CN102721729B - 一种采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备的极限电流型氧传感器 - Google Patents

一种采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备的极限电流型氧传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备的极限电流型氧传感器，包括相整体配制而成的正集电极、电解质层、负集电极、支撑层及连接层，其整体配制方法包括有以下步骤：准备步骤、电解层成型步骤、电解层固化步骤、支撑层成型步骤、支撑层固化步骤、集电极配置步骤、整体组装配对步骤、整体上釉步骤及整体固化步骤；整个过程采用分次成型、烧结再最终烧结流程，工艺流程设计合理，整个结构成型后可靠性强，结构牢靠；分次模块结构，易于对各个零件质量的有效控制，产品质量可控性强，利于提高整个构件的使用寿命；采用高温烧结炉高温烧结方法，工艺制作技术成熟，生产效率提高，可以实现批量化生产；外置独立电源和电流表，做到电流的实时监控。

Description

一种采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备的极限电流型氧传感器
技术领域
本发明涉及优传感器的技术领域，特别涉及一种采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备的极限电流型氧传感器，适用于气体中氧浓度检测。
背景技术
氧浓度的测量控制在各种产业领域都有着重要作用，尤其是在汽车、冶金、制氧行业中，目前在应用的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精度高，响应快，使用寿命长以及使用过程中不需基准气体等优点正得到广泛应用。
现有技术中的极限电流型氧传感器，多采用8YSZ材料，其参杂有8%mol钇稳定的氧化锆ZrO2，由此材料作为电解质层，因8YSZ的氧离子导电性最好，但其机械强度及抗震性较差，因此需要支撑层加强氧传感器的机械强度。
现有技术中的支撑层多采用3YSZ，其参杂3%mol钇稳定的氧化锆ZrO2、或YSZ+Al2O3混合层。而实际使用时，由于传感器需在高温下工作需要加热器层，这时还需要在3YSZ或YSZ+Al2O3层再叠压一层绝缘材料，这样必然增加了制作的复杂性及成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种流程设计合理、结构牢靠、操作简单、技术成熟、使用寿命长及生产效率高的采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备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：一种采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备的极限电流型氧传感器，包括相整体配制而成的正集电极、电解质层、负集电极、支撑层及连接层，其整体配制方法包括有以下步骤：
准备步骤：准备电解层成型模具、支撑层成型模具、油压机、高温烧结炉；及纳米钇锆粉体、玻璃釉、氧化铝粉体；
电解层成型步骤：将纳米钇锆粉体放入于电解层成型模具内，利用油压机压制成电解层型坯体；
电解层固化步骤：将电解层型坯体放置于高温烧结炉内，进行烧结固化成型，即成电解质层；
支撑层成型步骤：将氧化铝粉体放入于支撑层成型模具内，利用油压机压制成支撑层型坯体；
支撑层固化步骤：将支撑层型坯体放置于高温烧结炉内，进行烧结固化成型，即成支撑层；
集电极配置步骤：在电解质层上下表面中心分别配置正集电极和负集电极；
整体组装配对步骤：将配置好正负电极的电解质层叠放于支撑层上平面，且摆位正确；
整体上釉步骤：在支撑层上平面、电解质层两侧边缘分别堆上玻璃釉，由玻璃釉将支撑层、电解质层粘连成一半成品体；
整体固化步骤：将半成品体置入于高温烧结炉内膛，启动高温烧结炉将半成品体烧结成型；加工时玻璃釉固化成连接层，正集电极和负集电极烧结时与电解质层上下表面固化成一体。
采取的措施还包括：
上述的电解层固化步骤中高温烧结炉控制温度范围为1300℃至1500℃，烧结保温时间范围为1小时至4小时。
上述的电解质层2厚度为0.5毫米至1.2毫米。
上述的支撑层固化步骤中高温烧结炉控制温度范围为1450℃至1550℃，烧结保温时间范围为1小时至4小时。
上述的支撑层4厚度为0.5毫米至1毫米。
上述的集电极配置步骤中，正集电极1、负集电极3与电解质层2上下表面采用丝网印刷配制。
上述的正集电极1、负集电极3采用铂材料体，且铂材料体上制有穿孔体。
上述的正集电极1、负集电极3材料厚度范围为18微米至20微米。
上述的整体固化步骤中高温烧结炉控制温度为900℃；连接层5中的玻璃釉内制有穿孔体。
上述的正集电极1中间配装有正极引线6，正极引线6另一端连接有电源8的正极端；负集电极3中间配装有负极引线7，负极引线7另一端经电流表9与电源8负极端连接。
与现有技术相比，本发明包括相整体配制而成的正集电极、电解质层、负集电极、支撑层及连接层，其整体配制方法包括有以下步骤：准备步骤、电解层成型步骤、电解层固化步骤、支撑层成型步骤、支撑层固化步骤、集电极配置步骤、整体组装配对步骤、整体上釉步骤及整体固化步骤。本发明的优点在于：整个过程采用分次成型、烧结再最终烧结流程，工艺流程设计合理，整个结构成型后可靠性强，结构牢靠；分次模块结构，易于对各个零件质量的有效控制，产品质量可控性强，利于提高整个构件的使用寿命；采用高温烧结炉高温烧结方法，工艺制作技术成熟，生产效率提高，可以实现批量化生产；正负电极采用丝印方式，操作简单；带孔结构，易于实现与电解质层之间的粘边牢靠；玻璃釉材质，外表光亮平整；外置独立电源和电流表，电源更换便捷，时时电流易观察，做到电流的实时监控；支撑层材料采用氧化铝，其系绝缘材料且机械性较优简化了制备工艺难度，降低了制作成本。
附图说明
图1是本发明实施例的整体剖视结构示意图；
图2是本发明实施例的V-I工作特性曲线示意图；
图3是本发明实施例的极限电流对氧气浓度的关系示意图；
图4是本发明实施例响应的时间曲线示意图。
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至图4所示，图标号说明如下：正集电极1，电解质层2，负集电极3，支撑层4，连接层5，正极引线6，负极引线7。
本发明实施例，如图1所示，一种采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备的极限电流型氧传感器，包括相整体配制而成的正集电极1、电解质层2、负集电极3、支撑层4及连接层5，其整体配制方法包括有以下步骤：
准备步骤：准备电解层成型模具、支撑层成型模具、油压机、高温烧结炉；及纳米钇锆粉体、玻璃釉、氧化铝粉体；
电解层成型步骤：将纳米钇锆粉体放入于电解层成型模具内，利用油压机压制成电解层型坯体；
电解层固化步骤：将电解层型坯体放置于高温烧结炉内，进行烧结固化成型，即成电解质层2；
支撑层成型步骤：将氧化铝粉体放入于支撑层成型模具内，利用油压机压制成支撑层型坯体；
支撑层固化步骤：将支撑层型坯体放置于高温烧结炉内，进行烧结固化成型，即成支撑层4；
集电极配置步骤：在电解质层2上下表面中心分别配置正集电极1和负集电极3；
整体组装配对步骤：将配置好正负电极的电解质层2叠放于支撑层4上平面，且摆位正确；
整体上釉步骤：在支撑层4上平面、电解质层2两侧边缘分别堆上玻璃釉，由玻璃釉将支撑层4、电解质层2粘连成一半成品体；
整体固化步骤：将半成品体置入于高温烧结炉内膛，启动高温烧结炉将半成品体烧结成型；加工时玻璃釉固化成连接层5，正集电极1和负集电极3烧结时与所述的电解质层2上下表面固化成一体。
电解层固化步骤中高温烧结炉控制温度范围为1300℃至1500℃，烧结保温时间范围为1小时至4小时；电解质层2厚度为0.5毫米至1.2毫米。电解质层2的材料牌号为8YSZ。
整个过程采用分次成型、烧结再最终烧结流程，工艺流程设计合理，整个结构成型后可靠性强，结构牢靠；分次模块结构，易于对各个零件质量的有效控制，产品质量可控性强，利于提高整个构件的使用寿命；采用高温烧结炉高温烧结方法，工艺制作技术成熟，生产效率提高，可以实现批量化生产。
支撑层材料采用氧化铝，而氧化铝本身是理想的绝缘材料，机械性也优于3YSZ材料或者YSZ+Al2O3混合材料，且价格便宜，使得氧化铝层即可作为传感器的支撑层又可作为加热器的绝缘层，省去了传统绝缘层制备，简化了制备工艺难度，降低了制作成本。
支撑层固化步骤中高温烧结炉控制温度范围为1450℃至1550℃，烧结保温时间范围为1小时至4小时。支撑层4厚度为0.5毫米至1毫米。
集电极配置步骤中，正集电极1、负集电极3与电解质层2上下表面采用丝网印刷配制。正集电极1、负集电极3采用铂材料体，且铂材料体上制有穿孔体。正集电极1、负集电极3材料厚度范围为18微米至20微米。正负电极采用丝印方式，操作简单；带孔结构，易于实现与电解质层之间的粘边牢靠。
整体固化步骤中高温烧结炉控制温度为900℃；连接层5中的玻璃釉内制有穿孔体。玻璃釉材质，外表光亮平整。
正集电极1中间配装有正极引线6，正极引线6另一端连接有电源的正极端；负集电极3中间配装有负极引线7，负极引线7另一端经电流表与电源负极端连接。外置独立电源和电流表，电源更换便捷，时时电流易观察，做到电流的实时监控。
本发明实施例的工作原理如下所述：
电解质层2和正集电极1、负集电极3构成了氧泵。在一定外加电压下，氧气分子通过连接层5扩散到负集电极3得到电子变成氧离子，氧离子通过电解层2内的氧空位扩散到正集电极1失去电子又变成氧分子，这个过程中出现了电流。电流的大小随工作电压的增大而增大。在一定的温度下，氧离子在8YSZ电解质层2中的扩散系数为常数。当加在电流型氧传感器两端的电压超过800mV时，单位时间内连接层5扩散过来氧离子数小于从氧泵层被泵出外界的氧离子数时，电流就不再随电压的增大而明显增大，出现了电流平台。
图2为700℃氧传感器的V-I工作特性曲线，图中可以看出在电压0.8V～1.8V之间出现电流平台。
如图3所示，氧气浓度与极限电流值成正比。根据氧传感器极限电流值可以实时监测汽车尾汽等气体环境中氧浓度的大小。
如图4所示，为700℃时，平台电压下，氧浓度从1.4%至14%多次反复跳变，传感器电流信号的变化，能够看出氧传感器的响应速度在8秒以内。
本发明的优点在于：整个过程采用分次成型、烧结再最终烧结流程，工艺流程设计合理，整个结构成型后可靠性强，结构牢靠；分次模块结构，易于对各个零件质量的有效控制，产品质量可控性强，利于提高整个构件的使用寿命；采用高温烧结炉高温烧结方法，工艺制作技术成熟，生产效率提高，可以实现批量化生产；正负电极采用丝印方式，操作简单；带孔结构，易于实现与电解质层之间的粘边牢靠；玻璃釉材质，外表光亮平整；外置独立电源和电流表，电源更换便捷，时时电流易观察，做到电流的实时监控；支撑层材料采用氧化铝，其系绝缘材料且机械性较优简化了制备工艺难度，降低了制作成本。
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 (2)

1.一种采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备的极限电流型氧传感器，包括相整体配制而成的正集电极(1)、电解质层(2)、负集电极(3)、支撑层(4)及连接层(5)，其整体配制方法包括有以下步骤：
准备步骤：准备电解层成型模具、支撑层成型模具、油压机、高温烧结炉；及纳米钇锆粉体、玻璃釉、氧化铝粉体；
电解层成型步骤：将纳米钇锆粉体放入于电解层成型模具内，利用油压机压制成电解层型坯体；
电解层固化步骤：将所述的电解层型坯体放置于高温烧结炉内，进行烧结固化成型，即成电解质层(2)；
支撑层成型步骤：将氧化铝粉体放入于支撑层成型模具内，利用油压机压制成支撑层型坯体；
支撑层固化步骤：将所述的支撑层型坯体放置于高温烧结炉内，进行烧结固化成型，即成支撑层(4)；
集电极配置步骤：在所述的电解质层(2)上下表面中心分别配置正集电极(1)和负集电极(3)；
整体组装配对步骤：将配置好正负电极的电解质层(2)叠放于支撑层(4)上平面，且摆位正确；
整体上釉步骤：在所述的支撑层(4)上平面、电解质层(2)两侧边缘分别堆上玻璃釉，由玻璃釉将支撑层(4)、电解质层(2)粘连成一半成品体；
整体固化步骤：将所述的半成品体置入于高温烧结炉内膛，启动高温烧结炉将半成品体烧结成型；加工时玻璃釉固化成连接层(5)，正集电极(1)和负集电极(3)烧结时与所述的电解质层(2)上下表面固化成一体；所述的集电极配置步骤中，所述的正集电极(1)、负集电极(3)与电解质层(2)上下表面采用丝网印刷配制；所述的整体固化步骤中高温烧结炉控制温度为900℃；所述的连接层(5)中的玻璃釉内制有穿孔体；所述的正集电极(1)中间配装有正极引线(6)，正极引线(6)另一端连接有电源的正极端；所述的负集电极(3)中间配装有负极引线(7)，负极引线(7)另一端经电流表与所述的电源负极端连接；所述的电解层固化步骤中高温烧结炉控制温度为1300℃至1500℃，烧结保温时间范围为1小时至4小时；所述的电解质层(2)厚度为0.5毫米至1.2毫米；所述的支撑层固化步骤中高温烧结炉控制温度范围为1450℃至1550℃，烧结保温时间范围为1小时至4小时；所述的支撑层(4)厚度为0.5毫米至1毫米；所述的正集电极(1)、负集电极(3)采用铂材料体，且铂材料体上制有穿孔体。
2.根据权利要求1所述的一种采用8YSZ和Al2O3材质叠层制备的极限电流型氧传感器，其特征是：所述的正集电极(1)、负集电极(3)材料厚度范围为18μm至20μm。
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