CN112763564A - 一种片式氧传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片式氧传感器,包括依次层叠设置的第一氧化锆层和第二氧化锆层;其中,第一氧化锆层上表面丝印有泵电极和测量电极,第一氧化锆层下表面丝印有公共电极;第二氧化锆层上设有顶部开口的空腔结构,空腔内放置有缓冲块;公共电极位于泵电极和测量电极的正下方,空腔结构位于公共电极的正下方;还包括加热装置;加热装置位于第二氧化锆层对应设置空腔结构的正下方,泵电极、测量电极和公共电极的引线从第一氧化锆层上表面引出与外部控制装置连接。本发明氧传感器能够将其放在现有的汽车氧传感器标准件中来组装成产品,替代现有汽车氧传感器中的传感器芯片,其不依赖于参考气体进行测量氧气的浓度,使得该氧传感器即使在非常恶劣的环境中也能完成对氧浓度的准确测量。

Description

一种片式氧传感器
技术领域
本发明涉及一种片式氧传感器。
背景技术
目前,在很多领域需要运用氧传感器测量气体或气体混合物中的氧气含量。例如,使用天然气、石油、生物质等为原料的系统,当其进行燃烧控制或汽车排放测试或判断医疗和航空航天市场中氧气的产生量或航空燃油箱的惰化情况时,均需要去测量气体或气体混合物中的氧气含量。
传统的汽车氧传感器大多需要依赖参考空气去测量氧的浓度,在环境恶劣时,容易使得测量得到的氧的浓度不准确。
发明内容
发明目的:本发明针对现有技术中汽车氧传感器需要依赖参考空气去测量氧气浓度存在的处于恶劣环境下测量精度低的问题,提供一种片式氧传感器。
技术方案:本发明所述的片式氧传感器,包括依次层叠设置的第一氧化锆层和第二氧化锆层;其中,所述第一氧化锆层上表面丝印有泵电极和测量电极第一氧化锆层下表面丝印有公共电极;所述第二氧化锆层上设有顶部开口的空腔结构,空腔内放置有缓冲块;公共电极位于泵电极和测量电极的正下方,空腔结构位于公共电极的正下方;还包括加热装置;加热装置位于第二氧化锆层对应设置空腔结构的正下方,泵电极、测量电极和公共电极的引线从第一氧化锆层上表面引出与外部控制装置连接;第一氧化锆层和第二氧化锆层通过加热装置将其加热至工作温度,外部控制装置通过改变泵电极与公共电极之间电流的方向将外界氧气泵入空腔中或将空腔中氧气泵出至外界,第一氧化锆层基于其两侧的氧气浓度差产生能斯特电压,测量电极和公共电极用于检测该能斯特电压。
其中,所述缓冲块采用多孔材料制备而成。
其中,所述氧传感器的厚度不大于1mm。
其中,所述氧传感器还包括第三氧化锆层、第四氧化锆层和测温电极;所述加热装置上下表面均设有绝缘层,第三氧化锆层位于加热装置与第二氧化锆层之间,第四氧化锆层位于整个氧传感器的底部,测温电极的引线穿过第四氧化锆层与外部控制装置连接。
其中,所述氧传感器还包括覆盖在泵电极和测量电极上方的保护层,保护层采用多孔材料制备而成。
其中,所述泵电极呈锯齿状凹槽排布,测量电极呈锯齿状凸起排布,测量电极的锯齿状凸起嵌入到泵电极的锯齿状凹槽中,所述泵电极和测量电极之间采用绝缘材料隔开。
有益效果:本发明氧传感器的厚度为1mm,能够将其放在现有的汽车氧传感器标准件中来组装成产品,替代现有汽车氧传感器中的传感器芯片,本发明氧传感器能够不依赖于参考气体进行测量氧气的浓度,使得该氧传感器即使在非常恶劣的环境中也能完成对氧浓度的准确测量。
附图说明
图1为本发明片式氧传感器的爆炸图;
图2为本发明片式氧传感器中泵电极与测量电极的排布方式图;
图3为泵电极与测量电极不同的排布方式图;
图4为不同排布方式的泵电极与测量电极对浓度范围为0.5%-30%的氧气浓度的测试误差图。
具体实施方式
如图1~2所示,本发明片式氧传感器,沿纵向包括依次层叠设置的第四氧化锆层124、第二绝缘层162、加热装置140、第一绝缘层161、第三氧化锆层123、第二氧化锆层122和第一氧化锆层121(片式氧传感器通过将多层结构热压而成);其中,第一氧化锆层121上表面丝印有泵电极111和测量电极112(泵电极111和测量电极112均为Pt电极),第一氧化锆层121下表面丝印有公共电极113(公共电极113为Pt电极);第二氧化锆层122上设有顶部开口的空腔结构131,空腔131内放置有缓冲块132;公共电极113位于泵电极111和测量电极112的正下方,空腔结构131位于公共电极113的正下方,即第二氧化锆层122在第一氧化锆层121丝印有公共电极113的对应位置处开有空腔结构131;加热装置140位于第二氧化锆层122对应设置空腔结构131的正下方,泵电极111、测量电极112和公共电极113的引线从第一氧化锆层121上表面引出,通过第二电极引脚152与外部控制装置连接;第一绝缘层161和第二绝缘层162分别位于加热装置140的两侧,从而起到绝缘保护的作用,在氧传感器的温度达到预设温度后,氧传感器开始测氧工作;第三氧化锆层123起到导热的作用,加热装置140开始加热后产生的热量通过第三氧化锆层123传递给第二氧化锆层122和第一氧化锆层121,避免直接将温度较高的加热装置140与第二氧化锆层122直接接触。第四氧化锆层124作为整个氧传感器的底座,从而起到支撑各个部件的作用。第一氧化锆层121和第二氧化锆层122通过加热装置140将其加热至工作温度(600~700℃),控制装置通过改变泵电极111与公共电极113之间电流的方向将外界氧气泵入空腔131中或将空腔131中氧气泵出至外界,第一氧化锆层121基于其两侧的氧气浓度差产生能斯特电压,测量电极112和公共电极113用于检测该能斯特电压。泵电极111和测量电极112围合的区域大小与公共电极113、空腔结构131、缓冲块132以及加热装置140的大小一致。空腔结构131不能过大,太大导致能耗大(即加热面积大),且均温性也不好。
氧传感器还包括覆盖在泵电极111和测量电极112上方的保护层170,保护层170采用多孔材料制备而成,从而气体能够穿过保护层170,保护层170位于泵电极111和测量电极112的外侧,可以对泵电极111和测量电极112起到保护作用。
泵电极111呈锯齿状凹槽排布,测量电极112呈锯齿状凸起排布,测量电极112的锯齿状凸起嵌入到泵电极111的锯齿状凹槽中,泵电极111和测量电极112之间采用绝缘材料116隔开,泵电极111的凸起宽度a约为测量电极112凸起宽度b的2/3~3/4,泵电极111凸起与测量电极112凸起之间涂绝缘材料的宽度c为泵电极111凸起宽度a的1/2~9/10。泵电极111和测量电极112的引线115通过第二电极引脚152与外部控制装置连接。
氧传感器还包括测温电极114,测温电极114用于测量加热装置140加热后的实时温度,测温电极114的引线从第四氧化锆层124下表面穿出,通过第一电极引脚151与控制装置连接。当加热装置140当前温度达到目标温度后,控制装置控制加热装置140的加热与散热达到平衡,使氧传感器稳定在目标温度。
外部控制装置通过在泵电极111和公共电极113之间施加对应的电流方向,将泵电极111侧氧气转换为氧离子,氧离子通过第一氧化锆层121后在公共电极113侧由氧离子变成氧气进入空腔131中,氧气进入空腔131后改变空腔131内氧的分压。空腔131内设有由多孔材料制备而成的缓冲块132(气体能够穿过缓冲块132),缓冲块132一方面能够防止多层结构在热压时对应区域发生塌陷,一方面还能使氧气进入空腔131中时较为平缓,从而最终测得的数据更为平滑;缓冲块132可以采用多孔材料制备而成,也可以缓冲块132采用有机物制备而成,在层压时,缓冲块132起到支撑作用,防止多层结构在热压时对应区域发生塌陷,在层压后,对结构进行热处理,此时空腔131中的有机物被分解成气体跑出,从而在第二氧化锆层122中得到空腔第一氧化锆层121根据空腔131内氧的分压大小产生对应的能斯特电压,即第一氧化锆层121基于其两侧的氧气浓度差产生能斯特电压,测量电极112和公共电极113测量该能斯特电压。当能斯特电压达到目标电压后,控制装置改变泵电极111和公共电极113之间电流的方向,从而将公共电极113侧氧气转换为氧离子,泵出空腔131。
本发明氧传感器的工作过程为:加热装置140开始加热,在加热过程中测温电极114对其进行实时测温,并将测得的当前温度反馈给控制装置,当加热装置140当前温度达到目标温度后,控制装置控制加热装置140的加热与散热达到平衡,使氧传感器稳定在目标温度;达到目标温度后,氧传感器开始测氧工作。控制装置对泵电极111和公共电极113之间施加由公共电极113流向泵电极111的电流,促使泵电极111侧氧气转换为氧离子,转换而成的氧离子通过第一氧化锆层121后在公共电极113侧由氧离子变成氧气进入第二氧化锆层122的空腔131中,在氧气进入空腔131的过程中,由于空腔131内设置有缓冲块132,使得氧气较为缓慢的进入空腔131内,氧气进入空腔131后改变空腔131内氧的分压;第一氧化锆层121根据氧的分压大小产生对应的能斯特电压,测量电极112和公共电极113实时测量该能斯特电压的大小,并在能斯特电压达到目标电压后改变泵电极111和公共电极113之间的电流方向,即对泵电极111和公共电极113之间施加由泵电极111流向公共电极113的电流,促使公共电极113侧氧气转换为氧离子,氧离子通过第一氧化锆层121后从空腔131中释放到外界(其在泵电极111侧由氧离子变成氧气)。控制装置中的计时器计时从泵电极111和公共电极113开始将氧气转换为氧离子到泵电极111和公共电极113之间电流方向改变的时间,即氧传感器一个泵氧循环的时间(一个泵氧循环的时间为泵电极111和公共电极113开始将氧气转换为氧离子到泵电极111和公共电极113之间电流方向改变之间的时间),根据氧传感器一个泵氧循环的时间可以计算得到氧的分压。一个泵氧循环的时间越长,则氧的分压越大,控制装置根据泵氧循环的时间自动计算出氧的分压(通过建立标准曲线,不同的泵氧循环时间对应不同的氧气浓度)。
如图3~4所示,泵电极111与测量电极112有不同的排布方式,对于不同的排布方式,在相同测试条件下,对浓度范围为0.5%-30%的氧气浓度(已知浓度)的测量精度如表1所示:
O2 A B C D E
0.5% 0.53% 0.62% 1.27% 1.43% 0.60%
1.0% 1.09% 1.11% 1.46% 1.56% 1.06%
5.0% 4.93% 5.05% 5.23% 5.52% 4.88%
10.0% 9.95% 9.89% 10.23% 10.20% 9.79%
15.0% 14.77% 14.85% 15.04% 15.05% 14.79%
20.0% 20.05% 20.00% 20.00% 20.00% 20.00%
25.0% 25.14% 25.31% 25.10% 25.06% 25.43%
30.0% 30.36% 30.91% 30.29% 30.34% 30.91%
对于不同的排布方式,在相同测试条件下,对浓度范围为0.5%-30%的氧气浓度的测试误差如表2所示:
Figure BDA0002856119310000041
Figure BDA0002856119310000051
通过表1和表2可知,本发明氧传感器中泵电极与测量电极的排布方式对一定浓度范围内的氧气浓度的测量精度要远远高于其他的排布方式,测量误差要远远小于其他的排布方式。

Claims (6)

1.一种片式氧传感器,其特征在于:包括依次层叠设置的第一氧化锆层和第二氧化锆层;其中,所述第一氧化锆层上表面丝印有泵电极和测量电极,第一氧化锆层下表面丝印有公共电极;所述第二氧化锆层上设有顶部开口的空腔结构,空腔内放置有缓冲块;公共电极位于泵电极和测量电极的正下方,空腔结构位于公共电极的正下方;还包括加热装置;加热装置位于第二氧化锆层对应设置空腔结构的正下方,泵电极、测量电极和公共电极的引线从第一氧化锆层上表面引出与外部控制装置连接;第一氧化锆层和第二氧化锆层通过加热装置将其加热至工作温度,外部控制装置通过改变泵电极与公共电极之间电流的方向将外界氧气泵入空腔或将空腔内氧气泵出,第一氧化锆层基于空腔与外界的氧气浓度差产生能斯特电压,测量电极和公共电极用于检测该能斯特电压。
2.根据权利要求1所述的片式氧传感器,其特征在于:所述缓冲块采用多孔材料制备而成。
3.根据权利要求1所述的片式氧传感器,其特征在于:所述氧传感器的厚度不大于1mm。
4.根据权利要求1所述的片式氧传感器,其特征在于:所述氧传感器还包括第三氧化锆层、第四氧化锆层和测温电极;所述加热装置上下表面均设有绝缘层,第三氧化锆层位于加热装置与第二氧化锆层之间,第四氧化锆层位于整个氧传感器的底部,测温电极的引线从第四氧化锆层穿出与控制装置连接。
5.根据权利要求1所述的片式氧传感器,其特征在于:所述氧传感器还包括覆盖在泵电极和测量电极上方的保护层,保护层采用多孔材料制备而成。
6.根据权利要求1所述的片式氧传感器,其特征在于:所述泵电极呈锯齿状凹槽排布,测量电极呈锯齿状凸起排布,测量电极的锯齿状凸起嵌入到泵电极的锯齿状凹槽中,所述泵电极和测量电极之间采用绝缘材料隔开。
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