CN101936942B - 一种极限电流型氧传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极限电流型氧传感器，包括电解质层、致密扩散障层、正集电极层和负集电极层，正集电极层设置在电解质层下表面，特点是电解质层和致密扩散障层为同一种材料，均为氧化锆基陶瓷或氧化铈基陶瓷，负集电极层设置在电解质层和致密扩散障层之间，用于分隔电解质层和致密扩散障层，致密扩散障层上表面设置有等电位电极层，等电位电极层和负集电极层由一条导线相连接，优点在于在烧结过程中不会出现陶瓷的开裂、起翘、分离等问题，使用过程中传感器不易开裂，致密扩散障层的密封性好，氧传感器的测氧能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧传感器，尤其是涉及一种极限电流型氧传感器。
背景技术
现有的极限电流型氧传感器可分为孔隙扩散障型（包括小孔扩散障型、多孔扩散障型）和混合导体致密扩散障型，对于孔隙扩散障型氧传感器，在长期的使用过程中，由于其扩散障内的孔隙会出现变形及气体中固体颗粒物堵塞的现象，从而造成此类传感器性能的下降及失效。采用无孔结构的混合导体致密扩散障型氧传感器，虽克服了上述不足，但由于敏感体是采用混合导体和固体电解质以叠层结构构成的复合陶瓷，二者在烧结过程中收缩率不一致，会导致复合陶瓷的开裂、起翘、分离等问题，再者由于二者热膨胀系数的差异，在使用过程会导致传感器开裂，降低致密扩散障层的密封性，破坏了氧传感器的测氧能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电解质层和致密扩散障层使用同一种材料、易于加工制造、测氧能力强、使用寿命长的极限电流型氧传感器。
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，包括电解质层、致密扩散障层、正集电极层和负集电极层，所述的正集电极层设置在所述的电解质层下表面，所述的电解质层和所述的致密扩散障层为同一种材料，均为氧化锆基陶瓷或氧化铈基陶瓷，所述的负集电极层设置在所述的电解质层和所述的致密扩散障层之间，用于分隔所述的电解质层和所述的致密扩散障层，所述的致密扩散障层上表面设置有等电位电极层，所述的等电位电极层和所述的负集电极层由一条导线相连接。
所述的负集电极层侧面的周围设置有用来密封所述的致密扩散障层和所述的电解质层之间间隙的封装层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：电解质层和致密扩散障层为同一种材料，均为氧化锆基陶瓷或氧化铈基陶瓷，在烧结过程中由于二者收缩率一致不会出现陶瓷的开裂、起翘、分离等问题；由于二者热膨胀系数相同，在使用过程中传感器不易开裂，致密扩散障层的密封性好，氧传感器的测氧能力强；由于封装层的设置，氧传感器的密封性更好，更有效地防止漏氧。
附图说明
图1为本发明氧传感器的整体剖视结构图。
图2为本发明氧传感器的整体俯视结构图。
图3为本发明氧传感器的V-I工作特性曲线图。
图4为本发明氧传感器极限电流对氧气浓度的关系图。
图5为本发明氧传感器响应的时间曲线。
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。
如图1所示，图中正集电极层1；正集电极层引线2；负集电极层3；负集电极层引线4；等电位电极层5；等电位电极层引线6；致密扩散障层7；电解质层8；封装层9；电源10；电流表11。本发明是一种以8%mol钇稳定氧化锆（8YSZ）为致密扩散障层7和固体电解质层8材料的极限电流型氧传感器，由等电位电极层5、致密扩散障层7、负集电极层3、电解质层8、正集电极层1和封装层9构成，正集电极层1设置在电解质层8下表面，负集电极层3设置在电解质层8和致密扩散障层7之间，将电解质层8和致密扩散障层7分隔开，等电位电极层5设置在致密扩散障层7上表面，在正集电极层1上连接有正集电极层引线2，在负集电极层3上连接有负集电极层引线4，在等电位电极层5上连接有等电位电极层引线6，负集电极层引线4和等电位电极层引线6相连接，封装层9设置在致密扩散障层7和电解质层8之间的负集电极层3的侧面的周围，并包覆在致密扩散障层7和电解质层8除被等电位电极层5和正集电极层1覆盖之外的表面上，如图2所示，封装层9与正集电极层1、等电位电极层5之间留有一定的间隙。其中正集电极层1、负集电极层3和等电位电极层5均为多孔的Pt电极，电解质层8和致密扩散障层7均为8YSZ氧化物陶瓷体，封装层9为玻璃釉。使用时将正集电极层引线2与电源10的正极相连接，负集电极层引线4与电源10的负极相连接，并在电源10和正集电极层引线2之间串接一电流表11。
制成的极限电流型氧传感器具有以下特征：电解质层8和致密扩散障层7为同一种氧化物陶瓷材料8YSZ，电解质层8厚度为0.5～2.5mm，致密扩散障层7厚度为0.3～1.0mm；正集电极层1、负集电极层3以及等电位电极层5均为多孔的Pt电极，厚度均约20mm。
本发明氧传感器的工作原理：电解质层8和正集电极层1、负集电极层3构成了氧泵。在正集电极层1与负集电极层3之间外加一电源10，电源10的正极与正集电极层引线2相连，电源10的负极与负集电极层引线4相连。在电源10的电场作用下，在电解质层8内氧离子由负集电极层3侧快速向正集电极层1侧泵运，随着电源10电压的加大，使得负集电极层3表面氧离子浓度降至低浓度直至趋于零。负集电极层引线4和等电位电极层引线6相连接，消除了由于8YSZ致密扩散障层7的负集电极层3侧与等电位电极层5侧氧离子浓度不平衡带来的浓差电势，使得氧离子在致密扩散障层7中的扩散仅由两侧的氧离子浓度差驱动。封装层9的设置用于防止漏氧，增强了传感器的密闭性，提高了传感器的测氧能力。在一定的温度和外部氧浓度下，氧离子在8YSZ致密扩散障层7中的扩散系数为常数，当加在正集电极层1与负集电极层3之间的电压超过一定电压（例如300mV）时，单位时间内从致密扩散障层7扩散的氧离子数趋于恒定，使得从电解质层8被泵出外界的氧离子数也趋于恒定，电流表11中的电流就不再随电压的增大而明显地改变，此时会出现电流平台现象，并且不同的外部氧浓度对应于不同的电流平台。图2为700℃时氧传感器的V-I工作特性曲线，从图中可以看出在电压为0.3V～1.2V之间出现对应不同外部氧浓度的电流平台。选取电流平台对应的电流值即极限电流值，发现其与外部氧气浓度呈现出特定的函数关系，如图3所示。因此根据该氧传感器极限电流值就可以实现实时监测外部环境中氧浓度的大小。另由700℃下，氧传感器输出电流信号随外部氧浓度值在4.97%至49.93%之间多次反复变化的情况能够看出，该氧传感器的响应速度很快且重复性很好，如图4所示。
Claims (2)
1.一种极限电流型氧传感器，包括电解质层、致密扩散障层、正集电极层和负集电极层，所述的正集电极层设置在所述的电解质层下表面，其特征在于所述的电解质层和所述的致密扩散障层为同一种材料，均为氧化锆基陶瓷或氧化铈基陶瓷，所述的负集电极层设置在所述的电解质层和所述的致密扩散障层之间，用于分隔所述的电解质层和所述的致密扩散障层，所述的致密扩散障层上表面设置有等电位电极层，所述的等电位电极层和所述的负集电极层由一条导线相连接。
2.根据权利要求1所述的极限电流型氧传感器，其特征在于所述的负集电极层侧面的周围设置有用来密封所述的致密扩散障层和所述的电解质层之间间隙的封装层。
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