CN112924501A - 电化学气体传感器组件 - Google Patents

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Abstract

本文描述的各种示例实施例涉及传感器组件。传感器组件包括第一传感器盖和第二传感器盖。第一传感器盖设置在传感器组件的第一端上并且第二传感器盖设置在传感器组件的第二端上。第一传感器盖限定第一毛细管并且第二传感器盖限定穿过其中的第二毛细管。传感器组件还包括第一感测单元、第二感测单元和过滤器。第一感测单元和第二感测单元设置在第一传感器盖和第二传感器盖之间。在一些示例实施例中，过滤器对目标气体具有反应性，并从而防止目标气体通过所述第二毛细管流入传感器组件中。

Description

电化学气体传感器组件
技术领域
本公开大体涉及电化学气体传感器，并且更特别地涉及电化学气体传感器的结构和组件以及与之相关联的***和设备。
背景技术
气体监测***常见地安装在工作场所和其他场所中，以监测存在于工作环境中的各种气体的浓度。这种气体监测***经常被称为气体分析仪、气体检测器、气体传感器等。一种这种类型的气体传感器是电化学气体传感器（EGS）。电化学气体传感器（EGS）可以用于检测各种类型的气体，诸如氧气以及有毒气体，包括但不限于一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、甲醛（CH2O）等。现有的电化学气体传感器经常用于检测气体，但是其经常易于提供与环境参数（诸如，所述传感器组件及其相关组件所暴露于其中的温度和湿度）的任何变化有关的不精确的传感器读数。因此，行业上一直期望更鲁棒的电化学气体传感器，即可以避免现有电化学传感器的许多缺陷的传感器。
发明内容
本文描述的各种示例实施例涉及传感器组件（也称为“EGS组件”）。传感器组件包括第一传感器盖和第二传感器盖，第一传感器盖设置在传感器组件的第一端上并且第二传感器盖设置在传感器组件的第二端上。第一传感器盖限定穿过其中的第一毛细管，并且第二传感器盖限定穿过其中的第二毛细管。传感器组件还包括设置在第一传感器盖和第二传感器盖之间的第一感测单元和第二感测单元。
在一个示例性实施例中，第一传感器盖设置在EGS组件的第一端上。进一步地，第一传感器盖限定第一毛细管。在一些示例实施例中，第二传感器盖设置在EGS组件的第二端上并限定穿过其中的第二毛细管。此外，EGS组件包括定位在第一传感器盖和第二传感器盖之间的感测元件。
根据另一个示例实施例，第一感测单元至少包括感测电极、参考电极和对电极。第二感测单元包括辅助电极。根据另一个示例性实施例，感测电极可以定位在EGS组件的第一端上。进一步地，辅助电极可以定位在EGS组件的第二端上。对电极和参考电极定位在感测电极和辅助电极之间。
在一些示例实施例中，传感器组件还包括过滤器。过滤器由对目标气体具有反应性的材料限定。进一步地，过滤器可以定位在第二毛细管上，以防止目标气体通过第二毛细管流入。在这方面，由第一毛细管限定的通道允许目标气体从其中通过。然而，定位在第二毛细管上的过滤器防止气体从其中通过。
根据本文描述的各种实施例，过滤器包括膜或化学物质中的至少一种。进一步地，在另一个示例性实施例中，膜可以是多孔PTFE膜或玻璃纤维膜。根据一个示例性实施例，化学物质对应于可以过滤目标气体的高锰酸钾或化学物质与PTFE多孔膜或PTFE粉末的混合物。在这方面，在一些示例中，活性炭过滤器可以用作用于过滤目标气体的膜。
根据一些示例性实施例，印刷电路板（PCB）可以联接到EGS组件。印刷电路板可以被配置成确定第一电流和第二电流。在存在至少一个环境参数的情况下，基于目标气体与第一感测单元之间的第一反应确定第一电流。基于第二感测单元处的第二反应确定第二电流。在这方面，第一电流对应于第一感测单元处的目标气体的量并且第二电流对应于第二感测单元处的至少一个环境参数的大小。
根据一些示例实施例，印刷电路板可以进一步被配置成确定差分电流。差分电流取决于第一电流和第二电流。为此，差分电流可以对应于基于所述至少一个环境参数的大小的噪声电平的量。在一些示例中，所述至少一个环境参数包括温度值或湿度值中的至少一者。温度和湿度值对应于由于环境条件而在EGS组件内引起的相对温度值和湿度值。
根据另一个示例实施例，描述了另一种传感器组件。该传感器组件包括第一感测单元、第二感测单元、第一传感器盖和第二传感器盖。进一步地，第一传感器盖限定第一毛细管，并且第二传感器盖限定第二毛细管。在一些示例中，第一毛细管可以层压有用作目标气体的过滤器或阻挡件的化学物质。过滤器可以适于基于过滤器与目标气体之间的反应来防止目标气体通过第一毛细管流入。在本发明的另一个示例性实施例中，过滤器可以适于将目标气体从一种形式转换成另一种形式。
在本发明的一个示例性实施例中，第二毛细管允许目标气体通过其流入。目标气体到达感测电极并基于目标气体与感测电极的反应产生感测电流。
在另一个示例性实施例中，第二感测单元可以联接到第一传感器盖并且第一感测单元可以联接到第二传感器盖。根据示例性实施例，感测电极可以定位在传感器组件的第一端上并且辅助电极可以定位在传感器组件的第二端上。
根据一个示例性实施例，描述了另一种传感器组件。该传感器组件包括壳体、第二传感器盖、第一感测单元、第二感测单元和过滤器。进一步地，过滤器由对目标气体具有反应性的材料限定。第二传感器盖可以定位在壳体的第二端上。进一步地，壳体包括第一传感器盖。在一些示例实施例中，第一传感器盖可以定位在壳体的第一端上。
此外，在一些实施例中，第一感测单元和第二感测单元定位在第一传感器盖和第二传感器盖之间。在这方面，在一些示例性实施例中，第一传感器盖限定第一毛细管并且第二传感器盖限定第二毛细管。第一毛细管被配置成允许目标气体从其中通过。穿过第一毛细管后的目标气体与第一感测单元的感测电极反应。目标气体与第一感测单元之间的反应导致感测电流的产生。感测电流对应于目标气体的量。然而，被定位成与第二毛细管流体连通的过滤器防止目标气体通过第二毛细管流入。
在一些示例实施例中，第一感测单元包括感测电极、参考电极和对电极，并且第二感测单元包括辅助电极。进一步地，在一个示例性实施例中，感测电极可以与第一毛细管联接。辅助电极可以在壳体内与第二毛细管联接。参考电极和对电极可以定位在感测电极和辅助电极之间。
根据一些示例实施例，传感器组件还包括印刷电路板，所述印刷电路板被配置成在存在至少一个环境参数的情况下基于第一反应确定第一电流。印刷电路板被进一步配置成基于第二感测单元处的第二反应确定第二电流。第一电流对应于第一感测单元处的目标气体的量，并且第二电流对应于所述至少一个环境参数的大小。
在一些示例实施例中，印刷电路板被进一步配置成基于第一电流和第二电流确定差分电流。差分电流对应于基于所述至少一个环境参数的大小的噪声电平的量。
根据一些示例实施例，第一毛细管的第一尺寸可以与第二毛细管的第二尺寸相同。
在一些示例性实施例中，描述了构建四电极EGS的结构。四电极EGS可以适于去除周围环境影响。辅助电极可以被设计成检测由于环境参数的变化（多个变化）而产生的电流。
在示例性实施例中的一者中，感测电极和辅助电极单独地放置在EGS组件（例如，任何传感器缸）的每一端处，其中两个扩散毛细管分别位于传感器的顶部和底部上。感测电极经由第一毛细管暴露于目标气体。在另一个实施例中，辅助电极通过第二毛细管暴露于外部环境条件。然而，由于第二毛细管上存在过滤器，因此目标气体不能够通过第二毛细管。感测电极和辅助电极暴露于相同的环境条件。
在示例性实施例中的一者中，过滤器由对目标气体具有反应性的材料、膜或粉末过滤器限定。进一步地，过滤器定位在第二毛细管上。膜或化学粉末或活性炭过滤器可以用于保护辅助电极免于对目标气体的暴露。该类型的传感器可以更鲁棒和耐用，同时监测环境影响和目标气体。因此，EGS组件可以基于环境参数的变化（多个变化）更准确地响应于气体浓度的变化。
提供以上概述仅用于提供对本文描述的一个或多个示例性实施例的概述的目的，以提供对本公开的某些方面的基本理解。因此，应理解的是，上述实施例仅是示例并且不应被解释成以任何方式缩小本公开的范围或精神。应当理解的是，除了这里总结的那些实施例之外，本公开的范围还涵盖许多潜在的实施例，在下面的详细描述及其附图内进一步解释说明其中一些实施例。
附图说明
可以结合附图来阅读说明性实施例的描述。应当理解，为了简单和清楚地说明，附图中图示的元件不一定按比例绘制。例如，一些元件的尺寸相对于其他元件被放大。参考本文呈现的附图示出和描述了结合本公开的教导的实施例，其中：
图1图示了根据本文描述的一些示例实施例的电化学气体传感器的透视图；
图2图示了根据本文描述的一些示例实施例的电化学气体传感器的穿过传感器的中点并延伸通过印刷电路板截取的截面图；
图3示意性地描绘了根据本文描述的一些示例实施例的表示电化学气体传感器的各种部件的方框图；
图4A描绘了根据本文描述的一些示例实施例的电化学气体传感器的分解俯视图；
图4B描绘了根据本文描述的一些示例实施例的电化学气体传感器的分解仰视图；
图5示意性地描绘了根据本文描述的另一个实施例的电化学气体传感器的截面图以及由电化学气体传感器执行的操作。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开的一些实施例，在附图中示出了本公开的一些但非所有实施例。实际上，这些公开可以以许多不同的形式来具体实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将满足适用的法律要求。贯穿全文，相同的数字指代相同的元件。本专利中使用的术语不意味着是限制性的，因为可以以其他取向附接或利用本文描述的装置或其部分。
短语“在一个实施例中”、“根据一个实施例”、“在一些实施例中”等通常意味着所述短语之后的特定特征、结构或特性可被包括在本公开的至少一个实施例中，并且可被包括在本公开的多于一个的实施例中（重要地，这种短语不一定指代同一个实施例）。
在本文中使用词语“示例性”意味着“用作示例、实例或说明”。在本文中被描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其他实施方式优选或有利。
如果说明书陈述部件或特征“可”、“可以”、“能够”、“应当”、“将”、“优选地”、“可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”（或其他这种语言）被包括或具有一特性，则所述特定部件或特征不需要被包括或具有该特性。这种部件或特征可任选地被包括在一些实施例中，或者可被排除。
根据一些示例实施例，如本文所述的EGS组件可以包括电极。“电极”可包括石墨和/或一种或多种金属，诸如铜、银、金、镍、钯、铂、钌、铱、其他合适的金属、这些金属的氧化物或其组合。用于各个电极的材料可以相同或不同。另外，催化剂可以与电极一起使用以加快化学反应的速率。在这方面，催化剂可以包括纯金属粉末、与碳组合的金属粉末、支撑在导电介质（诸如碳）上的金属粉末、作为混合物或合金的两种或更多种金属粉末的组合、或其他合适的配置。
电极可包括适合于实施期望的反应的反应性材料。例如，电极可以由粘合剂（诸如聚四氟乙烯（PTFE））中的导电催化剂颗粒的混合物形成。
如本文描述的“分隔件”可包括非织造多孔材料（例如，多孔毡构件）、织造多孔材料、多孔聚合物（例如，开孔泡沫、固体多孔塑料等）等，并且相对于电解质和形成电极的材料可以是大体上化学惰性的。在一个实施例中，分隔件可由对电解质基本上化学惰性的各种材料形成，包括但不限于玻璃（例如，玻璃垫）、聚合物（塑料盘）、陶瓷等。
取决于感兴趣的目标气体，如本文描述的“电解质”可包括任何水性电解质，诸如盐、酸、碱等的溶液。根据本文描述的各种示例实施例，电解质可包括以供在氧传感器中使用的吸湿性酸，诸如硫酸。其他目标气体可使用相同或不同的电解质组成。除水基电解质外，离子液体电解质也可用于检测某些气体。
电化学气体传感器通常用于以ppm水平检测进行感测。本文描述的一些示例实施例涉及具有增加的灵敏度的电化学气体传感器，所述电化学气体传感器可以用于以ppb水平检测进行感测。在一些示例中，可以在气体传感器中使用三个电极来检测家庭环境中的目标气体（例如，甲醛）。通常，在操作中，电化学气体传感器的基线通常受周围环境参数（或气象参数）（诸如湿度或温度）的影响。因此，在这种情况下，电化学气体传感器的输出电流随着传感器组件内的湿度或温度的变化而迅速变化。此外，温度和湿度的影响持续很长的时间（例如，几个小时）。因此，本文描述的一些电化学气体传感器可包括第四电极（例如，辅助电极），以测量由于湿度和/或温度引起的影响。为此，第四电极（也称为辅助电极（AE））适于去除环境参数的环境影响或改进传感器选择性。在一些示例中，辅助电极通常可以位于具有一个扩散毛细管的感测电极（SE）下方。
通常，电化学气体传感器（EGS）用于检测流入电化学气体传感器中的气体浓度中的目标气体。基于感测电极处目标气体与感测电极之间的化学反应检测到目标气体。在这方面，作为化学反应的结果，取决于存在于该气体浓度中的目标气体的类型和量来产生电流。EGS通常基于EGS内部发生的“氧化还原”反应来操作，例如，当目标气体扩散到EGS组件内部时。在这方面，在EGS内部的氧化还原反应期间，EGS的第一部分中的金属阴极可化学还原来自目标气体的氧气，同时平衡反应氧化EGS的第二部分中的阳极。从这个意义上来说，在EGS中，可以使用离子导电电解质来联接、可操作地联接、流体联接和/或化学联接阴极和阳极。在这方面，由于金属阴极和阳极处的氧化还原反应引起的电流流动提供由EGS检测到的目标气体浓度的量度。
为此，通常地，EGS的部件经常暴露于影响EGS的操作性能的环境参数和/或条件（例如，压差或温度）。例如，在某些情况下，环境参数（诸如压差和湿度）的存在影响EGS对目标气体的测量。在这方面，这种参数经常引起噪声信号的产生以及由EGS的感测电极感测的信号的波动，该信号对应于目标气体的检测。因此，由于环境参数的存在或变化而引起的噪声信号以及输出电流的波动导致实际电流值的变化，所述变化由于目标气体的存在而将已经被报告，从而影响传感器输出。通常，在EGS的操作中，传感器组件的部件所暴露于其中的这种环境参数和条件的影响持续很长时间，并且EGS不会迅速恢复其原始状态。因此，期望最小化来自所感测的信号值的噪声，以便确定所感测的信号是否准确地表示气体浓度中目标气体的浓度。
本文描述的各种示例性实施例涉及电化学气体传感器（EGS）。本文描述的EGS提供了改进的传感器组件。该改进的传感器组件可以用于准确地确定目标气体，而与感测输出中的干扰无关。干扰的原因可能是由于EGS的部件所暴露于其中的EGS组件内的环境参数，但不仅限于这些参数。
进一步地，根据一些示例实施例，环境参数包括温度和湿度的变化，但不仅限于这些。此外，温度的变化使反应的平衡从稳定状态转变为不稳定状态。平衡的转变取决于电极的温度系数。另外，氧化还原反应由电解质的粘度控制，并且粘度适于基于温度的变化而变化。此外，温度或热量可以呈任何形式（诸如IR辐射），但不仅限于此。热量或温度的升高加速氧化还原反应的速率，并且所感测的电流从实际值波动。
此外，根据一些示例实施例，湿度的影响也类似于温度的影响。由于离子浓度的增加，氧化还原反应的速率随着湿度的增加而增加。湿度和热量水平同时影响感测电极和辅助电极处的电流值。
图1图示了根据本文描述的一些示例性实施例的电化学气体传感器（EGS）100的透视图。本文所示的EGS 100表示由传感器主体102（为了简洁的目的，在下文贯穿整个说明书也可互换地称为传感器组件）限定的外部结构。说明性地，传感器主体102可以被限定在第一端104和第二端106之间。在这方面，第一端104对应于限定传感器主体102的顶表面108的一端。类似地，第二端106对应于限定传感器主体102的底表面110的传感器主体102的一端。
EGS 100还包括传感器盖112和防尘盖114。根据本文描述的一些示例实施例，传感器盖112具有第一表面和第二表面并限定穿过其中的毛细管（未示出）。在一些示例实施例中，传感器盖112可以具有诸如但不限于圆柱形帽形或盘形形状等的形状，其可以定位在包括传感器主体102的第二端106的顶表面108上。进一步地，根据一些示例实施例，防尘盖114可以定位在传感器盖112上。防尘盖114在传感器盖112上的定位防止灰尘颗粒通过防尘盖114流入传感器组件（即传感器主体102）中。
根据一些示例实施例，EGS 100还包括可以与传感器主体102联接的印刷电路板（PCB）116。除了上述部件之外，在一些示例实施例中，EGS 100还可以包括一个或多个感测元件（例如，感测管芯）和过滤器，其中参考图2至图5描述了其细节。根据各种示例实施例，EGS 100可以用于从气体浓度感测目标气体。
在一些示例中，EGS 100可以在一些行业中使用：不论环境波动（诸如传感器组件所暴露于其中的温度和湿度）如何，关键在于测量目标气体。为此，根据本文描述的各种示例实施例，EGS 100可以适于通过从感测信号中去除噪声信号的贡献来确定目标气体。在这方面，噪声信号可以是考虑到由于EGS 100所经历的环境参数的变化而引起的噪声以及导致传感器读数误差的信号。
图2图示了根据本文描述的一些示例实施例的电化学气体传感器（EGS）100的截面图。图2所示的EGS 100的截面图表示EGS 100的部件的内部结构和布置。在这方面，根据一些示例实施例，EGS 100从顶端开始包括防尘盖202，所述防尘盖202可以具有盘形形状并且可以定位在传感器盖204上。防尘盖202可包括防尘帽、密封套或包围传感器盖204的盖。在一些示例实施例中，防尘盖202可以由橡胶、尼龙、聚酰胺或任何其他材料制成。在这方面，在一些示例实施例中，防尘盖202的材料可以选自可渗透膜或半可渗透膜，其防止灰尘颗粒通过但允许目标气体从其中通过进入传感器组件中。
此外，在一些示例实施例中，EGS 100还包括第一感测单元212。说明性地，第一感测单元212流体联接到传感器盖204。在一些示例实施例中，传感器盖204具有顶表面和底表面。传感器盖204可以进一步在顶表面和底表面之间限定穿过其中的毛细管206。进一步地，在一些示例实施例中，毛细管206在第一感测单元212和传感器主体102之间延伸。
在一些示例实施例中，第一感测单元212包括感测电极216、参考电极220和对电极222。在一些示例实施例中，感测电极216、参考电极220和对电极222可以是适于将电流载送到非金属固体、液体、气体、等离子体或真空的任何固体电导体，但不仅限于这些。
根据一些示例实施例，EGS 100可包括呈两个半部的感测单元，其中包括感测电极216和参考电极220的一对电极限定EGS 100的第一半部，并且包括对电极222和参考电极220的另一对电极限定EGS 100的第二半部。在这方面，感测电极216提供由于感测电极216处的氧化还原反应而产生的电流。进一步地，在这种示例中，取决于目标气体的类型，感测电极216和对电极222可以分别用作阳极端子或阴极端子。
如图所示，EGS 100包括一个或多个分隔件（例如，分隔件226），所述分隔件可以定位在电极之间以隔开感测电极216、参考电极220和对电极222。在这方面，在一个示例性实施例中，分隔件226可以包括其尺寸可以被设计成接收第一感测单元212的孔。进一步地，在一些示例实施例中，分隔件226可以是可操作的，以用于将感测电极216与位于EGS 100组件中的分隔件226下方的部件隔离。
在一些实施例中，EGS 100还可以包括一个或多个分隔件226。分隔件226的尺寸可被设计成并被配置成提供到EGS 100内部的感测电极216、参考电极220和对电极222的跨越路径。在这方面，分隔件226还可提供用于将在EGS 100内部发生电化学泵作用的离子路径。
如图所示，EGS 100还包括第二感测单元208。进一步地，在一些示例实施例中，第二感测单元208可以与传感器盖112流体联接。
在另一个示例性实施例中，第二感测单元208可以包括辅助电极218。在这方面，如图所示，在一些示例实施例中，辅助电极218的第一表面可以与传感器盖112的第一表面联接。进一步地，辅助电极218的第二表面可以浸入电解质中。根据本文描述的一些示例实施例，辅助电极218的物理和化学性质可以类似于感测电极216的物理和化学性质。进一步地，在一个示例性实施例中，可以通过在辅助电极218上使用对湿度和温度变化具有反应性的催化剂层来增加辅助电极218的灵敏度。
在一些示例实施例中，传感器盖112具有顶表面和底表面，所述顶表面和底表面限定穿过其中的毛细管210。在这方面，传感器盖112的底表面定位在第一感测单元212上，并且传感器盖112的顶表面与过滤器214联接。进一步地，毛细管206在传感器主体102的外表面和第一感测单元212之间延伸。以类似的方式，毛细管210在过滤器214和第二感测单元208之间延伸。根据本文描述的各种示例性实施例，毛细管206可以用作气体入口，使得包括目标气体的空气混合物可以经由毛细管206流入EGS 100中。
在一些示例实施例中，过滤器214包括对目标气体具有反应性的材料。过滤器214适于防止目标气体通过第二毛细管210进入。
在另一个示例性实施例中，EGS 100还包括印刷电路板（PCB）116、芯224和电线（未明确示出）。进一步地，EGS 100的传感器组件可以进一步连接到PCB 116的基板。
根据本文描述的各种示例实施例，目标气体可流过第一毛细管206并到达第一感测单元212。在第一感测单元212处，目标气体在存在各种环境参数的情况下与感测电极216反应。环境参数包括例如温度和湿度，但不仅限于这些。环境参数可包括存在于EGS 100附近的相对温度（即，热量水平）和相对湿度值。
在一些实施例中，芯224可以适于根据需要通过毛细管作用通过EGS 100的各种部件的堆叠来抽取电解质。在这方面，芯224可从EGS 100的主体腔体捕获电解质，以保持贯穿EGS 100的部件的堆叠的至少一部分的液位。进一步地，芯224可提供用于将在EGS 100内部发生电化学泵作用的离子路径。芯224还可为对电极222和辅助电极218提供湿润界面，并且可防止或部分地防止目标气体从其中通过。
图3示意性地描绘了表示电化学气体传感器（EGS）300（例如，如图1和图2分别描述的EGS 100）的***的各个部件的方框图。说明性地，EGS 300可以包括部件，所述部件例如但不限于第一感测电极216、参考电极220、对电极222、辅助电极218、第一传感器盖204、传感器盖112、PCB 116、第一毛细管206、第二毛细管210和过滤器214。根据一些示例性实施例，EGS 300可操作，以基于EGS 300的感测电极216处的电化学反应来检测目标气体。
根据本文描述的一些示例性实施例，感测电极216可对应于这样的电极在目标气体扩散到EGS 100、300中时发生至少一部分“氧化还原反应”的电极。根据一些实施例，本文描述的氧化还原反应可对应于涉及感测电极216处的还原反应和对电极222处的平衡氧化反应的电化学反应。在一些实施例中，对电极222可对应于在感测电极216处发生反应时电流流动的电极。另外，辅助电极218可对应于在不存在目标气体的情况下发生至少一部分氧化还原反应的电极。在一些示例中，在辅助电极218处产生的电流可对应于环境参数（诸如相对温度和相对湿度水平）的漂移。
在这方面，根据各种示例实施例，为了平衡感测电极216处的反应，在对电极222处发生逆反应，并且反之亦然。例如，在示例情形下，如果在感测电极216处发生氧化，则在对电极222处发生还原反应。在一些示例中，参考电极220可对应于具有稳定电极电势的电极。在这方面，参考电极220可在不使电流通过参考电极220的情况下提供对感测电极216处的电势的测量。
进一步地，参考电极220可被配置成提供在EGS 100、300的操作期间可在EGS 100、300内部发生的电化学反应所需的稳定参考电势。在这方面，在感测电极216处相对于参考电极220和对电极222的反应导致感测电流。感测电流是由于在第一感测单元212处目标气体的存在而引起的。进一步地，感测电流由于环境参数（例如，至少温度和湿度）的漂移而偏离。
在一个示例性实施例中，辅助电极218适于在不存在目标气体的情况下确定辅助电流。辅助电流取决于环境参数的变化量。确定辅助电流以从所感测的信号消除噪声信号的贡献。噪声信号取决于环境参数（诸如温度或湿度）的波动。
在一个示例性实施例中，第一毛细管206和第二毛细管210具有相同的尺寸并经历相同的环境条件。具有相同尺寸的第一毛细管206和第二毛细管210适于暴露于相似的环境条件。进一步地，第一毛细管206允许气体从其中通过，并且第二毛细管210上的过滤器214防止目标气体从其中通过。第一感测单元212处的感测电流对应于目标气体和环境条件/参数。进一步地，辅助电极218处的辅助电流不受目标气体的影响。
根据本文描述的各种示例实施例，PCB 116可以被配置成基于目标气体在感测电极216处的反应来测量第一电流。PCB 116被进一步配置成基于由于辅助电极218处的环境参数变化而引起的反应来确定第二电流。
在一个示例性实施例中，电路直接连接到EGS 100、300抑或连接到PCB 116，并且被配置成基于感测电流和辅助电流确定差分电流。在一个示例性实施例中，差分电流导致从感测电流减去辅助电流，或者换句话说，减去由于环境参数引起的噪声或误差信号。在一个示例性实施例中，可以基于对感测电流和辅助电流的确定来改进EGS 100、300的灵敏度和信噪比。在一些实施例中，差分电流对应于基于所述至少一个环境参数的大小的噪声电平的量。所述至少一个环境参数包括传感器组件内的温度值或湿度值中的至少一者。
在一些实施例中，PCB 116可被进一步配置成例如向处理器、计算装置、显示装置或任何其他合适的仪器或装置提供EGS 100、300的数字化输出以用于进一步的处理或分析。在这方面，数字化输出可与由EGS 100、300监测的目标气体有关。在一些实施例中，数字化输出可以包括指示被监测的目标气体的浓度的信号或其他传输形式。在一些实施例中，数字化输出可以包括指示被监测的目标气体的浓度随时间推移变化的信号或多个信号或其他传输形式。在一些实施例中，数字化输出可以是随时间推移的分批式目标气体浓度值的突发流或间歇流，或者是实时或接近实时的目标气体浓度值的稳定流。
在一些实施例中，信号或其他传输可包括指示第一感测单元212之间或之内的电流或电势的信号或其他传输。在这方面，由于在EGS 100、300的一个或多个电极处发生的氧化还原反应，因此电流可例如在一个或多个电极（未示出）之间流动。氧化还原反应是由于目标气体进入EGS 100、300内部引起的。在一些实施例中，PCB 116 可包括用于测量EGS100、300上的电流并控制偏置的电路。另外或替代地，PCB 116可包括处理电路，所述处理电路被配置成确定由于感测电极216处目标气体的存在而引起的感测电流。处理电路被进一步配置成确定由于环境参数（诸如温度和/或湿度）的漂移引起的辅助电流。
根据一个示例性实施例，第一传感器盖204可以限定穿过其中的第一毛细管206，并且传感器盖112可以限定穿过其中的第二毛细管210。进一步地，如图所示，过滤器214可定位在第二毛细管210上。过滤器214对目标气体具有反应性并防止目标气体从其中通过。
另外和/或替代地，在一些示例实施例中，EGS 100、300可以包括防尘盖114、防尘盖202、一个或多个分隔件226、芯224以及在本文图3中未图示的其他部件。
在一些实施例中，EGS 100、300还可以包括除了感测电极216之外可以使用的催化剂（未示出）。在这方面，在一些示例中，催化剂可以层压在感测电极216上以增加感测电极216的灵敏度。换句话说，催化剂可以有助于提高目标气体和感测电极216之间的反应速率。根据一些示例实施例，可以在EGS 100、300以及感测电极216中使用的催化剂类型可以取决于待由EGS 100、300检测和测量的目标气体。在这方面，在一些示例中，可以取决于待测量的目标气体的类型使用催化剂，诸如Pt、AG、AU、Ru。例如，在一个示例性实施例中，当目标气体是CO时，Pt可以作为催化剂与感测电极216一起使用。为简洁的目的，贯穿整个说明书，感测电极216在下文中也可以互换地称为工作电极。
图4A和图4B示意性地描绘了根据本文描述的一些示例实施例的电化学气体传感器（EGS）100的分解俯视图400以及电化学气体传感器的分解仰视图450。
说明性地，EGS 100的分解俯视图400描绘了EGS 100的各种部件以及部件的定位。例如，分解俯视图400图示了安装在传感器盖204的第一侧上的防尘盖202。传感器盖204安装在感测电极216的第一侧上。另外，感测电极216与参考电极220和对电极222联接。感测电极216和参考电极220通过分隔件226隔开。根据各种示例性实施例，辅助电极218的第一表面安装在传感器盖112的第一表面上。进一步地，辅助电极218的第二表面浸入电解质内。过滤器214放置在传感器盖112的第二表面上。例如，当组装EGS的各种部件时，EGS 100的各种部件可适于彼此接合或联接在一起以形成传感器组件100， 如下文所述。在一些实施例中，从下端开始，传感器主体102包括PCB 116。
根据本文描述的一个示例性实施例，感测电极216的尺寸可设计成并且被配置成提供用于目标气体的电化学反应的介质，所述介质可通过传感器盖204的第一毛细管206扩散到EGS 100内部。在这方面，在一些示例实施例中，感测电极216可包括提供足够活性以用于减少目标气体的材料或者由所述材料制成，所述目标气体可接触存在于感测电极216上的电催化剂的表面。
根据本文描述的各种示例实施例，在传感器主体102的顶表面108上，辅助电极218、芯224、对电极222、参考电极220和传感器盖204彼此堆叠。感测电极216适于产生由于感测电极216处的第一化学反应而引起的第一电流。类似地，第二感测单元（即，辅助电极218）适于产生由于辅助电极218处的第二化学反应而引起的第二电流。
根据本文描述的各种示例实施例，从图4B的分解仰视图450的顶部开始，EGS 100还包括过滤器214、传感器盖112和感测电极216。过滤器214安装在由传感器盖112限定的腔体上。过滤器214适于覆盖毛细管以防止气体从其中进入。在一些实施例中，EGS 100可不包括PCB 116，而是EGS 100可以可操作地联接到外部PCB 116或其他这样的装置，使得可以传输、存储和/或在显示装置（未示出）上显示由EGS 100完成的测量结果和/或指示测量结果的信号。
根据本文描述的各种示例实施例，根据本文描述的各种示例实施例的PCB 116可以适于将EGS 100连接到外部电路（未示出）。在一些实施例中，EGS 100可以包括内部传感器垫（未示出），所述内部传感器垫被配置成联接到外部电路的一个或多个传感器垫（未示出），以便联接EGS 100以及可在EGS 100外部的外部电路。
在一些实施例中，EGS 100、300可以包括一个或多个集流线402，所述集流线可分别连接到第一感测单元208和第二感测单元212以及PCB 116，如图4A所示。在这方面，在一些示例中，所述一个或多个集流线402可以适于在EGS 100、300的一个或多个电极之间提供电连接，以及进一步向在PCB 116上的一个或多个外部接触垫提供电连接。例如，在一些实施例中，一个或多个集流线402可经由分隔件226、参考电极220、对电极222和辅助电极218与各种部件（包括但不限于感测电极216）形成一个或多个电连接。
图5示意性地描绘了根据本文描述的另一个实施例的电化学气体传感器的截面图以及由电化学气体传感器（例如，EGS 100）执行的操作。图5所示的EGS的结构布置类似于图1至图4所示的EGS 100、300。进一步地，如图5所示的EGS包括与图1所示的传感器主体102等效的电解质504。进一步地，防尘盖114和防尘盖202适于防止灰尘颗粒从其中通过。过滤器214可以被配置成基于过滤器214和目标气体之间的化学反应来防止目标气体流入毛细管210内部。在本发明的一个示例性实施例中，过滤器214包括膜、化学物质、化学物质与玻璃纤维的混合物、或化学物质与PTFE粉末的混合物中的至少一种。另外，膜包括活性炭过滤器，并且化学物质包括高锰酸钾以吸收存在于目标气体中的挥发性有机化合物（VOC）和甲醛含量。过滤器214防止由于目标气体和过滤器214之间的反应而引起目标气体进入。
在本发明的一个示例性实施例中，第一毛细管206可与EGS 100的电化学电池的电极流体连通。第一毛细管206可以是可操作的，以促进目标气体流入EGS 100内部。由第一毛细管206提供的气体入口可延伸通过EGS 100的壳体的一部分。在EGS 100的操作期间，目标气体可传送到EGS 100中或者使目标气体在EGS 100内扩散，以用于气体浓度测量和/或监测的目的。
在一些实施例中，电化学电池可以被配置成使得第一感测单元212的感测电极216和对电极222与芯224一起形成电路，由此离子可经由芯224在感测电极216和对电极216之间传送。电子在对电极222和感测电极216之间沿相反的方向传送，从而产生被称为感测电流的可测量电流。
在一些实施例中，感测电极216可例如经由芯224可操作地联接、离子联接、电联接和/或流体联接到对电极222。EGS 100可任选地包括参考电极（未示出）。根据本文描述的各种示例性实施例，感测电极216也可被称为“工作电极”、“第一电极”或“消耗电极”，并且通常指代被配置成在目标气体的浓度测量期间暴露于或消耗至少一部分目标气体的电极。
根据各种示例性实施例，EGS 100或其部件可以是可操作的，以基于当目标气体在EGS 100内部扩散时发生的氧化还原反应来监测目标气体（例如，氧气或一氧化碳）的浓度。从这个意义上来说，包括感测电极216的电化学电池可消耗目标气体并通过芯224向对电极222传输离子，并且对电极222可以产生目标气体，使得可以通过测量感测电极216和对电极222之间的电流流动或电势差来实现对目标气体浓度的测量，该电势差可由于电化学电池内部的电化学反应而产生。
在一些实施例中，EGS 100可以任选地包括印刷电路板（PCB）116，所述印刷电路板包括可被配置成接收数字化输出的处理电路，所述数字化输出指示对应于在EGS 100的电化学电池内部产生的电流或电压的值。在这方面，根据本文描述的各种示例实施例，处理电路可处理这种值以确定目标气体的浓度。在另一个示例实施例中，PCB 116和处理电路可以位于EGS 100外部。
在这方面，在一些示例中，EGS 100的一个或多个电触点可与位于外部的PCB 116和相关联的处理电路连接。在一些实施例中，PCB 116和处理电路可位于远程装置中，所述远程装置可例如通过有线或无线通信网络或基于某些电连接与EGS 100连接。在这种情况下，PCB 116和处理电路可访问来自EGS 100的信号值并远程执行处理。
在示例性实施例中的一者中，传感器组件包括定位在传感器组件的第一端上的第一传感器盖以及定位在传感器组件的第二端上的第二传感器盖。第一传感器盖限定第一毛细管并且第二传感器盖限定第二毛细管。传感器组件还包括第一感测单元、第二感测单元和过滤器。第一感测单元和第二感测单元定位在第一传感器盖和第二传感器盖之间。进一步地，过滤器定位在第二毛细管上。对目标气体具有反应性的过滤器被配置成防止目标气体通过第二毛细管流入。进一步地，第一毛细管被配置成允许目标气体流入传感器组件中。
在所述示例性实施例中的一种中，第一感测单元包括感测电极、参考电极和对电极。感测电极可以定位在传感器组件的第一端上。第二感测单元包括定位在传感器组件的第二端上的辅助电极。参考电极和对电极定位在感测电极和辅助电极之间。
进一步地，根据一些示例实施例，传感器组件还包括联接到传感器组件的印刷电路板（PCB）。印刷电路板被配置成在存至少一个环境参数的情况下基于目标气体和第一感测单元之间的第一反应确定来第一电流，并基于第二感测单元处的第二反应来确定第二电流。
进一步地，根据一些示例实施例，第一电流对应于第一感测单元处的目标气体的量，并且第二电流对应于所述至少一个环境参数的大小。
在一些实施例中，EGS可以包括层压毛细管，所述层压毛细管在与辅助电极联接时用作过滤器。层压毛细管可以可操作，以防止目标气体从其中通过。
根据本文描述的一些示例实施例，如本文描述的电化学气体传感器（EGS）可对应于一氧化碳传感器。在一些实施例中，例如，当EGS是一氧化碳传感器时，根据以下半反应，一氧化碳（CO）可在感测电极处还原：
在感测电极处：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（式1）
在对电极处：
Figure 365322DEST_PATH_IMAGE002
（等式2）
电池反应：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
在这方面，传感器内部的总体反应可导致一氧化碳的消耗。在其他实施例中，可根据其他半反应来消耗和产生其他气体，以实现与本文参考一氧化碳传感器的示例描述的反应相似但不同的基本上平衡的氧化还原反应。在一些实施例中，可以任选地借助于参考电极和恒电势仪来维持总体反应，所述参考电极和/或恒电势仪可操作以降低感测电极216处的电势并允许反应进行。感测电极216和对电极222之间的所得电流可与环境气体的浓度成比例，并且因此可以通过一氧化碳传感器来由此测量和/或监测目标气体（例如，一氧化碳）的浓度。
进一步地，根据一些示例实施例，EGS 100可以用于家庭环境中的甲醛检测。碳布（即，过滤器）可以定位在第二毛细管上，以保持甲醛远离辅助电极。四电极传感器给出两个电流信号：感测电极处的第一电流Isens和辅助电极处的第二电流Iaux。Isens可以包括基线电流Ibase和来自目标气体的电化学反应的响应电流Iresp，而第二电流Iaux可以只是来自基线的电流。响应电流Iresp（也称为差分电流）是由于环境参数的变化引起的，并且因此通过使用以下关系式，目标气体浓度的变化是：
Isens = Ibase + Iresp，
Iaux = Ibase
因此，Iresp = Isens-Iaux。
根据本文描述的一些示例实施例，第一毛细管的第一尺寸可以与第二毛细管的第二尺寸相同。
在一些示例实施例中，本文的某些操作可如下文所述的那样被修改或进一步放大。此外，在一些实施例中，还可包括附加的任选操作。应当理解，本文描述的修改、任选附加或放大中的每一者可与本文的操作单独地抑或与本文描述的特征中的任何其他特征组合地包括在内。
前述方法描述和过程流程图仅被作为说明性示例提供，并且不旨在要求或暗示各种实施例的步骤必须以所呈现的顺序执行。如本领域技术人员将理解的，前述实施例中的步骤顺序可以以任何顺序执行。诸如“此后”、然后”、“下一个”等的词不旨在限制步骤的顺序；这些词仅用于引导读者理解对方法的描述。进一步地，以单数（例如，使用冠词“一”、“一个”或“该”）对权利要求元素的任何引用都不应被解释为将元素限制为单数。
用于实施结合本文公开的方面描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可包括通用处理器、数字信号处理器（DSP），诸如专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑装置、分立栅极或晶体管逻辑、分立硬件部件或者被设计成执行本文描述的功能的其任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器、或任何其他这样的配置。替代地或另外，一些步骤或方法可由针对给定功能的电路执行。
在一个或多个示例实施例中，本文描述的功能可通过专用硬件或者由固件或其他软件编程的硬件的组合来实施。在依赖固件或其他软件的实施方式中，所述功能可以作为执行存储在一个或多个非暂时性计算机可读介质和/或一个或多个非暂时性处理器可读介质上的一个或多个指令的结果而得到执行。这些指令可由存在于所述一个或多个非暂时性计算机可读或处理器可读存储介质上的一个或多个处理器可执行软件模块来具体实施。在这方面，非暂时性计算机可读或处理器可读存储介质可包括可由计算机或处理器访问的任何存储介质。上述类型的介质的组合也被包括在术语非暂时性计算机可读和处理器可读介质的范围内。另外，存储在所述一个或多个非暂时性处理器可读或计算机可读介质上的指令的任何组合在本文中可被称为计算机程序产品。
受益于前述说明和相关附图中呈现的教导，本发明所属的领域的技术人员将想到本文阐述的本发明的许多修改和其他实施例。尽管附图仅示出了本文描述的设备和***的某些部件，但是应当理解，各种其他部件可与供应管理***结合使用。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施例并且所述修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。此外，上述方法中的步骤可不一定以附图中描绘的顺序发生，并且在一些情况下，所描绘的步骤中的一者或多者可基本上同时发生，或者可以涉及附加步骤。尽管本文采用了特定术语，但是它们仅在一般和描述性意义上使用并非出于限制的目的。

Claims (20)

1.一种传感器组件，包括：
第一传感器盖，所述第一传感器盖设置在所述传感器组件的第一端上，所述第一传感器盖限定穿过其中的第一毛细管；
第二传感器盖，所述第二传感器盖设置在所述传感器组件的第二端上，所述第二传感器盖限定穿过其中的第二毛细管；
第一感测单元，所述第一感测单元包括设置在所述传感器组件的所述第一端上的感测电极；
第二感测单元，所述第二感测单元包括设置在所述传感器组件的所述第二端上的辅助电极，其中，所述感测电极和所述辅助电极中的每一者定位在所述第一传感器盖和所述第二传感器盖之间；以及
过滤器，所述过滤器设置在所述第二毛细管上并由对目标气体具有反应性的材料限定，其中，所述过滤器被配置成防止所述目标气体通过所述第二毛细管流入。
2.如权利要求1所述的传感器组件，其中，所述第一感测单元还包括：
参考电极；以及
对电极，
其中，所述参考电极和所述对电极定位在所述感测电极和所述辅助电极之间。
3.如权利要求1所述的传感器组件，其中，所述过滤器包括膜、化学物质或者所述化学物质与玻璃纤维的混合物中的至少一种。
4.如权利要求3所述的传感器组件，其中，所述膜包括活性炭过滤器。
5.如权利要求3所述的传感器组件，其中，所述化学物质包括高锰酸钾，以吸收存在于所述目标气体中的挥发性有机化合物（VOC）和甲醛含量。
6.如权利要求1所述的传感器组件，还包括联接到所述传感器组件的印刷电路板（PCB），所述印刷电路板被配置成：
在存在至少一个环境参数的情况下，基于所述目标气体与所述第一感测单元之间的第一反应确定第一电流；以及
基于所述第二感测单元处的第二反应确定第二电流。
7.如权利要求6所述的传感器组件，其中，所述第一电流对应于所述第一感测单元处的所述目标气体的量，并且所述第二电流对应于所述至少一个环境参数的大小。
8.如权利要求7所述的传感器组件，其中，所述印刷电路板被进一步配置成基于所述第一电流和所述第二电流来确定差分电流，其中，所述差分电流对应于基于所述至少一个环境参数的大小的噪声电平的量。
9.如权利要求6所述的传感器组件，其中，所述至少一个环境参数包括所述传感器组件内的温度值或湿度值中的至少一者。
10.如权利要求1所述的传感器组件，其中，所述第一毛细管被配置成允许所述目标气体流入所述传感器组件中。
11.一种传感器组件，包括：
第一感测单元，其包括感测电极；
第二感测单元，其包括辅助电极；
设置在所述辅助电极上的第一传感器盖，所述第一传感器盖限定第一毛细管；
其中，所述第一毛细管层压有对目标气体具有反应性的化学物质，以防止所述目标气体通过所述第一毛细管流入；以及
第二传感器盖，所述第二传感器盖设置在所述感测电极上，所述第二传感器盖限定第二毛细管并允许所述目标气体通过其流入。
12.如权利要求11所述的传感器组件，其中，所述第一感测单元还包括参考电极和对电极，并且其中，所述参考电极和所述对电极定位在所述感测电极和所述辅助电极之间。
13.如权利要求11所述的传感器组件，其中，所述第二感测单元设置在所述传感器组件的第一端上，并且所述第一感测单元设置在所述传感器组件的第二端上。
14.如权利要求11所述的传感器组件，其中，所述化学物质包括高锰酸钾或玻璃纤维与高锰酸钾的混合物中的至少一种。
15.一种传感器组件，包括：
外壳，所述壳体包括：
第一传感器盖，所述第一传感器盖设置在所述壳体的第一端上，所述第一传感器盖限定第一毛细管，所述第一毛细管被配置成允许目标气体从中通过；
第二传感器盖，所述第二传感器盖设置在所述壳体的第二端上，所述第二传感器盖限定第二毛细管；
第一感测单元；
第二感测单元，其中，所述第一感测单元和所述第二感测单元中的每一者分别定位在所述第一传感器盖和所述第二传感器盖之间；以及
过滤器，所述过滤器由对所述目标气体具有反应性的材料限定，并被定位成与所述第二毛细管流体连通，所述过滤器被配置成防止所述目标气体通过其流入。
16.如权利要求15所述的传感器组件，其中，所述第一感测单元包括：
与所述第一毛细管联接的感测电极；
参考电极；以及
对电极，以及
其中，所述第二感测单元包括在所述壳体内与所述第二毛细管联接的辅助电极，并且其中，所述参考电极和所述对电极定位在所述感测电极和所述辅助电极之间。
17.如权利要求15所述的传感器组件，其中，所述过滤器包括膜、化学物质以及化学物质与玻璃纤维的混合物中的至少一种。
18.如权利要求15所述的传感器组件，还包括印刷电路板，所述印刷电路板被配置成：
在存在至少一个环境参数的情况下，基于第一反应确定第一电流；以及
基于所述第二感测单元处的第二反应确定第二电流。
19.如权利要求18所述的传感器组件，其中，所述第一电流对应于所述第一感测单元处的所述目标气体的量，并且所述第二电流对应于所述第二感测单元处的所述至少一个环境参数的大小。
20.如权利要求18所述的传感器组件，其中，所述印刷电路板进一步被配置成基于所述第一电流和所述第二电流来确定差分电流，其中，所述差分电流对应于基于所述至少一个环境参数的所述大小的噪声电平的量。
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