TWI453400B - 電流式氧氣感測器 - Google Patents

Description

電流式氧氣感測器

本發明係關於一種氣體感測器，特別是一種電流式的氧氣感測器。

氧氣感測器應用於燃燒控制，如：汽車引擎的燃燒控制或鍋爐的燃燒控制等，主要是確保燃燒完全，及提高燃燒效率以降低污染氣體排放。

市面上常被使用的氧氣偵測器是以傳導氧負離子固態電解質為主體，來構成氧氣感測器。其中最廣為人知的氧氣偵測器，是以部份安定氧化鋯(PSZ)作為傳導氧離子的固態電解質的電位式氧氣感測器。在氧化鋯兩端分別通入不同的氧分壓，造成氧氣自高濃度透過氧化鋯向低濃度的氧氣移動的趨勢。氧氣分子進入氧化鋯時，在氧化鋯表面得到電子，形成氧離子，這些氧離子擴散至氧化鋯另一側表面後，會失去電子形成氧氣分子，再離開氧化鋯。此種機制在氧化鋯兩側表面會造成電動勢的差異。根據涅斯特方程式(Nernst equation)，只要在氧化鋯一側通入參考氣體，並量測此電動勢可以計算出未知氣體的氧分壓。

但此種感測器的缺點是必須在大約800℃的高溫下操作，以降低電流量測時接點的內部電阻，此外，氧化鋯的成本相當高，再加上氧化鋯材料的熔點可以達到2700℃左右，因此在製作成本及技術方面仍有許多改進的空間。

最近則發展出另一種電流式氧氣感測器，不需要再通入參考氣體即可量測未知氣體的氧分壓。以釔安定化氧化鋯(Yttria-stabilized Zirconia,YSZ)作為固態電解質，以白金等貴重金屬作為陽極與陰極的材料。在施加一個電壓後，會使得氧氣由陰極經由固態電解質擴散至陽極，因此在陽極與陰極之間可以量測到電流值，這個電流的大小和氧氣的濃度成正比，因此只要電流值夠精確，就可精確的得知氧氣濃度。此種感測器之優點為穩定性高，結構簡單，適合微小化，缺點為工作溫度過高，而且回復時間過長，以及其僅限於低濃度氧氣之量。

在美國專利6592731B1中，揭示一種電流式氧氣感測器，具有以氧離子的固態電解質和多孔隙的感測電極交替排列的結構，可以降低製備的難度。感測器內並設有平板式加熱電極，以將感測器加熱至大約500~800℃。

然而，由於此種電流式氧氣感測器是以所偵測的電流大小來判定氧氣的濃度，當加熱控制器對設置於感測器內部的加熱電極通電流時，所產生的電磁場也會使實際所測量的電流值失真，造成精確度及靈敏度降低。除此之外，在感測器被加熱至工作溫度時，會因為固態電解質和感測電極(多孔式金屬)的熱膨脹係數不同，一段工作時間後累積的熱應力容易使固態電解質(材料大部分為陶瓷)內部產生裂縫，進而影響感測器的壽命。

有鑒於上述課題，本發明之目的係提供一種電流式氧氣感測器，使感測器被加熱以維持在工作溫度時，也同時保有其精確度及靈敏度。本發明提供一種電流式氧氣感測器，用以偵測氣體的氧分壓，具有一本體，本體係為一氧離子導電材料，電流式氧氣感測器包括：一感測陽極，包括複數個第一梳片及一第一梳座部份，其中該些第一梳片埋設於本體內，其端部與第一梳座連接；一感測陰極，包括複數個第二梳片及一第二梳座部份，其中該些第二梳片埋設於本體內，感測陽極與感測陰極位置相對，且該些第一梳片與該些第二梳片交替式排列，並以氧離子導電材料相互隔離，該些第二梳片端部電性連接於第二梳座，第一及第二梳座，以一電壓源供應電位並外接一量測電路；一加熱電極，設置於本體內，以對本體加熱，使電流式氧氣感測器維持在工作溫度；及一電性絕緣層，但為熱導體層，用以隔離加熱電極所產生之電磁波以防止量測訊號被干擾。

其中，加熱電極的材料可選自白金(Pt)、金(Au)、鈀(Pd)及其組成之群組其中之一種。氧離子導電層材料選自釔安定氧化鋯(Y₂ O₃ -ZrO₂ )、摻雜釔、鈮之氧化鉍(Bi₂ O₃ )、摻雜稀土族或過渡性元素之氧化鈰(CeO₂ )。為了做為一緩衝層及隔絕加熱電極所產生的電磁場，電性絕緣層的厚度依不同材料而定，大約0.01至0.03mm。而電性絕緣層材料則為氧化鋁(Al₂ O₃ )摻雜稀土族或過渡元素。

本發明之電流式氧氣感測器具有習知電流式氧氣感測器容易製備的優點，卻減緩因為固態電解質和感測電極熱膨脹係數不同，造成氧氣感測器壽命縮短的問題。除此之外，也解決了由於加熱器設置於感測器內部，造成精確度及靈敏度降低的問題。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文依本發明電流式氧氣感測器，特舉較佳實施例，並配合所附相關圖式，作詳細說明如下，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。

請參照圖1，本發明提供一種電流式氧氣感測器1，用以偵測氣體的氧分壓，具有一本體10，本體10係為一氧離子導電材料作為固態電解質，在一較佳實施例中，係選自氧化釔-氧化鋯(Y₂ O₃ -ZrO₂ )、摻雜鹼土金屬元素或過渡元素(如：釔、鈮、鉈、鑭、鋇、鍶)之氧化鉍(Bi₂ O₃ )、摻雜稀土族或過渡元素之氧化鈰(CeO₂ )及其任意混合所組成的群組其中之一種。

本發明實施例中，電流式氧氣感測器1包括一感測陽極11、一感測陰極12、一加熱電極13及一電性絕緣層14。

感測陽極11及感測陰極12形成梳狀結構。感測陽極11包括一第一梳片部份110及一第一梳座部份112。感測陰極12包括一第二梳片部份120及一第二梳座部份122。其中，感測陽極11與感測陰極12位置相對。

第一及第二梳片部份110，120各自包括複數個第一梳片110a~110c及第二梳片120a~120c，埋入於本體10之內，如指叉狀交替式排列，並以氧離子導電材料相互隔離。第一梳片110a~110c埋設於本體10內，其端部與第一梳座112連接。相似的，複數個第二梳片120a~120c埋設於本體內，端部電性連接於第二梳座。

其中，第一梳片110a~110c和第二梳片120a~120c重疊部分為d_i ，本體10第一側面101及第二側面102之間的距離為d₁₂ ，d_i 和d₁₂ 之間的比例大約0.5至0.9為最佳。在本發明最佳實施例中，本體10之長寬高分別大約4 mm、2 mm及4 mm。

感測陽極11及感測陰極12所使用的材料皆選自多孔隙之導電材料，比如：白金或是銀等。在本實施例中，孔隙佔感測電極體積大約5至50%，會有最佳的效果。

第一及第二梳座部份112，122暴露於本體10之外，以外接一電壓源15及一量測電路16。量測電路16包括一安培計161及一伏特計162。感測陽極、感測陰極11，12由電壓源15提供一電位差，以趨使氧離子(O^2- )由感測陰極12經由本體10的固態電解質擴散至感測陽極11，再分別以安培計161及電壓計162量測因氧離子擴散而產生的電流及電壓，以推算未知氣體氧氣的濃度。

加熱電極13，設置於本體10內部，以對本體10加熱，使電流式氧氣感測器1維持在工作溫度。加熱電極13並外接一加熱控制器130，以對加熱電極13提供加熱電壓。

本發明實施例之加熱電極13之圖案如圖2A及圖2B所示。由圖中可以看出，本發明實施例之加熱電極13包括低電阻部分131及高電阻部份132。其中，高電阻部份132可以是一方波形或一蛇形，線寬大約0.1至0.5mm。

加熱電極13的材料可選自由白金(Pt)、金(Au)、鈀(Pd)、銠(Rh)及其任意混合所組成之群組之其中一種。

在本發明之一實施例中，本體10的材料為釔安定氧化鋯(Y₂ O₃ -ZrO₂ )，本體10的工作溫度大約為500~800℃。為了防止感測器在量測氧氣濃度時，加熱控制器130對加熱電極13提供電壓，使加熱電極13本身所產生的電磁場對量測訊號造成影響，電性絕緣層14完全隔擋於加熱電極13及第一梳片110c之間，以防止量測訊號被加熱電極13的電磁場干擾。當然，若加熱電極13設置於靠近本體10頂面103，則電性絕緣層14設置於加熱電極13及第二梳片120a之間。它雖是電的絕緣體，但不是熱的絕緣體，導熱係數至少約1w/m．k。

請再參照圖1，在本發明實施例中，僅需要一電性絕緣層14將該些梳片隔開，就可以降低加熱電極13對量測訊號的影響。另一方面，上述的電性絕緣層14可以做為一緩衝層，緩和因感測電極11，12和本體10熱膨脹係數不同而產生的熱應力。但電性絕緣層14的熱膨脹係數與其他各層間之熱膨脹係數必需能夠相互匹配，其差值約在±3．10^-6 ．K^-1 的範圍之間。

電性絕緣層14的材料可依據不同的氧離子導電材料的熱膨脹係數來選擇，可以選自氧化鋁(alumina)、鋁酸鎂(magnesium aluminate)、碳化矽(silicon carbide)、尖晶石(spinel)、氮化鋁(AlN)、氧化鋯(ZrO₂ )、氧化鉿(HfO₂ )、氧化矽SiO₂ 及其任意混合之群組的其中一種。

本發明實施例所使用的釔安定氧化鋯(Y₂ O₃ -ZrO₂ )，熱膨脹係數隨釔的添加量而變化，範圍約在10×10^-6 ~11×10^-6 K^-1 間，因此選用氧化鋁(Al₂ O₃ )摻雜稀土族或過渡元素作為電性絕緣層14的材料，並且，厚度大約0.01至0.03mm為最佳。

本發明之電流式氧氣感測器的本體10是先使用薄帶成型法(tape casting)形成多個陶瓷片材。在本發明實施例中，陶瓷片材是選用釔安定氧化鋯，也就是形成本體10之主要材料。並且，用來隔絕加熱電極13和感測電極11、12之間的電性絕緣層14也是以此方式製備的。

所謂薄帶成型法是先將陶瓷粉體、溶劑和分散劑球磨混合，然後加入黏結劑和塑性劑，繼續球磨至漿料混合均勻。接著將漿料均勻地塗到或流到基板上，透過板面與刮刀的相對移動形成漿膜，經乾燥形成一定厚度均勻的素坯膜。刮刀成型完畢後，膜片經乾燥、脫脂，即可燒結，形成陶瓷片材。

接著，在不同的陶瓷片材上分別網印加熱電極13、感測陰極12及感測陽極11圖案，依序疊合之後進行燒結，形成如圖1所看到的結構。本發明實施例中，燒結過程是在常壓或高壓下，升溫至大約1150至1300℃，並持溫3小時。

以圖1的結構來舉例，在形成電性絕緣層14及加熱電極13的部分有兩種製備方式。請參照圖3A及圖3B，分別為兩種實施例製備流程之示意圖。圖3A中，陶瓷片材100在形成薄帶之後，先將加熱電極13網印至陶瓷片材100表面，接著再堆疊電性絕緣層14。圖3B，則是先在電性絕緣層14表面網印加熱電極13，並面向於本體10底面104，堆疊於陶瓷片材100上。

本發明之另一實施例如圖4所示，包括二加熱電極13及二電性絕緣層14，它可以使本體10更快的達到工作温度，且更均溫。其中一加熱電極13靠近本體10的頂面103設置，另一個則靠近於底面104來設置，二電性絕緣層14同樣分別用以阻隔此二加熱電極13。

另一實施例如圖5所示，加熱電極設置於第一梳片110b及第二梳片120c之間，並包括二電性絕緣層14，其中一個設置於加熱電極13及第一梳片110b之間，另一個位於加熱電極13及第二梳片120c之間。此種結構的另外一個優點是電性絕緣層14可以作為緩衝層，有效緩和感測陽極11及感測陰極12和本體10之間因熱膨脹係數不同而產生的熱應力。

綜上所述，本發明之電流式氧氣感測器利用電性絕緣層將加熱電極與感測電極隔開。使電流式氧氣感測器維持在工作溫度時，所量測的訊號不受到加熱電極所產生的電磁場干擾，提高了電流式氧氣感測器的靈敏度及精準度。

此外，本發明之電性絕緣層可做為一緩衝層，在升溫過程中，本體內部所產生的熱應力，可因此得到緩解，降低本體因熱應力而產生裂縫的機率，延長電流式氧氣感測器之壽命。

本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例。凡熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範疇內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1．．．電流式氧氣感測器

10．．．本體

100．．．陶瓷片材

101．．．第一側面

102．．．第二側面

103．．．頂面

104．．．底面

11．．．感測陽極

110．．．第一梳片部份

110a~110c．．．第一梳片

112．．．第一梳座

12．．．感測陰極

120．．．第二梳片部份

120a~121c．．．第二梳片

122．．．第二梳座

13．．．加熱電極

130．．．加熱控制器

131．．．低電阻部份

132．．．高電阻部份

14．．．電性絕緣層

15．．．電壓源

16．．．量測電路

161．．．安培計

162．．．電壓計

圖1顯示本發明電流式氧氣感測器的剖面示意圖；

圖2A及圖2B顯示本發明不同實施例之加熱電極之圖案；及

圖3A至3B分別顯示形成電性絕緣層及加熱電極製備流程不同實施例之示意圖。

圖4顯示本發明另一實施例電流式氧氣感測器的剖面示意圖；及

圖5顯示本發明又一實施例電流式氧氣感測器的剖面示意圖。

1．．．電流式氧氣感測器

10．．．本體

100．．．陶瓷片材

101．．．第一側面

102．．．第二側面

103．．．頂面

104．．．底面

11．．．感測陽極

110．．．第一梳片部份

110a~110c．．．第一梳片

112．．．第一梳座

12．．．感測陰極

120．．．第二梳片部份

120a、121b．．．第二梳片

122．．．第二梳座

13．．．加熱電極

130．．．加熱控制器

14．．．電性絕緣層

15．．．電壓源

16．．．量測電路

161．．．安培計

162．．．電壓計

Claims (8)

1. 一種電流式氧氣感測器，用以偵測氣體的氧分壓，具有一本體，該本體係為一氧離子導電材料，該電流式氧氣感測器包括：一感測陽極，包括複數個第一梳片及一第一梳座部份，其中該些第一梳片埋設於本體內，其端部與第一梳座連接；一感測陰極，包括複數個第二梳片及一第二梳座部份，其中該些第二梳片埋設於該本體內，端部電性連接於第二梳座，該感測陽極與該感測陰極位置相對，且該些第一梳片與該些第二梳片交替式排列並以該氧離子導電材料相互隔離，其中，該第一及第二梳座，以一電壓源供應電位並外接一量測電路；一加熱電極，設置於該本體內，以對該本體加熱，使該電流式氧氣感測器維持在工作溫度；及一電性絕緣層，但為熱導體層，用以隔離該加熱電極所產生之電磁波以防止量測訊號被干擾，其中，該電性絕緣層及該氧離子導電材料熱膨脹係數差值約在±3×10^-6 K^-1 的範圍之間，並依據該感測陽極與該感測陰極之熱膨脹係數與該氧離子導電材料之熱膨脹係數差異性，選取能夠匹配之電性絕緣層。
2. 如申請專利範圍第1項所述電流式氧氣感測器，其中該電性絕緣層之導熱係數至少1w/m．k。
3. 如申請專利範圍第1項所述電流式氧氣感測器，其中該電流式氧氣感測器更包括另一電性絕緣層，該加熱電極設置於該些第一及第二梳片之間，並且，以該二電性絕緣層 分別隔開該加熱電極及該些第一及第二梳片。
4. 如申請專利範圍第2項所述的電流式氧氣感測器，該加熱電極的材料選自由白金(Pt)、金(Au)、鈀(Pd)及其任意混合之群組的其中一種。
5. 如申請專利範圍第1項所述的電流式氧氣感測器，其中該氧離子導電層材料選自選自氧化釔-氧化鋯(Y₂ O₃ -ZrO₂ )、摻雜鹼土金屬元素或過渡元素之氧化鉍(Bi₂ O₃ )、摻雜稀土族或過渡元素之氧化鈰(CeO₂ )及其任意混合所組成的群組其中之一種。
6. 如申請專利範圍第1項所述的電流式氧氣感測器，該電性絕緣層材料選自氧化鋁(alumina)、鋁酸鎂(magnesium aluminate)、碳化矽(silicon carbide)、尖晶石(spinel)、氮化鋁(AlN)、氧化鋯(ZrO₂ )、氧化鉿(HfO₂ )、氧化矽(SiO₂ )及其任意混合之群組的其中一種。
7. 如申請專利範圍第1項所述的電流式氧氣感測器，其中該氧離子導電材料為釔安定氧化鋯，該電性絕緣層材料係為氧化鋁(Al₂ O₃ )摻雜稀土族或過渡元素，並且，該電性絕緣層的厚度約為0.01至0.03mm。
8. 如申請專利範圍第1項所述的電流式氧氣感測器，其中該電流式氧氣感測器更包括第二電性絕緣膜及第二加熱電極層的組合，該組合與所述的電性絕緣層及所述的加熱電 極的組合，分別形成於該本體的上部及下部內，該兩組合包夾所述的感測陽極與該感測陰極於其中，且該第二電性絕緣膜為熱導體層，與所述的電性絕緣層將該第二加熱電極層及所述的加熱電極隔離於所述的感測陽極與該感測陰極以防止電性量測訊號被干擾。