CN102944600A - 极限电流型氧传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极限电流型氧传感器，包括电解质层和致密扩散障层，所述电解质层和致密扩散障层均由La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_{3- δ}制成，其中0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，0.1≤δ≤0.2。本发明的传感器可表现出优异的长期稳定性。

Description

极限电流型氧传感器

技术领域

本发明涉及一种极限电流型氧传感器，尤其是采用中温固体氧离子导体材料制作的极限电流型氧传感器。

背景技术

氧浓度的测量和控制在多种产业领域有着重要作用，尤其是在汽车、冶金和食品等领域中尤为重要。通常是利用氧传感器测量环境中的氧浓度，其按原理划分为：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，响应时间短，不需要参比气体等优点而得到广泛的应用。现在的氧传感器基本上是采用釔稳氧化锆固体电解质（YSZ）材料作为敏感材料，但是这种材料只有在温度大于800℃时才具有较高的氧离子电导率，这就导致传感器的工作温度必须大于800℃。高温工作带来了一系列的问题，比如：传感器的使用寿命缩短、电极材料难以匹配、在三相界面处产生杂质以及能耗大等等。

此外，传统的极限电流型氧传感器分为孔隙扩散障型（小孔或者多孔）（例如CN101561414A、CN101097209A）和混合导体致密扩散障型（例如CN102187567A）。对于孔隙扩散障型氧传感器，小孔的大小或者多孔结构的孔隙率在制作的过程中难以控制，且在长期的使用过程中容易发生形变或者堵塞现象，导致传感器性能变差甚至失效。对于第二类传感器，混合导体材料与固体电解质材料的热膨胀系数以及烧结收缩率难以保持一致，导致这两种材料难以共烧在一起。

又CN101936942A公开一种极限电流型氧传感器，其电解质层和致密扩散障层为同一材料，这样在烧结时由于两者的收缩率一致不会出现开裂、起翘、分离等问题。然而该极限电流型氧传感器的电解质层和致密扩散障层的材料均为氧化锆基材料或氧化铈基材料，如前述，这种材料只有在较高温度时才具有较高的氧离子电导率，限制了由其制成的氧传感器的工作温度。

发明内容

本发明的目的是提供一种不易开裂，容易共烧，且工作温度较低、使用寿命长、性能稳定的极限电流型氧化传感器。

在上述现有技术的基础上，本发明人认识到可采用中低温固体材料La_1-xSr_xGa_{1- y}Mg_yO_3-δ来制备极限电流型氧化传感器。在此，本发明提供一种极限电流型氧传感器，包括电解质层和致密扩散障层，其特征在于，所述电解质层和致密扩散障层均由中温固体氧离子导体材料La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ制成，其中0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，0.1≤δ≤0.2。

与现有技术相比，本发明由于采用致密扩散障层结构，避免了孔结构堵塞等问题对于传感器性能的影响，以及孔结构的差异带来的器件一致性问题；致密扩散障层和固体电解质层采用相同的材料共烧结而成，不存在残留应力，也没有热膨胀系数不匹配的问题；而且致密扩散障层和固体电解质层均采用中温固体氧离子导体材料制成，由于工作温度较低，可以避免电极烧结等带来的微结构和性能变化。因此该传感器可以表现出优异的长期稳定性。

较佳地，本发明的极限电流型氧传感器还可包括位于所述致密扩散障层上方的负电极层、位于所述致密扩散障层和所述电解质层之间的等电位电极层、以及位于所述电解质层下方的正电极层，其中所述负电极层和等电位电极层相连。

较佳地，本发明的极限电流型氧传感器还可包括密封所述致密扩散障层和电解质层之间的间隙的密封层。所述密封层可由玻璃釉制成。由于设置了密封层，氧传感器的密封性更好，可更有效地防止漏氧。

较佳地，所述负电极层和等电位电极层可通过铂相连。所述负电极层、等电位电极层和正电极层可均由铂制成。

较佳地，本发明的极限电流型氧传感器还可包括与所述负电极层连接的负电极引线、以及与所述正电极层连接的正电极引线。

附图说明

图1示出本发明氧传感器的结构示意图；

图2示出本发明氧传感器在600℃的I-V曲线图；

图3示出本发明氧传感器的极限电流值与氧浓度的关系图；

图4示出本发明氧传感器的响应时间曲线图。

具体实施方式

以下结合附图及下述具体实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式和/或附图仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提出采用中温固体氧离子导体材料——La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ（0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，0.1≤δ≤0.2）制作致密扩散障极限电流型氧传感器。这种传感器的固体电解质层材料和致密扩散障层材料都是La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ，匹配性好，易于制作。致密扩散障层上可设置有负电极层，固体电解质层下面可设置有正电极层，在致密扩散障层和固体电解质层中间可设置有等电位电极层。可采用铂浆将负电极层和等电位电极层连接在一起；负电极层连接了负电极引线，正电极层连接了正电极引线；在这两层材料的连接处可设置有高温密封釉，例如玻璃釉用于密封。

下面进一步结合附图详细说明本发明。同样应理解，以下示例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的反应温度、时间投料量等也仅是合适范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

如图1所示：本发明的氧传感器包括致密扩散障层1、固体电解质层2、负电极层3、等电位电极层4、正电极层5、密封层6、负电极引线7、正电极引线8、电源9、和电流表10。负电极层3设置在最上面，与负电极引线7相连，并通过铂浆与等电位电极层4相连；正电极层5设置在最下面，与正电极引线8相连，并且与等电位电极层4分置于固体电解质层2两侧；等电位电极层4设置在最中间，上面连接致密扩散障层1，下面连接固体电解质层2，并且在三者的连接处设置有密封层6。

本发明的氧传感器的致密扩散障层1和固体电解质层2可采用常规烧结的方法制备：先利用模具和油压机将La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ粉体压制成型，且放入高温烧结炉中在1350～1500℃（例如1400℃）烧结2～6h（例如4h）成瓷；之后采用丝网印刷技术，在固体电解质层2印上正电极层5，以及在致密扩散障层1两侧分别印上负电极层3和等电位电极层4，同时利用铂浆将这两层电极连接起来，再采用铂浆粘连的方式将致密扩散障层1和固体电解质层2连接在一起，同时在负电极层3处引出负电极引线7，在正电极层处引出正电极引线8，并一起在1000℃下烧结1h；最后，在致密扩散障层1和固体电解质层2的连接处涂上玻璃釉，在900℃下烧结2h成为密封层6。

制成的极限电流型氧传感器具有以下特征：致密扩散障层1和固体电解质层2为同一种材料——La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ；致密扩散障层1是直径大约为7.5mm、厚度为0.6mm左右的陶瓷圆片；固体电解质层2是直径大约为9.8mm、厚度为0.6mm左右的陶瓷圆片；负电极层3、等电位电极层4和正电极层5的材料为铂，且厚度均为20um左右；密封层6的材料为高温密封釉。

本发明的氧传感器的工作原理：传感器工作时，电源9给传感器施加一工作电压，电子由电源9的负极流出，经负电极引线7到达负电极层3，由于负电极层3的材料为铂，在铂的催化作用下，环境中的氧分子与电子发生反应变成氧离子，并聚集在负电极层3处，由于等电位电极层4处的氧离子浓度为0（氧离子被固体电解质层2泵走了），且负电极层3与等电位电极层4之间电位相等（因有铂相连），则氧离子（纯氧离子）在这两层的氧离子浓度梯度的驱动下由负电极层3扩散至等电位层4处；而等电位层4与正电极层5之间存在电势差，氧离子在其作用下立即被泵到正电极层5处，之后在铂的催化作用下失去电子变成氧分子。当环境中的氧浓度和传感器的工作温度一定时，负电极层3处的氧离子浓度保持恒定，也就是说其与等电位电极层4的氧离子浓度差保持恒定，氧离子在致密扩散障层1的扩散速率为定值；随着电源9的电压的增大，等电位层4与正电极层5的电势差逐渐扩大，即固体电解质层2的泵氧能力逐渐增大，当其大于扩散障层1的扩散速率时，电路中的电流将不随电压的增大而增大，出现极限电流平台，即扩散障层1的氧离子扩散速率决定极限电流的大小，但其与环境中的氧浓度有关，即不同的氧浓度环境下将会出现不同的极限电流值。

图2为600℃时传感器的I-V特性曲线图，从图中可以看出在不同的氧浓度环境下，在电压为0.5V～1V之间时出现不同的极限电流平台，测氧浓度范围为0～100%，读取各个极限电流值，发现其与氧浓度具有特定的函数关系（如图3所示）：

$\frac{C_{o_2}}{I_{\lim }}=a{C}_{o_2}+b$ （

为氧浓度；I_lim为极限电流值）。

所以，可以通过测量传感器的极限电流值，结合函数关系得到未知环境中的氧浓度。此外，在600℃时，氧浓度在5%和70%之间来回变化时测得的曲线如图4所示，从图中看出上升和下降响应时间为10-15s，且传感器的重复性能较好。

产业应用性：本发明提供的极限电流型氧传感器，具有制作工艺简单、使用寿命长、性能稳定等优点，适用于检测气体环境中的氧浓度，有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种极限电流型氧传感器，包括电解质层和致密扩散障层，其特征在于，所述电解质层和致密扩散障层均由La_1-xSr_xGa_1-yMgyO_3-δ制成，其中0.1≤x≤0.2，0.1≤y≤0.2，0.1≤δ≤0.2。

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，还包括位于所述致密扩散障层上方的负电极层、位于所述致密扩散障层和所述电解质层之间的等电位电极层、以及位于所述电解质层下方的正电极层，其中所述负电极层和等电位电极层相连。

3.根据权利要求2所述的极限电流型氧传感器，其特征在于，还包括密封所述致密扩散障层和电解质层之间的间隙的密封层。

4.根据权利要求3所述的极限电流型氧传感器，其特征在于，所述密封层由玻璃釉制成。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的极限电流型氧传感器，其特征在于，所述负电极层和等电位电极层通过铂相连。

6.根据权利要求2～5中任一项所述的极限电流型氧传感器，其特征在于，所述负电极层、等电位电极层和正电极层均由铂制成。

7.根据权利要求2～6中任一项所述的极限电流型氧传感器，其特征在于，还包括与所述负电极层连接的负电极引线、以及与所述正电极层连接的正电极引线。

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