CN108139352B - 氧传感器和检测氧的方法 - Google Patents

Abstract

氧传感器包括限定内部空间的壳体、感测电极、参考电极、反电极、保持电解质的分离件和在壳体内的腔室。被保持的电解质提供在壳体内的感测电极、参考电极和反电极中的每个之间的离子传导路径，并且腔室容纳感测电极。腔室包括开口，并且分离件延伸到腔室内并大体上填充开口。

Description

氧传感器和检测氧的方法

技术领域

本发明涉及一种在氧传感器内的感测电极氧控制。

背景技术

氧传感器能够被用于在一定环境条件范围内检测邻近传感器的环境中的氧的浓度。当传感器在特定温度下操作时，一定浓度的氧能够溶解在传感器内的电解质中。随着温度升高，大多数气体（包括氧和氮）的溶解度会降低并且导致形成一种或多种气体的气泡。在氧传感器中，包含氮和氧的混合物的空气的这些小气泡会扩散到感测电极并且在催化剂表面处通过电化学还原的过程反应，从而导致人为的高氧读数，这是因为在感测电极处消耗了有限体积的氧气。由于这种响应的瞬时特性，这种类型的失效可以被称为“尖峰（spiking）”失效。

发明内容

在实施例中，氧传感器包括限定内部空间的壳体、感测电极、参考电极、反电极、保持电解质的分离件和在壳体内的腔室。分离件与在壳体内的感测电极、参考电极和反电极中的每个紧密接触，被保持的电解质允许在所有电极之间的离子传导，并且腔室容纳感测电极。腔室包括开口，并且分离件延伸到腔室内并大体上填充开口。

在实施例中，氧传感器包括限定内部空间的壳体、感测电极、参考电极、反电极和保持电解质的分离件。感测电极、参考电极和反电极被布置成平面设置，并且由多孔无纺纤维垫（例如电绝缘玻璃纤维）构成的分离件中的电解质与壳体内的感测电极、参考电极和反电极中的每个紧密接触。被保持在多孔分离件中的电解质形成单个平面离子传导路径，并且感测电极、参考电极和反电极中的每个均被置于该单个平面离子传导路径上。

在实施例中，检测氧的方法包括：在包括感测电极、反电极和参考电极的氧传感器的壳体内接收氧；使得氧与保持电解质的分离件接触；在感测电极和反电极之间、在分离件中的电解质中形成氧浓度梯度；将感测电极附近沿着氧梯度的氧浓度限制成小于阈值量；以及检测感测电极和反电极之间的电流，其中该电流与氧的浓度成比例。分离件与感测电极、反电极和参考电极中的每个接触，并且分离件形成在感测电极、反电极和参考电极之间的平面离子传导路径。

结合附图和权利要求，从以下详细描述将更清楚地理解这些和其它特征。

附图说明

为了更全面地理解本公开，现在将结合附图和详细描述来参考下面的简要描述，其中，相似的附图标记表示相似的部分。

图1示出根据实施例的电化学气体传感器的实施例的示意性横截面。

图2示出根据实施例的氧传感器的等轴视图。

具体实施方式

首先应理解，虽然下面示出了一个或更多个实施例的示例性实施方式，但是可使用任何数目的技术（不管是当前已知的技术还是尚不存在的技术）来实施所公开的系统和方法。本公开不应以任何方式受限于所示实施方式、附图和下文所示的技术，但是可以在所附权利要求的范围以及其等价方案的完整范围内被修改。

术语的以下简要定义应贯穿申请来应用：

术语“包括”意味着包括但不限于，并且应以本专利上下文通常使用的方式来解释；

短语“在一种实施例中”、“根据一种实施例”等通常意味着，在该短语后面的特定特征、结构或者特性可被包括在本发明的至少一种实施例中，并且可被包括在本发明的一种以上的实施例中（重要地，这样的短语不一定指代相同实施例）；

如果本说明书将某物描述为“示例性的”或者“示例”，则应理解的是，其指代非排他性示例；

术语“大约”或“近似”等在和数字一起使用时可意味着特定数字，或者替代性地接近该特定数字的范围，如本领域技术人员所理解的；并且

如果本说明书陈述部件或者特征“可以”、“能够”、“可能”、“应该”、“将要”、“优选地”、“可能地”、“通常”、“可选地”、“例如”、“常常”或者“也许”（或者其它这类语言）被包括或者具有特性，那么该特定部件或者特征不需要被包括或者具有该特性。这样的部件或者特征可以可选地被包括在一些实施例中，或者它可以不被包括。

本文描述的氧传感器依赖氧气泵的原理。在这种类型的传感器中，根据下列半反应，氧在感测电极处被还原并且水在反电极处被氧化：

在感测电极处：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O （等式1）

在反电极处：2H₂O→O₂+4H⁺+4e^- （等式2）

整个反应导致在感测电极处消耗氧且在反电极处产生等量的氧。整个反应借助于参考电极和恒电位仪被维持，其降低在感测电极处的电势并且允许反应继续进行。在感测电极和反电极之间产生的电流与周围气体的氧浓度成比例。相比于其它传感器，不存在消耗电极本身的消耗反应。

在每个电极处的反应导致了在电解质中的氧浓度梯度。在电解质中溶解的氧的浓度随着电解质的成分、电解质的温度、大气压力和相对于感测电极和反电极的位置而变化。在感测电极处或附近的氧浓度可以是大约0%，而在反电极处或附近的电解质中的氧浓度可以对应于接近或高于周围气体浓度的浓度。在这个梯度中，溶解的氧和/或氮的浓度会由于温度上升而超过饱和浓度。随着温度升高到饱和浓度之上，包括氧的气相能够形成，并且产生的气相气泡能够行进到感测电极，在此它们可以反应。产生的浓度值尖峰能够导致错误的警报。

为了控制在围绕感测电极的电解质中的氧浓度，空气/电解质界面能够被控制成使得最接近的界面被定位在距感测电极适当的距离处。具体地，能够围绕感测电极产生低氧区域，该感测电极大体上被密封从而与空气/电解质界面隔离开。这个区域可以限制通过湿分离件发生的将氧引入到感测电极。为了控制入口氧扩散速率，分离件的相对几何参数能够与在感测电极、参考电极和反电极之间的相对距离一起被调整，以致到达感测电极的氧通量被控制。这可以提供跨越宽的温度范围的对尖峰失效具有提高的抗性的氧传感器。在一些实施例中，围绕感测电极的密封区域能够被用于将到达感测电极的氧的量限制成扩散流。密封区域可以限制或者防止气体中的氧接触邻近感测电极的分离件，这可以有助于避免任何尖峰失效。

图1示出氧传感器100的实施例的横截面，并且图2示出图1的氧传感器的等轴视图，其中示出了分离件和电极的布局。氧传感器100能够包括多部件式壳体，其至少包括限定用于接收并保持电解质（例如，形成电解质储存器）的中空内部空间110的主体102、基部104和盖106。基部104和盖106能够密封地接合主体102以形成整体单元。

主体102可以具有大体矩形或者正方形形状，不过例如圆柱形、椭圆形、长圆形等等的其它形状也是可能的。主体102、盖106和基部104能够全部由对于选定电解质是惰性的材料形成。例如，主体102、盖106和/或基部104能够由一种或更多种塑料或聚合材料形成。在实施例中，主体102、盖106和/或基部104能够由如下材料形成，其包括但不限于：丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS，acrylonitrile butadiene styrene）、聚苯醚（PPO，polyphenyleneoxide）、聚苯乙烯（PS，polystyrene）、聚丙烯（PP，polypropylene）、聚乙烯（PE，polyethylene）（例如，高密度聚乙烯（HDPE））、聚苯醚（PPE，polyphenylene ether）或者其任何组合物或混合物。

能够通过主体形成一个或更多个开口，以允许周围气体进入内部空间110且/或允许在壳体内生成的任何气体逸出。在实施例中，氧传感器100可以包括：至少一个入口开口140，以允许周围气体进入壳体；以及至少一个排放开口142，以允许由反电极111生成的氧从壳体排放。当盖存在和/或在主体102的壁内时，入口开口140和/或排放开口142能够被置于盖106内。入口开口140和/或排放开口142能够包括扩散屏障，以限制感测电极115的气体（例如氧）的流。能够通过将入口开口140和/或排放开口142形成为毛细管和/或薄膜来产生扩散屏障，或膜能够被用于控制通过一个或更多个开口140、142的质量流动速率。

在实施例中，入口开口140和/或排放开口142可以用作毛细管开口，以提供在壳体的内部和外部之间的速率受限的气体交换。在实施例中，入口开口140可以具有在大约20μm和大约200μm之间的直径，其中，能够通过针对较大开口使用常规钻并且针对较小开口使用激光钻来形成开口。根据盖106的厚度，入口开口140可以具有在大约0.5mm和大约5mm之间的长度。排放开口142可以具有与入口开口140相同范围的直径和长度。在一些实施例中，可以针对入口气体和/或排放气体存在两个或更多个开口。当膜被用于控制进入和/或离开壳体的气体流时，开口直径可以大于上文列出的大小，这是因为薄膜能够有助于且/或可以导致能够控制进入和离开壳体的气体的流动速率。

多孔膜122也能够被布置在传感器100内，其一部分能够用作透气膜，以允许在传感器内形成的任何气体穿过膜并离开盖106内的排放开口142到达大气且/或控制通过入口开口140进入壳体的周围气体的流。膜122针对气体可以是多孔的，不过针对任何流体（例如电解质溶液）的通过通常能够形成屏障，以便相对于外部环境形成液体密封。在实施例中，多孔膜122能够由聚四氟乙烯（PTFE，polytetrafluoroethylene）、氟化乙丙烯（FEP，fluorinated ethylene propylene）、聚乙烯（PE，polyethylene）、聚丙烯（PP，polypropylene）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，polymethyl methacrylate）、聚乙烯对苯二甲酸酯（PET，polyethylene terephthalate）、聚芳基醚酮（PEEK，polyaryletheretherketone）、全氟烷氧基（PFA，perfluoroalkoxy）、乙烯-三氟氯乙烯（E-CTFE，ethylene chlorotrifluoroethylene）及其任何组合形成。多孔膜122能够覆盖入口开口140和/或排放开口142。气体的流动速率于是能够通过多孔膜122对选定气体的相对渗透性被控制。

较高密度、较低多孔性的总体流膜（bulk flow membrane）124能够被布置在盖106中，以作为对于进入传感器100的气体的总体流的屏障，其能够适应当地环境的压力变化。通过盖106和/或总体流膜的开口140可以提供限制性和/或曲折的扩散路径，以允许在大气中的气体以不导致不期望的传感器响应特性的流动速率进入传感器100从而与电极和电解质溶液反应，该响应特性能够表现为在延长的时间段（比如几分钟到几个小时）内显著增加的响应，这取决于通过毛细管扩散的总体流气体体积的大小。

入口开口140可以提供进入壳体内的中央空间的开口。产生的进入氧可以接触例如在分离件120内的电解质。在实施例中，排放开口142能够被布置成邻近反电极111并且能够用于允许在反电极111处生成的氧从壳体逸出，以致氧不在壳体内积聚并通过流动到感测电极115产生错误的读数。

在电化学气体传感器100内，分离件120可以被布置在主体102和盖106之间。分离件120能够包括多孔构件，其用作芯，以用于在储存器和电极之间保持并运输电解质。分离件能够包括无纺多孔材料（例如，多孔毡构件）、纺织多孔材料、多孔聚合物（例如，开孔泡沫（open cell foam）、固体多孔塑料等等）等，并且通常相对于电解质和形成电极的材料是化学惰性的。在实施例中，分离件120能够由相对于电解质是大体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。

电解质能够包括任何含水电解质，例如盐、酸或碱的溶液，这取决于感兴趣的目标气体。在实施例中，电解质能够包括例如硫酸的吸湿性酸，以用于氧传感器。其它的目标气体可以使用相同或不同的电解质成分。除了水基电解质之外，离子液体电解质也能够被用于检测某些气体。电解质能够被维持在传感器100内，以允许在感测电极115和反电极111处发生反应。在实施例中，电解质能够是被维持在分离件120内的液体，其用作吸收介质以保持电解质与电极接触。在一些实施例中，电解质能够以凝胶形式存在。

在电化学气体传感器100内的电极111、113、115能够通过一个或更多个电连接部被电连接到外部电路。在实施例中，电极可以具有延伸通过基部104和/或主体102的连接销112、114，其能够与电极111、113、115直接或间接地电联接。虽然在图1中未示出，不过感测电极115能够具有被布置成通过基部104以接触感测电极115的连接销。连接销112、114的外部表面能够被电联接到外部电路。连接销112、114可以密封地接合基部104和/或主体102，以致连接销112、114大体上被密封从而与电化学气体传感器100的内部空间110隔离开。

连接销112、114能够由电传导材料形成，该材料可以被电镀（plated）或涂覆。在实施例中，连接销112、114能够由黄铜、镍、铜等形成。连接销112、114能够被涂覆以便减少由于与电解质的接触而导致的劣化。例如，连接销112、114能够包括例如金、铂、银等的贵金属或者例如锡的其它碱金属的涂层。

外部电路能够被用于检测在感测电极115和反电极111之间的电流，以便确定在与传感器100接触的周围气体中的氧浓度。恒电位电路能够被用于独立于反电极将感测电极115相对于参考电极113的电势维持在预定值处，所述电势保持不受控并且仅受到电极的电催化性能的限制。在实施例中，针对氧传感器100，感测电极115相对于参考电极113的电势能够被设定成在大约-300和-800 mV之间的值。在一些实施例中，当针对氧传感器100，感测电极115相对于参考电极113的电势被设定在大约-300和-800 mV之间的值时，感测电极115和参考电极113可以包括铂。

电极通常允许发生各种反应，以允许响应于例如氧的目标气体的存在而导致的电流或电势的形成。于是产生的信号可以允许确定目标气体的浓度。电极能够包括适于实现期望反应的反应性材料。例如，电极能够由在例如聚四氟乙烯（PTFE）的粘合剂中的电传导催化剂颗粒的混合物形成。对于氧传感器，电极能够包括碳（例如，石墨）和/或一种或更多种金属或金属氧化物，例如铜、银、金、镍、钯、铂、钌、铱和/或这些金属的氧化物。使用的催化剂能够是纯的金属粉末、与碳结合的金属粉末、被支撑在电传导介质（例如碳）上的金属粉末、或者两种或更多种金属粉末要么作为混合物要么作为合金的组合。各个电极所用的材料能够是相同的或者是不同的。

电极也能够包括例如膜的背衬材料或基底，以便支撑催化剂混合物。背衬材料或基底能够包括多孔材料，以提供通过基底至电极的气体通路（gas access）。背衬材料也可以是憎水的，以防止电解质从壳体逸出。

能够通过使得期望的催化剂与憎水粘合剂（例如PTFE乳液）混合并将混合物沉积在背衬材料上来形成电极。可以例如通过丝网印刷（screen printing）、在选定区域中从被置于基底上的悬浮物过滤、通过喷涂或适于产生固体材料的图案化沉积的任何其它方法，将电极沉积到基底上。可以沉积单种材料或者逐层地沉积一种以上的材料，例如以便改变通过其厚度的电极材料的性质或者在作为气体反应的主要部位的层的上方或下方增加具有增加的电传导性的第二层。

感测电极115处的氧浓度由以下两者导致：通过分离件120扩散到感测电极115的氧、以及由于在沿着分离件120的任意点处的气体/分离件120界面而进入分离件120的氧。当气体能够接触邻近感测电极的分离件120内的电解质时，接触感测电极115的大部分氧能够由气体和邻近感测电极115的分离件120内的电解质的接触而产生。这能够导致在电解质中的局部氧浓度超过某些温度下的饱和浓度或溶解度。于是温度上升可导致至感测电极的活性催化剂的更高的气体氧扩散速率，这是从电解质释放气体和随后与感测电极接触以产生输出电流的瞬时“尖峰”的直接结果。

为了避免尖峰的可能性，在感测电极115处或附近的氧浓度能够被控制成小于操作温度下的阈值氧溶解度的水平。大体而言，在感测电极115处或附近（例如几毫米内）的电解质中的被溶解氧浓度应该尽可能接近零，从而确保大多数测量的传感器响应由通过毛细管气体进入孔的气体氧受控扩散速率产生，而不是由通过分离件的被溶解氧的较不受控的内部扩散速率产生。限制或者防止氧的内部扩散速率能够改善在传感器响应和外部环境的气体氧浓度之间的相关性。理想地，氧从待检测氧的环境到达感测电极115的速率应该等于或接近于在感测电极115处的氧的消耗速率。通常，对于这种传感器类型的大多数实施例，在感测电极处的氧的消耗速率（例如，还原速率）可以大于气体氧从待检测氧的环境到感测电极115的扩散速率。当被溶解的和/或气体氧的附加内部扩散发生于感测电极附近的电解质时，在电路中产生的电流可以与外部氧气浓度具有差的相关性。

在实施例中，阈值可以是在设计温度下的饱和浓度。例如，阈值可以是在针对传感器100规定的上操作温度下在电解质中的氧饱和浓度。在一些实施例中，阈值可以是在规定温度下的饱和浓度的百分比。这可以允许在氧传感器的设计中包括安全因素。例如，氧浓度可以被控制成小于规定温度下的饱和浓度的大约90%、小于大约80%或者小于大约70%。

氧浓度能够以多种方式被控制，所述方式包括：在反电极111和感测电极115之间提供间距、限制在感测电极115处或附近的气体/电解质接触、和/或选择保持电解质的分离件120的几何构型，从而将至感测电极115的氧通量限制成小于在感测电极115处的氧的消耗速率（例如，在感测电极115处的氧还原速率）的速率。

能够响应于在正常操作条件下在反电极111和感测电极115之间的氧传感器的操作，建立被溶解的氧浓度梯度。通常会预期被溶解的氧浓度梯度代表在反电极111周围的电解质中的被溶解的氧的溶解度限制处或接近该溶解度限制的浓度，并且当在典型操作环境中使用氧传感器100时是围绕感测电极115的电解质中的低的或近似为零的被溶解氧浓度。因为电解质中的氧浓度朝向感测电极115减小，所以在反电极和感测电极115之间产生适当距离能够被用于将在感测电极115附近的电解质中的被溶解氧浓度限制成小于阈值。

在实施例中，能够通过在电极之间形成具有期望的长度的离子传导路径来提供分离距离。感测电极115、参考电极113和反电极111能够被布置在离子传导路径上，具有分离每个电极的距离。在实施例中，离子传导路径能够在壳体内在任何方向上延伸，以便实现期望的间距。产生的分离可以包括迷宫式构造，以致离子传导路径不在直线上，否则将导致氧传感器具有相对大的尺寸。

在图2中所示的实施例中，分离件120能够包括平面构造，并且电极111、113、115中的每个能够被布置在平面构造中、与被保持在分离件120中的电解质接触。如所示，分离件120可以借助于被保持在分离件120中的电解质形成离子传导路径，此后被称为"传导路径"。分离件120能够在壳体内在反电极111、参考电极113和感测电极115之间在平面中延伸。在这种实施例中，电极111、113、115中的每个可以被布置成大体上平面设置，以接触在平面分离件120中的电解质。传导路径可以不是在壳体内在直线上延伸，这可以允许传导路径实现电极之间的期望的长度或分离，同时维持紧凑的传感器设计。虽然传导路径没有在直线上延伸，不过形成了单个传导路径，其中传感器在路径上串联设置。例如，中间电极被布置在两个端部电极之间，并且在端部电极之间不会存在比在任一个端部电极和中间电极之间更短的路径。

在图2中所示的实施例中，感测电极115和反电极111能够被布置在传导路径的端部处，并且参考电极113能够被布置在感测电极115和反电极111之间。这种构造将参考电极113定位在其经受扩散通过电解质的被溶解氧和离子的相对稳定的浓度梯度的位置，这可以减少表现为测量"噪声"的恒电位驱动电路产生的电流变化。在这种构造中的跨越参考电极的稳定的浓度梯度可以被看作比当其位于电势梯度之外时跨越参考电极113可能产生的质子和被溶解氧的高度变化且波动的浓度（这能够导致电路中噪声增加）更稳健的设计解决方案，以产生稳定参考电势。

在传导路径上的电极111、113、115之间的距离会影响尖峰电势的产生。在实施例中，沿着传导路径（例如，沿着传导路径的中线）在反电极111和参考电极113之间的距离可以在大约1mm和大约20mm之间或者在大约2mm和大约15mm之间，其中参考电极113被布置在反电极111和感测电极115之间。在一些实施例中，（例如，沿着传导路径的中线）在感测电极115和反电极111之间的距离可以在大约5mm和大约30mm之间，或者在大约7.5mm和大约25mm之间。在电极111、113、115之间的相对比也可以影响氧浓度梯度。在实施例中，在反电极111和参考电极113之间的距离与在反电极111和感测电极115之间的距离的比能够是在大约1:1和大约1:10之间，或者在大约1:1.5和大约1:5之间。

在一些实施例中，扩散屏障可以被设置在传感器内，以便防止氧交叉扩散至感测电极115。该构造可以允许传导路径将感测电极115放置成相对靠近反电极111而在反电极111处产生的任何氧不会到达感测电极115。使用扩散屏障也可以允许分离件120被定位在紧凑传感器内，同时提供需要用来控制尖峰型错误的分离。

如图2中所示，扩散屏障能够围绕感测电极115形成，而参考电极113和反电极111被置于由扩散屏障限定的区域之外。扩散屏障能够包括被形成在盖106和主体102之间的密封件。在实施例中，密封件能够包括被形成在主体102和/或盖106之上的肩部202，且在另一部件上具有对应凹部204或配合结构。顺应性（compliant）材料可以被置于肩部202和/或凹部204上，以便在主体102和盖106之间形成密封件。肩部202能够由与主体102和/或盖106相同的材料形成，并且可以包括与主体102或盖106整体形成的结构。当存在时，顺应性密封件可以包括任何不可渗透材料，其相对于电解质是惰性的并且具有足够低的氧渗透速率，以确保低的被溶解氧浓度被维持在电解质内。

当盖106和主体102被封闭时，肩部202可以接触凹部204，并且任何顺应性密封件可以被定位在其间，以致在围绕感测电极115的区域内形成密封件。在一些实施例中，连结过程（例如，超声焊接等等）能够被用于融合这两个部件以便增强在主体102和盖106之间的密封件。类似屏障可以围绕主体102和盖106的周边形成，作为传感器的制造过程的一部分，以便密封壳体并防止电解质泄漏。

在一些实施例中，小间隙可以存在于肩部202和凹部204之间，或者在肩部202和凹部204之间的接头的边缘处。当肩部202和凹部204的材料是亲水性的时候，少量电解质可以由于毛细管作用而被保持在间隙中，从而导致一层电解质被维持在盖106和主体102之间的密封件处。相对小的间隙大小以及被置于间隙内的电解质可以形成扩散屏障，其具有比分离件120更大的扩散阻力，从而相比于通过分离件120的扩散路径有效地限制通过腔室边缘的任何氧的扩散。

当主体102和盖106接合时，腔室206能够由主体102的内表面、盖106的内表面和肩部202的内表面形成。边缘密封件也可以限定腔室206的表面。腔室206可以具有开口208，保持电解质的分离件120能够延伸通过该开口208。在腔室206内，分离件120可以被定位成维持在电解质和感测电极115之间的接触。保持电解质的分离件120可以大体上填充开口208，以致大体上阻止传感器100内的任何气体通过对流进入腔室206。

当分离件120大体上填充开口208时，到达感测电极115的氧可以源自于从腔室206的外部扩散通过被保持在分离件120内的电解质的氧，例如，来自于腔室206外部的气体/电解质界面。相比于在反电极111和感测电极115之间的传导路径长度，在开口208和感测电极115之间的距离会小。在实施例中，被装纳在腔室206内的分离件120的部分可以被构造成提供在分离件120内的电解质中的氧浓度，其对应于小于感测电极115处的氧浓度的大约1%、小于感测电极115处的氧浓度的大约0.8%、小于感测电极115处的氧浓度的大约0.6%、小于感测电极115处的氧浓度的大约0.4%、小于感测电极115处的氧浓度的大约0.2%或者小于感测电极115处的氧浓度的大约0.1%。在实施例中，开口208和感测电极115之间的距离可以在大约0.1mm和大约4mm之间，或者在大约0.5mm和大约1.5mm之间。在任何氧能够通过密封件进入腔室206的情况下，类似距离可以被设置在腔室内的感测电极115周围。

感测电极115在腔室206内的定位可以限制气体/电解质界面的面积并且减少或阻止在腔室206内的气体/电解质界面，这能够限制在感测电极115处或附近产生高氧浓度的可能。实际上，扩散到感测电极115的任何氧必须在腔室206的外部和腔室206内的感测电极115之间的短距离上扩散通过分离件120内的电解质。电解质中产生的氧浓度减小的区域可以有助于限制氧浓度超过腔室206中的电解质中的饱和浓度的可能。于是，由于温度上升导致的任何气体释放可以被阻止到达感测电极115，除非通过分离件120内的电解质。

在这里描述的任何实施例中，分离件120的几何构型可以影响通过分离件120中的电解质到达感测电极115的氧通量，并且该几何构型能够被选择成使得到达感测电极115的氧扩散速率小于感测电极115处的氧消耗速率（例如，在感测电极115处的氧还原速率）。在腔室206附近的分离件120的厚度（例如，垂直于分离件120的平面的距离）可以通过当传感器被组装时在盖106和主体102之间的可用距离确定。在实施例中，分离件120可以接触盖106和主体102二者。在一些实施例中，分离件120的厚度可以在大约0.5mm和大约5mm之间。在开口208处的分离件120的宽度可以基于通过被保持在分离件120的孔内的电解质进入腔室206的氧扩散可用的总面积。大体而言，用于扩散的面积（例如，宽度乘以厚度的积以及分离件120的多孔性）可以影响通过电解质扩散到腔室206内以接触感测电极115的总的氧量。在一些实施例中，在开口208处的分离件120的宽度可以在大约0.5mm和大约20mm之间、在大约5mm和大约17mm之间或者在大约6mm和大约15mm之间。分离件120的材料的选择、电解质和电解质浓度的选择和/或期望的氧检测范围能够影响开口208处分离件120的可用面积的选择。

在使用中，传感器100能够检测在放置传感器100的环境中的气体的氧浓度。参考图1和图2，在传感器100周围的环境中的气体能够通过开口140进入壳体，以致氧能够被接收在壳体内。如本文所述，壳体能够包括反电极111、参考电极113和感测电极115。氧能够接触保持电解质的分离件120。其内保持有电解质的分离件120形成能够被布置成平面对齐的电极111、114、115中的每个之间的离子传导路径。恒电位电路能够被用于将感测电极115的电势维持成低于参考电极113，且因此，氧在感测电极115处可以开始被还原，而水在反电极111处被氧化。因此，氧能够在感测电极115处被消耗并且在反电极111处被再次生成。在反电极111处生成的氧能够通过扩散屏障并且通过出口142离开传感器。于是，能够在反电极111和感测电极115之间的分离件120内的电解质中形成氧浓度梯度。能够基于在感测电极115和反电极111处的氧和水的反应产生电流，这可以允许接触分离件120的气体中的氧浓度被确定。

在检测过程期间，在感测电极115处或附近的电解质中的氧浓度能够被限制成小于阈值量。大体而言，在分离件120中的电解质中的氧浓度能够被限制成小于预定温度下的饱和浓度，并且在一些实施例中，在分离件120中的电解质中的氧浓度能够被限制成小于预定温度下的饱和浓度的百分比。在实施例中，分离件120的长度和在反电极111和感测电极115之间的距离能够被选择成使得沿着氧浓度梯度的氧浓度低于感测电极115处或附近的阈值。例如，在感测电极的大约0.5mm内、大约1mm内、大约2mm内、大约4mm内或者大约5mm内，沿着氧梯度的氧浓度可以低于预定温度下的电解质中的饱和浓度，或者低于预定温度下的饱和浓度的百分比。

在一些实施例中，感测电极115能够被布置在在壳体内形成的腔室206内。分离件120能够延伸到腔室206内，以提供在分离件120中的电解质和感测电极115之间的接触。分离件120能够被定位在腔室206和开口208内，以便防止或限制在腔室206内的任何气体/电解质接触。在一些实施例中，一定量的气体/电解质接触会发生在腔室206内，但是气体可能不能够与腔室206外部的气体交换，从而限制接触感测电极115附近的分离件120中的电解质的高氧浓度气体形成的可能性。使用腔室206可以限制在检测过程期间氧能够扩散到感测电极115的速率并且因而将在感测电极115附近的沿着氧梯度的氧浓度限制成小于阈值量。

在一些实施例中，限制电解质中的氧浓度能够包括将通过分离件120中的电解质的氧扩散通量限制成小于感测电极115处的氧还原速率。分离件120的几何构型、腔室206的几何构型和/或电极的相对定位的选择全部可以被用于限制电解质中的氧向感测电极115的扩散。

虽然已经在上文示出并描述了根据本文公开的原理的各种实施例，不过在不背离本公开精神和教导的情况下，本领域技术人员可以对其作出修改。本文描述的实施例仅是代表性的并且不旨在限制。许多改变、组合和修改是可能的并且在本公开范围内。由于组合、整合和/或省略（多个）实施例特征得到的替代性实施例也在本公开范围内。因此，保护范围不受上文给出的描述的限制，而是由跟随的权利要求限定，所述范围包括权利要求的主题的所有等价方案。每个和全部权利要求作为进一步公开被包含在说明书中并且权利要求是（多个）本发明的（多个）实施例。此外，上文描述的任何优点和特征可以与特定实施例相关，但是不应将如此提出的权利要求的应用限制成实现任何或全部上述优点或具有任何或全部上述特征的过程和结构。

此外，本文使用的节标题被提供用于与37 C.F.R.1.77的建议一致或者以其它方式提供组织线索。这些标题不应限制可以由本公开所提出的任何权利要求中陈述的（多个）发明或描述其特征。具体地且通过示例的方式，虽然标题可以指的是“技术领域”，不过权利要求不应该被该标题下所选择的语言限制成描述所谓的技术领域。进一步，在“背景技术”中描述的技术不应该被解释为对于某些技术是本公开中任何（多个）发明的现有技术的承认。“发明内容”也不被认为限制所提出的权利要求中所陈述的（多个）发明的特征。此外，在本公开中以单数提及“发明”时不应该被用于争辩本公开中仅存在单个创新点。根据本公开所提出的多个权利要求的限制可以提出多个发明，并且这样的权利要求相应地限定因而被保护的（多个）发明及其等价方案。在所有情况下，权利要求的范围应该根据本公开以其自身的价值被考虑，而不应该由本文列出的标题约束。

使用例如“包含”、“包括”和“具有”的较宽术语应该被理解为提供对例如“由……构成”、“本质上由……构成”和“基本上由……组成”的较窄术语的支持。关于实施例的任何元件使用术语“可选地”、“可以”、“可能”、“可能地”等意味着不需要该元件，或者替代性地需要该元件，这两种替代方案均在（多个）实施例范围内。此外，参考示例仅被提供用于示意性目的，并且不旨在是排他的。

虽然在本公开中已经提供了多种实施例，不过应该理解的是公开的系统和方法可以在不背离本公开精神或范围的情况下以许多其它特定形式被实施。当前的示例被认为是示意性的而不是限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节。例如，各种元件或部件可以组合或集成在另一系统中，或者某些特征可以被省略或不被实现。

此外，在各种实施例中作为离散或独立的被描述和示出的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法组合或集成，而不背离本公开范围。作为彼此直接联接或连通被示出或讨论的其它项目可以通过一些接口、装置或中间部件以电、机械或其它方式间接联接或连通。在不背离本文公开的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以确定并可以做出改变、替代和更改的其它示例。

Claims (10)

1.一种氧传感器（100），包括：

限定内部空间（110）的壳体；

感测电极（115）；

参考电极（113）；

反电极（111），其中，所述感测电极（115）、所述参考电极（113）和所述反电极（111）被布置成平面设置，并且其中，所述参考电极（113）布置在所述感测电极（115）和所述反电极（111）之间；

保持电解质的分离件（120），其中，所述电解质提供在所述壳体内的所述感测电极（115）、所述参考电极（113）和所述反电极（111）中的每个之间的离子传导路径，其中，在所述感测电极（115）和所述反电极（111）之间的在所述传导路径上的最短路径通过所述参考电极（113）存在；以及

在所述壳体内的腔室（206），其中，所述腔室（206）装纳所述感测电极（115），其中，所述腔室（206）包括开口（208），并且其中，所述分离件（120）延伸到所述腔室（206）内并且大体上填充所述开口（208）。

2.根据权利要求1所述的氧传感器（100），其中，所述壳体包括被联接到主体（102）的盖（106），其中，所述腔室（206）由所述盖（106）的内表面、所述主体（102）的内表面和围绕所述感测电极（115）被置于所述盖（106）和所述主体（102）之间的密封件形成。

3.根据权利要求2所述的氧传感器（100），其中，一层所述电解质被维持在所述盖（106）和所述主体（102）之间的所述密封件（202，204）处。

4.根据权利要求1所述的氧传感器（100），其中，所述参考电极（113）和所述反电极（111）在所述腔室（206）之外。

5.根据权利要求1所述的氧传感器（100），其中，所述分离件（120）的一部分被装纳在所述腔室（206）内，并且其中，所述腔室（206）内的所述分离件（120）的所述部分的长度被构造成在所述感测电极（115）处提供近似零的氧浓度。

6.根据权利要求1所述的氧传感器（100），其中，所述开口（208）和所述分离件（120）被构造成阻止气体进入所述腔室（206）。

7.根据权利要求1所述的氧传感器（100），其中，所述分离件（120）的长度和横截面面积被构造成提供比所述感测电极（115）处的氧还原速率更低的通过所述电解质到所述感测电极（115）的氧扩散流动速率。

8.一种检测氧的方法，包括：

在氧传感器（100）的壳体内接收氧，其中，所述氧传感器（100）包括感测电极（115）、反电极（111）、参考电极（113）和形成在壳体内的腔室（206），其中，所述腔室（206）装纳所述感测电极（115）；

使所述氧与保持电解质的分离件（120）接触，其中，被保持的电解质提供在所述感测电极（115）、所述反电极（111）和所述参考电极（113）中的每个之间的离子传导路径，其中，所述分离件（120）和所述被保持的电解质形成所述感测电极（115）、所述反电极（111）和所述参考电极（113）之间的平面离子传导路径，并且其中，所述分离件（120）延伸到所述腔室（206）内、与所述感测电极（115）接触；

在所述感测电极（115）和所述反电极（111）之间、在所述分离件（120）中的所述电解质中形成氧浓度梯度；

将所述感测电极（115）附近沿着所述氧浓度梯度的氧浓度限制成小于阈值量；以及

检测所述感测电极（115）和所述反电极（111）之间的电流，其中，所述电流与所述氧的浓度成比例。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，限制沿所述氧浓度梯度的所述氧浓度包括：

阻止在所述氧传感器（100）中的气体和所述腔室（206）内的被保持在所述分离件（120）中的所述电解质之间的接触。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，限制沿所述氧浓度梯度的所述氧浓度包括：

将通过被保持在所述分离件（120）中的所述电解质至所述腔室（206）内的所述感测电极（115）的氧扩散通量限制成小于所述感测电极（115）处的氧还原速率的速率。

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