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1、(10)申请公布号 CN 102455314 A (43)申请公布日 2012.05.16 CN 102455314 A *CN102455314A* (21)申请号 201010518548.7 (22)申请日 2010.10.25 G01N 27/409(2006.01) G01N 27/60(2006.01) (71)申请人 王锡福 地址 中国台湾 申请人 李玉海 谢文硕 (72)发明人 王锡福 李玉海 谢文硕 (74)专利代理机构 北京三友知识产权代理有限 公司 11127 代理人 任默闻 (54) 发明名称 电流式氧气感测器 (57) 摘要 本发明公开了一种电流式氧气感测器， 用以 。
2、检测气体的氧分压， 具有一本体， 本体为一氧离子 导电材料， 电流式氧气感测器包括 ： 一感测阳极， 包括多个第一梳片及一第一梳座部份， 其中第一 梳片埋设于本体内， 其端部与第一梳座连接 ； 一 感测阴极， 包括多个第二梳片及一第二梳座部分， 其中第二梳片埋设于本体内， 端部电性连接于第 二梳座， 感测阳极与感测阴极位置相对， 且第一 梳片与第二梳片交替式排列并以氧离子导电材料 相互隔离， 并且， 第一及第二梳座以一电压源供应 电位并外接一量测电路 ； 一加热电极设置于本体 内， 以对本体加热， 使电流式氧气感测器维持在工 作温度 ； 及一电性绝缘层， 但为热导体层， 用以隔 离加热电极所产。
3、生的电磁波以防止量测信号被干 扰。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种电流式氧气感测器， 其特征在于， 所述电流式氧气感测器用以检测气体的氧分 压， 具有一本体， 所述本体为一氧离子导电材料， 所述电流式氧气感测器包括 ： 一感测阳极， 包括多个第一梳片及一第一梳座部份， 其中所述第一梳片埋设于本体内， 其端部与第一梳座连接 ； 一感测阴极， 包括多个第二梳片及一第二梳座部份， 其中所述第二梳片埋设于所述本 体内， 端部。
4、电性连接于第二梳座， 所述感测阳极与所述感测阴极位置相对， 且所述第一梳片 与所述第二梳片交替式排列并以氧离子导电材料相互隔离， 其中， 所述第一及第二梳座， 以 一电压源供应电位并外接一量测电路 ； 一加热电极， 设置于所述本体内， 以对所述本体加热， 使所述电流式氧气感测器维持在 工作温度 ； 及 一电性绝缘层， 为热导体层， 用以隔离所述加热电极所产生的电磁波以防止量测信号 被干扰。 2. 如权利要求 1 所述的电流式氧气感测器， 其特征在于， 所述电性绝缘层的导热系数 至少为 1w/mk， 所述电性绝缘层及所述氧离子导电材料热膨胀系数差值在 310-6K-1的 范围之间。 3. 如权利。
5、要求 1 所述的电流式氧气感测器， 其特征在于， 所述电流式氧气感测器更包 括另一电性绝缘层， 所述加热电极设置于所述第一及第二梳片之间， 并且， 以所述二电性绝 缘层分别隔开所述加热电极及所述第一及第二梳片。 4. 如权利要求 2 所述的电流式氧气感测器， 其特征在于， 所述加热电极的材料选自由 白金、 金、 钯及其任意混合的群组的其中一种。 5. 如权利要求 1 所述的电流式氧气感测器， 其特征在于， 所述氧离子导电层材料选自 选自氧化钇 - 氧化锆、 掺杂碱土金属元素或过渡元素的氧化铋、 掺杂稀土族或过渡元素的 氧化铈及其任意混合所组成的群组其中的一种。 6. 如权利要求 1 所述的电流。
6、式氧气感测器， 其特征在于， 所述电性绝缘层材料选自氧 化铝、 铝酸镁、 碳化硅、 尖晶石、 氮化铝、 氧化锆、 氧化铪、 氧化硅及其任意混合的群组的其中 一种。 7. 如权利要求 1 所述的电流式氧气感测器， 其特征在于， 所述氧离子导电材料为钇安 定氧化锆， 所述电性绝缘层材料为氧化铝掺杂稀土族或过渡元素， 并且， 所述电性绝缘层的 厚度为 0.01 至 0.03mm。 权 利 要 求 书 CN 102455314 A 2 1/5 页 3 电流式氧气感测器 技术领域 0001 本发明涉及一种气体感测器， 特别是一种电流式的氧气感测器。 背景技术 0002 氧气感测器应用于燃烧控制， 如 ：。
7、 汽车引擎的燃烧控制或锅炉的燃烧控制等， 主要 是确保燃烧完全， 及提高燃烧效率以降低污染气体排放。 0003 市面上常被使用的氧气检测器是以传导氧负离子固态电解质为主体， 来构成氧气 感测器。其中最广为人知的氧气检测器， 是以部份安定氧化锆 (PSZ) 作为传导氧离子的固 态电解质的电位式氧气感测器。在氧化锆两端分别通入不同的氧分压， 造成氧气自高浓度 透过氧化锆向低浓度的氧气移动的趋势。氧气分子进入氧化锆时， 在氧化锆表面得到电 子， 形成氧离子， 这些氧离子扩散至氧化锆另一侧表面后， 会失去电子形成氧气分子， 再离 开氧化锆。此种机制在氧化锆两侧表面会造成电动势的差异。根据涅斯特方程式 。
8、(Nernst equation)， 只要在氧化锆一侧通入参考气体， 并量测此电动势可以计算出未知气体的氧分 压。 0004 但此种感测器的缺点是必须在大约 800的高温下操作， 以降低电流量测时接点 的内部电阻， 此外， 氧化锆的成本相当高， 再加上氧化锆材料的熔点可以达到 2700左右， 因此在制作成本及技术方面仍有许多改进的空间。 0005 最近则发展出另一种电流式氧气感测器， 不需要再通入参考气体即可量测未知气 体的氧分压。以钇安定化氧化锆 (Yttria-stabilized Zirconia， YSZ) 作为固态电解质， 以 白金等贵重金属作为阳极与阴极的材料。在施加一个电压后， 。
9、会使得氧气由阴极经由固态 电解质扩散至阳极， 因此在阳极与阴极之间可以量测到电流值， 这个电流的大小和氧气的 浓度成正比， 因此只要电流值够精确， 就可精确的得知氧气浓度。 此种感测器的优点为稳定 性高， 结构简单， 适合微小化， 缺点为工作温度过高， 而且回复时间过长， 以及其仅限于低浓 度氧气的量。 0006 在美国专利 6592731B1 中， 揭示一种电流式氧气感测器， 具有以氧离子的固态电 解质和多孔隙的感测电极交替排列的结构， 可以降低制备的难度。感测器内并设有平板式 加热电极， 以将感测器加热至大约 500 800。 0007 然而， 由于此种电流式氧气感测器是以所检测的电流大小。
10、来判定氧气的浓度， 当 加热控制器对设置于感测器内部的加热电极通电流时， 所产生的电磁场也会使实际所测量 的电流值失真， 造成精确度及灵敏度降低。除此之外， 在感测器被加热至工作温度时， 会因 为固态电解质和感测电极 ( 多孔式金属 ) 的热膨胀系数不同， 一段工作时间后累积的热应 力容易使固态电解质 ( 材料大部分为陶瓷 ) 内部产生裂缝， 进而影响感测器的寿命。 发明内容 0008 有鉴于上述课题， 本发明的目的是提供一种电流式氧气感测器， 使感测器被加热 以维持在工作温度时， 也同时保有其精确度及灵敏度。 本发明提供一种电流式氧气感测器， 说 明 书 CN 102455314 A 3 2。
11、/5 页 4 用以检测气体的氧分压， 具有一本体， 本体为一氧离子导电材料， 电流式氧气感测器包括 ： 一感测阳极， 包括多个第一梳片及一第一梳座部份， 其中该些第一梳片埋设于本体内， 其端 部与第一梳座连接 ； 一感测阴极， 包括多个第二梳片及一第二梳座部份， 其中该些第二梳片 埋设于本体内， 感测阳极与感测阴极位置相对， 且该些第一梳片与该些第二梳片交替式排 列， 并以氧离子导电材料相互隔离， 该些第二梳片端部电性连接于第二梳座， 第一及第二梳 座， 以一电压源供应电位并外接一量测电路 ； 一加热电极， 设置于本体内， 以对本体加热， 使 电流式氧气感测器维持在工作温度 ； 及一电性绝缘层。
12、， 但为热导体层， 用以隔离加热电极所 产生的电磁波以防止量测信号被干扰。 0009 其中， 加热电极的材料可选自白金 (Pt)、 金 (Au)、 钯 (Pd) 及其组成的群组其中的 一种。氧离子导电层材料选自钇安定氧化锆 (Y2O3-ZrO2)、 掺杂钇、 铌之氧化铋 (Bi2O3)、 掺杂 稀土族或过渡性元素的氧化铈 (CeO2)。为了作为一缓冲层及隔绝加热电极所产生的电磁 场， 电性绝缘层的厚度依不同材料而定， 大约 0.01 至 0.03mm。而电性绝缘层材料则为氧化 铝 (Al2O3) 掺杂稀土族或过渡元素。 0010 本发明的电流式氧气感测器具有现有电流式氧气感测器容易制备的优点，。
13、 却减缓 因为固态电解质和感测电极热膨胀系数不同， 造成氧气感测器寿命缩短的问题。 除此之外， 也解决了由于加热器设置于感测器内部， 造成精确度及灵敏度降低的问题。 附图说明 0011 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解， 构成本申请的一部分， 并不 构成对本发明的限定。在附图中 ： 0012 图 1 显示本发明电流式氧气感测器的剖面示意图 ； 0013 图 2A 及图 2B 显示本发明不同实施例的加热电极的图案 ； 及 0014 图 3A 至图 3B 分别显示形成电性绝缘层及加热电极制备流程不同实施例的示意 图 ； 0015 图 4 显示本发明另一实施例电流式氧气感测器的剖面示意图。
14、 ； 及 0016 图 5 显示本发明又一实施例电流式氧气感测器的剖面示意图。 0017 附图标号 ： 0018 1 ： 电流式氧气感测器 10 ： 本体 0019 100 ： 陶瓷片材 101 ： 第一侧面 0020 102 ： 第二侧面 103 ： 顶面 0021 104 ： 底面 11 ： 感测阳极 0022 110 ： 第一梳片部份 110a 110c ： 第一梳片 0023 112 ： 第一梳座 12 ： 感测阴极 0024 120 ： 第二梳片部份 120a 121c ： 第二梳片 0025 122 ： 第二梳座 13 ： 加热电极 0026 130 ： 加热控制器 131 ： 低。
15、电阻部份 0027 132 ： 高电阻部份 14 ： 电性绝缘层 0028 15 ： 电压源 16 ： 量测电路 0029 161 ： 安培计 162 ： 电压计 说 明 书 CN 102455314 A 4 3/5 页 5 具体实施方式 0030 为使本发明的上述目的、 特征和优点能更明显易懂， 下文依本发明电流式氧气感 测器， 特举较佳实施例， 并配合所附相关附图， 作详细说明如下， 其中相同的元件将以相同 的元件符号加以说明。 0031 请参照图 1， 本发明提供一种电流式氧气感测器 1， 用以检测气体的氧分压， 具有 一本体 10， 本体 10 为一氧离子导电材料作为固态电解质， 在一。
16、较佳实施例中， 为选自氧化 钇 - 氧化锆 (Y2O3-ZrO2)、 掺杂碱土金属元素或过渡元素 ( 如 ： 钇、 铌、 铊、 镧、 钡、 锶 ) 之氧化 铋 (Bi2O3)、 掺杂稀土族或过渡元素的氧化铈 (CeO2) 及其任意混合所组成的群组其中的一 种。 0032 本发明实施例中， 电流式氧气感测器1包括一感测阳极11、 一感测阴极12、 一加热 电极 13 及一电性绝缘层 14。 0033 感测阳极 11 及感测阴极 12 形成梳状结构。感测阳极 11 包括一第一梳片部份 110 及一第一梳座部份 112。感测阴极 12 包括一第二梳片部份 120 及一第二梳座部份 122。其 中， 。
17、感测阳极 11 与感测阴极 12 位置相对。 0034 第一及第二梳片部份 110， 120 各自包括多个第一梳片 110a 110c 及第二梳片 120a120c， 埋入于本体10之内， 如指叉状交替式排列， 并以氧离子导电材料相互隔离。 第 一梳片 110a 110c 埋设于本体 10 内， 其端部与第一梳座 112 连接。相似的， 多个第二梳 片 120a 120c 埋设于本体内， 端部电性连接于第二梳座。 0035 其中， 第一梳片 110a 110c 和第二梳片 120a 120c 重叠部分为 di， 本体 10 第 一侧面 101 及第二侧面 102 之间的距离为 d12， di和。
18、 d12之间的比例大约 0.5 至 0.9 为最佳。 在本发明最佳实施例中， 本体 10 的长宽高分别大约 4mm、 2mm 及 4mm。 0036 感测阳极11及感测阴极12所使用的材料皆选自多孔隙的导电材料， 比如 ： 白金或 是银等。在本实施例中， 孔隙占感测电极体积大约 5 至 50， 会有最佳的效果。 0037 第一及第二梳座部份 112， 122 暴露于本体 10 之外， 以外接一电压源 15 及一量测 电路 16。量测电路 16 包括一安培计 161 及一伏特计 162。感测阳极、 感测阴极 11， 12 由电 压源 15 提供一电位差， 以趋使氧离子 (O2-) 由感测阴极 1。
19、2 经由本体 10 的固态电解质扩散 至感测阳极11， 再分别以安培计161及电压计162量测因氧离子扩散而产生的电流及电压， 以推算未知气体氧气的浓度。 0038 加热电极 13， 设置于本体 10 内部， 以对本体 10 加热， 使电流式氧气感测器 1 维持 在工作温度。加热电极 13 并外接一加热控制器 130， 以对加热电极 13 提供加热电压。 0039 本发明实施例的加热电极 13 的图案如图 2A 及图 2B 所示。由图中可以看出， 本发 明实施例的加热电极 13 包括低电阻部分 131 及高电阻部份 132。其中， 高电阻部份 132 可 以是一方波形或一蛇形， 线宽大约 0.。
20、1 至 0.5mm。 0040 加热电极13的材料可选自由白金(Pt)、 金(Au)、 钯(Pd)、 铑(Rh)及其任意混合所 组成的群组的其中一种。 0041 在本发明的一实施例中， 本体10的材料为钇安定氧化锆(Y2O3-ZrO2)， 本体10的工 作温度大约为500800。 为了防止感测器在量测氧气浓度时， 加热控制器130对加热电 极 13 提供电压， 使加热电极 13 本身所产生的电磁场对量测信号造成影响， 电性绝缘层 14 说 明 书 CN 102455314 A 5 4/5 页 6 完全隔挡于加热电极 13 及第一梳片 110b 之间， 以防止量测信号被加热电极 13 的电磁场干。
21、 扰。 当然， 若加热电极13设置于靠近本体10顶面103， 则电性绝缘层14设置于加热电极13 及第二梳片 120a 之间。它虽是电的绝缘体， 但不是热的绝缘体， 导热系数至少约 1w/mk。 0042 请再参照图 1， 在本发明实施例中， 仅需要一电性绝缘层 14 将该些梳片隔开， 就可 以降低加热电极 13 对量测信号的影响。另一方面， 上述的电性绝缘层 14 可以做为一缓冲 层， 缓和因感测电极 11， 12 和本体 10 热膨胀系数不同而产生的热应力。但电性绝缘层 14 的热膨胀系数与其他各层间之热膨胀系数必需能够相互匹配， 其差值约在 310-6K-1的 范围之间。 0043 电性。
22、绝缘层 14 的材料可依据不同的氧离子导电材料的热膨胀系数来选择， 可以 选自氧化铝 (alumina)、 铝酸镁 (magnesium aluminate)、 碳化硅 (silicon carbide)、 尖晶 石 (spinel)、 氮化铝 (AlN)、 氧化锆 (ZrO2)、 氧化铪 (HfO2)、 氧化硅 SiO2及其任意混合的群 组的其中一种。 0044 本发明实施例所使用的钇安定氧化锆 (Y2O3-ZrO2)， 热膨胀系数随钇的添加量而变 化， 范围约在 1010-6 1110-6K-1间， 因此选用氧化铝 (Al2O3) 掺杂稀土族或过渡元素作 为电性绝缘层 14 的材料， 并且。
23、， 厚度大约 0.01 至 0.03mm 为最佳。 0045 本发明的电流式氧气感测器的本体10是先使用薄带成型法(tape casting)形成 多个陶瓷片材。在本发明实施例中， 陶瓷片材是选用钇安定氧化锆， 也就是形成本体 10 的 主要材料。并且， 用来隔绝加热电极 13 和感测电极 11、 12 之间的电性绝缘层 14 也是以此 方式制备的。 0046 所谓薄带成型法是先将陶瓷粉体、 溶剂和分散剂球磨混合， 然后加入粘结剂和塑 性剂， 继续球磨至浆料混合均匀。 接着将浆料均匀地涂到或流到基板上， 透过板面与刮刀的 相对移动形成浆膜， 经干燥形成一定厚度均匀的素坯膜。刮刀成型完毕后， 膜。
24、片经干燥、 脱 脂， 即可烧结， 形成陶瓷片材。 0047 接着， 在不同的陶瓷片材上分别网印加热电极 13、 感测阴极 12 及感测阳极 11 图 案， 依序叠合之后进行烧结， 形成如图 1 所看到的结构。本发明实施例中， 烧结过程是在常 压或高压下， 升温至大约 1150 至 1300， 并持温 3 小时。 0048 以图 1 的结构来举例， 在形成电性绝缘层 14 及加热电极 13 的部分有两种制备方 式。请参照图 3A 及图 3B， 分别为两种实施例制备流程的示意图。图 3A 中， 陶瓷片材 100 在 形成薄带之后， 先将加热电极 13 网印至陶瓷片材 100 表面， 接着再堆叠电性。
25、绝缘层 14。图 3B， 则是先在电性绝缘层 14 表面网印加热电极 13， 并面向于本体 10 底面 104， 堆叠于陶瓷 片材 100 上。 0049 本发明的另一实施例如图 4 所示， 包括二加热电极 13 及二电性绝缘层 14， 它可以 使本体 10 更快的达到工作温度， 且更均温。其中一加热电极 13 靠近本体 10 的顶面 103 设 置， 另一个则靠近于底面104来设置， 二电性绝缘层14同样分别用以阻隔此二加热电极13。 0050 另一实施例如图 5 所示， 加热电极设置于第一梳片 110b 及第二梳片 120c 之间， 并 包括二电性绝缘层 14， 其中一个设置于加热电极 1。
26、3 及第一梳片 110b 之间， 另一个位于加 热电极 13 及第二梳片 120c 之间。此种结构的另外一个优点是电性绝缘层 14 可以作为缓 冲层， 有效缓和感测阳极 11 及感测阴极 12 和本体 10 之间因热膨胀系数不同而产生的热应 力。 说 明 书 CN 102455314 A 6 5/5 页 7 0051 综上所述， 本发明的电流式氧气感测器利用电性绝缘层将加热电极与感测电极隔 开。使电流式氧气感测器维持在工作温度时， 所量测的信号不受到加热电极所产生的电磁 场干扰， 提高了电流式氧气感测器的灵敏度及精准度。 0052 此外， 本发明的电性绝缘层可做为一缓冲层， 在升温过程中， 本。
27、体内部所产生的热 应力， 可因此得到缓解， 降低本体因热应力而产生裂缝的机率， 延长电流式氧气感测器的寿 命。 0053 本发明虽以较佳实例阐明如上， 然其并非用以限定本发明精神与发明实体仅止于 上述实施例。 本领域技术人员， 当可轻易了解并利用其它元件或方式来产生相同的功效。 是 以， 在不脱离本发明的精神与范畴内所作的修改， 均应包含在权利要求范围内。 说 明 书 CN 102455314 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2A 图 2B 说 明 书 附 图 CN 102455314 A 8 2/3 页 9 图 3A 图 3B 图 4 说 明 书 附 图 CN 102455314 A 9 3/3 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 102455314 A 10 。