一种用于氧气检测的固态电解质气体传感器的制作方法

本发明属于气体传感器，具体为一种用于氧气检测的固态电解质气体传感器。

背景技术：

1、现有技术中，汽车尾气中氧气含量的监测对于判断和调整发动机的运行状况至关重要。在标准配置中，汽车通常装配两个氧气传感器以实现此目的。然而，由于汽车尾气的高温性质和复杂的工作环境，传统气体传感器往往难以满足长期稳定运行的需求。特别是在复杂工况下，尾气中的颗粒物、汽油挥发物等大分子气体会对传感器的性能和寿命产生负面影响。

2、目前，车用尾气氧传感器多采用氧化锆陶瓷作为固态电解质材料。这类传感器虽然在检测精度方面表现优异，但存在结构复杂、电极数量多、制备工艺繁琐等问题，使得其在实际应用中面临挑战。

3、鉴于固态电解质氧传感器在检测精度方面的显著优势，有必要对其结构进行优化和简化，以适应汽车尾气的特殊环境。通过重新设计传感器结构，不仅可以简化其制备工艺，还能有效筛分尾气中的杂质物，从而提高传感器的检测精度和使用寿命。因此，我们提出了一种新型的用于氧气检测的固态电解质气体传感器。该传感器具有结构简单、易于制备、操作简便的特点，非常适合大规模制备和推广使用。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于氧气检测的固态电解质气体传感器。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于氧气检测的固态电解质气体传感器，其特征在于，自下而上依次包括：加热层(3)、绝缘层(2)、电解质层(1)、电极层(4)和空腔层(5)；其中，所述电解质层(1)一侧印刷所述绝缘层(2)，另一侧印刷所述电极层(4)；所述绝缘层(2)表面印刷所述加热层(3)，所述加热层(3)表面印刷有保护层(32)；所述电极层(4)包括一对叉指电极(41)和参比电极(43)；所述电极层(4)上方为空腔层(5)，所述空腔层(5)一侧开口形成进气口(52)，所述进气口(52)中含有多孔扩散层(53)。

4、根据上述的传感器，其特征在于，所述电解质层(1)为氧化锆陶瓷。

5、根据上述的传感器，其特征在于，所述绝缘层(2)和所述加热层(3)采用丝网印刷方法制备，所述加热层(3)包括蛇形加热电极(31)和厚度为5～10μm的保护层(32)，所述加热电极(31)材料为pt。

6、根据上述的传感器，其特征在于，所述电极层(4)包括材料为pt或cu或w或其合金材料的第一叉指电极(41)，以及材料为pt的第二叉指电极(42)和参比电极(43)，电极厚度为3～10μm。

7、根据上述的传感器，其特征在于，所述空腔层(5)由氧化锆陶瓷形成支撑，所述多孔扩散层(53)为氧化铝或氧化锆材料，且所述多孔扩散层(53)的孔径为1～10μm，厚度为1～3μm。

8、本发明的有益效果在于：

9、1、本发明的第一叉指电极、第二叉指电极和参比电极均位于电极层，此电极结构为平面式结构，易于制备，相比传统电极结构，可以避免固态电解质两侧印刷电极对准的问题；此外，传感电极设计为叉指电极的形式，可以避免使用过程中电荷累积导致的法拉第电流信号减小的问题，将电流信号转化为电容信号进行测试，提升了传感器的检测精度；本发明设计的三电极工作体系，尤其是叉指对和指间距的比例设计，使传感器检测信号强度得到了提升，有利于进一步提高信号采集精度。

10、2、本发明在电极层上方设计有空腔结构，空腔结构一侧还设计有进气口，进气口处制备多孔扩散层。扩散层的存在，使油污、颗粒物和大分子气体无法进入检测空腔，更无法与检测电极接触，避免了电极的污染；同时扩散层的存在，还控制了进气量，可以保证电极表面气体的含量，使工作电极工作时形成饱和电流，保证传感器使用的稳定性和可靠性。

11、3、本发明设计的主体结构由氧化锆陶瓷构成，同时将传感器电极设计于同一层，可以极大的简化制备工艺，减小装配难度，同时片式电极结构的设计，避免了传统传感器空腔参比气体层的设计结构，使传感器的结构尺寸可以进一步减小至毫米乃至微米级别，传感器尺寸的减小极大的增加了使用集成度，扩展了使用场景。

技术特征：

1.一种用于氧气检测的固态电解质气体传感器，其特征在于，自下而上依次包括：加热层(3)、绝缘层(2)、电解质层(1)、电极层(4)和空腔层(5)；其中，所述电解质层(1)一侧印刷所述绝缘层(2)，另一侧印刷所述电极层(4)；所述绝缘层(2)表面印刷所述加热层(3)，所述加热层(3)表面印刷有保护层(32)；所述电极层(4)包括一对叉指电极(41)和参比电极(43)；所述电极层(4)上方为所述空腔层(5)，所述空腔层(5)一侧开口形成进气口(52)，所述进气口(52)中含有多孔扩散层(53)。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电解质层(1)为氧化锆陶瓷。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述绝缘层(2)和所述加热层(3)采用丝网印刷方法制备，所述加热层(3)包括蛇形加热电极(31)和厚度为5～10μm的保护层(32)，所述加热电极(31)材料为pt。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电极层(4)包括材料为pt或cu或w或其合金材料的第一叉指电极(41)，以及材料为pt的第二叉指电极(42)和参比电极(43)，电极厚度为3～10μm。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述空腔层(5)由氧化锆陶瓷形成支撑，所述多孔扩散层(53)为氧化铝或氧化锆材料，且所述多孔扩散层(53)的孔径为1～10μm，厚度为1～3μm。

技术总结
本发明属于气体传感器领域，公开了一种用于氧气检测的固态电解质气体传感器，传感器结构自下而上依次包括加热层、绝缘层、电解质层、电极层和空腔层；其中，电解质层一侧印刷绝缘层，另一侧印刷电极层；绝缘层表面印刷加热层；所述电极层包括一对叉指电极和参比电极；电极层上方为空腔层，空腔层一侧开口形成进气口，进气口中含有多孔扩散层。测试时，通过对第一、第二叉指电极通电，并记录不同气体浓度下电极间电流的变化，从而确定被测气体的氧气含量。

技术研发人员：张晓,刘晓鹏,李硕,崔建东
受保护的技术使用者：有研工程技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17