CN101561414A - 一种极限电流型氧传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极限电流型氧传感器及其制备方法，采用流延片成型技术多层叠压共烧，将加热器和敏感体通过叠压高温共烧形成一个整体，成为一个真正的直接加热结构，在氧传感器的小孔氧化锆层和氧化锆基层之间的多孔负集电极可以充当扩散室，不需要再另行设置扩散室；优点在于具有性能稳定，结构简单，体积小，快速响应等特点；本发明氧传感器工作时外加0.6－1V的工作电压V_W和2－5v的加热电压V_H，可检测氧气浓度范围为0.1－75％，响应时间小于2秒，适用于较宽氧浓度的检测；而一次性整体烧结，可以达到简化工艺、降低生产成本及节约资源的目的。

Description

一种极限电流型氧传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于氧浓度测量控制的氧传感器，尤其是涉及一种极限电流型氧传感器及其制备方法。

背景技术

氧浓度的测量控制在各种产业领域都有着重要的作用，尤其在食品、医药和制氧行业。现有的用于氧浓度测量控制的氧传感器按其原理划分有浓差电势型和极限电流型，其中极限电流型氧传感器以其测试精度高，响应速度快，使用寿命长以及使用过程中不需基准气体等特点正得到广泛应用。现有的极限电流型氧传感器主要是采用粉体干压成型技术烧结氧化锆电解质片，再依靠玻璃釉内封形成扩散室，因而存在尺寸小，电解质片定位困难和密封性不够等问题，且内电极易被玻璃釉覆盖而减弱泵氧能力；同时现有的制备方法工艺复杂，容易造成资源浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种极限电流型氧传感器及其制备方法，该传感器具有更宽范围检测功能，且制备工艺简单，能够降低生产成本，节约资源。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种极限电流型氧传感器，包括加热器、敏感体和封装层，所述的加热器由加热体和绝缘层构成，所述的敏感体包括设置在所述的绝缘层上部的氧化锆基层、设置在所述的氧化锆基层上部的小孔氧化锆层、设置在所述的小孔氧化锆层上表面的多孔正集电极和设置在所述的小孔氧化锆层与所述的氧化锆基层之间的多孔负集电极，所述的小孔氧化锆层上设置有一个贯通所述的小孔氧化锆层的扩散孔。

所述的扩散孔的孔径范围为50-200um。

所述的小孔氧化锆层的厚度为0.1-0.35mm，所述的氧化锆基层的厚度为0.2-0.4mm。

所述的加热体的材料为具有正温度电阻特性(PTC)的金属材料。

所述的小孔氧化锆层和所述的氧化锆基层为具有5-10％摩尔钇含量的氧化锆生瓷片。

上述的极限电流型氧传感器的制备方法，包括以下步骤：

A采用公知的流延成型技术制成氧化锆基层和小孔氧化锆层；

B采用厚膜丝网印刷技术在所述的氧化锆基层外表面上印制绝缘层；

C采用厚膜丝网印刷技术在所述的绝缘层上印刷加热体构成加热器；

D采用厚膜丝网印刷技术在所述的小孔氧化锆层上表面印制多孔正集电极并设置一个贯通所述的小孔氧化锆层的扩散孔；

E采用厚膜丝网印刷技术在所述的氧化锆基层的上表面印制多孔负集电极；

F将所述的加热器、所述的氧化锆基层和所述的小孔氧化锆层依层次准确堆叠在一起，形成整体结构后，在高温炉中保温一段时间后烧结成型，并在除多孔正集电极外的各层边沿上涂上密封玻璃釉，形成封装层。

所述的绝缘层是以氧化铝为材料采用厚膜丝网印刷技术成型在所述的氧化锆基层的下表面。

所述的加热器、所述的氧化锆基层和所述的小孔氧化锆层依层次准确堆叠在一起后，在60℃温度，25MP压力下形成整体结构，在350℃-400℃排胶20-24个小时，再放入烧结炉中在1450℃-1550℃保持2-3个小时烧结成型。

所述的多孔正集电极和所述的多孔负集电极是由铂浆料采用厚膜丝网印刷技术印制成型。

所述的扩散孔是将所述的小孔氧化锆层烘干后，再用钢针在小孔氧化锆层中间穿孔得到。

与现有技术相比，本发明的优点在于在氧传感器的小孔氧化锆层和氧化锆基层之间的多孔负集电极可以充当扩散室，不需要再另行设置扩散室；在制备过程中采用流延片成型技术多层叠压共烧，将加热器和敏感体通过叠压高温共烧形成一个整体，成为一个真正的直接加热结构，且扩散孔的一致性好，因而具有性能稳定，结构简单，体积小，快速响应等特点；本发明氧传感器工作时外加0.6-1v的工作电压V_W和2-5v的加热电压V_H，可检测氧气浓度范围为0.1-75％，响应时间小于2秒，适用于较宽氧浓度的检测；而一次性整体烧结，可以达到简化工艺、降低生产成本及节约资源的目的；加热体的材料选用具有正温度电阻特性(PTC)的金属材料，能起到加热功率自动稳定的作用；小孔氧化锆层和氧化锆基层的材质为5-10％摩尔钇含量氧化锆，兼顾了材料的强度和热稳定性，同时也保证了材料的高温离子导电性。

附图说明

图1是本发明氧传感器的内部结构示意图；

图2是本发明氧传感器加热体分布的结构示意图；

图3是本发明氧传感器的负集电极分布的结构示意图；

图4是本发明氧传感器的工作原理图；

图5是本发明氧传感器的电压-电流特性图；

图6是本发明氧传感器的氧浓度-饱和电流特性图；

图7是本发明氧传感器的时间响应曲线示意图。

附图标记说明：

封装层1、多孔正集电极2、小孔氧化锆层3、多孔负集电极4、氧化锆基层5、绝缘层6、加热体7、敏感体8、加热器9、扩散孔10、负集电极接线引脚11、扩散室12、电源I 13、电源II 14、导线15。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种极限电流型氧传感器，包括加热器9、敏感体8和封装层1，加热器9由具有正温度电阻特性的铂金属制成的加热体7和绝缘层6构成，敏感体8包括设置在绝缘层6上部的厚度为0.3mm的氧化锆基层5和设置在氧化锆基层5上部的厚度为0.2mm的小孔氧化锆层3，小孔氧化锆层3和氧化锆基层5为具有5％摩尔钇含量的氧化锆生瓷片，小孔氧化锆层3上表面设置有多孔正集电极2，小孔氧化锆层3与氧化锆基层5之间设置有多孔负集电极4，小孔氧化锆层3上设置有一个贯通小孔氧化锆层3的孔径为100um左右的扩散孔10，多孔负集电极4的一端在氧化锆基层5上表面向外延伸设置有负集电极接线引脚11，在小孔氧化锆层3和氧化锆基层5之间的多孔负集电极4可以充当扩散室12，电源I 13通过导线15在加热器9上施加3.6v的加热电压V_H，提供传感器工作所需的温度，电源II 14也通过导线15在小孔氧化锆层3上的多孔正集电极2和多孔负集电极4间施加变化的工作电压V_W。

上述的极限电流型氧传感器在制备时，先采用公知的流延成型技术制成两片具有5％摩尔钇含量的氧化锆生瓷片，一片厚度为0.3mm作为氧化锆基层5，另一片厚度为0.2mm作为小孔氧化锆层3，采用厚膜丝网印刷技术，将铂电极浆料印制在氧化锆基层5上表面，得多孔负集电极4，为了连线方便，多孔负集电极4的一端在氧化锆基层5上表面向外延伸并最终形成负集电极接线引脚11；将氧化铝浆料印制在氧化锆基层5下表面，得绝缘层6，再将具有正温度电阻特性的铂金属浆料印制在绝缘层6上，得加热体7，绝缘层6和加热体7构成加热器9；将铂电极浆料印制在小孔氧化锆层3的上表面，得多孔正集电极2，50℃烘干后再用细钢针在小孔氧化锆层3中间穿孔，得扩散孔10；将加热器9、氧化锆基层5和小孔氧化锆层3依层次准确堆叠在一起，在60℃温度，25MP压力下形成整体结构后，在350℃-400℃温度排胶24个小时，再放入烧结炉中在1450℃-1550℃保持2个小时烧结成型；烧结后在多孔正集电极2外的的各层边沿上涂上密封玻璃釉，形成封装层1，保证扩散室12的密封性以及加强传感器的结构强度。

使用本发明的方法制造出的极限电流型氧传感器，其工作原理如图4所示：

电源I 13通过导线15在加热器9上施加3.6v的加热电压，提供传感器工作所需的温度；电源II 14也通过导线15在小孔氧化锆层3上的多孔正集电极2和多孔负集电极4间施加变化的工作电压V_W，多孔正集电极2接电源II 14的正极，多孔负集电极4接电源II 14的负极。在此电压的作用下，多孔正集电极2和多孔负集电极4上将产生如下电化学反应：

多孔负集电极4：O₂+4e＝2O^2-

多孔正集电极2：2O^2--4e＝O₂

多孔负集电极4附近的氧气不断的被泵到多孔正集电极2而使扩散室12内的氧浓度小于外界氧浓度，浓度差形成了外界氧气通过扩散孔10向扩散室12的气体扩散过程。

该反应在电路上表现为电流I的产生，该电流随着施加工作电压V_W的增加而增大，促使扩散室12中的氧浓度与外界的氧浓度差加大，并带来外界通过扩散孔10向扩散室12气体扩散流量的显著增大。但当电压V_W增加大某一值时，一定氧浓度下，气体扩散流量达到极限，泵氧能力受扩散孔10气体扩散能力的制约，也达到极限，出现了回路电流不再变化的极限饱和平台，称极限电流I_L。根据Ficks扩散法则和法拉第定理，极限电流值I_L与氧浓度的理论关系为：

$I_L=-\frac{4\mathrm{FSDP}}{\mathrm{RTL}}\ln (1-X_{o_2})$

式中：F-法拉第常数；R-气体常数；D-氧扩散系数；T-绝对温度；S-扩散孔截面积；X_O2-氧浓度；L-扩散孔长度；P-环境气体总压力。从该式中可以看出，通过输出极限电流I_L实现了氧浓度的电信号测量。图5所示为加热器9施加3.6V加热电压V_H时，氧传感器的V-I工作特性曲线。图中可以看出，氧浓度在0.1％-75％范围，工作电压V_W在0.6-1V之间均出现电流饱和平台，得到极限电流I_L。通过图5得到氧浓度与极限电流值I_L的关系曲线图6。图中可以看出，氧浓度与极限电流值I_L的关系与上述理论的高度符合。图7为氧传感器的时间响应曲线，表现出很好的重复性和小于2秒的快速响应。

本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1、一种极限电流型氧传感器，包括加热器(9)、敏感体(8)和封装层(1)，其特征在于所述的加热器(9)由加热体(7)和绝缘层(6)构成，所述的敏感体(8)包括设置在所述的绝缘层(6)上部的氧化锆基层(5)、设置在所述的氧化锆基层(5)上部的小孔氧化锆层(3)、设置在所述的小孔氧化锆层(3)上表面的多孔正集电极(2)和设置在所述的小孔氧化锆层(3)与所述的氧化锆基层(5)之间的多孔负集电极(4)，所述的小孔氧化锆层(3)上设置有一个贯通所述的小孔氧化锆层(3)的扩散孔(10)。

2、根据权利要求1所述的一种极限电流型氧传感器，其特征在于所述的扩散孔(10)的孔径范围为50-200um。

3、根据权利要求1或2所述的一种极限电流型氧传感器，其特征在于所述的小孔氧化锆层(3)的厚度为0.1-0.35mm，所述的氧化锆基层(5)的厚度为0.2-0.4mm。

4、根据权利要求1所述的一种极限电流型氧传感器，其特征在于所述的加热体(7)的材料为具有正温度电阻特性的金属材料。

5、根据权利要求1所述的一种极限电流型氧传感器，其特征在于所述的小孔氧化锆层(3)和所述的氧化锆基层(5)为具有5-10％摩尔钇含量的氧化锆生瓷片。

6、权利要求1所述的一种极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A采用公知的流延成型技术制成氧化锆基层(5)和小孔氧化锆层(3)；

B采用厚膜丝网印刷技术在所述的氧化锆基层(5)外表面上印制绝缘层(6)；

C采用厚膜丝网印刷技术在所述的绝缘层(6)上印刷加热体(7)构成加热器(9)；

D采用厚膜丝网印刷技术在所述的小孔氧化锆层(3)上表面印制多孔正集电极(2)并设置一个贯通所述的小孔氧化锆层(3)的扩散孔(10)；

E采用厚膜丝网印刷技术在所述的氧化锆基层(5)的上表面印制多孔负集电极(4)；

F将所述的加热器(9)、所述的氧化锆基层(5)和所述的小孔氧化锆层(3)依层次准确堆叠在一起，形成整体结构后，再放入烧结炉中烧结成型，并在除多孔正集电极(2)外的各层边沿上涂上密封玻璃釉，形成封装层(1)。

7、根据权利要求6所述的一种极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于所述的绝缘层(6)是以氧化铝为材料采用厚膜丝网印刷技术成型在所述的氧化锆基层(5)的下表面。

8、根据权利要求6所述的极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于所述的加热器(9)、所述的氧化锆基层(5)和所述的小孔氧化锆层(3)依层次准确堆叠在一起后，在60℃温度，25MP压力下形成整体结构，在350℃-400℃排胶23个小时，再放入烧结炉中在1450℃-1550℃保持2-3个小时烧结成型。

9、根据权利要求6所述的一种极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于所述的多孔正集电极(2)和所述的多孔负集电极(4)是由铂浆料采用厚膜丝网印刷技术印制成型。

10、根据权利要求6所述的一种极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于所述的扩散孔(10)是将所述的小孔氧化锆层(3)烘干后，再用钢针在小孔氧化锆层(3)中间穿孔得到。

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