CN110988082A - 可连续测量湿度的高温湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种可连续测量湿度的高温湿度传感器，包括从上到下依次烧结而成的加热器层、第一出气通道层、第一固体电解质层、第二固体电解质层、第二出气通道层和工作电极引脚层，所述加热器层、第一出气通道层和第一固体电解质层与第二固体电解质层、第二出气通道层和工作电极引脚层呈上下对称分布；所述第一固体电解质层上设有第一泵电极，第一泵电极包括第一泵电极和下公共电极，所述第一泵电极分布在第一固体电解质层与第一出气通道层之间，所述第一泵电极通过导线连接在第一泵电极过孔上。本发明采用双泵设计，第一泵电极与第二泵电极的泵电压可以分别固定在低电压与高电压，因而可以实现待测气氛中氧气浓度与水蒸气浓度测连续测量。

Description

可连续测量湿度的高温湿度传感器
技术领域
本发明涉及一种湿度传感器，尤其涉及一种可连续测量湿度的高温湿度传感器。
背景技术
湿度传感器是一类重要的电子元件，在环境与气象监测、工业生产监测与过程控制、航空航天等领域有着广泛的用途。湿度传感器主要包括电解质型、半导体型及高分子型等，电解质型湿度传感器原理简单、成本低廉，但测量范围窄、可重复性差、使用寿命短，更不能长期应用于高湿环境中；半导体型湿敏器件性能稳定、检测范围宽、生产简单、成本低，但温度系数较高、重复再现性较差；高分子型湿敏器件的灵敏度高，应用也较为广泛，但响应慢，在高温和高湿环境下的稳定性差。目前，低温环境（温度低于100℃）的湿度测量技术已经较为成熟，然而，要求在高温下监测湿度的场合也越来越多，比如纺织、造纸、水泥、锅炉、食品加工、木材干燥、金属冶炼等涉及工艺条件与质量控制的工业过程湿度测量与控制。因此，迫切需要开发出能在高温、高湿等苛刻环境进行湿度测量的新型湿度传感器。
CN103698358B公开了一种多孔陶瓷氧化铝型湿度传感器及其制备方法，利用暂态自反馈微弧氧化技术在高纯铝薄片上制备一层稳定的多孔α-Al2O3陶瓷膜为感湿介质层，从而使Al2O3湿度传感器改善或克服了长期漂移、结构不稳定的问题。但该传感器不适合高温高湿环境的湿度测量，其工作温度局限于10-80℃。
为改善多孔陶瓷氧化铝型湿度传感器对环境温度的限制，CN103543190B公开了一种高温湿度仪，其中，传感器为极限电流型氧化锆氧传感器，该极限电流型氧化锆氧传感器上连接有预加热电路。对于该专利的单泵设计，湿度是通过分析泵电池在低电压与高电压下的回路电流而获得的，这就要求泵电压必须在低电压与高电压之间周期性的来回跳跃来测量泵电流以计算湿度，因而单泵设计无法实现连续的即时测量，而且该传感器还需要额外地加热单元，造成使用的不便。
为了解决现有技术中测量不连续，且单独设置加热单元的不便，涉及本发明的一种可连续测量湿度的高温湿度传感器。
发明内容
本发明目的在于提供一种可连续测量湿度的高温湿度传感器，该传感器采用双泵设计，第一泵电极与第二泵电极的泵电压可以分别固定在低电压与高电压，因而可以实现待测气氛中氧气浓度与水蒸气浓度测连续测量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可连续测量湿度的高温湿度传感器，包括从上到下依次烧结而成的加热器层、第一出气通道层、第一固体电解质层、第二固体电解质层、第二出气通道层和工作电极引脚层，所述加热器层、第一出气通道层和第一固体电解质层与第二固体电解质层、第二出气通道层和工作电极引脚层呈上下对称分布；
所述第一固体电解质层上设有第一泵电极，第一泵电极包括第一泵电极和下公共电极，所述第一泵电极分布在第一固体电解质层与第一出气通道层之间，所述第一泵电极通过导线连接在第一泵电极过孔上；所述下公共电极设置在第一固体电解质层上与第一泵电极相背的一侧，所述下公共电极通过导线连接在下公共电极过孔上，所述第一泵电极过孔和下公共电极过孔分布在第一固体电解质层上，所述第一固体电解质层上还设有第二电极过孔，所述下公共电极过孔、第一泵电极过孔和第二电极过孔呈三孔插座式排布；
所述第二固体电解质层上设有第二泵电极，第二泵电极包括上公共电极和第二泵电极，所述第二泵电极分布在第二固体电解质层和第二出气通道层之间，所述第二泵电极通过导线连接在第二泵电极过孔上；所述上公共电极设置在第二固体电解质层上与第二泵电极相背的一侧，所述上公共电极通过导线连接在上公共电极过孔上，所述第二泵电极过孔与上公共电极过孔分布在第二固体电解质层上，所述第二固体电解质层上还设有第一电极过孔，所述上公共电极过孔、第二泵电极过孔和第一电极过孔呈三孔插座式排布；
当第一固体电解质层与第二固体电解质层叠放在一起时，所述下公共电极过孔与上公共电极过孔相连通，所述第一泵电极过孔与第一电极过孔相连通，所述第二电极过孔与第二泵电极过孔相连通；
所述加热器层上与第一出气通道层相对的一侧排布有加热器，所述加热器通过加热器引线连接在加热器电极过孔上，所述加热器电极过孔连接在加热电极引脚上，所述加热电极引脚设置在加热器层上，与加热器相背的一侧。
上述技术方案中进一步改进的技术方案如下：
1. 上述方案中，所述第一出气通道层与第一泵电极相对的一侧设有第一出气通道，所述第一出气通道两端分别连通参比气与第一泵电极；所述第二出气通道层与第二泵电极相对的一侧设有第二出气通道，所述第二出气通道两端分别连通参比气与第二泵电极；所述下公共电极与上公共电极之间设有进气扩散障，所述进气扩散障连通待测气体与下公共电极与上公共电极。
2. 上述方案中，所述第二出气通道层上设有三个工作电极过孔，分别对应连接第二固体电解质层上的上公共电极过孔、第二泵电极过孔和第一电极过孔；所述工作电极引脚层上设有第一泵电极引脚、第二泵电极引脚和公共电极引脚，分别对应第二出气通道层上的三个工作电极过孔。
3. 上述方案中，所述第一固体电解质层与第二固体电解质层均为3-10%mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷，所述第一固体电解质层与第二固体电解质层的厚度相同，均为10～400μm，所述加热器层、第一出气通道层、第二出气通道层和工作电极引脚层均为氧化铝陶瓷，厚度均为0.1～0.4 mm。
4. 上述方案中，所述加热器为Pt加热电路，厚度在10-40 μm之间，所述第一泵电极、下公共电极、上公共电极和第二泵电极均为多孔Pt电极，厚度在10-40 μm之间。
5. 上述方案中，所述进气扩散障上设有环形空腔，此空腔的上下两侧分别与下公共电极与上公共电极相通，空腔沿水平方向的外侧连接有三条进气通道。
6. 上述方案中，所述第一出气通道与第二出气通道的入口端位于同一侧，与进气扩散障的入口端位于相背的两侧。
7. 上述方案中，所述进气扩散障、第一出气通道与第二出气通道为空腔，高度在10-100μm之间。
8. 上述方案中，所述进气扩散障、第一出气通道与第二出气通道为多孔陶瓷，孔隙率在10-90%之间，高度在10-100μm之间。
9. 上述方案中，所述进气扩散障、第一出气通道与第二出气通道为氧化铝、氧化锆或者两者的复合物。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1. 本发明可连续测量湿度的高温湿度传感器，在第一固体电解质层上设有第一泵电极，在第二固体电解质层上设有第二泵电极，这种双泵设计，使第一泵电极与第二泵电极的泵电压可以分别固定在低电压与高电压，因而可以实现待测气氛中氧气浓度与水蒸气浓度测连续测量；
2. 本发明可连续测量湿度的高温湿度传感器，采用氧化铝作为加热器的支撑体，极大地提高了加热器的绝缘电阻，因此，整个传感器的陶瓷敏感元件可以置于高温环境中使用，扩大了高温湿度传感器的应用范围；采用对称结构设计，可以有效避免传感器在烧结过程中的翘曲现象，提高传感器的平整度及生产合格率；
3. 本发明可连续测量湿度的高温湿度传感器，待测气体由扩散障的三个通道进入电极，保证了进气的平稳度，减少外界环境的影响，同时也避免电极被空气中的杂质所污染；参比气的两个进气通道与进气扩散障分布在固体电解质层的两侧，可以防止参比气与待检测气体相互干扰；进气扩散障与上、下公共电极相通，保证两个电极的待测气体的一致性。
附图说明
附图1为本发明可连续测量湿度的高温湿度传感器结构示意图。
附图2为本发明提供的一种对称双泵结构高温湿度传感器截面图。
以上附图中：1、加热器层；2、第一出气通道层；3、第一固体电解质层；4、第二固体电解质层；5、第二出气通道层；6、工作电极引脚层；7、加热器；9、第一泵电极；10、下公共电极；12、进气扩散障；14、上公共电极；15、第二泵电极；17、加热电极引脚；18、第一出气通道；19、第二出气通道；20、工作电极过孔；21、第一泵电极引脚；22、第二泵电极引脚；23、公共电极引脚；24、第二泵电极过孔；25、公共电极过孔；26、第一电极过孔；27、下公共电极过孔；28、第二电极过孔；29、第一泵电极过孔；30、加热器电极过孔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：一种可连续测量湿度的高温湿度传感器，包括从上到下依次烧结而成的加热器层1、第一出气通道层2、第一固体电解质层3、第二固体电解质层4、第二出气通道层5和工作电极引脚层6，所述加热器层1、第一出气通道层2和第一固体电解质层3与第二固体电解质层4、第二出气通道层5和工作电极引脚层6呈上下对称分布；
所述第一固体电解质层3上设有第一泵电极，第一泵电极包括第一泵电极9和下公共电极10，所述第一泵电极9分布在第一固体电解质层3与第一出气通道层2之间，所述第一泵电极9通过导线连接在第一泵电极过孔29上；所述下公共电极10设置在第一固体电解质层3上与第一泵电极9相背的一侧，所述下公共电极10通过导线连接在下公共电极过孔27上，所述第一泵电极过孔29和下公共电极过孔27分布在第一固体电解质层3上，所述第一固体电解质层3上还设有第二电极过孔28，所述下公共电极过孔27、第一泵电极过孔29和第二电极过孔28呈三孔插座式排布；
所述第二固体电解质层4上设有第二泵电极，第二泵电极包括上公共电极14和第二泵电极15，所述第二泵电极15分布在第二固体电解质层4和第二出气通道层5之间，所述第二泵电极15通过导线连接在第二泵电极过孔24上；所述上公共电极14设置在第二固体电解质层4上与第二泵电极15相背的一侧，所述上公共电极14通过导线连接在上公共电极过孔25上，所述第二泵电极过孔24与上公共电极过孔25分布在第二固体电解质层4上，所述第二固体电解质层4上还设有第一电极过孔26，所述上公共电极过孔25、第二泵电极过孔24和第一电极过孔26呈三孔插座式排布；
当第一固体电解质层3与第二固体电解质层4叠放在一起时，所述下公共电极过孔27与上公共电极过孔25相连通，所述第一泵电极过孔29与第一电极过孔26相连通，所述第二电极过孔28与第二泵电极过孔24相连通；
所述加热器层1上与第一出气通道层2相对的一侧排布有加热器7，所述加热器7通过加热器引线连接在加热器电极过孔30上，所述加热器电极过孔30连接在加热电极引脚17上，所述加热电极引脚17设置在加热器层1上，与加热器7相背的一侧。
上述第一出气通道层2与第一泵电极9相对的一侧设有第一出气通道18，所述第一出气通道18两端分别连通参比气与第一泵电极9；所述第二出气通道层5与第二泵电极15相对的一侧设有第二出气通道19，所述第二出气通道19两端分别连通参比气与第二泵电极15；所述下公共电极10与上公共电极14之间设有进气扩散障12，所述进气扩散障12连通待测气体与下公共电极10与上公共电极14；
上述第二出气通道层5上设有三个工作电极过孔20，分别对应连接第二固体电解质层4上的上公共电极过孔25、第二泵电极过孔24和第一电极过孔26；所述工作电极引脚层6上设有第一泵电极引脚21、第二泵电极引脚22和公共电极引脚23，分别对应第二出气通道层5上的三个工作电极过孔20；
上述第一固体电解质层3与第二固体电解质层4均为3-10%mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷，所述第一固体电解质层3与第二固体电解质层4的厚度相同，均为10～400 μm，所述加热器层1、第一出气通道层2、第二出气通道层5和工作电极引脚层6均为氧化铝陶瓷，厚度均为0.1～0.4 mm；上述加热器7为Pt加热电路，厚度在10-40 μm之间，所述第一泵电极9、下公共电极10、上公共电极14和第二泵电极15均为多孔Pt电极，厚度在10-40 μm之间。
实施例2：一种可连续测量湿度的高温湿度传感器，包括从上到下依次烧结而成的加热器层1、第一出气通道层2、第一固体电解质层3、第二固体电解质层4、第二出气通道层5和工作电极引脚层6，所述加热器层1、第一出气通道层2和第一固体电解质层3与第二固体电解质层4、第二出气通道层5和工作电极引脚层6呈上下对称分布；
所述第一固体电解质层3上设有第一泵电极，第一泵电极包括第一泵电极9和下公共电极10，所述第一泵电极9分布在第一固体电解质层3与第一出气通道层2之间，所述第一泵电极9通过导线连接在第一泵电极过孔29上；所述下公共电极10设置在第一固体电解质层3上与第一泵电极9相背的一侧，所述下公共电极10通过导线连接在下公共电极过孔27上，所述第一泵电极过孔29和下公共电极过孔27分布在第一固体电解质层3上，所述第一固体电解质层3上还设有第二电极过孔28，所述下公共电极过孔27、第一泵电极过孔29和第二电极过孔28呈三孔插座式排布；
所述第二固体电解质层4上设有第二泵电极，第二泵电极包括上公共电极14和第二泵电极15，所述第二泵电极15分布在第二固体电解质层4和第二出气通道层5之间，所述第二泵电极15通过导线连接在第二泵电极过孔24上；所述上公共电极14设置在第二固体电解质层4上与第二泵电极15相背的一侧，所述上公共电极14通过导线连接在上公共电极过孔25上，所述第二泵电极过孔24与上公共电极过孔25分布在第二固体电解质层4上，所述第二固体电解质层4上还设有第一电极过孔26，所述上公共电极过孔25、第二泵电极过孔24和第一电极过孔26呈三孔插座式排布；
当第一固体电解质层3与第二固体电解质层4叠放在一起时，所述下公共电极过孔27与上公共电极过孔25相连通，所述第一泵电极过孔29与第一电极过孔26相连通，所述第二电极过孔28与第二泵电极过孔24相连通；
所述加热器层1上与第一出气通道层2相对的一侧排布有加热器7，所述加热器7通过加热器引线连接在加热器电极过孔30上，所述加热器电极过孔30连接在加热电极引脚17上，所述加热电极引脚17设置在加热器层1上，与加热器7相背的一侧。
上述第一出气通道层2与第一泵电极9相对的一侧设有第一出气通道18，所述第一出气通道18两端分别连通参比气与第一泵电极9；所述第二出气通道层5与第二泵电极15相对的一侧设有第二出气通道19，所述第二出气通道19两端分别连通参比气与第二泵电极15；所述下公共电极10与上公共电极14之间设有进气扩散障12，所述进气扩散障12连通待测气体与下公共电极10与上公共电极14，进气扩散障12与上、下公共电极相通，保证两个电极的待测气体的一致性；
上述进气扩散障12上设有环形空腔，此空腔的上下两侧分别与下公共电极10与上公共电极14相通，空腔沿水平方向的外侧连接有三条进气通道，待测气体由扩散障的三个通道进入电极，保证了进气的平稳度，减少外界环境的影响，同时也避免电极被空气中的杂质所污染；
上述第一出气通道18与第二出气通道19的入口端位于同一侧，与进气扩散障12的入口端位于相背的两侧，参比气的两个进气通道与进气扩散障分布在固体电解质层的两侧，可以防止参比气与待检测气体相互干扰；上述进气扩散障12、第一出气通道18与第二出气通道19为空腔，高度在10-100μm之间；
上述进气扩散障12、第一出气通道18与第二出气通道19为多孔陶瓷，孔隙率在10-90%之间，高度在10-100μm之间；上述进气扩散障12、第一出气通道18与第二出气通道19为氧化铝、氧化锆或者两者的复合物。
本发明可连续测量湿度的高温湿度传感器，第一固体电解质层上设有第一泵电极，第二固体电解质层上设有第二泵电极，这种双泵设计，使第一泵电极与第二泵电极的泵电压可以分别固定在低电压与高电压，因而可以实现待测气氛中氧气浓度与水蒸气浓度测连续测量；采用氧化铝作为加热器的支撑体，极大地提高了加热器的绝缘电阻，因此，整个传感器的陶瓷敏感元件可以置于高温环境中使用，扩大了高温湿度传感器的应用范围；采用对称结构设计，可以有效避免传感器在烧结过程中的翘曲现象，提高传感器的平整度及生产合格率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：包括从上到下依次烧结而成的加热器层（1）、第一出气通道层（2）、第一固体电解质层（3）、第二固体电解质层（4）、第二出气通道层（5）和工作电极引脚层（6），所述加热器层（1）、第一出气通道层（2）和第一固体电解质层（3）与第二固体电解质层（4）、第二出气通道层（5）和工作电极引脚层（6）呈上下对称分布；
所述第一固体电解质层（3）上设有第一泵电极，第一泵电极包括第一泵电极（9）和下公共电极（10），所述第一泵电极（9）分布在第一固体电解质层（3）与第一出气通道层（2）之间，所述第一泵电极（9）通过导线连接在第一泵电极过孔（29）上；所述下公共电极（10）设置在第一固体电解质层（3）上与第一泵电极（9）相背的一侧，所述下公共电极（10）通过导线连接在下公共电极过孔（27）上，所述第一泵电极过孔（29）和下公共电极过孔（27）分布在第一固体电解质层（3）上，所述第一固体电解质层（3）上还设有第二电极过孔（28），所述下公共电极过孔（27）、第一泵电极过孔（29）和第二电极过孔（28）呈三孔插座式排布；
所述第二固体电解质层（4）上设有第二泵电极，第二泵电极包括上公共电极（14）和第二泵电极（15），所述第二泵电极（15）分布在第二固体电解质层（4）和第二出气通道层（5）之间，所述第二泵电极（15）通过导线连接在第二泵电极过孔（24）上；所述上公共电极（14）设置在第二固体电解质层（4）上与第二泵电极（15）相背的一侧，所述上公共电极（14）通过导线连接在上公共电极过孔（25）上，所述第二泵电极过孔（24）与上公共电极过孔（25）分布在第二固体电解质层（4）上，所述第二固体电解质层（4）上还设有第一电极过孔（26），所述上公共电极过孔（25）、第二泵电极过孔（24）和第一电极过孔（26）呈三孔插座式排布；
当第一固体电解质层（3）与第二固体电解质层（4）叠放在一起时，所述下公共电极过孔（27）与上公共电极过孔（25）相连通，所述第一泵电极过孔（29）与第一电极过孔（26）相连通，所述第二电极过孔（28）与第二泵电极过孔（24）相连通；
所述加热器层（1）上与第一出气通道层（2）相对的一侧排布有加热器（7），所述加热器（7）通过加热器引线连接在加热器电极过孔（30）上，所述加热器电极过孔（30）连接在加热电极引脚（17）上，所述加热电极引脚（17）设置在加热器层（1）上，与加热器（7）相背的一侧。
2.根据权利要求1所述的可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：所述第一出气通道层（2）与第一泵电极（9）相对的一侧设有第一出气通道（18），所述第一出气通道（18）两端分别连通参比气与第一泵电极（9）；所述第二出气通道层（5）与第二泵电极（15）相对的一侧设有第二出气通道（19），所述第二出气通道（19）两端分别连通参比气与第二泵电极（15）；所述下公共电极（10）与上公共电极（14）之间设有进气扩散障（12），所述进气扩散障（12）连通待测气体与下公共电极（10）与上公共电极（14）。
3.根据权利要求1所述的可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：所述第二出气通道层（5）上设有三个工作电极过孔（20），分别对应连接第二固体电解质层（4）上的上公共电极过孔（25）、第二泵电极过孔（24）和第一电极过孔（26）；所述工作电极引脚层（6）上设有第一泵电极引脚（21）、第二泵电极引脚（22）和公共电极引脚（23），分别对应第二出气通道层（5）上的三个工作电极过孔（20）。
4.根据权利要求1所述的可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：所述第一固体电解质层（3）与第二固体电解质层（4）均为3-10%mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷，所述第一固体电解质层（3）与第二固体电解质层（4）的厚度相同，均为10～400 μm，所述加热器层（1）、第一出气通道层（2）、第二出气通道层（5）和工作电极引脚层（6）均为氧化铝陶瓷，厚度均为0.1～0.4 mm。
5.根据权利要求1所述的可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：所述加热器（7）为Pt加热电路，厚度在10-40 μm之间，所述第一泵电极（9）、下公共电极（10）、上公共电极（14）和第二泵电极（15）均为多孔Pt电极，厚度在10-40 μm之间。
6.根据权利要求2所述的可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：所述进气扩散障（12）上设有环形空腔，此空腔的上下两侧分别与下公共电极（10）与上公共电极（14）相通，空腔沿水平方向的外侧连接有三条进气通道。
7.根据权利要求2所述的可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：所述第一出气通道（18）与第二出气通道（19）的入口端位于同一侧，与进气扩散障（12）的入口端位于相背的两侧。
8.根据权利要求2所述的可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：所述进气扩散障（12）、第一出气通道（18）与第二出气通道（19）为空腔，高度在10-100μm之间。
9.根据权利要求2所述的可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：所述进气扩散障（12）、第一出气通道（18）与第二出气通道（19）为多孔陶瓷，孔隙率在10-90%之间，高度在10-100μm之间。
10.根据权利要求2所述的可连续测量湿度的高温湿度传感器，其特征在于：所述进气扩散障（12）、第一出气通道（18）与第二出气通道（19）为氧化铝、氧化锆或者两者的复合物。
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