變頻型氧傳感器的製作方法

2023-06-24 11:39:21 1

專利名稱：變頻型氧傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量環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：
氧濃度的測量和控制在各種產業領域都有著重要的作用，人們利用YSZ固體電解質 具有良好的氧離子導電特性用來製作濃差電壓型、界限電流型氧傳感器。其中界限電流 型氧傳感器由於具有測量精度高、無需參考氣體的特點而得到廣泛的應用。目前組成界 限電流型氧傳感器的工作機理有小孔擴散型、多孔擴散型以及緻密擴散障礙層型等。但 是這幾種傳感器也都存在著某些缺點和不足，如小孔型界限電流氧傳感器長時間使用易 使小孔堵塞變形，多孔型界限電流氧傳感器的孔隙率難於控制，傳感器一致性較差，並 且長時間使用多孔的孔隙透氣性也會發生變化，緻密擴散障礙層型也存在著對溫度過於 敏感的不足，這些均會造成傳感器的測試精度大幅下降；並且上述傳感器均建立在對電 信號的測量基礎上實現對氧濃度的間接測量。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的現狀，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量變換成對時間t測量的新型無孔變頻型氧傳感器。 該傳感器具有寬範圍檢測、工藝簡單和成本低廉的優點。
本發明主要由敏感電池片、氧泵片、玻璃密封釉及電路四部分構成。其中敏感電池 片和氧泵片均為YA穩定的Zr02固體電解質陶瓷片，在其兩面採用絲網印刷方式製備有 內外Pt電極及其引線。然後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。通過穩恆電流源給氧泵片施加大小恆定、方向交變的電流，實現 敏感電池片內外濃差電壓在E,至E2範圍的交替變化，通過時間測量儀測得敏感電池片內 外濃差電壓在E,至E2範圍變化的時間t，實現對被測氣體氧分壓PJ勺測量。
本發明所採用的技術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密 閉的空氣腔；敏感電池片的內表面均布有敏感電池片內電極；敏感電池片的外表面均布 有敏感電池片外電極；氧泵片內表面均布有氧泵片內電極；氧泵片外表面均布有氧泵片 外電極。
為優化本技術方案所採取的技術措施還包括敏感電池片內電極和氧泵片內電極經 導線並聯，還相連接有時間測量儀一端，時間測量儀另一端連接敏感電池片外電極；時 間測量儀一端還連接有穩恆電流源；穩恆電流源的另 一端連接氧泵片外電極。
敏感電池片內電極還相連接有時間測量儀一端，時間測量儀另一端連接敏感電池片 外電極；氧泵片內電極還連接有穩恆電流源；氧泵片外連接有電極穩恆電流源的另一端。
敏感電池片是Y20:,穩定的Zr02固體電解質陶瓷片；敏感電池片的YA摩爾含量為7 %至10%;敏感電池片的厚度為0.2隱至l咖。
敏感電池片外電極材料為金屬Pt,並且燒結溫度為85(TC至1250°C。
氧泵片是103穩定的Zr02固體電解質陶瓷片；氧泵片的YA摩爾含量為7%至10%; 氧泵片的厚度為0. 2mm至lmm。
氧泵片內電極材料為金屬Pt，並且燒結溫度為85(TC至1250°C。
玻璃密封釉的處理溫度為75(TC至IOOO"C。
本發明電流型氧傳感器具有高溫40(TC至70(TC下工作信號穩定、可檢測氧氣濃度範圍為O. 1%至99%的優點。另外，由於其測量方法新穎並且工藝簡單，很容易實現工
業化大規模生產，具有廣泛的適用性。


圖1是本發明實施例1的結構圖2是本發明實施例1、 2氧分壓-電壓-電流周期變化圖； 圖3是本發明實施例1、 2時間t與被測氧分壓的關係曲線； 圖4是本發明實施例2的結構圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一歩詳細描述。
圖標號說明敏感電池片l、氧泵片2、空氣腔3、玻璃密封釉4、穩恆電流源5、 時間測量儀6、敏感電池片外電極7、敏感電池片內電極8、氧泵片內電極9、氧泵片外 電極IO、電極引線ll。
圖1是本發明實施例1的結構圖；圖2是本發明實施例1、 2氧分壓-電壓-電流周 期變化圖；圖3是本發明實施例1、 2時間t與被測氧分壓的關係曲線；圖4是本發明 實施例2的結構圖。
實施例l: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密閉的空氣腔；敏 感電池片的內表面均布有敏感電池片內電極；敏感電池片的外表面均布有敏感電池片外 電極；氧泵片內表面均布有氧泵片內電極；氧泵片外表面均布有氧泵片外電極。
敏感電池片內電極和氧泵片內電極經導線並聯，還相連接有時間測量儀一端，時間 測量儀另一端連接敏感電池片外電極；時間測量儀一端還連接有穩恆電流源；穩恆電流 源的另一端連接氧泵片外電極。
敏感電池片是YA穩定的Zr02固體電解質陶瓷片；敏感電池片的YA摩爾含量為7 %至10%;敏感電池片的厚度為0. 2mm至lmm。
敏感電池片外電極材料為金屬Pt，並且燒結溫度為85(TC至1250°C。
氧泵片是Y203穩定的Zr02固體電解質陶瓷片；氧泵片的Y203摩爾含量為7 %至10%; 氧泵片的厚度為0. 2mm至lmm。
氧泵片內電極材料為金屬Pt，並且燒結溫度為85(TC至1250°C。
玻璃密封釉的處理溫度為75(TC至IOO(TC。
實施例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密閉的空氣腔；敏 感電池片的內表面均布有敏感電池片內電極；敏感電池片的外表面均布有敏感電池片外 電極；氧泵片內表面均布有氧泵片內電極；氧泵片外表面均布有氧泵片外電極。
敏感電池片內電極還相連接有時間測量儀一端，時間測量儀另一端連接敏感電池片 外電極；氧泵片內電極還連接有穩恆電流源；穩恆電流源的另一端連接氧泵片外電極。
敏感電池片是YA穩定的Zr02固體電解質陶瓷片；敏感電池片的YA摩爾含量為7 %至10%;敏感電池片的厚度為0. 2咖至lmm。
敏感電池片外電極材料為金屬Pt，並且燒結溫度為85(TC至1250°C。
氧泵片是103穩定的ZlU固體電解質陶瓷片；氧泵片的￥20.,摩爾含量為7%至10%;
氧泵片的厚度為0. 2mm至l腿。
氧泵片內電極材料為金屬Pt，並且燒結溫度為850'C至1250°C。 玻璃密封釉的處理溫度為75(TC至IOO(TC。其具體的測氧原理為保持傳感器工作溫度T，先通過穩恆電流源5對氧泵片2施
加恆定的由氧泵片外電極10流向氧泵片內電極9方向的泵氧電流I，促使在氧泵片內電
極9測發生如下的電化學反應 02 + 4e——202—
將空氣腔3中的氧氣變為氧離子，並在電場驅動下通過氧泵片2由氧泵片內電極9 側向氧泵片外電極IO側漂移，並在氧泵片外電極IO測發生如下的電化學反應
202——02+4e—
將氧離子還原成氧氣，並釋放到空氣腔外部，將空氣腔3內的氧逐歩泵出，減少空 氣腔3內氧分壓P"增大空氣腔3內外氧濃度的差異。根據能斯特方程可使敏感電池片 外電極7、敏感電池片內電極8間的濃差電壓E不斷增大。當達到預定的電壓&時，在 保持大小恆定的條件下翻轉泵氧電流方向，即一I，將氧從外界泵進空氣腔3內，增加空 氣腔3內氧分壓P2，縮小空氣腔3內外氧濃度的差異，使敏感電池片外電極7、敏感電 池片內電極8間的濃差電壓E不斷減小。當減少到預定的電壓E,時，又將電流在保持大 小恆定的條件下再次翻轉，如此周而復始，其中t為濃差電壓在E,至E2範圍變化所需的 時間，可通過時間測量儀6測得，測試時將電壓E,設為開啟計時閾值，&為關閉計時閾 值。這樣空氣腔3內氧分壓P2、敏感電池片1內外濃差電壓E、氧泵片2泵氧電流I將 形成如圖2所示的一個周期為t的周期變化。並且這幾個參量間以及空氣腔3外被測氣 體氧分壓P,應存在著一定的數學關係，其具體推導如下
假設在時間t內給氧泵片2施加恆定的由氧泵片外電極10流向氧泵片內電極9方 向的泵氧電流I，從腔內向外泵出了n摩爾氧氣，使空氣腔3內的氧分壓由P2變為P/， 敏感電池片外電極7、敏感電池片內電極8間的濃差電壓由E,變為E2。根據法拉第電荷 守恆定律，可得
formula see original document page 5........................式l
其中，F為法拉第常數。假設空氣腔3內氧氣為理想氣體，體積為V，貝IJ:
formula see original document page 5-.....................式2
其中，R為氣體常數。由式l、式2可得
formula see original document page 5.............................式3
根據能斯特方程，由泵氧過程開始狀態，其中空氣腔3內的氧分壓&，敏感電池片 外電極7、敏感電池片內電極8間的濃差電壓E"以及，末了狀態，其中空氣腔3內的 氧分壓P/，敏感電池片外電極7、敏感電池片內電極8間的濃差電壓E2以及腔外被測氣 體氧分壓P"可得
formula see original document page 5.....................式4
formula see original document page 5.....................式5
由式3、式4、式5可得
formula see original document page 5^_.....................式6formula see original document page 6).....................式7
當傳感器定型後，F、 R為常數，T、 El、 E2、 V、 I已知時，由式7可看出，時間t 與被測氣體氧分壓Pt成正比關係。
對於將氧由腔外泵出腔內的過程，由於保持氧泵的電流大小一致，濃差電壓的變化 範圍E,至E2也相同，因此，泵進與泵出是一對可逆的過程，此泵進過程的時間與被測氣 體氧分壓也應有式7的關係。
本發明變頻型氧傳感器在實際工作中需要有專用的發熱體加熱到400至70(TC。
圖3所示為此變頻型氧傳感器在T:65(TC工作溫度條件下、施加氧泵的電流1=20" A，被測氣體氧濃度變化範圍為O. 1至99%時，選取不同E,至E2範圍的時間t與被測氣 體氧分壓P'的關係曲線，圖中t。ujQ U分別表示將氧氣泵出空氣腔3外，敏感電池片1 內外電極濃差電勢由E變化到E2的時間和將氧氣泵入空氣腔3內，敏感電池片1內外電 極濃差電勢由E2變化到^的時間，其他類似。
從圖3中可以看出
1、 在不同E,至E2範圍內，時間t與被測氧分壓P,的各項實驗數據均呈現出非常好 的線性相關關係，與理論推導公式8高度符合；
2、 在相同的E,至E2範圍內，泵進與泵出時間實驗數據顯示，兩種之間相差很小， 其與被測氧分壓h的線性關係也幾乎一致，因此在圖3上已表現出高度重疊，無法區分。 這也證實我們上述理論推斷的成立泵進與泵出是一對可逆的過程。
權利要求
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)，其特徵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)圍成一個密閉的空氣腔(3)；所述的敏感電池片(1)的內表面均布有敏感電池片內電極(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)內表面均布有氧泵片內電極(9)；所述的氧泵片(2)外表面均布有氧泵片外電極(10)。
2、 根據權利要求1所述的變頻型氧傳感器，其特徵是所述的敏感電池片內電極(8)和氧泵片內電極(9)經導線(11)並聯，還相連接有時間測量儀(6)—端，時間測量儀(6) 另一端連接所述的敏感電池片外電極(7);時間測量儀(6)—端還連接有穩恆電流源 (5);穩恆電流源(5)的另一端連接所述的氧泵片外電極(IO)。
3、 根據權利要求1所述的變頻型氧傳感器，其特徵是所述的敏感電池片內電極(8)還相連接有時間測量儀(6)—端，時間測量儀(6)另一端連接所述的敏感電池片外電極(7);所述的氧泵片內電極(9)還連接有穩恆電流源(5);穩恆電流源(5)的另一端連接所述的氧泵片外電極ao)。
4、 根據權利要求2或3所述的變頻型氧傳感器，其特徵是所述的敏感電池片(l) 是YA,穩定的Zr02固體電解質陶瓷片；所述的敏感電池片(l)的YA摩爾含量為7%至 10%;所述的敏感電池片(l)的厚度為0.2mm至lmm。
5、 根據權利要求4所述的變頻型氧傳感器，其特徵是所述的敏感電池片外電極(7) 材料為金屬Pt，並且燒結溫度為85(TC至1250°C。
6、 根據權利要求2或3所述的變頻型氧傳感器，其特徵是所述的氧泵片(2)是 YA穩定的Zr02固體電解質陶瓷片；所述的氧泵片(2)的103摩爾含量為7%至10%;所 述的氧泵片(2)的厚度為0. 2mm至lmm。
7、 根據權利要求6所述的變頻型氧傳感器，其特徵是所述的氧泵片內電極(9) 材料為金屬Pt，並且燒結溫度為85(TC至125CTC。
8、 根據權利要求4所述的變頻型氧傳感器，其特徵是所述的玻璃密封釉(4)的處 理溫度為750。C至1000°C。
9、 根據權利要求6所述的變頻型氧傳感器，其特徵是所述的玻璃密封釉(4)的處 理溫度為750。C至IOO(TC。
全文摘要
本發明公開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量變換成對時間t測量的新型無孔變頻型氧傳感器。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密閉的空氣腔；敏感電池片的內表面均布有敏感電池片內電極；敏感電池片的外表面均布有敏感電池片外電極；氧泵片內表面均布有氧泵片內電極；氧泵片外表面均布有氧泵片外電極。由於其測量方法新穎並且工藝簡單，很容易實現工業化大規模生產，具有廣泛的適用性。
文檔編號G01N27/41GK101281162SQ200810061668
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月21日 優先權日2008年5月21日
發明者張衛強, 徐鐵峰, 益 汪, 簡家文 申請人:寧波大學