[发明专利]基于纳秒‑皮秒‑飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氧传感器技术领域，具体涉及一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法。

背景技术

近年来，在世界范围内环境保护呼声下，汽车排放控制管理规定愈来愈严格。氧传感器对于提高燃烧效率、降低污染排放量起着非常重要的作用。此外，氧传感器在诸如冶金化工、食品酿造及发电厂等其他众多领域也有着广泛的应用。在氧传感器众多的种类中，平板式氧传感器由于具有尺寸小、响应快、能耗低、易集成加热器、在恶劣环境下工作稳定等优点已经成为主流产品。现在比较通用的平板式氧传感器的制备技术是丝网印刷、陶瓷流延成型的多层陶瓷层压技术和共烧技术的结合。这种工艺在各层材料的准备阶段工艺比较复杂，涉及到较多的定位工序以及多种设备，且采用层压与烧结工艺所导致的残余应力也很难控制，因此对于氧传感器的精度、一致性和可靠性来说都是一个不小的考验。

3D打印技术是一种运用粉末状材料通过选择性激光烧结或熔化逐层堆积出制造产品的增材制造方法。相对传统制造技术而言，它可以轻松地制造出传统技术难以生产的复杂、高难度的产品。但是，3D打印出的零件表面往往显现出强度不高、吹粉、球化、残余应力高及表面粗糙高等缺点，需要对成型零件进行除渣和抛光处理。当前的3D打印过程中仅有利用视觉监控来控制尺寸，没有微观结构及成分的实时监控功能，我们无从知道零部件的微观结构，也就不能对其机械性能进行更好地控制。

近些年，短脉冲激光(如纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光)由于热影响小，加工精度高，因而在精密加工领域备受关注。纳秒激光的脉冲宽度为纳秒(10^-9秒)级，其重复频率一般为数百kHz，最高可达10MHz，因此可以达到很高的加工效率。皮秒(10^-12秒)激光足以避免能量发生热扩散并达到这些消融临界过程所需要的峰值能量密度，可以提供较高的平均功率(10W)和良好的光束质量(M2<1.5)，可以在有效工作距离内聚焦成一个10μm或更小的光点。飞秒激光(10^-15秒)在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区，热影响区，冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了准确程度，其光束直径可以聚焦到1μm以内，其精度可达100nm以内，最高可以达到0.1nm。

纳秒/皮秒/飞秒激光复合技术可以集成加工速度、精度和成本等方面的优点，将其运用于传感器的烧结和微加工，可以快速、有效避免现今激光烧结过程中出现的吹粉，残余应力等复杂问题，可以省去补偿步骤。目前还没有出现使用该技术的3D打印传感器产品。

发明内容

针对平板式氧传感器制作工艺中存在的工艺复杂、精度不高、材料界面残余应力不易控制等问题，本发明结合纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术，提出了一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合技术的平板式氧传感器制备方法，包括步骤：

按照从上到下或从下到上逐层制备平板式氧传感器，所述的平板式氧传感器从下到上依次包括加热器基体层、第一绝缘层、加热器层、第二绝缘层、参比空气通道层、内电极层、陶瓷基体层、外电极层和多孔保护层，加热器层包括加热器及围绕加热器周边的第三绝缘层，各层的制作步骤如下：

(1)真空环境中，在工作台上加载当前层原材料粉末并预热；

(2)根据当前层的精度要求确定原始激光，采用原始激光对原材料进行扫描烧结熔化及固化；原始激光的选择原则是：对精度要求高的当前层选用脉冲较短的激光，对精度要求低的当前层则选用脉冲较长的激光；基于上述选择原则并结合经验、试验验证在纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光中确定制作当前层所采用的原始激光；

(3)实时检测和分析已成型当前层的尺寸、晶相结构、表面形貌和成分中的一项或多项，并将分析结果反馈至控制中心；

(4)将控制中心接收的分析结果与预设目标比对，若分析结果达到预设目标，则结束并开始制作下一层；否则，执行步骤(5)。

(5)使用精加工激光对已成型当前层的特定区域进行精加工，然后执行步骤(3)；所述的特定区域指分析结果未达到预设目标的区域，所述的精加工激光选择原则为：(a)为皮秒激光或飞秒激光；同时，(b)其加工精度高于原始激光源。