一種四電極電導(dǎo)率傳感器的研制與實(shí)驗(yàn)

劉 洋，傅 巍，鄭 偉，王洋洋，程振乾，秦 浩

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001）

一種四電極電導(dǎo)率傳感器的研制與實(shí)驗(yàn)

劉 洋，傅 巍，鄭 偉，王洋洋，程振乾，秦 浩

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001）

采用高溫共燒結(jié)技術(shù)制備將工作電極與激勵(lì)電極熱壓并一次共燒成一體的電導(dǎo)敏感芯體，測(cè)量范圍0～200μS/ cm，精度小于±1.5 %FS。介紹了該電導(dǎo)傳感器的測(cè)量原理、電路方案、封裝結(jié)構(gòu)及工藝流程。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該傳感器具有測(cè)量精度高的特定，并考核了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

四電極；電導(dǎo)率傳感器；穩(wěn)定性；共燒結(jié)工藝技術(shù)

引言

電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)，對(duì)于溶液而言，其電導(dǎo)率的高低直接反映了溶液導(dǎo)電的能力。通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率數(shù)值可以對(duì)工業(yè)用水、生活用水的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，因而電導(dǎo)率的準(zhǔn)確測(cè)量具有重要意義。電極式電導(dǎo)率傳感器是根據(jù)電解電導(dǎo)原理通過(guò)電導(dǎo)池實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率測(cè)量的，電導(dǎo)池的性能與電極的大小、形狀和位置密切相關(guān)。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法制造的電導(dǎo)池，由于加工精度和材料強(qiáng)度的限制，難以實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)池的一致性和小型化，對(duì)后續(xù)標(biāo)定工作和安裝調(diào)試帶來(lái)一系列困難。而共燒結(jié)工藝技術(shù)可以批量地制成一致性較好的器件，極大提升了傳感器性能，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。

目前，國(guó)外一些電導(dǎo)率傳感器技術(shù)先進(jìn)國(guó)家為了提高測(cè)量精度，相繼開發(fā)了以四電極、七電極為主的多電極電導(dǎo)率傳感器，并在化工、醫(yī)藥、食品、海洋開發(fā)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如美國(guó)哈希公司、瑞士梅特勒公司、意大利HANNA公司[1]等都有相應(yīng)產(chǎn)品，產(chǎn)品價(jià)格較高。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大多為二電極、三電極，落后于國(guó)際水平，且國(guó)內(nèi)開發(fā)四電極電導(dǎo)率儀的公司較少[2]。

四電極式電導(dǎo)率傳感器的工作電極（電壓電極）和激勵(lì)電極（電流電極）是相互分開且獨(dú)立工作的，工作電極上的電流幾乎為零，有效地避免了電極極化現(xiàn)象的產(chǎn)生。本文設(shè)計(jì)的傳感器具有靈敏度高、抗污染能力強(qiáng)、防生物附著的特點(diǎn)，特別適用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)、航天工程、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[3]。

1 工作原理

1.1 測(cè)量原理

電導(dǎo)率測(cè)量較為復(fù)雜，測(cè)量溶液的電導(dǎo)率時(shí)，電極表面會(huì)產(chǎn)生一系列電化學(xué)反應(yīng)，即電極極化效應(yīng)，從而影響測(cè)量精度。采用交流供電可以使電極上通過(guò)的電流近似為零，從而大大消除電極對(duì)溶液的電解作用[4]；四電極測(cè)量體系將電流電極和電壓電極分開（見(jiàn)圖1），進(jìn)一步消除了電極極化的影響，這樣就可以得到被測(cè)溶液等效電阻兩端的準(zhǔn)確電壓值。

1.2 電解質(zhì)導(dǎo)電機(jī)理

電流I與施于導(dǎo)體兩端的電壓V和電阻R的關(guān)系可由歐姆定律給出，見(jiàn)公式（1）所示。

在一定溫度下，電阻值與導(dǎo)體的幾何因素之間的關(guān)系見(jiàn)公式（2）

式中：

l—導(dǎo)體長(zhǎng)度，m；

A—導(dǎo)體截面積，m2；

ρ—電阻率，Ω·m。

電解質(zhì)溶液同樣遵從歐姆定律，也具有電阻R，并服從式（2）。但在習(xí)慣上，用電導(dǎo)和電導(dǎo)率來(lái)表示溶液的導(dǎo)電能力。即見(jiàn)公式（3）～（5）。

因此有

式中：

G—電導(dǎo)，單位為西門子，簡(jiǎn)稱西，符號(hào)為S，1S=1Ω-1；

k—電導(dǎo)率，表示邊長(zhǎng)為1m的立方體溶液的的電導(dǎo)，單位為S·m-1；

ρ—電阻率，Ω·m。

1.3 檢測(cè)工作原理

四電極測(cè)量原理如圖2所示，其中b、b′為電流電極（激勵(lì)電極），a、a′為電壓電極（工作電極），G為正弦波信號(hào)電壓發(fā)生器。

由于集成運(yùn)放A的輸入阻抗足夠高，使得流經(jīng)電壓電極a、a′兩端的電流近似為零，這樣電壓電極上就不會(huì)產(chǎn)生極化電壓，從而很大程度上消除了極化效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。電流電極兩端施加了一個(gè)恒定的交流電壓信號(hào)，由電壓電極來(lái)感應(yīng)產(chǎn)生電壓，通過(guò)反饋電路調(diào)整電流，使電壓電極兩端的電壓保持恒定。于是，通過(guò)電流電極間的電流和液體電導(dǎo)率成線性關(guān)系。根據(jù)電流和電壓值，計(jì)算出液體的電導(dǎo)率值。由公式（6）表示：

式中：

S—電導(dǎo)率，S·m-1；

K—電導(dǎo)池常數(shù)，與四個(gè)電極的形狀、位置、大小等因素有關(guān)；

VC—RC兩端的固定壓降（即電壓電極之間的電壓），V；

IC—通過(guò)電流電極的電流，A。

圖1 四電極電導(dǎo)率測(cè)量原理

圖2 四電極測(cè)量電導(dǎo)率原理圖

2 四電極電導(dǎo)率傳感器的設(shè)計(jì)研制

2.1 電極及支撐材料的選擇

鉑具有化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn)，是理想的電極材料，采用金屬鉑電極可以提高傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。使用氧化鋯陶瓷作為基底材料，它具有膨脹系數(shù)小，抗壓強(qiáng)度高，絕緣特性好，耐化學(xué)腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，可以保證電導(dǎo)池的幾何尺寸保持不變。

2.2 工藝路線

四電極電導(dǎo)率傳感器制造工藝包括：打孔、絲網(wǎng)印刷、烘干、對(duì)位疊片、真空塑封、溫水等靜壓、切片、排膠、燒結(jié)、敏感元件安裝等多道生產(chǎn)工藝，流程較長(zhǎng)，工藝復(fù)雜。芯體制備的關(guān)鍵技術(shù)流程如圖3所示。

2.3 電導(dǎo)池設(shè)計(jì)

采用開放式四電極電導(dǎo)池，具有開槽結(jié)構(gòu)，具有良好的沖水性能，適合在管路系統(tǒng)中使用。電導(dǎo)池由極板1、極板2、極板間基片組成，將兩電極板垂直地安裝在陶瓷基座上，使電極所在的平面與水平面垂直，在測(cè)量空間水體電阻時(shí)，四電極電導(dǎo)池的感受水體在電導(dǎo)池壁邊界層之外，不受電導(dǎo)池壁的阻擋，可免于邊界層流的影響。電導(dǎo)池結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

設(shè)計(jì)制作寬度10 mm，長(zhǎng)度25 mm的陶瓷基片，中心設(shè)計(jì)有半徑2.5 mm的圓盤形電流電極，外圍的圓環(huán)形電極是電壓電極，電流電極的面積是電壓電極的2.5倍。面積較大的電流電極可以減小由電極阻抗引起的誤差，增大電流靈敏度；環(huán)形的電壓電極當(dāng)有部分電極被污物覆蓋時(shí)，其他未被覆蓋的部分均能感應(yīng)到電壓信號(hào)，增強(qiáng)了電極的抗污物能力。結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖5和圖6所示。

2.4 電極封裝結(jié)構(gòu)

電導(dǎo)池封裝后應(yīng)具有良好的密閉性，保證傳感器能正常工作。使用封接漿料將兩個(gè)電極支撐板固定在陶瓷基座上，并且嚴(yán)格控制兩支撐板上電極軸心正對(duì)。選取線膨脹系數(shù)9.7×10-6（1/℃）的玻璃漿料作為兩極板間的封接材料，它與氧化鋯的線膨脹系數(shù)接近。在1 200 ℃高溫下燒結(jié)成電導(dǎo)敏感芯體。玻璃封接實(shí)物圖如圖7所示。

3 測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

3.1 傳感器精度測(cè)試

圖3 芯片制作工藝流程圖

圖4 電導(dǎo)池結(jié)構(gòu)圖

圖5 電極結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)試過(guò)程中以標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率儀為參比標(biāo)準(zhǔn)。以KCL溶液的稀釋液為測(cè)試溶液，使用膠頭滴管或滴定管從低到高調(diào)節(jié)水槽中介質(zhì)的電導(dǎo)率值，介質(zhì)的電導(dǎo)率值由低到高取6個(gè)測(cè)試點(diǎn)，相應(yīng)測(cè)試點(diǎn)分別為（12±1.5）μS/ cm、（50±1.5）μS/cm、（90±1.5）μS/cm、（140±1.5）μS/cm、（170±1.5）μS/cm、（200±1.5）μS/cm，依次記錄標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率儀示值及傳感器電導(dǎo)率輸出電壓值。傳感器放置在溫度為（25±2）℃的溫度箱內(nèi)，恒溫水槽和標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率儀放置在操作臺(tái)面上，通過(guò)管路連接恒溫水槽和測(cè)試夾具，恒溫水槽溫度為（25±0.5）℃。

圖6 電極實(shí)物圖

圖7 玻璃封接實(shí)物圖

表1 傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)

取3次行程的電導(dǎo)率值和電壓輸出值進(jìn)行精度計(jì)算得到工作直線方程，得到公式（7）。

式中：

U─ 傳感器的電導(dǎo)率輸出電壓值，V；

K─ 溶液的參比電導(dǎo)率值，μS/cm；

a─ 方程的斜率（傳感器的靈敏度），V/μS×cm-1；

b─ 方程的截距，V。

并計(jì)算出傳感器在各點(diǎn)的校準(zhǔn)值與工作直線間的最大偏差△K、滿量程輸出UFS及精度δ。

式中：

△K─ 傳感器的最大偏差，V；

KLi─ 傳感器對(duì)應(yīng)KMi點(diǎn)的工作直線輸出值，V；

KMi─ 傳感器在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的電導(dǎo)率輸出值，V；

UES─ 傳感器滿量程輸出值，V；

U200L─ 傳感器在介質(zhì)電導(dǎo)率200 μS/cm下的工作直線輸出值，V；

U0L─ 傳感器在介質(zhì)電導(dǎo)率0 μS/cm下的工作直線輸出值，V；

δ─ 傳感器精度，%FS。

傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，傳感器的精度為0.38 %FS。

3.2 傳感器輸出的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

圖8所示為傳感器輸出電壓的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在100 μS/cm的KCL溶液中通電工作6個(gè)月，每間隔一個(gè)月測(cè)量一次傳感器全量程數(shù)據(jù)，比較電導(dǎo)率為200 μS/cm時(shí)傳感器電導(dǎo)率輸出的偏差。月偏差值約為0.8 %FS，到第六個(gè)月，傳感器共偏差了4 %FS。

4 結(jié)論

圖8 傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性

采用陶瓷高溫共燒結(jié)工藝技術(shù)研制的四電極電導(dǎo)率傳感器，傳感器芯體燒結(jié)成為一體，工藝技術(shù)便于電極間相對(duì)面積和極板間距離的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以滿足寬量程、高精度的使用需求。芯體的尺寸可以做到更小，相對(duì)于其他形式的電導(dǎo)池,四個(gè)電極在工作時(shí)可以保持更低的功耗，滿足在線監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合的應(yīng)用。傳感器的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步的考核。

[1]韓 威,丁海銘,馬凌宇．四電極法電導(dǎo)率儀電計(jì)檢測(cè)技術(shù)的探討[J].中國(guó)計(jì)量, 2003(6) : 63．

[2]李建國(guó).開放式四電極電導(dǎo)率傳感器的研制與實(shí)驗(yàn)[J].海洋技術(shù), 2005, 24(3):5-9．

[3]周明軍,尤佳,秦浩,傅巍,劉其中,徐振忠.電導(dǎo)率傳感器發(fā)展概況[J].傳感器與微系統(tǒng), 2010,29(4):9-11．

[4]張高燕,吳少華,趙湛.基于MEMS工藝的硅基四電極電導(dǎo)率與溫度集成傳感器芯片的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2011(7), 24(7):967-969．

Development and Experiment of A Four-electrode Conductivity Sensor

LIU Yang, FU Wei, ZHENG Wei, WANG Yang-yang, CHENG Zhen-qian, QIN Hao
(The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 150001)

High Temperature Co-fired Ceramic (HTCC) is used to prepare a conductance sensitive core with a working electrode and an actuating electrode heated at one time. The range of measurement is 0～200 μS/cm, and the accuracy was less than ±1.5 %FS. The measuring principle, circuit scheme, package structure and process flow of the conductance sensor are introduced. By conducting the performance experiments, the sensor is verified to be specific to the measuring precision and the long-term stability of the sensor.

four-electrode; conductivity sensor; stability; technique of co-sintering process

TP212.2

A

1004-7204（2017）03-0071-05

劉洋（1989-），男，黑龍江哈爾濱市人，本科，助理工程師，主要從事電導(dǎo)率傳感器及氧傳感器研究。