医用小型制氧机专用氧化锆氧传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及制氧机技术领域，具体是医用小型制氧机专用氧化锆氧传感器及制备方法。

背景技术

医用小型变压吸附制氧机出氧浓度需要在90％以上并稳定，内部需要安装氧传感器对其出氧浓度进行实时监测。医用小型变压吸附制氧机普遍采用电化学原理氧传感器，其响应速度慢、精度低、寿命短、工作温度范围窄，需要每12个月左右更换氧传感器；只有少部分制氧机采用氧化锆氧传感器，即使其具有耐高温、响应速度快、寿命长、工作温度范围宽等优于电化学氧传感器的特点，但由于其生产制备难、良品率低，从而导致传感器价格偏高，应用范围不广。

目前，制备氧化锆氧传感器芯体主要采用丝网印刷技术与陶瓷流延复合工艺，但氧传感的致密扩散障层成孔工艺复杂，导致工艺生产效率低，不易于批量化生产；由于多层异质结构经过压制后烧结，此工艺过程容易导致电解质层与致密扩散障层接触不良，从而使传感器电信号传导效果不佳或不传导，最终良品率低；此外，致密扩散障层一侧，由于流延工艺中浆料的均匀性精度难控制，传感器在检测氧浓度过程中容易出现漏氧现象，从而降低了传感器对氧浓度的检测精度；并且，制备过程中比较难控制各层的孔隙率，实际应用中容易受到灰尘等颗粒物的污染，长期使用后氧传感器的透气性能下降，从而影响传感器的氧敏感性和寿命。

为此，我们提出了一种医用小型制氧机专用氧化锆氧传感器及制备方法，以解决上述所提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供医用小型制氧机专用氧化锆氧传感器及制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

医用小型制氧机专用氧化锆氧传感器，包括第二绝缘层，所述第二绝缘层上设有铂电极阴极，所述铂电极阴极上设有致密扩散障层，所述致密扩散障层上设有钇稳定氧化锆固体电解质层，所述钇稳定氧化锆固体电解质层上设有铂电极阳极，所述铂电极阳极上设有第一绝缘层，所述第一绝缘层上设有加热电极。

医用小型制氧机专用氧化锆氧传感器的制备方法，包括以下内容：

采用烧结方式制备致密扩散障层并以其为基底，采用磁控溅射工艺制备各功能层，依次溅射生长钇稳定氧化锆固体电解质层、铂电极阳极、铂电极阴极、第一绝缘层、第二绝缘层和加热电极，随后对芯体进行热退火处理，消除在磁控溅射过程中的缺陷；

所述铂电极阳极、铂电极阴极和加热电极均采用直流磁控溅射方法制备；所述钇稳定氧化锆固体电解质层、第一绝缘层和第二绝缘层采用射频磁控溅射方法制备；

随后对溅射叠加后的各功能层进行热退火处理，退火温度为800℃～1000℃，退火时间为1h～2h，以消除在磁控溅射过程中带来的残余应力，退火结束后，冷却至室温得到氧化锆氧传感器芯体。

作为本发明进一步的方案：制备所述致密扩散障层时，包括以下步骤；

步骤1、采用La0.2Sr0.8MnO3粉体，经过球磨24h～36h后干燥放入圆形钢制模具中；

步骤2、利用台式电动压片机在6Mpa的单轴压力下压制成圆片生坯体；

步骤3、将压制成的圆片胚体，在1350℃～1450℃温度在空气气氛下烧结2h～4h后，从而得到致密扩散障层作为后续磁控溅射生长的基底；

步骤4、所述致密扩散障层作为基底的前处理，在安装到磁控溅射前需依次用丙酮、乙醇及去离子水进行超声波清洗10～20min，然后吹干后将其迅速转移至多靶磁控溅射真空室内；真空度控制在4×10-5Pa～6×10-3Pa，通入等比例氩、氧混合气体，其中O2与Ar比例为1/1～1/10，气体流速25sccm～75sccm。

作为本发明再进一步的方案：溅射制备钇稳定氧化锆固体电解质层时，氧化钇(Y2O3)所占的比例为5％～8％，靶基距为60mm，溅射气压为0.1～0.75Pa，射频功率为200W～240W，基底温度550℃～650℃，溅射时间2h～4h，薄膜沉积速度为0.3～0.6μm/h，生长厚度为0.5～1μm，以得到致密的钇稳定氧化锆(YSZ)固体电解质层。

作为本发明再进一步的方案：溅射制备铂电极阳极和铂电极阴极时，采用直流磁控溅射；溅射纯度99.9％以上的铂金，溅射室的压力为20～80Pa，薄膜沉积速度为0.36～0.9μm/h，生长厚度为0.2～3μm，以得到多孔铂(Pt)电极阳极/阴极功能层。

作为本发明再进一步的方案：溅射制备第一绝缘层和第二绝缘层时，采用射频磁控溅射，溅射纯度为99.9％以上的氧化铝(Al2O3)，溅射气压为0.1～0.75Pa，射频功率为200W～240W，基底温度550℃～650℃，溅射时间2h～4h，薄膜沉积速度为0.3～0.6μm/h，厚度为0.5～1μm，以达到阻隔加热电极和铂(Pt)电极阴极之间电信号传递并且可阻挡环境气体颗粒物进入的绝缘层。

作为本发明再进一步的方案：溅射制备加热电极时，采用直流磁控溅射；溅射纯度99.9％以上的铂金，溅射室的压力为20～80Pa，薄膜沉积速度为0.36～0.9μm/h，厚度为0.2～3μm，随后对其进行低温退火，以进一步增加致密性，获得良好的致密性结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用磁控溅射、薄膜沉积工艺批量制备生产氧化锆氧传感器芯体，以解决现有芯体制备技术工艺复杂，生产效率低，不易于批量化生产；以及由于多层异质结构经过压制后烧结，此工艺过程容易导致电解质层与致密扩散障层接触不良，从而使传感器电信号传导效果不佳或不传导，最终良品率低的缺点。

2、本发明采用La0.2Sr0.8MnO3粉体经过球磨烧结等工艺得到致密扩散障层(LSM)，保证其达到致密并且形成闭孔，从而可以防止氧传感器在使用过程中发生单侧漏氧现象，提高检测准确性。

3、本发明采用磁控溅射制备方法将钇稳定氧化锆(YSZ)直接溅射到致密扩散障层(LSM)基底上，使YSZ颗粒在LSM基底上生长，保证接触良好，提高氧的输运能力，从而提升氧传感器氧敏感性，同时进一步减小氧传感器的厚度。

4、本发明主要采用直流磁控溅射和射频磁控溅射方法，分别制备氧传感器芯体的各功能层，单步工艺时间短，简化了生产工艺，提高了生产效率；层膜厚度降低，材料成本减少，从而大幅降低了氧传感器芯体的生产成本。

5、本发明由于采用磁控溅射方法制备传感器芯体，层膜的孔隙率、厚度的溅射生长精确可控，其精度远高于传感器芯体设计的精度等级，提高传感器的灵敏度、精度及寿命等性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的底部结构示意图。

图3为本发明的爆炸结构示意图。

其中：1、加热电极；2、第一绝缘层；3、铂电极阳极；4、钇稳定氧化锆固体电解质层；5、致密扩散障层；6、铂电极阴极；7、第二绝缘层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3，医用小型制氧机专用氧化锆氧传感器，包括第二绝缘层7，所述第二绝缘层7上设有铂电极阴极6，所述铂电极阴极6上设有致密扩散障层5，所述致密扩散障层5上设有钇稳定氧化锆固体电解质层4，所述钇稳定氧化锆固体电解质层4上设有铂电极阳极3，所述铂电极阳极3上设有第一绝缘层2，所述第一绝缘层2上设有加热电极1。

本发明采用极限电流原理设计氧化锆氧传感器芯体结构，基于钇稳定氧化锆固体电解质的氧泵作用，当电压施加到钇稳定氧化锆电解质层YSZ两端的铂电极时，通过气体扩散控制供给铂电极阴极的氧而得到极限电流，不同的氧浓度与所对应的极限电流大小呈对数线性关系，从而根据其输出特性可反映出待测氧浓度。

医用小型制氧机专用氧化锆氧传感器的制备方法，包括以下内容：

采用烧结方式制备致密扩散障层5并以其为基底，采用磁控溅射工艺制备各功能层，依次溅射生长钇稳定氧化锆固体电解质层4、铂电极阳极3、铂电极阴极6、第一绝缘层2、第二绝缘层7和加热电极1，随后对芯体进行热退火处理，消除在磁控溅射过程中的缺陷；

所述铂电极阳极3、铂电极阴极6和加热电极1均采用直流磁控溅射方法制备；所述钇稳定氧化锆固体电解质层4、第一绝缘层2和第二绝缘层7采用射频磁控溅射方法制备；

随后对溅射叠加后的各功能层进行热退火处理，退火温度为800℃～1000℃，退火时间为1h～2h，以消除在磁控溅射过程中带来的残余应力，退火结束后，冷却至室温得到氧化锆氧传感器芯体。

本发明采用磁控溅射、薄膜沉积工艺批量制备生产氧化锆氧传感器芯体，以解决现有芯体制备技术工艺复杂，生产效率低，不易于批量化生产；以及由于多层异质结构经过压制后烧结，此工艺过程容易导致电解质层与致密扩散障层接触不良，从而使传感器电信号传导效果不佳或不传导，最终良品率低的缺点。

制备所述致密扩散障层5时，包括以下步骤；

步骤1、采用La0.2Sr0.8MnO3粉体，经过球磨24h～36h后干燥放入圆形钢制模具中；

步骤2、利用台式电动压片机在6Mpa的单轴压力下压制成圆片生坯体；

步骤3、将压制成的圆片胚体，在1350℃～1450℃温度在空气气氛下烧结2h～4h后，从而得到致密扩散障层5作为后续磁控溅射生长的基底；

步骤4、所述致密扩散障层5作为基底的前处理，在安装到磁控溅射前需依次用丙酮、乙醇及去离子水进行超声波清洗10～20min，然后吹干后将其迅速转移至多靶磁控溅射真空室内；真空度控制在4×10-5Pa～6×10-3Pa，通入等比例氩、氧混合气体，其中O2与Ar比例为1/1～1/10，气体流速25sccm～75sccm。

本发明采用La0.2Sr0.8MnO3粉体经过球磨烧结等工艺得到致密扩散障层LSM，保证其达到致密并且形成闭孔，从而可以防止氧传感器在使用过程中发生单侧漏氧现象，提高检测准确性。

溅射制备钇稳定氧化锆固体电解质层4时，氧化钇Y2O3所占的比例为5％～8％，靶基距为60mm，溅射气压为0.1～0.75Pa，射频功率为200W～240W，基底温度550℃～650℃，溅射时间2h～4h，薄膜沉积速度为0.3～0.6μm/h，生长厚度为0.5～1μm，以得到致密的钇稳定氧化锆(YSZ)固体电解质层。

本发明采用磁控溅射制备方法将钇稳定氧化锆YSZ直接溅射到致密扩散障层LSM基底上，使YSZ颗粒在LSM基底上生长，保证接触良好，提高氧的输运能力，从而提升氧传感器氧敏感性，同时进一步减小氧传感器的厚度。

溅射制备铂电极阳极3和铂电极阴极6时，采用直流磁控溅射；溅射纯度99.9％以上的铂金，溅射室的压力为20～80Pa，薄膜沉积速度为0.36～0.9μm/h，生长厚度为0.2～3μm，以得到多孔铂Pt电极阳极/阴极功能层。

溅射制备第一绝缘层2和第二绝缘层7时，采用射频磁控溅射，溅射纯度为99.9％以上的氧化铝Al2O3，溅射气压为0.1～0.75Pa，射频功率为200W～240W，基底温度550℃～650℃，溅射时间2h～4h，薄膜沉积速度为0.3～0.6μm/h，厚度为0.5～1μm，以达到阻隔加热电极和铂Pt电极阴极之间电信号传递并且可阻挡环境气体颗粒物进入的绝缘层。

溅射制备加热电极1时，采用直流磁控溅射；溅射纯度99.9％以上的铂金，溅射室的压力为20～80Pa，薄膜沉积速度为0.36～0.9μm/h，厚度为0.2～3μm，随后对其进行低温退火，以进一步增加致密性，获得良好的致密性结构。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。