陶瓷共烧结极限电流氧气传感器.pdf

2010年第29卷第8期
传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies)
陶瓷共烧结极限电流氧气传感器
周明军,程迎国,李慧颖,李凯,武强
(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001)
摘要:利用陶瓷共烧结技术研制了一种极限电流氧气传感器。这种传感器为一体式结构,制作工艺与
传统工艺相比,无需玻璃封接工艺,就能实现良好的性能,提高了产品的可靠性,并大大降低了制作成本。
所制得的传感器敏感芯体尺寸为4mm×7mm,厚度仅为0.4mm,并形成一个厚度约为50um的内腔室,扩
散孔直径约10um。传感器性能通过实验验证,功耗可以达到1.8W以下,能够测量体积分数为0%
90%的氧气,响应吋间低于10s,测量误差在0.8%以内
关键词:氧气传感器;极限电流;陶瓷共烧结;扩散孔
中图分类号:TP212.2文献标识码:A文章编号:10009787(2010)08-0097-03
Limiting current type of oxygen sensor with co-fired
ceramic technology
ZHOU Ming-jun, CHENG Ying-guo, LI Hui-ying, LI Kai, WU Qiang
( The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 150001, China)
Abstract: Co-fired ceramic technology was used to develop a kind of limiting current type of oxygen sensor
Compared with traditional technology, it doesnt need glass sealing process. The limiting current type of oxygen
ntages of high reliability as well as low
whereas the thickness was only 0.4 mm. Furthermore, the height of the air-tight inner cavity was 50 wm, while the
dianeter of diffusion hole was 10 um. According to the experiments verification, power consumption of this oxygen
sensor was even lower than 1. 8W. The volume fraction oxygen test range was 0%-90; the response time was
within 10 s and the measuring error is within 0.8 o
Key words oxygen sensor; limiting current; co-fired ceramic; diffusion hole
0引言
用产品,后来由日本厂商将其应用于资讯产品中。本文利
ZO2极限电流型氧气传感器是基于氧离子固体电解
用陶瓷共烧结工艺制作极限电流氧气传感器,摒弃了高温
质电化学泵作用和气体扩散机制的组合,具有极限电流的玻璃气密封接工艺,通过烧结收缩匹配性获得良好的电极
特性,其输岀电流与氧气体积分数呈指数函数关系。这种状态,具有很高的商业前景。并对传感器的氧气检测范围、
类型的氧气传感器可以应用在许多领域检测氧气体积分
功耗精度和响应时间进行实验分析。
数。该类氧气传感器的特点是不需要参比气体,可以湖量1工作原理
很宽范团的氧气体积分数范围,并具有较长的使用寿命,
极限电流型氧气传感器的工作原理已经被明确解
般使用寿命大于3年。相比目前广泛存在的液态电化学氧释?。如图1所示,当电压施加在ZO2固体电解质上,空
气传感器,ZAO2极限电流型氧气传感器具有更强的环境适腔中的氧气在阴极上被变换成氧离子。这些氧离子穿过电
应性,例如:可以在-50~150℃范围内工作,可以满足苛刻解质到达腔室外的阳极,随后在阳极表面被还原成氧分子。
场合的使用要求。20世纪80~90年代,这种传感器已被
此时离子电流被测得,并且与坏境大气中氧气分子通过扩
欧洲、美国、日本等广泛报导?。虽然这种传感器有诸多散孔连续向传感器空腔中的扩散是同步进行的,这种扩散
优点,但由于其工艺复杂、造价高,成本一般是液态电化学是依据Fick的第一定律,因存在氧气浓度梯度而形成的。
氧气传感器的5~10倍,限制了其商业产品的占有率。
如果固体电解质的泵氧能力要比由小孔向腔室内扩散的速
陶瓷共烧结技术最早由美国开始发展,初期应用于军率大得多,那么,这种氧分子通过小孔的扩散是一种决定传
收稿期:2010-06-12