一种四电极电导率传感器的研制与实验

刘 洋，傅 巍，郑 伟，王洋洋，程振乾，秦 浩

（中国电子科技集团公司 第四十九研究所，哈尔滨 150001）

一种四电极电导率传感器的研制与实验

刘 洋，傅 巍，郑 伟，王洋洋，程振乾，秦 浩

（中国电子科技集团公司 第四十九研究所，哈尔滨 150001）

采用高温共烧结技术制备将工作电极与激励电极热压并一次共烧成一体的电导敏感芯体，测量范围0～200μS/ cm，精度小于±1.5 %FS。介绍了该电导传感器的测量原理、电路方案、封装结构及工艺流程。通过对其进行性能实验，验证该传感器具有测量精度高的特定，并考核了传感器的长期稳定性。

四电极；电导率传感器；稳定性；共烧结工艺技术

引言

电导率是电阻率的倒数，对于溶液而言，其电导率的高低直接反映了溶液导电的能力。通过测量电导率数值可以对工业用水、生活用水的水质进行检测，因而电导率的准确测量具有重要意义。电极式电导率传感器是根据电解电导原理通过电导池实现电导率测量的，电导池的性能与电极的大小、形状和位置密切相关。传统的机械加工方法制造的电导池，由于加工精度和材料强度的限制，难以实现电导池的一致性和小型化，对后续标定工作和安装调试带来一系列困难。而共烧结工艺技术可以批量地制成一致性较好的器件，极大提升了传感器性能，缩短了生产周期，降低了生产成本。

目前，国外一些电导率传感器技术先进国家为了提高测量精度，相继开发了以四电极、七电极为主的多电极电导率传感器，并在化工、医药、食品、海洋开发等领域得到了广泛应用。例如美国哈希公司、瑞士梅特勒公司、意大利HANNA公司[1]等都有相应产品，产品价格较高。国内生产的大多为二电极、三电极，落后于国际水平，且国内开发四电极电导率仪的公司较少[2]。

四电极式电导率传感器的工作电极（电压电极）和激励电极（电流电极）是相互分开且独立工作的，工作电极上的电流几乎为零，有效地避免了电极极化现象的产生。本文设计的传感器具有灵敏度高、抗污染能力强、防生物附着的特点，特别适用于水环境监测、航天工程、海洋环境监测等领域[3]。

1 工作原理

1.1 测量原理

电导率测量较为复杂，测量溶液的电导率时，电极表面会产生一系列电化学反应，即电极极化效应，从而影响测量精度。采用交流供电可以使电极上通过的电流近似为零，从而大大消除电极对溶液的电解作用[4]；四电极测量体系将电流电极和电压电极分开（见图1），进一步消除了电极极化的影响，这样就可以得到被测溶液等效电阻两端的准确电压值。

1.2 电解质导电机理

电流I与施于导体两端的电压V和电阻R的关系可由欧姆定律给出，见公式（1）所示。

在一定温度下，电阻值与导体的几何因素之间的关系见公式（2）

式中：

l—导体长度，m；

A—导体截面积，m2；

ρ—电阻率，Ω·m。

电解质溶液同样遵从欧姆定律，也具有电阻R，并服从式（2）。但在习惯上，用电导和电导率来表示溶液的导电能力。即见公式（3）～（5）。

因此有

式中：

G—电导，单位为西门子，简称西，符号为S，1S=1Ω-1；

k—电导率，表示边长为1m的立方体溶液的的电导，单位为S·m-1；

ρ—电阻率，Ω·m。

1.3 检测工作原理

四电极测量原理如图2所示，其中b、b′为电流电极（激励电极），a、a′为电压电极（工作电极），G为正弦波信号电压发生器。

由于集成运放A的输入阻抗足够高，使得流经电压电极a、a′两端的电流近似为零，这样电压电极上就不会产生极化电压，从而很大程度上消除了极化效应对测量的影响。电流电极两端施加了一个恒定的交流电压信号，由电压电极来感应产生电压，通过反馈电路调整电流，使电压电极两端的电压保持恒定。于是，通过电流电极间的电流和液体电导率成线性关系。根据电流和电压值，计算出液体的电导率值。由公式（6）表示：

式中：

S—电导率，S·m-1；

K—电导池常数，与四个电极的形状、位置、大小等因素有关；

VC—RC两端的固定压降（即电压电极之间的电压），V；

IC—通过电流电极的电流，A。

图1 四电极电导率测量原理

图2 四电极测量电导率原理图

2 四电极电导率传感器的设计研制

2.1 电极及支撑材料的选择

铂具有化学性能稳定、耐高温、耐腐蚀的特点，是理想的电极材料，采用金属铂电极可以提高传感器的测量精度和稳定性。使用氧化锆陶瓷作为基底材料，它具有膨胀系数小，抗压强度高，绝缘特性好，耐化学腐蚀的优点，可以保证电导池的几何尺寸保持不变。

2.2 工艺路线

四电极电导率传感器制造工艺包括：打孔、丝网印刷、烘干、对位叠片、真空塑封、温水等静压、切片、排胶、烧结、敏感元件安装等多道生产工艺，流程较长，工艺复杂。芯体制备的关键技术流程如图3所示。

2.3 电导池设计

采用开放式四电极电导池，具有开槽结构，具有良好的冲水性能，适合在管路系统中使用。电导池由极板1、极板2、极板间基片组成，将两电极板垂直地安装在陶瓷基座上，使电极所在的平面与水平面垂直，在测量空间水体电阻时，四电极电导池的感受水体在电导池壁边界层之外，不受电导池壁的阻挡，可免于边界层流的影响。电导池结构图如图4所示。

设计制作宽度10 mm，长度25 mm的陶瓷基片，中心设计有半径2.5 mm的圆盘形电流电极，外围的圆环形电极是电压电极，电流电极的面积是电压电极的2.5倍。面积较大的电流电极可以减小由电极阻抗引起的误差，增大电流灵敏度；环形的电压电极当有部分电极被污物覆盖时，其他未被覆盖的部分均能感应到电压信号，增强了电极的抗污物能力。结构示意图和实物图如图5和图6所示。

2.4 电极封装结构

电导池封装后应具有良好的密闭性，保证传感器能正常工作。使用封接浆料将两个电极支撑板固定在陶瓷基座上，并且严格控制两支撑板上电极轴心正对。选取线膨胀系数9.7×10-6（1/℃）的玻璃浆料作为两极板间的封接材料，它与氧化锆的线膨胀系数接近。在1 200 ℃高温下烧结成电导敏感芯体。玻璃封接实物图如图7所示。

3 测试与实验

3.1 传感器精度测试

图3 芯片制作工艺流程图

图4 电导池结构图

图5 电极结构示意图

测试过程中以标准电导率仪为参比标准。以KCL溶液的稀释液为测试溶液，使用胶头滴管或滴定管从低到高调节水槽中介质的电导率值，介质的电导率值由低到高取6个测试点，相应测试点分别为（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，依次记录标准电导率仪示值及传感器电导率输出电压值。传感器放置在温度为（25±2）℃的温度箱内，恒温水槽和标准电导率仪放置在操作台面上，通过管路连接恒温水槽和测试夹具，恒温水槽温度为（25±0.5）℃。

图6 电极实物图

图7 玻璃封接实物图

表1 传感器测试数据

取3次行程的电导率值和电压输出值进行精度计算得到工作直线方程，得到公式（7）。

式中：

U─ 传感器的电导率输出电压值，V；

K─ 溶液的参比电导率值，μS/cm；

a─ 方程的斜率（传感器的灵敏度），V/μS×cm-1；

b─ 方程的截距，V。

并计算出传感器在各点的校准值与工作直线间的最大偏差△K、满量程输出UFS及精度δ。

式中：

△K─ 传感器的最大偏差，V；

KLi─ 传感器对应KMi点的工作直线输出值，V；

KMi─ 传感器在第i个校准点的电导率输出值，V；

UES─ 传感器满量程输出值，V；

U200L─ 传感器在介质电导率200 μS/cm下的工作直线输出值，V；

U0L─ 传感器在介质电导率0 μS/cm下的工作直线输出值，V；

δ─ 传感器精度，%FS。

传感器的测试数据如表1所示。

经过计算得出，传感器的精度为0.38 %FS。

3.2 传感器输出的长期稳定性

图8所示为传感器输出电压的长期稳定性，在100 μS/cm的KCL溶液中通电工作6个月，每间隔一个月测量一次传感器全量程数据，比较电导率为200 μS/cm时传感器电导率输出的偏差。月偏差值约为0.8 %FS，到第六个月，传感器共偏差了4 %FS。

4 结论

图8 传感器长期稳定性

采用陶瓷高温共烧结工艺技术研制的四电极电导率传感器，传感器芯体烧结成为一体，工艺技术便于电极间相对面积和极板间距离的优化设计，可以满足宽量程、高精度的使用需求。芯体的尺寸可以做到更小，相对于其他形式的电导池,四个电极在工作时可以保持更低的功耗，满足在线监测的场合的应用。传感器的稳定性仍需进一步的考核。

[1]韩 威,丁海铭,马凌宇．四电极法电导率仪电计检测技术的探讨[J].中国计量, 2003(6) : 63．

[2]李建国.开放式四电极电导率传感器的研制与实验[J].海洋技术, 2005, 24(3):5-9．

[3]周明军,尤佳,秦浩,傅巍,刘其中,徐振忠.电导率传感器发展概况[J].传感器与微系统, 2010,29(4):9-11．

[4]张高燕,吴少华,赵湛.基于MEMS工艺的硅基四电极电导率与温度集成传感器芯片的研制[J].传感技术学报, 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

刘洋（1989-），男，黑龙江哈尔滨市人，本科，助理工程师，主要从事电导率传感器及氧传感器研究。