氧气传感器

摘要

本申请公开了一种氧气传感器。氧气传感器包括主体、隔离膜、电极组件、隔离板、阴极集流器以及阳极集流器。主体包括底座和盖体，盖体上设置有与反应腔室连通的进气孔，底座上设置有与反应腔室连通的出气孔，进气孔和出气孔处均设置有透氧膜；隔离膜并将反应腔室分隔为上层腔室和下层腔室，下层腔室内装有KAc溶液；电极组件包括阴极件和阳极件；隔离板设置于下层腔室以将阴极件和阳极件隔离；阴极集流器固定设置于下层腔室并位于隔离板靠近阴极件的一侧；阳极集流器设置于下层腔室并位于隔离板靠近阳极件的一侧，且阳极集流器固定连接于阳极件。本申请可以解决现有技术中的氧气传感器的使用寿命短的问题。

权利要求

1.一种氧气传感器，其特征在于，包括：

主体(10)，所述主体(10)包括底座(11)和盖体(12)，所述盖体(12)设置于所述底座(11)并与所述底座(11)围设形成反应腔室(101)，所述盖体(12)上设置有与所述反应腔室(101)连通的进气孔(121)，所述底座(11)上设置有与反应腔室(101)连通的出气孔(111)，所述进气孔(121)和所述出气孔(111)处均设置有透氧膜(20)；

隔离膜(30)，所述隔离膜(30)设置于所述反应腔室(101)并将所述反应腔室(101)分隔为上层腔室(1011)和下层腔室(1012)，所述下层腔室(1012)内装有KAc溶液(40)；

电极组件(50)，所述电极组件(50)包括阴极件(51)和阳极件(52)，所述阴极件(51)设置于所述上层腔室(1011)，所述阳极件(52)设置于所述下层腔室(1012)；

隔离板(60)，所述隔离板(60)设置于所述下层腔室(1012)以将所述阴极件(51)和所述阳极件(52)隔离；

阴极集流器(70)，所述阴极集流器(70)固定设置于所述下层腔室(1012)并位于所述隔离板(60)靠近所述阴极件(51)的一侧；以及阳极集流器(80)，所述阳极集流器(80)设置于所述下层腔室(1012)并位于所述隔离板(60)靠近所述阳极件(52)的一侧，且所述阳极集流器(80)固定连接于所述阳极件(52)。

2.根据权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述阳极件(52)包括阳极网框。

3.根据权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述氧气传感器还包括：第一插针(90)，所述第一插针(90)穿设于所述底座(11)并通过第一密封元件(120)密封，所述第一插针(90)与所述阳极集流器(80)电连接；以及第二插针(110)，所述第二插针(110)穿设于所述底座(11)并通过第二密封元件(130)密封，所述第一插针(90)与所述阴极集流器(70)电连接。

4.根据权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述盖体(12)上设置有外网罩(140)，所述外网罩(140)罩设于所述进气孔(121)背离所述底座(11)的一端。

5.根据权利要求4所述的氧气传感器，其特征在于，所述外网罩(140)与所述进气孔(121)的进气端之间设置有湿膜(150)。

6.根据权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述透氧膜(20)和所述进气孔(121)靠近所述反应腔室(101)的一端之间设置有扩散膜(160)。

7.根据权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述进气孔(121)位于所述盖体(12)中心位置处并与所述出气孔(111)错位设置。

8.根据权利要求1所述的氧气传感器，其特征在于，所述进气孔(121)和所述出气孔(111)的孔径均不大于50um。

9.根据权利要求6所述的氧气传感器，其特征在于，所述透氧膜(20)和所述扩散膜(160)为厚度为微米级的聚二甲基硅氧烷膜或聚四氟乙烯薄膜。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的氧气传感器，其特征在于，所述阴极件(51)为通过磁控溅射或电镀方式镀于所述透氧膜(20)上的金属铂膜；和/或，所述阳极件(52)采用铅制备而成；和/或，

所述阴极集流器(70)和阳极集流器(80)为铜或镍；和/或，

所述隔离板(60)为聚丙烯隔板；和/或，

所述隔离膜(30)为玻璃纸。

说明书

氧气传感器

技术领域

[0001] 本申请涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种氧气传感器。

背景技术

[0002] 电化学氧气传感器主要用于测量环境空气中的氧含量。化学氧气传感器基于其构造简单和操作方便等优势，被大量应用于能源、生物、化工、医疗、实验室以及军事领域。

[0003] 但是，现有的电化学传感器存在例如电解质溶液挥发、泄露，阳极消耗，内部集流器脱落容易脱落或是接触不良等问题，这些问题的存在容易造成电化学传感器达不到预期的寿命。

发明内容

[0004] 本申请的主要目的在于提供一种氧气传感器，以解决现有技术中的氧气传感器的使用寿命短的问题。

[0005] 根据本申请实施例的一个方面，提供了一种氧气传感器，包括：

[0006] 主体，所述主体包括底座和盖体，所述盖体设置于所述底座并与所述底座围设形成反应腔室，所述盖体上设置有与所述反应腔室连通的进气孔，所述底座上设置有与反应腔室连通的出气孔，所述进气孔和所述出气孔处均设置有透氧膜；

[0007] 隔离膜，所述隔离膜设置于所述反应腔室并将所述反应腔室分隔为上层腔室和下层腔室，所述下层腔室内装有KAc溶液；

[0008] 电极组件，所述电极组件包括阴极件和阳极件，所述阴极件设置于所述上层腔室，所述阳极件设置于所述下层腔室；

[0009] 隔离板，所述隔离板设置于所述下层腔室以将所述阴极件和所述阳极件隔离；

[0010] 阴极集流器，所述阴极集流器固定设置于所述下层腔室并位于所述隔离板靠近所述阴极件的一侧；以及

[0011] 阳极集流器，所述阳极集流器设置于所述下层腔室并位于所述隔离板靠近所述阳极件的一侧，且所述阳极集流器固定连接于所述阳极件。

[0012] 进一步地，所述阳极件包括阳极网框。

[0013] 进一步地，所述氧气传感器还包括：

[0014] 第一插针，所述第一插针穿设于所述底座并通过第一密封元件密封，所述第一插针与所述阳极集流器电连接；以及

[0015] 第二插针，所述第二插针穿设于所述底座并通过第二密封元件密封，所述第一插针与所述阴极集流器电连接。

[0016] 进一步地，所述盖体上设置有外网罩，所述外网罩罩设于所述进气孔背离所述底座的一端。

[0017] 进一步地，所述外网罩与所述进气孔的进气端之间设置有湿膜。

[0018] 进一步地，所述透氧膜和所述进气孔靠近所述反应腔室的一端之间设置有扩散膜。

[0019] 进一步地，所述进气孔位于所述盖体中心位置处并与所述出气孔错位设置。

[0020] 进一步地，所述进气孔和所述出气孔的孔径均不大于50um。

[0021] 进一步地，所述透氧膜和所述扩散膜为厚度为微米级的聚二甲基硅氧烷膜或聚四氟乙烯薄膜。

[0022] 进一步地，所述阴极件为通过磁控溅射或电镀方式镀于所述透氧膜上的金属铂膜；和/或，

[0023] 所述阳极件采用铅制备而成；和/或，

[0024] 所述阴极集流器和阳极集流器为铜或镍；和/或，

[0025] 所述隔离板为聚丙烯隔板；和/或，

[0026] 所述隔离膜为玻璃纸。

[0027] 相对于现有技术而言，本申请的技术方案至少具备如下技术效果：

[0028] 在本申请中，电解质溶液采用KAc溶液，即醋酸钾溶液，KAc溶液不易挥发，相对于常用的KOH电解质溶液而言，该KAc溶液不容易与空气中的CO2反应，不容易出现碳酸根浓度不断增加而在阳极件上生成致密的碳酸铅或碱式碳酸铅层而阻碍电化学反应的进一步进行的现象，也即是说，本发明中电解质溶液为KAc溶液，能够在一定程度上延长氧气传感器的使用寿命。此外，本申请中通过设置隔离板与隔离膜防止内部电路环路，能够提高氧气传感器的使用稳定性。与此同时，本申请通过将阴极集流器固定连接在底座上，同时将阳极集流器固定在阳极件上，可以防止阴极集流器和阳极集流器提前脱落，能够进一步地提高本发明中的氧气传感器的使用寿命。

附图说明

[0029] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

[0030] 图1为本申请的氧气传感器的主视图；

[0031] 图2为本申请的氧气传感器的俯视图。

[0032] 其中，上述附图包括以下附图标记：

[0033] 10、主体；11、底座；111、出气孔；12、盖体；121、进气孔；101、反应腔室；1011、上层腔室；1012、下层腔室；20、透氧膜；30、隔离膜；40、KAc溶液；51、阴极件；52、阳极件；60、隔离板；70、阴极集流器；80、阳极集流器；90、第一插针；110、第二插针；120、第一密封元件；130、第二密封元件；140、外网罩；150、湿膜；160、扩散膜；170、缓冲件。

具体实施方式

[0034] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

[0035] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0036] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

[0037] 参见图1至图2所示,根据本申请的实施例，提供了一种的氧气传感器，该氧气传感器包括主体10、隔离膜30、电极组件、隔离板60、阴极集流器70以及阳极集流器80。

[0038] 其中，主体10包括底座11和盖体12，盖体12设置于底座11并与底座11围设形成反应腔室101，盖体12上设置有与反应腔室101连通的进气孔121，底座11上设置有与反应腔室101连通的出气孔111，进气孔121和出气孔111处均设置有透氧膜20；隔离膜30设置于反应腔室101并将反应腔室101分隔为上层腔室1011和下层腔室1012，下层腔室1012内装有KAc溶液40；电极组件包括阴极件51和阳极件52，阴极件51设置于上层腔室1011，阳极件52设置于下层腔室1012；隔离板60设置于下层腔室1012以将阴极件51和阳极件52隔离；阴极集流器70通过固定脚等固定设置于下层腔室1012并位于隔离板60靠近阴极件51的一侧；阳极集流器80设置于下层腔室1012并位于隔离板60靠近阳极件52的一侧，且阳极集流器80固定连接于阳极件52。

[0039] 实际工作时，氧气可以从进气孔121进入，经过透氧膜20进入至反应腔室101，在反应腔室101内，通过KAc溶液40、电极组件、阴极集流器70以及阳极集流器80等的处理之后，可以对环境中的氧气的含量进行检测。

[0040] 在本申请中，电解质溶液采用KAc溶液40，即醋酸钾溶液，KAc溶液40不易挥发，相对于常用的KOH电解质溶液而言，该KAc溶液40不容易与空气中的CO2反应，不容易出现碳酸根浓度不断增加而在阳极件52上生成致密的碳酸铅或碱式碳酸铅层而阻碍电化学反应的进一步进行的现象，也即是说，本实施例中电解质溶液为KAc溶液40，能够在一定程度上延长氧气传感器的使用寿命。此外，本申请中通过设置隔离板60与隔离膜30防止内部电路环路，能够提高氧气传感器的使用稳定性。与此同时，本申请通过将阴极集流器70固定连接在底座11上，同时将阳极集流器80固定在阳极件52上，可以防止阴极集流器70和阳极集流器80提前脱落，能够进一步地提高本实施例中的氧气传感器的使用寿命。

[0041] 具体地，本实施例中的主体10可以呈圆柱状设置、也可以呈棱柱状设置、还可以呈椭圆柱或者其他异形柱状结构设置。结合本申请的图1和图2所示，本实施例中的附图中示出了主体10呈圆柱体设置时的情况。本实施例中的盖体12与底座11二者尺寸上严格密合，加工时，盖体12与底座11采用同一种材质，可以采用较便宜的PBS塑料，成本低、也不易损坏，盖体12的外径与底座11外径相同，使用超声波焊接技术焊接，保证完全密封，气体只能从盖体12上的进气孔121由上而下进入反应腔室101。

[0042] 进一步地，本实施例中的盖体12上设置有缓冲件170，该缓冲件170为O形圈，该缓冲件170围绕进气孔121设置，使用时，缓冲件170起缓冲作用，防止氧气传感器上方发生硬性碰撞对盖体12上的结构造成损伤从而对O形圈传感器造成影响。

[0043] 进一步地，本实施例中的进气孔121和出气孔111的孔径均不大于50um，进气孔121和出气孔111上覆盖的透氧膜20为厚度为微米级的聚二甲基硅氧烷膜或聚四氟乙烯薄膜。透氧膜20和进气孔121靠近反应腔室101的一端之间设置有扩散膜160，可选地，本实施例中的扩散膜160也为厚度为微米级的聚二甲基硅氧烷膜或聚四氟乙烯薄膜，通过设置扩散膜
160，可以控制进入进气孔121的气体速率，保证氧气传感器反应稳定性，针对不同环境具有鲁棒性，防止温度、湿度和压力瞬变时造成阶跃响应。

[0044] 可选地，本实施例中的进气孔121位于盖体12的中心位置处，也即是说，进气孔121位于反应腔室101的正上方，且该进气孔121与出气孔111错位设置(两者的中心轴线在氧气传感器的高度方向上不共线，是错开设置的)，如此设置，可以在一定程度上保证氧气传感器内部压力平衡，防止出现压力/温度阶跃变化时发生误报警的情况。

[0045] 进一步地，本实施例中的氧气传感器还包括第一插针90和第二插针110。其中，第一插针90穿设于底座11并通过第一密封元件120密封，第一插针90与阳极集流器80电连接；第二插针110穿设于底座11并通过第二密封元件130密封，第一插针90与阴极集流器70电连接。可选地，第一密封元件120和第二密封元件130均为密封圈和UV胶的组合结构。安装好第一插针90和第二插针110并通过密封圈密封好之后，可以在第一插针90和第二插针110连接位置处封上UV胶，保证电解质溶液，即KAc溶液40不会漏液。

[0046] 可选地，盖体12上设置有外网罩140，该外网罩140罩设于进气孔121背离底座11的一端，通过设置外网罩140的作用，可初步过滤杂质，防止进气孔121被封堵。

[0047] 可选地，外网罩140与进气孔121的进气端之间设置有湿膜150，通过设置湿膜150，可以防止电解质溶液与空气进行水蒸气交互，保证电解质溶液浓度不变。

[0048] 也即是说，本申请的氧气传感器设计综合避免了大多数可能出现的故障问题，保证传感器长寿命的同时还拥有高性能。

[0049] 如图1所示，本发明的盖体12上的缓冲件170、外网罩140、湿膜150、进气孔121、扩散膜160和透氧膜20是以从上而下顺序设置的，，盖体12为圆形盖体，缓冲件170、外网罩140、湿膜150、进气孔121、扩散膜160和透氧膜20与盖体12圆心设置，保证气体进入畅通无阻。底座11上的出气孔111与盖体12的圆心有所偏差，而出气孔111上覆盖的透氧膜20与出气孔111共圆心，该出气孔111可以平衡氧气传感器内外压力差，防止出现压力/温度阶跃变化时发生误报警。

[0050] 进一步地，本实施例中电极组件的阴极件51为通过磁控溅射或电镀方式镀于透氧膜20上的金属铂膜，阴极件51的厚度例如可以为10nm，此方法可以使阴极件51的表面积达到最大，加速氧气传感器内部反应，提高响应速度，以此获得好的性能。且阴极件51镀于透氧膜20表面，不论是封装或是正常工作时均不受应力作用，不易受损。

[0051] 在本发明的实施例中，所述阳极件52包括阳极网框，阳极件52为金属铅框，该铅框的设计尺寸很大，充斥了大部分反应腔室101，从上述氧气传感器内部总反应式可以看出，氧气传感器的电解质溶液是不进行消耗的，总反应只有阳极件52与检测气体中的氧气进行反应，因此大尺寸设计保证氧气传感器的寿命的同时减小反应气室死腔，提高了传感器的响应速率。

[0052] 在本发明的实施例中，电解质溶液为KAc溶液40，不同于酸性电解质溶液的易挥发性，而常用的碱性电解质溶液KOH溶液中的OH‑会与空气中CO2反应，导致碳酸根浓度不断增加，阳极件52表面铅层与碳酸根结合生成致密的碳酸铅或碱式碳酸铅层，覆盖在阳极表面，阻碍电化学反应的进一步进行。KAc溶液40一定程度上保证了其挥发性，同时也不影响传感器内部反应与寿命。

[0053] 在本发明的实施例中，阴极集流器70和阳极集流器80为铜或镍为镍或是铜的一种，隔离板60为聚丙烯隔板；隔离膜30为玻璃纸。

[0054] 在本发明的实施例中，氧气传感器正常工作时，气体从盖体12由上而下经过外网罩140、湿膜150、进气孔121、扩散膜160、透氧膜20进入反应腔室101。外网罩140可以初步去除掉检测环境中的杂质灰尘，湿膜150去除掉检测气体中的水蒸气同时防止氧气传感器内部电解质溶液挥发，经过进气孔121之后，由扩散膜160将气体均匀均速的通过透氧膜20，抵达阴极件51，并在阴极铂的催化作用下，在附近的电解质溶液中与水发生还原反应：O2+2H2O‑+4e‑＝4OH ,同一时间，阳极件52与电解质溶液中的羟基发生氧化反应：2Pb+4OH‑＝2PbO+‑
2H2O+4e ，此时阴极和阳极间发生电子迁移，分别由阴极集流器70、阳极集流器80接向底座
11底部的第一插针90和第二插针110。总反应式为：2Pb+O2＝2PbO。

[0055] 从上述实施例的描述可知，气体自动进入进气孔并在氧气传感器内部进行反应，因此一种长寿命高性能的氧气传感器的具体使用方法如下：将本发明放置在实验环境中进行初始数据测试，通过检测第一插针和第二插针两侧电流或是将两侧接入放大采集电路，再经过一系列数据处理即可得知相应氧气浓度时的理论数据，再将本发明放置于所测环境中，通过检测第一插针和第二插针两侧所得数据检测便可所测环境的氧气浓度。

[0056] 为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

[0057] 此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

[0058] 以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。