專利名稱：一種采用8YSZ和Al₂O₃材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及優(yōu)傳感器的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，適用于氣體中氧濃度檢測(cè)。
背景技術(shù)：
氧濃度的測(cè)量控制在各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都有著重要作用，尤其是在汽車、冶金、制氧行業(yè)中，目前在應(yīng)用的傳感器按其原理劃分有濃差電勢(shì)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(yīng)快，使用壽命長(zhǎng)以及使用過(guò)程中不需基準(zhǔn)氣體等優(yōu)點(diǎn)正得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)中的極限電流型氧傳感器，多采用8YSZ材料，其參雜有8%mol釔穩(wěn)定的氧化鋯ZrO2,由此材料作為電解質(zhì)層，因8YSZ的氧離子導(dǎo)電性最好，但其機(jī)械強(qiáng)度及抗震性 較差，因此需要支撐層加強(qiáng)氧傳感器的機(jī)械強(qiáng)度。現(xiàn)有技術(shù)中的支撐層多采用3YSZ，其參雜3%mol釔穩(wěn)定的氧化鋯Zr02、或YSZ+A1203混合層。而實(shí)際使用時(shí)，由于傳感器需在高溫下工作需要加熱器層，這時(shí)還需要在3YSZ或YSZ+A1203層再疊壓一層絕緣材料，這樣必然增加了制作的復(fù)雜性及成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種流程設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)牢靠、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、使用壽命長(zhǎng)及生產(chǎn)效率高的采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，包括相整體配制而成的正集電極、電解質(zhì)層、負(fù)集電極、支撐層及連接層，其整體配制方法包括有以下步驟
準(zhǔn)備步驟準(zhǔn)備電解層成型模具、支撐層成型模具、油壓機(jī)、高溫?zé)Y(jié)爐；及納米釔鋯粉體、玻璃軸、氧化招粉體；
電解層成型步驟將納米釔鋯粉體放入于電解層成型模具內(nèi)，利用油壓機(jī)壓制成電解層型坯體；
電解層固化步驟將電解層型坯體放置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行燒結(jié)固化成型，即成電解質(zhì)層；
支撐層成型步驟將氧化鋁粉體放入于支撐層成型模具內(nèi)，利用油壓機(jī)壓制成支撐層型坯體；
支撐層固化步驟將支撐層型坯體放置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行燒結(jié)固化成型，即成支撐
層；
集電極配置步驟在電解質(zhì)層上下表面中心分別配置正集電極和負(fù)集電極；
整體組裝配對(duì)步驟將配置好正負(fù)電極的電解質(zhì)層疊放于支撐層上平面，且擺位正確；
整體上釉步 驟在支撐層上平面、電解質(zhì)層兩側(cè)邊緣分別堆上玻璃釉，由玻璃釉將支撐層、電解質(zhì)層粘連成一半成品體；
整體固化步驟將半成品體置入于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)膛，啟動(dòng)高溫?zé)Y(jié)爐將半成品體燒結(jié)成型；加工時(shí)玻璃釉固化成連接層，正集電極和負(fù)集電極燒結(jié)時(shí)與電解質(zhì)層上下表面固化成一體。采取的措施還包括
上述的電解層固化步驟中高溫?zé)Y(jié)爐控制溫度范圍為1300°C至1500°C，燒結(jié)保溫時(shí)間范圍為I小時(shí)至4小時(shí)。上述的電解質(zhì)層2厚度為0.5毫米至I. 2毫米。上述的支撐層固化步驟中高溫?zé)Y(jié)爐控制溫度范圍為1450°C至1550°C，燒結(jié)保溫時(shí)間范圍為I小時(shí)至4小時(shí)。上述的支撐層4厚度為0. 5毫米至I毫米。上述的集電極配置步驟中，正集電極I、負(fù)集電極3與電解質(zhì)層2上下表面采用絲網(wǎng)印刷配制。上述的正集電極I、負(fù)集電極3采用鉬材料體，且鉬材料體上制有穿孔體。上述的正集電極I、負(fù)集電極3材料厚度范圍為18微米至20微米。上述的整體固化步驟中高溫?zé)Y(jié)爐控制溫度為900°C ;連接層5中的玻璃釉內(nèi)制有穿孔體。上述的正集電極I中間配裝有正極引線6，正極引線6另一端連接有電源8的正極端；負(fù)集電極3中間配裝有負(fù)極引線7，負(fù)極引線7另一端經(jīng)電流表9與電源8負(fù)極端連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括相整體配制而成的正集電極、電解質(zhì)層、負(fù)集電極、支撐層及連接層，其整體配制方法包括有以下步驟準(zhǔn)備步驟、電解層成型步驟、電解層固化步驟、支撐層成型步驟、支撐層固化步驟、集電極配置步驟、整體組裝配對(duì)步驟、整體上釉步驟及整體固化步驟。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)過(guò)程采用分次成型、燒結(jié)再最終燒結(jié)流程，工藝流程設(shè)計(jì)合理，整個(gè)結(jié)構(gòu)成型后可靠性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢靠；分次模塊結(jié)構(gòu)，易于對(duì)各個(gè)零件質(zhì)量的有效控制，產(chǎn)品質(zhì)量可控性強(qiáng)，利于提高整個(gè)構(gòu)件的使用壽命；采用高溫?zé)Y(jié)爐高溫?zé)Y(jié)方法，工藝制作技術(shù)成熟，生產(chǎn)效率提高，可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)；正負(fù)電極采用絲印方式，操作簡(jiǎn)單；帶孔結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)與電解質(zhì)層之間的粘邊牢靠；玻璃釉材質(zhì)，外表光亮平整；外置獨(dú)立電源和電流表，電源更換便捷，時(shí)時(shí)電流易觀察，做到電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控；支撐層材料采用氧化鋁，其系絕緣材料且機(jī)械性較優(yōu)簡(jiǎn)化了制備工藝難度，降低了制作成本。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的整體剖視結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的V-I工作特性曲線示意 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的極限電流對(duì)氧氣濃度的關(guān)系示意 圖4是本發(fā)明實(shí)施例響應(yīng)的時(shí)間曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖I至圖4所示，圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明如下正集電極1，電解質(zhì)層2，負(fù)集電極3，支撐層4，連接層5，正極引線6，負(fù)極引線7。本發(fā)明實(shí)施例，如圖I所示，一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，包括相整體配制而 成的正集電極I、電解質(zhì)層2、負(fù)集電極3、支撐層4及連接層5，其整體配制方法包括有以下步驟
準(zhǔn)備步驟準(zhǔn)備電解層成型模具、支撐層成型模具、油壓機(jī)、高溫?zé)Y(jié)爐；及納米釔鋯粉體、玻璃軸、氧化招粉體；
電解層成型步驟將納米釔鋯粉體放入于電解層成型模具內(nèi)，利用油壓機(jī)壓制成電解層型坯體；
電解層固化步驟將電解層型坯體放置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行燒結(jié)固化成型，即成電解質(zhì)層2 ；
支撐層成型步驟將氧化鋁粉體放入于支撐層成型模具內(nèi)，利用油壓機(jī)壓制成支撐層型坯體；
支撐層固化步驟將支撐層型坯體放置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行燒結(jié)固化成型，即成支撐層4;
集電極配置步驟在電解質(zhì)層2上下表面中心分別配置正集電極I和負(fù)集電極3 ； 整體組裝配對(duì)步驟將配置好正負(fù)電極的電解質(zhì)層2疊放于支撐層4上平面，且擺位正
確；
整體上釉步驟在支撐層4上平面、電解質(zhì)層2兩側(cè)邊緣分別堆上玻璃釉，由玻璃釉將支撐層4、電解質(zhì)層2粘連成一半成品體；
整體固化步驟將半成品體置入于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)膛，啟動(dòng)高溫?zé)Y(jié)爐將半成品體燒結(jié)成型；加工時(shí)玻璃釉固化成連接層5，正集電極I和負(fù)集電極3燒結(jié)時(shí)與所述的電解質(zhì)層2上下表面固化成一體。電解層固化步驟中高溫?zé)Y(jié)爐控制溫度范圍為1300°C至1500°C，燒結(jié)保溫時(shí)間范圍為I小時(shí)至4小時(shí)；電解質(zhì)層2厚度為0. 5毫米至I. 2毫米。電解質(zhì)層2的材料牌號(hào)為 8YSZ。整個(gè)過(guò)程采用分次成型、燒結(jié)再最終燒結(jié)流程，工藝流程設(shè)計(jì)合理，整個(gè)結(jié)構(gòu)成型后可靠性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢靠；分次模塊結(jié)構(gòu)，易于對(duì)各個(gè)零件質(zhì)量的有效控制，產(chǎn)品質(zhì)量可控性強(qiáng)，利于提高整個(gè)構(gòu)件的使用壽命；采用高溫?zé)Y(jié)爐高溫?zé)Y(jié)方法，工藝制作技術(shù)成熟，生產(chǎn)效率提高，可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。支撐層材料采用氧化鋁，而氧化鋁本身是理想的絕緣材料，機(jī)械性也優(yōu)于3YSZ材料或者YSZ+A1203混合材料，且價(jià)格便宜，使得氧化鋁層即可作為傳感器的支撐層又可作為加熱器的絕緣層，省去了傳統(tǒng)絕緣層制備，簡(jiǎn)化了制備工藝難度，降低了制作成本。支撐層固化步驟中高溫?zé)Y(jié)爐控制溫度范圍為1450°C至1550°C，燒結(jié)保溫時(shí)間范圍為I小時(shí)至4小時(shí)。支撐層4厚度為0. 5毫米至I毫米。集電極配置步驟中，正集電極I、負(fù)集電極3與電解質(zhì)層2上下表面采用絲網(wǎng)印刷配制。正集電極I、負(fù)集電極3采用鉬材料體，且鉬材料體上制有穿孔體。正集電極I、負(fù)集電極3材料厚度范圍為18微米至20微米。正負(fù)電極采用絲印方式，操作簡(jiǎn)單；帶孔結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)與電解質(zhì)層之間的粘邊牢靠。整體固化步驟中高溫?zé)Y(jié)爐控制溫度為900°C ;連接層5中的玻璃釉內(nèi)制有穿孔體。玻璃釉材質(zhì)，外表光亮平整。正集電極I中間配裝有正極引線6，正極引線6另一端連接有電源的正極端；負(fù)集電極3中間配裝有負(fù)極引線7，負(fù)極引線7另一端經(jīng)電流表與電源負(fù)極端連接。外置獨(dú)立電源和電流表，電源更換便捷，時(shí)時(shí)電流易觀察，做到電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本發(fā)明實(shí)施例的工作原理如下所述 電解質(zhì)層2和正集電極I、負(fù)集電極3構(gòu)成了氧泵。在一定外加電壓下，氧氣分子通過(guò)連接層5擴(kuò)散到負(fù)集電極3得到電子變成氧離子，氧離子通過(guò)電解層2內(nèi)的氧空位擴(kuò)散到正集電極I失去電子又變成氧分子，這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)了電流。電流的大小隨工作電壓的增大而增大。在一定的溫度下，氧離子在8YSZ電解質(zhì)層2中的擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)。當(dāng)加在電流型氧傳感器兩端的電壓超過(guò)SOOmV時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)連接層5擴(kuò)散過(guò)來(lái)氧離子數(shù)小于從氧泵層被泵出外界的氧離子數(shù)時(shí)，電流就不再隨電壓的增大而明顯增大，出現(xiàn)了電流平臺(tái)。圖2為700°C氧傳感器的V-I工作特性曲線，圖中可以看出在電壓0. 8V I. 8V之間出現(xiàn)電流平臺(tái)。如圖3所示，氧氣濃度與極限電流值成正比。根據(jù)氧傳感器極限電流值可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車尾汽等氣體環(huán)境中氧濃度的大小。如圖4所示，為700°C時(shí)，平臺(tái)電壓下，氧濃度從I. 4%至14%多次反復(fù)跳變，傳感器電流信號(hào)的變化，能夠看出氧傳感器的響應(yīng)速度在8秒以內(nèi)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)過(guò)程采用分次成型、燒結(jié)再最終燒結(jié)流程，工藝流程設(shè)計(jì)合理，整個(gè)結(jié)構(gòu)成型后可靠性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢靠；分次模塊結(jié)構(gòu)，易于對(duì)各個(gè)零件質(zhì)量的有效控制，產(chǎn)品質(zhì)量可控性強(qiáng)，利于提高整個(gè)構(gòu)件的使用壽命；采用高溫?zé)Y(jié)爐高溫?zé)Y(jié)方法，工藝制作技術(shù)成熟，生產(chǎn)效率提高，可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)；正負(fù)電極采用絲印方式，操作簡(jiǎn)單；帶孔結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)與電解質(zhì)層之間的粘邊牢靠；玻璃釉材質(zhì)，外表光亮平整；外置獨(dú)立電源和電流表，電源更換便捷，時(shí)時(shí)電流易觀察，做到電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控；支撐層材料采用氧化鋁，其系絕緣材料且機(jī)械性較優(yōu)簡(jiǎn)化了制備工藝難度，降低了制作成本。本發(fā)明的最佳實(shí)施例已被闡明，由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員做出的各種變化或改型都不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，包括相整體配制而成的正集電極(I)、電解質(zhì)層(2)、負(fù)集電極(3)、支撐層(4)及連接層(5)，其整體配制方法包括有以下步驟 準(zhǔn)備步驟準(zhǔn)備電解層成型模具、支撐層成型模具、油壓機(jī)、高溫?zé)Y(jié)爐；及納米釔鋯粉體、玻璃軸、氧化招粉體； 電解層成型步驟將納米釔鋯粉體放入于電解層成型模具內(nèi)，利用油壓機(jī)壓制成電解層型坯體； 電解層固化步驟將所述的電解層型坯體放置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行燒結(jié)固化成型，即成電解質(zhì)層⑵； 支撐層成型步驟將氧化鋁粉體放入于支撐層成型模具內(nèi)，利用油壓機(jī)壓制成支撐層型坯體； 支撐層固化步驟將所述的支撐層型坯體放置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行燒結(jié)固化成型，即成支撐層⑷； 集電極配置步驟在所述的電解質(zhì)層(2)上下表面中心分別配置正集電極(I)和負(fù)集電極⑶； 整體組裝配對(duì)步驟將配置好正負(fù)電極的電解質(zhì)層(2)疊放于支撐層(4)上平面，且擺位正確； 整體上釉步驟在所述的支撐層(4)上平面、電解質(zhì)層(2)兩側(cè)邊緣分別堆上玻璃釉，由玻璃釉將支撐層(4)、電解質(zhì)層(2)粘連成一半成品體； 整體固化步驟將所述的半成品體置入于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)膛，啟動(dòng)高溫?zé)Y(jié)爐將半成品體燒結(jié)成型；加工時(shí)玻璃釉固化成連接層(5)，正集電極(I)和負(fù)集電極(3)燒結(jié)時(shí)與所述的電解質(zhì)層(2)上下表面固化成一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，其特征是所述的電解層固化步驟中高溫?zé)Y(jié)爐控制溫度范圍為1300°C至1500°C，燒結(jié)保溫時(shí)間范圍為I小時(shí)至4小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，其特征是所述的電解質(zhì)層(2)厚度為0. 5毫米至I. 2毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，其特征是所述的支撐層固化步驟中高溫?zé)Y(jié)爐控制溫度范圍為1450°C至1550°C，燒結(jié)保溫時(shí)間范圍為I小時(shí)至4小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，其特征是所述的支撐層(4)厚度為0. 5毫米至I毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，其特征是所述的集電極配置步驟中，所述的正集電極(I)、負(fù)集電極(3)與電解質(zhì)層(2)上下表面采用絲網(wǎng)印刷配制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，其特征是所述的正集電極(I)、負(fù)集電極(3)采用鉬材料體，且鉬材料體上制有穿孔體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，其特征是所述的正集電極(I)、負(fù)集電極(3)材料厚度范圍為18微米至20微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，其特征是所述的整體固化步驟中高溫?zé)Y(jié)爐控制溫度為900°C ;所述的連接層(5)中的玻璃釉內(nèi)制有穿孔體。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，其特征是所述的正集電極(I)中間配裝有正極引線(6)，正極引線(6)另一端連接有電源的正極端；所述的負(fù)集電極⑶中間配裝有負(fù)極引線(7)，負(fù)極引線(7)另一端經(jīng)電流表與所述的電源負(fù)極端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用8YSZ和Al2O3材質(zhì)疊層制備的極限電流型氧傳感器，包括相整體配制而成的正集電極、電解質(zhì)層、負(fù)集電極、支撐層及連接層，其整體配制方法包括有以下步驟準(zhǔn)備步驟、電解層成型步驟、電解層固化步驟、支撐層成型步驟、支撐層固化步驟、集電極配置步驟、整體組裝配對(duì)步驟、整體上釉步驟及整體固化步驟；整個(gè)過(guò)程采用分次成型、燒結(jié)再最終燒結(jié)流程，工藝流程設(shè)計(jì)合理，整個(gè)結(jié)構(gòu)成型后可靠性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢靠；分次模塊結(jié)構(gòu)，易于對(duì)各個(gè)零件質(zhì)量的有效控制，產(chǎn)品質(zhì)量可控性強(qiáng)，利于提高整個(gè)構(gòu)件的使用壽命；采用高溫?zé)Y(jié)爐高溫?zé)Y(jié)方法，工藝制作技術(shù)成熟，生產(chǎn)效率提高，可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)；外置獨(dú)立電源和電流表，做到電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
文檔編號(hào)G01N27/409GK102721729SQ20111030822
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者周貞, 張秀芳, 簡(jiǎn)家文 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)