專利名稱：一種多孔擴(kuò)散障極限電流型氧傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種氧傳感器，特別是采用中溫固體氧離子導(dǎo)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(kuò)散障極限電流型氧傳感器。
背景技術(shù)：
氧傳感器按原理可以分為濃差電勢(shì)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(kuò)散障型和致密擴(kuò)散型。極限電流型氧傳感器以其測(cè)量精度高、范圍廣、響應(yīng)時(shí)間快以及不需要參比氣體等優(yōu)點(diǎn)在冶金、食品和制氧工藝等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，極限電流型氧傳感器的固體電解質(zhì)絕多數(shù)是YSZ材料，由于這種材料只有在溫度大于800°C時(shí)才具有較高的氧離子電導(dǎo)率，這就導(dǎo)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(chǎn)生有害物質(zhì)、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(nèi)就具有較高氧離子電導(dǎo)率的材料替代YSZ作為氧傳感器的固體電解質(zhì)。目前，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的中溫固體氧離子導(dǎo)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(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,會(huì)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(chǎn)生電子導(dǎo)電現(xiàn)象，使得這兩種材料在應(yīng)用時(shí)受到了很大的限制。而LahSrxGahMgyCVs的電導(dǎo)率在同等條件下比YSZ材料優(yōu)越很多，而且在很寬的氧分壓范圍內(nèi)以及還原性氣氛中具有很好的性能穩(wěn)定性，因此這種材料被認(rèn)為是最有可能取代YSZ作為中溫固體氧離子導(dǎo)體材料的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀，而提供在溫度為600°C 700°C范圍內(nèi)即出現(xiàn)良好的極限電流平臺(tái)，且性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度好的一種多孔擴(kuò)散障極限電流型氧傳感器。該傳感器制造工藝簡(jiǎn)單、使用方便，具有氧濃度測(cè)量范圍廣，精度高，響應(yīng)時(shí)間短和使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種多孔擴(kuò)散障極限電流型氧傳感器，包括氧泵層和多孔擴(kuò)散障層，氧泵層為采用LahSrxGahMgyCVs材料燒結(jié)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(wǎng)印刷技術(shù)制有正電極層和負(fù)電極層，正電極層引出有正電極引線，負(fù)電極層引出有負(fù)電極引線，多孔擴(kuò)散障層為采用Al2O3材料燒結(jié)而成的直徑大于氧泵層并具有多孔結(jié)構(gòu)的圓形陶瓷薄片，該多孔擴(kuò)散障層同軸心一體連接在負(fù)電極層的下表面，多孔擴(kuò)散障層的上表面與負(fù)電極層的連接間形成有裸露的環(huán)形上平面，該環(huán)形上平面上以及氧泵層、正電極層和負(fù)電極層的外圓周面上密封有封裝層。為優(yōu)化上述技術(shù)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(kuò)散障層是具有多孔結(jié)構(gòu)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(fù)電極引線分別用于連接電源的正負(fù)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(fù)電極層以及正電極引線和負(fù)電極引線的材料均為鉬。上述的正電極層和負(fù)電極層的厚度均為20um。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型氧傳感器的氧泵層采用電導(dǎo)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(kuò)散障層為具有多孔結(jié)構(gòu)的Al2O3陶瓷片，因而產(chǎn)品在中溫范圍內(nèi)就能呈現(xiàn)較好的性能，出現(xiàn)良好的極限電流平臺(tái)，可測(cè)量氧濃度的范圍為O 80%，響應(yīng)時(shí)間在IOs 15s范圍內(nèi)。大大減輕了傳統(tǒng)氧傳感器需在800°C高溫環(huán)境下工作的情況，提高了氧傳感器的使用壽命。本實(shí)用新型制造工藝簡(jiǎn)單，性能穩(wěn) 定、測(cè)量范圍廣，具有檢測(cè)精度高，響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于在冶金、食品和制氧等領(lǐng)域。

圖I是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型在650°C的I-V曲線圖；圖3是本實(shí)用新型的極限電流值與氧濃度的關(guān)系圖；圖4是本實(shí)用新型的響應(yīng)時(shí)間曲線圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。其中的附圖標(biāo)記為氧泵層I ;多孔擴(kuò)散障層2 ;正電極層3 ;負(fù)電極層4 ;封裝層5 ;正電極引線6 ;負(fù)電極引線7 ;電源8 ;電流表9。圖I所示，本實(shí)用新型的一種多孔擴(kuò)散障極限電流型氧傳感器，包括氧泵層I和多孔擴(kuò)散障層2，氧泵層I為采用LahSrxGahMgyCVs材料燒結(jié)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(wǎng)印刷技術(shù)制有正電極層3和負(fù)電極層4，正電極層3引出有正電極引線6，負(fù)電極層4引出有負(fù)電極引線7，多孔擴(kuò)散障層2為采用Al2O3材料燒結(jié)而成的直徑大于氧泵層I并具有多孔結(jié)構(gòu)的圓形陶瓷薄片，該多孔擴(kuò)散障層2同軸心一體連接在負(fù)電極層4的下表面，多孔擴(kuò)散障層2的上表面與負(fù)電極層4的連接間形成有裸露的環(huán)形上平面，該環(huán)形上平面上以及氧泵層I、正電極層3和負(fù)電極層41的外圓周面上密封有封裝層5。本實(shí)用新型的氧泵層I采用LahSrxGapyMgyCVs材料制作，取代了傳統(tǒng)的YSZ材料，La1_xSrxGa1_yMgy03_5材料的電導(dǎo)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(nèi)以及還原性氣氛中具有很好的性能穩(wěn)定性，因此是作為中溫固體氧離子導(dǎo)體材料中最理想的材料。多孔擴(kuò)散障層2為Al2O3材料經(jīng)燒結(jié)制成的具有多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷薄片，因此環(huán)境中的氧分子可以通過其自由擴(kuò)散。本實(shí)用新型的產(chǎn)品在600°C 700°C下工作性能穩(wěn)定，出現(xiàn)良好的極限電流平臺(tái)，可測(cè)量氧濃度的范圍為O 80%，響應(yīng)時(shí)間在IOs 15s范圍內(nèi)，具有性能穩(wěn)定、測(cè)量范圍廣，檢測(cè)精度高，響應(yīng)時(shí)間短且使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。從圖I中可以看到，本實(shí)用新型在工作時(shí)可以在線路中增設(shè)電流表9。[0020]本實(shí)用新型的封裝層5為高溫密封玻璃釉。實(shí)施例中，正電極引線6和負(fù)電極引線7分別用于連接電源8的正負(fù)極。本實(shí)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(shí)用新型的正電極層3和負(fù)電極層4以及正電極引線6和負(fù)電極引線7的材料均為鉬。本實(shí)用新型的正電極層3和負(fù)電極層4的厚度均為20um。本實(shí)用新型的氧泵層I和多孔擴(kuò)散障層2經(jīng)燒結(jié)制成陶瓷圓片，燒結(jié)后氧泵層I的直徑約為7. 5mm,厚度約O. 6mm,多孔擴(kuò)散障層2的直徑大約是10. 5mm,厚度約為O. 7mm。本實(shí)用新型還提供了一種多孔擴(kuò)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(jī)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(kuò)散障層坯片；一次高溫?zé)Y(jié)將上述的氧泵層坯片和多孔擴(kuò)散障層坯片分別送入高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)制得致密的氧泵層陶瓷片和多孔結(jié)構(gòu)的多孔擴(kuò)散障層陶瓷片；電極層印刷采用高精度絲網(wǎng)印刷機(jī)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(fù)電極層，并同時(shí)從正電極層和負(fù)電極層分別引出正電極引線和負(fù)電極引線.二次高溫?zé)Y(jié)采用鉬漿粘連的方式將氧泵層陶瓷片具有負(fù)電極層的一面與上述的多孔擴(kuò)散障層陶瓷片連接起來并一起送入高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)制得一體結(jié)構(gòu)的氧傳感器坯件；成品再燒結(jié)將上述的氧傳感器坯件經(jīng)自然冷卻后在多孔擴(kuò)散障層裸露的上平面以及負(fù)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?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)制得本產(chǎn)品。上述的一次高溫?zé)Y(jié)中氧泵層坯片在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)的時(shí)間為2h至6h，爐溫為1350°C 1500°C ;所述多孔擴(kuò)散障層坯片在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)的時(shí)間為3h至6h，爐溫為 1500°C 1550°C。上述的二次高溫?zé)Y(jié)中，高溫?zé)Y(jié)爐的燒結(jié)溫度為900°C 1000°C，時(shí)間為lh。上述的成品再燒結(jié)中，高溫?zé)Y(jié)爐的燒結(jié)溫度為900°C，時(shí)間為Ih 3h。本實(shí)用新型的氧傳感器的工作原理是傳感器工作時(shí)，電源8給傳感器施加一工作電壓，電子由其負(fù)極流出，通過電流表9和負(fù)電極引線7流入負(fù)電極層4，在鉬的催化作用下與附近的氧分子發(fā)生反應(yīng)，使氧分子轉(zhuǎn)化成氧離子；氧離子在氧泵層I兩側(cè)的電勢(shì)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(huán)境中去；由于多孔擴(kuò)散障層2具備多孔結(jié)構(gòu)，所以環(huán)境中的氧分子可以通過其自由擴(kuò)散到負(fù)電極層4處，擴(kuò)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(dāng)大于多孔擴(kuò)散障層2的氧分子擴(kuò)散能力時(shí)，將出現(xiàn)極限電流平臺(tái)，即電流不隨電壓的增大而增大；因此多孔擴(kuò)散障層2的氧分子的擴(kuò)散能力決定了極限電流的大小，又由于制備好的多孔擴(kuò)散障層2的孔隙率為定值，所以外界氧濃度決定了其擴(kuò)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(duì)應(yīng)不同的極限電流。圖2所示為本實(shí)用新型在溫度650°C時(shí)，測(cè)得的I-V曲線圖，從圖中可以看出不同的氧濃度環(huán)境下，在電壓為O. 6V-1.2V時(shí)出現(xiàn)了不同的極限電流平臺(tái)，讀取各個(gè)極限電流平臺(tái)的極限電流值，發(fā)現(xiàn)其與氧濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，如圖3所示。所以，給傳感器施加一定電壓，根據(jù)電流表9顯示的電流值，結(jié)合其線性函數(shù)關(guān)系可以得到環(huán)境中的氧濃度大小，從而達(dá)到測(cè)量氧濃度的目的。同時(shí)，在650°C下，氧濃度在1%和40%之間來回變化，測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間曲線如圖4所示，從圖中可以得出，上升響應(yīng)時(shí)間為10s-15s，下降響應(yīng)時(shí)間為15s-20s，而且傳感器的重復(fù)性能較好。·
權(quán)利要求1.一種多孔擴(kuò)散障極限電流型氧傳感器，包括氧泵層(I)和多孔擴(kuò)散障層(2)，其特征是所述的氧泵層(I)為采用LahSrxGahMgyCVs材料燒結(jié)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(wǎng)印刷技術(shù)制有正電極層(3)和負(fù)電極層(4)，所述正電極層⑶引出有正電極引線(6)，所述負(fù)電極層⑷引出有負(fù)電極引線(7)，所述的多孔擴(kuò)散障層(2)為采用Al2O3材料燒結(jié)而成的直徑大于氧泵層(I)并具有多孔結(jié)構(gòu)的圓形陶瓷薄片，該多孔擴(kuò)散障層(2)同軸心一體連接在負(fù)電極層(4)的下表面，所述多孔擴(kuò)散障層(2)的上表面與負(fù)電極層(4)的連接間形成有裸露的環(huán)形上平面，該環(huán)形上平面上以及氧泵層(I)、正電極層(3)和負(fù)電極層(4)的外圓周面上密封有封裝層(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多孔擴(kuò)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(kuò)散障層(2)是具有多孔結(jié)構(gòu)的Al2O3陶瓷圓片，直徑大約是10.5mm,厚度約為 O. 7mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多孔擴(kuò)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(fù)電極引線(7)分別用于連接電源⑶的正負(fù)極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多孔擴(kuò)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(jù)權(quán)利要求4所述的一種多孔擴(kuò)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(fù)電極層⑷以及正電極引線(6)和負(fù)電極引線(7)的材料均為鉬。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多孔擴(kuò)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(fù)電極層⑷的厚度均為20um。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種多孔擴(kuò)散障極限電流型氧傳感器，包括氧泵層和多孔擴(kuò)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(fù)電極層，正、負(fù)電極層分別引出有正電極引線和負(fù)電極引線，多孔擴(kuò)散障層為采用Al2O3材料燒結(jié)而成的圓形陶瓷薄片，該多孔擴(kuò)散障層同軸心一體連接在負(fù)電極層的下表面，多孔擴(kuò)散障層的上表面與負(fù)電極層的連接間形成有裸露的環(huán)形上平面，該環(huán)形上平面上以及氧泵層、正電極層和負(fù)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?zé)Y(jié)、電極層印刷、二次高溫?zé)Y(jié)、成品再燒結(jié)等步驟。本實(shí)用新型制造工藝簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定、測(cè)量范圍廣，具有檢測(cè)精度高，響應(yīng)時(shí)間短及使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/407GK202710510SQ20122040511
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者陳康, 簡(jiǎn)家文, 顧媛媛, 江浩 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)