專利名稱：一種多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，具體地說是一種多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、機械強度好的一種多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，具有氧濃度測量范圍廣，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多孔擴散障極限電流型氧傳感器，包括氧泵層和多孔擴散障層，氧泵層為采用LahSrxGahMgyCVs材料燒結制成的圓形陶瓷片體，并且氧泵層的上表面和下表面分別采用絲網印刷技術制有正電極層和負電極層，正電極層引出有正電極引線，負電極層引出有負電極引線，多孔擴散障層為采用Al2O3材料燒結而成的直徑大于氧泵層并具有多孔結構的圓形陶瓷薄片，該多孔擴散障層同軸心一體連接在負電極層的下表面，多孔擴散障層的上表面與負電極層的連接間形成有裸露的環形上平面，該環形上平面上以及氧泵層、正電極層和負電極層的外圓周面上密封有封裝層。為優化上述技術方案，采取的措施還包括上述的封裝層為高溫密封玻璃釉；氧泵層為致密的LahSrxGanMgyCVs陶瓷圓片，直徑約為7. 5mm，厚度約O. 6mm ;多孔擴散障層是具有多孔結構的Al2O3陶瓷圓片，直徑大約是10. 5mm,厚度約為O. 7mm。上述的正電極引線和負電極引線分別用于連接電源的正負極。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。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的材料均為鉬。上述的正電極層和負電極層的厚度均為20um。與現有技術相比，本實用新型氧傳感器的氧泵層采用電導率在同等條件下比YSZ材料大2倍到4倍的LahSrxGahMgyCVs材料制作，多孔擴散障層為具有多孔結構的Al2O3陶瓷片，因而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，可測量氧濃度的范圍為O 80%，響應時間在IOs 15s范圍內。大大減輕了傳統氧傳感器需在800°C高溫環境下工作的情況，提高了氧傳感器的使用壽命。本實用新型制造工藝簡單，性能穩 定、測量范圍廣，具有檢測精度高，響應時間短的特點。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650°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。其中的附圖標記為氧泵層I ;多孔擴散障層2 ;正電極層3 ;負電極層4 ;封裝層5 ;正電極引線6 ;負電極引線7 ;電源8 ;電流表9。圖I所示，本實用新型的一種多孔擴散障極限電流型氧傳感器，包括氧泵層I和多孔擴散障層2，氧泵層I為采用LahSrxGahMgyCVs材料燒結制成的圓形陶瓷片體，并且氧泵層I的上表面和下表面分別采用絲網印刷技術制有正電極層3和負電極層4，正電極層3引出有正電極引線6，負電極層4引出有負電極引線7，多孔擴散障層2為采用Al2O3材料燒結而成的直徑大于氧泵層I并具有多孔結構的圓形陶瓷薄片，該多孔擴散障層2同軸心一體連接在負電極層4的下表面，多孔擴散障層2的上表面與負電極層4的連接間形成有裸露的環形上平面，該環形上平面上以及氧泵層I、正電極層3和負電極層41的外圓周面上密封有封裝層5。本實用新型的氧泵層I采用LahSrxGapyMgyCVs材料制作，取代了傳統的YSZ材料，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。多孔擴散障層2為Al2O3材料經燒結制成的具有多孔結構的陶瓷薄片，因此環境中的氧分子可以通過其自由擴散。本實用新型的產品在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 80%，響應時間在IOs 15s范圍內，具有性能穩定、測量范圍廣，檢測精度高，響應時間短且使用壽命長的特點。從圖I中可以看到，本實用新型在工作時可以在線路中增設電流表9。[0020]本實用新型的封裝層5為高溫密封玻璃釉。實施例中，正電極引線6和負電極引線7分別用于連接電源8的正負極。本實用新型的LahSrxGahMgyCVs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。本實用新型的正電極層3和負電極層4以及正電極引線6和負電極引線7的材料均為鉬。本實用新型的正電極層3和負電極層4的厚度均為20um。本實用新型的氧泵層I和多孔擴散障層2經燒結制成陶瓷圓片，燒結后氧泵層I的直徑約為7. 5mm,厚度約O. 6mm,多孔擴散障層2的直徑大約是10. 5mm,厚度約為O. 7mm。本實用新型還提供了一種多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坯片制備先用模具和油壓機將LahSrxGanMgyCVs粉體和Al2O3粉體分別壓制成直徑為IOmm的氧泵層坯片和直徑為13mm的多孔擴散障層坯片；一次高溫燒結將上述的氧泵層坯片和多孔擴散障層坯片分別送入高溫燒結爐中燒結制得致密的氧泵層陶瓷片和多孔結構的多孔擴散障層陶瓷片；電極層印刷采用高精度絲網印刷機在上述的氧泵層陶瓷片的上下兩面分別印刷上正電極層和負電極層，并同時從正電極層和負電極層分別引出正電極引線和負電極引線.二次高溫燒結采用鉬漿粘連的方式將氧泵層陶瓷片具有負電極層的一面與上述的多孔擴散障層陶瓷片連接起來并一起送入高溫燒結爐中燒結制得一體結構的氧傳感器坯件；成品再燒結將上述的氧傳感器坯件經自然冷卻后在多孔擴散障層裸露的上平面以及負電極層、氧泵層、正電極層的外周面上涂上玻璃釉再次送入高溫燒結爐中燒結制得本產品。上述的一次高溫燒結中氧泵層坯片在高溫燒結爐中燒結的時間為2h至6h，爐溫為1350°C 1500°C ;所述多孔擴散障層坯片在高溫燒結爐中燒結的時間為3h至6h，爐溫為 1500°C 1550°C。上述的二次高溫燒結中，高溫燒結爐的燒結溫度為900°C 1000°C，時間為lh。上述的成品再燒結中，高溫燒結爐的燒結溫度為900°C，時間為Ih 3h。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，電子由其負極流出，通過電流表9和負電極引線7流入負電極層4，在鉬的催化作用下與附近的氧分子發生反應，使氧分子轉化成氧離子；氧離子在氧泵層I兩側的電勢差作用下迅速被泵到正電極層3，之后在鉬的催化作用下脫離電子，重新變成氧分子，回到環境中去；由于多孔擴散障層2具備多孔結構，所以環境中的氧分子可以通過其自由擴散到負電極層4處，擴散能力由其孔隙率和外界氧濃度決定；而氧泵層I的泵氧能力隨著電壓的增大而增大，當大于多孔擴散障層2的氧分子擴散能力時，將出現極限電流平臺，即電流不隨電壓的增大而增大；因此多孔擴散障層2的氧分子的擴散能力決定了極限電流的大小，又由于制備好的多孔擴散障層2的孔隙率為定值，所以外界氧濃度決定了其擴散能力；所以，外界氧濃度決定了極限電流大小，即不同的氧濃度對應不同的極限電流。圖2所示為本實用新型在溫度650°C時，測得的I-V曲線圖，從圖中可以看出不同的氧濃度環境下，在電壓為O. 6V-1.2V時出現了不同的極限電流平臺，讀取各個極限電流平臺的極限電流值，發現其與氧濃度呈現良好的線性關系，如圖3所示。所以，給傳感器施加一定電壓，根據電流表9顯示的電流值，結合其線性函數關系可以得到環境中的氧濃度大小，從而達到測量氧濃度的目的。同時，在650°C下，氧濃度在1%和40%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，上升響應時間為10s-15s，下降響應時間為15s-20s，而且傳感器的重復性能較好。·
權利要求1.一種多孔擴散障極限電流型氧傳感器，包括氧泵層(I)和多孔擴散障層(2)，其特征是所述的氧泵層(I)為采用LahSrxGahMgyCVs材料燒結制成的圓形陶瓷片體，并且氧泵層(I)的上表面和下表面分別采用絲網印刷技術制有正電極層(3)和負電極層(4)，所述正電極層⑶引出有正電極引線(6)，所述負電極層⑷引出有負電極引線(7)，所述的多孔擴散障層(2)為采用Al2O3材料燒結而成的直徑大于氧泵層(I)并具有多孔結構的圓形陶瓷薄片，該多孔擴散障層(2)同軸心一體連接在負電極層(4)的下表面，所述多孔擴散障層(2)的上表面與負電極層(4)的連接間形成有裸露的環形上平面，該環形上平面上以及氧泵層(I)、正電極層(3)和負電極層(4)的外圓周面上密封有封裝層(5)。
2.根據權利要求I所述的一種多孔擴散障極限電流型氧傳感器，其特征是所述的封裝層(5)為高溫密封玻璃釉；氧泵層⑴為致密的LahSrxGapyMgyCVs陶瓷圓片，直徑約為7. 5mm，厚度約O. 6mm ;多孔擴散障層(2)是具有多孔結構的Al2O3陶瓷圓片，直徑大約是10.5mm,厚度約為 O. 7mm。
3.根據權利要求2所述的一種多孔擴散障極限電流型氧傳感器，其特征是所述的正電極引線(6)和負電極引線(7)分別用于連接電源⑶的正負極。
4.根據權利要求3所述的一種多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。
5.根據權利要求4所述的一種多孔擴散障極限電流型氧傳感器，其特征是所述的正電極層⑶和負電極層⑷以及正電極引線(6)和負電極引線(7)的材料均為鉬。
6.根據權利要求5所述的一種多孔擴散障極限電流型氧傳感器，其特征是所述的正電極層⑶和負電極層⑷的厚度均為20um。
專利摘要本實用新型公開了一種多孔擴散障極限電流型氧傳感器，包括氧泵層和多孔擴散障層，氧泵層為采用La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ材料制成的陶瓷片，氧泵層的上、下表面分別制有正電極層和負電極層，正、負電極層分別引出有正電極引線和負電極引線，多孔擴散障層為采用Al2O3材料燒結而成的圓形陶瓷薄片，該多孔擴散障層同軸心一體連接在負電極層的下表面，多孔擴散障層的上表面與負電極層的連接間形成有裸露的環形上平面，該環形上平面上以及氧泵層、正電極層和負電極層的外圓周面上密封有封裝層。其制造方法包括坯片制備、一次高溫燒結、電極層印刷、二次高溫燒結、成品再燒結等步驟。本實用新型制造工藝簡單，性能穩定、測量范圍廣，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G01N27/407GK202710510SQ20122040511
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