專利名稱：基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是一種工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境等領(lǐng)域空氣中缺氧監(jiān)測和預(yù)防用的用于測量氧氣體積百分比濃度的電化學(xué)傳感器，具體地說是一種基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器。
背景技術(shù)：
眾所周知，通常，空氣中氧的含量為20. 9% (體積比)。研究表明，空氣中氧含量最低的安全水平為19.5% (體積比)。許多國家的安全條令規(guī)定，當(dāng)空氣中氧含量低于19.5% 時，工人是不允許在那樣的環(huán)境中工作的，除非帶上氧氣呼吸罩。當(dāng)空氣中氧含量降到17% 至6%時，人就開始失去知覺；當(dāng)空氣中氧含量低于6%時，人的心臟開始失去功能。因此，預(yù)防缺氧的氧傳感器在許多工業(yè)領(lǐng)域都有大量應(yīng)用。例如，惰性氣體，如氮、 氦、氖、氬等等，雖然它們本身基本上對人無毒害，但會排擠掉室內(nèi)空氣中的氧氣，從而造成人員窒息。這種危險在很多地方存在，例如，醫(yī)院中液氮容器泄漏時，或在集成電路芯片生產(chǎn)廠中超凈化車間，即在氮?dú)猸h(huán)境中制造芯片時。在民用領(lǐng)域也有越來越多的應(yīng)用，例如， 在家庭浴室中，大量水蒸氣的存在會排擠掉浴室內(nèi)的氧氣，從而導(dǎo)致人員昏厥或死亡。使用氧氣傳感器和報警系統(tǒng)能夠及時識別危險的窒息險情，從而采取適合的人員保護(hù)措施。微型燃料電池型電化學(xué)氧傳感器(簡稱為氧傳感器，下同)在缺氧檢測中占有著主導(dǎo)地位，這是因為這類氧傳感器具有尺寸小、長期穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、可靠性優(yōu)越、和制造成本合理等優(yōu)點。用于檢測氧含量的電化學(xué)氧傳感器主要有兩種測偏壓型的(P02)，和測體積百分比的(％V)。偏壓型的氧傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)安保領(lǐng)域缺氧檢測和預(yù)防，在醫(yī)療行業(yè)中測定呼出氣體中氧含量和控制醫(yī)療設(shè)備中氧濃度的場合都有大量應(yīng)用。偏壓型氧傳感器廣泛使用無孔的高透氧性的薄膜，如聚乙烯、聚四氟乙烯PTFE、聚氯乙烯PVC，等作為氣體擴(kuò)散屏障，以限制擴(kuò)散到達(dá)工作電極表面的氧氣分子數(shù)。這種傳感器的輸出信號和氧濃度從 0%到100%范圍成線性關(guān)系。然而，偏壓型氧傳感器的溫度系數(shù)很高(2-3%/°C)，輸出信號受溫度和高度的變化非常之大，需要對溫度和高度的變化作校正。測體積百分比濃度的氧傳感器則可以克服以上所指出的缺點。百分比氧傳感器的氣體擴(kuò)散屏障是由一個微孔膜和一個毛細(xì)管組成，在這種結(jié)構(gòu)中，氣體分子擴(kuò)散通過膜上微孔的平均自由程相對長于微孔的直徑，故氣體分子和微孔壁管的碰撞主導(dǎo)了擴(kuò)散過程，形成所謂的克努曾擴(kuò)散(Knudson Diffusion)(詳見專利號為43M632，申請日為 4/13/1982，專利權(quán)人為City Technology Limited, London, United Kingdom 發(fā)明名稱為:Gas Sensor
的英國專利)。對于克努曾擴(kuò)散，氣體擴(kuò)散過程的溫度系數(shù)是Τ—"2。當(dāng)氣體分子擴(kuò)散通過第二道屏障即毛細(xì)管時，毛細(xì)管直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體分子平均自由程，故氣體分子相互之間的碰撞主導(dǎo)了擴(kuò)散過程，氣體擴(kuò)散過程的溫度系數(shù)是Τ"2。因此，這兩種氣體擴(kuò)散過程綜合在一起的溫度系數(shù)接近τ°。實際的克努曾擴(kuò)散控制的氧傳感器的溫度系數(shù)很小，僅僅約為-0. 17%/°C。這種類型氧傳感器的輸出信號和氧的體積百分比成線性關(guān)系，而不是氧的偏壓，即對總壓的變化不敏感，故百分比氧傳感器輸出信號受高度變化的影響較小。因此， 百分比氧傳感器是一種理想的、用于缺氧檢測的傳感器，通常用于氧含量小于25% (V)的場合。制造百分比濃度氧傳感器的主要困難是如何在塑料部件上形成一條毛細(xì)管，毛細(xì)管的直徑和形狀的一致性和重復(fù)性決定了傳感器性能如靈敏度、響應(yīng)速度的重現(xiàn)性。此毛細(xì)管的直徑通常在0. 02mm至0. 30mm之間，毛細(xì)管直徑的公差要求一般在5%左右，長度大約在0.2mm至6mm之間。這樣細(xì)和長的毛細(xì)管很難用塑件開?；驒C(jī)械加工的辦法成型。目前主要的一家百分比濃度氧傳感器制造商City Technology用激光打孔，但打出的孔有兩個缺點1)毛細(xì)管孔徑重現(xiàn)性差，2)毛細(xì)管不是圓柱形，而是圓錐形，即上大下小。另一家制造商Alphasense，則只能在一面打一個很細(xì)很短的孔，另一面對應(yīng)打一個很大的孔，從而造成傳感器有很大的沖溫信號躍變。上面兩個廠商制造的氧傳感器都沒有光滑、一致的毛細(xì)管內(nèi)壁，導(dǎo)致氣體擴(kuò)散過程變異性很大，從而傳感器輸出信號有很大的變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的百分比濃度氧傳感器存在的因毛細(xì)孔制造難度大而造成成本高，精度差，而制約了其大量應(yīng)用的問題，發(fā)明一種采用化學(xué)腐蝕法加工毛細(xì)管的基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，它包括殼體1，在所述的殼體1上設(shè)置有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7，其特征是所述的氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7是通過用化學(xué)腐蝕法將預(yù)埋在殼體中的直徑為0. 02-0. 3mm、長度為0. 2_6mm金屬絲溶解后形成的。所述的金屬絲為銅、鋅、鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻絲中的一種，也可為含銅、鋅、 鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻的合金絲中的一種。所述的殼體為塑料橡膠、塑膠、樹脂、陶瓷或玻璃。所述的化學(xué)腐蝕法是指酸溶解法或電解法。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是
一種基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，它包括殼體1，在所述的殼體1上安裝有毛細(xì)管基體13，所述的毛細(xì)管基體13中設(shè)有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7，其特征是所述的氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7是通過用化學(xué)腐蝕法將預(yù)埋在毛細(xì)管基體13中的直徑為 0. 02-0. 3mm金屬絲溶解后形成的。所述的設(shè)有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13的制備方法是先將長金屬絲10預(yù)埋在長毛細(xì)管基體11中成形，然后將含有金屬絲的長毛細(xì)管基體11切割成長度在0. 2-6mm 之間的過渡體12，再用化學(xué)腐蝕法將過渡體12中的金屬絲采溶解掉，最終形成設(shè)有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13。。所述的金屬絲為銅、鋅、鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻絲中的一種，也可為含銅、鋅、
鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻的合金絲中的一種。所述的毛細(xì)管基體13為塑料橡膠、塑膠、樹脂、陶瓷或玻璃。所述的化學(xué)腐蝕法是指酸溶解法或電解法。
本發(fā)明的有益效果
1)本發(fā)明的制造氧濃度傳感器擴(kuò)散毛細(xì)管的方法制作簡單、可靠、易行，不需要用激光雕刻機(jī)等大型、昂貴的設(shè)備，成本低廉。2)根據(jù)目前的金屬拉絲技術(shù)，很容易獲得直徑在0. 02mm至0. 30mm之間、公差在 5%左右的細(xì)金屬絲，因此，用本發(fā)明制造的毛細(xì)管內(nèi)徑高度一致和具有光滑的表面。3)由于用本發(fā)明制造的氧傳感器具有光滑、一致的毛細(xì)管內(nèi)壁，氣體擴(kuò)散過程一致、重現(xiàn)，變異性很小，從而傳感器輸出信號很穩(wěn)定，沒有沖溫信號躍變現(xiàn)象。4)本發(fā)明的傳感器輸出信號電流和氧氣的百分比濃度在0至25%間成線性關(guān)系， 靈敏度大約在12uA/l%(V)左右，響應(yīng)時間(T90)為10秒左右。


圖1是本發(fā)明的氧傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖之一。圖2是本發(fā)明的氧傳感器氣體擴(kuò)散毛細(xì)管制造方法示意圖。圖3為本氧傳感器對氧氣百分比濃度的電流響應(yīng)圖，橫坐標(biāo)為氧氣百分比濃度， 縱坐標(biāo)為響應(yīng)電流強(qiáng)度。圖4是本發(fā)明的氧傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖之二。圖5是與圖4所示結(jié)構(gòu)相配的氧傳感器氣體擴(kuò)散毛細(xì)管的集中制造方法示意圖。圖6是與圖4所示結(jié)構(gòu)相配的氣體擴(kuò)散毛細(xì)管的組裝(焊接)過程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實施例一。如圖1-3所示。一種基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，它包括殼體1、陽極 2、電介質(zhì)3 (可為氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液)、金屬催化工作電極4、透氧高分子膜5、密封圈 6、氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7和微孔膜8，如圖1所示。其中的氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7是通過用化學(xué)腐蝕法直接將預(yù)埋在殼體1中的直徑為0. 02-0. 3mm、長度為0. 2_6mm金屬絲溶解后形成的，制造時應(yīng)在殼體1成形過程中先將金屬絲9預(yù)埋形成帶有金屬絲的殼體1，然后將帶有金屬絲的殼體1置于化學(xué)腐蝕液中將金屬絲腐蝕掉，形成毛細(xì)孔，然后清洗干凈，去掉毛細(xì)孔中的水分，即得到帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的殼體1，殼體1的制造過程如圖2所示，其中的金屬絲可為銅、鋅、鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻絲中的一種，也可為含銅、鋅、鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、 鎳或鉻的合金絲中的一種，所述的殼體可采用易于易化學(xué)腐蝕且易于注塑成形的塑料、橡膠、塑膠、樹脂，也可采用可澆鑄成形的陶瓷或玻璃，化學(xué)腐蝕法可采用常規(guī)的中學(xué)教科書中的酸溶解法(與金屬產(chǎn)生溶解反應(yīng)的酸，如硫酸、硝酸、鹽酸等)或電解法進(jìn)行。氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7和微孔膜8共同形成氣體擴(kuò)散屏障。氧傳感器的工作原理為原電池型((Galvanic Cell)氧氣分子從外部擴(kuò)散通過微孔膜8，再通過毛細(xì)管7，透過透氧高分子膜5，抵達(dá)工作電極4 ；由于陽極被氫氧化鉀溶液腐蝕，生成鉛酸氫鉀，也即陽極2發(fā)生氧化反應(yīng)，同時向外輸出電子，電子通過外電路從鉛陽極2流向工作電極4，導(dǎo)致氧氣分子在工作電極4上被還原，電流大小則與氧百分比濃度成線性關(guān)系。陽極2可為鉛陽極或鋅陽極。
下面以塑料殼體為例作進(jìn)一步的說明，如圖1所示，塑料殼體1是用注塑技術(shù)制造，其前端有一條毛細(xì)管7，空氣中氧氣擴(kuò)散進(jìn)入傳感器內(nèi)部并在電極上反應(yīng)。如圖2所示， 在外殼1開模注塑時，將一根0. 05mm的純銅絲9成形在外殼前端中央，塑料厚度為4mm。將塑料外殼浸泡在FeCl3溶液中，銅逐漸溶解，在塑料外殼中留下一條內(nèi)徑為0. 05mm的毛細(xì)管7。將塑料外殼在去離子水中清洗三遍后烘干。顯微鏡下觀察，毛細(xì)管兩端開口整齊劃一，管內(nèi)平滑，形成規(guī)整的圓柱形通道。圖1所示制成氧傳感器，室溫下，在工作電極和鉛陽極之間接IOOohm電阻負(fù)載，用電表測兩端電壓從而測得電流。把氧傳感器依次暴露在體積比氧濃度為0%、5%、10%、15%、20%、25%的氣體中(在每種氣體中至少保持兩分鐘)，測得傳感器相應(yīng)電流，得到如圖3所示的不同氧氣濃度與傳感器響應(yīng)電流強(qiáng)度下的強(qiáng)度關(guān)系。在0% 至25% (V)氧氣濃度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，傳感器靈敏度大約在12uA/l%(V)左右，響應(yīng)時間為10秒左右。將本發(fā)明的百分比氧傳感器留在空氣中和室內(nèi)恒溫條件下，連續(xù)測試 2400小時(10天)，響應(yīng)電流保持在恒定值，變化小于2%，傳感器穩(wěn)定性優(yōu)越。具體實施時，殼體1采用其它材料、金屬絲的長度、直徑發(fā)生變化時的制造方法與上相類似，在本發(fā)明的指導(dǎo)下無須創(chuàng)造性勞動即可完成。實施例二。如圖4-6所示。一種基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，它包括殼體1、陽極2 (鉛陽極或鋅陽極)、電介質(zhì)3、金屬催化工作電極4、透氧高分子膜5，密封圈6和微孔膜8， 在所述的殼體1上安裝有毛細(xì)管基體13，所述的毛細(xì)管基體13中設(shè)有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7， 氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7和微孔膜8共同形成氣體擴(kuò)散屏障，如圖4所示，所述的氣體擴(kuò)散毛細(xì)管 7是通過用化學(xué)腐蝕法將預(yù)埋在毛細(xì)管基體13中的直徑為0. 02-0. 3mm金屬絲溶解后形成的。所述的金屬絲為銅、鋅、鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻絲中的一種，也可為含銅、鋅、鋁、 鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻的合金絲中的一種。所述的毛細(xì)管基體13為塑料橡膠、塑膠、樹脂、陶瓷或玻璃。所述的化學(xué)腐蝕法可以是中學(xué)教科書中常用的酸溶解法或電解法，選擇腐蝕液時只需常握一個基準(zhǔn)，即既能將金屬絲溶解掉，又不會對基體13造成腐蝕。本實施例的關(guān)鍵是在殼體上預(yù)留安裝帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13的位置，而帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13可單獨(dú)批量制造，制造好的帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13再通過超聲、熱熔、熱壓、激光、旋轉(zhuǎn)、粘結(jié)等方法固定在殼體1上，圖5是一種批量制造帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13的過程示意圖，圖6是采用超聲焊接法將帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13固定在殼體1的過程示意圖。圖5的制造過程為先將長金屬絲10預(yù)埋在長毛細(xì)管基體11 (注塑成形)中成形，然后將含有金屬絲的長毛細(xì)管基體 11切割成長度在0. 2-6mm之間的過渡體12，再用化學(xué)腐蝕法將過渡體12中的金屬絲采溶解掉，最終形成設(shè)有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13。下面以銅絲及塑料殼體為例對有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13的制造過程作進(jìn)一步的說明。如圖5所示，用注塑的方法，將0. 05mm直徑的金屬絲(純銅絲)10成形于一根直徑為0. 5cm的塑料棒即長毛細(xì)管基體11的中心，然后切割成高約3mm的塑料圓柱體(即過渡體12)，再將塑料圓柱體浸泡在!^eCl3溶液中，銅逐漸溶解，在圓柱體中留下一條內(nèi)徑為 0. 05mm的毛細(xì)孔，成為帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13。將帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13在去離子水中清洗三遍后烘干。顯微鏡下觀察，帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13兩端開口整齊劃一，管內(nèi)平滑，形成規(guī)整的圓柱形通道即可。如圖6所示，將有毛細(xì)管的帶有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7的毛細(xì)管基體13用超聲焊接的方法，焊接在前端有安裝位置的殼體1上，從而在制成的氧傳感器塑料外殼的前端形成一條供空氣擴(kuò)散的、直徑為 0.05mm的氣體擴(kuò)散毛細(xì)管7。按圖4所示制成氧傳感器，經(jīng)測試，得到和實施列1中類似的氧傳感器實驗結(jié)果，結(jié)果表明，傳感器穩(wěn)定性良好，響應(yīng)電流恒定，響應(yīng)時間在10秒左右。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，它包括殼體(1)，在所述的殼體(1)上設(shè)置有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管(7)，其特征是所述的氣體擴(kuò)散毛細(xì)管(7)是通過用化學(xué)腐蝕法將預(yù)埋在殼體中的直徑為0. 02-0. 3mm、長度為0. 2_6mm金屬絲溶解后形成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，其特征是所述的金屬絲為銅、鋅、鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻絲中的一種，也可為含銅、鋅、鋁、 鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻的合金絲中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，其特征是所述的殼體為塑料橡膠、塑膠、樹脂、陶瓷或玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，其特征是所述的化學(xué)腐蝕法是指酸溶解法或電解法。
5.一種基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，它包括殼體(1)，在所述的殼體(1)上安裝有毛細(xì)管基體(13)，所述的毛細(xì)管基體(13)中設(shè)有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管 (7)，其特征是所述的氣體擴(kuò)散毛細(xì)管(7)是通過用化學(xué)腐蝕法將預(yù)埋在毛細(xì)管基體(13) 中的直徑為0. 02-0. 3mm金屬絲溶解后形成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，其特征是所述的設(shè)有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管(7)的毛細(xì)管基體(13)的制備方法是先將長金屬絲(10) 預(yù)埋在長毛細(xì)管基體(11)中成形，然后將含有金屬絲的長毛細(xì)管基體(11)切割成長度在 0. 2-6mm之間的過渡體(12)，再用化學(xué)腐蝕法將過渡體(12)中的金屬絲采溶解掉，最終形成設(shè)有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管(7)的毛細(xì)管基體(13)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器， 其特征是所述的金屬絲為銅、鋅、鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻絲中的一種，也可為含銅、鋅、 鋁、鐵、鉛、錫、鉍、銀、鎳或鉻的合金絲中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器， 其特征是所述的毛細(xì)管基體(13)為塑料橡膠、塑膠、樹脂、陶瓷或玻璃。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器， 其特征是所述的化學(xué)腐蝕法是指酸溶解法或電解法。
全文摘要
一種基于毛細(xì)管化學(xué)腐蝕法的氧氣體積百分比濃度傳感器，它包括殼體(1)，在所述的殼體(1)上設(shè)置有氣體擴(kuò)散毛細(xì)管(7)，其特征是所述的氣體擴(kuò)散毛細(xì)管(7)是通過用化學(xué)腐蝕法將預(yù)埋在殼體中的直徑為0.02-0.3mm、長度為0.2-6mm金屬絲溶解后形成的。本發(fā)明的制造氧濃度傳感器擴(kuò)散毛細(xì)管的方法制作簡單、可靠、易行，不需要用激光雕刻機(jī)等大型、昂貴的設(shè)備，成本低廉。所制造的傳感器精度高，一致性好。
文檔編號G01N27/409GK102183566SQ20111000094
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月5日
發(fā)明者高國強(qiáng) 申請人:高國強(qiáng)