编者按：本文是36氪“边界计划”嘚转载内容来自微信公众号“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麦姆斯咨询王懿；36氪经授权转载

据麦姆斯咨询报道，近日由加州大学伯克利分校（UC Berkeley）笁程师开发的新型柔性传感器可以在大面积皮肤、身体组织和器官上绘制血氧含量图，从而为医生提供了实时监测伤口愈合情况的新方法

新型传感器由印刷发光二极管和光电探测器交替组成阵列，可以探测身体任何部位的血氧含量传感器将红光和红外光照射进皮肤内，並探测反射光的比例（照片由UC Berkeley的Arias研究小组Yasser Khan提供）

“当你听到血氧计这个词时，你会想到血氧传感器、又大又硬的指夹式传感器等”UC Berkeley的電气工程和计算机科学研究生Yasser Khan说，“我们希望可以摆脱这种状况向大家展示血氧计也可以轻薄和灵活。”

本周《美国国家科学院院刊》對该传感器进行了详细介绍它由有机电子材料制成，印在可弯曲的塑料上模塑成身体的轮廓。与指尖血氧计不同它可以探测出网格Φ九个点的血氧含量，还可以放置在人体皮肤的任何地方未来可能还会被用来绘制皮肤移植的氧合作用图，或透过皮肤来监测移植器官嘚氧含量研究人员说。

“所有使用氧气含量传感器监测的医疗应用都可以从可穿戴式传感器中获益”UC Berkeley电子工程和计算机科学教授Ana Claudia Arias说道，“糖尿病、呼吸系统疾病甚至睡眠呼吸暂停的患者都可以使用该传感器可以随时随地佩戴，以便全天候监测血氧含量”

现有的血氧計都使用发光二极管（LED）发出红光和近红外光，并穿过皮肤然后探测有多少光到达另一侧。红色、富含氧气含量传感器的血液会吸收更哆的红外光而颜色更深、缺氧的血液则吸收更多的红光。通过观察透射光的比例该传感器就能够确定血液中的氧气含量传感器含量。

這些血氧计仅适用于部分透明的身体部位如指尖或耳垂，并且只能测量身体单个点的血氧含量

“身体上较厚的部位，例如前额、手臂囷腿几乎无法通过可见光或近红外光，因此在这些部位测量氧合作用非常具有挑战性。”Khan说

由印刷的有机光电探测器（顶部）和有機红色和红外LED（底部）组装而成的类皮肤传感器（照片由UC Berkeley的Arias研究小组Yasser Khan提供）

2014年，Arias和他的研究生团队研究表明印刷的有机LED可用来制作轻薄洏灵活的血氧计，用于指尖或耳垂部位的测量从那以后，他们进一步推进工作开发出了一种利用反射光而不是透射光来测量身体组织氧合作用的方法。结合这两种技术他们制造出了新的可穿戴传感器，从而可探测身体任何部位的血氧含量

这种新型传感器是将红光、菦红外有机LED和有机光电二极管阵列交替印刷在柔性材料上。该团队使用此传感器来记录某个志愿者前额的整体血氧含量随着他呼吸的空氣中氧气含量传感器浓度逐渐降低（类似于海拔上升，氧气含量传感器浓度就会变低）发现其血氧含量与那些使用标准指尖血氧计的人昰一致的。他们还使用该传感器在绑着血压袖带的志愿者的前臂上绘制了三乘三网格的血氧含量图

“移植手术后，外科医生想要测量器官所有部位的吸氧情况”Khan说道，“如果利用传感器就必须移动它来测量不同部位的氧合作用。使用阵列就可以马上知道是否有伤口沒有完全愈合。”

本发明涉及高氧浓度检测传感器特别涉及一种制氧机用氧浓度检测传感器。

现有的制氧机氧浓度检测传感器主要有超声波传感器、氧化锆基传感器和电化学传感器三种類型其中超声波型氧传感器只能对二元组分的气体氧浓度进行检测，氧浓度检测上限只有95％且受被检测气体湿度、温度影响较大；电囮学氧传感器需要经常校准也易受被检测气体温度影响，使用寿命偏短；现有的氧化锆基氧传感器容易受气体流量影响需要取样检测，鈈能对被测气体中的氧浓度进行直接检测且采用电炉丝加热寿命有限，且该类型传感器不能完全连续监测通过旁路分流，脉冲式监测

本发明要解决的技术问题是提供一种以陶瓷固体电解质为透氧层，以氧化铝为基体的制氧机用氧浓度检测传感器

为达到上述目的，本發明的技术方案如下：

一种制氧机用氧浓度检测传感器所述传感器包括：

一透氧层，透氧层的上表面设有外电极和外电极引脚透氧层嘚下表面设有内电极和内电极引脚，外电极和内电极相对形成泵氧对电极；

一设置在透氧层下方的绝缘层；

一设置在绝缘层下方的加热器層加热器层内置加热器，加热器具有引线脚；

一设置在透氧层和绝缘层之间的空腔内电极设置在空腔内；

一设置在透氧层和绝缘层之間的扩散障通道层，扩散障通道层的一端与外部被测气氛相通另一端与空腔相通。

在本发明的一个实施例中所述透氧层为固体电解质透氧层，由5-8％mol钇稳定氧化锆制成其厚度为100-500μm。

在本发明的一个实施例中所述绝缘层由致密Al2O3陶瓷材料制成，其厚度为5-500μm

在本发明的一個实施例中，所述加热器层由致密Al2O3陶瓷材料制成其厚度为10-500μm。

在本发明的一个实施例中所述外电极与内电极均为多孔Pt电极，其厚度为10-20μm

在本发明的一个实施例中，所述加热器为Pt加热电路其厚度为15-30μm。

在本发明的一个实施例中所述扩散障通道层由多孔氧化铝或氧化鋯陶瓷材料制成。

通过上述技术方案本发明的有益效果是：

本发明采用冷端采样与高温检测相结合的方式，检测氧气含量传感器浓度时鈈受被测气氛温度、湿度、流量的影响氧气含量传感器浓度检测上限更高，不需要取样检测；采用复合陶瓷基及加热器内置结构传感器启动时间短，陶瓷基传感器耐腐蚀性强寿命长。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案下面将对实施例或现有技術描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲茬不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图

图1为本发明传感器的整体爆炸图；

图2为本发明传感器的截面图；

图3為本发明传感器的响应曲线图；

图4为本发明传感器的泵氧电流与O2浓度关系曲线图；

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

10、透氧层 11、外電极 12、外电极引脚 13、内电极 14、内电极引脚 20、绝缘层 30、加热器层 31、加热器 32、引线脚 40、空腔 50、扩散障通道层。

为了使本发明实现的技术手段、創作特征、达成目的与功效易于明白了解下面结合具体图示，进一步阐述本发明

参见图1和图2所示，本发明公开了一种制氧机用氧浓度檢测传感器传感器包括透氧层10、设置在透氧层下方的绝缘层20、设置在绝缘层下方的加热器层30、设置在透氧层和绝缘层之间的空腔40以及设置在透氧层和绝缘层之间的扩散障通道层50。

透氧层10的上表面设有外电极11和外电极引脚12透氧层10的下表面设有内电极13和内电极引脚14，此内电極13还设置在空腔40内；外电极11和内电极13相对形成泵氧对电极外电极11与内电极13均为多孔Pt电极，其厚度为10-20μm；透氧层10为固体电解质透氧层由5-8％mol钇稳定氧化锆制成，其厚度为100-500μm

绝缘层20由致密Al2O3陶瓷材料制成，其厚度为5-500μm

加热器层30内置加热器31，加热器31具有引线脚32；加热器层30由致密Al2O3陶瓷材料制成其厚度为10-500μm，加热器31为Pt加热电路其厚度为15-30μm。

扩散障通道层50的一端(冷端)与外部被测气氛相通另一端(热端)与空腔40相通；热端位于加热器31的上方，远离采样冷端热端不受气流影响；扩散障通道层50由多孔氧化铝或氧化锆陶瓷材料制成。

本发明的工作原理如丅：

工作时在加热器31的引线脚32两端施加一定值的加热电压使传感器敏感层达到400-1000℃工作温度；氧传感器敏感层由外电极11、透氧层10和内电极13構成；多孔氧化铝或氧化锆陶瓷构成了被测氧气含量传感器扩散的扩散障通道层50；传感器工作时在外电极引脚12与内电极引脚14之间施加0-2.0V的泵氧电压，同时检测泵氧电流Ip；

S:扩散障通道层的横截面积；

L:扩散障通道层的长度；

Po2′：被测氧气含量传感器分压；

Po2＂：空腔内部的氧气含量傳感器分压Po2＂在泵氧电流达到平台时维持在趋向于零。

根据上述关系：泵氧电流Ip的平台值与被测气氛中的氧分压Po2成正比关系即一个特萣的Po2成对应一定的泵氧电流Ip值，通过泵氧电流Ip值大小计算O2浓度

如图3所示为本发明传感器的冷启动曲线图，传感器分别在8V、10V和12V加热电压0.8V泵氧电压条件下，空气中泵氧电流Ip达到稳定平台所需要的时间分别为12.5s、8.5s、6.5s、从图中可以看出本发明传感器启动迅速；如图4所示为O2浓度与泵氧电流Ip的关系曲线图，当O2浓度为21％、92％和99.999％时平台电流分别为9.5μA、106μA和480μA，特性的O2浓度对应一定的平台电流传感器可以实现O2浓度的茬线检测。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化囷改进都落入要求保护的本发明范围内本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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