一種四電極電導率傳感器的研制與實驗

劉 洋，傅 巍，鄭 偉，王洋洋，程振乾，秦 浩

（中國電子科技集團公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001）

一種四電極電導率傳感器的研制與實驗

劉 洋，傅 巍，鄭 偉，王洋洋，程振乾，秦 浩

（中國電子科技集團公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001）

采用高溫共燒結技術制備將工作電極與激勵電極熱壓并一次共燒成一體的電導敏感芯體，測量范圍0～200μS/ cm，精度小于±1.5 %FS。介紹了該電導傳感器的測量原理、電路方案、封裝結構及工藝流程。通過對其進行性能實驗，驗證該傳感器具有測量精度高的特定，并考核了傳感器的長期穩定性。

四電極；電導率傳感器；穩定性；共燒結工藝技術

引言

電導率是電阻率的倒數，對于溶液而言，其電導率的高低直接反映了溶液導電的能力。通過測量電導率數值可以對工業用水、生活用水的水質進行檢測，因而電導率的準確測量具有重要意義。電極式電導率傳感器是根據電解電導原理通過電導池實現電導率測量的，電導池的性能與電極的大小、形狀和位置密切相關。傳統的機械加工方法制造的電導池，由于加工精度和材料強度的限制，難以實現電導池的一致性和小型化，對后續標定工作和安裝調試帶來一系列困難。而共燒結工藝技術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，縮短了生產周期，降低了生產成本。

目前，國外一些電導率傳感器技術先進國家為了提高測量精度，相繼開發了以四電極、七電極為主的多電極電導率傳感器，并在化工、醫藥、食品、海洋開發等領域得到了廣泛應用。例如美國哈希公司、瑞士梅特勒公司、意大利HANNA公司[1]等都有相應產品，產品價格較高。國內生產的大多為二電極、三電極，落后于國際水平，且國內開發四電極電導率儀的公司較少[2]。

四電極式電導率傳感器的工作電極（電壓電極）和激勵電極（電流電極）是相互分開且獨立工作的，工作電極上的電流幾乎為零，有效地避免了電極極化現象的產生。本文設計的傳感器具有靈敏度高、抗污染能力強、防生物附著的特點，特別適用于水環境監測、航天工程、海洋環境監測等領域[3]。

1 工作原理

1.1 測量原理

電導率測量較為復雜，測量溶液的電導率時，電極表面會產生一系列電化學反應，即電極極化效應，從而影響測量精度。采用交流供電可以使電極上通過的電流近似為零，從而大大消除電極對溶液的電解作用[4]；四電極測量體系將電流電極和電壓電極分開（見圖1），進一步消除了電極極化的影響，這樣就可以得到被測溶液等效電阻兩端的準確電壓值。

1.2 電解質導電機理

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

在一定溫度下，電阻值與導體的幾何因素之間的關系見公式（2）

式中：

l—導體長度，m；

A—導體截面積，m2；

ρ—電阻率，Ω·m。

電解質溶液同樣遵從歐姆定律，也具有電阻R，并服從式（2）。但在習慣上，用電導和電導率來表示溶液的導電能力。即見公式（3）～（5）。

因此有

式中：

G—電導，單位為西門子，簡稱西，符號為S，1S=1Ω-1；

k—電導率，表示邊長為1m的立方體溶液的的電導，單位為S·m-1；

ρ—電阻率，Ω·m。

1.3 檢測工作原理

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

由于集成運放A的輸入阻抗足夠高，使得流經電壓電極a、a′兩端的電流近似為零，這樣電壓電極上就不會產生極化電壓，從而很大程度上消除了極化效應對測量的影響。電流電極兩端施加了一個恒定的交流電壓信號，由電壓電極來感應產生電壓，通過反饋電路調整電流，使電壓電極兩端的電壓保持恒定。于是，通過電流電極間的電流和液體電導率成線性關系。根據電流和電壓值，計算出液體的電導率值。由公式（6）表示：

式中：

S—電導率，S·m-1；

K—電導池常數，與四個電極的形狀、位置、大小等因素有關；

VC—RC兩端的固定壓降（即電壓電極之間的電壓），V；

IC—通過電流電極的電流，A。

圖1 四電極電導率測量原理

圖2 四電極測量電導率原理圖

2 四電極電導率傳感器的設計研制

2.1 電極及支撐材料的選擇

鉑具有化學性能穩定、耐高溫、耐腐蝕的特點，是理想的電極材料，采用金屬鉑電極可以提高傳感器的測量精度和穩定性。使用氧化鋯陶瓷作為基底材料，它具有膨脹系數小，抗壓強度高，絕緣特性好，耐化學腐蝕的優點，可以保證電導池的幾何尺寸保持不變。

2.2 工藝路線

四電極電導率傳感器制造工藝包括：打孔、絲網印刷、烘干、對位疊片、真空塑封、溫水等靜壓、切片、排膠、燒結、敏感元件安裝等多道生產工藝，流程較長，工藝復雜。芯體制備的關鍵技術流程如圖3所示。

2.3 電導池設計

采用開放式四電極電導池，具有開槽結構，具有良好的沖水性能，適合在管路系統中使用。電導池由極板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，在測量空間水體電阻時，四電極電導池的感受水體在電導池壁邊界層之外，不受電導池壁的阻擋，可免于邊界層流的影響。電導池結構圖如圖4所示。

設計制作寬度10 mm，長度25 mm的陶瓷基片，中心設計有半徑2.5 mm的圓盤形電流電極，外圍的圓環形電極是電壓電極，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；環形的電壓電極當有部分電極被污物覆蓋時，其他未被覆蓋的部分均能感應到電壓信號，增強了電極的抗污物能力。結構示意圖和實物圖如圖5和圖6所示。

2.4 電極封裝結構

電導池封裝后應具有良好的密閉性，保證傳感器能正常工作。使用封接漿料將兩個電極支撐板固定在陶瓷基座上，并且嚴格控制兩支撐板上電極軸心正對。選取線膨脹系數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接近。在1 200 ℃高溫下燒結成電導敏感芯體。玻璃封接實物圖如圖7所示。

3 測試與實驗

3.1 傳感器精度測試

圖3 芯片制作工藝流程圖

圖4 電導池結構圖

圖5 電極結構示意圖

測試過程中以標準電導率儀為參比標準。以KCL溶液的稀釋液為測試溶液，使用膠頭滴管或滴定管從低到高調節水槽中介質的電導率值，介質的電導率值由低到高取6個測試點，相應測試點分別為（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，依次記錄標準電導率儀示值及傳感器電導率輸出電壓值。傳感器放置在溫度為（25±2）℃的溫度箱內，恒溫水槽和標準電導率儀放置在操作臺面上，通過管路連接恒溫水槽和測試夾具，恒溫水槽溫度為（25±0.5）℃。

圖6 電極實物圖

圖7 玻璃封接實物圖

表1 傳感器測試數據

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

式中：

U─ 傳感器的電導率輸出電壓值，V；

K─ 溶液的參比電導率值，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。

并計算出傳感器在各點的校準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─ 傳感器對應KMi點的工作直線輸出值，V；

KMi─ 傳感器在第i個校準點的電導率輸出值，V；

UES─ 傳感器滿量程輸出值，V；

U200L─ 傳感器在介質電導率200 μS/cm下的工作直線輸出值，V；

U0L─ 傳感器在介質電導率0 μS/cm下的工作直線輸出值，V；

δ─ 傳感器精度，%FS。

傳感器的測試數據如表1所示。

經過計算得出，傳感器的精度為0.38 %FS。

3.2 傳感器輸出的長期穩定性

圖8所示為傳感器輸出電壓的長期穩定性，在100 μS/cm的KCL溶液中通電工作6個月，每間隔一個月測量一次傳感器全量程數據，比較電導率為200 μS/cm時傳感器電導率輸出的偏差。月偏差值約為0.8 %FS，到第六個月，傳感器共偏差了4 %FS。

4 結論

圖8 傳感器長期穩定性

采用陶瓷高溫共燒結工藝技術研制的四電極電導率傳感器，傳感器芯體燒結成為一體，工藝技術便于電極間相對面積和極板間距離的優化設計，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，相對于其他形式的電導池,四個電極在工作時可以保持更低的功耗，滿足在線監測的場合的應用。傳感器的穩定性仍需進一步的考核。

[1]韓 威,丁海銘,馬凌宇．四電極法電導率儀電計檢測技術的探討[J].中國計量, 2003(6) : 63．

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

[3]周明軍,尤佳,秦浩,傅巍,劉其中,徐振忠.電導率傳感器發展概況[J].傳感器與微系統, 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率與溫度集成傳感器芯片的研制[J].傳感技術學報, 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，主要從事電導率傳感器及氧傳感器研究。