用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電化學(xué)傳感器的測試，尤其涉及用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，電化學(xué)傳感器的應(yīng)用愈趨廣泛，特別是在有毒氣體的檢測和測量、以及酒精呼氣測試中多有應(yīng)用。大多數(shù)電化學(xué)傳感器不是燃料電池型兩電極器件就是穩(wěn)壓器控制的三電極器件。為了準(zhǔn)確測試傳感器的精準(zhǔn)度，必需用測試氣體對其進行檢驗。如果能設(shè)計出一種診斷測試能夠在不需要測試氣體的情況下就可以給出關(guān)于傳感器是否正常工作(未損壞)的信息，則顯然會是非常有利的。這特別適用于諸如機動車輛點火聯(lián)鎖酒精測定儀和一氧化碳報警器之類的默認結(jié)果為零的安裝情境。
[0003]盡管兩電極傳感器在大多數(shù)方面優(yōu)于三電極類型，但是三電極傳感器也有一個優(yōu)點，即有一套用于檢驗其電連續(xù)性的機制(在美國專利5202637中有記載)。該檢驗機制在于向三電極電化學(xué)傳感器的工作電極施加相對于參考電極電勢的受控電勢的步階變化，如果傳感器是起作用的，則會在工作電極和對電極之間得到電流響應(yīng)。但是兩電極傳感器沒有單獨的參考電極和對電極，所以一種用于兩電極傳感器的連續(xù)性檢驗的測試裝置是所期望的。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]以下給出一個或多個方面的簡要概述以提供對這些方面的基本理解。此概述不是所有構(gòu)想到的方面的詳盡綜覽，并且既非旨在指認出所有方面的關(guān)鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的范圍。其唯一的目的是要以簡化形式給出一個或多個方面的一些概念以為稍后給出的更加詳細的描述之序。
[0005]本實用新型中的目的之一是提供一種用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測試裝置。
[0006]根據(jù)本實用新型的一方面，提供了一種用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測試裝置，該電化學(xué)傳感器具有感應(yīng)電極和參考電極，該測試裝置包括:
[0007]電流脈沖單元，耦接至該電化學(xué)傳感器的感應(yīng)電極，以用于產(chǎn)生相對于傳感器極性為負的短電流脈沖以激勵該電化學(xué)傳感器；以及
[0008]電流至電壓轉(zhuǎn)換單元，耦接至該電化學(xué)傳感器的該感應(yīng)電極和參考電極以將該電化學(xué)傳感器受該短電流脈沖激勵的響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換成響應(yīng)電壓，該響應(yīng)電壓的特性指示該電化學(xué)傳感器的故障情況。
[0009]在一實例中，該電流脈沖單元包括:第一電阻器，該第一電阻器的第一端耦接至該電化學(xué)傳感器的該感應(yīng)電極；以及晶體管，該晶體管的漏極耦接至該第一電阻器的第二端，并且該感應(yīng)電極的電位被鉗制于高于該晶體管的源極的預(yù)定電位，其中，當(dāng)該晶體管為導(dǎo)通時，跨該第一電阻器兩端的電壓產(chǎn)生電流，當(dāng)該晶體管為截止時，電流停止，從而獲得相對于傳感器極性為負的該短電流脈沖。
[0010]在一實例中，該測試裝置還包括:微控制器，用于輸出導(dǎo)通信號至該晶體管的柵極，以使該晶體管導(dǎo)通。
[0011]在一實例中，該微控制器每次輸出該導(dǎo)通信號的持續(xù)時間在lms-100ms的范圍內(nèi)，以獲得持續(xù)時間在1ms-100ms范圍內(nèi)的該短電流脈沖。
[0012]在一實例中，該微控制器每次輸出該導(dǎo)通信號的持續(xù)時間為5ms，以獲得5ms的該短電流脈沖。
[0013]在一實例中，該電流至電壓轉(zhuǎn)換單元為跨阻運算放大器，該跨阻運算放大器的負輸入端子耦接至該感應(yīng)電極，正輸入端子耦接至該參考電極，以及輸出端子輸出該響應(yīng)電壓。
[0014]在一實例中，該測試裝置還包括串聯(lián)于電源電壓與地之間的第二電阻器和穩(wěn)壓管，該跨阻運算放大器的該正輸入端子耦接至該第二電阻器和該穩(wěn)壓管之間，從而使得該正輸入端子和負輸入端子被鉗制于高于該晶體管的源極的該預(yù)定電位。
[0015]在一實例中，該預(yù)定電位和該第一電阻器的大小被設(shè)計成使得該短電流脈沖的幅值范圍為 0.0lmA-0.5mA。
[0016]在一實例中，該短電流脈沖為方波脈沖。
[0017]在一實例中，該響應(yīng)電壓的特性包括以下至少一者:峰值高度、峰值時段、清零時間、以及至預(yù)定點的積分。
[0018]根據(jù)本實用新型的測試裝置，能夠在不需要測試氣體的情況下對兩電極的電化學(xué)傳感器進行故障測試，大大降低了測試成本，從而可以更多次地對傳感器進行測試，例如可以在兩次校準(zhǔn)之間的時間里提供關(guān)于傳感器故障狀態(tài)的可靠指示。
【附圖說明】
[0019]在結(jié)合以下附圖閱讀本公開的實施例的詳細描述之后，能夠更好地理解本實用新型的上述特征和優(yōu)點。在附圖中，各組件不一定是按比例繪制，并且具有類似的相關(guān)特性或特征的組件可能具有相同或相近的附圖標(biāo)記。
[0020]圖1是示出了根據(jù)本實用新型的一方面的用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測試裝置的框圖；
[0021]圖2是示出了兩電極的電化學(xué)傳感器在根據(jù)本實用新型的一方面的測試裝置的激勵下的各種輸出響應(yīng)電流的曲線示意圖；以及
[0022]圖3是示出了根據(jù)本實用新型的測試裝置的一具體實施例的結(jié)構(gòu)圖。
[0023]為清楚起見，以下給出附圖標(biāo)記的簡要說明:
[0024]1000:測試裝置
[0025]100:電化學(xué)傳感器
[0026]200:電流脈沖單元
[0027]300:低電阻的電流至電壓轉(zhuǎn)換單元
[0028]P1:正常傳感器的響應(yīng)
[0029]P2:斷開傳感器的響應(yīng)
[0030]P3:損壞傳感器的響應(yīng)
[0031]P4:短路傳感器的響應(yīng)
[0032]201:第一電阻器
[0033]202:晶體管
[0034]203:微控制器
[0035]204:第二電阻器
[0036]205:穩(wěn)壓管
[0037]301:跨阻運算放大器
【具體實施方式】
[0038]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作詳細描述。注意，以下結(jié)合附圖和具體實施例描述的諸方面僅是示例性的，而不應(yīng)被理解為對本實用新型的保護范圍進行任何限制。
[0039]電化學(xué)傳感器通過從它們所被暴露到的分子中提取些微量的電能來進行操作。大多數(shù)這些分子在相當(dāng)于陽極的感應(yīng)電極上(參考電極或?qū)﹄姌O相當(dāng)于陰極)起到燃料的作用。它們將電子注入到電化學(xué)傳感器中，后者隨后向外部電路傳遞電流脈沖。
[0040]某種程度上，可通過向傳感器施加短持續(xù)時間的方波電脈沖來模擬這種行為。傳感器與脈沖的交互部分是作為電容器及部分是作為電池進行充放電，由此得到的瞬變電流被轉(zhuǎn)換成輸出電壓，可用以分析傳感器的故障情況。
[0041]本實用新型利用了兩電極傳感器結(jié)構(gòu)與平行板電容器結(jié)構(gòu)的相似性。只不過穩(wěn)壓法向工作電極施加受控的步階電壓，在本實用新型中向傳感器施加固定幅值的電流脈沖。由于向傳感器施加短持續(xù)時間的方波電脈沖模擬了傳感器的操作，可以根據(jù)傳感器對所施加的短電流脈沖的響應(yīng)來驗證傳感器是否正常工作，或者指示故障與否及故障源。
[0042]圖1是示出了根據(jù)本實用新型的一方面的用于兩電極的電化學(xué)傳感器100的測試裝置1000的框圖。如圖1所示，電化學(xué)傳感器100可包括兩個電極，分別是感應(yīng)電極(在圖1中用符號S標(biāo)不)和參考電極(在圖1中用符號R標(biāo)不)。
[0043]為了對電化學(xué)傳感器100進行故障測試，測試裝置1000可主要包括兩部分的功能單元，分別是電流脈沖單元200和低電阻的電流至電壓轉(zhuǎn)換單元300。
[0044]電流脈沖單元200的作用是產(chǎn)生短電流脈沖。電流脈沖單元200耦接至電化學(xué)傳感器100的感應(yīng)電極S，從而可向電化學(xué)傳感器100的感應(yīng)電極輸入相對于傳感器極性為負的短電流脈沖。這里極性為負是指相對于電化學(xué)傳感器100的基準(zhǔn)(S卩，地)電位為負，SP表示電流是從感應(yīng)電極s流出的，等效于向感應(yīng)電極S輸入電子。
[0045]如前文所述，電化學(xué)傳感器100在常規(guī)使用時相當(dāng)于燃料電池，將電化學(xué)傳感器100置于待測氣體中，使其暴露于待測氣體的分子，待測氣體分子會在感應(yīng)電極上(此時感應(yīng)電極相當(dāng)于電池的陽極)起到燃料作用，從而將電子注入到電化學(xué)傳感器100中，傳感器隨后向外部電路傳遞電流脈沖，從而檢測出待測氣體。在本實用新型中，通過由電流脈沖單元200產(chǎn)生電流脈沖，人為地向傳感器的感應(yīng)電極注入了電子，模擬了傳感器暴露于待測氣體時的行為，通過記錄傳感器此時的響應(yīng)行為，可以得知傳感器是否正常工作。
[0046]換言之，電化學(xué)傳感器100具有類似電容器的存儲電荷的性質(zhì)，所以在被充電時，傳感器會給出類似于傳感器在接收測試氣體(如酒精樣本)時的響應(yīng)，而無需酒精樣本實質(zhì)存在。若傳感器具有斷開連接、短路、或損耗之類的故障，則響應(yīng)也會相應(yīng)變化，從而根據(jù)這種變化得知傳感器的健康或故障狀況。
[0047]在本實用新型中，可以在不需要使用測試氣體的情況下，通過電流脈沖單元200來產(chǎn)生短電流脈沖，例如方波脈沖，以作為對電化學(xué)傳感器100的充電電流，來激勵電化學(xué)傳感器100。
[0048]電化學(xué)傳感器100受到短電流脈沖的激勵，向外部電路傳遞電流脈沖作為響應(yīng)。如圖1所示，低電壓的電流至電壓轉(zhuǎn)換單元300耦接至電化學(xué)傳感器100的感應(yīng)電極S和參考電極R，從而將該響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為響應(yīng)電壓。由于電化學(xué)傳感器100在健康和故障時以及出現(xiàn)不同故障時，響應(yīng)電壓的特性是不同的，由此可以反映出電化學(xué)傳感器的故障情況，包括是否故障、以及故障類型等等。
[0049]電流脈沖單元200可產(chǎn)生固定持續(xù)時間的電流脈沖，例如在lms-100ms的范圍內(nèi)，具體而言例如5ms，而電流脈沖的幅值可以在例如0.0lmA-0.5mA的范圍內(nèi)，具體而言例如0.15mA0
[0050]圖2是示出了兩電極的電化學(xué)傳感器在根據(jù)本實用新型的一方面的測試裝置的激勵下的各種輸出響應(yīng)電流的曲線示意圖。
[0051]如圖2所示，曲線P1示出了傳感器正常狀態(tài)下的響應(yīng)電流。隨著所施加的電容性電荷的放電，脈沖期間的電流尖峰之后伴隨著的是常常的尾部直至逐漸歸零。
[0052]作為診斷目的，該響應(yīng)電流(及相應(yīng)的最終響應(yīng)電壓輸出)的一些特性可指示傳感器的故障情況。這些特性有峰值高度、峰值時段、清零時間(例如，響應(yīng)衰減至峰值的10%的時間)、以及及至預(yù)定點的積分等等。這里的預(yù)定點可以是幅度降至峰值的例如5