CN102455314B

CN102455314B - 电流式氧气感测器

Info

Publication number: CN102455314B
Application number: CN201010518548.7A
Authority: CN
Inventors: 王锡福; 李玉海; 谢文硕
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-10-25
Also published as: CN102455314A

Abstract

本发明公开了一种电流式氧气感测器，用以检测气体的氧分压，具有一本体，本体为一氧离子导电材料，电流式氧气感测器包括：一感测阳极，包括多个第一梳片及一第一梳座部份，其中第一梳片埋设于本体内，其端部与第一梳座连接；一感测阴极，包括多个第二梳片及一第二梳座部份，其中第二梳片埋设于本体内，端部电性连接于第二梳座，感测阳极与感测阴极位置相对，且第一梳片与第二梳片交替式排列并以氧离子导电材料相互隔离，并且，第一及第二梳座以一电压源供应电位并外接一量测电路；一加热电极设置于本体内，以对本体加热，使电流式氧气感测器维持在工作温度；及一电性绝缘层，但为热导体层，用以隔离加热电极所产生的电磁波以防止量测信号被干扰。

Description

电流式氧气感测器

技术领域

本发明涉及一种气体感测器，特别是一种电流式的氧气感测器。

背景技术

氧气感测器应用于燃烧控制，如：汽车引擎的燃烧控制或锅炉的燃烧控制等，主要是确保燃烧完全，及提高燃烧效率以降低污染气体排放。

市面上常被使用的氧气检测器是以传导氧负离子固态电解质为主体，来构成氧气感测器。其中最广为人知的氧气检测器，是以部份安定氧化锆(PSZ)作为传导氧离子的固态电解质的电位式氧气感测器。在氧化锆两端分别通入不同的氧分压，造成氧气自高浓度透过氧化锆向低浓度的氧气移动的趋势。氧气分子进入氧化锆时，在氧化锆表面得到电子，形成氧离子，这些氧离子扩散至氧化锆另一侧表面后，会失去电子形成氧气分子，再离开氧化锆。此种机制在氧化锆两侧表面会造成电动势的差异。根据涅斯特方程式(Nernst equation)，只要在氧化锆一侧通入参考气体，并量测此电动势可以计算出未知气体的氧分压。

但此种感测器的缺点是必须在大约800℃的高温下操作，以降低电流量测时接点的内部电阻，此外，氧化锆的成本相当高，再加上氧化锆材料的熔点可以达到2700℃左右，因此在制作成本及技术方面仍有许多改进的空间。

最近则发展出另一种电流式氧气感测器，不需要再通入参考气体即可量测未知气体的氧分压。以钇安定化氧化锆(Yttria-stabilized Zirconia,YSZ)作为固态电解质，以白金等贵重金属作为阳极与阴极的材料。在施加一个电压后，会使得氧气由阴极经由固态电解质扩散至阳极，因此在阳极与阴极之间可以量测到电流值，这个电流的大小和氧气的浓度成正比，因此只要电流值够精确，就可精确的得知氧气浓度。此种感测器的优点为稳定性高，结构简单，适合微小化，缺点为工作温度过高，而且回复时间过长，以及其仅限于低浓度氧气的量。

在美国专利6592731B1中，揭示一种电流式氧气感测器，具有以氧离子的固态电解质和多孔隙的感测电极交替排列的结构，可以降低制备的难度。感测器内并设有平板式加热电极，以将感测器加热至大约500～800℃。

然而，由于此种电流式氧气感测器是以所检测的电流大小来判定氧气的浓度，当加热控制器对设置于感测器内部的加热电极通电流时，所产生的电磁场也会使实际所测量的电流值失真，造成精确度及灵敏度降低。除此之外，在感测器被加热至工作温度时，会因为固态电解质和感测电极(多孔式金属)的热膨胀系数不同，一段工作时间后累积的热应力容易使固态电解质(材料大部分为陶瓷)内部产生裂缝，进而影响感测器的寿命。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的是提供一种电流式氧气感测器，使感测器被加热以维持在工作温度时，也同时保有其精确度及灵敏度。本发明提供一种电流式氧气感测器，用以检测气体的氧分压，具有一本体，本体为一氧离子导电材料，电流式氧气感测器包括：一感测阳极，包括多个第一梳片及一第一梳座部份，其中该些第一梳片埋设于本体内，其端部与第一梳座连接；一感测阴极，包括多个第二梳片及一第二梳座部份，其中该些第二梳片埋设于本体内，感测阳极与感测阴极位置相对，且该些第一梳片与该些第二梳片交替式排列，并以氧离子导电材料相互隔离，该些第二梳片端部电性连接于第二梳座，第一及第二梳座，以一电压源供应电位并外接一量测电路；一加热电极，设置于本体内，以对本体加热，使电流式氧气感测器维持在工作温度；及一电性绝缘层，但为热导体层，用以隔离加热电极所产生的电磁波以防止量测信号被干扰。

其中，加热电极的材料可选自白金(Pt)、金(Au)、钯(Pd)及其组成的群组其中的一种。氧离子导电层材料选自钇安定氧化锆(Y₂O₃-ZrO₂)、掺杂钇、铌之氧化铋(Bi₂O₃)、掺杂稀土族或过渡性元素的氧化铈(CeO₂)。为了作为一缓冲层及隔绝加热电极所产生的电磁场，电性绝缘层的厚度依不同材料而定，大约0.01至0.03mm。而电性绝缘层材料则为氧化铝(Al₂O₃)掺杂稀土族或过渡元素。

本发明的电流式氧气感测器具有现有电流式氧气感测器容易制备的优点，却减缓因为固态电解质和感测电极热膨胀系数不同，造成氧气感测器寿命缩短的问题。除此之外，也解决了由于加热器设置于感测器内部，造成精确度及灵敏度降低的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1显示本发明电流式氧气感测器的剖面示意图；

图2A及图2B显示本发明不同实施例的加热电极的图案；及

图3A至图3B分别显示形成电性绝缘层及加热电极制备流程不同实施例的示意图；

图4显示本发明另一实施例电流式氧气感测器的剖面示意图；及

图5显示本发明又一实施例电流式氧气感测器的剖面示意图。

附图标号：

1：电流式氧气感测器 10：本体

100：陶瓷片材 101：第一侧面

102：第二侧面 103：顶面

104：底面 11：感测阳极

110：第一梳片部份 110_a～110_c：第一梳片

112：第一梳座 12：感测阴极

120：第二梳片部份 120_a～121_c：第二梳片

122：第二梳座 13：加热电极

130：加热控制器 131：低电阻部份

132：高电阻部份 14：电性绝缘层

15：电压源 16：量测电路

161：安培计 162：电压计

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文依本发明电流式氧气感测器，特举较佳实施例，并配合所附相关附图，作详细说明如下，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。

请参照图1，本发明提供一种电流式氧气感测器1，用以检测气体的氧分压，具有一本体10，本体10为一氧离子导电材料作为固态电解质，在一较佳实施例中，为选自氧化钇-氧化锆(Y₂O₃-ZrO₂)、掺杂碱土金属元素或过渡元素(如：钇、铌、铊、镧、钡、锶)之氧化铋(Bi₂O₃)、掺杂稀土族或过渡元素的氧化铈(CeO₂)及其任意混合所组成的群组其中的一种。

本发明实施例中，电流式氧气感测器1包括一感测阳极11、一感测阴极12、一加热电极13及一电性绝缘层14。

感测阳极11及感测阴极12形成梳状结构。感测阳极11包括一第一梳片部份110及一第一梳座部份112。感测阴极12包括一第二梳片部份120及一第二梳座部份122。其中，感测阳极11与感测阴极12位置相对。

第一及第二梳片部份110，120各自包括多个第一梳片110a～110c及第二梳片120a～120c，埋入于本体10之内，如指叉状交替式排列，并以氧离子导电材料相互隔离。第一梳片110a～110c埋设于本体10内，其端部与第一梳座112连接。相似的，多个第二梳片120a～120c埋设于本体内，端部电性连接于第二梳座。

其中，第一梳片110a～110c和第二梳片120a～120c重叠部分为d_i，本体10第一侧面101及第二侧面102之间的距离为d₁₂，d_i和d₁₂之间的比例大约0.5至0.9为最佳。在本发明最佳实施例中，本体10的长宽高分别大约4mm、2mm及4mm。

感测阳极11及感测阴极12所使用的材料皆选自多孔隙的导电材料，比如：白金或是银等。在本实施例中，孔隙占感测电极体积大约5至50%，会有最佳的效果。

第一及第二梳座部份112，122暴露于本体10之外，以外接一电压源15及一量测电路16。量测电路16包括一安培计161及一伏特计162。感测阳极、感测阴极11，12由电压源15提供一电位差，以趋使氧离子(O^2-)由感测阴极12经由本体10的固态电解质扩散至感测阳极11，再分别以安培计161及电压计162量测因氧离子扩散而产生的电流及电压，以推算未知气体氧气的浓度。

加热电极13，设置于本体10内部，以对本体10加热，使电流式氧气感测器1维持在工作温度。加热电极13并外接一加热控制器130，以对加热电极13提供加热电压。

本发明实施例的加热电极13的图案如图2A及图2B所示。由图中可以看出，本发明实施例的加热电极13包括低电阻部分131及高电阻部份132。其中，高电阻部份132可以是一方波形或一蛇形，线宽大约0.1至0.5mm。

加热电极13的材料可选自由白金(Pt)、金(Au)、钯(Pd)、铑(Rh)及其任意混合所组成的群组的其中一种。

在本发明的一实施例中，本体10的材料为钇安定氧化锆(Y₂O₃-ZrO₂)，本体10的工作温度大约为500～800℃。为了防止感测器在量测氧气浓度时，加热控制器130对加热电极13提供电压，使加热电极13本身所产生的电磁场对量测信号造成影响，电性绝缘层14完全隔挡于加热电极13及第一梳片110b之间，以防止量测信号被加热电极13的电磁场干扰。当然，若加热电极13设置于靠近本体10顶面103，则电性绝缘层14设置于加热电极13及第二梳片120a之间。它虽是电的绝缘体，但不是热的绝缘体，导热系数至少约1W/m·K。

请再参照图1，在本发明实施例中，仅需要一电性绝缘层14将该些梳片隔开，就可以降低加热电极13对量测信号的影响。另一方面，上述的电性绝缘层14可以做为一缓冲层，缓和因感测电极11，12和本体10热膨胀系数不同而产生的热应力。但电性绝缘层14的热膨胀系数与其他各层间之热膨胀系数必需能够相互匹配，其差值约在±3?10^-6?K^-1的范围之间。

电性绝缘层14的材料可依据不同的氧离子导电材料的热膨胀系数来选择，可以选自氧化铝(alumina)、铝酸镁(magnesium aluminate)、碳化硅(silicon carbide)、尖晶石(spinel)、氮化铝(AlN)、氧化锆(ZrO₂)、氧化铪(HfO₂)、氧化硅SiO₂及其任意混合的群组的其中一种。

本发明实施例所使用的钇安定氧化锆(Y₂O₃-ZrO₂)，热膨胀系数随钇的添加量而变化，范围约在10×10^-6～11×10^-6K^-1间，因此选用氧化铝(Al₂O₃)掺杂稀土族或过渡元素作为电性绝缘层14的材料，并且，厚度大约0.01至0.03mm为最佳。

本发明的电流式氧气感测器的本体10是先使用薄带成型法(tape casting)形成多个陶瓷片材。在本发明实施例中，陶瓷片材是选用钇安定氧化锆，也就是形成本体10的主要材料。并且，用来隔绝加热电极13和感测电极11、12之间的电性绝缘层14也是以此方式制备的。

所谓薄带成型法是先将陶瓷粉体、溶剂和分散剂球磨混合，然后加入粘结剂和塑性剂，继续球磨至浆料混合均匀。接着将浆料均匀地涂到或流到基板上，透过板面与刮刀的相对移动形成浆膜，经干燥形成一定厚度均匀的素坯膜。刮刀成型完毕后，膜片经干燥、脱脂，即可烧结，形成陶瓷片材。

接着，在不同的陶瓷片材上分别网印加热电极13、感测阴极12及感测阳极11图案，依序叠合之后进行烧结，形成如图1所看到的结构。本发明实施例中，烧结过程是在常压或高压下，升温至大约1150至1300℃，并持温3小时。

以图1的结构来举例，在形成电性绝缘层14及加热电极13的部分有两种制备方式。请参照图3A及图3B，分别为两种实施例制备流程的示意图。图3A中，陶瓷片材100在形成薄带之后，先将加热电极13网印至陶瓷片材100表面，接着再堆叠电性绝缘层14。图3B，则是先在电性绝缘层14表面网印加热电极13，并面向于本体10底面104，堆叠于陶瓷片材100上。

本发明的另一实施例如图4所示，包括二加热电极13及二电性绝缘层14，它可以使本体10更快的达到工作温度，且更均温。其中一加热电极13靠近本体10的顶面103设置，另一个则靠近于底面104来设置，二电性绝缘层14同样分别用以阻隔此二加热电极13。

另一实施例如图5所示，加热电极设置于第一梳片110b及第二梳片120c之间，并包括二电性绝缘层14，其中一个设置于加热电极13及第一梳片110b之间，另一个位于加热电极13及第二梳片120c之间。此种结构的另外一个优点是电性绝缘层14可以作为缓冲层，有效缓和感测阳极11及感测阴极12和本体10之间因热膨胀系数不同而产生的热应力。

综上所述，本发明的电流式氧气感测器利用电性绝缘层将加热电极与感测电极隔开。使电流式氧气感测器维持在工作温度时，所量测的信号不受到加热电极所产生的电磁场干扰，提高了电流式氧气感测器的灵敏度及精准度。

此外，本发明的电性绝缘层可做为一缓冲层，在升温过程中，本体内部所产生的热应力，可因此得到缓解，降低本体因热应力而产生裂缝的机率，延长电流式氧气感测器的寿命。

本发明虽以较佳实例阐明如上，然其并非用以限定本发明精神与发明实体仅止于上述实施例。本领域技术人员，当可轻易了解并利用其它元件或方式来产生相同的功效。是以，在不脱离本发明的精神与范畴内所作的修改，均应包含在权利要求范围内。

Claims

1.一种电流式氧气感测器，其特征在于，所述电流式氧气感测器用以检测气体的氧分压，具有一本体，所述本体为一氧离子导电材料，所述电流式氧气感测器包括：

一感测阳极，包括多个第一梳片及一第一梳座部份，其中所述第一梳片埋设于本体内，其端部与第一梳座连接；

一感测阴极，包括多个第二梳片及一第二梳座部份，其中所述第二梳片埋设于所述本体内，端部电性连接于第二梳座，所述感测阳极与所述感测阴极位置相对，且所述第一梳片与所述第二梳片交替式排列并以氧离子导电材料相互隔离，其中，所述第一及第二梳座，以一电压源供应电位并外接一量测电路；

一加热电极，设置于所述本体内的所述第一及第二梳片之间，以对所述本体加热，使所述电流式氧气感测器维持在工作温度；及

二电性绝缘层，为热导体层，分别设置于所述加热电极的上及下，以所述二电性绝缘层分别隔开所述加热电极及所述第一及第二梳片，用以隔离所述加热电极所产生的电磁波以防止量测信号被干扰。

2.如权利要求1所述的电流式氧气感测器，其特征在于，所述电性绝缘层的导热系数至少为1W/m·K，所述电性绝缘层及所述氧离子导电材料热膨胀系数差值在±3×10^-6K^-1的范围之间。

3.如权利要求2所述的电流式氧气感测器，其特征在于，所述加热电极的材料选自由白金、金、钯及其任意混合的群组的其中一种。

4.如权利要求1所述的电流式氧气感测器，其特征在于，所述氧离子导电层材料选自氧化钇-氧化锆、掺杂碱土金属元素或过渡元素的氧化铋、掺杂稀土族或过渡元素的氧化铈及其任意混合所组成的群组其中的一种。

5.如权利要求1所述的电流式氧气感测器，其特征在于，所述电性绝缘层材料选自氧化铝、铝酸镁、碳化硅、尖晶石、氮化铝、氧化锆、氧化铪、氧化硅及其任意混合的群组的其中一种。

6.如权利要求1所述的电流式氧气感测器，其特征在于，所述氧离子导电材料为钇安定氧化锆，所述电性绝缘层材料为氧化铝掺杂稀土族或过渡元素，并且，所述电性绝缘层的厚度为0.01至0.03mm。