一種鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器及其制備方法，目的在于提高氧傳感器的檢測(cè)精度和適應(yīng)性能。它包括陶瓷基片、氧敏感材料、檢測(cè)電極、隔絕層和加熱器；氧敏感層的材料分子式為：SrTi0.65Fe0.35O3-δ，隔絕層為氧化鎂，隔絕層和敏感層均采用絲網(wǎng)印刷的方式印制，氧敏感層表面燒制有檢測(cè)電極，陶瓷基片的反面制作一層加熱器。本發(fā)明采用鐵摻雜鈦酸鍶材料制作成的氧傳感器在700-900℃之間表現(xiàn)出溫度不敏感特性。在實(shí)際使用中提高了氧傳感器的檢測(cè)精度和適應(yīng)性能。本發(fā)明涉及的氧傳感器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，制造工藝容易控制，制造成本低廉，適合大批量生產(chǎn)。制備工藝簡(jiǎn)單，容易控制，非常適合大批量生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】一種鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氧傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]利用氧傳感器檢測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氧含量，來(lái)進(jìn)行空燃比調(diào)節(jié)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運(yùn)用到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上。來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)，降低燃料消耗，并使得三元催化器效率最大化，從而降低尾氣中有害氣體排放。
[0003]目前氧傳感器運(yùn)用最多的材料是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。這主要是考慮到其較高的離子電導(dǎo)率、苛刻條件下良好的穩(wěn)定性的特點(diǎn)。通過摻雜氧化釔，ZrO2中可形成大量的氧空位，從而促使氧離子在氧化鋯中運(yùn)動(dòng)。隨著貧燃發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，對(duì)空燃比控制提出了更高精度的要求，氧傳感器在濃差電池型基礎(chǔ)上發(fā)展出了極限電流型和寬域型氧傳感器，目前已經(jīng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上大量采用。
[0004]氧化鋯基氧傳感器研究和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以滿足現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制要求。但氧化鋯氧傳感器也有一些固有的問題和缺陷，限制了其進(jìn)一步的改進(jìn)和升級(jí)。主要有如下幾個(gè)方面:
[0005]1、氧化鋯氧傳感器的制造過程很復(fù)雜。氧化鋯屬于陶瓷材料，陶瓷材料的成型工藝復(fù)雜，技術(shù)要求很高。尤其是極限電流型和寬域型氧傳感器，是由多層氧化鋯材料疊加燒結(jié)，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，制造工藝要求很高，相應(yīng)的制造成本較高。
[0006]2、氧化鋯氧傳感器的工作原理決定其必需要有標(biāo)準(zhǔn)大氣作為參比氣，在一些極端環(huán)境中，如沒有穩(wěn)定的參比氣提供給傳感器，檢測(cè)精度將大幅下降，傳感器甚至無(wú)法正常工作。
[0007]3、氧化鋯氧傳感器對(duì)工作溫度很敏感，當(dāng)檢測(cè)溫度發(fā)生大幅度變化時(shí)，傳感器輸出值也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，影響測(cè)量精度。雖然通過自帶加熱器可以解決一些應(yīng)用下溫度波動(dòng)的問題，但對(duì)于一些溫度波動(dòng)頻繁的應(yīng)用，氧化鋯氧傳感器難以進(jìn)一步滿足更高精度的測(cè)量要求。隨著環(huán)保要求的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制精度要求也將越來(lái)越高，對(duì)于氧傳感器也將有更高的精度要求。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)這種廢氣溫度波動(dòng)非常頻繁的應(yīng)用，氧化鋯氧傳感器測(cè)量原理的固有缺陷將限制其進(jìn)一步的技術(shù)提升。
[0008]除了氧化鋯氧傳感器，也有采用TiO2作為氧傳感器材料的研究。Sc摻雜的TiO2材料研究較多，這種材料的電導(dǎo)率與氧分壓有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在較寬的氧分壓條件下(l-10_15Pa) ,TiO2均為η型半導(dǎo)體。當(dāng)氧分壓增大時(shí)，電子的數(shù)目減少，電阻值增加，這是這種材料制作的氧傳感器的基本工作原理。
[0009]TiO2基氧傳感器的主要優(yōu)勢(shì)在于:裝配簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，尺寸小，成本低。但也有其固有缺陷。由于TiO2氧交換動(dòng)力學(xué)緩慢，且氧離子擴(kuò)散系數(shù)較小，因此所需要的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。另外一方面，TiO2基傳感器需要在高溫下(600-1000°C )工作，然而在600°C附近，TiO2存在晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，會(huì)對(duì)其測(cè)定氧的含量產(chǎn)生影響。此外，TiO2對(duì)溫度具有較高的依賴性，當(dāng)溫度改變，同種氣氛下，相應(yīng)的電導(dǎo)率將會(huì)發(fā)生顯著變化。在溫度波動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)氧傳感器產(chǎn)生明顯影響?；谏鲜鋈毕荩琓iO2基氧傳感器目前尚未有大量的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供一種鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器及其制備方法，目的在于提高氧傳感器的檢測(cè)精度和適應(yīng)性能。
[0011]本發(fā)明提供的一種鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器，其特征在于，它包括陶瓷基片、氧敏感材料、檢測(cè)電極、隔絕層和加熱器；氧敏感層的材料分子式為=SrTia65Fea35CVs,
δ < 1，隔絕層的材料為氧化鎂，隔絕層用采用絲網(wǎng)印刷的方式印制在陶瓷基板上，敏感層用絲網(wǎng)印刷的方式印制在隔絕層上，氧敏感層表面燒制有檢測(cè)電極，陶瓷基片的反面制作有一層加熱器。
[0012]上述鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括下述步驟:
[0013]第I步制作隔絕層:
[0014]將氧化鎂與印刷漿料以質(zhì)量比1:2~2:1混合形成隔絕層印刷漿料，再將制備好的隔絕層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在陶瓷基片上，放置在空氣中晾干后烘干，再以1-30C /min的速度升溫，升溫到1000-1400°C，燒結(jié)時(shí)間lh_3h，然后隨爐降溫，制成隔絕層；
[0015]第2步制作敏感層: [0016]將氧敏感層材料與印刷漿料以質(zhì)量比8:2~6:4混合形成敏感層印刷漿料，將制備好的敏感層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在帶隔絕層的陶瓷基片上，放置在空氣中晾干后烘干；再將以1_3°C /min的速度升溫，升溫到800-1100°C，燒結(jié)時(shí)間l_3h，然后隨爐降溫，制成氧敏感層；
[0017]第3步制備檢測(cè)電極:
[0018]采用四點(diǎn)直流法測(cè)量氧敏感層的電阻，在制備好的氧敏感層上通過絲網(wǎng)印刷將電阻漿料按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的電極形狀絲印在氧敏感層上，在800-950°C下煅燒30-50min，完成傳感器檢測(cè)電極的制備；
[0019]第4步制作加熱器:
[0020]通過絲網(wǎng)印刷的方式將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的加熱器形狀絲印在陶瓷基片和，在800-950°C下煅燒30-50min，完成加熱器的制作。
[0021]基于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中主流氧傳感器存在的問題的研究，本發(fā)明采用了一種全新的鐵(Fe)摻雜的鈦酸鍶(SrTiO3)半導(dǎo)體材料來(lái)制作氧傳感器。鈦酸鍶材料在與氧氣響應(yīng)的過程中，是晶格氧和氣氛氧中發(fā)生交換反應(yīng)，伴隨著氧空位、電子的生成及消耗，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的電阻值發(fā)生改變。如下公式所示:
[0022]O； <^V"+2e.+^O2
[0023]根據(jù)分析可知，在整個(gè)氧分壓區(qū)間存在η型和P型電導(dǎo)區(qū)，在低氧分壓范圍內(nèi)(I(T2tl-1O-3Pa)為η型電導(dǎo)區(qū)，電導(dǎo)率隨著氧分壓的升高而降低。而在高氧分壓區(qū)域(1-1O5Pa)，為P型電導(dǎo)區(qū)，電導(dǎo)率隨著氧分壓的升高而升高。當(dāng)鈦酸鍶材料摻入鐵元素時(shí)，會(huì)形成了 SrTihFexCVs連續(xù)固溶體，并在鈦酸鍶材料體內(nèi)產(chǎn)生氧空位和空穴，同時(shí)在導(dǎo)帶底能級(jí)鈦離子3d軌道和價(jià)帶頂能級(jí)氧離子2p軌道之間形成雜質(zhì)能級(jí),減小了 SrTiO3的禁帶寬度，提高其電導(dǎo)率，從而擴(kuò)大了 P型電導(dǎo)區(qū)，更符合實(shí)際測(cè)試過程中氧分壓的變化。同時(shí)，鐵元素引入時(shí)所引入的空穴會(huì)對(duì)電阻溫度系數(shù)產(chǎn)生巨大的影響，空穴的遷移率會(huì)對(duì)電阻溫度系數(shù)有正向的貢獻(xiàn)而空穴濃度對(duì)其有負(fù)向的貢獻(xiàn)。因此，調(diào)節(jié)摻入鐵元素的含量，可以調(diào)節(jié)鈦酸鍶材料的電阻溫度系數(shù)，即調(diào)節(jié)鈦酸鍶材料對(duì)于溫度的依賴性。這就是鐵(Fe)摻雜的鈦酸鍶(SrTiO3)半導(dǎo)體材料作為氧傳感器材料的理論基礎(chǔ)。實(shí)際應(yīng)用中通過建立起傳感器材料電阻和氣氛氧分壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)檢測(cè)被測(cè)氣體的氧含量值。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0025]1、本發(fā)明采用鐵摻雜鈦酸鍶材料制作成的氧傳感器在700-900°C之間表現(xiàn)出溫度不敏感特性。在實(shí)際使用中提高了氧傳感器的檢測(cè)精度和適應(yīng)性能。
[0026]2、本發(fā)明采用鐵摻雜鈦酸鍶材料制作的氧傳感器，不用參比氣，擴(kuò)大了氧傳感器的使用范圍。
[0027]3、采用氧化鎂作為陶瓷基板與敏感層之間的隔絕層，阻止在高溫下敏感層材料原子向陶瓷基板擴(kuò)散，保持敏感層的穩(wěn)定性，提高氧傳感器的壽命。
[0028]4、本發(fā)明涉及的氧傳感器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，制造工藝容易控制，制造成本低廉，適合大批量生產(chǎn)。
[0029]5、本發(fā)明涉及的氧傳感器采用了 SK:03、Ti02、Fe2O3三種原材料，通過固相合成法制備氧敏感材料。原材料價(jià)格低廉，容易獲取。制備工藝簡(jiǎn)單，容易控制，非常適合大批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明提供的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，Ia為主視圖，Ib為后視圖；
[0031]圖2為四點(diǎn)直流測(cè)量法原理示意圖；
[0032]圖中，I為陶瓷基片，2為氧敏感層，3為檢測(cè)電極，4為隔絕層，5為加熱器，6為恒流源，7為電壓表，8為被測(cè)材料。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供的鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器，它包括陶瓷基片1、氧敏感材料2、檢測(cè)電極3、隔絕層4和加熱器5。
[0035]氧敏感層2的材料分子式為:SrTi0.65Fe0.3503_5,0 ( δ ( 1，簡(jiǎn)寫:STF35。氧敏感層2的材料采用SrC03、Ti02、Fe203三種原材料通過固相合成方法制備出鐵摻雜濃度為35%的鐵摻雜鈦酸鍶材料。隔絕層4的材料為氧化鎂。隔絕層4用采用絲網(wǎng)印刷的方式印制在陶瓷基板I上，敏感層2用絲網(wǎng)印刷的方式印制在隔絕層4上，氧敏感層2表面燒制有檢測(cè)電極3，陶瓷基片I的反面制作一層加熱器5。
[0036]下面具體說(shuō)明本發(fā)明提供的氧傳感器的制備方法:
[0037]1、氧敏感層材料制備:[0038]將SrC03、TiO2, Fe2O3三種材料，通過固相合成方法制作成鐵摻雜濃度為35%的鐵摻雜鈦酸鍶粉體材料(SrTia65Fea35CVs)。三種材料的配比(重量比)為=SrCO3(60-70% )、TiO2 (20-25% )、Fe2O3 (10-15% )。材料合成方法如下:
[0039](1.1)原材料混合:
[0040]將配比好的三種原材料放入球磨罐，以氧化鋯球?yàn)榍蚰パ心ンw,加入一定量的乙醇作為球磨介質(zhì)。以500?800r/min的速度球磨18?32h。球磨完成后,將球磨后所得到的混合物放入到烘箱中烘干。
[0041](1.2)煅燒:
[0042]球磨后得到的原材料放到馬弗爐中煅燒，煅燒溫度1100-1300°C。保溫9-12小時(shí)。
[0043](1.3) 二次球磨:
[0044]將煅燒好的原材料進(jìn)行二次球磨，仍以氧化鋯球?yàn)榍蚰パ心ンw，加入一定量的乙醇作為球磨介質(zhì)，以500?800r/min的速度球磨18?32h。球磨完成后,將球磨后所得到的混合物放入到烘箱中烘干。
[0045](1.4) 二次煅燒:
[0046]將二次球磨得到的原材料進(jìn)行第二次煅燒，煅燒溫度1100-1300°C，保溫9_12小時(shí)，最終獲得的粉體材料，即為傳感器敏感材料。
[0047]2、印刷漿料制備:
[0048]印刷漿料的配方為:丁基卡必醇醋酸酯(28_32wt.%)，鄰苯二甲酸二丁酯(8-12wt.% ),乙基纖維素為(5-7% )、司班85為(3_4% ),余量為松油醇。配置完成后在80°C烘箱下烘24h。
[0049]3、隔絕層制備:
[0050]隔絕層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，先按照隔絕層圖案制作絲網(wǎng)?；w采用一個(gè)長(zhǎng)方形的陶瓷基片(材料優(yōu)選氧化鋁)。將氧化鎂與印刷漿料以質(zhì)量比1:2?2:1混合形成隔絕層印刷漿料。將制備好的隔絕層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在陶瓷基片上，放置于60?90°C烘箱中烘20?60分鐘。將印刷好的隔絕層樣品以1_3°C /min的速度升溫，升溫到1000-1400°C，煅燒時(shí)間l_3h，然后隨爐降溫，制成隔絕層。
[0051]4、敏感層制備:
[0052]敏感層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，大小略小于隔絕層。按照敏感層圖案制作絲網(wǎng)。將氧敏感層材料與印刷漿料以質(zhì)量比8:2?6:4混合形成敏感層印刷漿料。將制備好的敏感層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在帶隔絕層的陶瓷基片上，放置在空氣中晾干，再將樣品置于80°C烘箱中烘30min。將印刷好的隔絕層樣品以l_3°C/min的速度升溫，升溫到800-1100°C，煅燒時(shí)間l_3h，然后隨爐降溫，制成氧敏感層。
[0053]5、制備檢測(cè)電極:
[0054]采用四點(diǎn)直流法測(cè)量氧敏感層的電阻。四點(diǎn)直流法測(cè)量是在被測(cè)材料兩端加一恒流源，然后在恒流源電流經(jīng)過的材料段上選取兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)兩點(diǎn)間的電壓，從而可以得到這段材料的電阻(參見“四點(diǎn)直流測(cè)量法原理示意圖”)。在制備好的氧敏感層上通過絲網(wǎng)印刷將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的電極形狀絲印在厚膜氧敏感層上(參見“傳感器結(jié)構(gòu)示意圖”)，在800-950°C下煅燒30-50min，完成傳感器電極制備。
[0055]6、加熱器制作:[0056]傳感器加熱器采用Pt為主要材料，燒制在傳感器基片上，氧敏感層的反面(參見“傳感器結(jié)構(gòu)示意圖”)。通過絲網(wǎng)印刷的方式將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的加熱器形狀絲印在傳感器基片上，在800-950°C下煅燒30-50min，完成加熱器的制作。
[0057]實(shí)例1:
[0058]1、氧敏感層材料制備:
[0059]將SrC03、Ti02、Fe203三種材料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)68%、21 %、11 %的比例混合，以氧化鋯球?yàn)榍蚰パ心ンw，加入一定量的乙醇作為球磨介質(zhì)。選擇球磨轉(zhuǎn)速500r/min，時(shí)間32h。將球磨后得到的原材料放到馬弗爐中煅燒，煅燒溫度1300°C。保溫9小時(shí)。重復(fù)上述球磨煅燒過程得到氧敏感層材料。
[0060]2、印刷漿料制備:
[0061]印刷漿料的配方為:，丁基卡必醇醋酸酯(28wt.%)，鄰苯二甲酸二丁酯(12wt.% ),乙基纖維素為(7% )、司班85為(4%),余量為松油醇。配置完成后在80°C烘箱下烘24h。
[0062]3、隔絕層制備:
[0063]隔絕層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，先按照隔絕層圖案制作絲網(wǎng)?；w采用一個(gè)長(zhǎng)方形的氧化鋁陶瓷基片。將氧化鎂與印刷漿料以質(zhì)量比1:2混合形成隔絕層印刷漿料。將制備好的隔絕層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在陶瓷基片上，放置于90°C烘箱中烘20分鐘。將印刷好的隔絕層樣品以2V /min的速度升溫，升溫到1300°C，保溫2小時(shí)，然后隨爐降溫，制成隔絕層。
[0064]4、敏感層制備:
[0065]敏感層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，大小略小于隔絕層。按照敏感層圖案制作絲網(wǎng)。將氧敏感層材料與印刷漿料以質(zhì)量比8:2混合形成敏感層印刷漿料。將制備好的敏感層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在帶隔絕層的陶瓷基片上，放置在空氣中晾干，再將樣品置于80°C烘箱中烘30min。將印刷好的隔絕層樣品以2V /min的速度升溫，升溫到1100°C，保溫2小時(shí)，然后隨爐降溫，制成氧敏感層。
[0066]5、制備檢測(cè)電極:
[0067]在制備好的氧敏感層上通過絲網(wǎng)印刷將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的電極形狀絲印在厚膜氧敏感層上，在90(TC下煅燒30min，完成傳感器電極制備。
[0068]6、加熱器制作:
[0069]通過絲網(wǎng)印刷的方式將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的加熱器形狀絲印在傳感器基片上，在900°C下煅燒30min，完成加熱器的制作。
[0070]實(shí)例2:
[0071]1、氧敏感層材料制備:
[0072]將SrC03、Ti02、Fe203三種材料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%、25%、15%的比例混合，以氧化鋯球?yàn)榍蚰パ心ンw，加入一定量的乙醇作為球磨介質(zhì)。選擇球磨轉(zhuǎn)速800r/min,時(shí)間18h。將球磨后得到的原材料放到馬弗爐中煅燒，煅燒溫度1100°C。保溫12小時(shí)。重復(fù)上述球磨煅燒過程得到氧敏感層材料。
[0073]2、印刷漿料制備:
[0074]印刷漿料的配方為:，丁基卡必醇醋酸酯(32wt.%)，鄰苯二甲酸二丁酯(8wt.% ),乙基纖維素為(5% )、司班85為(3%),余量為松油醇。配置完成后在80°C烘箱下烘24h。
[0075]3、隔絕層制備:
[0076]隔絕層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，先按照隔絕層圖案制作絲網(wǎng)?；w采用一個(gè)長(zhǎng)方形的氧化鋁陶瓷基片。將氧化鎂與印刷漿料以質(zhì)量比2:1混合形成隔絕層印刷漿料。將制備好的隔絕層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在陶瓷基片上，放置于60°C烘箱中烘60分鐘。將印刷好的隔絕層樣品以2V /min的速度升溫，升溫到1100°C，保溫3小時(shí)，然后隨爐降溫，制成隔絕層。
[0077]4、敏感層制備:
[0078]敏感層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，大小略小于隔絕層。按照敏感層圖案制作絲網(wǎng)。將氧敏感層材料與印刷漿料以質(zhì)量比6:4混合形成敏感層印刷漿料。將制備好的敏感層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在帶隔絕層的陶瓷基片上，放置在空氣中晾干，再將樣品置于60°C烘箱中烘60min。將印刷好的隔絕層樣品以2°C /min的速度升溫，升溫到800°C，保溫3小時(shí)，然后隨爐降溫，制成氧敏感層。
[0079]5、制備檢測(cè)電極:
[0080]在制備好的氧敏感層上通過絲網(wǎng)印刷將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的電極形狀絲印在厚膜氧敏感層上，在800°C下煅燒50min，完成傳感器電極制備。
[0081]6、加熱器制作:
[0082]過絲網(wǎng)印刷的方式將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的加熱器形狀絲印在傳感器基片上，在800°C下煅燒50min，完成加熱器的制作。
[0083]實(shí)例1:
[0084]1、氧敏感層材料制備:
[0085]將SrC03、Ti02、Fe203三種材料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)68%、21 %、11 %的比例混合，以氧化鋯球?yàn)榍蚰パ心ンw，加入一定量的乙醇作為球磨介質(zhì)。選擇球磨轉(zhuǎn)速500r/min，時(shí)間32h。將球磨后得到的原材料放到馬弗爐中煅燒，煅燒溫度1300°C。保溫9小時(shí)。重復(fù)上述球磨煅燒過程得到氧敏感層材料。
[0086]2、印刷漿料制備:
[0087]印刷漿料的配方為:，丁基卡必醇醋酸酯(28wt.%)，鄰苯二甲酸二丁酯(12wt.% ),乙基纖維素為(7% )、司班85為(4%),余量為松油醇。配置完成后在80°C烘箱下烘24h。
[0088]3、隔絕層制備:
[0089]隔絕層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，先按照隔絕層圖案制作絲網(wǎng)?；w采用一個(gè)長(zhǎng)方形的氧化鋁陶瓷基片。將氧化鎂與印刷漿料以質(zhì)量比1:2混合形成隔絕層印刷漿料。將制備好的隔絕層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在陶瓷基片上，放置于90°C烘箱中烘20分鐘。將印刷好的隔絕層樣品以2V /min的速度升溫，升溫到1300°C，保溫2小時(shí)，然后隨爐降溫，制成隔絕層。
[0090]4、敏感層制備:
[0091]敏感層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，大小略小于隔絕層。按照敏感層圖案制作絲網(wǎng)。將氧敏感層材料與印刷漿料以質(zhì)量比8:2混合形成敏感層印刷漿料。將制備好的敏感層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在帶隔絕層的陶瓷基片上，放置在空氣中晾干，再將樣品置于80°C烘箱中烘30min。將印刷好的隔絕層樣品以2V /min的速度升溫，升溫到1100°C，保溫2小時(shí)，然后隨爐降溫，制成氧敏感層。
[0092]5、制備檢測(cè)電極:
[0093]在制備好的氧敏感層上通過絲網(wǎng)印刷將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的電極形狀絲印在厚膜氧敏感層上，在950°C下煅燒30min，完成傳感器電極制備。
[0094]6、加熱器制作:
[0095]通過絲網(wǎng)印刷的方式將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的加熱器形狀絲印在傳感器基片上，在950°C下煅燒30min，完成加熱器的制作。
[0096]實(shí)例3:
[0097]1、氧敏感層材料制備:
[0098]將SrC03、Ti02、Fe203三種材料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%、23%、12%的比例混合，以氧化鋯球?yàn)榍蚰パ心ンw，加入一定量的乙醇作為球磨介質(zhì)。選擇球磨轉(zhuǎn)速600r/min，時(shí)間30h。將球磨后得到的原材料放到馬弗爐中煅燒，煅燒溫度1200°C。保溫10小時(shí)。重復(fù)上述球磨煅燒過程得到氧敏感層材料。
[0099]2、印刷漿料制備:
[0100]印刷漿料的配方為:丁基卡必醇醋酸酯(30wt.%)，鄰苯二甲酸二丁酯(IOwt.% ),乙基纖維素為(6% )、司班85為(3%),余量為松油醇。配置完成后在80°C烘箱下烘24h。
[0101]3、隔絕層制備:
[0102]隔絕層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，先按照隔絕層圖案制作絲網(wǎng)?；w采用一個(gè)長(zhǎng)方形的氧化鋁陶瓷基片。將氧化鎂與印刷漿料以質(zhì)量比1:1.2混合形成隔絕層印刷漿料。將制備好的隔絕層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在陶瓷基片上，放置于60°C烘箱中烘60分鐘。將印刷好的隔絕層樣品以2V /min的速度升溫，升溫到1200°C，保溫2小時(shí)，然后隨爐降溫，制成
隔絕層。
[0103]4、敏感層制備:
[0104]敏感層設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，大小略小于隔絕層。按照敏感層圖案制作絲網(wǎng)。將氧敏感層材料與印刷漿料以質(zhì)量比6.5:3.5混合形成敏感層印刷漿料。將制備好的敏感層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在帶隔絕層的陶瓷基片上，放置在空氣中晾干，再將樣品置于80°C烘箱中烘30min。將印刷好的隔絕層樣品以2°C /min的速度升溫，升溫到1000°C，保溫2小時(shí)，然后隨爐降溫，制成氧敏感層。
[0105]5、制備檢測(cè)電極:
[0106]在制備好的氧敏感層上通過絲網(wǎng)印刷將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的電極形狀絲印在厚膜氧敏感層上，在90(TC下煅燒40min，完成傳感器電極制備。
[0107]6、加熱器制作:
[0108]過絲網(wǎng)印刷的方式將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的加熱器形狀絲印在傳感器基片上，在900°C下煅燒40min，完成加熱器的制作。
[0109]以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器，其特征在于，它包括陶瓷基片、氧敏感材料、檢測(cè)電極、隔絕層和加熱器；氧敏感層的材料分子式為:SrTia65Fea35CVpO < δ <1，隔絕層的材料為氧化鎂，隔絕層用采用絲網(wǎng)印刷的方式印制在陶瓷基板上，敏感層用絲網(wǎng)印刷的方式印制在隔絕層上，氧敏感層表面燒制有檢測(cè)電極，陶瓷基片的反面制作有一層加熱器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器，其特征在于，所述氧敏感層的材料采用 SrCO3> TiO2 和 Fe2O3 三種原材料，按質(zhì)量比為=SrCO3:60-70%, TiO2 =20-25%, Fe2O3:10-15%,通過固相合成方法制備出鐵摻雜濃度為35%的鐵摻雜鈦酸鍶材料。
3.—種權(quán)利要求1所述的鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括下述步驟: 第I步制作隔絕層: 將氧化鎂與印刷漿料以質(zhì)量比1:2~2:1混合形成隔絕層印刷漿料，再將制備好的隔絕層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在陶瓷基片上，放置在空氣中晾干后烘干，再以1_3°C /min的速度升溫，升溫到1000-1400°C，燒結(jié)時(shí)間lh_3h，然后隨爐降溫，制成隔絕層； 第2步制作敏感層: 將氧敏感層材料與印刷漿料以質(zhì)量比8:2~6:4混合形成敏感層印刷漿料，將制備好的敏感層印刷漿料通過絲網(wǎng)均勻地印刷在帶隔絕層的陶瓷基片上，放置在空氣中晾干后烘干；再將以1_3°C /min的速度升溫，升溫到800-1100°C，燒結(jié)時(shí)間l_3h，然后隨爐降溫，制成氧敏感層； 第3步制備檢測(cè)電極: 采用四點(diǎn)直流法測(cè)量氧敏感層的電阻，在制備好的氧敏感層上通過絲網(wǎng)印刷將電阻漿料按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的電極形狀絲印在氧敏感層上，在800-950°C下煅燒30-50min，完成傳感器檢測(cè)電極的制備； 第4步制作加熱器: 通過絲網(wǎng)印刷的方式將Pt漿按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的加熱器形狀絲印在陶瓷基片和，在800-950°C下煅燒30-50min，完成加熱器的制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鐵摻雜鈦酸鍶氧傳感器的制備方法，其特征在于，氧敏感層材料的制備過程為: (1)原材料混合:
將 SrCO3> TiO2 和 Fe2O3 按質(zhì)量比為:SrCO3:60-70%, TiO2:20-25%, Fe2O3:10-15%,--入球磨罐，以氧化鋯球?yàn)榍蚰パ心ンw，加入乙醇作為球磨介質(zhì)，以500~800r/min的速度球磨18~32h，球磨完成后，將球磨后所得到的混合物烘干； (2)煅燒: 球磨后得到的原材料放到馬弗爐中煅燒，煅燒溫度1100-1300°C，保溫9-12小時(shí)； (3)二次球磨: 將煅燒好的原材料進(jìn)行二次球磨，仍以氧化鋯球?yàn)榍蚰パ心ンw，加入乙醇作為球磨介質(zhì)，以500~800r/min的速度球磨18~32h,球磨完成后,將球磨后所得到的混合物烘干； (4)二次煅燒: 將二次球磨得到的原材料進(jìn)行第二次煅燒，煅燒溫度1100-1300°C，保溫9-12小時(shí)，最終獲得的粉體材料，即為傳感器敏感材料。
【文檔編號(hào)】G01N27/04GK104007144SQ201410259637
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】郭新, 楊浩, 李華曜 申請(qǐng)人:武漢華敏測(cè)控技術(shù)股份有限公司