專利名稱：極限電流型氧傳感器及用其感測和測量氧濃度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于感測和測量氧濃度的極限電流型氧傳感器以及用 這種氧傳感器感測和測量氧濃度的方法。
肯景技術(shù)
如通常所知的，極限電流型氧傳感器可以使用由例如用氧化釔 (Y203)添加劑穩(wěn)定的氧化鋯(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯YSZ)固體電解 質(zhì)構(gòu)成的離子導(dǎo)體。圖10是說明常規(guī)的極限電流型氧傳感器結(jié)構(gòu)的示 意圖。如圖IO所示的， 一般常規(guī)的極限電流型氧傳感器100包括固體 電解質(zhì)的離子導(dǎo)體101、在離子導(dǎo)體兩側(cè)上形成的多孔材料的陽極電極 102和陰極電極103以施加跨越間的監(jiān)測電壓。在與離子導(dǎo)體相連的 蓋子106中形成氣體擴(kuò)散裝置，其具有氣體擴(kuò)散孔104、 105和內(nèi)部空 間106a，以將擴(kuò)散速率限制氣體提供到一個電極103。
在蓋子106的外部提供加熱器107，以將離子導(dǎo)體101設(shè)定在數(shù)百 攝氏度的監(jiān)測溫度。加熱器107同導(dǎo)線108相連。通過蓋子106面向電 極103形成所迷氣體擴(kuò)散孔104，而通過蓋子沿電極103表面形成所述 氣體擴(kuò)散孔105,廣泛使用的極限電流型氧傳感器是不包括氣體擴(kuò)散孔 105、 106之一，例如，不包括在其中形成的氣體擴(kuò)散孔105的類型。
極限電流型氧傳感器100的構(gòu)造使得施加的跨越電極102、 103的 監(jiān)測電壓能在低電壓時使在離子導(dǎo)體101中流動的輸出電流與電壓成比 例。極限電流型氧傳感器100的另一個特征是當(dāng)監(jiān)測電壓升高時，輸出 電流飽和。在飽和區(qū)的輸出電流稱為限制電流.限制電流的強(qiáng)度同氧濃 度有一定關(guān)系。因此，由根據(jù)監(jiān)測電壓得到的極限電流值，極限電流型 氧傳感器100可以感測和測量氧的濃度。
極限電流型氧傳感器100的離子導(dǎo)體101中流動的電流基于氧離子
的遷移，并具有取決于電壓和溫度的電流值。因此，將極限電流型氧傳
感器100設(shè)定在約400~500匸的監(jiān)測溫度并由電壓驅(qū)動。通常，通過在 極限電流型氧傳感器100的蓋子106或傳感器體部分上提供加熱器107 并給其通電，來設(shè)定監(jiān)測溫度。
這樣的極限電流型氧傳感器100通過施加跨越電極102、 103的監(jiān) 測電壓的方法驅(qū)動，在很多情況下，加熱器107—直通電(例如，見專 利文獻(xiàn)1:日本專利3373741 )。為了提高在感測和測量較低氧濃度時的 輸出電流值，如此構(gòu)造的常規(guī)的極限電流型氧傳感器100提供有氣體擴(kuò) 散裝置，所述氣體擴(kuò)散裝置不僅包括氣體擴(kuò)散孔104而且包括通過蓋子 106形成的氣體擴(kuò)散孔105。
在具有構(gòu)造為包括孔部分例如通過蓋子106形成的氣體擴(kuò)散孔 104、 105的氣體擴(kuò)散裝置的極限電流型氧傳感器100中，構(gòu)造氣體擴(kuò)散 裝置滿足下面表達(dá)式(1)的條件以測量氧的濃度
表達(dá)式1<formula>formula see original document page 6</formula>
是法拉第常數(shù)(F)、擴(kuò)散系數(shù)(D)、孔部分的孔面積(S)、氣體 總壓(P)、氣體常數(shù)(R)、溫度(T)、孔部分的孔長度(L)、氧分壓 (Po2)和輸出電5危值(1L)之間的關(guān)系。
在這種極限電流型氧傳感器中，氣體擴(kuò)散裝置可構(gòu)造為使電極和與 其相對的內(nèi)表面之間內(nèi)部空間中的距離，即內(nèi)部空間106a在氣體擴(kuò)散 孔104軸向上的厚度小于氣體擴(kuò)散孔104的孔徑。在這種條件下，輸出 電流值表現(xiàn)出如圖ll所示的以下特征。附圖11是表示這類常規(guī)的極限 電流型氧傳感器中的電壓(V)-電流(I)特征的圖。如附圖ll所示， 如果極限電流型氧傳感器的氣體擴(kuò)散裝置中內(nèi)部空間的厚度小于氣體 擴(kuò)散孔的孔徑，那么傳感器中偏壓(Vs)和輸出電流(Is)之間的關(guān)系 具有實線lll所示的特征。也就是，如果內(nèi)部空間的厚度較小，通過氣
體擴(kuò)散孔擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)部空間的氧分子在到達(dá)陰極電極末端前在內(nèi)部空
間中也是擴(kuò)散速率限制的。因此，實線lll上的平坦區(qū)112表現(xiàn)出更大 的垂直傾斜特征(不是恒定值)。因此，在常規(guī)的極限電流型氧傳感器 中，根據(jù)監(jiān)測電壓的極限電流值具有這種特征，并基于該值感測和測量 氧的濃度。所以，具有較小厚度的內(nèi)部空間的極限電流型氧傳感器具有 在電壓-電流關(guān)系中傾斜較大的平坦區(qū)的特征。因此，監(jiān)測電壓的波動、 起伏或變化破壞感測極限電流值的精確性，并使得難以得到限制電流的 精確值。
在上述常規(guī)的極限電流型氧傳感器100中，除了氣體擴(kuò)散孔104夕卜， 感測和測量較低氧濃度還需要通過蓋子106形成新的氣體擴(kuò)散孔105。 這在生產(chǎn)極限電流型氧傳感器100的過程中需要較大數(shù)目的加工步驟， 并使傳感器結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜化，從而導(dǎo)致增加生產(chǎn)成本。
此外，在極限電流型氧傳感器100中，沿著離子導(dǎo)體101上的電極 103的表面(電極表面)通過蓋子形成新的氣體擴(kuò)散孔105。因此，同 不包括在其中形成氣體擴(kuò)散孔105的類型相比，取決于加工精度，很容 易引起生產(chǎn)精度的較大變化。因此引起傾斜特征的變化，并且測量精度 不穩(wěn)定。
此外，可以擴(kuò)大氣體擴(kuò)散孔104的孔徑，而不是如在上述專利文獻(xiàn) 1中描述的常規(guī)的極限電流型氧傳感器中的氣體擴(kuò)散孔105，并且可以 不提供氣體擴(kuò)散孔105。在這種傳感器中，在氧濃度為1%或更低的限 制電流區(qū)內(nèi)，極限電流值可能不能滿足上述表達(dá)式(1)的條件。因此， 不能精確感測和測量氧濃度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮了這些問題，并且目的是提供能提高感測極限電流值精 確度的極限電流型氧傳感器。本發(fā)明的另一目的是提供極限電流型氧傳 感器，其甚至在較低的氧濃度下能夠精確地和極好地感測和測量氧濃 度，并且其易于制造，防止上述傾斜特征的變化，并降低成本。本發(fā)明 也提供使用所述極限電流型氧傳感器感測和測量氧濃度的方法。
本發(fā)明的一個實施方案提供了一種極限電流型氧傳感器，包括由固
體電解質(zhì)構(gòu)成的離子導(dǎo)體；設(shè)置在離子導(dǎo)體上的多孔電極對，用于在其 間施加電場；構(gòu)造為將擴(kuò)散速率限制氣體提供到電極對的一個電極的表 面的氣體擴(kuò)散裝置；和配置以加熱所述離子導(dǎo)體的加熱器，其中所述氣 體擴(kuò)散裝置包括與所述電極對的一個電極的表面接觸的內(nèi)部空間、和形 成以連通內(nèi)部空間和傳感器外部的氣體擴(kuò)散孔，其中形成氣體擴(kuò)散裝置 使得電極和與其相對的內(nèi)表面之間內(nèi)部空間中的距離大于或等于氣體 擴(kuò)散孔的孔徑。氣體擴(kuò)散裝置可以包括多個所述氣體擴(kuò)散孔、和與所述 多個氣體擴(kuò)散孔相通的內(nèi)部空間，其中形成氣體擴(kuò)散裝置使得內(nèi)部空間 中的距離等于或大于所述多個氣體擴(kuò)散孔的所有直徑之和，或等于或大 于由所述多個氣體擴(kuò)散孔的有效橫截面計算的值.
在本發(fā)明的另一個實施方案中，提供了一種極限電流型氧傳感器， 包括由固體電解質(zhì)構(gòu)成的離子導(dǎo)體；設(shè)置在離子導(dǎo)體上的多孔電極對， 用于在其間施加電場；構(gòu)造為將擴(kuò)散速率限制氣體提供到電極對的一個 電極的表面的氣體擴(kuò)散裝置；和配置以加熱所述離子導(dǎo)體的加熱器，其 中所述氣體擴(kuò)散裝置包括與所述電極對的一個電極的表面接觸的內(nèi)部 空間，和形成以連通內(nèi)部空間和傳感器外部的氣體擴(kuò)散孔，其中構(gòu)造所 述氣體擴(kuò)散裝置使得內(nèi)部空間中的氧濃度梯度滿足下面的表達(dá)式
1/Ilim =(證DCo2，S) + (lin/Sin)}
該表達(dá)式基于法拉第常數(shù)(F)、擴(kuò)散系數(shù)(D)、氧濃度(C。2)、氣 體擴(kuò)散孔的孔面積(S)、氣體擴(kuò)散孔軸向上的孔長度(1)、內(nèi)部空間中
電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離(lin)、內(nèi)部空間的有效橫截面(Sin)
和輸出電流值(Ilim)之間的關(guān)系。可以形成氣體擴(kuò)散裝置使得內(nèi)部空 間中電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離大于或等于氣體擴(kuò)散孔的孔
徑。可以構(gòu)造氣體擴(kuò)散裝置使得氣體擴(kuò)散孔的孔面積(S)和孔長度(1) 的比(S/1)為50~250pm。
本發(fā)明也提供 一 種使用極限電流型氧傳感器感測和測量氧濃度的 方法，所述傳感器包括由固體電解質(zhì)構(gòu)成的離子導(dǎo)體、設(shè)置在離子導(dǎo)體 上的多孔電極對以在其間施加電場、構(gòu)造以將擴(kuò)散速率限制氣體提供到 電極對的一個電極的表面的氣體擴(kuò)散裝置、和配置以加熱所述離子導(dǎo)體 的加熱器，所述方法包括在氣體擴(kuò)散裝置中形成與電極對的一個電極的 表面接觸的內(nèi)部空間，和形成連通內(nèi)部空間和傳感器外部的氣體擴(kuò)散
孔；通過進(jìn)行計算使得內(nèi)部空間內(nèi)的氧濃度梯度滿足下面表達(dá)式的條 件，來感測并測量氧濃度<formula>formula see original document page 9</formula>所述表達(dá)式基于法拉第常數(shù)(F)、擴(kuò)散系數(shù)(D)、氧濃度(C。2)、 所述氣體擴(kuò)散孔的孔面積(S)、氣體擴(kuò)散孔軸向上的孔長度(1)、所述 內(nèi)部空間中電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離(lin)、所述內(nèi)部空間 的有效橫截面(Sin)和輸出電流值(Ilim)之間的關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，氣體擴(kuò)散裝置包括與電極對的一個電 極接觸的內(nèi)部空間、和形成以使得內(nèi)部空間與傳感器外部連通的氣體擴(kuò) 散孔。形成氣體擴(kuò)散裝置使得內(nèi)部空間中電極和與其相對的內(nèi)表面之間 的距離大于或等于氣體擴(kuò)散孔的孔徑。因此，它能最小化傳感器的內(nèi)部 空間中的擴(kuò)散速率限制性的影響，并感測精確的極限電流值。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，氣體擴(kuò)散裝置包括與電極對的一個 電極接觸的內(nèi)部空間、和形成以使得內(nèi)部空間與傳感器外部連通的氣體 擴(kuò)散孔。構(gòu)造氣體擴(kuò)散裝置使得內(nèi)部空間中的氧濃度梯度滿足某一的表 達(dá)式。因此，同提供有多個氣體擴(kuò)散孔的常規(guī)傳感器相比，氣體擴(kuò)散孔 的加工更容易。此外，基于滿足某一表達(dá)式條件的濃度梯度，能精確地 感測和測量氧濃度。這能甚至在1%或更低的較低氧濃度下，精確并極 好地感測和測量氧濃度，并易于生產(chǎn)，防止加工精確特性的變化，并降 低生產(chǎn)成本。


圖l是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的極限電流型氧傳感器結(jié)構(gòu)的 示意圖。
圖2是圖1中從箭頭A方向看到的極限電流型氧傳感器的立體圖。 圖3是圖1中從箭頭B方向看到的極限電流型氧傳感器的立體圖。 圖4是顯示極限電流型氧傳感器的電壓(V)-電流(I)特征的圖。 圖5是顯示在一定氧濃度的氣氛下，在氣體擴(kuò)散裝置中具有不周厚
度內(nèi)部空間的極限電流型氧傳感器的電壓(V)-電流(I)特征的圖。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的極限電流型氧傳感器中氣體 擴(kuò)散孔的孔面積和孔長度與輸出電流之間關(guān)系的圖。
圖7是表示極限電流型氧傳感器中氣體擴(kuò)散孔的孔面積和孔長度與 輸出電流之間關(guān)系的圖。
圖8是顯示極限電流型氧傳感器的電壓(V)-電流(I)特征的圖。
圖9是顯示極限電流型氧傳感器的氣體濃度特征的圖。
圖IO是顯示常規(guī)的極限電流型氧傳感器的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖ll是顯示常規(guī)的極限電流型氧傳感器的電壓(V)-電流(I)特 征的圖。
具體實施例方式
以下將參照

根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案和第二實施方案 的極限電流型氧傳感器。
[第一實施方案
如圖1~3所示，根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的極限電流型氧傳感器 10包括由固體電解質(zhì)構(gòu)成的離子導(dǎo)體11，電極對的電極12a、 12b，設(shè) 置以覆蓋電極12a、 12b中的一個電極12a的蓋子13，和配置以加熱離 子導(dǎo)體11的加熱器17。電極12a、 12b由多孔材料構(gòu)成，其設(shè)置在離子 導(dǎo)體11上用于在其間施加電場。
離子導(dǎo)體11包含絕緣體，例如在幾百攝氏度的高溫下因內(nèi)部離子 的遷移而表現(xiàn)出導(dǎo)電性的穩(wěn)定的氧化鋯。電極12a、 12b可以由多孔柏 (Pt)或銀(Ag)構(gòu)成，形成在離子導(dǎo)體11的兩側(cè)。該實施例的極限 電流型氧傳感器10構(gòu)造為使得電極12a作為陰極電極，電極12b作為 陽極電極。
蓋子13可以由具有底部的圓柱狀外形的陶乾構(gòu)成，并具有待連接 到離子導(dǎo)體11的凹陷側(cè)。通過蓋子13的具有底部的圓柱體的底部中心，
在厚度的方向上形成單個的氣體擴(kuò)散孔14。蓋子13以與面對作為陰極 電極的電極12a的一側(cè)緊密接觸的方式連接到離子導(dǎo)體ll,使得氣體僅 能通過氣體擴(kuò)散孔14供應(yīng)到電極12a。在蓋子13和離子導(dǎo)體11面對電 極12a的側(cè)面之間形成內(nèi)部空間15。內(nèi)部空間15和氣體擴(kuò)散孔14構(gòu)成 氣體擴(kuò)散裝置16，所述氣體擴(kuò)散裝置16將擴(kuò)散速率限制氣體提供給電 極12a。
因此，在極限電流型氧傳感器10中，電極12a與內(nèi)部空間15接觸， 而電極12b同外部氣氛接觸。在蓋子13的與用于和離子導(dǎo)體11連接的 一側(cè)相對的外表面上，提供加熱器17以將離子導(dǎo)體11加熱到例如約 400 500t;的監(jiān)測溫度。
如圖l所示的，通過蓋子13形成氣體擴(kuò)散裝置16中的氣體擴(kuò)散孔 14，使得它具有一定的孔徑(Sl)和一定的軸向孔長度(1)。形成氣體 擴(kuò)散裝置16中的內(nèi)部空間15，使得其在氣體擴(kuò)散孔14的軸向上具有一 定的厚度(lin)(具體地說，電極12a的表面和與所述表面相對的蓋子 13的內(nèi)壁之間的距離)。在第一實施方案中，氣體擴(kuò)散裝置16構(gòu)造為使 內(nèi)部空間15的厚度(lin)等于或大于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl)。蓋 子13可以包括多個形成于其中的氣體擴(kuò)散孔14。在這種情況下，形成 的內(nèi)部空間15的厚度(lin)等于或大于所述多個氣體擴(kuò)散孔14的所有 直徑之和、或等于或大于由所述多個氣體擴(kuò)散孔14的有效橫截面預(yù)先 計算的值。
電極12a、 12b分別與導(dǎo)線18a、 18b相連。導(dǎo)線18a、 18b引出到 外部，并同電源30相連以施加監(jiān)測電壓。電源30與電流表31串聯(lián)， 與電壓表32并聯(lián)。此外，加熱器17與導(dǎo)線19相連。導(dǎo)線19與加熱器 電源33相連。在^f吏用期間，加熱器17—直由加熱器電源33供電，并 設(shè)定在例如約4001C的監(jiān)測溫度。
在如此構(gòu)造的極限電流型氧傳感器10中，加熱器電源33供應(yīng)電能 到加熱器17，加熱器17電阻地輻射熱量，以將極限電流型氧傳感器IO 本身加熱到監(jiān)測溫度。同時，電源30施加跨越電極12a、 12b的一定的 監(jiān)測電壓(V)。當(dāng)施加監(jiān)測電壓時，被離子導(dǎo)體11和蓋子13圍繞的氣 體擴(kuò)散裝置16中內(nèi)部空間15內(nèi)存在的氣體所含的氧分子，通過電極12a 接受電子變成氧離子進(jìn)入離子導(dǎo)體ll中。氧離子通過離子導(dǎo)體ll中的
氧離子空穴遷移，并在圖1中所示的離子導(dǎo)體11的厚度方向上向上通
過通過離子導(dǎo)體ll。遷移的氧離子到達(dá)電極12b，在那里釋放電子再次 變成氧分子釋放到外部氣氛中。氧分子的遷移引起跨越電極12a和12b 的電流(A)流動。
根據(jù)氧分子的遷移，極限電流型氧傳感器IO中的內(nèi)部空間15處于 負(fù)壓，氣體通過氣體擴(kuò)散孔14從外部氣氛流入其中。通過氣體擴(kuò)散孔 14限制在這種情況下流入氣體的量。因此，在極限電流型氧傳感器10 的電流(I)-電壓(V)特征中，甚至在跨越電極12a、 12b施加的監(jiān)測 電壓提高時，能夠感測這種極限電流值而不會引起電流的變化。
形成極限電流型氧傳感器10使得氣體擴(kuò)散裝置16中內(nèi)部空間15 的厚度(lin)等于或大于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl)。因此，其具有能 最小化內(nèi)部空間15中的擴(kuò)散速率限制性的影響并控制氣體擴(kuò)散孔14的 擴(kuò)散速率限制性的結(jié)構(gòu)。
圖4是顯示極限電流型氧傳感器中電壓(V)-電流(I)特征的圖。 如圖4所示，極限電流型氧傳感器10的偏壓(Vs)和輸出電流(Is) 之間的關(guān)系具有實線41所示的特征，也就是，當(dāng)氣體擴(kuò)散裝置16中內(nèi) 部空間15的厚度(lin)等于或大于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl)時，實 線41中平坦區(qū)42的傾斜達(dá)到零或盡可能地接近零。因此，在極限電流 型氧傳感器10中，即使在有外部干擾例如監(jiān)測電壓的波動、起伏或變 化時，在平臺區(qū)42內(nèi)的輸出電流值、或極限電流值表現(xiàn)為恒定的值。 因此，能提高感測極限電流值的精確度。發(fā)明人對于氣體擴(kuò)散裝置16 中內(nèi)部空間15的厚度(lin )和氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl )之間的關(guān)系 進(jìn)行如下的實驗。
圖5是顯示在一定氧濃度的氣氛下，在氣體擴(kuò)散裝置中具有不同厚 度內(nèi)部空間的極限電流型氧傳感器的電壓(V)-電流(I)特征的圖。 如圖5所示，實線51表示當(dāng)內(nèi)部空間15的厚度(lin)等于或大于氣體 擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl)時，偏壓(Vs)和輸出電流(Is)之間的特征。 虛線52表示當(dāng)內(nèi)部空間15的厚度(lin)小于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl) 時，偏壓(Vs)和輸出電流(Is)之間的特征。點(diǎn)劃線53表示當(dāng)內(nèi)部 空間15的厚度(lin )遠(yuǎn)小于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl)時，偏壓(Vs ) 和輸出電流(Is)之間的特征。
如圖5中所示實線51所表示的，內(nèi)部空間15的厚度(lin)等于或 大于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl)使得平坦區(qū)54的傾斜變得幾乎為零或 為水平的。在這種情況下，由輸出電流值表示的極限電流值也表現(xiàn)為精 確的值。另一方面，如虛線52或點(diǎn)劃線53所示的，內(nèi)部空間15的厚 度(lin )小于或遠(yuǎn)小于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl) 4吏得平臺區(qū)54的傾 斜變得大于實線51的傾斜。結(jié)果得不到精確的極限電流值，并在感測 和測量氧濃度時可引起誤差。
因此，在極限電流型氧傳感器10中，形成的內(nèi)部空間15的厚度(lin ) 等于或大于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl)，以構(gòu)造氣體擴(kuò)散裝置16。在 這種情況下，能精確地感測極限電流值并提高感測的精確度。在提供有 多個這種氣體擴(kuò)散孔14時同樣如此。在這種情況下，形成的內(nèi)部空間 15的厚度(lin)可等于或大于多個氣體擴(kuò)散孔14的所有直徑(Sl)之 和、或等于或大于由多個氣體擴(kuò)散孔14的有效橫截面預(yù)先計算的值。
如上面所述的，根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案，在極限電流型氧傳感 器10中的氣體擴(kuò)散裝置16包括通過蓋子13朝向電極12a形成的氣體 擴(kuò)散孔14、和與氣體擴(kuò)散孔14連通的內(nèi)部空間15。形成的內(nèi)部空間15 的厚度(lin)等于或大于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl)。因此，它能最小 化極限電流型氧傳感器10的內(nèi)部空間15中的擴(kuò)散速率限制性的影響， 并感測精確的極限電流值。
[第二實施方案
下面的描述涉及根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的極限電流型氧傳感器 和使用其感測和測量氧濃度的方法。根據(jù)第二實施方案的極限電流型氧 傳感器具有和第一實施方案的傳感器幾乎類似的結(jié)構(gòu)，并參照同第一實 施方案相關(guān)的圖l進(jìn)行說明。如同根據(jù)第一實施方案的極限電流型氧傳 感器IO，才艮據(jù)第二實施方案的極限電流型氧傳感器包括由固體電解質(zhì)構(gòu) 成的離子導(dǎo)體ll，電極對的電極12a、 12b，設(shè)置以覆蓋電極12a、 12b 中的一個電極12a的蓋子13、和配置以加熱離子導(dǎo)體11的加熱器17。 電極12a、 12b由多孔材料構(gòu)成，其設(shè)置在離子導(dǎo)體11上以在其間施加 電場。通過蓋子13的具有底部的圓柱體的底部中心，在其厚度的方向 上形成單個的氣體擴(kuò)散孔14。蓋子13以與面對作為陰極電極的電極12a 的一側(cè)緊密接觸的方式連接到離子導(dǎo)體11,使得氣體僅能通過氣體擴(kuò)散
孔14供應(yīng)到電極12a。在蓋子13和離子導(dǎo)體11面對電極12a的側(cè)面之 間形成內(nèi)部空間15。如同第一實施方案，內(nèi)部空間15和氣體擴(kuò)散孔14 構(gòu)成氣體擴(kuò)散裝置16，其將擴(kuò)散速率限制氣體提供到電極12a。
如圖1所示的，通過蓋子13形成氣體擴(kuò)散裝置16中的氣體擴(kuò)散孔 14，使得其具有一定的孔徑(Sl)和一定的軸向孔長度(1)。形成氣體 擴(kuò)散裝置16中的內(nèi)部空間15使得其在氣體擴(kuò)散孔14的軸向上具有一 定的厚度(lin)(具體地說，電極12a的表面和與所述表面相對的蓋子 13的內(nèi)壁之間的距離)。在第二實施方案中，構(gòu)造氣體擴(kuò)散裝置16使得 內(nèi)部空間15中的氧濃度梯度滿足后面描述的特定表達(dá)式的條件。盡管 這里構(gòu)造的氣體擴(kuò)散裝置16使內(nèi)部空間15的厚度(lin)大于氣體擴(kuò)散 孔14的孔徑(Sl)，但是第二實施方案并不局限于這種結(jié)構(gòu)。
如果氣體擴(kuò)散孔14的形狀、測量時的傳感器溫度和氣氛壓力等是 恒定的，那么這種極限電流型氧傳感器10的極限電流值取決于氣氛中 氧的濃度。因此，發(fā)明人基于極限電流值和氧濃度之間的關(guān)系，分析了 合適的氧濃度梯度，并將其應(yīng)用于氣體擴(kuò)散裝置16。因此，使得極限電 流型氧傳感器10甚至在較低的氧濃度下也能極好地感測和測量氧濃度。
圖6和7是分別表示極限電流型氧傳感器中氣體擴(kuò)散孔的孔面積和 孔長度與輸出電流之間的關(guān)系。首先，如上所述發(fā)明人在極限電流型氧 傳感器10中通過蓋子13底部的中心形成了單個氣體擴(kuò)散孔14。然后在 用氣體擴(kuò)散孔14具有不同的孔面積(S)和孔長度(1)的不同環(huán)境中， 測量極限電流值或傳感器的輸出電流(IL)。結(jié)果證實氣體擴(kuò)散孔14的 孔面積(S )和孔長度(1)之間的比(后面稱為"S/1")和限制電流(IL ) 之間能建立如圖6中所示的關(guān)系。在這種情況下，能得到虛線61和實 線62所表示的特征。虛線61顯示的是使用上面所述的常規(guī)表達(dá)式(1) 計算的理論值表示的特征，而實線62顯示的是實際測量值表示的特征。
如圖6所示的，發(fā)現(xiàn)隨著S/1值的增加，基于實際測量值的實線62 顯示的極限電流值(IL)小于使用常規(guī)表達(dá)式(1)計算的虛線61顯示 的理論值。例如，發(fā)現(xiàn)當(dāng)S/l值在約50~250jim范圍內(nèi)時，S/1值和限 制電流(IL)之間表現(xiàn)出線性關(guān)系。根據(jù)該事實假設(shè)例如在1%或更 低的低氧濃度下，不但在氣體擴(kuò)散裝置16的氣體擴(kuò)散孔14中而且在內(nèi) 部空間15中具有濃度梯度。然后，分析近似方程以計算滿足應(yīng)用于氣
體擴(kuò)散裝置16的氧濃度梯度的下述表達(dá)式(2 )的條件。如果S/1值在 約50-250pjn范圍內(nèi)時，也可以提供超過單個的氣體擴(kuò)散孔14。
在法拉第常數(shù)(F)、擴(kuò)散系數(shù)(D)、氧濃度(C。J、氣體擴(kuò)散孔的 孔面積(S)、氣體擴(kuò)散孔的軸向孔長度(1)、內(nèi)部空間的厚度(lin)、內(nèi) 部空間的有效橫截面(Sin)、和輸出電流值(Ilim)具有如下關(guān)系時，發(fā) 明人將氧濃度梯度應(yīng)用于極限電流型氧傳感器10,
[表達(dá)式2
Ilim4FDC02 、 SSin」
從而得到的氣體擴(kuò)散孔14的孔長度(1)和孔面積(S)之比(后 面稱為"1/S")和極限電流值的倒數(shù)(1/IL)之間的關(guān)系，如圖7中實 線71所示。結(jié)果，例如當(dāng)上面所述的S/l等于或小于50pm時，可將常 規(guī)的表達(dá)式(1 )應(yīng)用于氣體擴(kuò)散裝置16以感測和測量氧濃度，盡管因 為極限電流值(IL)太小所以這是不實際的。
輸出電流值(Ilim)等同于極限電流值(IL)?；谝韵录僭O(shè)設(shè)定內(nèi) 部空間15的有效橫截面(Sin):內(nèi)部空間15中氧分子流以梯形的形式 從氣體擴(kuò)散孔14朝電極12a擴(kuò)散，并通過使用氣體擴(kuò)散孔14的橫截面 和內(nèi)部空間15的約一半橫截面作為指標(biāo)。
在其中氣體擴(kuò)散裝置16的氣體擴(kuò)散孔14的S/1為150pm的極限電 流型氧傳感器10中，例如，在1000ppm的氧氣中估計監(jiān)測電壓(Vs) -輸出電流(Is)的特征。在這種情況下，可以得到如圖8中實線81、 82所示的結(jié)果。實線81表示當(dāng)常規(guī)表達(dá)式(1)應(yīng)用于氣體擴(kuò)散裝置 16時的結(jié)果。
當(dāng)由上述表達(dá)式(2)定義的氧濃度梯度以該方式應(yīng)用于氣體擴(kuò)散 裝置16時，由實線82顯示的輸出電流值小于實線81顯示的輸出電流 值。可是當(dāng)應(yīng)用由表達(dá)式(2)限定的氧濃度梯度時，可以確定地得到 代表限制電流的平坦區(qū)83。如圖9所示，當(dāng)在極限電流型氧傳感器10 的氣體擴(kuò)散裝置16中的內(nèi)部空間15應(yīng)用表達(dá)式(2)的氧濃度梯度時，
能得到如實線91所示的氣體濃度和輸出電流之間的線性關(guān)系特征。
因此，例如甚至在1%或更低的低氧濃度下，根據(jù)本發(fā)明第二實施 方案的極限電流型氧傳感器10能精確并極好地感測和測量氧的濃度。 當(dāng)氣體擴(kuò)散裝置16中的氣體擴(kuò)散孔14是單個時，根據(jù)本發(fā)明第二實施 方案的極限電流型氧傳感器10也能實現(xiàn)生產(chǎn)步驟中的容易生產(chǎn)，抑止 加工精確特征的變化，并降低生產(chǎn)成本。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案，極限電流型氧傳感器10 的氣體擴(kuò)散裝置16包括通過蓋子13朝向電極12a形成的氣體擴(kuò)散孔 14、和與氣體擴(kuò)散孔14連通的內(nèi)部空間15。構(gòu)造氣體擴(kuò)^t裝置使得在 內(nèi)部空間15中的氧濃度梯度滿足作為一定條件的上述表達(dá)式(2)。此 外，例如形成的內(nèi)部空間15的厚度(lin )大于氣體擴(kuò)散孔14的孔徑(Sl )。 因此，基于滿足所述一定條件的氧濃度梯度，可以更容易地加工氣體擴(kuò) 散孔14，并精確地感測和測量氧濃度。這使得它能在甚至1%或更低的 較低氧濃度下精確并極好地感測和測量氧的濃度，并易于生產(chǎn)，防止加 工精確特征的變化，并降低生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.一種極限電流型氧傳感器，包括由固體電解質(zhì)構(gòu)成的離子導(dǎo)體；包括第一電極和第二電極的多孔電極對，其中所述離子導(dǎo)體置于所述第一電極和第二電極之間，并且所述多孔電極對適于在所述第一電極和第二電極之間施加電場；構(gòu)造為將擴(kuò)散速率限制氣體提供到所述第一電極的表面的氣體擴(kuò)散裝置；和配置用于加熱所述離子導(dǎo)體的加熱器；其中所述氣體擴(kuò)散裝置包括與第一電極的表面接觸的內(nèi)部空間、和形成用于連通內(nèi)部空間和氣體擴(kuò)散裝置外部空間的氣體擴(kuò)散孔，其中所述氣體擴(kuò)散裝置形成為使得所述內(nèi)部空間中第一電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離大于或等于所述氣體擴(kuò)散孔的孔徑。
2. 如權(quán)利要求l所述的極限電流型氧傳感器，其中所述氣體擴(kuò)散 裝置包括多個氣體擴(kuò)散孔、和與所述多個氣體擴(kuò)散孔連通的內(nèi)部空間， 其中所述氣體擴(kuò)散裝置形成為使得內(nèi)部空間中的距離等于或大于所述 多個氣體擴(kuò)散孔的所有直徑之和。
3. —種極限電流型氧傳感器，包括 由固體電解質(zhì)構(gòu)成的離子導(dǎo)體；包括第一電極和第二電極的多孔電極對，其中所述離子導(dǎo)體置于所 述第一電極和第二電極之間，并且所述多孔電極對適于在所述第一電極 和第二電極之間施加電場；構(gòu)造用于將擴(kuò)散速率限制氣體提供到所述第 一 電極的表面的氣體 擴(kuò)散裝置；和配置用于加熱所述離子導(dǎo)體的加熱器，其中所述氣體擴(kuò)散裝置包括與第一電極的表面接觸的內(nèi)部空間、和 形成用于連通所述內(nèi)部空間與氣體擴(kuò)散裝置外部空間的氣體擴(kuò)散孔，其 中所述氣體擴(kuò)散裝置構(gòu)造為使得內(nèi)部空間中的氧濃度梯度滿足如下的 表達(dá)式1/Ilim = (l/4FDCo2){(l/S) + (lin/Sin)} 所述表達(dá)式基于法拉第常數(shù)(F)、擴(kuò)散系數(shù)(D)、氧濃度(C。2)、 氣體擴(kuò)散孔的孔面積(S)、氣體擴(kuò)散孔的軸向孔長度(1)、內(nèi)部空間中 第一電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離(lin)、內(nèi)部空間的有效橫截 面(Sin)、和輸出電流值(Ilim)之間的關(guān)系。
4. 如權(quán)利要求3所述的極限電流型氧傳感器，其中所述氣體擴(kuò)散 裝置形成為使得內(nèi)部空間中第一電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離 大于或等于氣體擴(kuò)散孔的孔徑。
5. 如權(quán)利要求3所述的極限電流型氧傳感器，其中所述氣體擴(kuò)散 裝置構(gòu)造為使得所述氣體擴(kuò)散孔的孔面積(S )和孔長度(1)之比(S/1) 為50-250jLim。
6. 如權(quán)利要求4所述的極限電流型氧傳感器，其中所述氣體擴(kuò)散 裝置構(gòu)造為使得所述氣體擴(kuò)散孔的孔面積(S )和孔長度(1)之比(S/1) 為50-250拜。
7. —種使用極限電流型氧傳感器感測和測量氧濃度的方法，所述 傳感器包括由固體電解質(zhì)構(gòu)成的離子導(dǎo)體、包括第一電極和第二電極的 多孔電極對、構(gòu)造為適于將擴(kuò)散速率限制氣體提供到所述第一電極的表 面的氣體擴(kuò)散裝置、和配置以加熱所述離子導(dǎo)體的加熱器，其中所述離 子導(dǎo)體置于所述第一電極和第二電極之間，并且所述多孔電極對適于在 所述第一電極和第二電極之間施加電場，所述方法包括在氣體擴(kuò)散裝置中形成與所述第一電極的表面接觸的內(nèi)部空間，并 形成氣體擴(kuò)散孔以連通所述內(nèi)部空間和所述氣體擴(kuò)散裝置的外部空間； 和通過進(jìn)行計算使得所述內(nèi)部空間中的氧濃度梯度滿足如下表達(dá)式 的條件，來感測和測量氧的濃度1/Ilim = (l/4FDCo2){(l/S) + (WSin)}所述表達(dá)式基于法拉第常數(shù)(F)、擴(kuò)散系數(shù)(D)、氧濃度(C。2)、 氣體擴(kuò)散孔的孔面積(S)、氣體擴(kuò)散孔的軸向孔長度(1)、內(nèi)部空間中 第一電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離(lin)、內(nèi)部空間的有效橫截 面(Sin)、和輸出電流值(Ilim)之間的關(guān)系。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中形成所述氣體擴(kuò)散裝置中的內(nèi) 部空間使得第一電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離大于或等于所述 氣體擴(kuò)散孔的孔徑。
9. 如權(quán)利要求l所述的極限電流型氧傳感器，其中所述內(nèi)部空間 中第一電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離大于所述氣體擴(kuò)散孔的孔 徑。
10. 如權(quán)利要求l所述的極限電流型氧傳感器，其中所述氣體擴(kuò)散 裝置包括多個氣體擴(kuò)散孔、和與所述多個氣體擴(kuò)散孔連通的內(nèi)部空間， 其中所述氣體擴(kuò)散裝置形成為使得所述內(nèi)部空間中的距離等于或大于 由所述多個氣體擴(kuò)散孔的有效橫截面計算的值。
11. 如權(quán)利要求3所述的極限電流型氧傳感器，其中所述氣體擴(kuò)散 裝置形成為使得所述內(nèi)部空間中第 一電極和與其相對的內(nèi)表面之間的 距離大于所述氣體擴(kuò)散孔的孔徑。
12. 如權(quán)利要求11所述的極限電流型氧傳感器，其中所述氣體擴(kuò)散 裝置構(gòu)造為使得所述氣體擴(kuò)散孔的孔面積(S )和孔長度(1)之比(S/1) 為50 ~ 250拜。
13. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述氣體擴(kuò)散裝置中的內(nèi)部空 間形成為使得第 一 電極和與其相對的內(nèi)表面之間的距離大于所述氣體 擴(kuò)散孔的孔徑。
全文摘要
一種極限電流型氧傳感器，包括離子導(dǎo)體、一對電極、用于提供擴(kuò)散速率限制氣體的氣體擴(kuò)散裝置、和用于加熱離子導(dǎo)體的加熱器。氣體擴(kuò)散裝置包括氣體擴(kuò)散孔和與氣體擴(kuò)散孔相通的內(nèi)部空間。在第一個實施方案中，構(gòu)造氣體擴(kuò)散裝置使得形成的內(nèi)部空間的厚度(lin)等于或大于氣體擴(kuò)散孔的孔徑(S1)。這能夠使得氣體擴(kuò)散孔中的擴(kuò)散速率限制性占主導(dǎo)地位并最小化內(nèi)部空間中的擴(kuò)散速率限制性的影響，由此精確地感測極限電流值。在第二實施方案中，構(gòu)造氣體擴(kuò)散裝置使得內(nèi)部空間內(nèi)的氧濃度梯度滿足一定表達(dá)式的條件。這使得它能甚至在較低氧濃度下精確地感測和測量氧的濃度，并易于生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本。
文檔編號G06F19/00GK101097209SQ200710123478
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者加藤清輝, 松木幸生, 永野僚治, 泰松齊 申請人:株式會社藤倉