[发明专利]一种小孔扩散障极限电流型氧传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧传感器，特别是采用中温固体氧离子导体材料制作的一种极限电流型氧传感器，具体地说是一种小孔扩散障极限电流型氧传感器及其制造方法。

背景技术

氧传感器按原理可以分为浓差电势型和极限电流型，而极限电流型氧传感器又可以分为孔隙扩散障型和致密扩散型。极限电流型氧传感器以其测量精度高、范围广、响应时间快以及不需要参比气体等优点在冶金、食品和制氧工艺等领域得到越来越广泛的应用。目前，极限电流型氧传感器的固体电解质绝多数是YSZ材料，由于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，比如在三相界面处产生有害物质、电极材料难以匹配以及能量消耗大等。为了解决这些问题，就迫切需要降低传感器的工作温度，而途径之一是寻找一种在中温范围内就具有较高氧离子电导率的材料替代YSZ作为氧传感器的固体电解质。

目前，现有技术中已经发现的中温固体氧离子导体材料主要有δ-Bi₂O₃、CeO₂和La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ三种材料。但是由于δ-Bi₂O₃材料的结构不稳定，会随着温度的变化而变化；CeO₂在还原性气氛中Ce⁴⁺容易被还原成Ce³⁺而产生电子导电现象，使得这两种材料在应用时受到了很大的限制。而La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ的电导率在同等条件下比YSZ材料优越很多，而且在很宽的氧分压范围内以及还原性气氛中具有很好的性能稳定性，因此这种材料被认为是最有可能取代YSZ作为中温固体氧离子导体材料的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供在温度为600℃～700℃范围内即出现良好的极限电流平台，且性能稳定、机械强度好的一种小孔扩散障极限电流型氧传感器及其制造方法。该传感器制造工艺简单、使用方便，具有测量精度高，响应时间短和使用寿命长的特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种小孔扩散障极限电流型氧传感器，包括小孔扩散障层和氧泵层，小孔扩散障层和氧泵层均为La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ材料采用流延法制备的陶瓷薄片，小孔扩散障层叠置在氧泵层的上表面，并且小孔扩散障层和氧泵层的叠置间密封式压装有带有负电极引线的负电极层，该小孔扩散障层的中心纵向贯通制有用于连通外部环境和负电极层上表面的扩散小孔，氧泵层下表面设置有带有正电极引线的正电极层，正电极引线和负电极引线分别用于连接电源的正负极，小孔扩散障层和氧泵层采用高温烧结成一体。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的扩散小孔的孔径为29um至31um。

上述的正电极层和负电极层以及正电极引线和负电极引线均为铂材料制作而成。

上述的小孔扩散障层和氧泵层均为长度为4.7mm至4.9mm，厚度为0.34mm至0.36mm正方体结构的陶瓷薄片。

上述的正电极层和负电极层的厚度均为19um至21um。

上述的La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ材料中其中x和y的取值范围分别为0.1≤x≤0.2和0.1≤y≤0.2。

本发明还提供了一种小孔扩散障极限电流型氧传感器的制造方法，该方法包括以下步骤：

A、采用常规烧结方法利用流延成型技术将La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ流延片裁切成两片长度均为6.5mm的正方形小片；

B、将上述的两片正方形小片中的一片利用细钢针在其中心穿孔，制得含有扩散小孔的小孔扩散障层坯件；

C、将上述余下的另一片正方形小片利用丝网印刷技术在其上表面印刷上负电极层，并同时引出负电极引线制得氧泵层坯件；