CN207516302U - 一种气体传感器及其陶瓷芯片 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器及其陶瓷芯片，该陶瓷芯片包括从上至下依次层叠的第一氧离子导体层、绝缘层与第二氧离子导体层，第一氧离子导体层具有第一腔体，第二氧离子导体层具有第二腔体，第一腔体的氧离子导体外侧和内侧上分别涂覆有外主泵电极和内主泵电极；绝缘层上涂覆有加热器电极；第二腔体的氧离子导体内侧上涂覆测量电极和辅助泵电极，第二腔体的氧离子导体外侧上涂覆参考电极；第一腔体内的第一腔室与第二腔体内的第二腔室通过绝缘层上的穿孔狭缝连通，第一腔室与芯片外侧之间设置有第一扩散障，穿孔狭缝作为气体通道的第二扩散障，第二腔室与测量电极之间设置有第三扩散障。本实用新型降低了热效应对芯片寿命的影响，减轻了离子导体层之间的相互影响，能够有效提高测量精度。

Description

一种气体传感器及其陶瓷芯片

技术领域

本实用新型涉及气体传感器，特别是涉及一种气体传感器的陶瓷芯片及具有该陶瓷芯片的气体传感器。

背景技术

氮氧化合物,氨气等是常见的污染大气的气体化合物，大量来自于柴油车尾气，锅炉燃烧尾气。为了控制与减小氮氧化合物的排放，全球各个国家出台了严格的政策法规。目前，氮氧化合物常见的处理方法是选择性还原催化，即利用具有较强的还原性物质中和氮氧化合物，从而形成没有污染的中性化合物，例如水、氮气等。为了更高效率的使用催化还原装置，节约成本，也避免造成二次污染，该装置必须配备氮氧化合物传感器检测氮氧化合物的浓度值，以确定还原性物质的使用量。当尾气中的氮氧化合物的浓度检测值达到阈值，选择性还原装置释放还原性物质，中和氮氧化合物，从而到达降低排放的目的。因此，类似能够检测氮氧化合物浓度的气体传感器有着非常重要的作用，而传感器中的陶瓷芯片是核心部件。

例如，氮氧传感器芯片工作原理是根据氧化锆电解质在高温下的氧离子导电成为电化学泵而工作。由于氮氧传感器所处的气氛环境十分复杂，常常有多种气体存在。如果需要单独测试氮氧化合物(NOx)的话，必须要通过芯片内部处理将干扰气氛的影响降低到最小。因此，氮氧传感器的芯片结构中有多个腔室存在。腔室之间对干扰气氛的实现逐步清除，在最后一个腔室对NOx气体进行有效的测量。

为了实现逐步清除，氮氧传感器芯片在不同腔室上布置了不同功能的电极。最先接触到测试气体是主电化学泵，主要作用为去除大量干扰气。其次是辅助电化学泵，主要作用为进一步去除干扰气，进而使干扰气到达很低的浓度甚至于完全去除。最后在测量电化学泵上，实现对NOx浓度的测量。

一般而言，气体传感器芯片的基体为氧化锆材料。加热器是芯片重要的组成部分，作为高温热量的主要来源。工作时，加热器给整个芯片提供一个高温，那么氧化锆处于氧离子导通状态。由于所有电极都处在同一个氧化锆的基体上，电极上的电信号非常容易受到彼此的干扰。尤其当各个工作电极产生的电信号值有着巨大的差异时，会有着更加明显相互影响。

为了降低干扰，不得不将多个腔室的距离增大，为各个泵电极留下足够的位置距离，降低电信号的干扰。

然而，这样的设计导致了测试腔室的气体流动长度增大，对于芯片的加工制造存在一定的难度。同时，为了使得各个电极都能够足够的温度下工作，加热器会变得非常的长。这样的设计直接导致了加热器的设计难度，例如温度分布不均匀，芯片抗击热冲击能力下降。同时，由于加热器的长度很长，导致芯片尾端的接触角的温度也非常高。高温容易导致结构件失效，明显降低了整个传感器的可靠性与寿命。

然而即使增加测试腔室的长度，各个泵单元的电极之间的信号还是存在相互干扰。这样的芯片结构设计决定了测量的精度不会太高。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有气体传感器陶瓷芯片的不足，提供一种气体传感器的陶瓷芯片及具有该陶瓷芯片的气体传感器。

为实现上述目的，本实用新型采用以下设计方案：

一种气体传感器的陶瓷芯片，包括从上至下依次层叠的第一氧离子导体层、绝缘层与第二氧离子导体层，所述第一氧离子导体层具有位于所述绝缘层上方的第一腔体，所述第二氧离子导体层具有位于所述绝缘层下方的第二腔体，所述第一腔体的氧离子导体的外侧和内侧上分别涂覆有外主泵电极和内主泵电极；所述绝缘层上涂覆有加热器电极；所述第二腔体的氧离子导体的内侧上涂覆测量电极和辅助泵电极，所述第二腔体的氧离子导体的外侧上涂覆参考电极；所述第一腔体内的第一腔室与所述第二腔体内的第二腔室通过所述绝缘层上的穿孔狭缝连通，所述第一腔室与所述芯片外侧之间设置有气体通道的第一扩散障，所述绝缘层上的穿孔狭缝作为气体通道的第二扩散障，所述第二腔室与所述测量电极之间设置有气体通道的第三扩散障。

进一步地：

所述第一氧离子导体层、所述第二氧离子导体层与中间的所述绝缘层形成对称的夹心结构。

所述绝缘层将所述加热器电极包裹在中间。

所述绝缘层的材料为氧化铝。

所述第一扩散障和所述第三扩散障的材料为多孔陶瓷材料。

所述多孔陶瓷材料的孔隙率范围在30％-60％之间。

所述穿孔狭缝为单个或多个的圆形孔洞或方形孔洞。

所述孔洞的横截面积为0.5-1.0mm²，所述孔洞的纵深长度为0.2-0.4mm。

所述外主泵电极、所述内主泵电极、所述加热器电极、所述测量电极、所述辅助泵电极、所述参考电极分别为铂电极、铂-金电极、铂电极，铂-铑电极、铂-金电极、铂电极。

一种气体传感器，具有所述的陶瓷芯片。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的气体传感器的陶瓷芯片，通过绝缘层与气道腔体位置结构的设计，以及加热器电极等位置结构的设计，实现了离子导电基体的绝缘分离，使各个泵单元分离，在工作过程中无相互的影响，各个工作电极的电信号绝缘，从而在芯片测量过程中降低了信号之间的干扰，提高了电信信号采集的精度，提高了气体浓度测试精度。同时，这种芯片的腔体结构呈现上下立体结构，这种更加立体的结构减小了腔体的水平长度，避免了水平方向纵深过长，有利于加热器集中在较小的区域，提高产品的温度分布均匀性，降低了热效应对芯片寿命的影响，提高了陶瓷芯片的稳定性与寿命。

附图说明

图1为本实用新型实施例的气体传感器陶瓷芯片结构示意图；

图2示出本实用新型实施例中的立体结构示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

参阅图1和图2，在一种实施例中，一种气体传感器的陶瓷芯片，包括从上至下依次层叠的第一氧离子导体层1、2、绝缘层3、4与第二氧离子导体层5、6，所述第一氧离子导体层1、2具有位于所述绝缘层3、4上方的第一腔体，所述第二氧离子导体层5、6具有位于所述绝缘层3、4下方的第二腔体，所述第一腔体的氧离子导体的外侧和内侧上分别涂覆有外主泵电极7和内主泵电极8，形成主泵单元18；所述绝缘层3、4上涂覆有加热器电极9，形成加热单元；所述第二腔体的氧离子导体的内侧上涂覆测量电极10和辅助泵电极11，所述第二腔体的氧离子导体的外侧上涂覆参考电极12，形成辅助泵单元19与测量泵单元20；所述第一腔体内的第一腔室13与所述第二腔体内的第二腔室14通过所述绝缘层3、4上的穿孔狭缝16连通，所述第一腔室13与所述芯片外侧之间设置有气体通道的第一扩散障15，所述绝缘层3、4上的穿孔狭缝16作为气体通道的第二扩散障，所述第二腔室14与所述测量电极10之间设置有气体通道的第三扩散障17。

在优选实施例中，所述第一氧离子导体层1、2、所述第二氧离子导体层5、6与中间的所述绝缘层3、4形成对称的夹心结构。

在优选实施例中，所述绝缘层3、4将所述加热器电极9包裹在中间。

在优选实施例中，所述绝缘层3、4的材料为氧化铝。

在优选实施例中，所述第一扩散障15和所述第三扩散障17的材料为多孔陶瓷材料。

在更优选实施例中，所述多孔陶瓷材料的孔隙率范围在30％-60％之间。

在优选实施例中，所述穿孔狭缝16为单个或多个的圆形孔洞或方形孔洞。

在更优选实施例中，所述孔洞的横截面积为0.5-1.0mm²，所述孔洞的纵深长度为0.2-0.4mm。

在优选实施例中，所述外主泵电极7、所述内主泵电极8、所述加热器电极9、所述测量电极10、所述辅助泵电极11、所述参考电极12分别为铂电极、铂-金电极、铂电极，铂-铑电极、铂-金电极、铂电极。

在另一种实施例中，一种气体传感器，具有前述任一实施例的陶瓷芯片。

较佳的，陶瓷芯片的基体为对称结构，这种结构使得芯片成型更加容易。

较佳的，所述氧离子导体功能层构成了独立的腔体结构。

较佳的，所述氧离子导体功能层主要是氧离子导体材料构成。

较佳的，氧离子导体层的材料可以为氧化钇、氧化钙、氧化镁等掺杂氧化锆的氧离子导体材料。也可以是例如镧锶镓镁基或氧化铈基等氧离子导体材料。

所述绝缘层的主要功能是作为加热器的基体以及隔离绝缘离子导体层。

较佳的，绝缘层的材料是稳定的非离子导体材料，例如氧化铝。

较佳的，所述绝缘层将加热器电极包裹在中间，防止加热器工作过程中的漏电电流破坏附近的离子导体层。

所述绝缘层将第一离子导体层与第二离子导体层分隔，防止了两离子导体层之间的电信号相互干扰，从而有效提高电信号采集的精度。

所述绝缘层上的加热器电极组成的加热器单元，能够给芯片的工作提供所需要的温度环境。

较佳的，所述工作电极的材料主要包括导体材料、催化材料与添加剂等。

较佳的，所述工作电极的导体材料主要包括贵金属、陶瓷材料或者两者的混合材料。

较佳的，工作电极的导体材料成分包括例如铂、钯、镧锶锰等。

较佳的，所述工作电极的催化材料成分包括活性催化剂与惰性催化剂材料。

较佳的，所述工作电极的添加剂成分包括助烧剂，造孔剂等。

所述主泵单元在芯片的第一腔体将气体中氧气通过氧离子的形式泵出，形成低氧气浓度环境。

所述辅助泵单元在芯片的第二腔体将气体中残余的少量氧气泵出，使得气体的氧气浓度达到更低的范围。

所述测量泵单元在芯片的第二腔体对测试气体进行催化分解，再将分解得到的氧气全部泵出，并通过泵氧量获得到分解之后的氧气量。

所述主要气体的通道按照顺序包括了第一扩散障、第一腔室、第二扩散障、第二腔室与第三扩散障。

较佳的，第一、三扩散障的多孔陶瓷材料包括多孔氧化锆、多孔氧化铝或混合多孔材料组成。

较佳的，第一、第二腔体是上下立体分布而非水平分布结构，所述立体结构能够减小芯片加热区域，降低热效应对芯片寿命的影响。

以下结合附图进一步描述具体实施例的特征和原理。

参阅图1和图2，在一种实施例中，一种气体传感器的陶瓷芯片E-1，其基体结构包括第一氧离子导体层1、2，绝缘层3、4与第二氧离子导体层5、6。氧离子导体层呈腔体结构，且位于绝缘层的上、下腔体分别称为第一腔体和第二腔体。第一腔体的氧离子导体上涂覆外主泵电极7、内主泵电极8，构成主泵单元18；绝缘层上涂覆加热器电极9，构成加热单元；第二腔体的氧离子导体上涂覆测量电极10、辅助泵电极11与参考电极12，分别构成辅助泵单元19与测量泵单元20。气体通道的第一腔室13与第二腔室14分别位于第一腔体内与第二腔体内，并通过绝缘层的穿孔狭缝连通。气体通道的第一扩散障15位于第一腔室与芯片外侧之间；第二扩散障16是绝缘层穿孔形成的狭缝；第三扩散障17位于第二腔室与测量电极之间。

芯片的工作单元是第一腔体、第二腔体与加热单元。第一腔体由主泵单元18与第一腔室13构成，第二腔体分别由辅助泵单元19、测量泵单元20与第二腔室14构成。

芯片的基体层1,2,5,6为氧离子导体功能层，主要作用是作为氧离子泵，在外界电源施加电压将氧气或者含氧气体中氧成分以氧离子的形式往外输运，从而获得理想的氧气浓度环境。氧离子导体层的材料可以为氧化钇、氧化钙、氧化镁等掺杂氧化锆基的氧离子导体材料，也可以是例如镧锶镓镁基或氧化铈基等氧离子导体材料。

绝缘层3,4的主要功能作为加热器的基体以及对第一氧离子导体与第二氧离子导体的绝缘隔离。绝缘层的材料是稳定的非离子导体材料，例如氧化铝等。加热器9在外加电源下能够提供芯片测试端的高温，一般工作温度范围在700-800℃。绝缘层的将加热器电极9包裹在中间，防止加热器由于漏电电流而破坏附近的氧化锆等氧离子导体材料。绝缘层将第一氧离子导体与第二氧离子导体绝缘，在测量过程中能够有效的实现主泵单元与其他泵单元的隔离，提高测试精度。

基体中氧离子导体层与绝缘层之间形成的夹心结构是整体对称的。这样的结构更加有利于芯片的制备工艺实现。

工作电极包括外主泵电极7、内主泵电极8、测量泵电极10、辅助泵电极11、参考电极12。工作电极的材料主要成分为贵金属或者陶瓷材料，另外需要加入一些特定的催化材料与添加剂等。贵金属主要包括例如铂Pt、钯Pd、金Au等，陶瓷材料包括例如氧化锆基、锰酸镧基、铁酸镧基的氧离子导体材料等。催化材料分为活性与惰性催化剂，例如催化NOx分解的铑Rh、阻碍NOx催化分解的金Au。添加剂主要包括含有玻璃相的助烧剂，大颗粒或挥发材料的造孔剂等。

气体通道的第一腔室13连接了外界引入的待测气体与主泵单元18，主泵单元18包括了氧离子导体层1、外主泵电极7与内主泵电极8。当测试气体从外界扩散到第一腔室，气体中大量氧气被主泵单元泵出，确保了氧气浓度降到很低。主泵单元的主要特点是大幅度泵出第一腔室内的氧气，因此氧离子泵出量大，形成的电流值相对较大，量纲为毫安。

气体通道的第二腔室14连接了第一腔室与辅助泵单元19、测量泵单元20。辅助泵单元19包括了氧离子导体层6、辅助泵电极11与参考电极12。测量电极单元20包括了氧离子导体层6、测量泵电极10与参考电极12。在第二腔室中测试气体残余的少量氧气被辅助泵电极泵出，最终待测气体在测量泵电极上测试。辅助泵、测量泵单元的主要特点是泵出的氧离子量较少，形成的电流值较小，量纲为微安,或更低的纳安。

气道上的扩散障包括第一扩散障15，第二扩散障16，第三扩散障17位于气流的通道上。主要的功能是限制气体的流动，并保护各个电极不被毒化。其中第一、三扩散障15,17是由多孔陶瓷材料组成。多孔陶瓷材料包括多孔氧化锆、多孔氧化铝或混合多孔材料组成，孔隙率的范围在30％-60％之间。

第二扩散障16是由绝缘层穿孔形成的狭缝，这样的设计兼备了结构性与功能性。结构上实现了第一、二腔体的连通，功能上作为辅助泵的限流扩散障。穿孔狭缝可以为单个或多个圆形孔洞，也可以为方形孔。孔洞横截面积为0.5-1.0mm²，孔洞纵深长度0.2-0.4mm。

实例1

如图2所示，一种氮氧化合物(NOx)传感器的陶瓷芯片，基体是由第一氧化锆层，氧化铝层，第二氧化锆层组成。第一氧化锆层形成第一腔体，第二氧化锆层形成第二腔体。其中第一氧化锆层上包括外主泵电极、内主泵电极,三者构成主泵单元；氧化铝上包括加热器电极，构成加热单元；第二氧化锆层上包括辅助泵电极、测量电极与参考电极，分别组成辅助泵单元与测量泵单元。气体通道的第一腔室位于第一腔体内，气体通道的第二腔室位于第二氧腔体内。第一扩散障位于第一氧化锆层与氧化铝层，第一腔室与芯片外侧之间；第二扩散障是氧化铝层穿孔的狭缝；第三扩散障位于第二腔室与测量电极之间。第一扩散障为多孔氧化锆材料，第二扩散障为圆形通孔，第三扩散障为多孔氧化铝保护层。

其中，外主泵电极、内主泵电极、加热器电极、测量电极、辅助泵电极与参考电极的材料分别为：铂电极、铂-金电极、铂电极，铂-铑电极，铂-金电极，铂电极。

该芯片工作过程中需要配置电控单元，并设置相关参数，以求达到以下效果。其工作过程如下描述：启动芯片加热单元使芯片头部的温度达到700-800℃。当混合有氮氧化合物的气体经过第一扩散障到达芯片的第一腔室。当混合气体到达内主泵电极，电控主泵单元将混合气体中大量的氧气通过氧泵的形式抽离到芯片外，内主泵电极不会分解NOx。经过内主泵后，混合气体中的氧气浓度很低，一般为1000-2000ppm。混合气体沿着气道通过孔状的第二扩散障，穿过氧化铝绝缘层，到达第二腔室。混合气体首先接触到辅助泵电极，辅助泵单元通过二次泵氧将混合气体的氧气浓度下调到0-500ppm，且辅助泵电极不会分解NOx。混合气体到达测量电极，在测量电极的催化作用下分解NOx形成氮气与氧气，测量泵单元再将这些分解出来的氧气全部泵出。因此，经过反推算测量泵的泵氧量可以得到氮氧化合物的浓度，实现对NOx浓度的测量。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种气体传感器的陶瓷芯片，其特征在于，包括从上至下依次层叠的第一氧离子导体层、绝缘层与第二氧离子导体层，所述第一氧离子导体层具有位于所述绝缘层上方的第一腔体，所述第二氧离子导体层具有位于所述绝缘层下方的第二腔体，所述第一腔体的氧离子导体的外侧和内侧上分别涂覆有外主泵电极和内主泵电极；所述绝缘层上涂覆有加热器电极；所述第二腔体的氧离子导体的内侧上涂覆测量电极和辅助泵电极，所述第二腔体的氧离子导体的外侧上涂覆参考电极；所述第一腔体内的第一腔室与所述第二腔体内的第二腔室通过所述绝缘层上的穿孔狭缝连通，所述第一腔室与所述芯片外侧之间设置有气体通道的第一扩散障，所述绝缘层上的穿孔狭缝作为气体通道的第二扩散障，所述第二腔室与所述测量电极之间设置有气体通道的第三扩散障。

2.如权利要求1所述的气体传感器的陶瓷芯片，在其特征在于,所述第一氧离子导体层、所述第二氧离子导体层与中间的所述绝缘层形成对称的夹心结构。

3.如权利要求1所述的气体传感器的陶瓷芯片，在其特征在于,所述绝缘层将所述加热器电极包裹在中间。

4.如权利要求1至3任一项所述的气体传感器的陶瓷芯片，在其特征在于,所述绝缘层的材料为氧化铝。

5.如权利要求1至3任一项所述的气体传感器的陶瓷芯片，在其特征在于,所述第一扩散障和所述第三扩散障的材料为多孔陶瓷材料。

6.如权利要求5所述的气体传感器的陶瓷芯片，在其特征在于,所述多孔陶瓷材料的孔隙率范围在30％-60％之间。

7.如权利要求1至3任一项所述的气体传感器的陶瓷芯片，在其特征在于,所述穿孔狭缝为单个或多个的圆形孔洞或方形孔洞。

8.如权利要求7所述的气体传感器的陶瓷芯片，在其特征在于,所述孔洞的横截面积为0.5-1.0mm²，所述孔洞的纵深长度为0.2-0.4mm。

9.如权利要求1至3任一项所述的气体传感器的陶瓷芯片，在其特征在于,所述外主泵电极、所述内主泵电极、所述加热器电极、所述测量电极、所述辅助泵电极、所述参考电极分别为铂电极、铂-金电极、铂电极，铂-铑电极、铂-金电极、铂电极。

10.一种气体传感器，在其特征在于,具有如权利要求1至9任一项所述的陶瓷芯片。