阅读说明：本技术 一种磁吸式封装电化学气体传感器及其封装方法 (Magnetic attraction type packaged electrochemical gas sensor and packaging method thereof ) 是由 奚亚男 胡淑锦 于 2019-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种磁吸式封装电化学气体传感器及其封装方法,包括：传感器和底座,其中传感器包括上盖板(11)、传感器芯片(12)、基板(13)、磁体环(14)、金属顶针(15)；底座包括磁体环(21)、弹簧针(22)。传感器芯片(12)是三电极共面体系的微间距电极,电极安装在基板(13)上,通过金属顶针(15)实现电气导通,并封装在磁体环(14)内,磁体环(14)位于上盖板(11)和基板(13)之间,由磁性材料制成,上盖板(11)及基板(13)在磁体环(14)位置镀有金属镍层,通过磁力使三者紧密结合,实现可拆解、易更换可维护性好的封装设计。(The invention relates to a magnetic type packaged electrochemical gas sensor and a packaging method thereof, wherein the magnetic type packaged electrochemical gas sensor comprises the following steps: the sensor comprises a sensor and a base, wherein the sensor comprises an upper cover plate (11), a sensor chip (12), a substrate (13), a magnet ring (14) and a metal thimble (15); the base comprises a magnet ring (21) and a spring needle (22). The sensor chip (12) is a micro-space electrode of a three-electrode coplanar system, the electrode is installed on the substrate (13), electric conduction is realized through the metal thimble (15), and the sensor chip is packaged in the magnet ring (14), the magnet ring (14) is positioned between the upper cover plate (11) and the substrate (13) and is made of a magnetic material, the upper cover plate (11) and the substrate (13) are plated with a metal nickel layer at the position of the magnet ring (14), the three are tightly combined through magnetic force, and the packaging design with good maintainability, which is detachable and easy to replace, is realized.)

一种磁吸式封装电化学气体传感器及其封装方法

技术领域

本发明涉及气体检测仪器领域，具体涉及磁吸式封装的电化学气体传感器。

背景技术

随着传感技术的发展，气体传感器一般广泛应用于石化、工业生产、医疗、航空和家居生活等领域。随着物联网技术的发展，气体传感器的应用需求也不断增加。近年，基于电化学技术的气体传感器得到快速发展和广泛应用。

一个典型的电化学传感器的基本元件为：一个工作(或传感)电极、一个对电极，通常还包括一个参考电极。上述电极附于传感器内，衬以电解质。电极位于一块扩散膜的内面上，有多孔供检测物质穿过，但电解质无法渗透。被测物质扩散进入传感器并穿过薄膜到达电极后，将发生电化学反应——或为氧化，或为还原，依物质类型而定。氧化反应使电子通过外电路从工作电极流向对电极；与此相反，还原反应使电子从对电极流向工作电极。上述电子流构成电流，并与气体浓度互成比例，从而实现气体检测。

气体传感器需与环境气体进行接触从而进行检测，使用一段时间后，容易因气体残留，电解质挥发等原因，引起传感器数据不稳定，甚至失效。因而，具有高稳定性、使用寿命长、方便维护等特性的气体传感器是当前人们的迫切需求。

专利CN201510366015.4描述了一种典型的电化学气体传感器封装及实现方法，具体包括底盖、上盖、支撑片、传感器电极、密封盖、防尘透气膜、信号引出PCB板及金属引线。总体来说提供了一种结构简单、使用方便、且在使用过程中不漏液的电化学甲醛传感器，且采用固态电解质，提高了电解质的稳定性和使用寿命，但以上设计还存在以下不足：

(1)传感器使用的内部塑胶外壳组件、胶合剂等材料，在高温或长期使用时，有可能释放出气体，并对目标气体的检测结果产生干扰，使得传感器检测结果不够准确；

(2)传感器结构设计不具备可维护性，当检测数据不准确或失效时，传感器只能整体更换或丢弃，无法通过单独更换组件，实现节约成本、增加使用寿命的目的。

综上所述，针对现有传感器封装无法随意拆卸组件并维修更换的缺点，电化学传感器需要一种可拆解、易更换、可维护性好的封装设计。

发明内容

本发明旨在克服上述技术缺陷，提出了一种一种可拆解、易更换、可维护性好的磁吸式电化学气体传感器的封装设计，以解决现有技术存在的技术问题。

本发明的技术解决方案是，提供一种磁吸式封装电化学气体传感器，包括：传感器和底座，其中传感器包括上盖板(11)、传感器芯片(12)、基板(13)、磁体环(14)、金属顶针(15)；底座包括磁体环(21)、弹簧针(22)。

上盖板(11)采用多孔陶瓷材料，开有大量均匀可控的气孔，上盖板(11)下表面镀有金属镍层，方法是电镀和化学镀中的一种。

传感器芯片(12)使用一种或多种陶瓷材料，包括氧化铝、氮化铝、玻璃、硅片、压电陶瓷、微波介电陶瓷、塑料薄膜等。传感器芯片(12)为三电极共面体系电极，包括第一电极、第二电极和第三电极，传感器芯片(12)表面覆盖有固态电解质层，传感器芯片(12)开有金属化导通孔，并与三电极连接。其中第一电极和第二电极是微间距电极，制备方法为丝网印刷法、湿法蚀刻法、干法蚀刻法中的一种；第一电极为工作电极，第二电极为对电极，第三电极是辅助参比电极，第一电极、第二电极和第三电极位于同一平面；传感器芯片(12)的电极图形为叉指阵列电极、旋转环盘电极中的一种。

基板(13)使用一种或多种陶瓷材料，包括氧化铝、氮化铝、玻璃、硅片、压电陶瓷、微波介电陶瓷、塑料薄膜等。基板(13)的背面包含金属化焊盘，并开有金属化导通孔，其位置与传感器芯片(12)上的导通孔一致，基板(13)上下表面镀有金属镍层，具体方法是电镀和化学镀中的一种。

磁体环(14)位于基板(13)和上盖板(11)之间，传感器芯片(12)包围在磁体环(14)内部。

金属顶针(15)的直径略小于基板(13)和传感器芯片(12)导通孔，金属顶针(15)贯通基板(13)和传感器芯片(12)于导通孔，并与传感器芯片(12)实现电气导通，在传感器芯片(12)电极上端套接有塑胶环，可锁定金属顶针(15)不能上下滑动。

底座上设置有弹簧针(22)，与基板(13)导通孔接触实现电气导通，底座上还设置有磁体环(21)，磁体环(21)位于底座***，底座磁体环(21)与传感器磁体环(14)磁性方向一样，能相互产生磁吸反应。底座磁体环(21)与传感器磁体环(14)由磁性材料制成，可选用的材料包括但不限于：钕铁硼、钐钴、铝镍钴等。

进一步地，底座采用塑胶材料。

进一步地，传感器可作为气体检测仪器的传感检测模组，可以拆卸与更换。

本发明还提供了一种磁吸式封装电化学气体传感器的封装方法，具体封装步骤如下：

S1：在基板(13)上的金属导通孔安装金属顶针(15)，将传感器芯片(12)安装于金属顶针(15)上，在金属顶针(15)顶端安装塑胶环，使其固定金属顶针(15)及传感器芯片(12)、基板(13)的连接；

S2：在基板(13)上安装磁体环(14)，在磁体环(14)上安装上盖板(11)，由于上盖板(11)及基板(13)在磁体环(14)位置镀有金属镍等磁性材料，可被磁体吸附，磁体环(14)的磁吸力使上盖板(11)、基板(13)及传感器芯片(12)紧密结合；

S3：将弹簧针(22)安装于底座上，底座***是磁体环(21)，传感器靠近底座，相互磁吸，引导传感器安装在底座上，且弹簧针(22)与基板(13)上的金属导通孔连接，实现传感器芯片(12)的信号与底座上的弹簧针(22)连通。

本发明设计的磁吸式封装电化学气体传感器，在检测过程中，待测气体通过上盖板，经多孔陶瓷过滤，进入传感器气室，通过电极板上的进气孔，与背面传感器芯片及电解质接触，产生电化学反应，传感器芯片通过金丝绑定，与基板焊盘导通连接，并通过焊接盘连接到外部传感器模拟前端电路，实现数据采集。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本专利采用叉指电极作为传感器电极中的工作电极和对电极，通过使用三电极共面的体系，固定电极间距，大幅缩小电极间距离，减少浓差极化，增加电极反应面积，大幅提升传感器的电化学反应灵敏度。

(2)本专利的各封装组件无需使用粘合剂胶合，也不包含易释放气体的材料，不易干扰传感器检测结果，保证其准确性。

(3)本专利设计的磁吸式封装电化学气体传感器采用磁吸接口，克服磁力即可拆除传感器，可单独对各部件进行清洗、修复、重新组装，拆装过程对传感器无破坏性，具备可维护性，大幅延长了使用寿命，降低使用成本。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明设计的磁吸式封装电化学气体传感器的封装模块示意图；

图2是本发明设计的磁吸式封装电化学气体传感器的传感器芯片示意图；

图3是本发明设计的磁吸式封装电化学气体传感器的基板示意图；

图4是本发明设计的磁吸式封装电化学气体传感器的上盖板示意图。

图例说明：

11、上盖板；12、传感器芯片；13、基板；14、磁体环(传感器)；15、金属顶针；21、磁体环(底座)；22、弹簧针。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说，没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需要说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参考附图1所示，示意了本发明磁吸式封装电化学气体传感器的一种实现方式，包括：传感器和底座，其中传感器包括上盖板(11)、传感器芯片(12)、基板(13)、磁体环(14)、金属顶针(15)；底座包括磁体环(21)、弹簧针(22)。

如图4所示，上盖板(11)采用多孔陶瓷材料，***化学镀镍，检测气体可通过陶瓷上开孔进入到传感器内。

参考附图2所示，传感器芯片(12)板材采用氮化铝陶瓷材料，背面包括第一电极，第二电极，第三电极，其中第一电极(工作电极)和第二电极(对电极)是叉指电极形态，第三电极是参比电极；电极正面第一电极和第二电极的叉指电极形态与背面图形一致；传感器采用固态电解质，电解质覆盖于第一、二、三电极上；传感器芯片(12)在电解质区域，开有大量的贯穿通气孔，电极板正面的气体可通过通气孔，接触到覆盖在背面的电解质及三电极；三电极上各有一个金属化通孔，与电极电路导通。

参考附图3所示，基板(13)采用氮化铝陶瓷材料，在基板(13)***化学镀镍，基板(13)上有金属化孔，其位置与传感器芯片(12)上的孔一致。

磁体环(14)采用钕铁硼永磁材料，位于基板(13)和上盖板(11)间，传感器芯片(12)包围在磁体环内。

4根金属顶针(15)贯通基板(13)和传感器芯片(12)于导通孔，实现与传感器芯片(12)电极的电气导通；金属顶针(15)在电极上端套接塑胶环，锁定金属顶针(15)不能上下滑动。

磁吸式封装电化学气体传感器的具体封装过程如下：

在基板(13)上的金属导通孔安装金属顶针(15)，将传感器芯片(12)安装于金属顶针(15)上，在金属顶针(15)顶端安装塑胶环，使其固定金属顶针(15)及传感器芯片(12)、基板(13)的连接；在基板(13)上安装磁体环(14)，在磁体环(14)上安装上盖板(11)，由于上盖板(11)及基板(13)在磁体环(14)位置镀有金属镍，而镍是磁性材料，可被磁体吸附，因而，磁体环的磁吸力使上盖板(11)、基板(13)及传感芯片(12)紧密结合，实现传感器的组装。

传感器底座包括塑胶底座，4根弹簧针(22)，磁体环(21)，封胶；4根弹簧针(22)安装于塑胶底座后，通过封胶把弹簧针(22)固定；磁体环(21)通过粘合剂粘贴在底座上。

当传感器靠近底座，相互磁吸，引导传感器安装在底座上，且弹簧针(22)与基板(13)上的金属导通孔连接，实现传感器芯片(12)的信号与底座金属弹簧针(22)连通。

(4)通过上述封装设计，在检测时，待测气体首先通过上盖板，经过多孔陶瓷过滤，进入传感器气室，通过传感器芯片上的导气孔，与背面电极及电解质接触，产生电化学反应，传感器芯片通过金丝绑定，与基板焊盘导通连接，并通过焊接盘连接到外部传感器模拟前端电路，实现数据采集。传感器使用的电极为三电极共面叉指电极，在大幅缩小电极体积，实现了微型化封装的同时，也大幅提高了传感器的灵敏度；传感器检测部分不适用粘合剂和易挥发气体的材料，避免了检测过程中的气体污染；传感器采用磁吸接口，克服磁力即可拆除传感器，可单独对各部件进行清洗、修复、重新组装，拆装过程对传感器无破坏性，具备可维护性，大幅延长了使用寿命，降低了使用成本。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。