自动充氧型固体参比氧传感器制造技术

一种自动充氧型固体参比氧传感器，包括测氧单元、固体参比单元，还包括充氧单元，该固体参比氧传感器由测氧单元、固体参比单元、充氧单元依次相叠而成。其制作方法，在氧化钇稳定氧化锆陶瓷片的一个表面依次涂覆并烧成多孔铂测量电极、测量电极保护层，并在其另一个表面依次涂覆并烧成复合参比电极、固体参比层、充氧电极一、充氧电解质层、充氧电极二，构成自动充氧型固体参比氧传感器。本发明专利技术在片式氧化钇稳定氧化锆氧敏探头的基础上，采用固体参比层替代传统空气参比单元，同时利用直流电场充氧单元恒定固体参比层中的氧浓度，从而实现稳定测氧的目的。该氧传感器具有小型、稳定、结构简单的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气敏传感器
，具体涉及自动充氧的固体参比型膜式氧传器制备技术。
技术介绍
氧传感器是专门用于探测环境氧含量的一种气敏传感器，常见的种类包括浓差电池型、电阻式和电化学泵式氧传感器。氧化锆浓差电池型氧传感器具有测量范围宽、稳定性好等优点，目前管式氧化锆氧传感器陶瓷探头已广泛应用在汽车发动机电子控制燃油喷射系统、工业窑炉燃烧控制、食品生产中定氧等领域。在浓差电池型氧传感器中，其核心部件是一个管式氧化钇稳定氧化锆陶瓷探头，陶瓷管的内外壁均涂覆一层多孔铂电极层。陶瓷管置于需检测环境气氛中，而管内通入参比空气，因管内外的氧浓度差异而产生氧电势，进而用于环境氧浓度的检测。随着氧传感器逐渐在汽车、摩托车燃油控制系统、以及其它工业领域的推广应用，氧传感器小型化设计已经成为新产品开发的一项重要内容。目前一些小型片式氧传感器产品已经在汽车工业领域得到实际应用，但由于参比空气管的存在，片式氧传感器的小型化仍存在很大制约。为了进一步缩小氧传感器件的尺寸，近年来采用固体参比技术的氧传感器开发研究逐渐增多。由于在金属-金属氧化物混合物、氧化铈复合氧化物等固体参比物中具有一定的氧浓度，因此利用它们取代氧传感器中的参比空气，同样可以进行环境氧的检测。目前研究较多的包括111/111203、 Sn/Sn02、 Pb/PbO、 Pd/Pd02、 Ce02'Zr02固体参比型氧传感器等。然而，在氧含量探测过程中，固体参比物中的氧不断被消耗，导致氧传感器的检测信号随时间不断变化，最终导致无法正常测氧。因此，若要使固体参比型氧传感器始终正常工作，就必须采取措施持续补充固体参比物中被消耗的氧，始终保持氧浓度恒定，进而达到连续测氧的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可自动充氧的固体参比型片式氧传感器，分别由测氧单元、固体参比单元、充氧单元依次相叠而成。其中充氧单元对固体参比单元进行自动充氧并使之保持恒定的饱和氧浓度，使测氧单元能够持续稳定工作。在本专利技术中，测氧单元的核心部件是氧化钇稳定氧化锆陶瓷片，陶瓷片的一个表面涂覆多孔铂电极作为测量电极，其外面涂覆多孔保护层以保护测量电极。陶瓷片的另一个表面涂覆金属铂-氧化铋复合氧化物作为参比电极。在制备复合参比电极时，首先制备金属铂-氧化铋复合氧化物电极浆料。在参比电极中引入氧化铋复合氧化物的目的在于降低氧传感器的测氧工作温度。采用共沉淀法或烧结法制备氧化铋复合氧化物粉体，其三氧化二铋摩尔百分含量为65-90%、三氧化二钇为0-35%、氧化钡为0-15%，粉体颗粒度为0.5-2微米。将氧化铋复合氧化物粉体与金属铂粉、高温粘结剂、低温粘结剂和溶剂按比例混合制成复合参比电极浆料，其质量百分含量分别为10-25%、5-15%、 10-25%、 2-8%、 40-70%。其中高温粘结剂的化学组成(质量百分含量)分别是氧化钠6-20%、三氧化二硼20-35%、氧化钙5-10%、三氧化二铝5-10%、 二氧化硅35-60%的玻璃 粉；低温粘结剂可选甲基纤维素、乙基纤维素、阿拉伯树胶中的一种或多种；溶剂可选水、 乙醇、松油醇中的一种或多种。所制得的电极浆料经丝网印刷并干燥后在750-1000'C下烧结 5-60分钟即可得到厚度为30-100微米的复合参比电极层。采用复合参比电极的片式氧传感器 最低工作温度可降至300-400°C。采用丝网印刷的方法在测氧氧化锆陶瓷片已涂覆复合参比电极的表面涂覆固体参比层， 其目的是为测氧元件提供恒定的参比氧浓度。固体参比层采用颗粒度为0.5-2微米的氧化钸锆 固溶体作为固体参比介质，其化学组成(摩尔百分含量)为二氧化铈20-75%、二氧化锆25-80%。 将氧化铈锆参比介质粉体与高温粘结剂、低温粘结剂和溶剂按比例配制成的参比浆料，其质 量百分含量分别为10-25%、 10-25%、 2-8%、 40-70%;其中高温粘结剂的化学组成(质量百 分含量)分别是氧化钠6-20%、三氧化二硼20-35%、氧化钙5-10%、三氧化二铝5-10%、 二 氧化硅35-60%的玻璃粉；低温粘结剂可选甲基纤维素、乙基纤维素、阿拉伯树胶中的一种或 多种；溶剂可选水、乙醇、松油醇中的一种或多种。所制得的电极浆料经丝网印刷后在750-1000 'C下烧结10-60分钟即可得到厚度为100-500微米的固体参比层。在本专利技术中，充氧单元可由充氧电解质层和充氧电极一、充氧电极二组成。在固体参比 层表面涂覆多孔铂电极作为充氧电极一，再采用丝网印刷法在充氧电极一的表面涂覆充氧电 解质层。充氧电解质层采用由氧化钇稳定氧化铈锆陶瓷粉、高温粘结剂、低温粘结剂和溶剂 配制而成的充氧电解质浆料经丝网印刷、烧结而成，其质量百分含量分别为20-40%、 5-15%、 2-8%、 40-70%;其中氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉的化学组成(摩尔百分含量)为三氧化二钇 0-10%、 二氧化铈0-35%、 二氧化锆65-95%，粉体颗粒度为0.5-2微米。高温粘结剂的化学组 成(质量百分含量)分别是氧化钠6-20%、三氧化二硼20-35%、氧化钙5-10%、三氧化二铝 5-10%、 二氧化硅35-60%的玻璃粉；低温粘结剂可选甲基纤维素、乙基纤维素、阿拉伯树胶 中的一种或多种；溶剂可选水、乙醇、松油醇中的一种或多种。所制得的电极浆料经丝网印 刷后在750-1000'C下烧结5-60分钟即可得到厚度为100-500微米的充氧电解质层。在充氧电 解质层表面涂覆多孔铂电极作为充氧电极二，即构成充氧单元。在本专利技术中，充氧单元负责向固体参比层提供足够的氧并使之保持在恒定的饱和状态。 在测氧过程中，以充氧电极一为阳极、充氧电极为阴极，对充氧电解质层施加强度为2.5-10 伏/毫米的直流电场，此时直流电场将环境中的氧通过充氧电解质层抽运至固体参比层，使固 体参比层始终保持恒定饱和氧浓度，并为测氧单元提供稳定的氧浓度参比。充氧过程中，充 氧电解质层起着均匀、稳定氧电流的作用。在本专利技术中，也可以不在固体参比单元表面涂覆充氧单元，仅在固体参比层表面涂覆充 氧电极一，并以复合参比电极为阳极、充氧电极一为阴极，直接对固体参比层施加强度为 2.5-10伏/毫米的直流电场，引导环境中的氧直接扩散进入固体参比层，使固体参比层始终保 持恒定饱和氧浓度，并为测氧单元提供稳定的氧浓度参比。本专利技术所提出的充氧型固体参比氧传感器制备技术，可实现氧传感器陶瓷探头的薄膜化 设计，以满足氧传感器产品小型化的要求。附图说明图l为本专利技术实施例的自动充氧型固体参比氧传感器结构分解图。 图2为本专利技术实施例的自动充氧型固体参比氧传感器横剖面示意图。具体实施例方式请参阅图I，本专利技术实施例的自动充氧型固体参比氧传感器包括测氧单元l、固体参比单元2、充氧单元3三个部分，由氧化钇稳定氧化锆陶瓷片4、多孔铂测量电极5、测量电极多孔保护层6、复合参比电极7、固体参比层8、充氧电极一9、充氧电解质层IO、充氧电极二U组成。首先在氧化钇稳定氧化锆陶瓷片4的两个表面采用丝网印刷法分别涂覆铂电极浆料和复合参比电极浆料，经干燥后在750-1000'C流通空气条件下烧成多孔铂测量电极5和复合参比电极7。然后采用丝网印刷法分别在多孔铂电极5表面涂覆电极保护层浆料、在复合参比电极7表面涂覆固体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体参比氧传感器，包括测氧单元、固体参比单元，其特征在于：还包括充氧单元，该固体参比氧传感器由测氧单元、固体参比单元、充氧单元依次相叠而成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈江翠，林健，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]