一种可重复使用的空间原子氧传感器的制作方法

本发明涉及气体探测领域，具体涉及一种可重复使用的空间原子氧传感器。

背景技术：

开展低地球轨道原子氧环境地面模拟方法研究时，需要对地面原子氧模拟设备产生的原子氧的束流强度和通量进行测量，同时也需要在卫星上搭载仪器设备对低地球轨道环境中的原子氧束流强度和通量进行实时探测。

现在通常做法是采用薄膜与原子氧发生反应，导致质量减少或电阻率增大、原子氧与金属发生反应，释放热量和原子氧与导电金属膜反应，导致膜层质量增加等方法来推算出原子氧的束流强度和通量。

现有的聚酰亚胺薄膜质损法、纳米银膜测电导率变化法和碳膜质损法等方法在进行空间原子氧探测时，传感器材料和原子氧相互作用后被逐渐剥蚀，导致传感器材料的电阻增大或电导率下降，传感器电阻或电导的变化量与传感器接受的原子氧通量基本成线性关系。因此，通过测试传感器材料的电阻变化或电导变化，即可获得空间原子氧的通量。在这些方法中，随着传感器所接受的原子氧累积通量的增加，传感器材料最终将被完全剥蚀而丧失功能。因此，基于这些传统方法而研制的空间原子氧传感器无法重复使用，完成一次探测就必须对探头材料进行更换。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种可重复使用的空间原子氧传感器，具有可重复使用的优点，可实现对空间原子氧环境长时间和重复性地探测。

本发明提供的一种可重复使用的空间原子氧传感器，采用氧化钇稳定的氧化锆陶瓷作为原子氧传感器中的固体电解质，用于传输由原子氧与阴极作用后产生的氧离子，通过测量阴极与阳极之间由氧离子的流动所产生的电流的大小，测量空间原子氧通量。

所述空间原子氧传感器进一步包括加热单元，加热单元用于对固体电解质进行加热。

所述空间原子氧传感器进一步包括参考电极，贴附于固体电解质，令阴极与参考电极间的压差小于阴极与阳极间的压差。

所述空间原子氧传感器进一步采用层叠式结构自上而下包括固体电解质、载流子基底、加热单元、电绝缘层和热电偶温度传感器及温度控制电路五层，阴极和参考电极贴附于固体电解质层，阳极贴附于载流子基底层，并与固体电解质接触；其中，载流子基底，用于在固体电解质和加热单元间传导热量，并充当电绝缘介质；电绝缘层，用于在加热单元和热电偶温度传感器及温度控制电路间传导热量，并充当绝缘材料；热电偶温度传感器及温度控制电路，用于实时监测并控制加热单元的温度。

所述空间原子氧传感器的尺寸为20mm×3.5mm×0.6mm，采用厚膜丝网印刷工艺制作，各组成部分通过烘烤粘结在一起。

所述空间原子氧传感器的阴极、参考电极和阳极的材料均为铂，载流子基底和电绝缘层的材料均为导热且电绝缘介质。

所述空间原子氧传感器的载流子基底和电绝缘层的材料均为氧化铝。

所述空间原子氧传感器的固体电解质层的加热温度为650℃以上含650℃。

所述空间原子氧传感器的加热单元为镍铬丝制成的回字形加热电路。

所述空间原子氧传感器的热电偶温度传感器为铂电阻温度传感器。

有益效果：

1、本发明以氧化钇稳定的氧化锆作为原子氧传感器中的固体电解质，由于原子氧与阴极作用后会变成氧离子在氧化锆固体电解质中传输，通过间接测量氧化锆电解质中的离子浓度就能够测量空间原子氧通量，该方法中由于原子氧变成氧离子在氧化锆固体电解质中传输时不会造成电解质材料的剥蚀，因此，能够避免现有技术中由于传感器材料和原子氧相互作用被逐渐剥蚀的问题，所以本发明提供的这种传感器可以重复使用。

2、本发明通过使用加热单元对氧化钇稳定的氧化锆陶瓷进行加热，可提高其导电性，当温度达到650℃及以上时，其导电性将大大增强，从而有效地提高了测量的精度。

3、本发明通过采用层叠式的结构能够加大加热单元与固体电解质的接触面积，提高加热效率，从而有效降低了传感器的整体功耗，延长了使用寿命。

4、本发明整体采用小型化的设计，能够有效缩短氧化钇稳定的氧化锆陶瓷的长度，降低氧离子的传导距离，减小传输电阻，从而提高了电流测量的灵敏度。

5、本发明考虑了使用过程中，当阴极附近的氧离子浓度较高时，阴极附近会产生较大的负电场，从而抑制氧离子的进一步产生的问题，通过增加参考电极，起到减弱阴极附近的负电场作用。

附图说明

图1为空间原子氧传感器设计示意图。

其中，1－1：直流电源，1－2：用于测量阳极和直流电源间电流的电流表，1－3：固体电解质，1－4：阳极，1－5：载流子基底，1－6：加热单元，1－7：电绝缘层，1－8：温度传感器及温度控制电路，1－9：阴极，1－10：参考电极，1－11：用于测量参考电极和阴极间偏压的电压表。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种可重复使用的空间原子氧传感器，其基本原理为：采用氧化钇稳定的氧化锆陶瓷作为原子氧传感器中的固体电解质，用于传输由原子氧与阴极作用后产生的氧离子，通过间接测量氧化锆电解质中的氧离子浓度测量空间原子氧通量。此外，为了提高测量的精度，还可以通过使用加热单元将氧化钇稳定的氧化锆陶瓷加热到650℃及以上，其导电性将大大增强。

具体来说，本发明提出的一种可重复使用的空间原子氧传感器，以氧化钇稳定的氧化锆作为原子氧传感器中的固体电解质，以对原子氧具有极高吸附活性的铂(pt)分别作为阴极、阳极和参考电极，以氧化铝陶瓷作为载流子基底和电绝缘层，以镍铬丝制成电加热单元，采用丝网印刷工艺，制成原子氧传感器。其工作原理为：在氧化锆中引入稳定剂氧化钇后，将会在氧化锆的晶体结构中产生氧空位。在常温下，经氧化钇稳定的氧化锆陶瓷中游离的离子很少，其导电性很弱。用电加热单元将氧化钇稳定的氧化锆陶瓷加热到650℃及以上时，其导电性将大大增强。空间中的原子氧(o)与阴极材料碰撞后，被阴极吸附，并在阴极获得电子而转变为氧离子(o^2－)而进入氧化锆陶瓷电解质，从而增加了氧化锆陶瓷电解质中的离子浓度。传感器工作时，阳极和阴极间施加+5v的直流电压。氧化锆陶瓷电解质中的氧离子在电场作用下，从阴极向阳极定向移动。由于电流的变化量与氧化锆电解质中的离子浓度相关，而离子浓度又与碰触到阴极的原子氧通量密度有关，且电流变化量与空间原子氧的通量具有一定的比例关系。因此，通过测量电流的变化，即可获得空间环境中的原子氧通量。

本实施方案建议的设计尺寸为20mm×3.5mm×0.6mm，整个传感器利用厚膜丝网印刷工艺制作，整体结构自上而下共分为5层，即固体电解质、载流子基底、加热单元、电绝缘层和热电偶温度传感器和温度控制电路，还包括阴极、参考电极和阳极。传感器整体尺寸的缩小，可以缩小氧化钇稳定的氧化锆陶瓷的长度，降低氧离子的传导距离，减小传输电阻，提高电流测量的灵敏度。空间原子氧传感器设计示意图，如图1所示，具体如下：

第一层为固体电解质1－3，为经氧化钇稳定的氧化锆陶瓷，作为氧离子的传输通道，位于载流子基底与阴极和参考电极之间，右端与阳极相连。氧化钇稳定的氧化锆陶瓷中存在氧空位，氧空位可以作为氧离子传输的通道。常温下，固体电解质中的氧空位较少。当温度达到650℃及以上时，氧空位迅速增加，使得固体电解质具有良好的离子传导能力，从而提高测量的精度。当阴极产生的氧离子进入固体电解质层后，氧离子将在固体电解质中的氧空位间传输。因此，固体电解质的主要功能是为氧离子提供传输通道。

第二层为载流子基底1－5，用于在固体电解质和加热单元间传导热量，并充当电绝缘介质，位于固体电解质和加热单元之间。其材料为氧化铝(也可选用其它材料，但是功能必须相同)，其作用有两个方面，一是其具有良好的热传导性和耐高温性，可将加热单元的热量迅速传导至固体电解质层，使得固体电解质层的温度维持在650℃及以上；二是在固体电解质和加热单元间充当电绝缘介质。

第三层为加热单元1－6，为固体电解质层提供热源，位于载流子基底和电绝缘层之间。其为镍铬丝制成的回字形加热电路，位于载流子基底和电绝缘层之间，其作用是通过电热效应产生热量，将固体电解质的温度维持在650℃及以上。镍铬丝制成的回字形加热电路具有低功耗的优点。

第四层为电绝缘层1－7，用于在加热单元和热电偶温度传感器及温度控制电路间传导热量，并充当绝缘材料，位于加热单元和热电偶温度传感器及温度控制电路之间。其材料为氧化铝，位于加热单元和热电偶温度传感器之间，其作用包括两方面，一是在加热单元和热电偶温度传感器间充当绝缘材料，二是将加热单元产生的热量传输至热电偶温度传感器。

第五层为热电偶温度传感器和温度控制电路1－8，热电偶温度传感器及温度控制电路，用于实时监测并控制加热单元的温度，位于最底层。温度传感器是铂电阻温度传感器，其作用是实时监测并控制加热单元的温度，从而为第二层固体电解质层提供稳定的温度，减小温度变化对电流测量的不利影响。

阴极1－9贴附于固体电解质层，阳极1－4贴附于载流子基底层并与固体电解质层相连，其材料均为铂，阴极外接直流稳压电源的负极，阳极外接直流稳压电源的正极。由于铂具有极高的原子氧吸附活性，且不易被原子氧氧化，因此，阴极材料必须选用铂，其功能是当空间环境中的原子氧(o)与阴极碰撞后，将被阴极吸附并转化为氧离子(o2－)。阳极用于与阴极间建立电场，使阴极产生的氧离子在固体电解质层由阴极向阳极移动。本实施例中，阳极与+5v直流稳压电源的正极相连。

参考电极1－10贴附于固体电解质层，其材料为铂，参考电极外接直流电源的正极，使阴极与参考电极间的压差小于阴极与阳极间的压差，本实施例中参考电极外接直流电源的+0.3v正极。由于氧离子都在阴极产生，当阴极附近的氧离子浓度较高时，会导致阴极附近产生较大的负电场，将抑制氧离子的进一步产生，本发明中通过增加参考电极，就能够达到减弱阴极附近的负电场的效果。

此外，直流电源1－1，为双路输出电源，输出+5v电压的正极端与阳极相连，输出+0.3v的正极端与参考电极相连，该直流电源的负极与阴极相连。电流表1－2，串联在阳极和直流电源之间，用于测量阳极和直流电源间的电流。电压表1－11，并联在阴极和参考电极之间，用于测量参考电极和阴极间的偏压。

传感器的各个层均通过丝网印刷工艺，依次按照温度传感器1－8、电绝缘层1－7、加热单元1－6、载流子基底1－5、阳极1－4、固体电解质1－3、参考电极1－10和阴极1－9的顺序逐层印刷，所有层印刷完成后，将传感器放置在烘箱，在1000℃的条件下，烘烤1小时，各个层之间便可牢固粘结在一起。

此外，传感器也可以选择其他非层叠结构进行组合，加热单元也可以采用非接触式的其他加热方式实现对固体电解质的加热。

实施例1：

本实施例说明了本发明提出的一种可重复使用的空间原子氧传感器的具体结构。

原子氧传感器的整体尺寸为20mm×3.5mm×0.6mm，整个传感器利用厚膜丝网印刷工艺制作。

阴极材料为金属铂，呈旗子形，与固体电解质的接触部分尺寸为2mm×2.0mm×0.02mm，引出部分尺寸为5.0mm×1.0mm×0.02mm。参考电极的材料为金属铂，其尺寸为2mm×2.0mm×0.02mm，与阴极的间距为2mm，引出部分尺寸为5.0mm×1.0mm×0.02mm。参考电极和阴极间施加+0.3v的直流偏压。

固体电解质为经氧化钇稳定的氧化锆陶瓷，呈长方形，尺寸为20.0mm×3.5mm×0.2mm。利用加热单元将氧化锆陶瓷加热到650℃。空间原子氧(o)与阴极材料碰撞后，被阴极吸附，并在阴极获得电子而转变为氧离子(o2－)，增加了固体电解质中的离子浓度，提高了固体电解质的导电性，从而导致阴、阳两级间的电流增大。氧离子在阳极和阴极电场的作用下，通过固体电解质中的氧空位，由阴极向阳极传输，使电路中的电流增大。通过测量电流变化，结合标定数据，即可获知原子氧的实时通量。

阳极材料为金属铂，呈旗子形，与固体电解质的接触部分尺寸为6mm×2.0mm×0.02mm，引出部分尺寸为10.0mm×1.0mm×0.02mm。。在阳极和阴极间施加+5v的直流偏压。

载流子基底材料为氧化铝，呈长方形，其尺寸为20mm×3.5mm×0.1mm。

加热单元的材料为镍铬丝，形状为回字形，有效加热单元尺寸为10mm×3.0mm×0.06mm，两个引出极(正极和负极)的尺寸均为3.0mm×3.0mm×0.06mm。

电绝缘层材料为氧化铝，呈长方形，尺寸为18.0mm×3.0mm×0.1mm。

温度传感器由铂电阻温度传感器构成，其尺寸为20mm×3.0mm×0.1mm，用于实时监测加热单元的温度，并通过相应的控制电路，使加热单元的温度维持在650℃，为固体电解质提供稳定的温度，减小温度变化对电流测量带来的干扰，提高电流测量的精度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。