CN212321501U - 一种基于扩散连接的微型高温氧传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于扩散连接的微型高温氧传感器，尤其涉及一种体积小于65mm3、工作温度650℃的微型氧浓度传感器，包括由氧化锆陶瓷基片、铂电极和氧化铝陶瓷片组合成氧泵和浓差电池，氧泵产生泵氧电流，改变密闭空腔内氧浓度，浓差电池根据空腔内和待测气体氧气浓度差输出电势。将被测氧气浓度信息转化为相应的电信号输出。通过对氧化铝陶瓷保护层内侧设计复合槽型台阶结构，采用真空扩散连接方式与氧化锆陶瓷基片高质量连接，降低传感器氧化铝保护层/氧化锆陶瓷结构的残余应力、消除缺陷，提高传感器使用寿命和测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微型高温氧浓度传感器领域，尤其涉及一种体积小于 65mm3的微型氧浓度传感器的真空扩散连接结构，属于气体浓度传感器制造技术领域。
背景技术
气体传感器分为电学类、光学类和电化学类传感器，其中氧化锆型氧浓度传感器具有高测氧精度和高温稳定性，广泛应用于内燃机尾气排放、核电反应堆气体含量及航空飞行器氧气面罩氧含量等检测领域。氧化锆型氧浓度传感器，多为管式浓差型，但其成型复杂、尺寸较大，因此其应用受到限制。随着陶瓷层压工艺的成熟，具有高灵敏度的板式氧传感器被应用，但其结构中加热器与传感元件的距离较近，需要确保绝缘性，防止加热器的电流窜至氧化锆陶瓷元件上，也极大影响其使用范围。
目前可采用氧化铝陶瓷薄层通过高温烧结或粘结方式固定在氧化锆层外侧来解决上述问题。但通过高温烧结或粘结方式制备的传感器，高温烧结时界面脆性组织导致较大的残余应力以及传感器高温加热时对粘结层强度的弱化，将在成微裂纹、间隙等缺陷，将影响氧化铝陶瓷层与氧化锆陶瓷层的连接可靠性，大大降低传感器的测量精度和使用寿命。随着气体浓度传感器在军工、核电等产业的广泛应用以及对传感器本身小型化、集成化和智能化以及测量高精度、尤其工作温度达650℃的微型高温气体浓度传感器的稳定性和长寿命的要求，氧化铝陶瓷保护层与氧化锆陶瓷层之间通过烧结或粘结的方法很难获得高成品率的器件。
本实用新型提供了一种体积小于65mm3的微型高温(工作温度达650℃) 氧浓度传感器，通过对氧化铝陶瓷薄层内壁进行结构设计，使之能够适合添加中间层，便于利用真空扩散焊技术实现其在较低温度进行高质量的扩散连接，大大降低传感器结构的残余应力，提高其使用寿命和测量精度。
发明内容
针对上述不足，本实用新型提供了一种基于扩散连接的微型高温氧传感器。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：
(1)一种基于扩散连接的微型高温氧传感器，包括圆形氧化锆陶瓷基片、铂电极和圆形氧化铝陶瓷片。其中氧化锆陶瓷基片2片、铂电极3个、氧化铝陶瓷片2片，2片氧化锆陶瓷基片被密封成紧闭空腔，左侧氧化锆陶瓷基片与铂电极构成氧泵，氧泵产生泵氧电流，改变密闭空腔内氧浓度，右侧氧化锆陶瓷基片与铂电极构成浓差电池，浓差电池根据空腔内和待测气体氧气浓度差输出电势。氧化锆陶瓷基片外侧连接氧化铝陶瓷片保护层，保护层起到绝缘作用，并可过滤保护铂电极不被有害颗粒毒化。传感器体积≤65mm3，总厚度≤3.5mm，直径≤5.5mm，工作温度650℃。
(2)所述氧化锆陶瓷基片是氧化锆基烧结陶瓷材料，氧化铝陶瓷片是多孔氧化铝烧结陶瓷材料，铂电极是由多孔铂金涂覆于氧化锆陶瓷基片表面构成，电极引线为铂金材料；
(3)所述保护层为氧化铝陶瓷片，2片氧化铝陶瓷片内侧连接面分别加工出直径为氧化铝陶瓷片直径4/5、深度0.1～0.15mm与直径差为氧化物陶瓷片直径1/10、深度0.05～0.08mm环形槽的复合槽型台阶结构，利用进行选区添加中间层，实现氧化铝陶瓷片与氧化锆陶瓷基片高质量的真空扩散连接；
(4)所述氧化锆陶瓷基片两侧涂覆有多孔铂电极，与氧化锆陶瓷基片分别构成氧泵和浓差电池，氧泵产生泵氧电流，改变密闭空腔内氧浓度。浓差电池根据空腔内和待测气体氧气浓度差产生电势，将被测氧气浓度信息转化为相应的电信号输出；
(5)所述氧泵内外电极通可逆恒流源，将氧气泵进或泵出空腔，改变密闭空腔内氧浓度。传感器中间微小紧闭空腔由高温玻璃釉将2片涂覆有多孔铂电极的氧化锆陶瓷基片密封制成。
本实用新型的优点在于，一种体积小于65mm3的微型高温氧浓度传感器，该传感器采用小型氧化锆基础元件为核心，无需参考气体，降低了由参比气室造成的测量误差，进而消除了参考气室的精密度对传感器精度的影响，可大大减小传感器的尺寸。尤其是通过对保护层氧化铝陶瓷片的内壁进行结构设计，使之能够适合添加中间层材料，采用真空扩散焊技术实现其在较低温度下进行高质量的扩散连接，将大大降低传感器氧化铝保护层/氧化锆陶瓷结构的残余应力、消除缺陷，提高传感器使用寿命和测量精度。
附图说明
图1为本实用新型氧浓度传感器主视图；
图2为本实用新型氧浓度传感器侧视图；
图3为本实用新型氧浓度传感器俯视图。
图中符号说明
1.氧化锆陶瓷基片；2.铂电极；3.氧化铝陶瓷片；4.氧化铝陶瓷内壁空腔；5.密封高温玻璃釉；6.紧闭空腔。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不限于以下实施例。
参见图1-图3，一种基于扩散连接的微型高温氧传感器，包括圆形氧化锆陶瓷基片1、铂电极2、圆形氧化铝陶瓷片3、氧化铝陶瓷内壁空腔4、密封高温玻璃釉5和紧闭空腔6。氧化锆陶瓷基片氧化铝陶瓷片直径均为4.8～5.0mm、传感器总厚度为2.8～3mm。
将所述氧化锆陶瓷基片、铂电极和氧化铝陶瓷片组合成氧泵和浓差电池。左侧氧化锆陶瓷基片1和铂电极2构成氧泵，氧泵产生泵氧电流，改变密闭空腔内氧浓度，右侧氧化锆陶瓷基片7和铂电极2构成浓差电池，浓差电池根据空腔内和待测气体氧气浓度差输出电势。氧化锆陶瓷基片外侧有氧化铝陶瓷片 3，采用真空扩散连接方式分别与氧化锆陶瓷基片1连接，氧化铝陶瓷片3内侧连接面分别加工出直径为氧化铝陶瓷片直径4/5、深度0.12mm与直径差为氧化物陶瓷片直径1/10、深度0.06mm环形槽的复合槽型台阶结构，通过添加中间层，实现氧化铝陶瓷片3与氧化锆陶瓷基片1之间的高质量真空扩散连接。氧化锆陶瓷基片1为固体电解质具有良好的氧离子导电率，氧化锆陶瓷基片1被高温玻璃釉5密封成紧闭空腔6。
工作原理：左侧氧化锆陶瓷基片1与铂电极2构成氧泵内外电极通可逆恒流源，将氧气泵进或泵出空腔，改变密闭空腔内氧浓度，右侧氧化锆陶瓷基片1 与铂电极2根据空腔内和待测气体氧气浓度差形成浓差电池，然后通过铂电极输出电势，将被测氧气浓度信息转化为相应的电信号输出，通过对传感器输出电势变化时间的测量实现氧气浓度测量。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所做的举例说明。本实用新型所述技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于扩散连接的微型高温氧传感器，其特征是包括圆形氧化锆陶瓷基片、铂电极和圆形氧化铝陶瓷片，其中氧化锆陶瓷基片2片、铂电极3个、氧化铝陶瓷片2片，2片氧化锆陶瓷基片被高温玻璃釉密封成紧闭空腔，左侧氧化锆陶瓷基片与铂电极构成氧泵，氧泵产生泵氧电流，改变密闭空腔内氧浓度，右侧氧化锆陶瓷基片与铂电极构成浓差电池，浓差电池根据空腔内和待测气体氧气浓度差输出电势，氧化锆陶瓷基片外侧连接氧化铝陶瓷片保护层，保护层起到绝缘作用，并可过滤保护铂电极不被有害颗粒毒化，传感器体积≤65mm3，总厚度≤3.5mm，直径≤5.5mm，工作温度650℃。
2.根据权利要求1所述一种基于扩散连接的微型高温氧传感器，其特征在于：所述保护层为氧化铝陶瓷片，采用真空扩散连接方式分别与两侧氧化锆陶瓷基片连接。
3.根据权利要求1所述一种基于扩散连接的微型高温氧传感器，其特征在于：2片氧化铝陶瓷片内侧连接面分别加工出直径为氧化铝陶瓷片直径4/5、深度0.1～0.15mm与直径差为氧化物陶瓷片直径1/10、深度0.05～0.08mm环形槽的复合槽型台阶结构，利用进行选区添加中间层，实现氧化铝陶瓷片与氧化锆陶瓷基片高质量的真空扩散连接。
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