二氧化锆发光的氧传感器制造技术

一种测量在气体如热发动机废气中的氧分压的方法，其使用校准的发光传感器，并且包括下列步骤：使所述传感器中的纳米晶体二氧化锆ＺｒＯ↓［２］（２）与被测量的气体接触；使用由光源（３）射出并且适合诱导二氧化锆发光的ＵＶ－ＶＩＳ光脉冲照射所述二氧化锆；使用光电检测器（４）和记录器（５）记录发光强度的时间依赖关系；测定记录的发光脉冲的特定强度，例如最大强度；以及将所述测定的强度与作为对于在测量时间而言的传感器温度的氧分压函数形式的发光强度的校准数据进行比较。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过测量传感器的受激发光而测量气体中的氧分压的方 法，所述方法特别适用于测量汽车发动机的废气中的氧量以及工艺流程的 控制，在温室、教室、会议室、餐厅中的氧水平的控制以及燃烧过程的优 化以及冶金。
技术介绍
专利PL 142779公开了一种基于利用氧气与氢气的催化反应的热量的 方法持续测量在热气中的氧气量的装置，而从美国专利3849539中，已知 一种用于从惰性气体流中相对于氢气进行标记(marking)和脱氧的方法。考虑到被分析气体的初始和严格干燥的必要性，根据美国专利 3849539的测量方法不能用于直接测定热气中的氧水平。而且，在分析气 体中的氧浓度必须小于重量的1%。由三向(three-way)催化转化器(TWC)组成的燃料控制系统的发射和使 用也是己知的，该三向催化转化器使用基于二氧化锆的电势计氧传感器以 及具有基于二氧化锆0^1)的线性X控制的电流计传感器。上述传感器的操作原理与 电流传导相关，这对某些解决方案是不利的。在专利US 6815211和公布US 2001031224 Al中已经公开了与本专利技术 主题最紧密相关的解决方案。在这些解决方案中，描述了由这样的系统制 成的装置，所述系统根据来自发光猝灭的信号提供关于在被分析的气体中的氧浓度的信息。这些系统的元件包括(a)输送测量气体的装置，即传感器样品室，在该室中发光被受激，并且其衰减时间反映氧在气体中的浓度；(b)转化器，其配备有用于激发在传感器 中能够发光的化合物的光源以及灵敏的光检测器，该光检测器用于在发光 衰减过程中处理来自发光化合物的发射能量，所述发光衰减是以表示在被 监测气体中的氧浓度的电信号的形式处理的；和(C)子系统，该子系统用于 保持传感器的恒定温度以及处理由灵敏的光检测器产生的信号。上述解决 方案的缺点是复杂的结构。在专利US 6815211中公开的监测氧浓度的方法由下列步骤组成(a) 在有机溶剂中形成显示出发光的溶液组合物；(b)由含有大量开口微孔的疏 水聚合物膜组成的基体溶胀；(c)通过其渗透到溶胀的膜的内部，将显示出 发光的溶液组合物引入到膜上；(d)以这种方式除去有机溶剂，使得在收缩 过程中，微孔性疏水聚合物将捕获至少一半显示出发光的组合物。在专利US 0031224的第20段中，描述了由二氧化锆制成的氧传感器， 其中通过利用离子传导测定氧的量。与本专利技术的主题类似的解决方案还由 称 为 "Rugged D.O."(http:〃www.in-situ.com/In-Situ/Products/ MPTROLL9000/TROLL900一RDO.html)的光学荧光氧检测器代表，该检测 器能够检测在水溶液中溶解的氧浓度。监测方法基于下列事实检测器的 灵敏元件(发光体)被蓝光源(例如UV LED)激活并且激发。以这种方式激发 的检测器元件发射强度与水中流通的氧浓度成反比的红光。而且，在最大 蓝光值和荧光性红光的最大响应值之间的衰减的时长与存在的氧浓度成 反比。衰减的时间可以表示为入射的蓝光和荧光性红光之间的相位移。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过测量传感器材料的受激发光的方式，测 量气体中的氧分压的方法。这种目标是通过下列方法实现的将校准的传感器中的纳米晶体二氧 化锆与测量的气体接触，并且通过UV光脉冲照射，从而诱导二氧化锆的 发光。然后，记录发光强度时间依赖关系，测定脉冲的发光强度，并且将 得到的结果与对于在给定时间的传感器温度而言的氧分压函数形式的发 光强度的校准结果进行比较。在该方法中，测定的发光强度可以等于发光响应脉冲的最大值。在本专利技术的一种变型中，传感器含有纳米晶体二氧化锆，所述纳米晶 体二氧化锆具有由单斜晶相、掺杂的正方晶相、规则掺杂相或这些相的混合所构成的3nm至200nm的微晶。在本专利技术的另一种变型中，二氧化锆含有已知稳定单斜晶系、正方晶 系或规则(regular)相或这些相混合的离子，或者二氧化锆含有稀土和过渡 金属的离子，从而提高传感器的灵敏度并且降低操作温度。在本专利技术的另一种变型中，当测量的气体的温度低于100。C时，将传 感器加热至在100°C至卯0。C的范围的温度，并且传感器工作温度与纳米 晶体颗粒的尺寸成正比。所用的诱导激发光脉冲的波长可以在210nm至620nm的范围。在本专利技术的另一种变型中，在描述发光衰减的指数函数的指数以及将 获得的值与确定温度和这种指数之间的关系的校准结果进行比较的基础 上，进行在给定时间的传感器温度的测量。在又一个变型中，在发光的衰减速率即其为在所述传感器中使用的给 定材料的特性的基础上，进行在给定时间的传感器温度的测量。对于本专利技术而言，测定的发光强度也可以等于发光响应脉冲的低于最 大水平的任何固定水平。本专利技术能够同时测量气体中的氧量和传感器温度，这消除了稳定温度 和使用温度控制装置的必要性。传感器工作温度可以通过选择纳米晶体颗 粒Zr02的尺寸来调节，并且在使用小的二氧化锆晶体的情况下，传感器 可以在高于100°C的温度下工作。本专利技术能够测定在热气中的氧量以及测 定这些气体的温度。而且，根据本专利技术的测量方式的特征在于清楚的算法 和较简单的测量数据处理。在正方晶相的发光传感器Zr02的情况下，由 于低的电传导，可以通过薄膜沉降(settlement)法将加热元件直接安置在 Zr02上。在测量方法中，需要在一个激发循环中只进行两个测量，以测定 在气体中的氧分压和传感器温度。附图简述本专利技术的目的示意性表示在图上，其中图l显示了用于测量在气体气氛中的氧水平和传感器温度的系统的图；图2显示了在时间函数中的操作和测量的可能顺序； 图3a和图3b表示发光(Io)的强度幅度的修正值评估的类型，通过它的帮助技术人员可以确定在测量的气体中的氧量；图3c和图3d表示一种测量方法，在该方法中由于与发光强度(It2)对应 的时间fe)中的另一个脉冲的开始更快，因而高估了发光强度(I一的指定的 幅度值；图4描述了同时测量在气体中的氧分压和传感器温度的方法。实施本专利技术的方式将在其下述实现实施例的基础上详细描述本专利技术。用于测量在气体气 氛中的氧分压和传感器温度(附图说明图1)并且配备有加热元件6的系统的示例性方 案的特征在于传感器材料含有单斜晶相、掺杂的正方晶相、规则惨杂相或 这些相混合的Zr02，所述加热元件6加热置于室1中的传感器材料2。根据 纳米晶体颗粒Zr02的尺寸的选择，传感器材料可以在各种温度范围下工 作。传感器还配备有激发光源3、光电检测器4和记录器5。根据本专利技术， 来自脉冲源3的光激发Zr02(2)中的自发光。通过光电检测器4检测发光，然 后记录发光衰减5的强度和时间。其衰减的发光强度和时间提供关于氧分压(在需要的温度Zr02下)和关 于温度本身的信息。从这一点开始，可以在发光的每一次测量中测定温度， 这消除了使用另外的用于稳定和控制温度的装置的必要性。在图2中表示了在时间函数中的操作和测量的可能顺序。该图显示了 在接通加热元件6之后的情形和根据纳米晶体Zr02的尺寸适当选择的恒定 值的电流。在相等的时间t,之后，电阻加热的二氧化锆达到适于纳米晶体 Zr02所用的尺寸的恒定温度，通过激发光源3传送的激发脉冲被激活。激 发脉冲的持续时间是tr"。通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过激发传感器的发光，测量气体中的氧分压的方法，所述方法的特征在于将校准传感器中的纳米晶体二氧化锆与被测量气体接触，并且通过ＵＶ光脉冲照射，从而诱导所述二氧化锆的发光，然后，记录发光强度时间的依赖关系，测定脉冲的发光强度，并且将得到的结果与对于在给定时间的传感器温度而言的氧分压函数形式的发光强度的校准结果进行比较。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：维托尔德洛伊科弗斯奇，多纳特斯米勒斯，雅努什诺沃谢尔斯基，拉里萨格里戈里耶瓦，阿尼耶斯考奥帕林斯卡，乌尔苏拉纳奇埃维琴，维斯瓦夫斯特克，
申请(专利权)人：波兰科学院高压物理研究所，
类型：发明
国别省市：PL[波兰]