專利名稱：變頻型氧傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于測(cè)量環(huán)境中氧氣濃度的傳感器，尤其涉及變頻型氧傳感器。

背景技術(shù)：
氧濃度的測(cè)量和控制在各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都有著重要的作用，人們利用YSZ固體電解質(zhì)具有良好的氧離子導(dǎo)電特性用來(lái)制作濃差電壓型、界限電流型氧傳感器。其中界限電流型氧傳感器由于具有測(cè)量精度高、無(wú)需參考?xì)怏w的特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。目前組成界限電流型氧傳感器的工作機(jī)理有小孔擴(kuò)散型、多孔擴(kuò)散型以及致密擴(kuò)散障礙層型等。但是這幾種傳感器也都存在著某些缺點(diǎn)和不足，如小孔型界限電流氧傳感器長(zhǎng)時(shí)間使用易使小孔堵塞變形，多孔型界限電流氧傳感器的孔隙率難于控制，傳感器一致性較差，并且長(zhǎng)時(shí)間使用多孔的孔隙透氣性也會(huì)發(fā)生變化，致密擴(kuò)散障礙層型也存在著對(duì)溫度過(guò)于敏感的不足，這些均會(huì)造成傳感器的測(cè)試精度大幅下降；并且上述傳感器均建立在對(duì)電信號(hào)的測(cè)量基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)氧濃度的間接測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供提出一種可將敏感電池片和氧泵片組合在一起將氧濃度的測(cè)量變換成對(duì)時(shí)間t測(cè)量的新型無(wú)孔變頻型氧傳感器。該傳感器具有寬范圍檢測(cè)、工藝簡(jiǎn)單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)用新型主要由敏感電池片、氧泵片、玻璃密封釉及電路四部分構(gòu)成。其中敏感電池片和氧泵片均為Y2O3穩(wěn)定的ZrO2固體電解質(zhì)陶瓷片，在其兩面采用絲網(wǎng)印刷方式制備有內(nèi)外Pt電極及其引線。然后用高溫玻璃密封釉沿敏感電池、氧泵的陶瓷片的周邊密封成微小的密閉空氣腔。通過(guò)穩(wěn)恒電流源給氧泵片施加大小恒定、方向交變的電流，實(shí)現(xiàn)敏感電池片內(nèi)外濃差電壓在E1至E2范圍的交替變化，通過(guò)時(shí)間測(cè)量?jī)x測(cè)得敏感電池片內(nèi)外濃差電壓在E1至E2范圍變化的時(shí)間t，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體氧分壓P1的測(cè)量。
本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為變頻型氧傳感器，包括敏感電池片、氧泵片和玻璃密封釉，其中玻璃密封釉是具有通孔的筒體；玻璃密封釉一端的沿口連接有敏感電池片；玻璃密封釉另一端的沿口連接有氧泵片；敏感電池片、氧泵片和玻璃密封釉圍成一個(gè)密閉的空氣腔；敏感電池片的內(nèi)表面均布有敏感電池片內(nèi)電極；敏感電池片的外表面均布有敏感電池片外電極；氧泵片內(nèi)表面均布有氧泵片內(nèi)電極；氧泵片外表面均布有氧泵片外電極。
為優(yōu)化本技術(shù)方案所采取的技術(shù)措施還包括敏感電池片內(nèi)電極和氧泵片內(nèi)電極經(jīng)導(dǎo)線并聯(lián)，還相連接有時(shí)間測(cè)量?jī)x一端，時(shí)間測(cè)量?jī)x另一端連接敏感電池片外電極；時(shí)間測(cè)量?jī)x一端還連接有穩(wěn)恒電流源；穩(wěn)恒電流源的另一端連接氧泵片外電極。
敏感電池片內(nèi)電極還相連接有時(shí)間測(cè)量?jī)x一端，時(shí)間測(cè)量?jī)x另一端連接敏感電池片外電極；氧泵片內(nèi)電極還連接有穩(wěn)恒電流源；氧泵片外連接有電極穩(wěn)恒電流源的另一端。
敏感電池片是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2固體電解質(zhì)陶瓷片；敏感電池片的Y2O3摩爾含量為7％至10％；敏感電池片的厚度為0.2mm至1mm。
敏感電池片外電極材料為金屬Pt，并且燒結(jié)溫度為850℃至1250℃。
氧泵片是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2固體電解質(zhì)陶瓷片；氧泵片的Y2O3摩爾含量為7％至10％；氧泵片的厚度為0.2mm至1mm。
氧泵片內(nèi)電極材料為金屬Pt，并且燒結(jié)溫度為850℃至1250℃。
玻璃密封釉的處理溫度為750℃至1000℃。
本實(shí)用新型電流型氧傳感器具有高溫400℃至700℃下工作信號(hào)穩(wěn)定、可檢測(cè)氧氣濃度范圍為0.1％至99％的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于其測(cè)量方法新穎并且工藝簡(jiǎn)單，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，具有廣泛的適用性。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1、2氧分壓-電壓-電流周期變化圖； 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例1、2時(shí)間t與被測(cè)氧分壓的關(guān)系曲線； 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明敏感電池片1、氧泵片2、空氣腔3、玻璃密封釉4、穩(wěn)恒電流源5、時(shí)間測(cè)量?jī)x6、敏感電池片外電極7、敏感電池片內(nèi)電極8、氧泵片內(nèi)電極9、氧泵片外電極10、電極引線11。
圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1、2氧分壓-電壓-電流周期變化圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例1、2時(shí)間t與被測(cè)氧分壓的關(guān)系曲線；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)圖。
實(shí)施例1變頻型氧傳感器，包括敏感電池片、氧泵片和玻璃密封釉，其中玻璃密封釉是具有通孔的筒體；玻璃密封釉一端的沿口連接有敏感電池片；玻璃密封釉另一端的沿口連接有氧泵片；敏感電池片、氧泵片和玻璃密封釉圍成一個(gè)密閉的空氣腔；敏感電池片的內(nèi)表面均布有敏感電池片內(nèi)電極；敏感電池片的外表面均布有敏感電池片外電極；氧泵片內(nèi)表面均布有氧泵片內(nèi)電極；氧泵片外表面均布有氧泵片外電極。
敏感電池片內(nèi)電極和氧泵片內(nèi)電極經(jīng)導(dǎo)線并聯(lián)，還相連接有時(shí)間測(cè)量?jī)x一端，時(shí)間測(cè)量?jī)x另一端連接敏感電池片外電極；時(shí)間測(cè)量?jī)x一端還連接有穩(wěn)恒電流源；穩(wěn)恒電流源的另一端連接氧泵片外電極。
敏感電池片是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2固體電解質(zhì)陶瓷片；敏感電池片的Y2O3摩爾含量為7％至10％；敏感電池片的厚度為0.2mm至1mm。
敏感電池片外電極材料為金屬Pt，并且燒結(jié)溫度為850℃至1250℃。
氧泵片是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2固體電解質(zhì)陶瓷片；氧泵片的Y2O3摩爾含量為7％至10％；氧泵片的厚度為0.2mm至1mm。
氧泵片內(nèi)電極材料為金屬Pt，并且燒結(jié)溫度為850℃至1250℃。
玻璃密封釉的處理溫度為750℃至1000℃。
實(shí)施例2變頻型氧傳感器，包括敏感電池片、氧泵片和玻璃密封釉，其中玻璃密封釉是具有通孔的筒體；玻璃密封釉一端的沿口連接有敏感電池片；玻璃密封釉另一端的沿口連接有氧泵片；敏感電池片、氧泵片和玻璃密封釉圍成一個(gè)密閉的空氣腔；敏感電池片的內(nèi)表面均布有敏感電池片內(nèi)電極；敏感電池片的外表面均布有敏感電池片外電極；氧泵片內(nèi)表面均布有氧泵片內(nèi)電極；氧泵片外表面均布有氧泵片外電極。
敏感電池片內(nèi)電極還相連接有時(shí)間測(cè)量?jī)x一端，時(shí)間測(cè)量?jī)x另一端連接敏感電池片外電極；氧泵片內(nèi)電極還連接有穩(wěn)恒電流源；穩(wěn)恒電流源的另一端連接氧泵片外電極。
敏感電池片是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2固體電解質(zhì)陶瓷片；敏感電池片的Y2O3摩爾含量為7％至10％；敏感電池片的厚度為0.2mm至1mm。
敏感電池片外電極材料為金屬Pt，并且燒結(jié)溫度為850℃至1250℃。
氧泵片是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2固體電解質(zhì)陶瓷片；氧泵片的Y2O3摩爾含量為7％至10％；氧泵片的厚度為0.2mm至1mm。
氧泵片內(nèi)電極材料為金屬Pt，并且燒結(jié)溫度為850℃至1250℃。
玻璃密封釉的處理溫度為750℃至1000℃。
其具體的測(cè)氧原理為保持傳感器工作溫度T，先通過(guò)穩(wěn)恒電流源5對(duì)氧泵片2施加恒定的由氧泵片外電極10流向氧泵片內(nèi)電極9方向的泵氧電流I，促使在氧泵片內(nèi)電極9測(cè)發(fā)生如下的電化學(xué)反應(yīng) O2+4e-→2O2- 將空氣腔3中的氧氣變?yōu)檠蹼x子，并在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下通過(guò)氧泵片2由氧泵片內(nèi)電極9側(cè)向氧泵片外電極10側(cè)漂移，并在氧泵片外電極10測(cè)發(fā)生如下的電化學(xué)反應(yīng) 2O2-→O2+4e- 將氧離子還原成氧氣，并釋放到空氣腔外部，將空氣腔3內(nèi)的氧逐步泵出，減少空氣腔3內(nèi)氧分壓P2，增大空氣腔3內(nèi)外氧濃度的差異。根據(jù)能斯特方程可使敏感電池片外電極7、敏感電池片內(nèi)電極8間的濃差電壓E不斷增大。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的電壓E2時(shí)，在保持大小恒定的條件下翻轉(zhuǎn)泵氧電流方向，即-I，將氧從外界泵進(jìn)空氣腔3內(nèi)，增加空氣腔3內(nèi)氧分壓P2，縮小空氣腔3內(nèi)外氧濃度的差異，使敏感電池片外電極7、敏感電池片內(nèi)電極8間的濃差電壓E不斷減小。當(dāng)減少到預(yù)定的電壓E1時(shí)，又將電流在保持大小恒定的條件下再次翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，其中t為濃差電壓在E1至E2范圍變化所需的時(shí)間，可通過(guò)時(shí)間測(cè)量?jī)x6測(cè)得，測(cè)試時(shí)將電壓E1設(shè)為開(kāi)啟計(jì)時(shí)閾值，E2為關(guān)閉計(jì)時(shí)閾值。這樣空氣腔3內(nèi)氧分壓P2、敏感電池片1內(nèi)外濃差電壓E、氧泵片2泵氧電流I將形成如圖2所示的一個(gè)周期為t的周期變化。并且這幾個(gè)參量間以及空氣腔3外被測(cè)氣體氧分壓P1應(yīng)存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，其具體推導(dǎo)如下 假設(shè)在時(shí)間t內(nèi)給氧泵片2施加恒定的由氧泵片外電極10流向氧泵片內(nèi)電極9方向的泵氧電流I，從腔內(nèi)向外泵出了n摩爾氧氣，使空氣腔3內(nèi)的氧分壓由P2變?yōu)镻2/，敏感電池片外電極7、敏感電池片內(nèi)電極8間的濃差電壓由E1變?yōu)镋2。根據(jù)法拉第電荷守恒定律，可得 It＝4nF……………………式1 其中，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。假設(shè)空氣腔3內(nèi)氧氣為理想氣體，體積為V，則 …………………式2 其中，R為氣體常數(shù)。由式1、式2可得 …………………………式3 根據(jù)能斯特方程，由泵氧過(guò)程開(kāi)始狀態(tài)，其中空氣腔3內(nèi)的氧分壓P2，敏感電池片外電極7、敏感電池片內(nèi)電極8間的濃差電壓E1；以及，末了狀態(tài)，其中空氣腔3內(nèi)的氧分壓P2/，敏感電池片外電極7、敏感電池片內(nèi)電極8間的濃差電壓E2以及腔外被測(cè)氣體氧分壓P1，可得 …………………式4 …………………式5 由式3、式4、式5可得 …………………式6 …………………式7 當(dāng)傳感器定型后，F(xiàn)、R為常數(shù)，T、E1、E2、V、I已知時(shí)，由式7可看出，時(shí)間t與被測(cè)氣體氧分壓P1成正比關(guān)系。
對(duì)于將氧由腔外泵出腔內(nèi)的過(guò)程，由于保持氧泵的電流大小一致，濃差電壓的變化范圍E1至E2也相同，因此，泵進(jìn)與泵出是一對(duì)可逆的過(guò)程，此泵進(jìn)過(guò)程的時(shí)間與被測(cè)氣體氧分壓也應(yīng)有式7的關(guān)系。
本實(shí)用新型變頻型氧傳感器在實(shí)際工作中需要有專用的發(fā)熱體加熱到400至700℃。
圖3所示為此變頻型氧傳感器在T＝650℃工作溫度條件下、施加氧泵的電流I＝20μA，被測(cè)氣體氧濃度變化范圍為0.1至99％時(shí)，選取不同E1至E2范圍的時(shí)間t與被測(cè)氣體氧分壓P1的關(guān)系曲線，圖中tout和tin分別表示將氧氣泵出空氣腔3外，敏感電池片1內(nèi)外電極濃差電勢(shì)由E1變化到E2的時(shí)間和將氧氣泵入空氣腔3內(nèi)，敏感電池片1內(nèi)外電極濃差電勢(shì)由E2變化到E1的時(shí)間，其他類(lèi)似。
從圖3中可以看出 1、在不同E1至E2范圍內(nèi)，時(shí)間t與被測(cè)氧分壓P1的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出非常好的線性相關(guān)關(guān)系，與理論推導(dǎo)公式8高度符合； 2、在相同的E1至E2范圍內(nèi)，泵進(jìn)與泵出時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，兩種之間相差很小，其與被測(cè)氧分壓P1的線性關(guān)系也幾乎一致，因此在圖3上已表現(xiàn)出高度重疊，無(wú)法區(qū)分。這也證實(shí)我們上述理論推斷的成立泵進(jìn)與泵出是一對(duì)可逆的過(guò)程。
權(quán)利要求1、變頻型氧傳感器，包括敏感電池片(1)、氧泵片(2)和玻璃密封釉(4)，其特征是所述的玻璃密封釉(4)是具有通孔的筒體；所述的玻璃密封釉(4)一端的沿口連接有所述的敏感電池片(1)；所述的玻璃密封釉(4)另一端的沿口連接有所述的氧泵片(2)；所述的敏感電池片(1)、氧泵片(2)和玻璃密封釉(4)圍成一個(gè)密閉的空氣腔(3)；所述的敏感電池片(1)的內(nèi)表面均布有敏感電池片內(nèi)電極(8)；所述的敏感電池片(1)的外表面均布有敏感電池片外電極(7)；所述的氧泵片(2)內(nèi)表面均布有氧泵片內(nèi)電極(9)；所述的氧泵片(2)外表面均布有氧泵片外電極(10)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻型氧傳感器，其特征是所述的敏感電池片內(nèi)電極(8)和氧泵片內(nèi)電極(9)經(jīng)導(dǎo)線(11)并聯(lián)，還相連接有時(shí)間測(cè)量?jī)x(6)一端，時(shí)間測(cè)量?jī)x(6)另一端連接所述的敏感電池片外電極(7)；時(shí)間測(cè)量?jī)x(6)一端還連接有穩(wěn)恒電流源(5)；穩(wěn)恒電流源(5)的另一端連接所述的氧泵片外電極(10)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻型氧傳感器，其特征是所述的敏感電池片內(nèi)電極(8)還相連接有時(shí)間測(cè)量?jī)x(6)一端，時(shí)間測(cè)量?jī)x(6)另一端連接所述的敏感電池片外電極(7)；所述的氧泵片內(nèi)電極(9)還連接有穩(wěn)恒電流源(5)；穩(wěn)恒電流源(5)的另一端連接所述的氧泵片外電極(10)。
4、根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的變頻型氧傳感器，其特征是所述的敏感電池片(1)是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2固體電解質(zhì)陶瓷片；所述的敏感電池片(1)的厚度為0.2mm至1mm。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種可將敏感電池片和氧泵片組合在一起將氧濃度的測(cè)量變換成對(duì)時(shí)間t測(cè)量的新型無(wú)孔變頻型氧傳感器。其包括敏感電池片、氧泵片和玻璃密封釉，其中玻璃密封釉是具有通孔的筒體；玻璃密封釉一端的沿口連接有敏感電池片；玻璃密封釉另一端的沿口連接有氧泵片；敏感電池片、氧泵片和玻璃密封釉圍成一個(gè)密閉的空氣腔；敏感電池片的內(nèi)表面均布有敏感電池片內(nèi)電極；敏感電池片的外表面均布有敏感電池片外電極；氧泵片內(nèi)表面均布有氧泵片內(nèi)電極；氧泵片外表面均布有氧泵片外電極。由于其測(cè)量方法新穎并且工藝簡(jiǎn)單，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，具有廣泛的適用性。
文檔編號(hào)G01N27/409GK201222049SQ200820087610
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者簡(jiǎn)家文, 益 汪, 張衛(wèi)強(qiáng), 徐鐵峰 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)