CN209400459U - 一种用于气体浓度测量的陶瓷芯片及传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于气体浓度测量的陶瓷芯片及传感器，该陶瓷芯片包括层叠设置在一起的第一至第三陶瓷基体层、测量单元、加热单元以及屏蔽单元，加热单元设置在第一陶瓷基体层上，连接外部电源以对陶瓷芯片加热，测量单元设置在第三陶瓷基体层上，在达到预定的温度条件时将测量到的被测气体的浓度信息转化为对应的电压或电流信号，屏蔽单元设置在介于第一陶瓷基体层和第三陶瓷基体层之间的第二陶瓷基体层上，屏蔽单元为与地线连接的网状结构或密实结构的电导体，位置和尺寸经配置以阻断加热单元的加热电压对测量单元的电场干扰。该陶瓷芯片能够消除加热单元带来的感应电场对测量单元的影响，降低芯片的测量信号的干扰，显著提高测量精度。

Description

一种用于气体浓度测量的陶瓷芯片及传感器

技术领域

本实用新型涉及气体浓度传感器，特别是涉及一种用于气体浓度测量的陶瓷芯片及传感器。

背景技术

陶瓷芯片作为传感器的核心元件具有广泛的应用场景，例如，车辆后处理系统中包含的氧传感器、SCR系统中的氮氧传感器、排温传感器、氨气传感器等。

传感器陶瓷芯片作为功能陶瓷需要在高温加热情况才能够输出信号。例如，氧化锆类基体，温度需要加热到800℃才能开始工作。我们将这种能够给陶瓷芯片提供热量的成为加热单元，其基本原理是电阻丝发热。加热单元是由金属线路构成的低电阻回路，在外加电源的情况下，回路中因加热丝电阻小而产生较高热量，从而达到施加高温的效果。

陶瓷芯片在高温情况下，利用外界环境的特点，例如气体浓度不同，由电极感知并转化为电信号输出，这部分结构被称为传感器的测量单元。测量单元的核心功能是电信号的测量，常见的例如能斯特电压测量或泵电流测量。

由于外接电源电压，加热单元在加热过程中容易产生感应电场。感应电场容易与测量单元信号耦合，导致芯片的测量单元输出电信号输出精度差。例如，当氧化锆基体在加热单元的施加的电压下，测量单元采集到的电信号会跟随加热单元施加的电压呈现周期性的信号波动，此时有着明显的感应电场的干扰。如果高频采集电信号，会导致信号的准确性大幅降低，从而降低整个陶瓷芯片的输出性能。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于气体浓度测量的陶瓷芯片及具有该陶瓷芯片的传感器，以消除加热单元带来的感应电场对测量单元的影响，降低芯片的测量信号的干扰，提高测量精度。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于气体浓度测量的陶瓷芯片，其特征在于,包括层叠设置在一起的第一至第三陶瓷基体层、测量单元、加热单元以及屏蔽单元，所述加热单元设置在所述第一陶瓷基体层上，所述加热单元连接外部电源以对所述陶瓷芯片加热，所述测量单元设置在所述第三陶瓷基体层上，所述测量单元在达到预定的温度条件时将测量到的被测气体的浓度信息转化为对应的电压或电流信号，所述屏蔽单元设置在介于所述第一陶瓷基体层和所述第三陶瓷基体层之间的所述第二陶瓷基体层上，所述屏蔽单元为与地线连接的网状结构或密实结构的电导体，所述屏蔽单元在所述第二陶瓷基体层上的位置和尺寸经配置以阻断所述第一陶瓷基体层上的所述加热单元的加热电压对所述第三陶瓷基体层上的所述测量单元的电场干扰。

进一步地，所述地线为外部地线或者所述加热单元的接地端。

进一步地，所述加热单元包括加热丝和用于连接所述外部电源的引线部分，所述加热丝为含铂的材料，所述加热单元的引线部分为含有铂、镍、铬、钨中的一种或多种的材料。

进一步地，所述测量单元用于测量氮氧化合物、一氧化碳或氧气的浓度。

进一步地，所述陶瓷为氧化锆材料。

进一步地，所述外接电源为直流电源或交流电源。

进一步地，所述外接电源为脉冲电源。

进一步地，所述第三陶瓷基体层进一步包含三个基体层，所述测量单元包括上下相对设置地夹在所述三个基体层中的相邻基体层之间的第一测量元件和第二测量元件。

一种传感器，用于气体浓度的测量，包括所述陶瓷芯片。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提供了一种带电场屏蔽功能的用于气体浓度测量的陶瓷芯片，通过在介于所述第一陶瓷基体层和所述第三陶瓷基体层之间的所述第二陶瓷基体层上设置网状结构或密实结构的电导体，在所述加热单元与所述测量单元之间增加所述屏蔽单元，优选方案中利用所述屏蔽单元的网状结构与导电特性，能够有效地消除掉所述加热单元所带来的感应电场对所述测量单元的影响，显著降低了陶瓷芯片的测量信号的干扰，大幅地提高了陶瓷芯片对气体浓度的测量精度。

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的侧视截面示意图；

图2为本实用新型实施例中的气体传感器陶瓷芯片的分解结构立体示意图。

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，一种用于气体浓度测量的陶瓷芯片，包括层叠设置在一起的第一至第三陶瓷基体层1、2、3、测量单元7、加热单元5以及屏蔽单元6，所述加热单元5设置在所述第一陶瓷基体层1上，所述加热单元5连接外部电源以对所述陶瓷芯片加热，所述测量单元7设置在所述第三陶瓷基体层3上，所述测量单元7在达到预定的温度条件时将测量到的被测气体的浓度信息转化为对应的电压或电流信号，所述屏蔽单元设置在介于所述第一陶瓷基体层1和所述第三陶瓷基体层3之间的所述第二陶瓷基体层2上，所述屏蔽单元6为与所述加热单元5和地线连接的网状结构或密实结构的电导体，所述屏蔽单元在所述第二陶瓷基体层2上的位置和尺寸经配置以阻断所述第一陶瓷基体层1上的所述加热单元5的加热电压对所述第三陶瓷基体层3上的所述测量单元7的电场干扰。

陶瓷芯片在加热过程中，加热单元5会产生感应电场，带来干扰。通过在介于所述第一陶瓷基体层1和所述第三陶瓷基体层3之间的所述第二陶瓷基体层2上设置网状结构的连接地线和加热单元5的电导体，在所述加热单元5与所述测量单元7之间增加了屏蔽单元6，优选方案中利用所述屏蔽单元6的网状结构与导电特性，能够有效地消除掉所述加热单元5所带来的感应电场对所述测量单元7的影响，并且通过地线传出，显著降低了此感应电场信号对陶瓷芯片的测量信号的干扰。所述测量单元7在没有电感应的干扰下，所获取的电信号精度与稳定性更好，从而大幅地提高陶瓷芯片的测量信号采集电信号的精度，提高了陶瓷芯片对气体浓度的测量精度。

在优选实施例中，所述屏蔽单元是介于加热丝与测量单元之间的一层电子导体物质，可以采用金属，优选铂、铬、镍等材料，或电子导电的氧化物，优选氧化镧、氧化锶、氧化锰等材料，在氧化铝绝缘层上印刷而制得，形态是网状结构的或密实结构的。

在一些实施例中，所述地线为外部地线或者所述加热单元5的接地端。

在优选实施例中，所述加热单元5包括加热丝和用于连接所述外部电源的引线部分，所述加热丝为含铂的材料，所述加热单元5的引线部分为含有铂、镍、铬、钨中的一种或多种的材料。引线部分采用用镍、铬、钨等金属或合金材料而非铂，能够降低成本。

更优选地，加热丝用铂和非导体(如玻璃相的材料)混合材料，其起到测温的作用，既可保持铂的温度系数，又容易得到均匀且较大阻值的电阻丝，从而解决因为空间小靠印刷工艺做不出很细的电阻丝的问题；更佳地，掺了玻璃相的铂材料也有利于与陶瓷基体烧结粘合。

在不同的实施例中，所述测量单元7可以用于测量氮氧化合物、一氧化碳或氧气的浓度。

在优选实施例中，所述陶瓷为氧化锆材料。

所述加热单元5通过连接外接电源为陶瓷芯片提供需要的温度条件。在不同的实施例中，所述外接电源可以是直流电源或交流电源等。

在不同的实施例中，所述外接电源可以为脉冲电源或非脉冲电源。

参阅图2，在优选实施例中，所述第三陶瓷基体层3进一步包含三个基体层，所述测量单元7包括上下相对设置地夹在所述三个基体层中的相邻基体层之间的第一测量元件和第二测量元件。

在另一种实施例中，一种传感器，用于气体浓度的测量，包括前述任一实施例的陶瓷芯片。

参阅图1和图2，根据一种实施例的传感器陶瓷芯片，当外界电路之后，加热单元回路通电，加热丝发热并使芯片有足够高的温度。基体层氧化锆材料在足够高的温度下，开始导通氧离子。在气体浓度变化时，测量单元7的电极能够感知变化而产生电信号并传递到外界。

当外界电源在不断给芯片提供热量的时，由于氧化锆的氧离子导体特性，使得整个芯片都能够感受到来自于加热单元产生的感应电场。若无屏蔽单元，测量单元7能够感受与加热电压类似的脉冲干扰信号。

参阅图2，陶瓷芯片中增加形成为网状结构的屏蔽单元，电路上为非回路形式，并且与地线相连。屏蔽单元覆盖在加热丝上方。当加热单元在外界电路下产生感应电信号，屏蔽单元能够接收来自加热单元的电感应，并通过接地线的方式消除该感应。测量单元7在屏蔽单元的屏蔽作用下，免除了电感应对信号的干扰。屏蔽单元结构的增加能够有效的提高测量单元7的电信号的精度。

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 (9)

1.一种用于气体浓度测量的陶瓷芯片，其特征在于,包括层叠设置在一起的第一至第三陶瓷基体层、测量单元、加热单元以及屏蔽单元，所述加热单元设置在所述第一陶瓷基体层上，所述加热单元连接外部电源以对所述陶瓷芯片加热，所述测量单元设置在所述第三陶瓷基体层上，所述测量单元在达到预定的温度条件时将测量到的被测气体的浓度信息转化为对应的电压或电流信号，所述屏蔽单元设置在介于所述第一陶瓷基体层和所述第三陶瓷基体层之间的所述第二陶瓷基体层上，所述屏蔽单元为与地线连接的网状结构或密实结构的电导体，所述屏蔽单元在所述第二陶瓷基体层上的位置和尺寸经配置以阻断所述第一陶瓷基体层上的所述加热单元的加热电压对所述第三陶瓷基体层上的所述测量单元的电场干扰。

2.如权利要求1所述的陶瓷芯片，其特征在于,所述地线为外部地线或者所述加热单元的接地端。

3.如权利要求1所述的陶瓷芯片，其特征在于,所述加热单元包括加热丝和用于连接所述外部电源的引线部分，所述加热丝为含铂的材料，所述加热单元的引线部分为含有铂、镍、铬、钨中的一种或多种的材料。

4.如权利要求1所述的陶瓷芯片，其特征在于,所述测量单元用于测量氮氧化合物、一氧化碳或氧气的浓度。

5.如权利要求1所述的陶瓷芯片，其特征在于,所述陶瓷为氧化锆材料。

6.如权利要求1所述的陶瓷芯片，其特征在于,所述外部电源为直流电源或交流电源。

7.如权利要求1所述的陶瓷芯片，其特征在于,所述外部电源为脉冲电源。

8.如权利要求1至6任一项所述的陶瓷芯片，其特征在于,所述第三陶瓷基体层进一步包含三个基体层，所述测量单元包括上下相对设置地夹在所述三个基体层中的相邻基体层之间的第一测量元件和第二测量元件。

9.一种传感器，用于气体浓度的测量，其特征在于,包括如权利要求1至8任一项所述陶瓷芯片。