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DOI:—9787(2022)07—0048—04
绝缘层烧结收缩率对氧传感器输出特性的影响
尹春岳,周明军,文吉延,金鹏飞,程振乾,孙略升
(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150028)
摘 要:极限电流型氧传感器芯体由绝缘层材料、支撑层材料及敏感层材料共烧结制备而成,在芯体的烧
结过程中,材料烧结收缩率不一致产生的内部应力会导致孔结构的变形开裂,从而严重影响极限电流氧传
感器的输出特性。针对这一问题,采用5种具有不同烧结收缩率的绝缘层材料,经过厚膜丝网印刷、叠片
热压、多层共烧制备了极限电流氧传感器,并对氧传感器芯体孔结构形貌与输出特性的关系进行分析。结
果显示,%,与敏感层的烧结收缩率差值为
%,极限电流氧传感器芯体孔结构处分层开裂现象消失,芯体在氧气(O2)体积分数为20%的气氛下
具有良好的电流平台,~,。
关键词:共烧结;极限电流;氧传感器;烧结收缩率
中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2022)07—0048—04
Influenceofinsulatinglayersinteringshrinkageonoutput
characteristicsofoxygensensor
YINChunyue,ZHOUmingjun,WENJiyan,JINPengfei,CHENGZhenqian,SUNLuesheng
(The49thInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Harbin150028,China)
Abstract:Thecoreoflimitingcurrenttypeoxygensensorispreparedbyco-sinteringtheinsulatinglayer
material,
body,theinternalstresscausedbytheinconsistentsinteringshrinkagerateofthematerialwillleadtothe
,fivekindsofinsulatinglayermaterialswithdifferentsintering
shrinkageratiosareusedtopreparethelimitingcurrentoxygensensorthroughthickfilmscreenprinting,
laminationhotpressing,andmulti-layerco-
%,andthedifferencebetween
%,delaminationcrackingphenomenon
fractionof20%,~.
Keywords:co-sintering;limitingcurrent;oxygensensor;sinteringshrinkage
0 引 言为支撑层、Al2O3作为绝缘层,不仅降低了工艺的难度,且
[8~12]
氧化锆极限电流型氧传感器以其稳定性好、响应快、能Al2O3陶瓷在高温下仍具有很好的绝缘特性。但由于
耗低、灵敏度高、成本低、使用寿命长、使用过程中不需基准共烧工艺中各功能层材料的材质不同、烧结收缩率不匹配
[13]
气体等优势在氧气含量监测领域扮演着重要的角色[1~3]。会严重影响共烧结极限电流型氧传感器的输出特性。
目前市面上商用的极限电流氧传感器芯体采用熟瓷工艺,本文通过对共烧结极限电流型氧传感器芯体绝缘层材
高温绝缘玻璃镂印,不仅工艺复杂,且高温绝缘层玻璃材料料与固定烧结收缩率支撑层材料、固定烧结收缩率的敏感
[2,4~7]层材料的烧结匹配性研究,探讨绝缘层烧结收缩率对共烧
容易失效。共烧结极限电流型氧传感器多采用8YSZ结极限电流型氧传感器芯体输出特性的影响。
8%molYOZrO3YSZ
(掺杂23的2)作为敏感层,(掺杂1 极限电流型氧传感器工作原理
3%molY2O3的ZrO2)或者5YSZ(掺杂5%molY2O3的ZrO2)作极限电流型氧传感器芯体的工作原理如图1所示。当
收稿日期:2022—05—26
第7期 尹春岳,等:绝缘层烧结收缩率对氧传感器输出特性的影响 49
芯体工作温度达到500℃以上时,8YSZ敏感材料开始具有行烧结,保温时间2h,待冷却后取出测试膜片的烧结收缩
O2-导电特性,在传感器两端输入一定电压,被测气氛下的率。其中,%,8YSZ膜片烧结
氧气在氧泵作用下,从固体电解质一侧向另一侧移动。%。膜片1~5的烧结收缩率如表1所示。
时电流值不断增加,由于微小孔径对气体扩散的限速作用,表1 膜片1~5的烧结收缩率%
当工作所需的电压达到某一特殊值时,得到的输出电流值编号烧结收缩率与5YSZ差值与8YSZ差值
不会随电压的增加发生改变,电流值称为极限电流IL。
O2O2O2
O2+4e-V(阴极)
固体电解质层YSZ2O2-外加电压
多孔Pt电极-
O2-4e+V(阳极)
图1 极限电流氧传感器工作原理 采用厚膜丝网印刷技术在8YSZ两侧印刷φ4mm的催
I
在这个过程中,L的大小与小孔的孔径尺寸及孔深度化铂电极,按照绝缘层材料、支撑层材料、敏感层材料的顺
[14]
的关系遵循式(1)序将膜片放置在模具中,加热至90℃,
1-XL
4FPSO2()加压并保温30min压制氧传感器芯体,将压制好的芯体在
IL=-ln(1)
RTL1-XO(0)
2绝缘层处印刷加热器铂浆料后,放入高温炉中从室温经
式中 XO(0)为被测气体中氧气所占的体积分数,XO(L)
2230h升温至1450℃,保温4h,之后用4h缓慢降温至
RT
为阴极中氧气所占的体积分数,为气体常数,为绝对温1120℃后,随炉冷却至室温,制得氧传感器的芯体,其结构
SLP
度,为扩散孔截面积,为扩散孔道的深度,为环境气如图2所示。
F1
体总压力,为法拉第常数。由式()可以看出,极限电流外催化电极
敏感层
IL与孔的面积成正比,与孔深度成反比。因此,扩散孔孔径内催化电极
大小与深度,是决定极限电流氧传感器芯体性能的关键腔室支撑层
参数。
加热器扩散孔
2
实验绝缘层
应用自制的不同烧结收缩率的绝缘层材料与固定烧结图2 氧传感器芯体结构示意
收缩率的支撑层材料、 氧传感器芯体测试
限电流氧传感器芯体。 芯体翘曲度测试
流延膜片的制备通过数显游标卡尺对芯体的翘曲厚度进行测量,对芯
%
采用种不同的国产氧化铝(23,)陶瓷粉体的翘曲度进行标定。如图3所示。
2
体,记为Al2O31~5,比表面积为均为(10±2)m/g,粒子平
度
曲
度
厚
翘
±
曲
均尺寸为()。以无水乙醇和甲苯作为溶剂,采未
翘
用蓖麻油(国药化学试剂,分析纯)分散剂,将Al2O31粉体
图3 芯体翘曲度测量示意
11
加入到无水乙醇与甲苯质量比:的混合溶剂中, 芯体孔结构形貌分析
72h
量蓖麻油分散剂,经行星式球磨机球磨,均匀分散后,实验中,采用FEI公司INSPECTS50扫描电子显微
再添加聚乙烯醇缩丁醛(国药化学试剂,航空级)粘结剂、镜(SEM)对氧传感器芯体的孔结构进行形貌的分析。
邻苯二甲酸二辛脂(国药化学试剂,分析纯)、 芯体输出电流测试
二丁酯(国药化学试剂,分析纯)增塑剂及环己***(国药化
采用AutoLab的电化学工作站测试传感器的输出特
学试剂,分析纯)消泡剂继续球磨72h,使浆料中各组分均
性:将传感器样品放置在密闭的测试箱中,通入20%O2
匀混合,以得到Al2O31绝缘层流延浆料,浆料经过流延机
(80%N2)气氛,通过调节加热器功率在(±)W
5AlO
流延,制得氧化铝绝缘层膜片。制得的种23膜片记之间来提供适宜的工作温度。测试过程中,用流量计保持
为膜片,与氧化铝粉体1~5相对应。采用圣戈班5YSZ粉通入的气氛样气流量恒为200mL/min,通过电化学工作站
Al2O35YSZ
体,与膜片制备方法相同,进行流延制备得到调整传感器工作电压(0~2V),得到传感器芯体20%O2气
8YSZAlO
支撑层膜片。采用圣戈班粉体,与23膜片制备方氛下的输出电流曲线。
法相同,进行流延制备得到8YSZ敏感层膜片。3 结果与分析
芯体翘曲度分析
将制备的5YSZ、8YSZ、Al2O3膜片1~5在1450℃下进烧结后的氧传感器芯体如图4所示。图中(a)~(e)为
50 传感器与微系统 第41卷
1~5芯体,分别对应绝缘层膜片1~5。,输出电流的增加
对1~5芯体的翘曲度进行测量,结果如表2所示。速度明显下降,这一结果也与图5(b)相符;芯体3尽管平
台电流比较小,但其输出特性曲线可以看出,随着工作电压
上升,输出电流也在同步上升,
,,输
(a)(b)(c)(d)(e)
,达不到电流平台的要求;而芯
4 1~5
图芯体样品照片体4和芯体5的输出电流曲线能够看出存在明显的电流平
表2 芯体翘曲度
台,,芯体4输出
芯体翘曲翘曲芯体翘曲翘曲
,,
编号厚度/mm变化率/%编号厚度/mm变化率/%
.92芯体输出电流由升至,电流变化仅
。由此可以看出,随着绝缘层烧结收缩率与支
、敏感层的烧结收缩率趋近,共烧结型氧传感器芯体输
从图4及表2中可以看出,随着氧化铝膜片的烧结收出电流平台越稳定,电流变化越小。
2001#芯体
缩率与5YSZ、8YSZ膜片的烧结收缩率逐渐接近,芯体的翘2#芯体
A3#芯体
μ
/1504#芯体
%%。5#芯体
流
电100
芯体孔结构性能分析出
输50
对芯体1~5的孔结构进行SEM分析,如图5所示。可
0
以看出,芯体1的孔结构处出现了严重的裂纹分层现象;
工作电压/V
体2孔结构也出现了明显的裂纹并且裂纹产生了扩展;芯
图6 芯体在20%O2中的输出电流曲线
体3孔结构处出现裂纹,但是裂纹较浅,没有扩展现象出
4 结 论
现;芯体4和5孔结构处表面没有裂纹产生,同时对比图4
本文通过制备5种具有不同烧结收缩率的绝缘层材
及表2,可以看出,随着翘曲程度的降低,芯体孔结构的分
层开裂现象逐渐消失,由此推测,随着绝缘层材料的烧结收料,经过厚膜丝网印刷、叠片热压、多层共烧制备了极限电
缩率与支撑层材料、敏感层材料的烧结收缩率差值的减小,流氧传感器芯体,并通过扫描电镜等手段对氧传感器芯体
芯体孔结构处受到的应力逐渐减小,芯体孔结构的变形开孔结构形貌与输出电流的关系进行分析。结果表明:绝缘
裂现象逐渐消失。因此,各层材料间烧结收缩率的趋近能层材料的烧结收缩率与支撑层烧结收缩率差值小于
够明显改善传感器孔结构。%,%时,极限电流氧传感
器芯体孔结构处分层开裂现象消失,芯体在20%O2体积
分数气氛下具有良好的电流平台,~
范围之间,。
(a)(b)(c)参考文献:
[1] 武强,刘其中,[J].传
感器与微系统,2006,25(6):46-48.
(d)(e),,
图5 芯体小孔形貌SEM图像typeoxygensensor[J].TransducerandMicrosystemTechnolo-
芯体输出电流特性分析gies,2006,25(6):46-48.
对芯体的输出电流进行测试,结果如图6所示。由[2] DONGY,ZHANGZ,ALVAREZA,
transportbottleneckscauseinstabilityofnominallyionicsolid
式(1)可知,电流平台与扩散孔的面积呈正比,与扩散孔深
electrolytesinelectrochemicalcells[J].ActaMaterialia,2020,
度呈反比,对于芯体1来说,在图5可以看到,由于裂纹的
存在,芯体中扩散孔的面积远远大于扩散孔的设计面积,此199:264-277.
[3] 姚伟,刘玺,周明军,
61
时扩散孔已经无法起到作用,而图中,芯体随着工作电器的研究[J].传感器与微系统,2012,31(8):9-11.
, YAOWei,LIUXi,ZHOUMingjun,
,几乎呈现直线上升的趋势,这一结果与图5(a)limittingcurrenttypeoxygensensorbytapecastingandco-fired
的结果是相符的;,technique[J].TransducerandMicrosystemTechnologies,2012,
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(上接第47页)[14][D].哈尔滨:
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ducerandMicrosystemTechnologies,2020,39(3):76-79,(1995-),男,硕士研究生,研究方向为无人水面艇控
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[11]
王建华(1965-),男,博士,副教授,主要研究领域为水面机器
究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,,机器视觉。
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郑 翔(1981-),女,博士,讲师,主要研究领域为无人艇运动
事大学,,智能结构减震控制。
[13]吴玉平,王建华,(1992-),男,硕士研究生,研究方向为无人水面艇,视
跟踪方法[J].计算机测量与控制,2014,22(5):1394-。