專利名稱：一種極限電流型氧傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧傳感器，尤其是涉及一種極限電流型氧傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的極限電流型氧傳感器可分為孔隙擴散障型(包括小孔擴散障型、多孔擴散 障型)和混合導(dǎo)體致密擴散障型，對于孔隙擴散障型氧傳感器，在長期的使用過程中，由于 其擴散障內(nèi)的孔隙會出現(xiàn)變形及氣體中固體顆粒物堵塞的現(xiàn)象，從而造成此類傳感器性能 的下降及失效。采用無孔結(jié)構(gòu)的混合導(dǎo)體致密擴散障型氧傳感器，雖克服了上述不足，但由 于敏感體是采用混合導(dǎo)體和固體電解質(zhì)以疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)合陶瓷，二者在燒結(jié)過程中收 縮率不一致，會導(dǎo)致復(fù)合陶瓷的開裂、起翹、分離等問題，再者由于二者熱膨脹系數(shù)的差異， 在使用過程會導(dǎo)致傳感器開裂，降低致密擴散障層的密封性，破壞了氧傳感器的測氧能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電解質(zhì)層和致密擴散障層使用同一種材 料、易于加工制造、測氧能力強、使用壽命長的極限電流型氧傳感器。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種極限電流型氧傳感器，包括 電解質(zhì)層、致密擴散障層、正集電極層和負集電極層，所述的正集電極層設(shè)置在所述的電解 質(zhì)層下表面，所述的電解質(zhì)層和所述的致密擴散障層為同一種材料，均為氧化鋯基陶瓷或 氧化鈰基陶瓷，所述的負集電極層設(shè)置在所述的電解質(zhì)層和所述的致密擴散障層之間，用 于分隔所述的電解質(zhì)層和所述的致密擴散障層，所述的致密擴散障層上表面設(shè)置有等電位 電極層，所述的等電位電極層和所述的負集電極層由一條導(dǎo)線相連接。所述的負集電極層側(cè)面的周圍設(shè)置有用來密封所述的致密擴散障層和所述的電 解質(zhì)層之間間隙的封裝層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于電解質(zhì)層和致密擴散障層為同一種材料， 均為氧化鋯基陶瓷或氧化鈰基陶瓷，在燒結(jié)過程中由于二者收縮率一致不會出現(xiàn)陶瓷的開 裂、起翹、分離等問題；由于二者熱膨脹系數(shù)相同，在使用過程中傳感器不易開裂，致密擴散 障層的密封性好，氧傳感器的測氧能力強；由于封裝層的設(shè)置，氧傳感器的密封性更好，更 有效地防止漏氧。


圖1為本發(fā)明氧傳感器的整體剖視結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明氧傳感器的整體俯視結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明氧傳感器的V-I工作特性曲線圖。圖4為本發(fā)明氧傳感器極限電流對氧氣濃度的關(guān)系圖。圖5為本發(fā)明氧傳感器響應(yīng)的時間曲線。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。如圖1所示，圖中正集電極層1 ；正集電極層引線2;負集電極層3;負集電極層引 線4 ；等電位電極層5 ；等電位電極層引線6 ；致密擴散障層7 ；電解質(zhì)層8 ；封裝層9 ；電源 10 ；電流表11。本發(fā)明是一種以8%mol釔穩(wěn)定氧化鋯(8YSZ)為致密擴散障層7和固體電 解質(zhì)層8材料的極限電流型氧傳感器，由等電位電極層5、致密擴散障層7、負集電極層3、 電解質(zhì)層8、正集電極層1和封裝層9構(gòu)成，正集電極層1設(shè)置在電解質(zhì)層8下表面，負集 電極層3設(shè)置在電解質(zhì)層8和致密擴散障層7之間，將電解質(zhì)層8和致密擴散障層7分隔 開，等電位電極層5設(shè)置在致密擴散障層7上表面，在正集電極層1上連接有正集電極層引 線2，在負集電極層3上連接有負集電極層引線4，在等電位電極層5上連接有等電位電極 層引線6，負集電極層引線4和等電位電極層引線6相連接，封裝層9設(shè)置在致密擴散障層 7和電解質(zhì)層8之間的負集電極層3的側(cè)面的周圍，并包覆在致密擴散障層7和電解質(zhì)層8 除被等電位電極層5和正集電極層1覆蓋之外的表面上，如圖2所示，封裝層9與正集電極 層1、等電位電極層5之間留有一定的間隙。其中正集電極層1、負集電極層3和等電位電 極層5均為多孔的Pt電極，電解質(zhì)層8和致密擴散障層7均為8YSZ氧化物陶瓷體，封裝層 9為玻璃釉。使用時將正集電極層引線2與電源10的正極相連接，負集電極層引線4與電 源10的負極相連接，并在電源10和正集電極層引線2之間串接一電流表11。制成的極限電流型氧傳感器具有以下特征電解質(zhì)層8和致密擴散障層7為同 一種氧化物陶瓷材料8YSZ，電解質(zhì)層8厚度為0. 5 2. 5mm,致密擴散障層7厚度為0. 3 1.0mm;正集電極層1、負集電極層3以及等電位電極層5均為多孔的Pt電極，厚度均約 20mmo本發(fā)明氧傳感器的工作原理電解質(zhì)層8和正集電極層1、負集電極層3構(gòu)成了氧 泵。在正集電極層1與負集電極層3之間外加一電源10，電源10的正極與正集電極層引 線2相連，電源10的負極與負集電極層引線4相連。在電源10的電場作用下，在電解質(zhì)層 8內(nèi)氧離子由負集電極層3側(cè)快速向正集電極層1側(cè)泵運，隨著電源10電壓的加大，使得 負集電極層3表面氧離子濃度降至低濃度直至趨于零。負集電極層引線4和等電位電極層 引線6相連接，消除了由于8YSZ致密擴散障層7的負集電極層3側(cè)與等電位電極層5側(cè)氧 離子濃度不平衡帶來的濃差電勢，使得氧離子在致密擴散障層7中的擴散僅由兩側(cè)的氧離 子濃度差驅(qū)動。封裝層9的設(shè)置用于防止漏氧，增強了傳感器的密閉性，提高了傳感器的測 氧能力。在一定的溫度和外部氧濃度下，氧離子在8YSZ致密擴散障層7中的擴散系數(shù)為常 數(shù)，當加在正集電極層1與負集電極層3之間的電壓超過一定電壓(例如300mV)時，單位時 間內(nèi)從致密擴散障層7擴散的氧離子數(shù)趨于恒定，使得從電解質(zhì)層8被泵出外界的氧離子 數(shù)也趨于恒定，電流表11中的電流就不再隨電壓的增大而明顯地改變，此時會出現(xiàn)電流平 臺現(xiàn)象，并且不同的外部氧濃度對應(yīng)于不同的電流平臺。圖2為700°C時氧傳感器的V-I工 作特性曲線，從圖中可以看出在電壓為0. 3V 1.2V之間出現(xiàn)對應(yīng)不同外部氧濃度的電流 平臺。選取電流平臺對應(yīng)的電流值即極限電流值，發(fā)現(xiàn)其與外部氧氣濃度呈現(xiàn)出特定的函 數(shù)關(guān)系，如圖3所示。因此根據(jù)該氧傳感器極限電流值就可以實現(xiàn)實時監(jiān)測外部環(huán)境中氧 濃度的大小。另由700°C下，氧傳感器輸出電流信號隨外部氧濃度值在4. 97%至49. 93%之 間多次反復(fù)變化的情況能夠看出，該氧傳感器的響應(yīng)速度很快且重復(fù)性很好，如圖4所示。
權(quán)利要求
一種極限電流型氧傳感器，包括電解質(zhì)層、致密擴散障層、正集電極層和負集電極層，所述的正集電極層設(shè)置在所述的電解質(zhì)層下表面，其特征在于所述的電解質(zhì)層和所述的致密擴散障層為同一種材料，均為氧化鋯基陶瓷或氧化鈰基陶瓷，所述的負集電極層設(shè)置在所述的電解質(zhì)層和所述的致密擴散障層之間，用于分隔所述的電解質(zhì)層和所述的致密擴散障層，所述的致密擴散障層上表面設(shè)置有等電位電極層，所述的等電位電極層和所述的負集電極層由一條導(dǎo)線相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極限電流型氧傳感器，其特征在于所述的負集電極層側(cè)面的 周圍設(shè)置有用來密封所述的致密擴散障層和所述的電解質(zhì)層之間間隙的封裝層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種極限電流型氧傳感器，包括電解質(zhì)層、致密擴散障層、正集電極層和負集電極層，正集電極層設(shè)置在電解質(zhì)層下表面，特點是電解質(zhì)層和致密擴散障層為同一種材料，均為氧化鋯基陶瓷或氧化鈰基陶瓷，負集電極層設(shè)置在電解質(zhì)層和致密擴散障層之間，用于分隔電解質(zhì)層和致密擴散障層，致密擴散障層上表面設(shè)置有等電位電極層，等電位電極層和負集電極層由一條導(dǎo)線相連接，優(yōu)點在于在燒結(jié)過程中不會出現(xiàn)陶瓷的開裂、起翹、分離等問題，使用過程中傳感器不易開裂，致密擴散障層的密封性好，氧傳感器的測氧能力強。
文檔編號G01N27/409GK101936942SQ20101026152
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者簡家文, 鄒杰 申請人:寧波大學(xué)