CN1241720A - 一种湿度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种湿度传感器,包括两个氧传感器,两个氧传感器分别包括一个氧化锆薄片,薄片中央有一个扩散孔,薄片两侧印刷有第一电极、第二电极,两个薄片上的第二电极被同一盖件覆盖且在两个第二电极与盖件间分别形成各自的扩散室。该湿度传感器的优点是可在250℃以下温度范围内测量气体中的湿度。本发明还公开了该湿度传感器的制造方法。

Description

一种湿度传感器及其制造方法

本发明涉及一种湿度传感器，特别是一种利用固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器测氧原理制作的、能测量从室温至250℃气体环境中湿度的湿度传感器。本发明还涉及该湿度传感器的制造方法。

在许多用干燥气体进行保护的工业生产或材料贮运过程中，监测这些气体中的水分含量至关重要。在湿度测量领域，应用各种材料，采用各种原理制作的湿度传感器已经很多。如氧化铝湿度传感器(CN2129414Y)，陶瓷湿度传感器(CN2168250Y)，高分子湿敏元件(CN2101237U)，复合型湿度传感器湿敏元件(CN1177102A)，热敏电阻湿度传感器(CN1142263A)等等。以上所述湿度传感器利用感湿材料对水分子的物理吸附现象实现对湿度的测量，当环境温度大于100℃时，上述各种传感器感湿材料对水分子的吸附量将变得非常少(接近物理吸附极限值)，因此，当环境温度大于100℃时，上述各类湿度传感器均不能对环境中的湿度进行测量。

本发明的目的是提供一种不仅可在低于100℃环境下测量湿度，同时能在100℃～250℃环境下测量气体中湿度的湿度传感器及其制作方法。

本发明的目的可以通过以下技术措施来实现：

先用模具成形制作氧化锆薄片1，将氧化锆薄片1放在高温烧结炉中烧结，在薄片1上制作一个扩散孔2，然后在薄片两侧印刷电极3、电极4，将两个上述具有扩散孔与电极的氧化锆薄片上的电极4用同盖件5覆盖，并将盖件5与两个电极4所在的氧化锆薄片分别密封连接，在盖件5与电极4之间形成扩散室6，扩散室通过氧化锆薄片上的扩散孔与外界相通。

本发明利用固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器的测氧原理进行湿度测量。图1为所述氧传感器的工作原理图，该氧传感器包括固体电解质氧化锆薄片1，在薄片1两侧印刷有电极3、电极4、薄片1中央有扩散孔2，盖件5将电极4包覆，且在电极4与盖件5之间形成扩散室6。如图1所示，在电极3、4之间施加电压V，在固体电解质氧化锆薄片加热到350℃以上时，在电极3、4(其中电极3为阳极，电极4为阴极)上发生如下反应：

阴极： ……………………(1)

阳极：

上述反应的表现形式是在回路上产生电流I，在干燥空气中，当电压V继续增加到V₁时，电流I不再随电压V增加而增加，而是成一稳定电流值I₀，然而当电压V继续增大超过V₂时，电流I从I₀继续增大，这一现象如图2所示电流—电压特性就是固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器工作原理特性图。电流I是氧离子的流动而形成的，不同氧浓度的I₀值都不一样，按照这个特性，通过测I₀值即可计算得到气体中氧浓度值。

在空气中有水蒸气时，科研人员将前述电压V值增大到V₃时，电流I出现了第一个稳定值I₁，直至将电压增大至V₄电流值I从I₁继续变化，当电压继续增大到V₅时，电流I出现第二个稳定值I₂，直到电压增加到V₆时，电流I从I₂继续变化，如图3所示，这一现象的微观机理如下：

阴极： ……………………(1)

       …………………(3)

阳极：

此时的I值同样是由于氧离子的流动形成的，只是此时氧离子来源于气体O₂和H₂O中被电分解的氧离子之和。

按照传感器的气体扩散孔限制Ficks法则，在假定氧气的扩散系数与水蒸气的扩散系数相等的情况下，第一界限电流I₁值和第二界限电流值I₂可分别由下式表示： $I_1=-\frac{4\mathrm{FDSP}}{\mathrm{RTL}}\ln (1-\frac{{\mathrm{Po}}_2}{P})$ $I_2=-\frac{4\mathrm{FDSP}}{\mathrm{RTL}}(1+\frac{P_{H_{2}O}}{2P{o}_2})\ln (1-\frac{{\mathrm{Po}}_2}{P})$ ${\mathrm{Po}}_2=0.21(P-P_{H_{2}O})$ 式中，F为法拉弟常数；         D为混合气体分子的扩散系数；

  S为气体扩散孔的面积；   P为混合气体总压强；

 

为氧分压强         

为水蒸气分压；

      R为气体常数；      T为传感器工作温度(K)；

      L为气体扩散孔长度；0.21为空气中氧气含量。

图3示出了该湿度传感器电流与电压及环境湿度的变化关系，显然第一界限电流值I₁值为气氛中的氧分压

成比例，第二界限电流法则与气氛中的氧分压与水分压之和成比例，因此，通过测定I₁值和I₂值，并经过计算二段界限电流的差值ΔI，好可很方便地检测到环境气氛中的水蒸气分压 值，图4表示了水蒸气分压P

与ΔI关系。

由于所述湿度传感器采用的固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器可以在400℃及以上温度工作，所以湿度传感器能在高温下工作，水分子只要与该传感器的电极接触则会发生如式(1)、式(2)、式(3)所示的反应，不需水分子的物理吸附，而高温不会影响水分子与电极表面的接触，所以该湿度传感器可在高温环境中测量湿度。

下面结合附图能更充分地说明本发明：

图1为固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器工作原理图。

图2干燥气体中氧传感器电流—电压特性图

图3潮湿气体中氧传感器电流—电压特性图

图4潮湿水蒸气分压

与ΔI的关系图

图5氧化锆薄片

图6具有扩散孔的氧化锆薄片

图7具有扩散孔和电极的氧化锆薄片

图8湿度传感器的一种结构图

图9湿度传感器的另一种结构图

图5～图8表示了本发明的最佳实施例：

1、氧化锆薄片成形：氧化锆粉末(其成分为8％mol Y₂O₃+ZrO₂)采用钢模压制加工形成氧化锆薄片，将氧化锆薄片放入高温烧结炉中烧结，烧结温度为1400℃～1600℃，保温4～8小时，取出自然冷却。

2、制作扩散孔：在氧化锆薄片中央采用激光打孔法制作扩散孔，孔径为20～35μm。

3、电极制作：将铂浆料采用丝网印刷技术印刷在氧化锆薄片两侧，铂浆料浓度为90％，经室温干燥。

4、将两个经步骤1～3制作的具有扩散孔和电极的氧化锆薄片上的电极4分别与氧化锆薄片5用玻璃釉质7粘接，具有扩散孔和电极的氧化锆薄片5形状和面积相同，两个具有扩散孔和电极的氧化锆薄片分别位于氧化锆薄片5两侧，在氧化锆薄片5与电极4之间形成扩散室6，如图8所示。

该实施例制作的湿度传感器具有结构对称、紧凑、受热均匀，测量准确等特点，且该实施例操作方便易行。

本发明的另一实施例可通过图5～图7、图9来说明，与最佳实施例不同的是，本实施例中氧化锆薄片5的面积为具有扩散孔和电极的氧化锆薄片面积的2～3倍，且两个具有扩散孔和电极的氧化锆薄片如图9所示并列位于氧化锆薄片5同侧。

本发明具有如下优点：由于该湿度传感器其自身工作温度可达400℃左右，因而其突出特点是可在室温至100℃以上高温、低湿或高湿环境下工作，其最高工作温度为250℃，测湿范围为0～50kPa，从而填补了目前湿度传感器领域已有的各种高分子，半导体、陶瓷以及电解质湿度传感器不能在100℃以上环境工作的空白。

Claims (10)

1、一种湿度传感器，其特征在于它由两个固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器组合而成。

2、如权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于其中所述的两个固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器的扩散孔同向布置，且两个固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器并列。

3、如权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于其中所述的两个固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器的扩散孔背向布置，且所述两个固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器采用背靠背方式。

4、一种上述湿度传感器的制造方法，首先采用如下制作氧传感器的步骤：用模具成形压制氧化锆薄片，将氧化锆薄片放在高温烧结炉中烧结，取出冷却，然后在薄片上制一个扩散孔2，然后在薄片两侧印刷第一电极3，第一电极4，其特征在于将两个具有扩散孔和电极的氧化锆薄片上的电极4用同一个盖件5覆盖，并将所述盖件与对应电极所在的氧化锆薄片分别密封连接，在盖件5与电极4之间形成扩散室6，扩散室通过氧化锆薄片上的扩散孔与外界相通。

5、如权利要求4所述一种湿度传感器的制造方法，其特征在于将两个具有扩散孔和电极的氧化锆薄片在盖件同侧并列进行密封连接。

6、如权利要求4所述一种湿度传感器的制造方法，其特征在于将两个具有扩散孔和电极的氧化锆薄片在盖件异侧对称放置进行密封连接。

7、如权利要求4所述一种湿度传感器制造方法，其特征在于其中制作氧化锆薄片所用模具为钢模。

8、如权利要求4所述一种显示传感器制造方法，其特征在于其中制作扩散孔的方式为激光打孔，孔径为20～35μm。

9、如权利要求4所述一种湿度传感器制造方法，其特征在于其中氧化锆基片的烧结温度为1400～1600℃，保温4～8小时，然后在基片两侧用铂浆料印刷电极。

10、如权利要求4所述一种湿度传感器制造方法，其特征在于其中盖件是氧化锆陶瓷薄片，且盖件与具有扩散孔和电极的氧化锆薄片间采用玻璃釉质密封粘接。

Images