一种混合导体致密扩散障型氧传感器的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种混合导体致密扩散障型氧传感器的制备方法，制得的氧传感器包括电解质层、致密扩散层、封装层、和多孔的正、负集电极等构成。电解质层氧化锆材料构成，致密扩散障层由氧化锆和Ｌａ１－ｘＳｒｘＭｎＯ３组成的混合导体材料构成，封装层为玻璃釉，电解质层和致密扩散障层是通过放电等离子烧结技术直接烧结而成，多孔的正、负集电极层用丝网印刷直接印刷在复合材料的上下表面并烧结而成，封装层涂覆在复合多层陶瓷的边缘。由于本发明专利技术采用放电等离子烧结技术制作，所以所得传感器不存在起翘、开裂等问题，且重复性好，性能稳定，制作过程简单，制作周期短，体积小，快速响应等特点，适用于较宽氧浓度的检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，适用于宽范围氧气 浓度检测Zr02基极限电流型氧传感器的制备。
技术介绍
氧浓度的测量控制在各种产业领域都有着重要作用，尤其在汽车、冶金、制氧行业 中，目前在应用的传感器按其原理划分有浓差电势型和极限电流型，其中极限电流型氧传 感器以其精度高，响应快，使用寿命长以及使用过程中不需基准气体等优点正得到广泛应 用；极限电流型氧传感器又可分为孔隙扩散障型(包括小孔扩散障型、多孔扩散障型)和混 合导体致密扩散障型，对于孔隙扩散障型氧传感器，在长期的使用过程中，由于其扩散障内 的孔隙会出现变形及气体中固体颗粒物堵塞的现象，从而造成此类传感器性能的下降及失 效。目前新型的混合导体致密扩散障型氧传感器采用了无孔结构，克服了上述不足，并且还 可通过控制致密扩散障成份配比和烧结参数轻易地控制其扩散能力，因而具有性能稳定、 工艺简单等优点。但是如果采用传统的烧结手段，制备的氧化锆电解质陶瓷存在致密性差、 烧结周期长等问题，另一方面由于致密扩散障型氧传感器是由氧化锆电解质层与混合导体 致密扩散障层采用叠层结构构成的复合陶瓷，但是使用传统共烧法制备时由于二者在烧结 过程中热收縮率的不一致，会导致复合陶瓷的开裂、起翘、分离等问题，降低了致密扩散障 层的密封性，縮减了氧传感器氧浓度的测量范围。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，而提供一种制备的氧传感器 具有更宽范围的检测功能，且重复性好，制作周期短，且在制备的过程中采用放电等离子烧 结技术使多层复合陶瓷一次性整体共烧，具有简化工艺，降低生产成本，节约资源的混合导 体致密扩散障型氧传感器的制备方法。 本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为一种混合导体致密扩散障型氧传 感器的制备方法，其特征是包括以下步骤 步骤一是使用钇含量为5% mol 12% mol的氧化锆材料制作电解质层； 步骤二是使用由氧化锆和La卜xSrxMn03组成的混合导体材料制作致密扩散障层，其中La卜xSrxMn03中的X = 0. 2 0. 4，氧化锆材料的含量在0% _40%范围变化； 步骤三是采用放电等离子烧结技术，在1050°C 135(TC烧结温度范围内将致密扩散障层和电解质层以叠层结构烧结成复合多层陶瓷； 步骤四是采用厚膜丝网印刷技术在致密扩散障层上表面中心印制负集电极； 步骤五是采用厚膜丝网印刷技术在电解质层下表面中心印制正集电极； 步骤六是再次将上述印制的正集电极和负集电极在高温炉中以800°C 1200°C温度范围内烧结； 步骤七是在复合多层陶瓷边缘涂覆上玻璃釉进行制作封装层。 采取的措施还包括 在上述的中，步骤二中具体为将 混合均匀的氧化锆和La卜xSrxMn03组成的混合导体材料粉体放入垫有碳纸的圆柱形模具中 轻压，形成致密扩散障层，再将步骤一中的氧化锆材料粉体装入模具，放置在致密扩散障层 上，形成电解质层，并在电解质层上覆盖碳纸。 在上述的中，步骤三具体为将装 有粉体的模具放入放电等离子烧结设备中，将烧结腔抽真空至5Pa，通过上下顶杆给模具腔 内粉体轴向加压40MPa 60Mpa，同时通大电流使样品以200°C /min 400°C /min的速率 升温至烧结温度，烧结温度控制在1050°C 135(TC范围，保温时间为3min 5min，烧结完 成后随炉保压冷却至室温，然后卸压、取出模具、脱模得到复合多层陶瓷，并将制得的多层 复合陶瓷进行退火除碳。 在上述的中，步骤四和步骤五具 体为使用金相砂纸对多层复合陶瓷上下表面进行打磨抛光，并在致密扩散障层的上表面中 心采用厚膜丝网印刷技术制作多孔铂材料的负集电极，在电解质层的下表面中心采用厚膜 丝网印刷技术制作多孔铂材料的正集电极。 在上述的中，所述的致密扩散障 层具有固体氧离子扩散能力，被测氧在浓度差驱使下通过扩散障层由外部向扩散障碍层和 电解质层交界面处进行氧离子扩散，并且在整个结构没有孔隙漏气的前提下，其扩散能力 完全由致密扩散障层两侧的浓度差以及扩散障层材料的氧离子传导率、面积、厚度等参数 决定，再利用致密扩散层材料具有电子导电的能力，通过外加电源给电解质层施加驱动电 压后，已扩散到扩散障层和电解质层界面处的氧离子在电场作用下又通过具有氧离子传导 的电解质层向外部泵送，形成泵氧电流。 在上述的中，致密扩散障层烧结 后厚度控制在O. 5mm 1. 5mm之间，电解质层烧结后的厚度控制在0. 5mm lmm之间，封装 层厚度控制在O. 3mm lmm之间，其中电解质层的厚度占整体厚度的30% 40%，致密扩 散障层的厚度占整体厚度的60% 70%。 在上述的中，正集电极和负集电 极的面积依复合多层陶瓷的上下表面积大小而定，其中正集电极占电解质层下表面面积的 50 % 80 % ，负集电极占致密扩散障层上表面中心的50 % 80 % 。 在上述的中，正集电极和负集电 极均采用铂材料制成。 在上述的中，所得的氧传感器 工作温度范围为400°C 800°C，工作电压为0. 4V 1. 0V，可检测氧浓度范围为0. 1 % 23%，响应时间小于10秒。 与现有技术相比，本专利技术的优点在于采用放电等离子快速烧结技术，主要是利用 脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结得到致密度99. 9%以上的氧 化锆电解质陶瓷，融等离子活化、热压、电阻加热为一体，具有升温速度快、烧结时间短、能 耗低、烧结制品晶粒细小、组织均匀以及烧结体致密度高等优点，并且烧结周期短，且在烧 结过程中持续垂直的单向压力也有利于消除氧化锆电解质与混合导体烧结进程中热收縮率不匹配带来的开裂、起翘、分离、漏气等现象，使得混合导体致密扩散障型氧传感器可以 一次共烧成形，工艺成功率高，制作周期短，制作成的敏感元件致密度高，致密扩散障层与 电解质层结合好。附图说明 图1是氧传感器的整体剖视结构示意图； 图2是图1的俯视图； 图3是图1的仰视图； 图4是氧传感器的工作原理图； 图5是氧传感器的电压_电流特性图； 图6是氧传感器的氧浓度_极限电流曲线； 图7是氧传感器的时间响应曲线。具体实施例方式以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述， 但本专利技术并不限于这些实施例。 如图1至图7所示，图中，正集电极1 ;正引线2 ;电解质层3 ;致密扩散障层4 ;负 集电极5;负引线6;封装层7。 如图1至图4所示，本专利技术技术制备的是一种极限电流型氧传感器，由电解质层3、 致密扩散障层4、封装层7、和正集电极1、负集电极5构成，在正集电极1上连接有正引线 2，在负集电极5上连接有负引线6。其中电解质层3和致密扩散障层4是通过放电等离子 烧结技术(SPS)将二者烧结在一起，这里所指的放电等离子烧结技术是在真空的环境下， 将粉体装在模具中，通大电流，加压，将粉体迅速烧结致密的一种技术手段。正集电极1采 用厚膜丝网印刷技术制作在电解质层3的下表面中心，负集电极5同样采用厚膜丝网印刷 技术制作在致密扩散障层4的上表面中心，正集电极1和负集电极5均采用铂材料制成，封 装层7包覆在除正集电极1和负集电极5以外的电解质层3和致密扩散障层4表面。电解 质层3由氧化锆材料构成，其中钇含量为5% mol 12% mol的范围，致密扩散障层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合导体致密扩散障型氧传感器的制备方法，其特征是：包括以下步骤：步骤一是使用钇含量为５％ｍｏｌ～１２％ｍｏｌ的氧化锆材料制作电解质层（３）；步骤二是使用由氧化锆和Ｌａ↓［１－ｘ］Ｓｒ↓［ｘ］ＭｎＯ↓［３］组成的混合导体材料制作致密扩散障层（４），其中Ｌａ↓［１－ｘ］Ｓｒ↓［ｘ］ＭｎＯ↓［３］中的Ｘ＝０．２～０．４，氧化锆材料的含量在０％－４０％范围变化；步骤三是采用放电等离子烧结技术，在１０５０℃～１３５０℃烧结温度范围内将所述的致密扩散障层（４）和电解质层（３）以叠层结构烧结成复合多层陶瓷；步骤四是采用厚膜丝网印刷技术在致密扩散障层（４）上表面中心印制负集电极（５）；步骤五是采用厚膜丝网印刷技术在电解质层（３）下表面中心印制正集电极（１）；步骤六是再次将上述印制的正集电极（１）和负集电极（５）在高温炉中以８００℃～１２００℃温度范围内烧结；步骤七是在复合多层陶瓷边缘涂覆上玻璃釉进行制作封装层（７）。

【技术特征摘要】
一种混合导体致密扩散障型氧传感器的制备方法，其特征是包括以下步骤步骤一是使用钇含量为5％mol～12％mol的氧化锆材料制作电解质层(3)；步骤二是使用由氧化锆和La1-xSrxMnO3组成的混合导体材料制作致密扩散障层(4)，其中La1-xSrxMnO3中的X＝0.2～0.4，氧化锆材料的含量在0％-40％范围变化；步骤三是采用放电等离子烧结技术，在1050℃～1350℃烧结温度范围内将所述的致密扩散障层(4)和电解质层(3)以叠层结构烧结成复合多层陶瓷；步骤四是采用厚膜丝网印刷技术在致密扩散障层(4)上表面中心印制负集电极(5)；步骤五是采用厚膜丝网印刷技术在电解质层(3)下表面中心印制正集电极(1)；步骤六是再次将上述印制的正集电极(1)和负集电极(5)在高温炉中以800℃～1200℃温度范围内烧结；步骤七是在复合多层陶瓷边缘涂覆上玻璃釉进行制作封装层(7)。2. 根据权利要求1所述的一种混合导体致密扩散障型氧传感器的制备方法，其特征是所述的步骤二中具体为将混合均匀的氧化锆和Lai—xSrxMn03组成的混合导体材料粉体放入垫有碳纸的圆柱形模具中轻压，形成致密扩散障层(4)，再将步骤一中的氧化锆材料粉体装入模具，放置在致密扩散障层(4)上，形成电解质层(3)，并在电解质层(3)上覆盖碳纸。3. 根据权利要求2所述的一种混合导体致密扩散障型氧传感器的制备方法，其特征是所述的步骤三具体为将装有粉体的模具放入放电等离子烧结设备中，将烧结腔抽真空至5Pa，通过上下顶杆给模具腔内粉体轴向加压40MPa 60Mpa，同时通大电流使样品以200°C /min 400°C /min的速率升温至烧结温度，烧结温度控制在1050°C 135(TC范围，保温时间为3min 5min，烧结完成后随炉保压冷却至室温，然后卸压、取出模具、脱模得到复合多层陶瓷，并将制得的多层复合陶瓷进行退火除碳。4. 根据权利要求3所述的一种混合导体致密扩散障型氧传感器的制备方法，其特征是所述的步骤四和步骤五具体为使用金相砂纸对多层复合陶瓷上下表面进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹杰，简家文，汪益，王金霞，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]