[發明專利]一種極限電流型氧傳感器

無效

• 申請號: 201010261524.8
• 申請日: 2010-08-25
• 公開（公告）號: CN101936942A
• 公開（公告）日: 2011-01-05
• 發明（設計）人: 鄒杰;簡家文
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: G01N27/409
• 分類號: G01N27/409
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理事務所(普通合伙) 33226
• 代理人: 程曉明

技術領域

本發明涉及一種氧傳感器，尤其是涉及一種極限電流型氧傳感器。

背景技術

現有的極限電流型氧傳感器可分為孔隙擴散障型（包括小孔擴散障型、多孔擴散障型）和混合導體致密擴散障型，對于孔隙擴散障型氧傳感器，在長期的使用過程中，由于其擴散障內的孔隙會出現變形及氣體中固體顆粒物堵塞的現象，從而造成此類傳感器性能的下降及失效。采用無孔結構的混合導體致密擴散障型氧傳感器，雖克服了上述不足，但由于敏感體是采用混合導體和固體電解質以疊層結構構成的復合陶瓷，二者在燒結過程中收縮率不一致，會導致復合陶瓷的開裂、起翹、分離等問題，再者由于二者熱膨脹系數的差異，在使用過程會導致傳感器開裂，降低致密擴散障層的密封性，破壞了氧傳感器的測氧能力。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種電解質層和致密擴散障層使用同一種材料、易于加工制造、測氧能力強、使用壽命長的極限電流型氧傳感器。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種極限電流型氧傳感器，包括電解質層、致密擴散障層、正集電極層和負集電極層，所述的正集電極層設置在所述的電解質層下表面，所述的電解質層和所述的致密擴散障層為同一種材料，均為氧化鋯基陶瓷或氧化鈰基陶瓷，所述的負集電極層設置在所述的電解質層和所述的致密擴散障層之間，用于分隔所述的電解質層和所述的致密擴散障層，所述的致密擴散障層上表面設置有等電位電極層，所述的等電位電極層和所述的負集電極層由一條導線相連接。

所述的負集電極層側面的周圍設置有用來密封所述的致密擴散障層和所述的電解質層之間間隙的封裝層。?

與現有技術相比，本發明的優點在于：電解質層和致密擴散障層為同一種材料，均為氧化鋯基陶瓷或氧化鈰基陶瓷，在燒結過程中由于二者收縮率一致不會出現陶瓷的開裂、起翹、分離等問題；由于二者熱膨脹系數相同，在使用過程中傳感器不易開裂，致密擴散障層的密封性好，氧傳感器的測氧能力強；由于封裝層的設置，氧傳感器的密封性更好，更有效地防止漏氧。

附圖說明

圖1為本發明氧傳感器的整體剖視結構圖。

圖2為本發明氧傳感器的整體俯視結構圖。

圖3為本發明氧傳感器的V-I工作特性曲線圖。

圖4為本發明氧傳感器極限電流對氧氣濃度的關系圖。

圖5為本發明氧傳感器響應的時間曲線。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。

?如圖1所示，圖中正集電極層1；正集電極層引線2；負集電極層3；負集電極層引線4；等電位電極層5；等電位電極層引線6；致密擴散障層7；電解質層8；封裝層9；電源10；電流表11。本發明是一種以8%mol釔穩定氧化鋯（8YSZ）為致密擴散障層7和固體電解質層8材料的極限電流型氧傳感器，由等電位電極層5、致密擴散障層7、負集電極層3、電解質層8、正集電極層1和封裝層9構成，正集電極層1設置在電解質層8下表面，負集電極層3設置在電解質層8和致密擴散障層7之間，將電解質層8和致密擴散障層7分隔開，等電位電極層5設置在致密擴散障層7上表面，在正集電極層1上連接有正集電極層引線2，在負集電極層3上連接有負集電極層引線4，在等電位電極層5上連接有等電位電極層引線6，負集電極層引線4和等電位電極層引線6相連接，封裝層9設置在致密擴散障層7和電解質層8之間的負集電極層3的側面的周圍，并包覆在致密擴散障層7和電解質層8除被等電位電極層5和正集電極層1覆蓋之外的表面上，如圖2所示，封裝層9與正集電極層1、等電位電極層5之間留有一定的間隙。其中正集電極層1、負集電極層3和等電位電極層5均為多孔的Pt電極，電解質層8和致密擴散障層7均為8YSZ氧化物陶瓷體，封裝層9為玻璃釉。使用時將正集電極層引線2與電源10的正極相連接，負集電極層引線4與電源10的負極相連接，并在電源10和正集電極層引線2之間串接一電流表11。

?制成的極限電流型氧傳感器具有以下特征：電解質層8和致密擴散障層7為同一種氧化物陶瓷材料8YSZ，電解質層8厚度為0.5～2.5mm，致密擴散障層7厚度為0.3～1.0mm；正集電極層1、負集電極層3以及等電位電極層5均為多孔的Pt電極，厚度均約20mm。

本發明氧傳感器的工作原理：電解質層8和正集電極層1、負集電極層3構成了氧泵。在正集電極層1與負集電極層3之間外加一電源10，電源10的正極與正集電極層引線2相連，電源10的負極與負集電極層引線4相連。在電源10的電場作用下，在電解質層8內氧離子由負集電極層3側快速向正集電極層1側泵運，隨著電源10電壓的加大，使得負集電極層3表面氧離子濃度降至低濃度直至趨于零。負集電極層引線4和等電位電極層引線6相連接，消除了由于8YSZ致密擴散障層7的負集電極層3側與等電位電極層5側氧離子濃度不平衡帶來的濃差電勢，使得氧離子在致密擴散障層7中的擴散僅由兩側的氧離子濃度差驅動。封裝層9的設置用于防止漏氧，增強了傳感器的密閉性，提高了傳感器的測氧能力。在一定的溫度和外部氧濃度下，氧離子在8YSZ致密擴散障層7中的擴散系數為常數，當加在正集電極層1與負集電極層3之間的電壓超過一定電壓（例如300mV）時，單位時間內從致密擴散障層7擴散的氧離子數趨于恒定，使得從電解質層8被泵出外界的氧離子數也趨于恒定，電流表11中的電流就不再隨電壓的增大而明顯地改變，此時會出現電流平臺現象，并且不同的外部氧濃度對應于不同的電流平臺。圖2為700℃時氧傳感器的V-I工作特性曲線，從圖中可以看出在電壓為0.3V～1.2V之間出現對應不同外部氧濃度的電流平臺。選取電流平臺對應的電流值即極限電流值，發現其與外部氧氣濃度呈現出特定的函數關系，如圖3所示。因此根據該氧傳感器極限電流值就可以實現實時監測外部環境中氧濃度的大小。另由700℃下，氧傳感器輸出電流信號隨外部氧濃度值在4.97%至49.93%之間多次反復變化的情況能夠看出，該氧傳感器的響應速度很快且重復性很好，如圖4所示。