[发明专利]自动充氧型固体参比氧传感器

说明书

技术领域

本发明属于气敏传感器技术领域，具体涉及自动充氧的固体参比型膜式氧传器制备技术。

背景技术

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In/In₂O₃、Sn/SnO₂、Pb/PbO、Pd/PdO₂、CeO₂·ZrO₂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。

发明内容

本发明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。

在本发明中，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℃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℃。