[发明专利]旋转涂覆制备极限电流型氧传感器致密扩散障碍层的方法

说明书

一种旋转涂覆制备极限电流型氧传感器致密扩散障碍层的方法，属于化学气体传感器技术领域。该方法包括：将粘结剂溶解在溶剂中，组成有机载体，将LSM均匀分散在有机载体中，制得致密扩散障碍层浆料LSM；其中，按质量比，LSM∶溶剂∶粘结剂＝(2～6)∶(5～10)∶(0.01～0.05)；用旋转涂覆仪以1000～10000r/min旋转1～10min，将致密扩散障碍层浆料均匀涂覆在YSZ表面，然后干燥，得到干燥的表面具有一层致密扩散障碍层的固体电解质；在1000～1600℃烧结5～7h，制得涂覆在固体电解质上的极限电流型氧传感器致密扩散障碍层。该方法制备的致密扩散障碍层，其组织致密均匀，致密，无气孔，扩散障碍层与基体的结合强度高，厚度可精确控制，制造周期短。

技术领域

本发明涉及化学气体传感器技术领域，具体为一种旋转涂覆制备极限电流型氧传感器致密扩散障碍层的方法。

背景技术

在汽车、冶金、能源等工业中，利用电化学传感器在线、实时监测氧浓度是一种有效的方法。电化学传感器根据工作原理的不同，可分为浓差电池型和极限电流型两种，相比而言，极限电流型弥补了浓差电池型对贫燃区响应慢、灵敏度低的不足，具有响应时间短、灵敏度高、寿命长、无需参比气体等优点。极限电流型氧传感器分为小孔型、多孔型和致密扩散障碍层型，其中，小孔型造价昂贵，长时间使用会出现小孔堵塞变形的现象；多孔型虽然制备相对简单，但孔隙率难以控制，长期使用会因待测气氛中灰尘等颗粒物的污染而导致透气性恶化，从而影响氧传感器的性能和使用寿命，因此小孔型和多孔型极限电流型氧传感器在实际应用中受到了限制。采用氧离子-电子混合导体作为致密扩散障碍层可克服小孔型和多孔型的缺点，在使用过程中不会出现孔隙堵塞的问题，工作性能更加稳定，使用时间更长。近年来，致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的研究成为了新热点，其剖面结构示意图如图1所示，其组成包括正负电极层，致密扩散障碍层，固体电解质层和高温密封玻璃釉。

国内外研究工作者对极限电流型氧传感器中的致密扩散障碍层的制备方法进行了诸多研究工作，分别以Y₂O₃稳定的ZrO₂(简称YSZ)为固体电解质，通过利用磁控溅射、丝网印刷成膜(厚膜涂覆)、共压共烧结、放电等离子烧结和瓷片复合等方法制备了极限电流型氧传感器致密扩散障碍层。Garzom等人分别以La_0.84Sr_0.16MnO₃(LSM)和La_0.8Sr_0.2CoO₃(LSC)作为致密扩散障碍层，采用磁控溅射和丝网印刷成膜技术制备了氧传感器(参考文献：Garzon F,Raistrick I,Brosha E,et al.Dense diffusion barrier limiting currentoxygen sensors(致密扩散障碍层极限电流型氧传感器).Sensors and Actuators B-Chemical,1998,50(2):125-130)。由于氧离子迁移率较高，磁控溅射法制备的致密扩散障碍层厚度又很薄，导致氧传感器测氧范围较窄；而采用的丝网印刷成膜技术虽增加了致密扩散障碍层的厚度，但在高温烧结过程中浆料中的有机物会造成许多微孔，导致致密扩散障碍层的致密度降低。夏晖等人以LSM为致密扩散障碍层，采用共压共烧结法制备了氧传感器(参考文献：夏晖.薄膜式极限电流型汽车尾气氧传感器的研究.硕士论文,2003)。因LSM与YSZ的热膨胀系数、烧结收缩率不匹配，而导致烧结体在共烧结过程中出现裂纹，影响氧离子的扩散。邹杰等人分别以LSM、La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O₃(LSCM)等为致密扩散障碍层，采用放电等离子烧结(SPS)技术制备了氧传感器(邹杰.致密扩散障型氧传感器的基础研究.硕士论文,2011)。由于LSM在SPS烧结工程中易被C还原，LSCM与YSZ的热膨胀系数不匹配引起烧结体开裂，因此测氧性能不理想。刘涛等人以Sr_1-xY_xCoO_3-δ为致密扩散障碍层，以La_0.8Sr_0.2Ga_0.83Mg_0.17O_2.815(LSGM)为固体电解质，采用瓷片复合法制备了氧传感器，获得较好的测氧特性(参考文献：何背刚，刘涛，管晋钊，陈超.Sr_0.9Y_0.1CoO_3-δ致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的制备及性能.硅酸盐学报，2014,42(3)：268-274)，然而该法制备过程繁琐、周期长，而且常规烧结法制备的致密扩散障碍层含有较多气孔。