專利名稱：一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種氧傳感器，特別是采用中溫固體氧離子導體材料制作的一種極限電流型氧傳感器，具體地說是一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器。
背景技術：
氧傳感器按原理可以分為濃差電勢型和極限電流型，而極限電流型氧傳感器又可以分為孔隙擴散障型和致密擴散型。極限電流型氧傳感器以其測量精度高、范圍廣、響應時間快以及不需要參比氣體等優點在冶金、食品和制氧工藝等領域得到越來越廣泛的應用。目前，極限電流型氧傳感器的固體電解質絕多數是YSZ材料，由于這種材料只有在溫度大于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于800°C，高溫 工作帶來了一系列的問題，比如在三相界面處產生有害物質、電極材料難以匹配以及能量消耗大等。為了解決這些問題，就迫切需要降低傳感器的工作溫度，而途徑之一是尋找一種在中溫范圍內就具有較高氧離子電導率的材料替代YSZ作為氧傳感器的固體電解質。目前，現有技術中已經發現的中溫固體氧離子導體材料主要有δ-Β 203、&02和LahSrxGahyMgyCVs三種材料。但是由于δ-Bi2O3材料的結構不穩定,會隨著溫度的變化而變化；&02在還原性氣氛中Ce4+容易被還原成Ce3+而產生電子導電現象，使得這兩種材料在應用時受到了很大的限制。而LahSrxGahMgyCVs的電導率在同等條件下比YSZ材料優越很多，而且在很寬的氧分壓范圍內以及還原性氣氛中具有很好的性能穩定性，因此這種材料被認為是最有可能取代YSZ作為中溫固體氧離子導體材料的。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是針對上述現有技術現狀，而提供在溫度為600°C 700°C范圍內即出現良好的極限電流平臺，且性能穩定、機械強度好的一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器。該傳感器制造工藝簡單、使用方便，具有測量精度高，響應時間短和使用壽命長的特點。本實用新型解決上述技術問題所采用的技術方案為一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器，包括小孔擴散障層和氧泵層，小孔擴散障層和氧泵層均為LahSrxGahMgyCVs材料采用流延法制備的陶瓷薄片，小孔擴散障層疊置在氧泵層的上表面，并且小孔擴散障層和氧泵層的疊置間密封式壓裝有帶有負電極引線的負電極層，該小孔擴散障層的中心縱向貫通制有用于連通外部環境和負電極層上表面的擴散小孔，氧泵層下表面設置有帶有正電極引線的正電極層，正電極引線和負電極引線分別用于連接電源的正負極，小孔擴散障層和氧泵層采用高溫燒結成一體。為優化上述技術方案，采取的措施還包括上述的擴散小孔的孔徑為29um至31um。上述的正電極層和負電極層以及正電極引線和負電極引線均為鉬材料制作而成。上述的小孔擴散障層和氧泵層均為長度為4. 7mm至4. 9mm,厚度為O. 34mm至O.36mm正方體結構的陶瓷薄片。上述的正電極層和負電極層的厚度均為19um至21um。上述的LahSrxGanMgyCVs材料中其中x和y的取值范圍分別為O. I彡x彡O. 2和O. I彡y彡O. 2。與現有技術相比，本實用新型氧傳感器的氧泵層和小孔擴散障層均采用電導率在同等條件下比YSZ材料大2倍到4倍的LahSrxGapyMgyCVs材料制作，因而不僅避免了傳統技術中因兩種材料收縮率不同共燒易引起的質量缺陷，而且使本產品在中溫范圍內就能呈現較好的性能，出現良好的極限電流平臺，從而使本實用新型具有更長的使用壽命。本實用新型可測量氧濃度的范圍為O 5%，響應時間在15s左右。本實用新型的特點是性能穩定、機械強度好，檢測精度高，可廣泛應用于在冶金、食品和制氧等領域。

圖I是本實用新型實施例的結構示意圖；圖2是本實用新型在700°C的I-V曲線圖；圖3是本實用新型的極限電流值與氧濃度的關系圖；圖4是本實用新型的響應時間曲線圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的實施例作進一步詳細描述。其中的附圖標記為小孔擴散障層I、氧泵層2、負電極層3、正電極層4、擴散小孔
5、負電極引線6、正電極引線7、電源8、電流表9。圖I所示，本實用新型的一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器，包括小孔擴散障層I和氧泵層2,小孔擴散障層I和氧泵層2均為LahSrxGahyMgyCVs材料采用流延法制備的陶瓷薄片，小孔擴散障層I疊置在氧泵層2的上表面，并且小孔擴散障層I和氧泵層2的疊置間密封式壓裝有帶有負電極引線6的負電極層3，該小孔擴散障層I的中心縱向貫通制有用于連通外部環境和負電極層3上表面的擴散小孔5，氧泵層2下表面設置有帶有正電極引線7的正電極層4，正電極引線7和負電極引線6分別用于連接電源8的正負極，小孔擴散障層I和氧泵層2采用高溫燒結成一體。本實用新型的小孔擴散障層I和氧泵層2均采用LahSrxGahMgyCVs材料制作，小孔擴散障層I和氧泵層2兩者通過共燒的方式連接在一起。使用LahSrxGanMgyCVs材料取代傳統的YSZ材料，是因為其具有優良的性能，La1_xSrxGa1_yMgy03_5材料的電導率是同等條件下YSZ材料的2倍到4倍，而且在很寬的氧分壓范圍內以及還原性氣氛中具有很好的性能穩定性，因此是作為中溫固體氧離子導體材料中最理想的材料。本實用新型在600°C 700°C下工作性能穩定，出現良好的極限電流平臺，可測量氧濃度的范圍為O 5%，響應時間在15s左右。產品具有性能穩定、檢測精度高，機械強度好和使用壽命長的特點。從圖I中可以看出，本實用新型在電源8的正極和正電極引線7的連接線間安裝有電流表9。為了進一步提高本產品的質量性能，實施例中，本實用新型的擴散小孔5的孔徑為29um至31um。優選為30um。實施例中，本實用新型的正電極層4和負電極層3以及正電極引線7和負電極引線6均為鉬材料制作而成。實施例中，本實用新型的小孔擴散障層I和氧泵層2均為長度為4. 7mm至4. 9mm,厚度為O. 34mm至O. 36mm正方體結構的陶瓷薄片。小孔擴散障層I和氧泵層2的長度優選為4. 8mm,厚度優選為O. 35mm。實施例中，本實用新型的正電極層4和負電極層3的厚度均為19um至21um。優選為 20um。實施例中，本實用新型的LahSrxGapyMgyCVs材料中其中x和y的取值范圍分別為
O.I彡X彡O. 2和O. I彡y彡O. 2。本實用新型還提供了一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器的制造方法，該方法包括以下步驟A、采用常規燒結方法利用流延成型技術將LahSrxGahMgyCVs流延片裁切成兩片長度均為6. 5mm的正方形小片；B、將上述的兩片正方形小片中的一片利用細鋼針在其中心穿孔，制得含有擴散小孔的小孔擴散障層坯件；C、將上述余下的另一片正方形小片利用絲網印刷技術在其上表面印刷上負電極層，并同時引出負電極引線制得氧泵層坯件；D、將小孔擴散障層坯件疊在印刷有負電極層一面的氧泵層坯件上，并利用油壓機將小孔擴散障層坯件和氧泵層坯件的外側的四周壓緊；E、將上述疊放壓緊后的小孔擴散障層坯件和氧泵層坯件送入高溫燒結爐中共燒，得到一體的含有小孔擴散障層和氧泵層的致密陶瓷體氧傳感器坯件；F、將共燒后的氧傳感器坯件經自然冷卻后在氧泵層的底面利用絲網印刷技術印刷上正電極層，同時引出正電極引線；G、將上述的印刷有正電極層的氧傳感器坯件再次送入高溫燒結爐中燒結制得本
女口
廣叩ο上述的步驟E中高溫燒結爐共燒的溫度為1350°C 1500°C，時間為2h 6h。上述的步驟G中高溫燒結爐的燒結溫度為900°C 1000°C，時間為Ih 2h。本實用新型的氧傳感器的工作原理是傳感器工作時，電源8給傳感器施加一工作電壓，電子由電源8的負極流出，經負電極引線6流入負電極層3，在鉬的催化作用下與附近的氧分子發生反應，變成氧離子；由于氧泵層2兩側存在電勢差，所以氧離子迅速被泵到正電極層4處，并在鉬的催化作用下失去電子，變成氧分子，重新回到環境中，而電子經正電極引線7和電流表9回到電源8中；環境中的氧分子能通過擴散小孔5自由擴散到負電極層3處，由于擴散小孔5的孔徑大小一定，則擴散小孔5的氧分子擴散能力只與外界環境的氧濃度有關；而氧泵層2的泵氧能力即氧離子擴散速率是隨著電壓的增大而增大，所以當大于擴散小孔5的擴散能力時，將出現極限電流平臺，即電流的大小不隨電壓的變化而變化。也就是說擴散小孔5的擴散能力決定了極限電流的大小，即外界環境中的氧濃度決定了極限電流的大小，不同的氧濃度對應不同的極限電流平臺。圖2為當溫度為700°C時，測得的I-V曲線圖，不同的氧濃度環境下，在電壓為O. 25-VO. 8V時出現不同的極限電流平臺。讀取各個極限電流平臺的電流值，發現其與氧濃度呈現很好的線性關系，如圖3所示。同時，在700°C下，氧濃度在1%和5%之間來回變化，測得的響應時間曲線如圖4所示，從圖中可以得出，上升響應時間和下降響應時間均為20s左右，而且 傳感器的重復性較好。
權利要求1.一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器，包括小孔擴散障層(I)和氧泵層(2)，其特征是所述的小孔擴散障層(I)和氧泵層(2)均為LahSrxGahMgyCVs材料采用流延法制備的陶瓷薄片，所述的小孔擴散障層(I)疊置在氧泵層(2)的上表面，并且小孔擴散障層(I)和氧泵層(2)的疊置間密封式壓裝有帶有負電極引線￠)的負電極層(3)，該小孔擴散障層(I)的中心縱向貫通制有用于連通外部環境和負電極層(3)上表面的擴散小孔(5)，所述的氧泵層⑵下表面設置有帶有正電極引線(7)的正電極層(4)，所述的正電極引線(7)和負電極引線(6)分別用于連接電源⑶的正負極，所述的小孔擴散障層⑴和氧泵層⑵采用高溫燒結成一體。
2.根據權利要求I所述的一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器，其特征是所述的擴散小孔(5)的孔徑為29um至31um。
3.根據權利要求2所述的一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器，其特征是所述的正電極層⑷和負電極層⑶以及正電極引線(7)和負電極引線(6)均為鉬材料制作而成。
4.根據權利要求3所述的一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器，其特征是所述的小孔擴散障層(I)和氧泵層(2)均為長度為4. 7mm至4. 9mm,厚度為O. 34mm至O. 36mm正方體結構的陶瓷薄片。
5.根據權利要求4所述的一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器，其特征是所述的正電極層⑷和負電極層⑶的厚度均為19um至21um。
6.根據權利要求5所述的一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器，其特征是所述的La1_xSrxGa1_yMgy03_5材料中其中x和y的取值范圍分別為O. I彡x彡O. 2和O. I彡y彡O. 2。
專利摘要本實用新型公開了一種小孔擴散障極限電流型氧傳感器，包括小孔擴散障層和氧泵層，小孔擴散障層和氧泵層均為La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ材料采用流延法制備的陶瓷薄片，小孔擴散障層疊置在氧泵層的上表面，并且小孔擴散障層和氧泵層的疊置間密封式壓裝有帶有負電極引線的負電極層，該小孔擴散障層的中心縱向貫通制有用于連通外部環境和負電極層上表面的擴散小孔，氧泵層下表面設置有帶有正電極引線的正電極層，正電極引線和負電極引線分別用于連接電源的正負極，小孔擴散障層和氧泵層采用高溫燒結成一體，其高溫燒結的溫度1350℃～1500℃。本實用新型制造工藝簡單，性能穩定、機械強度好，具有檢測精度高，響應時間短及使用壽命長的特點。
文檔編號G01N27/409GK202710512SQ20122040511
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月16日 優先權日2012年8月16日
發明者陳康, 簡家文, 顧媛媛, 江浩 申請人:寧波大學