[发明专利]电流式氧气感测器

说明书

技术领域

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

氧气感测器应用于燃烧控制，如：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。

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(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。

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。

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，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。

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℃。

然而，由于此种电流式氧气感测器是以所检测的电流大小来判定氧气的浓度，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

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，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，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。

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。

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，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

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：