[发明专利]氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法

说明书

本发明属于电化学氧传感器技术领域，尤其涉及氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法。本发明所提供的制备方法，是在电解质层素坯上采用化学气相沉积法形成致密扩散层，或者是在致密扩散层素坯上采用化学气相沉积法形成电解质层。该制备方法制备出的电解质层和致密扩散层双层结构中电解质层和致密扩散层的结合强度高，制备速度快，适用于大规模生产。

技术领域

本发明属于电化学氧传感器技术领域，尤其涉及氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法。

背景技术

电化学氧传感器通常利用电化学反应实现对氧气测量，这类氧传感器具有灵敏度高、测量范围宽、响应时间短等优点，被广泛应用在化工、医疗、生物以及军事领域，是目前技术最为成熟，应用最为广泛的氧传感器。电化学氧传感器主要包含浓差电池型氧传感器和极限电流型氧传感器。其中，浓差电池型氧传感器存在贫燃区控制不灵敏等缺点，因此，应用更广、响应更灵敏、寿命更长的极限电流型氧传感器备受关注。

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，小孔型和多孔型存在造价昂贵、经常出现孔隙变形和固体颗粒堵塞等缺陷。相比较，致密扩散障碍层型由于采用了氧离子～电子混合导体作为致密扩散障碍层，能够克服孔隙堵塞的问题，工作性能更加稳定、响应时间更灵敏、寿命更长。致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的剖面结构示意图如图1所示，此种氧传感器通常包括正负铂电极、致密扩散障碍层(简称致密扩散层)、固体电解质层(简称电解质层)和高温密封玻璃釉。

致密扩散障碍层极限电流型氧传感器可利用放电等离子烧结、共压共烧结和瓷片复合等方法制备。其中，利用放电等离子烧结(SPS)技术，在烧结过程容易因致密扩散层的材料和电解质层的材料不匹配而导致烧结体裂开，因此影响测氧性能。利用共压共烧结法，因致密扩散层的材料和电解质层的材料的热膨胀系数和烧结收缩率均不匹配，而容易导致烧结体在共烧结过程中出现裂纹，影响氧离子在传感器中的扩散。利用瓷片复合法，测氧性能良好，但是该法制备周期长、过程繁琐，而且常规烧结中制备的致密扩散层含有较多气孔，不利于大规模生产。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，由该制备方法制备出的电解质层和致密扩散层双层结构中电解质层和致密扩散层的结合强度高，制备速度快，适用于大规模生产。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明一方面提供一种氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，包括如下步骤：S1、制备电解质层素坯；S2、采用化学气相沉积法使反应气体在电解质层素坯上发生化学反应，并在电解质层素坯上沉积形成致密扩散层素坯；S3、对带有致密扩散层素坯的电解质层素坯进行烧结；S4、将烧结后的带有致密扩散层素坯的电解质层素坯冷却至室温，冷却后的致密扩散层素坯形成致密扩散层，冷却后的电解质层素坯形成电解质层，致密扩散层和电解质层彼此叠置且相连，形成双层结构。

根据本发明，在步骤S2中，化学气相沉积法为等离子体增强化学气相沉积法，包括如下步骤：S2.1、将步骤S1得到的电解质层素坯进行预处理；S2.2、将步骤S2.1得到的电解质层素坯置于等离子体增强化学气相沉积设备的恒温加热区，将沉积温度升温至300～500℃；S2.3、向沉积室内通入源气体，并开启放电电源，源气体在辉光放电的作用下形成等离子体；S2.4、向沉积室内通入反应气体，使反应压强达到10～400Pa，反应气体在步骤S2.3中形成的等离子体的作用下被激活后在电解质层素坯上发生化学反应，生长30～60min；S2.5、停止对恒温加热区的加热，向沉积室内继续通入源气体，将电解质层素坯冷却至室温，最终在电解质层素坯上生长并沉积形成致密扩散层素坯。