氧气传感器和测量待测氧气浓度的方法与流程

1.本公开的实施例涉及一种氧气传感器和使用该氧气传感器测量待测氧气浓度的方法。


背景技术：

2.氧气传感器是一种测定氧气浓度的传感器，通常利用氧敏陶瓷元件测量氧电势，根据化学平衡原理计算对应的氧浓度，并将其转化成对应的电信号输出。氧气传感器广泛应用于汽车、石油化工、消防、医疗机构、气体排放监测等行业。


技术实现要素：

3.本公开的实施例提供了一种与利用陶瓷敏感元件的传统的氧气传感器不同的新型氧气传感器，其利用在电驱动下能够产生氧空位导电细丝的材料充当氧气敏感元件来实现测量氧气浓度的目的。
4.本公开至少一实施例提供了一种氧气传感器。该氧气传感器包括衬底、第一电极、介质层和导电探针，第一电极设置在衬底上；介质层设置在第一电极远离衬底的一侧；其中，第一电极和导电探针被配置为向介质层施加驱动电压，以驱动介质层产生氧空位导电细丝。
5.可选地，氧气传感器包括多个检测区域，多个检测区域中的每个检测区域包含介质层的部分；导电探针和第一电极被配置为向多个检测区域中的至少一个检测区域所包含的介质层的部分施加驱动电压，以驱动介质层的该部分产生氧空位导电细丝。
6.可选地，氧气传感器还包括调制层，设置在第一电极和介质层之间并且具有储热属性和储氧属性。
7.可选地，氧气传感器还包括电源和检测电路，其中，电源具有第一极和第二极，被配置为在第一极和第二极分别与第一电极和导电探针连接的情况下，向介质层施加驱动电压或者向介质层施加小于驱动电压的检测电压，检测电路被配置为检测流经导电探针的电流，并基于所检测的电流确定待测氧气浓度。
8.可选地，介质层的材料包括氧化铪和氧化铪铝中的一种。
9.可选地，介质层的厚度是10至15纳米。
10.可选地，第一电极的材料包括氮化钛、铂、钯中的至少一种。
11.可选地，第一电极的厚度是30至40纳米。
12.可选地，调制层的材料包括钛、钽、氧化钽、铪和铝中的至少一种。
13.可选地，调制层的厚度是40至50纳米。
14.可选地，导电探针的用于施加电压的端部为圆形或矩形，且所述圆形的直径或所述矩形的长度大于1纳米小于100微米。
15.本公开至少一实施例还提供了一种使用如上的氧气传感器测量待测氧气浓度的方法。该方法包括：控制导电探针和第一电极向介质层施加驱动电压；和在介质层上执行氧
气浓度测试操作以确定待测氧气浓度。
16.可选地，控制导电探针和第一电极向介质层施加驱动电压包括：将导电探针接触介质层；将第一电极连接电源的第一极并将导电探针连接电源的第二极，以控制电源向介质层施加驱动电压；在介质层上执行氧气浓度测试操作，包括：停止施加驱动电压，并且从停止施加驱动电压的时刻开始，每经过预定时间间隔检测流经导电探针的电流；基于所检测的电流确定待测氧气浓度。
17.可选地，每经过预定时间间隔检测流经导电探针的电流，包括：每经过预定时间间隔，将第一电极连接电源的第一极并将导电探针连接电源的第二极，控制电源向介质层施加小于驱动电压的检测电压，以检测流经导电探针的电流。
18.可选地，基于所检测的电流确定待测氧气浓度，包括：基于所检测的电流确定电流随时间的变化速率；基于电流随时间的变化速率确定待测氧气浓度。
19.可选地，氧气传感器包括多个检测区域，多个检测区域中的每个检测区域包含介质层的部分，导电探针和第一电极被配置为向多个检测区域中的至少一个检测区域所包含的介质层的部分施加驱动电压，以驱动介质层的部分产生氧空位导电细丝，该方法包括：对于多个检测区域中的至少一个检测区域中的每一个检测区域：控制导电探针和第一电极向检测区域所包含的介质层的部分施加驱动电压；和在介质层的部分上执行氧气浓度测试操作以确定检测区域的氧气浓度，和基于至少一个检测区域中的每一个检测区域的氧气浓度确定待测氧气浓度。
20.可选地，控制导电探针和第一电极向检测区域所包含的介质层的部分施加驱动电压，包括：将导电探针接触介质层的部分；将第一电极连接电源的第一极并将导电探针连接电源的第二极，以控制电源向介质层的部分施加驱动电压；在介质层的部分上执行氧气浓度测试操作以确定检测区域的氧气浓度，包括：停止施加驱动电压，并且从停止施加驱动电压的时刻开始，每经过预定时间间隔检测流经导电探针的电流；以及基于所检测的电流确定检测区域的氧气浓度。
21.可选地，基于所检测的电流确定检测区域的氧气浓度，包括：基于所检测的电流确定电流随时间的变化速率；基于电流随时间的变化速率确定检测区域的氧气浓度。
22.可选地，每经过预定时间间隔检测流经导电探针的电流，包括：每经过预定时间间隔，将第一电极连接电源的第一极并将导电探针连接电源的第二极，控制电源向介质层的部分施加小于驱动电压的检测电压，以检测流经导电探针的电流。
23.可选地，基于至少一个检测区域中的每一个检测区域的氧气浓度确定待测氧气浓度，包括：将至少一个检测区域中的每一个检测区域的氧气浓度的平均值或中值确定为待测氧气浓度。
附图说明
24.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
25.图1是根据本公开至少一实施例的氧气传感器的结构示意图；
26.图2a至图2b是使用根据本公开一实施例的氧气传感器测量待测氧气浓度的原理示意图；
27.图3是根据本公开至少一实施例的另一氧气传感器的结构示意图；
28.图4是根据本公开至少一实施例的另一氧气传感器的结构示意图；
29.图5是根据本公开至少一实施例的另一氧气传感器的结构示意图；
30.图6是使用根据本公开至少一实施例的氧气传感器测量氧气浓度的方法的流程图；和
31.图7是使用根据本公开至少一实施例的氧气传感器测量氧气浓度的方法的流程图。
具体实施方式
32.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
33.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同物，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
34.氧气传感器是用于测量氧气浓度的传感器，传统的氧气传感器利用氧敏陶瓷元件测量氧电势，根据化学平衡原理计算对应的氧浓度，但这种氧气传感器制备复杂、寿命短、不可重复使用。鉴于此，本公开提供一种结构简单、易制备、寿命长、可重复使用的新型氧气传感器。
35.图1是根据本公开至少一实施例的氧气传感器100的结构示意图。
36.参考图1，氧气传感器100包括衬底110、第一电极120、介质层130和导电探针140。例如，衬底110可以是刚性基板或柔性基板，例如，刚性基板可以为硅片、蓝宝石衬底、碳化硅、玻璃基板、陶瓷基板、塑料基板等，柔性基板可以为塑料基板(例如，聚酰亚胺基板)、树脂基板等，本公开的实施例对此不做限定。
37.第一电极120设置在衬底110上，其可以是由铂、钯等金属材料或者氮化钛等合金材料形成的电极。第一电极120的厚度约为30纳米至40纳米，例如32纳米、35纳米或者38纳米等。
38.介质层130设置在第一电极120远离衬底110的一侧，介质层130的材料是其内部可以产生氧空位的材料，并且当被施加电压时，其内部的氧空位可以被聚集而形成氧空位导电细丝。例如，介质层130的材料可以是氧化铪和氧化铪铝等性质相似的材料中的一种。介质层130的厚度约为10纳米至15纳米，例如12纳米或者13纳米等。
39.导电探针140可以采用钨、钨琜合金等导电材料。若不考虑成本，还可以选择在上
述金属或硅等材料制成的探针表面镀氧化钛、铂、金等导电材料。导电探针140被布置为可以接触介质层130，也可以离开介质层130。例如，第一电极120和导电探针140被配置为向介质层130施加驱动电压u0，以驱动介质层130产生氧空位导电细丝。
40.例如，第一电极120和导电探针140上分别配置有用于连接电源的引线121、141，当第一电极120的引线121和导电探针140的引线141分别连接电源的第一极和第二极(例如，正极和负极)时，可以向介质层130施加驱动电压u0，以驱动介质层130产生氧空位导电细丝。
41.例如，导电探针140的端部可以是圆形、矩形或者是可以使得导电探针140与介质层130具有一定接触面积的其它形状，该端部形状可以根据需要设置成任意尺寸，常用的一般是大于1纳米小于100微米，例如5纳米、、500纳米、1微米或者10微米等。例如，当端部是圆形时，该圆形的直径大于1纳米小于100微米，当端部是矩形时，该矩形的长度大于1纳米小于100微米，当端部是正方形时，该正方形的边长大于1纳米小于100微米。此时，导电探针140的端部可以与介质层130具有足够的接触面积，以施加足够的电压，从而充分形成氧空位导电细丝。
42.以上描述的氧气传感器100具有体积小、结构简单等优点，并且相比于传统的使用氧敏陶瓷元件的氧气传感器需要造粒、定型、电极涂布、烧结成型等复杂工艺来说，只需要沉积、溅射等简单的制备工艺即可形成上述氧气传感器100。
43.图2a至图2b是根据本公开一实施例的氧气传感器100测量待测氧气浓度的原理示意图。
44.参考图2a，其示出的是氧气传感器100中的介质层130在被施加驱动电压u0时的状态(图中仅示出氧空位，未示出氧离子)。介质层130的材料可以是氧化铪、氧化铪铝等性质相似的材料中的一种。结合图1，当第一电极120的引线121和导电探针140的引线141分别连接电源的第一极和第二极(例如，正极和负极)，并且导电探针140的端部接触介质层130时，通过控制电源经由导电探针140和第一电极120向介质层130施加的电压的大小，使得介质层130中产生氧空位导电细丝，该电源可以是氧气传感器100的内置电源(如图4中的450所示)或可以与氧气传感器连接以向其供电的外部电源。
45.例如，对于材料为氧化铪的介质层130，对其施加大小为5v左右的驱动电压u0时，介质层130中的氧原子会电离成氧空位和氧离子，从而产生大量氧空位210，并且这些氧空位会聚集在一起而形成氧空位导电细丝211和212。氧空位导电细丝211和212连通上导电探针140和第一电极120，介质层130中产生的氧空位导电细丝越多，介质层130整体的导电能力越强，其电阻就越小；反之，介质层130中产生的氧空位导电细丝越少，介质层130整体的导电能力越弱，其电阻就越大。注意，图2a中为方便说明，仅示出两个氧空位导电细丝，实际上氧空位导电细丝的数量可以是更多个，本公开的实施例对此不做限制。
46.参考图2b，其示出的是氧气传感器100中的介质层130在被停止施加驱动电压u0之后的状态。经历了图2a的状态之后，停止施加在介质层130上的驱动电压u0，例如，关闭电源，此时，散布在环境中的氧原子通过介质层130的表面渗入介质层130内部，与氧空位导电细丝中包含的氧空位发生还原反应，使得氧空位导电细丝中包含的氧空位逐渐减少，介质层130的导电性逐渐减小，从而介质层130的电阻r1越来越大，直到氧空位导电细丝中包含的氧空位均被还原到一定程度，介质层130的电阻r1保持最大且不再变化。
47.同时，环境中的待测氧气浓度与介质层130的电阻r1随时间的变化速率(即，单位时间内电阻的变化量)有关。环境中的待测氧气浓度越高，预定时间间隔δt(例如，1秒)内从介质层130表面渗入介质层130中的氧原子也越多，预定时间间隔δt内氧空位导电细丝中被还原的氧空位也越多，从而预定时间间隔δt内介质层130的电阻变化量也越大。由此可知，环境中的待测氧气浓度与介质层130的电阻r1随时间的变化速率成正比，换言之，环境中的待测氧气浓度与介质层130的电流i1随时间的变化速率成正比。
48.由于测量i1比较方便，可以每经过预定时间间隔δt向介质层130施加检测电压u1来测量流经导电探针140的电流i1，然后，根据该电流i1随时间的变化速率推导出环境中的待测氧气浓度。例如，在图2b所示的状态下，将导电探针140接触介质层130，并控制电源向介质层130施加合适的检测电压u1，则导电探针140、介质层130和第一电极120构成通电回路，利用电流计等装置就能够读取流经导电探针140上的电流i1。需要注意的是，检测电压u1仅是为了方便检测流经导电探针140上的电流i1而施加的电压，其大小应足够小，例如至少小于驱动电压u0，以避免介质层130中的氧空位导电细丝因除了环境中氧气以外的因素而变化。例如，对于材料为氧化铪的介质层130，可使用约为0.2v的检测电压u1。
49.例如，图3是根据本公开至少一实施例的另一氧气传感器300的结构示意图。
50.参考图3，氧气传感器300中的衬底310、第一电极320、第一电极的引线321、介质层330、导电探针340、导电探针的引线341分别与图1中的氧气传感器100中的衬底110、第一电极120、第一电极的引线121、介质层130、导电探针140、导电探针的引线141基本相同。与氧气传感器100的不同之处在于，氧气传感器300中还包括调制层350，调制层350设置在第一电极320和介质层330之间，并且具有储热属性和储氧属性，例如，调制层350的材料可以是钛、钽、氧化钽、铪和铝中的至少一种。调制层350的厚度约为40纳米至50纳米，例如42纳米、45纳米或者48纳米等。
51.调制层350可以对介质层330产生氧空位导电细丝的功能进行调制。一方面，调制层350具有储热属性，在介质层330由于被施加驱动电压u0而产生焦耳热的情况下，调制层350可以降低介质层330所产生的焦耳热的衰减速度，这将有利于氧空位在介质层330中的分布更加均匀，形成的多条导电细丝也更加均匀，使得介质层130电阻r1随时间的变化速率也更加均匀。另一方面，调制层350还具有储氧属性，例如，将导电探针140连接电源的负极，并将第一电极120连接电源的正极，控制电源以向介质层130施加驱动电压u0，则介质层330中的氧离子在电场作用下向下移动，到达调制层350后被储存在调制层350中而不滞留在介质层330中，这有利于氧空位导电细丝在介质层330中的形成和稳定。
52.使用氧气传感器300测量待测氧气浓度的原理与结合图2a至图2b描述的氧气传感器100测量待测氧气浓度的原理基本相同。为避免重复，此处不再赘述。
53.以上描述的氧气传感器300除了具有与氧气传感器100类似的体积小、结构简单等优点之外，其包含的调制层350还能增强介质层330产生氧空位导电细丝的均匀性，使介质层330电阻变化速率更稳定，提高了氧气浓度的测量精度。
54.例如，图4是根据本公开至少一实施例的另一氧气传感器400的结构示意图。
55.参考图4，氧气传感器400中的衬底410、第一电极420、第一电极的引线421、介质层430、导电探针440、导电探针的引线441分别与图1中的氧气传感器100中的衬底110、第一电极120、第一电极的引线121、介质层130、导电探针140、导电探针的引线141基本相同。与氧
气传感器100的不同之处在于，氧气传感器400中还包括内置电源450和检测电路460。内置电源450具有第一极451和第二极452(例如，正极和负极)，并且被配置为在第一极451和第二极452分别与第一电极420和导电探针440连接的情况下，向介质层430施加驱动电压u0或者小于驱动电压u0的检测电压u1。
56.例如，内置电源450是体积小且所供应电压的大小可调的电源。检测电路460被配置为在介质层450被施加检测电压u1的情况下，检测流经导电探针440的电流i1，并基于所检测的电流i1确定待测氧气浓度。例如，检测电路460可以包括用于测量流经导电探针440的电流i1的电流计和用于根据所测量的电流i1确定待测氧气浓度的计算电路(图中未示出)。计算电路可以包括具有计算能力的可编程芯片，该芯片上被编程有用于根据所测量的电流i1确定待测氧气浓度的程序指令。
57.使用氧气传感器400测量待测氧气浓度的原理与结合图2a和图2b所描述的氧气传感器100测量待测氧气浓度的原理基本相同。为避免重复，此处不再赘述。
58.以上描述的氧气传感器400除了具有与氧气传感器100类似的体积小、结构简单等优点之外，配置在其内部的内置电源450和检测电路460使得无需另外配置外部电源或采取人工计算等低效率计算方式，提高了该氧气传感器的使用便利性。
59.需要注意的是，图3中描述的调制层350同样可以存在于图4中所示的氧气传感器400中，即第一电极410和介质层430之间还可以设置有与调制层350类似的结构，以调制介质层430产生氧空位导电细丝的功能。
60.例如，图5是根据本公开至少一实施例的另一氧气传感器500的结构示意图。
61.参考图5，氧气传感器500中的衬底510、第一电极520、第一电极的引线521、导电探针540、导电探针的引线541分别与图1中的氧气传感器100中的衬底110、第一电极120、第一电极的引线121、导电探针140、导电探针的引线141基本相同。与氧气传感器100的不同之处在于，氧气传感器500包括多个检测区域，其中每个检测区域包含介质层530的一部分。例如，如图5所示，以氧气传感器500包括8个检测区域作为示例，第一个检测区域包含介质层的部分531、第二个检测区域包含介质层的部分532，以此类推。换言之，氧气传感器500可以看作多个氧气传感器100的集成，第一电极520、介质层530的每个部分531至538以及第一电极520构成一个单独的检测区域，多个单独的检测区域的集成构成氧气传感器500。
62.图5中示出的介质层530具有8个部分仅仅是为了举例说明，介质层530的部分的数量可以根据介质层530的形状尺寸和导电探针的端部的形状尺寸确定。例如，在一些示例中，第一电极520和介质层530的尺寸可以为200
×
200nm2，导电探针540的端部为圆形，且该圆形的半径为10nm，此时，介质层530可以包括127个部分，即氧气传感器500可以构成127个单独的检测区域。又例如，在另一些示例中，第一电极520和介质层530的尺寸可以为1
×
1mm2，导电探针540的端部为圆形，且圆形的半径为5μm，此时，介质层可以包括12738个部分，即氧气传感器500可以构成12738个单独的检测区域。
63.例如，导电探针540和第一电极520被配置为向以上多个检测区域中的至少一个检测区域中的每一个检测区域所包含的介质层530的部分施加驱动电压u0，以驱动介质层530的该部分产生氧空位导电细丝。也就是说，导电探针540在介质层530上移动，当移动到介质层530的某个部分并向该部分施加驱动电压u0时，介质层530的该部分就产生氧空位导电细丝。导电探针540从介质层530的一个部分移动到另一个部分，就意味着其从一个检测区域
移动到另一个检测区域。对于每个检测区域，均可以如氧气传感器100那样测量待测氧气浓度。
64.例如，氧气传感器500的每一个检测区域类似于一个氧气传感器100，因此，对于每一个检测区域，测量待测氧气浓度的原理与结合图2a至图2b描述的氧气传感器100测量待测氧气浓度的原理基本相同。为避免重复，此处不再赘述。
65.例如，在使用时，可以针对多个检测区域中的至少一个检测区域(例如在多个检测区域)进行氧气浓度测量，并根据至少一个检测区域的测量结果获得最终的氧气浓度测量结果。例如，在多个检测区域中的至少一个检测区域中的每一个检测区域上执行测量氧气浓度并得到相应的测量结果后，可以取这些测量结果的统计量，例如包括但不限于平均值、中值等，作为氧气传感器500的测量结果。
66.以上描述的氧气传感器500取多个检测区域的测量结果的统计量作为最终的测量结果，提高了测量结果的准确度。
67.需要注意的是，图3中描述的调制层350和/或图4中描述的内置电源450、检测电路460同样可以存在于图5中所示的氧气传感器500中。例如，第一电极510和介质层的各个部分531至538之间还可以设置有与调制层350类似的结构，以调制介质层530的各个部分531至538产生氧空位导电细丝的功能。又例如，第一电极520的引线521和导电探针540的引线541之间还可以连接与内置电源450、检测电路460类似的结构，以方便地向介质层530施加电压和检测流经导电探针540的电流。此外，导电探针540的数量可以不止一个，例如，在能够配置多个导电探针540的情况下，可以使用该多个导电探针540同时测量氧气传感器500的多个检测区域，而无需像仅一个导电探针540时那样移动该一个导电探针540来依次地测量多个检测区域，从而可以减少完成测量所需的时间。
68.以上结合图1至图5描述了根据本公开实施例的氧气传感器100、300、400和500的结构，它们利用在其介质层中形成氧空位导电细丝后，介质层的电阻由于环境中氧气的渗入而发生变化，并且环境中的氧气浓度越高，电阻随时间的变化速率也越高的原理来测量环境中的待测氧气浓度，这些氧气传感器利用介质层作为氧气敏感元件，且具有结构简单、易于制备且工作机理清晰、尺寸小、寿命长、易于操作以及测量结果准确等优点。
69.下面详细描述使用上述氧气传感器100、300、400和500测量环境中待测氧气浓度的方法。由于氧气传感器100、300和400测量待测氧气浓度的方法是基本相同的，因此，为简便起见，下文仅通过图6和图7描述使用氧气传感器100和氧气传感器500测量待测氧气浓度的方法。
70.例如，图6是使用根据本公开至少一实施例提供的氧气传感器100测量待测氧气浓度的方法的流程图。
71.参考图6，使用氧气传感器100测量待测氧气浓度的方法包括步骤s610和s620。在步骤s610，控制导电探针140和第一电极120向介质层130施加驱动电压u0。在步骤s620，在介质层130上执行氧气浓度测试操作以确定待测氧气浓度。
72.例如，步骤s610可以包括子步骤s611和子步骤s612。
73.在子步骤s611，将导电探针140接触介质层130，具体地，将导电探针140的端部与介质层130接触。在介质层130的表面不平整的情况下，可以向导电探针140的端部施加小的压力以使其与介质层130具有一定的接触面积。例如，该接触面积为导电探针端部形状的面
积。由此，第一电极120、介质层130以及导电探针140可以形成金属
‑
绝缘体
‑
导电探针(metal
‑
insulator
‑
tip，mit)结构，同时构成回路。
74.在子步骤s612，将导电探针140连接电源的第一极(例如负极)并将第一电极120连接电源的第二极(例如正极)，以控制电源向介质层130施加驱动电压u0。例如，对于材料为氧化铪的介质层，驱动电压u0约为5v。电源可以是氧气传感器100的内置电源(如图4中的450所示)或者可以是与氧气传感器100连接以向其供电的外部电源。介质层130被施加驱动电压u0之后形成氧空位导电细丝，如图2a所示。
75.例如，步骤s620可以包括子步骤s621和子步骤s622。
76.在子步骤s621，停止施加驱动电压u0，并且从停止施加驱动电压u0的时刻开始，每经过预定时间间隔δt检测流经导电探针140的电流i1。在此步骤中，每经过预定时间间隔δt检测流经导电探针140的电流i1包括：每经过预定时间间隔δt，将导电探针140连接电源的第一极(例如负极)并将第一电极120连接电源的第二极(例如正极)，控制电源向介质层130施加小于驱动电压u0的检测电压u1，以检测流经导电探针140的电流i1。例如，对于材料为氧化铪的介质层，检测电压u1约为0.2v。
77.例如，给定预定时间间隔δt为1秒，在停止施加大小为5v的驱动电压u0后，从停止施加驱动电压u0的时刻开始经过1秒处，向介质层施加大小为0.2v的检测电压u1，测得流经导电探针140的电流i1＝i
11
；从停止施加驱动电压u0的时刻开始经过2秒处，向介质层施加大小为0.2v的检测电压u1，测得流经导电探针140的电流i1＝i
12
；从停止施加驱动电压u0的时刻开始经过3秒处，向介质层施加大小为0.2v的检测电压u1，测得流经导电探针140的电流i1＝i
13
，以此类推。可以每隔预定时间间隔δt测量n(n为大于1的整数)次流经导电探针140的电流。为使测量结果更加准确，测量导电探针140的电流的时间以几秒钟或几分钟之内为宜，如果时间太长(例如，大于等于10分钟)，测量结果可能由于受到除氧气之外的其他因素的影响而不够准确。
78.在子步骤s622，基于所检测的电流i1确定待测氧气浓度。在此步骤中，首先基于所检测的电流i1确定电流随时间的变化速率，然后基于电流随时间的变化速率确定待测氧气浓度。若测量次数大于2，得到电流i1随时间的多个变化速率，则取该多个变化速率的均值作为电流i1随时间的变化速率。
79.例如，根据在子步骤s621中已测得的电流i
11
、i
12
、i
13
，可以首先确定电流i1随时间的变化速率为
80.如前所述，待测氧气浓度与电流i1随时间的变化速率成正比，因此可以基于电流i1随时间的变化速率确定待测氧气浓度其中c为待测氧气浓度，k为比例常数。k的值可以通过实验获得，例如，利用在同等实验条件下传统氧气传感器测量待测氧气浓度的结果和基于电流i1随时间的变化速率计算出k值。
81.例如，方法600也同样适用于氧气传感器300和氧气传感器400，其中对于氧气传感器400，子步骤s621和s622可以由检测电路460执行。
82.例如，图7是使用根据本公开至少一实施例的氧气传感器500测量待测氧气浓度的方法的流程图。
83.如前所述，氧气传感器500包括多个检测区域，可以通过对多个检测区域中的至少一个检测区域测量氧气浓度，再取这些测量的氧气浓度的统计量，例如，包括但不限于平均值、中值，作为氧气传感器500的最终测量结果。
84.参考图7，使用氧气传感器500测量氧气浓度的方法可以包括步骤s710至步骤s730。其中，对于多个检测区域中的至少一个检测区域中的每一个区域执行子步骤s710和s720。
85.在步骤s710，控制导电探针540和第一电极520向该检测区域所包含的介质层530的部分(例如，图5中所示的部分531至538中的一个)施加驱动电压u0。
86.例如，步骤s710可以包括子步骤s711和子步骤s712。
87.在子步骤s711，将导电探针540接触介质层530的部分(例如图5中所示的部分531至538中的一个)，即将导电探针540的端部与介质层530的该部分接触。在介质层530的表面不平整的情况下，可以向导电探针540的端部施加小的压力以使其与介质层530的该部分具有一定的接触面积。例如，该接触面积为导电探针端部形状的面积。
88.在子步骤s712，将导电探针540连接电源的第一极(例如负极)并将第一电极520连接电源的第二极(例如正极)，以控制电源向介质层530施加驱动电压u0。电源可以是氧气传感器500的内置电源(如图4中的450所示)或者是可以与氧气传感器500连接以向其供电的外部电源。介质层530的该部分被施加驱动电压u0之后，该部分中的氧空位聚集而形成氧空位导电细丝，如图2a所示。
89.在步骤s720，在介质层530的该部分(例如，图5中所示的部分531至538中的一个)上执行氧气浓度测试操作以确定检测区域的氧气浓度。
90.步骤s720可以包括子步骤s721和子步骤s722。
91.在子步骤s721，停止施加驱动电压u0，并且从停止施加驱动电压u0的时刻开始，每经过预定时间间隔δt检测流经导电探针540的电流i1。在此步骤中，每经过预定时间间隔δt检测流经导电探针140的电流i1，包括：每经过预定时间间隔δt，将第一电极520连接电源的第一极(例如正极)并将导电探针540连接电源的第二极(例如负极)，控制电源向介质层530的该部分施加小于驱动电压u0的检测电压u1，以检测流经导电探针540的电流i1。此步骤的操作与前述方法600中的子步骤s621类似，为避免重复此处不再赘述。
92.在子步骤s722，基于所检测的电流i1确定待测氧气浓度。在此步骤中，基于所检测的电流i1确定电流随时间的变化速率，然后基于电流随时间的变化速率确定介质层530的该部分的氧气浓度。此步骤的操作与前述方法600中的子步骤s622类似，为避免重复此处不再赘述。
93.在步骤s730，基于至少一个检测区域中的每一个检测区域的氧气浓度确定待测氧气浓度。在此步骤中，将至少一个检测区域中的每一个检测区域的氧气浓度的统计量，包括但不限于每一个检测区域的氧气浓度的平均值或者中值，确定为待测氧气浓度。
94.例如，前述步骤s710和s720是在氧气传感器500的8个检测区域中的4个检测区域，分别对应于介质层530的部分531、533、535、537上执行的，并且在步骤s720中确定这4个检测区域的氧气浓度分别为c1、c3、c5和c7。则在步骤s730，可以将这4个检测区域的氧气浓度的平均值确定为待测氧气浓度，即c＝mean(c1,c3,c5,c7)，或者将这4个检测区域的氧气浓度的中值确定为待测氧气浓度，即c＝median(c1,c3,c5,c7)。
95.如此，本公开实施例提供了完全不同于传统的利用陶瓷敏感元件来测量氧气浓度的新型氧气传感器，例如前述氧气传感器100、300、400和500。这些氧气传感器利用在一定电压下能够产生氧空位导电细丝的材料充当氧气敏感元件来实现测量氧气浓度的目的，并且其具有结构简单、易于制备、整体尺寸小、可以反复使用、寿命长，且检测结果准确等优点。
96.此外，还有以下几点需要说明：
97.(1)本公开实施例的附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
98.(2)为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。
99.(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
100.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求及其等同物的保护范围为准。