極限電流型氧傳感器的製作方法

2023-07-27 15:12:21

專利名稱：極限電流型氧傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種極限電流型氧傳感器，尤其是採用中溫固體氧離子導體材料製作的極限電流型氧傳感器。
背景技術：
氧濃度的測量和控制在多種產業領域有著重要作用，尤其是在汽車、冶金和食品等領域中尤為重要。通常是利用氧傳感器測量環境中的氧濃度，其按原理劃分為濃差電勢型和極限電流型。其中極限電流型氧傳感器以其精度高，響應時間短，不需要參比氣體等優點而得到廣泛的應用。現在的氧傳感器基本上是採用釔穩氧化鋯固體電解質(YSZ)材料作為敏感材料，但是這種材料只有在溫度大於800°c時才具有較高的氧離子電導率，這就導致傳感器的工作溫度必須大於800°C。高溫工作帶來了一系列的問題，比如傳感器的使用壽命縮短、電極材料難以匹配、在三相界面處產生雜質以及能耗大等等。此外，傳統的極限電流型氧傳感器分為孔隙擴散障型(小孔或者多孔)(例如CN101561414A、CN101097209A)和混合導體緻密擴散障型(例如CN102187567A)。對於孔隙擴散障型氧傳感器，小孔的大小或者多孔結構的孔隙率在製作的過程中難以控制，且在長期的使用過程中容易發生形變或者堵塞現象，導致傳感器性能變差甚至失效。對於第二類傳感器，混合導體材料與固體電解質材料的熱膨脹係數以及燒結收縮率難以保持一致，導致這兩種材料難以共燒在一起。又CN101936942A公開一種極限電流型氧傳感器，其電解質層和緻密擴散障層為同一材料，這樣在燒結時由於兩者的收縮率一致不會出現開裂、起翹、分離等問題。然而該極限電流型氧傳感器的電解質層和緻密擴散障層的材料均為氧化鋯基材料或氧化鈰基材料，如前述，這種材料只有在較高溫度時才具有較高的氧離子電導率，限制了由其製成的氧傳感器的工作溫度。

發明內容
本發明的目的是提供一種不易開裂，容易共燒，且工作溫度較低、使用壽命長、性能穩定的極限電流型氧化傳感器。在上述現有技術的基礎上，本發明人認識到可採用中低溫固體材料La1_xSrxGa1_yMgy03_5來製備極限電流型氧化傳感器。在此，本發明提供一種極限電流型氧傳感器，包括電解質層和緻密擴散障層，其特徵在於，所述電解質層和緻密擴散障層均由中溫固體氧離子導體材料La^xSrxGa1IMgyCVs製成,其中O. I彡x彡O. 2,0. I彡y彡O. 2,O. I ≤δ ≤ O. 2ο與現有技術相比，本發明由於採用緻密擴散障層結構，避免了孔結構堵塞等問題對於傳感器性能的影響，以及孔結構的差異帶來的器件一致性問題；緻密擴散障層和固體電解質層採用相同的材料共燒結而成，不存在殘留應力，也沒有熱膨脹係數不匹配的問題；而且緻密擴散障層和固體電解質層均採用中溫固體氧離子導體材料製成，由於工作溫度較低，可以避免電極燒結等帶來的微結構和性能變化。因此該傳感器可以表現出優異的長期穩定性。較佳地，本發明的極限電流型氧傳感器還可包括位於所述緻密擴散障層上方的負電極層、位於所述緻密擴散障層和所述電解質層之間的等電位電極層、以及位於所述電解質層下方的正電極層，其中所述負電極層和等電位電極層相連。較佳地，本發明的極限電流型氧傳感器還可包括密封所述緻密擴散障層和電解質層之間的間隙的密封層。所述密封層可由玻璃釉製成。由於設置了密封層，氧傳感器的密封性更好，可更有效地防止漏氧。較佳地，所述負電極層和等電位電極層可通過鉬相連。所述負電極層、等電位電極層和正電極層可均由鉬製成。較佳地，本發明的極限電流型氧傳感器還可包括與所述負電極層連接的負電極引線、以及與所述正電極層連接的正電極引線。


圖I示出本發明氧傳感器的結構示意 圖2示出本發明氧傳感器在600°C的I-V曲線 圖3示出本發明氧傳感器的極限電流值與氧濃度的關係 圖4示出本發明氧傳感器的響應時間曲線圖。
具體實施例方式以下結合附圖及下述具體實施方式
進一步說明本發明，應理解，下述實施方式和/或附圖僅用於說明本發明，而非限制本發明。本發明提出採用中溫固體氧離子導體材料——La1_xSrxGa1_yMgy03_5(O. I彡X彡O. 2，O. I彡y彡O. 2，O. I彡δ ^ 0.2)製作緻密擴散障極限電流型氧傳感器。這種傳感器的固體電解質層材料和緻密擴散障層材料都是LahSrxGanMgyCVs，匹配性好，易於製作。緻密擴散障層上可設置有負電極層，固體電解質層下面可設置有正電極層，在緻密擴散障層和固體電解質層中間可設置有等電位電極層。可採用鉬漿將負電極層和等電位電極層連接在一起；負電極層連接了負電極引線，正電極層連接了正電極引線；在這兩層材料的連接處可設置有高溫密封釉，例如玻璃釉用於密封。下面進一步結合附圖詳細說明本發明。同樣應理解，以下示例只用於對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，本領域的技術人員根據本發明的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬於本發明的保護範圍。下述示例具體的反應溫度、時間投料量等也僅是合適範圍中的一個示例，即、本領域技術人員可以通過本文的說明做合適的範圍內選擇，而並非要限定於下文示例的具體數值。如圖I所示本發明的氧傳感器包括緻密擴散障層I、固體電解質層2、負電極層
3、等電位電極層4、正電極層5、密封層6、負電極引線7、正電極引線8、電源9、和電流表10。負電極層3設置在最上面，與負電極引線7相連，並通過鉬漿與等電位電極層4相連；正電極層5設置在最下面，與正電極引線8相連，並且與等電位電極層4分置於固體電解質層2兩側；等電位電極層4設置在最中間，上面連接緻密擴散障層1，下面連接固體電解質層2，並且在三者的連接處設置有密封層6。本發明的氧傳感器的緻密擴散障層I和固體電解質層2可採用常規燒結的方法製備先利用模具和油壓機將LahSrxGahMgyCVs粉體壓製成型，且放入高溫燒結爐中在1350 1500°C (例如1400°C)燒結2 6h (例如4h)成瓷；之後採用絲網印刷技術，在固體電解質層2印上正電極層5，以及在緻密擴散障層I兩側分別印上負電極層3和等電位電極層4，同時利用鉬漿將這兩層電極連接起來，再採用鉬漿粘連的方式將緻密擴散障層I和固體電解質層2連接在一起，同時在負電極層3處引出負電極引線7，在正電極層處引出正電極引線8，並一起在1000°C下燒結Ih ;最後，在緻密擴散障層I和固體電解質層2的連接處塗上玻璃釉，在900°C下燒結2h成為密封層6。製成的極限電流型氧傳感器具有以下特徵緻密擴散障層I和固體電解質層2為
同一種材料-La1_xSrxGa1_yMgy03_δ ;緻密擴散障層I是直徑大約為7. 5mm、厚度為O. 6mm左
右的陶瓷圓片；固體電解質層2是直徑大約為9. 8mm、厚度為O. 6mm左右的陶瓷圓片；負電極層3、等電位電極層4和正電極層5的材料為鉬，且厚度均為20um左右；密封層6的材料為高溫密封釉。本發明的氧傳感器的工作原理傳感器工作時，電源9給傳感器施加一工作電壓，電子由電源9的負極流出，經負電極引線7到達負電極層3，由於負電極層3的材料為鉬，在鉬的催化作用下，環境中的氧分子與電子發生反應變成氧離子，並聚集在負電極層3處，由於等電位電極層4處的氧離子濃度為0(氧離子被固體電解質層2泵走了)，且負電極層3與等電位電極層4之間電位相等(因有鉬相連)，則氧離子(純氧離子)在這兩層的氧離子濃度梯度的驅動下由負電極層3擴散至等電位層4處；而等電位層4與正電極層5之間存在電勢差，氧離子在其作用下立即被泵到正電極層5處，之後在鉬的催化作用下失去電子變成氧分子。當環境中的氧濃度和傳感器的工作溫度一定時，負電極層3處的氧離子濃度保持恆定，也就是說其與等電位電極層4的氧離子濃度差保持恆定，氧離子在緻密擴散障層I的擴散速率為定值；隨著電源9的電壓的增大，等電位層4與正電極層5的電勢差逐漸擴大，即固體電解質層2的泵氧能力逐漸增大，當其大於擴散障層I的擴散速率時，電路中的電流將不隨電壓的增大而增大，出現極限電流平臺，即擴散障層I的氧離子擴散速率決定極限電流的大小，但其與環境中的氧濃度有關，即不同的氧濃度環境下將會出現不同的極限電流值。圖2為600°C時傳感器的I-V特性曲線圖，從圖中可以看出在不同的氧濃度環境下，在電壓為O. 5V IV之間時出現不同的極限電流平臺，測氧濃度範圍為O 100%，讀取各個極限電流值，發現其與氧濃度具有特定的函數關係(如圖3所示)
權利要求
1.一種極限電流型氧傳感器，包括電解質層和緻密擴散障層，其特徵在於，所述電解質層和緻密擴散障層均由LahSrxGahMgyCVs製成，其中O. I≤x≤O. 2，O. I≤y≤O. 2，O. I≤ δ ≤ O. 2ο
2.根據權利要求I所述的極限電流型氧傳感器，其特徵在於，還包括位於所述緻密擴散障層上方的負電極層、位於所述緻密擴散障層和所述電解質層之間的等電位電極層、以及位於所述電解質層下方的正電極層，其中所述負電極層和等電位電極層相連。
3.根據權利要求2所述的極限電流型氧傳感器，其特徵在於，還包括密封所述緻密擴散障層和電解質層之間的間隙的密封層。
4.根據權利要求3所述的極限電流型氧傳感器，其特徵在於，所述密封層由玻璃釉製成。
5.根據權利要求2 4中任一項所述的極限電流型氧傳感器，其特徵在於，所述負電極層和等電位電極層通過鉬相連。
6.根據權利要求2 5中任一項所述的極限電流型氧傳感器，其特徵在於，所述負電極層、等電位電極層和正電極層均由鉬製成。
7.根據權利要求2 6中任一項所述的極限電流型氧傳感器，其特徵在於，還包括與所述負電極層連接的負電極引線、以及與所述正電極層連接的正電極引線。
全文摘要
本發明涉及一種極限電流型氧傳感器，包括電解質層和緻密擴散障層，所述電解質層和緻密擴散障層均由La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ製成，其中0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，0.1≤δ≤0.2。本發明的傳感器可表現出優異的長期穩定性。
文檔編號G01N27/409GK102944600SQ20121049278
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者簡家文, 王紹榮, 陳康 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所, 寧波大學