稍微可压缩的或可变形的材料，并且可以包括对来自电解质1010的化学攻击侵蚀具有耐化学性的材料。在一些可替换的示例中，衬垫材料可以包括：含氟聚合物、氟硅酮、聚酰亚胺、丁基或其他橡胶化合物、橡胶衍生物、环氧树脂、硅酮或丙烯酸。衬垫可以被沉积为或者可以被压缩到小于1毫米的厚度，并且在一些示例中，被压缩到大约10至10微米的厚度，不过，这样的尺寸由给定的应用确定，并且本领域技术人员将意识到，这些示例性尺寸不是本发明的范围的穷举或限制。
在一方面，盖子或盖子面板1200和封装面板1100在压力下被结合在一起以使得在结合之后，衬垫和电解质1010以及衬垫和盖子面板1200的接触点处于压缩状态，从而提供防御气体扩散的密封。总效果使得电极1400、1402、1404、1406中的每个都同时被紧靠电解质1010压缩地夹持，从而提供与电解质的一致的电接触和电化学接触。
电化学传感器装置1000可以仅利用阻止电池中工作电极1400和一个或更多个其他的电极1402、1404、1406之间的扩散的单个气体密封件(或衬垫)的形成就可以足够地运作。在该情形下，以上示例中示出的其他的衬垫密封件可以被除去。但是各种衬垫方案是可能的，并且一些示例和优选的实施方案在本文中被给出以用于图示说明。
尽管衬垫的作用基本上是消除来自外部世界的气体从工作电极的附近扩散到传感器内的其他电极中的一个或更多个，但是在其他电极处发生的继发反应可以导致这些电极处的一种或更多种二次气体演变。在这种情况下，可能有益的是消除这些一种或更多种二次气体到其他电极中的一个或更多个的扩散。电极中的每个的衬垫使得能够实现这。
而在目前的实施方案中，封装的盖子和基底在压缩下被结合在一起，盖子和封装也可以简单地被压缩地夹持在一起，例如通过弹簧夹或提供将传感器装置的元件相互紧靠夹持的必要的力的其他的外部手段。
在一个实施方案中，电极材料可以包括类似的或标称上相同的材料，不过，在其他实施方案中，电极可以包括不同的材料。例如，工作电极1400可以包括多孔材料，诸如碳纸、碳纤维布、或任何其他的多孔的导电的基质和催化剂(诸如铂、钯、钌、铑、银、镍、铁、钒、其他过渡金属及其合金；硅酸铝、氧化铝、氮化硼、其他半导体催化剂以及其混合物)。其他电极中的一个或更多个可以包括非多孔材料，可以包括与第一催化剂不同的催化剂，或者可以不包括任何催化剂。
尽管在目前的实施方案中，电极被示为被附连到封装，例如经由导电环氧树脂，但是存在如下的其他的实施方案，在这些实施方案中，电极中的多个电极被简单地紧靠腔封装的内部的电接触焊盘、图中用1700指示的导电环氧树脂和/或接触焊盘、机械压缩地夹持。
一个或更多个导电通孔1008可以被建立以与面板中的一个(例如，但不限于封装面板1100)的外表面上的触点1005来回传导电信号或电流。触点可以进一步将传感器连接到集成电路(IC)1009和/或其他电组件，例如，通过使用焊料连接或传导凸块1003、或常用于形成电互连的传导接触方法——例如，挠曲电缆、电连接器、各向异性的导电膏、各向异性的导电膜或弹簧接触。
图2图示说明电化学传感器装置2000，其具有形成装置的外部结构并且将电化学传感器封装在其中的两个主板、基板或面板。回想在本申请的示例中，面板限定装置的两个或更多个结构侧面的使用可以被进行，其中面板是单个传感器装置的单个的、分立的封盖、或者可替换地，更大的面板可以被用来在这样的共用的共享面板上创建多个传感器装置，这些传感器装置稍后被切开以从其单颗化装置。
顶部、封盖或盖子面板2200如前被设置在下面板、基底或封装面板2100上以形成具有限定于其中的一个或更多个电极室的传感器室。每个电极(例如，工作电极2400、参考电极2402、可选的第四电极2404和反电极2406)被包含在这样的电极室(分别地，2410、2412、2414、2416)中。如前所述，电极的数量、位置、几何形状、组成和布置在不同的实施方案之间是变化的，并且本申请的示例是说明性的。本领域技术人员将意识到布置和配置电极的许多的其他的方式，这些方式继而可以改变相应的电极和传感器室的特定形状和大小以及形状和布置。
在该实施方案中，盖子面板2200被形成、铸造、机加工、切割、蚀刻或以其他方式配置为向下安装到某些点(例如，2202、2203、2204)上并且与这些点接触。盖子面板2200的下表面(例如，2202-2203-2204)和电解质层2010之间的接触点被做成气密的以防止气体在盖子面板2200和电解质2010之间泄漏，从而防止气体从一个电极室泄漏到下一个电极室。这样，我们不需要上衬垫(比如前面示出的1300a、1302a、1304a)。顺应性衬垫因此仅被设置在电解质的一侧，被设置在2300、2303、2304处。本领域技术人员将理解，图示说明的示例仅仅表示本公开和权利要求的范围内的可能的配置，而不是穷举。例如，紧靠电解质2010的底侧示出的衬垫2300、2302、2304可以可替换地改为被放置在电解质的上侧。
如其他地方陈述的，气体端口通孔2500(可选地被覆盖过滤器2600)被形成在装置的主面板中的一个中，例如，被形成在盖子面板2200中，以允许气体进入其电极室2410中的工作电极2400，而布置防止气体泄漏或扩散到其他电极室2412、2414、2416中。在其他实施方案中，第二气体端口可以被做成允许气体传递到其他电极2404、2402或2406中的一个。在这种情况下，第二气体端口可以被与2600基本上类似的过滤器材料、与2600不同的过滤器覆盖，或者不被过滤器覆盖。因此，一般来说，多个气体端口通孔(有或没有过滤)可以被用于本文中图示说明的实施方案中的一些实施方案或所有的实施方案、或者本发明的范围涵盖的其他实施方案中。
图3图示说明基于固体或半固体电解质3010的电化学传感器装置3000的实施方案，在该实施方案中，装置中的所有的电极都相互气体隔离以便消除它们之间的气体扩散。在该实施方案中，电解质3010被紧靠封装、压缩地夹持。因此，可以意识到，在一些或所有的实施方案中，电解质3010将被做成抵抗一定量的机械力或压力，例如，通过不是流体电解质，而是通过是具有某些固体/半固体材料机械性质(例如，密度、应力-应变、硬度、非柔韧性等)的固体或半固体材料。更具体地说，电解质3010在上接触区域3202、3203和3204处接触盖子面板3200，并且在下接触区域3102、3103和3104处接触封装面板3100，由此电解质层3010被压在所述盖子面板3200和封装面板3100之间。可以看出，在该实施方案中，不需要顺应性衬垫材料来使电极室3410、3412、3414、3416相互隔离。相反，衬垫通过电解质在封装盖子和本体上的特征之间的压缩配合来提供。在操作中，进入气体端口通孔3500(可选地通过过滤器3600)的气体被限于工作电极3400的室3410。
如其他地方提及的，在本申请的示例中示出四个电极的任何地方，基于三个电极(只有工作电极、反电极和参考电极)和两个电极(只有工作电极和反电极)的电化学电池可以利用标称上相同的电池架构来形成。
此外，尽管以上实施方案中的反电极和参考电极被设置在电解质的与工作电极相对的一侧，但是它们中的一个或更多个可以可替换地被设置在电解质的与工作电极相同的一侧。另外，尽管以上实施方案中的可选的第四电极被设置在电解质的与工作电极相同的一侧，但是它可以可替换地被设置在电解质的与工作电极相对的一侧。因此，给定实施方案中的电极中的一些电极或所有的电极可以被设置在电解质材料的一侧和/或其他侧。因此，一些电极可以邻近盖帽面板，而其他电极可以邻近封装面板，但是在可替换的实施方案中，所有的电极都可以邻近盖帽面板或封装面板。
图4图示说明根据一个或更多个本申请的实施方案的电极和电解质的相对定向的示例性平面图描绘。电解质4010和电极可以如所示那样与大体矩形的平面图占用空间基本上成平面的。电解质和电极可以进一步被定向为具有如以上各种截面图中图示说明的基本上平行的面(堆叠的)的平面物体或板。在一个示例中，参考电极4402被相对于工作电极4400侧向定位，以便至少部分地与工作电极4400重叠(即，与工作电极4400正交)。在这种情况下，工作电极4400和参考电极之间的最靠近的接近的距离由电解质4010的厚度确定，并且可以是几十微米或更小的数量级。通过如此定位工作电极和参考电极，这两个电极之间的阻抗可以被最小化，从而使得电池能够对施加的偏压的改变迅速地做出响应。
在非限制性示例中，反电极4404也被相对于工作电极4400侧向定位以便至少部分地与工作电极重叠。在这种情况下，工作电极4400和反电极4404之间的最靠近的接近的距离由电解质4010的厚度确定，并且可以是几十微米或更小的数量级。再次，通过如此定位工作电极和参考电极，这两个电极之间的阻抗可以被最小化，从而使得电池能够迅速地稳定下来并且迅速地对工作电极的状态的任何改变做出反应。
尽管一些图示说明中的所有的电极都被描绘为标称上类似的大小和形状，但是相对形状和大小可以被改变以便针对特定应用优化电池。例如，使工作电极的大小最大化可以使电池的灵敏度和最小检测水平最大化；缩小参考电极的大小可以使得能够减小寄生电流或泄漏电流——导致电池的灵敏度的线性度提高——同时最小地影响电池对施加的偏压的改变的响应。
图5图示说明给定的传感器装置的电解质层5010和电极(5400、5402、5404、5406)的可替换的平面图。反电极5404被侧向定位以便与工作电极5400直接重叠。通过如此定位工作电极和反电极，这两个电极之间的阻抗可以被最小化，从而使得电池能够最迅速地对工作电极的状态的改变做出响应。在又一个实施方案中，反电极5404和参考电极5402的位置可以被互换以使得这两个电极之间的阻抗可以被最小化，从而使得电池能够最迅速地对施加的偏压的改变做出响应。
该示例对于一些应用可以是优选的，只要它允许独立地调谐上电极和下电极之间的阻抗(通过改变电解质的厚度)以及侧向移置的电极之间的阻抗(通过改变电极对之间的空间)。要意识到，电极的特定名称(工作电极、参考电极、反电极等)就本发明的这个方面而言不是限制的，即，电极的相对定位。所以，在示例中，我们可以如5404处的图示中那样应用参考电极，而如位置5406或5402处的图示中那样应用反电极。这些非限制性示例可以缩短或最小化传感器的响应时间和电稳定性。
因此，互换电极的位置和它们之间的距离以便针对不同的功能优化给定的传感器装置在本发明及其各种实施方案内。可以被考虑用于决定电极相对定向的其他设计考虑是考虑最佳的衬垫布局，因为衬垫位置可以相互重叠以相互提供反向压力以提供期望的机械气体密封。
每个电极因此可以被配置和布置为基本上位于平面中的基本上平面的构件，所述平面大体上平行于基底和盖子面板元件的面板1101和1201。照此的电极可以是细长的矩形，并且如图4和图5所示，其一组侧面长于另一组侧面。细长的扁平的或平面的电极可以至少在所描述的它们的区域的一部分中相互重叠(在平面图中看)，例如与分隔重叠的电极的电解质4010/5010重叠。此外，重叠的区域可以使得电极通过在它们的相应的平面内被定向为平行于工作电极(图5)或者正交于工作电极(图4)而与工作电极重叠。在所有的电极都在一个平面内的情况下，电极中的一个或更多个可以是正方形。
图6图示说明如本文中所描述的电化学传感器装置的一些元件的简化的平面图。传感器包括接触多个电极(例如，6400、6406)的电解质层6010。在使用中的电极被设置在如所描述的电极或传感器室中，并且被与衬垫材料6300气体隔离。在该简单的示例性实施方案中看到，衬垫材料6300可以被用作围绕电极中的一个或更多个的珠子(bead)，并且可以针对给定的安装，视情况接触电解质。具体地说，工作电极6400可以在通过如早先描述的气体端口通孔与外部的气体环境连通的电极室中独自地气体隔离。辅助电极6406也可以可选地在通过如早先描述的气体端口通孔与外部的气体环境连通的电极室中独自地气体隔离。
本申请的装置的制作可以通过使用各种步骤和过程来进行，步骤和过程中的一些对于芯片制造、芯片封装、微电子和相关工业中的技术人员是已知的。
图7图示说明用于制作本申请的装置的示例性方法700。记载的步骤可以包括本领域技术人员在一些应用中将省略或替换的可选的步骤，并且其他的辅助动作可以被进一步包括，或者被适合于特定的需要、按不同的次序执行，而不脱离本发明的范围。
例如，在701，形成盖子面板。在706，形成封装面板。在702(盖帽侧)和在708(基底侧)形成所需的衬垫(一个或更多个)，回想衬垫在如所讨论的电解质的一侧和/或两侧不总是必要的。任何通孔也在合适的时间被形成。在704和710，将电极附连到上侧和/或下侧。在712，在传感器中应用电解质。在714，附连或结合或耦合盖帽面板和封装面板以靠近装置。在716，在气体端口通孔上方附连可选的气体过滤器。例如，步骤716可以在图7中描绘的流程中的步骤706和步骤714之间的任何点处被执行。
在一个或更多个实施方案中，多于一个单个的电化学传感器装置的共用的面板被用来在其上创建这样的传感器装置的阵列或者大量这样的传感器装置。如所陈述的，面板然后可以被单颗化以从其创建单个的传感器装置。然而，在一个或更多个实施方案中，数个传感器装置被共同用来形成将几个传感器装置全都包括在一起的多传感器装置。例如，如果多传感器装置的每个这样的单个的传感器对于检测相应的气体是有用的，则多传感器装置可以检测几种气体，每种气体利用相应的传感器来检测。如果装置由很大的共用的面板形成，则面板可以被切割(cut)或切割(diced)以制作这样的多传感器装置，例如，成2×2传感器阵列、4×2阵列、2×4阵列等的多传感器装置。
已经详细地描述了本发明，本领域技术人员意识到，考虑到本公开，在不脱离本文中所描述的发明构思的精神的情况下，可以对本发明做出修改。因此，并非意图本发明的范围限于图示说明的和描述的特定实施方案。

Claims (31)

1.一种电化学感测装置，所述电化学感测装置包括：
封装面板；
盖子面板；
固体或半固体电解质；
设置在一个或更多个电极室中的多个电极，每个电极与所述电解质接触；
所述多个电极，其中至少一个通过所述面板中的一个中的气体端口通孔与外部环境气体连通；以及
密封件，所述密封件使至少一个电极室与任何其他的电极室气体隔离。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述盖子面板和封装面板被用粘合材料至少部分地彼此结合。
3.如权利要求1所述的装置，所述电极和所述电解质包括设置在由所述盖子面板和所述封装面板至少部分地限定的传感器室内的电化学传感器，所述电化学传感器通过一个或更多个电接触点被电压偏置，并且递送对所述电极中的一个或更多个、所述电解质和所述电极室内的感测到的气体的化学相互作用做出响应的电传感器输出信号。
4.如权利要求1所述的装置，所述装置包括多个电极室，所述多个电极室包括工作电极室，所述多个电极室彼此气体隔离以基本上防止气体在所述电极室之间的泄漏或扩散。
5.如权利要求4所述的装置，所述电解质包括设置在至少两个这样的电极室之间的固体或半固体层，电解质层的作用是阻隔所述至少两个这样的电极室之间的气体扩散。
6.如权利要求1所述的装置，所述密封件包括实现所述气体隔离的衬垫材料。
7.如权利要求1所述的装置，所述所述密封件被设置在所述封装面板和所述盖子面板的部分之间以阻隔一个或更多个电极室和所述装置的任何其他的电极室之间的气体扩散。
8.如权利要求1所述的装置，所述密封件被设置在所述封装面板或所述盖子面板的部分和所述电解质之间以阻隔一个或更多个电极室和所述装置的任何其他的电极室之间的气体扩散。
9.如权利要求8所述的装置，所述密封件包括实现所述气体隔离的衬垫材料。
10.如权利要求6所述的装置，所述衬垫材料包括下列中的任何一个：含氟聚合物、氟硅酮、聚酰亚胺、丁基或其他橡胶化合物、橡胶衍生物、环氧树脂、硅酮和丙烯酸类物质。
11.如权利要求1所述的装置，所述盖子面板和所述封装面板在其部分处彼此接触以便阻隔至少一个电极室和所述装置的任何其他的电极室之间的气体扩散。
12.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括对通过所述气体端口通孔的气体进行过滤的气体可渗透过滤器。
13.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括多个电触点和传导通孔，所述传导通孔将所述电极耦合到所述装置上的相应的外部连接点。
14.如权利要求13所述的装置，所述装置进一步包括集成电路，所述集成电路被设置在所述装置的外部面上，并且被电耦合到所述电触点。
15.如权利要求14所述的装置，所述集成电路包括专用集成电路(ASIC)。
16.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括所述封装面板和所述盖帽面板中的任何一个中的至少一个附加的气体端口通孔，所述至少一个附加的气体端口使所述装置的相应的电极与外部环境气体连通。
17.如权利要求1所述的装置，所述电解质包括设置在基本上平行的平面中的所述封装面板和所述盖子面板之间的电解质层，所述电极还包括在所述电解质层的至少一侧与所述电解质层接触的平面结构。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述电极中的一个或更多个被定向和定位为具有通过所述电解质层与所述工作电极分隔的重叠区域。
19.如权利要求18所述的装置，与所述工作电极重叠的所述一个或更多个电极在它们的相应的平面内被定向为正交于所述工作电极。
20.如权利要求18所述的装置，与所述工作电极重叠的所述一个或更多个电极在它们的相应的平面内被定向为平行于所述工作电极。
21.如权利要求20所述的装置，所述装置包括被设置为与所述工作电极直接相对的参考电极，所述参考电极和所述工作电极通过电解质材料分隔。
22.如权利要求20所述的装置，所述装置包括反电极，所述反电极相对于所述电解质材料被横向地设置在所述工作电极的旁边和与所述工作电极相同侧。
23.如权利要求20所述的装置，所述装置包括反电极，所述反电极相对于所述电解质材料被横向地设置在所述工作电极的旁边和与所述工作电极相对侧。
24.如权利要求1所述的装置，所述被气体隔离的至少一个电极室包括工作电极室。
25.如权利要求1所述的装置，所述被气体隔离的至少一个电极室包括参考电极室。
26.一种用于制作具有多个传感器电极的电化学传感器装置的方法，所述方法包括：
形成封装面板；
形成盖子面板；
在所述盖子面板和所述封装面板中的至少一个中创建多个通孔，所述多个通孔包括连接包含相应的电极的至少一个电极室与外部环境的气体端口通孔；
在所述面板中的至少一个的内部面上形成一个或更多个气体密封件以使至少所述电极室与任何其他的电极室气体隔离；
将电触点附连到所述盖子面板和所述封装面板中的一个或两个；
形成设置在包括所述电极和另外的电极的多个电极之间的固体或半固体电解质层；以及
配合所述盖子面板的内部面和所述封装面板的内部面以便限定所述电极室和任何其他的电极室，其中相应的电极和其他电极同时接触所述固体或半固体电解质层。
27.如权利要求26所述的方法，所述方法进一步包括用与所述电解质直接接触的衬垫密封所述电极室中的一个或更多个。
28.如权利要求26所述的方法，所述方法进一步包括在选择的位置处涂覆粘合剂以结合所述盖子面板和所述封装面板。
29.如权利要求26所述的方法，所述方法进一步包括在所述气体端口通孔上安装气体过滤器。
30.如权利要求26所述的方法，所述方法进一步包括在相应的平行平面中将至少一个其他的电极定向为正交于所述工作电极并且通过所述电解质层与所述工作电极分隔。
31.如权利要求26所述的方法，所述方法进一步包括在相应的平行平面中将至少一个其他的电极定向为平行于所述相应的电极并且通过所述电解质层与所述电极分隔。
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