CN104458863B - 一种极限电流型氧气传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化学气体传感器制备方法，具体为一种极限电流型氧气传感器及其制备方法，将具有氧离子传导的电解质粉压成圆片，圆片烧结获得电解质片；电解质片一个表面丝网印刷一层浆料，在1300‑1450℃烧结4小时，在电解质片的表面形成多孔层；在多孔层的骨架表面形成具有致密结构的混合导体薄膜；以混合导体薄膜所在表面为正极，电解质片的另一表面为负极，对氧气进行检测。本发明提供的一种极限电流型氧气传感器，对氧气具有良好的敏感性能。该制备方法只需将混合导体的前驱体溶液浸渍到电解质多孔层获得致密混合导体薄膜，简化了传感器的制备工艺，膜的厚度可控。由于混合导体膜致密且与电解质紧密结合，提高了传感器的工作性能，易于实现微型化。
Description
技术领域
本发明涉及化学气体传感器制备方法，具体为一种极限电流型氧气传感器及其制备方法。
背景技术
汽车用氧传感器是发动机控制系统重要部件之一。通过氧传感器对汽车发动机的空燃比进行调节，控制发动机中的燃烧过程，不仅可以降低污染物的排放，还可以提高燃料的燃烧效率。
目前普遍使用的是氧化锆浓差电池型氧传感器，但这种传感器只能使燃烧控制在理论空燃比附近。若控制发动机在富氧状态下的稀薄燃烧区燃烧，不仅能更有效地减少污染物的排放，而且可以进一步提高燃烧效率。由于浓差电池型氧传感器的信号与氧的分压成对数关系，因此在整个稀薄燃烧区内，信号变化很小，不够敏感。而极限电流型氧传感器可以对稀薄燃烧区的空燃比进行准确有效控制。利用电子和氧离子混合传导材料作为致密扩散障碍的极限电流型氧传感器是一类新型传感器(Fernando Garzon，Sensors andAcuators B,50(1998)125；Zuoyan Peng,et al,Sensors and Actuators B,72(2001)35.)，但这种极限电流型氧传感器存在制备复杂，性能差等问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种制备简单、性能优良的极限电流型氧气传感器，具体技术方案为：
一种极限电流型氧气传感器，包括电解质片，电解质片一个表面有混合导体薄膜，以混合导体薄膜所在表面为正极，电解质片的另一表面为负极，在电极之间施加电压后产生的电流与氧浓度之间呈现线性关系，对氧气进行检测。
其制备方法包括以下步骤：
(1)将具有氧离子传导的电解质粉在钢模中压成直径15mm，厚度为0.5mm的圆片，圆片在1450-1600℃烧结10h获得致密的电解质片；然后在电解质片一个表面丝网印刷一层浆料，所述的浆料由电解质粉和碳黑造孔剂组成，碳黑重量含量为30％；丝网印刷后的电解质片在1300-1450℃烧结4小时，在电解质片的表面形成多孔层；
(2)在上述电解质片的多孔层中浸渍混合导体的前驱体溶液，然后在800-1300℃处理4小时，在多孔层的骨架表面形成具有致密结构的混合导体薄膜；
(3)以混合导体薄膜所在表面为正极，电解质片的另一表面为负极，在电极之间施加电压后产生的电流与氧浓度之间呈现线性关系，对氧气进行检测。
其中，步骤(1)所述的电解质粉为Zr0.90Y0.10O3或Ce0.90Gd0.10O3。
步骤(2)所述的混合导体为氧离子-电子混合导体。
本发明提供的一种极限电流型氧气传感器，由具有氧离子传导的固体电解质和具有氧离子/电子传导的混合导体的致密薄膜组成；氧离子固体电解质由一个致密层和在其一个表面的多孔层构成，氧离子/电子混合导体薄膜是通过将混合导体的前驱体溶液浸渍到电解质多孔层中，然后高温处理后获得，该传感器对氧气具有良好的敏感性能。该制备方法只需将混合导体的前驱体溶液浸渍到固体电解质多孔层并热处理，就能获得致密混合导体薄膜，简化了传感器的制备工艺，膜的厚度可控。由于混合导体膜致密且与电解质紧密结合，提高了传感器的工作性能，易于实现微型化。
附图说明
图1为实施例1的多孔层骨架表面混合导体薄膜的SEM图；
图2为实施例1制得的传感器在700℃不同氧气浓度下电流-电位特征曲线图；
图3为实施例1制得的传感器在0.5V极化电压下不同温度电流与氧气浓度的关系曲线图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明具体实施方式。
实施例1
用电子天平称取0.7g Zr0.90Y0.10O3粉末放进钢模中，于25MPa压成圆片直径约为15mm，在1600℃烧结5h，获得圆片。将含有30wt％碳粉的Zr0.90Y0.10O3浆料丝网印刷到圆片的一面，干燥后在1500℃烧结4h获得多孔层。
按照La0.75Sr0.25Mn0.5Co0.5O3的化学计量比配制0.1mol/L相应硝酸盐前驱体溶液，并将其浸渍到上述电解质的多孔层中，干燥后于1200℃烧结4h，混合导体La0.75Sr0.25Mn0.5Co0.5O3在电解质的多孔层的骨架表面形成了混合导体薄膜，表面SEM照片如图1。
在700℃氧气传感器在不同氧浓度下的电流-电位特征曲线见图2。由图2可以看出，传感器在测试浓度范围内具有明显的极限电流平台。极限电流及初始出现极限电流的电压随氧浓度的增加而增加。在0.5V极化电压下，不同温度下氧浓度与极限电流具有良好的相关性，见图3。
实施例2
称取0.7gCe0.90Gd0.10O3粉末放进钢模中，于25MPa压成圆片直径约为15mm后在1500℃烧结5h，获得圆片。将含有30wt％碳粉的Ce0.90Gd0.10O3浆料丝网印刷到圆片的一面，干燥后在1450℃烧结4h获得多孔层。
按照La0.75Sr0.25Mn0.5Co0.5O3的化学计量比配制0.1mol/L相应硝酸盐前驱体溶液，并将其浸渍到上述电解质的多孔层中，干燥后于1100℃烧结4h，混合导体La0.75Sr0.25Mn0.5Co0.5O3在电解质的多孔骨架表面形成了致密薄膜。
制得的传感器在600-900℃，氧气浓度为1000ppm至200000ppm范围内具有明显的极限电流平台，在0.6V极化电压下，不同温度下氧浓度与极限电流具有良好的相关性。
实施例3
用电子天平称取0.7g Zr0.90Y0.10O3粉末放进钢模中，于25MPa压成圆片直径约为15mm后在1600℃烧结5h，获得圆片。将含有30wt％碳粉的Zr0.90Y0.10O3浆料丝网印刷到Zr0.90Y0.10O3圆片的一面，干燥后在1500℃烧结4h获得多孔层。
按照Gd0.2Sr0.8FeO3的化学计量比配制0.1mol/L相应硝酸盐前驱体溶液，并将其浸渍到上述电解质的多孔层中，干燥后于950℃烧结4h，混合导体Gd0.2Sr0.8FeO3在电解质的多孔骨架表面形成了致密薄膜。
制得的传感器在650-900℃，氧气浓度为2000ppm至100000ppm范围内具有明显的极限电流平台，在0.6V极化电压下，不同温度下氧浓度与极限电流具有良好的相关性。
Claims (3)
1.一种极限电流型氧气传感器的制备方法，所述的一种极限电流型氧气传感器，包括电解质片，电解质片一个表面有混合导体薄膜，以混合导体薄膜所在表面为正极，电解质片的另一表面为负极，在电极之间施加电压后产生的电流与氧浓度之间呈现线性关系，对氧气进行检测；
其特征在于：包括以下步骤，
(1)将具有氧离子传导的电解质粉在钢模中压成直径15mm，厚度为0.5mm的圆片，圆片在1450-1600℃烧结10h获得致密的电解质片；然后在电解质片一个表面丝网印刷一层浆料，所述的浆料由电解质粉和碳黑造孔剂组成，碳黑重量含量为30％；丝网印刷后的电解质片在1300-1450℃烧结4小时，在电解质片的表面形成多孔层；
(2)在上述电解质片的多孔层中浸渍混合导体的前驱体溶液，然后在800-1300℃处理4小时，在多孔层的骨架表面形成具有致密结构的混合导体薄膜；
所述的混合导体为La0.75Sr0.25Mn0.5Co0.5O3或Gd0.2Sr0.8FeO3；
(3)以混合导体薄膜所在表面为正极，电解质片的另一表面为负极，在电极之间施加电压后产生的电流与氧浓度之间呈现线性关系，对氧气进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种极限电流型氧气传感器的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的电解质粉为Zr0.90Y0.10O3或Ce0.90Gd0.10O3。
3.根据权利要求1或2所述的一种极限电流型氧气传感器的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的混合导体为氧离子-电子混合导体。
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2014
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