CN207964720U - 一种微量氧传感器的敏感元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种微量氧传感器的敏感元件，包括第一泵氧结构层、第二泵氧结构层、进气限流扩散障、氧化铝层以及加热器层；第一泵氧结构层由第一电解质层、第一泵氧内电极、第一泵氧外电极、第一过孔电极以及第一多孔排气层组成；第二泵氧结构层由第二电解质层、第二泵氧内电极、第二泵氧外电极、第二过孔电极以及第二多孔排气层组成；进气限流扩散障与第一泵氧结构层、第二泵氧结构层合围构成密闭空腔；氧化铝层上设有信号引脚；加热器层包括第一绝缘层、加热器以及第二绝缘层，第二绝缘层下表面设有加热引脚，加热引脚通过第三过孔电极与加热器相连。本实用新型使得传感器在敏感度，线性度和使用寿命进一步提升。
Description
技术领域
本实用新型涉及工业气体传感器领域，特别涉及一种微量氧传感器的敏感元件。
背景技术
随着我国工业的迅猛发展，带动了产业产品，产业能力水平的快速提升，尤其在是精密制造领域中应用的各类氧分析仪和氧量侦测变送器，对传感器测量精度，测量范围提出了更为严苛的指标，而其中核心敏感元件的应用技术则显得尤为关键。
极限电流型氧传感器具有测量范围广，响应时间短，灵敏度高，无需参比电极等优势大量应用于氧分析仪中；现有主流仪器上的极限电流型氧传感器大都从欧美进口，其核心敏感元件结构上采用圆片状氧化铝和氧化锆通过玻璃材料密封制备而成；其束氧扩散机制设计也采用小孔极限电流型或者致密扩散障型；前者使用过程中孔隙易堵易变形，后者则制备应用技术未成熟采用，大大影响了敏感元件的性能提升。
微量氧分析仪适用于在线或者间断检测高纯气体，和氮、氢、氦和工业用乙烯、丙烯以及其他不与碱性电解液和电极发生反映的气体中微量氧检测；也可以作为试验工作用于多种生产和研发部分，如合成氨生产、真空清洗虫注；各种容器、管道冲洗、置换；高级塑料生产；除氧触媒的鉴别、空分、半导体行业保护器检测等；其核心部件微量氧传感器的突出特点是更强的电流输出，更高的抗干扰性，更低检测区间，更高的检测精度。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种针对现有技术中的缺陷，从设计上加强信号电流输出能力，提升敏感元件微量氧检测能力；增强敏感元件的绝缘性能，提升输出信噪比；加强功能电极层保护，使得传感器在敏感度，线性度和使用寿命进一步提升的一种微量氧传感器的敏感元件。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种微量氧传感器的敏感元件，所述敏感元件包括：
第一泵氧结构层，第一泵氧结构层由第一电解质层、第一泵氧内电极、第一泵氧外电极、第一过孔电极以及第一多孔排气层组成；
设置在第一泵氧结构层下方的第二泵氧结构层，第二泵氧结构层由第二电解质层、第二泵氧内电极、第二泵氧外电极、第二过孔电极以及第二多孔排气层组成；
设置在第一泵氧结构层和第二泵氧结构层之间的进气限流扩散障，进气限流扩散障与第一泵氧结构层、第二泵氧结构层合围构成密闭空腔，第一泵氧内电极和第二泵氧内电极均设置在空腔内；
设置在第一泵氧结构层上表面的氧化铝层，氧化铝层上设有信号引脚，信号引脚经第一过孔电极和第二过孔电极完成电气连接，使得所述的第一泵氧结构层和所述的第二泵氧结构层构成并联工作模式；
设置在第二泵氧结构层下表面的加热器层，加热器层包括由上而下设置的第一绝缘层、加热器以及第二绝缘层，第二绝缘层下表面设有加热引脚，加热引脚通过第三过孔电极与加热器相连。
在本实用新型的一个实施例中，所述第一泵氧内电极设置在第一电解质层下表面，所述第一泵氧外电极设置在第一电解质层上表面，第一泵氧外电极外覆盖第一多孔排气层。
在本实用新型的一个实施例中，所述第二泵氧内电极设置在第二电解质层上表面，所述第二泵氧外电极设置在第二电解质层下表面，第二泵氧外电极外覆盖第二多孔排气层。
在本实用新型的一个实施例中，所述第一多孔排气层、第二多孔排气层、进气限流扩散障均采用多孔氧化铝陶瓷材料制备而成。
在本实用新型的一个实施例中，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为氧化铝绝缘层。
在本实用新型的一个实施例中，所述第一电解质层和第二电解质层是以5-8％mol钇稳定氧化锆制备的致密固体电解质。
通过上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
1、以氧化锆电解质为透氧层，以氧化铝为基体的复合陶瓷体共烧制备，提高整体抗热振性；氧化铝陶瓷的绝缘特性减弱加热电路对敏感电路的干扰，提升信噪比，保证微量氧环境下纳安电流的可检测性。
2、采用双泵氧结构层并联工作模式，在同等工作条件下，可增强传感器的输出电流，提升敏感元件探测灵敏度。
3、多孔氧化铝制备的进气限流扩散障保证了束氧扩散机制的稳定可靠，其制备的排气层，有效的保护泵氧外电极。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的爆炸图
图2为本实用新型的截面图
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
10、第一泵氧结构层 11、第一电解质层 12、第一泵氧内电极 13、第一泵氧外电极14、第一过孔电极 15、第一多孔排气层 20、第二泵氧结构层 21、第二电解质层 22、第二泵氧内电极 23、第二泵氧外电极 24、第二过孔电极 25、第二多孔排气层 30、进气限流扩散障 40、氧化铝层 41、信号引脚 50、加热器层 51、第一绝缘层 52、加热器 53、第二绝缘层54、加热引脚 55、第三过孔电极 60、空腔。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
参见图1和图2所示，本实用新型公开了一种微量氧传感器的敏感元件，敏感元件包括第一泵氧结构层10、设置在第一泵氧结构层10下方的第二泵氧结构层20、设置在第一泵氧结构层10和第二泵氧结构层20之间的进气限流扩散障30、设置在第一泵氧结构层10上表面的氧化铝层40以及设置在第二泵氧结构层20下表面的加热器层50；氧化铝层40、第一泵氧结构层10、第二泵氧结构层20以及加热器层50由HTCC技术共烧制备而成。
第一泵氧结构层10由第一电解质层11、第一泵氧内电极12、第一泵氧外电极13、第一过孔电极14以及第一多孔排气层15组成；第一泵氧内电极12设置在第一电解质层11下表面，所述第一泵氧外电极13设置在第一电解质层11上表面，第一泵氧外电极13外覆盖第一多孔排气层15。
第二泵氧结构层20由第二电解质层21、第二泵氧内电极22、第二泵氧外电极23、第二过孔电极24以及第二多孔排气层25组成；第二泵氧内电极22设置在第二电解质层21上表面，所述第二泵氧外电极23设置在第二电解质层21下表面，第二泵氧外电极23外覆盖第二多孔排气层25。
进气限流扩散障30与第一泵氧结构层10、第二泵氧结构层20合围构成密闭空腔60，第一泵氧内电极12和第二泵氧内电极22均设置在空腔60内。
氧化铝层40上设有信号引脚41，信号引脚41经第一过孔电极14和第二过孔电极24完成电气连接，使得所述的第一泵氧结构层10和所述的第二泵氧结构层20构成并联工作模式。
加热器层50包括由上而下设置的第一绝缘层51、加热器52以及第二绝缘层53，第二绝缘层53下表面设有加热引脚54，加热引脚54通过第三过孔电极55与加热器52相连。
第一多孔排气层15、第二多孔排气层25、进气限流扩散障30均采用多孔氧化铝陶瓷材料制备而成。
第一绝缘层51和第二绝缘层53均为氧化铝绝缘层。
第一电解质层11和第二电解质层21是以5-8％mol钇稳定氧化锆制备的致密固体电解质。
本实用新型的工作原理如下：
工作时在加热器层50的加热引脚54两端施加一定值的加热电压，使传感器的敏感层达到400-600℃工作温度；再通过氧化铝层40上的信号引脚51施加0.8V左右的泵氧驱动电压，使得第一泵氧结构层10和第二泵氧结构层20同时将氧气分子从空腔60经过各自的第一电解质层11和第二电解质层21往第一多孔排气层15和第二多孔排气层25运送；因而在空腔60内部区域形成氧低压区，使得外界的氧分子通过进气限流扩散障30往空腔60扩散，形成氧浓度梯度；泵氧驱动回路检测的总电流Ip与氧浓度存在以下关系；
Ip＝C·(Po2′-Po2＂)
C:扩散常数，与进气限流扩散障的结构状态相关；
Po2′：被测氧气分压；
Po2＂：空腔60内部的氧气分压，Po2＂在泵氧电流达到平台时维持在趋向于零。
根据上述关系：泵氧电流Ip的平台值与被测气氛中的氧分压Po2成正比关系，即一个特定的Po2成对应一定的泵氧电流Ip值，通过泵氧电流Ip值大小计算O2浓度。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种微量氧传感器的敏感元件，其特征在于，所述敏感元件包括：
第一泵氧结构层，第一泵氧结构层由第一电解质层、第一泵氧内电极、第一泵氧外电极、第一过孔电极以及第一多孔排气层组成；
设置在第一泵氧结构层下方的第二泵氧结构层，第二泵氧结构层由第二电解质层、第二泵氧内电极、第二泵氧外电极、第二过孔电极以及第二多孔排气层组成；
设置在第一泵氧结构层和第二泵氧结构层之间的进气限流扩散障，进气限流扩散障与第一泵氧结构层、第二泵氧结构层合围构成密闭空腔，第一泵氧内电极和第二泵氧内电极均设置在空腔内；
设置在第一泵氧结构层上表面的氧化铝层，氧化铝层上设有信号引脚，信号引脚经第一过孔电极和第二过孔电极完成电气连接，使得所述的第一泵氧结构层和所述的第二泵氧结构层构成并联工作模式；
设置在第二泵氧结构层下表面的加热器层，加热器层包括由上而下设置的第一绝缘层、加热器以及第二绝缘层，第二绝缘层下表面设有加热引脚，加热引脚通过第三过孔电极与加热器相连。
2.根据权利要求1所述的一种微量氧传感器的敏感元件，其特征在于，所述第一泵氧内电极设置在第一电解质层下表面，所述第一泵氧外电极设置在第一电解质层上表面，第一泵氧外电极外覆盖第一多孔排气层。
3.根据权利要求1所述的一种微量氧传感器的敏感元件，其特征在于，所述第二泵氧内电极设置在第二电解质层上表面，所述第二泵氧外电极设置在第二电解质层下表面，第二泵氧外电极外覆盖第二多孔排气层。
4.根据权利要求1所述的一种微量氧传感器的敏感元件，其特征在于，所述第一多孔排气层、第二多孔排气层、进气限流扩散障均采用多孔氧化铝陶瓷材料制备而成。
5.根据权利要求1所述的一种微量氧传感器的敏感元件，其特征在于，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为氧化铝绝缘层。
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