CN108329026A - 氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法 - Google Patents

氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法
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。
根据本发明，等离子体增强化学气相沉积法的工艺条件为：源气体为H2、N2或Ar中的一种或多种的组合；源气体的流量为30～500sccm；源气体的压力为0.8～1.2MPa；放电电源的功率为400～1000W；反应气体的总流量为30～500sccm；反应气体的压力为0.8～1.2MPa。
根据本发明，反应气体包括CeO2和ZrO2，且CeO2和ZrO2的摩尔比为3～1:1。
根据本发明，在步骤S3中，烧结温度为1000～1600℃，且先按10℃/min的升温速率进行升温至800～1000℃，再按5℃/min的升温速率升温至1000～1600℃。
本发明另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、制备致密扩散层素坯；S2、采用化学气相沉积法使反应气体在致密扩散层素坯上发生化学反应，并在致密扩散层素坯上沉积形成电解质层素坯；S3、对带有电解质层素坯的致密扩散层素坯进行烧结；S4、将烧结后的带有电解质层素坯的致密扩散层素坯冷却至室温，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得到的致密扩散层素坯进行预处理；S2.2、将步骤S2.1得到的致密扩散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350～600℃；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20～400Pa，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致密扩散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，将致密扩散层素坯冷却至室温，最终在致密扩散层素坯上生长并沉积形成电解质层素坯。
根据本发明，等离子增强化学气相沉积法的工艺条件为：源气体为H2、N2或Ar中的一种或多种的组合；源气体的流量为50～500sccm；源气体的压力为0.8～1.2MPa；放电电源的功率为500～1000W；反应气体的总流量为30～500sccm；反应气体的压力为0.8～1.2MPa。
根据本发明，反应气体包括Y2O3和ZrO2，且Y2O3和ZrO2的摩尔比为1:5～8。
根据本发明，在步骤S3中，烧结温度为1000～1600℃，且先按10℃/min的升温速率进行升温至800～1000℃，再按5℃/min的升温速率升温至1000～1600℃。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法中，采用化学气相沉积法在电解质层素坯上沉积形成致密扩散层素坯，或在致密扩散层素坯上沉积形成电解质层素坯，该方法在沉积时涂层厚度以及成分均匀且粘合力强，使致密扩散层与电解质层的结合强度高，同时制备速度特别快，大大提高劳动生产率，从而获得可观的社会经济效益，适用于大规模生产。
附图说明
图1为现有技术中致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的结构示意图；
图2为如下实施例1提供的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法的流程图；
图3为如下实施例1所提供的制备方法制备的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的局部SEM图；
图4为传统烧结工艺制得的双层结构的截面的SEM图；
图5为一致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的测氧I～V曲线，该致密扩散障碍层极限电流型氧传感器包含如下实施例1所提供的制备方法制备的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构。
图6为如下实施例2所提供的制备方法制备的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的局部SEM图；
图7为实施例3提供的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法的流程图。
【附图标记说明】
1：负极；2：致密扩散层；3：电解质层；4：正极；5：高温密封玻璃釉。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
参照图2，本实施例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，具体包括如下步骤：
S1、制备电解质层素坯，该电解质素坯的主要成分为YSZ，电解质素坯的厚度为4.92mm，电解质素坯为直径为9.84mm的圆片。
进一步，上述步骤S1在本实施例中包括如下子步骤：
S1.1、将电解质层原料粉末(在本实施例中为YSZ粉末)挤压成圆形的电解质层片状基体；
S1.2、将电解质层片状基体置于高温炉中，对电解质层片状基体进行烧结，烧结温度为1400℃，烧结时间为8h；
S1.3、将烧结后的电解质层片状基体随炉冷却至室温，形成电解质层素坯。
由于在利用等离子体增强化学气相沉积将等离子体激活反应气体并发生反应并沉积在电解质层素坯上时，此过程会对电解质层素坯产生强大的冲击力(这个冲击是由于高能电子与反应气体分子发生非弹性碰撞时，会使气体分子发生电离或者分解，产生中性原子和分子生成物；正离子受到离子层加速电场的加速与上电极碰撞，放置电解质层素坯的下层电极附近也会存在有一较小的离子层电场，所以电解质层素坯也会受到某种程度上的离子轰击，即上述冲击力)，因此，对电解质层素坯的强度有一定要求，否则在沉积时易造成电解质层素坯的破坏影响沉积效果。所以，在制备电解质层素坯时先进行一次烧结，以保证电解质层素坯具备足够的强度能够接收沉积。
其中，步骤S1.1中所采用的YSZ粉末由如下步骤制得：
a1、按摩尔比，Y(NO3)3·6H2O﹕ZrOCl2·8H2O＝(6.5～10)﹕(93.5～90)进行配料，其中，Y(NO3)3·6H2O的摩尔浓度为7～9mol％；
a2、将Y(NO3)3·6H2O和Y(NO3)3·6H2O分别溶解于去离子水中，过滤除去不溶性杂质后制得Y(NO3)3水溶液和ZrOCl2水溶液，其中，去离子水的加入量以使原料充分溶解为准；
a3、将Y(NO3)3水溶液和ZrOCl2水溶液混合，制得混合溶液，混合溶液的摩尔浓度位于0.6～1.1mol/L的范围内；
a4、向混合溶液中边搅拌边滴加氨水，直至混合溶液的pH值达到9时停止滴加氨水，制得前驱体沉淀物，其中，氨水的浓度位于25～28wt％；
a5、将前驱体沉淀物置于干燥箱中，对前驱体沉淀物进行干燥，干燥温度位于60～80℃的范围内，干燥时间在20h以上；
a6、将干燥后前驱体沉淀物置于高温炉中，对干燥后的前驱体沉淀物进行煅烧，煅烧温度在600～1600℃的范围内，煅烧时间在6～7h的范围内，制得固溶体粉末；
a7、将固溶体粉末在玛瑙研钵中进行研磨，研磨时间位于2～4h的范围内，制得YSZ粉末，YSZ粉末的粒度≤100nm。
当然，不局限于此，步骤S1.1中所采用的电解质层原料粉末也可以为商用的8YSZ。
进一步地，上述YSZ粉末的制备优选包括如下步骤：
a1、按摩尔比，Y(NO3)3·6H2O﹕ZrOCl2·8H2O＝9﹕94进行配料，其中，Y(NO3)3·6H2O的摩尔浓度为8.5mol％；
a2、将Y(NO3)3·6H2O和Y(NO3)3·6H2O分别溶解于去离子水中，过滤除去不溶性杂质后制得Y(NO3)3水溶液和ZrOCl2水溶液，其中，去离子水的加入量以使原料充分溶解为准；
a3、将Y(NO3)3水溶液和ZrOCl2水溶液混合，制得混合溶液，混合溶液的摩尔浓度位于0.85mol/L的范围内；
a4、向混合溶液中边搅拌边滴加氨水，直至混合溶液的pH值达到9时停止滴加氨水，制得前驱体沉淀物，其中，氨水的浓度位于26wt％；
a5、将前驱体沉淀物置于干燥箱中，对前驱体沉淀物进行干燥，干燥温度位于75℃的范围内，干燥时间为24h；
a6、将干燥后前驱体沉淀物置于高温炉中，对干燥后的前驱体沉淀物进行煅烧，煅烧温度在1200℃的范围内，煅烧时间在6.5h的范围内，制得固溶体粉末；
a7、将固溶体粉末在玛瑙研钵中进行研磨，研磨时间为3h，制得YSZ粉末，YSZ粉末的粒度≤100nm。
经过理论分析和大量实验验证得出，当YSZ粉末由上述优选条件制备出来时，与沉积在其上生长形成的致密扩散层素坯结合的更好，进而增大电解质层素坯与致密扩散层素坯的结合强度，使结合更加紧密，使制备出的双层结构具备更加优异的性能。
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。
进一步地，步骤S2在本实施例中包括如下子步骤：
S2.1、将步骤S1得到的电解质层素坯进行预处理：依次用乙醇、丙酮和去离子水进行超声清洗共6min，然后吹干。由于电解质层素坯表面的杂质会影响与反应气体经反应后形成的沉积物的结合力，因此对电解质层素坯表面先进行除油以及清洗。再利用金刚石对电解质层素坯的表面进行打磨，使其表面粗糙化，进而能够增强电解质层素坯与上述沉积物的结合力。
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(以下简称为PECVD设备)的恒温加热区，并利用真空泵将沉积室内的真空度抽至0.2Pa。然后将恒温加热区的温度(即沉积温度)在15min内升温至300℃。
具体地，PECVD设备主要包括沉积室、放电电源、进气系统和排气系统，沉积室的恒温加热区内设有加热基座，用于放置电解质层素坯并对电解质层素坯进行恒温加热。放电电源开启后就可以在沉积室内发生辉光放电以将源气体电离形成等离子体。进气系统能够将反应气体和源气体通入到沉积室内，其中，反应气体可以是气态供给，也可以是液态或者固态供给。当反应气体是气态时，由高压钢瓶经减压阀取出，可通过流量计控制流量。当反应气体为液态时，可以采用把液体通入蒸发容器中，同时使载气从温度恒定的液面上通过，这样液体在相应温度下产生的蒸气由载气携带进入沉积室。当反应气体以固态形式供给时，可以把固体放入蒸发器内，加热使其蒸发或者升华，继而送入沉积室中。排气系统主要用于将沉积室内未反应的气体和副产物排出。在本实施例中反应气体选择以气态供给，电解质层素坯放置在加热基座上。
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。其中，在本实施例中源气体为H2，源气体的流量为80sccm，源气体的压力为0.8MPa，放电电源的功率为600W。
S2.4、向沉积室内通入反应气体，使沉积室内的压强(即反应压强)达到150Pa。反应气体在上述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30min。其中，在本实施例中反应气体包括气态的CeO2和ZrO2，且CeO2和ZrO2的摩尔比为1:1。反应气体的总流量为100sccm，反应气体的压力为0.8MPa。CeO2和ZrO2经过化学反应后生成CeZrO2，即为形成的致密扩散层素坯的主要成分。
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(本实施例中为H2)，将电解质层素坯快速冷却至室温，最终在电解质层素坯上生长并沉积形成致密扩散层素坯，而未反应的气体以及产生的副产物则从排气系统排出。最终形成的致密扩散层素坯的厚度为1mm，致密扩散层素坯为直径为9.84mm的圆片。
具体地，在上述PECVD设备中，向沉积室内通入源气体后，开启放电电源使沉积室内产生辉光放电，进而使源气体发生电离形成等离子体，这些等离子体可作为能量源，此时电解质层素坯浸没在等离子体中或者位于等离子体的下方。由于等离子体中含有大量的高能量电子，这些电子可以提供化学气相沉积过程中所需要的激活能，从而改变了反应体系的能量供给方式。由于等离子体中的电子温度高达10000K，在后续通入反应气体后，电子能够将反应气体激活并与反应气体中的气相分子发生碰撞，进而促进反应气体分子的化学键的断裂和重新组合，生成活性更高的化学基团，在电解质层素坯的表面发生化学反应进而生长并沉积形成致密扩散层素坯。其中，激发辉光放电的方法可以采用射频激发、直流高压激发、脉冲激发或者微波激发均可。
进一步地，致密扩散层素坯的生长形成主要包括如下三个基本过程：首先、在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物。其次、各种活性基团向素坯生长表面和管壁扩散运输，同时发生各反应物之间的次级反应。最后、达到生长表面的各种初级反应和次级反应被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。
采用等离子增强化学气相沉积法由于粒子间的碰撞，产生剧烈的气体电离，使反应气体受到活化，因而整个沉积过程与仅有热激活的过程有显著不同，能够大大提高涂层结合力，降低沉积温度，加快反应速度。对电解质层素坯的结构和物理性质影响小，形成的涂层厚度以及成分均匀性好，涂层组织致密、气孔少，涂层的附着力强。
S3、将带有致密扩散层素坯的电解质层素坯置于高温炉中进行烧结，烧结温度为1300℃。
在本实施例中，在烧结时先按10℃/min的升温速率升温至900℃，然后按5℃/min的升温速率升温至1300℃，之后在此温度下持续烧结8h。因采用化学气相沉积工艺形成的素坯干燥后致密度已经很高、且双层结构的结合力也已经很大，所以采用这种先快速升温再慢速升温的阶梯式烧结来替代原有的恒温烧结方式，在达到相同烧结效果的情况下所需的烧结温度更低，节约能源，降低了成本。
S4、将烧结后的带有致密扩散层素坯的电解质层素坯随炉冷却至室温，冷却后的致密扩散层素坯形成致密扩散层2，冷却后的电解质层素坯形成电解质层3，致密扩散层2和电解质层3彼此叠置且相连，形成双层结构，其中电解质层3的厚度为4.89mm，直径为9.78mm，致密扩散层2的厚度为0.99mm，直径为9.78mm。
参照图3和图4，图3为本实施例中所提供的制备方法制备的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的局部SEM图，图3中左侧为电解质层3，右侧为致密扩散层2。图4为传统烧结工艺制得的双层结构的截面的SEM图，图4中下侧为电解质层3，上侧为致密扩散层2。
对比图3和图4可以看出，利用上述化学气相沉积法形成的致密扩散层2，相比于现有技术中采用传统烧结法制备的致密扩散层，组织致密均匀、气孔少，致密度得以提高，并且可使电解质层3的热影响区范围和变形减小到最低程度，进而包含该致密扩散层2的氧传感器的测氧性能得以提高。需要说明的是，图3是将制得的双层结构掰开后拍摄的局部图，图3中的致密扩散层2上的凹坑是将双层结构掰开时形成的，并非是在沉积过程中形成的。
进一步地，参照图5，将由上述制备方法制成的双层结构制作成氧传感器，即如图1中包含负极1、致密扩散障碍层(简称致密扩散层2)、固体电解质层(简称电解质层3)、正极4和高温密封玻璃釉5。经测试，测氧范围为0～17.98vol％。
由此，利用化学气相沉积法形成致密扩散层，其组织致密均匀、气孔少，致密度得以提高，进而包含该致密扩散层的氧传感器的测氧性能得以提高。其次，采用化学气相沉积使致密扩散层与电解质层的结合强度高，并且不容易出现裂纹，进一步提高了包含该致密扩散层的氧传感器的测氧性能。再次，该制备方法的过程简单，制备速度快，适合大批量生产。此外，由本发明的制备方法形成的双层结构所构成的氧传感器的测氧范围得以提高。由此，本实施例提供了一种新型的有益的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法。
实施例2
本实施例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，具体包括如下步骤：
S1、制备电解质层素坯，该电解质素坯的主要成分为YSZ，电解质素坯的厚度为2.94mm，电解质素坯为直径为9.82mm的圆片。
进一步地，上述步骤S1在本实施例中包括如下子步骤：
S1.1、将电解质层原料粉末(在本实施例中为YSZ粉末)挤压成圆形的电解质层片状基体；
S1.2、将电解质层片状基体置于高温炉中，对电解质层片状基体进行烧结，烧结温度为1600℃的范围内，烧结时间为6h；
S1.3、将烧结后的电解质层片状基体随炉冷却至室温，形成电解质层素坯。其中，步骤S1.1中YSZ粉末的制备方法如实施例1的叙述，在此不再赘述。
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。
进一步地，步骤S2在本实施例中包括如下子步骤：
S2.1、将步骤S1得到的电解质层素坯依次用乙醇、丙酮和去离子水进行超声清洗共7min，然后吹干。再利用金刚石对电解质层素坯的表面进行打磨，使其表面粗糙化，进而能够增强电解质层素坯与上述沉积物的结合力。
S2.2、将步骤S2.1得到的电解质层素坯置于PECVD设备的恒温加热区，并利用真空泵将沉积室内的真空度抽至0.4Pa。然后将恒温加热区的温度(即沉积温度)在20min内升温至400℃。
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。其中，在本实施例中源气体为N2，源气体的流量为120sccm，源气体的压力为1.0MPa，放电电源的功率为800W。
S2.4、向沉积室内通入反应气体，使沉积室内的压强(即反应压强)达到220Pa。反应气体在上述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40min。其中，在本实施例中反应气体包括气态的CeO2和ZrO2，且CeO2和ZrO2的摩尔比为3:1。反应气体的总流量为150sccm，反应气体的压力为1.0MPa。CeO2和ZrO2经过化学反应后生成CeZrO2，即为形成的致密扩散层素坯的主要成分。
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(本实施例中为N2)，将电解质层素坯快速冷却至室温，最终在电解质层素坯上生长并沉积形成致密扩散层素坯，而未反应的气体以及产生的副产物则从排气系统排出。最终形成的致密扩散层素坯的厚度为2mm，致密扩散层素坯为直径为9.82mm的圆片。采用等离子增强化学气相沉积法进行沉积形成致密扩散层素坯，能够大大提高涂层结合力，降低沉积温度，加快反应速度，形成的涂层厚度以及成分均匀性好，涂层组织致密、气孔少，涂层的附着力强。
S3、将带有致密扩散层素坯的电解质层素坯置于高温炉中进行烧结，烧结温度为1500℃。
在本实施例中，在烧结时先按10℃/min的升温速率进行升温至1000℃，然后按5℃/min的升温速率升温至1500℃，烧结时间为9.5h。采用这种先快速升温再慢速升温的阶梯式烧结，在达到相同烧结效果的情况下所需的烧结温度更低，节约能源，降低了成本。
S4、将烧结后的带有致密扩散层素坯的电解质层素坯随炉冷却至室温，冷却后的致密扩散层素坯形成致密扩散层2，冷却后的电解质层素坯形成电解质层3，致密扩散层2和电解质层3彼此叠置且相连，形成双层结构，其中电解质层3的厚度为2.92mm，直径为9.76mm，致密扩散层2的厚度为1.98mm，直径为9.76mm。
参照图6，为本实施例中所提供的制备方法制备的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的局部SEM图，图6中左侧为电解质层3，右侧为致密扩散层2。从图中可以看出，采用化学气相沉积法形成的致密扩散层2，相比于现有技术中采用传统烧结法制备的致密扩散层，组织致密均匀、气孔少，致密度得以提高，并且可使电解质层3的热影响区范围和变形减小到最低程度，进而包含该致密扩散层2的氧传感器的测氧性能得以提高。
将由上述制备方法制成的双层结构制作成氧传感器，即如图1中包含负极1、致密扩散障碍层(简称致密扩散层2)、固体电解质层(简称电解质层3)、正极4和高温密封玻璃釉5。经测试，测氧范围为0～20.86vol％。
当然本发明在电解质层素坯上形成致密扩散层素坯，然后烧结冷却形成双层结构的制备方法中不局限于上述实施例，在步骤S1中，电解质素坯的主要成分为不局限于仅为YSZ粉末，也可以是LSGM粉末。在步骤S1.2中，烧结温度优选为1000～1600℃，烧结时间优选为6～12h。制备电解质层素坯的步骤也不局限于步骤S1.1至S1.3，也可以采用其他方式；制备YSZ粉末的步骤也不局限于a1至a7，也可以采用其他方式或者直接以购买方式获取；在步骤S1.1中电解质层片状基体的厚度优选为3～5mm中的任一值，直径优选为10～15mm中的任一值。
在步骤S2中，并不局限于实施例1和实施例2中所采用的等离子增强化学气相沉积法，也可以采用金属有机物化学气相沉积法、激光化学气相沉积法或者其他类型的化学气相沉积法。当采用上述实施例中的等离子增强化学气相沉积法时，也并不局限于上述实施例。在步骤S2.1中，超声清洗总时间优选为4～8min。当然，对电解质层素坯的表面清洗方式也可以采用其他方式，对电解质层素坯的表面进行粗糙化处理的方式也并不局限于金刚石打磨，也可以采用其他方式处理。
在步骤S2.2中，真空度优选为0.1～0.4Pa，沉积温度优选为在10～30min内升温至300～500℃。其中，沉积温度是化学气相过程中最重要的工艺条件之一，它影响沉积过程的各个方面。首先、它影响气体的质量输送过程。沉积温度不同，反应气体与气态产物的扩散系数不同，导致反应界面气相的过饱和度和气象物种沉积处固相的相对活度不同，从而影响素坯的形核率，改变素坯的组成和性能。其次、它影响界面反应。一般沉积温度的升高可以显著增加界面反应速度，可能导致表面控制向质量迁移控制的转化，倾向于得到柱状晶组织。再之、沉积温度同样影响新生态固体原子的重排过程。沉积温度越高，新生态固体原子的能量越高，相应地能够越过重排能垒而达到稳定状态的原子越多，从而获得更加稳定的结构。经过大量的试验研究表明，在本实施中采用等离子增强化学气相沉积技术时控制沉积温度为300～500℃，反应速率最佳且生成的素坯的结构最为稳定、致密度最高。
在步骤S2.3中，源气体优选为H2、N2或Ar中的一种或多种的组合。源气体的流量优选为30～500sccm，源气体的压力优选为0.8～1.2MPa，放电电源的功率优选为400～1000W。
在步骤S2.4中，反应压强优选为10～400Pa，生长时间优选为30～60min。CeO2和ZrO2的摩尔比优选为3～1:1，在此比例范围时能够沉积形成稳定的致密扩散层素坯。反应气体的总流量为30～500sccm，反应气体的压力优选为0.8～1.2MPa。当然，反应气体并不局限于CeO2和ZrO2，也可以采用其他构成致密扩散层素坯元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气，形成的致密扩散层素坯的成分还可以是LSM、LSC、LSF或者其他成分。其中，反应压强也是影响沉积质量的重要因素，反应压强的大小控制边界的厚度，进而影响扩散过程的难易。若在常压下，反应气体和生成气体的输运速度较低，反应受质量迁移控制。而在低压下，质量运输过程加快，界面反应成为速率控制因素。经过大量的试验研究表明，反应压强为10～400Pa时能够提供更好的素坯厚度的均匀性、阶梯覆盖性以及更高的素坯质量。另外，在步骤S2.4中，向沉积室内通入反应气体时也可以与惰性气体一起通入，使之与反应气体混合，使沉积更加均匀。
在步骤S2.5中形成的致密扩散层素坯的厚度根据反应气体的通入的量不同而不同，一般致密扩散层素坯的厚度控制在1～2mm中的任一值。
在步骤S3中，烧结温度优选在1000～1600℃中的任一值；进一步地，优选采用先快速升温再慢速升温的阶梯式烧结方法，优选为：烧结时先按10℃/min的升温速率进行升温至800～1000℃中的任一值，然后按5℃/min的升温速率升温至1000～1600℃中的任一值，然后烧结7～10h。
同时，本发明的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法中，采用化学气相沉积法，该方法可以使致密扩散层和电解质层的制备工艺机械化、连续化、减少废品率，获得优异的涂层性能，进而获得良好稳定的电学性能，制备速度特别快，大大提高劳动生产率，从而获得可观的社会经济效益，适用于大规模生产。同时在沉积时生长均匀且粘合力强，使致密扩散层与电解质层的结合强度高，电解质层和致密扩散层的变形减小至最低程度、不易出现裂纹，且最终制得的致密扩散层和电解质层的组织致密均匀、气孔显著减少，可提高包含该双层结构的氧传感器的性能。
实施例3
在本实施例中，与实施例1和实施例2的不同之处在于，实施例1和实施例2是在电解质层素坯上形成致密扩散层素坯，然后烧结冷却形成双层结构，而本实施例是在致密扩散层素坯上形成电解质层素坯，然后烧结冷却形成双层结构。
参照图7，具体地，氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法具体步骤如下：
S1、制备致密扩散层素坯，该致密扩散层素坯的主要成分为LSM，致密扩散层素坯的厚度为0.98mm，直径为9.86mm。
进一步地，上述步骤S1在本实施例中包括如下子步骤：
S1.1、将LSM粉末挤压成LSM片状基体；
S1.2、将LSM片状基体置于高温炉中，对LSM片状基体进行烧结，烧结温度1300℃，烧结时间为10h；
S1.3、将烧结后的LSM片状基体随炉冷却至室温，形成致密扩散层素坯。
由于在利用等离子体增强化学气相沉积将等离子体激活反应气体并发生反应并沉积在致密扩散层素坯上时，此过程会对致密扩散层素坯产生强大的冲击力(这个冲击是由于高能电子与反应气体分子发生非弹性碰撞时，会使气体分子发生电离或者分解，产生中性原子和分子生成物；正离子受到离子层加速电场的加速与上电极碰撞，放置致密扩散层素坯的下层电极附近也会存在有一较小的离子层电场，所以致密扩散层素坯也会受到某种程度上的离子轰击，即上述冲击力)，因此，对致密扩散层素坯的强度有一定要求，否则在沉积涂时易造成致密扩散层素坯的破坏影响沉积效果。所以，在制备致密扩散层素坯时先进行一次烧结，以保证致密扩散层素坯具备足够的强度能够接收沉积。
其中，步骤S1.1中所采用的LSM粉末由如下步骤制得：
b1、按摩尔比，La(NO3)3·Sr(NO3)2·Mn(NO3)2＝0.8﹕0.2﹕1进行配料；
b2、将La(NO3)3、Sr(NO3)2和Mn(NO3)2分别溶解于去离子水中，过滤除去不溶性杂质后得到La(NO3)3水溶液、Sr(NO3)2水溶液和Mn(NO3)2水溶液，其中，去离子水的加入量以使原料充分溶解为准；
b3、将La(NO3)3水溶液、Sr(NO3)2水溶液和Mn(NO3)2水溶液混合，制得混合溶液；
b4、向混合溶液中边搅拌边加入柠檬酸溶液柠檬酸，搅拌均匀后，加入乙二醇，搅拌均匀后滴加氨水，直至混合溶液的pH值位于8.0～9.5时停止滴加氨水，制得溶胶凝胶前驱体，其中，柠檬酸溶液柠檬酸的质量浓度位于10～20％的范围内，氨水的质量浓度位于20～30％的范围内，按摩尔比，混合溶液中金属阳离子﹕柠檬酸﹕乙二醇＝1﹕4.8﹕1.2；
b5、将溶胶凝胶前驱体置于干燥炉中，对溶胶凝胶前驱体进行干燥，干燥温度位于70～90℃的范围内；
b6、将干燥后的溶胶凝胶前驱体置于高温炉中，对将干燥后的溶胶凝胶前驱体进行煅烧，煅烧温度位于500～1000℃的范围内，煅烧时间位于5～6h，制得固溶体粉末；
b7、将固溶体粉末置于玛瑙研钵中，对固溶体粉末进行研磨，研磨时间位于2～3h的范围内，制得LSM粉末，LSM粉末的粒度40～60nm，纯度为99.99％。
进一步地，上述LSM粉末的制备优选包括如下步骤：
b1、按摩尔比，La(NO3)3·Sr(NO3)2·Mn(NO3)2＝0.8﹕0.2﹕1进行配料；
b2、将La(NO3)3、Sr(NO3)2和Mn(NO3)2分别溶解于去离子水中，过滤除去不溶性杂质后得到La(NO3)3水溶液、Sr(NO3)2水溶液和Mn(NO3)2水溶液，其中，去离子水的加入量以使原料充分溶解为准；
b3、将La(NO3)3水溶液、Sr(NO3)2水溶液和Mn(NO3)2水溶液混合，制得混合溶液；
b4、向混合溶液中边搅拌边加入柠檬酸溶液柠檬酸，搅拌均匀后，加入乙二醇，搅拌均匀后滴加氨水，直至混合溶液的pH值位于8.5时停止滴加氨水，制得溶胶凝胶前驱体，其中，柠檬酸溶液柠檬酸的质量浓度位于16％的范围内，氨水的质量浓度位于28％的范围内，按摩尔比，混合溶液中金属阳离子﹕柠檬酸﹕乙二醇＝1﹕4.8﹕1.2；
b5、将溶胶凝胶前驱体置于干燥炉中，对溶胶凝胶前驱体进行干燥，干燥温度位于75℃的范围内；
b6、将干燥后的溶胶凝胶前驱体置于高温炉中，对将干燥后的溶胶凝胶前驱体进行煅烧，煅烧温度位于850℃的范围内，煅烧时间位于5h，制得固溶体粉末；
b7、将固溶体粉末置于玛瑙研钵中，对固溶体粉末进行研磨，研磨时间位于2.5h的范围内，制得LSM粉末，LSM粉末的粒度40～60nm，纯度为99.99％。
经过理论分析和大量实验验证得出，当LSM粉末由上述优选条件制备出来时，与沉积在其上生长形成的电解质层素坯结合的更好，进而增大电解质层素坯与致密扩散层素坯的结合强度，使结合更加紧密，使制备出的双层结构具备更加优异的性能。
S2、采用化学气相沉积法使反应气体在致密扩散层素坯上发生化学反应，并在致密扩散层素坯上沉积形成电解质层素坯。
进一步地，步骤S2在本实施例中包括如下子步骤：
S2.1、将步骤S1得到的致密扩散层素坯进行预处理：依次用乙醇、丙酮和去离子水进行超声清洗共5min，然后吹干。由于致密扩散层素坯表面的杂质会影响与反应气体经反应后形成的沉积物的结合力，因此对致密扩散层素坯表面先进行除油以及清洗。再利用金刚石对致密扩散层素坯的表面进行打磨，使其表面粗糙化，进而能够增强致密扩散层素坯与上述沉积物的结合力。
S2.2、将步骤S2.1得到的致密扩散层素坯置于等离子体增强化学气相沉积设备(以下简称为PECVD设备)的恒温加热区，并利用真空泵将沉积室内的真空度抽至0.15Pa。然后将恒温加热区的温度(即沉积温度)在15min内升温至400℃。
具体地，PECVD设备主要包括沉积室、放电电源、进气系统和排气系统，沉积室的恒温加热区内设有加热基座，用于放置致密扩散层素坯并对致密扩散层素坯进行恒温加热。放电电源开启后就可以在沉积室内发生辉光放电以将源气体电离形成等离子体。进气系统能够将反应气体和源气体通入到沉积室内。排气系统主要用于将沉积室内未反应的气体和副产物排出。在本实施例中反应气体选择以气态供给，致密扩散层素坯放置在加热基座上。
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。其中，在本实施例中源气体为H2，源气体的流量为100sccm，源气体的压力为0.8MPa，放电电源的功率为600W。
S2.4、向沉积室内通入反应气体，使沉积室内的压强(即反应压强)达到150Pa。反应气体在上述等离子体的作用下被激活后在致密扩散层素坯上发生化学反应，生长30min。其中，在本实施例中反应气体包括气态的Y2O3和ZrO2，且Y2O3和ZrO2的摩尔比为1:6。反应气体的总流量为100sccm，反应气体的压力为0.8MPa。Y2O3和ZrO2经过化学反应后生成YSZ，即为形成的电解质层素坯的主要成分。
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(本实施例中为H2)，将致密扩散层素坯快速冷却至室温，最终在致密扩散层素坯上生长并沉积形成电解质层素坯，而未反应的气体以及产生的副产物则从排气系统排出。最终形成的电解质层素坯的厚度为2mm，电解质层素坯为直径为9.86mm的圆片。
具体地，在上述PECVD设备中，向沉积室内通入源气体后，开启放电电源使沉积室内产生辉光放电，进而使源气体发生电离形成等离子体，这些等离子体可作为能量源，此时致密扩散层素坯浸没在等离子体中或者位于等离子体的下方。由于等离子体中含有大量的高能量电子，这些电子可以提供化学气相沉积过程中所需要的激活能，从而改变了反应体系的能量供给方式。由于等离子体中的电子温度高达10000K，在后续通入反应气体后，电子能够将反应气体激活并与反应气体中的气相分子发生碰撞，进而促进反应气体分子的化学键的断裂和重新组合，生成活性更高的化学基团，在致密扩散层素坯的表面发生化学反应进而生长并沉积形成电解质层素坯。
采用等离子增强化学气相沉积法由于粒子间的碰撞，产生剧烈的气体电离，使反应气体受到活化，因而整个沉积过程与仅有热激活的过程有显著不同，能够大大提高涂层结合力，降低沉积温度，加快反应速度。对致密扩散层素坯的结构和物理性质影响小，形成的涂层厚度以及成分均匀性好，涂层组织致密、气孔少，涂层的附着力强。
S3、对带有电解质层素坯的致密扩散层素坯置于高温炉进行烧结，烧结温度为1350℃。
进一步优选地，在烧结时先按10℃/min的升温速率进行升温至900℃，然后按5℃/min的升温速率升温至1350℃，之后烧结时间为8h。采用这种先快速升温再慢速升温的阶梯式烧结，在达到相同烧结效果的情况下所需的烧结温度更低，节约能源，降低了成本。
S5、将烧结后的带有电解质层素坯的致密扩散层素坯冷却至室温，冷却后的致密扩散层素坯形成致密扩散层2，冷却后的电解质层素坯形成电解质层3，致密扩散层2和电解质层3彼此叠置且相连，形成双层结构，其中致密扩散层2的厚度为0.96mm，直径为9.79mm；电解质层3的厚度为1.98mm，直径为9.79mm。
将由上述制备方法制成的双层结构制作成氧传感器，即如图1中包含负极1、致密扩散障碍层(简称致密扩散层2)、固体电解质层(简称电解质层3)、正极4和高温密封玻璃釉5。经测试，测氧范围为0～18.54vol％。
实施例4
在本实施例中，与实施例1和实施例2的不同之处在于，实施例1和实施例2是在电解质层素坯上形成致密扩散层素坯，然后烧结冷却形成双层结构，而本实施例是在致密扩散层素坯上形成电解质层素坯，然后烧结冷却形成双层结构。
具体地，氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法具体步骤如下：
S1、制备致密扩散层素坯，该致密扩散层素坯的主要成分为LSM，致密扩散层素坯的厚度为1.98mm，直径为9.88mm。
进一步地，上述步骤S1在本实施例中包括如下子步骤：
S1.1、将LSM粉末挤压成LSM片状基体。
S1.2、将LSM片状基体置于高温炉中，对LSM片状基体进行烧结，烧结温度1500℃，烧结时间为8h。
S1.3、将烧结后的LSM片状基体随炉冷却至室温，形成致密扩散层素坯。其中，步骤S1.1中所采用的LSM粉末与实施例3的方法基本相同，不同之处在于，按摩尔比，La(NO3)3·Sr(NO3)2·Mn(NO3)2＝0.7﹕0.3﹕1，并且最终LSM粉末研磨至粒度≤100nm即可。
S2、采用化学气相沉积法使反应气体在致密扩散层素坯上发生化学反应，并在致密扩散层素坯上沉积形成电解质层素坯。
进一步地，步骤S2在本实施例中包括如下子步骤：
S2.1、将步骤S1得到的致密扩散层素坯依次用乙醇、丙酮和去离子水进行超声清洗共6min，然后吹干。再利用金刚石对致密扩散层素坯的表面进行打磨，使其表面粗糙化，进而能够增强致密扩散层素坯与上述沉积物的结合力。
S2.2、将步骤S2.1得到的致密扩散层素坯置于PECVD设备的恒温加热区，并利用真空泵将沉积室内的真空度抽至0.3Pa。然后将恒温加热区的温度(即沉积温度)在25min内升温至550℃。
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。其中，在本实施例中源气体为N2，源气体的流量为200sccm，源气体的压力为1.0MPa，放电电源的功率为800W。
S2.4、向沉积室内通入反应气体，使沉积室内的压强(即反应压强)达到300Pa。反应气体在上述等离子体的作用下被激活后在致密扩散层素坯上发生化学反应，生长40min。其中，在本实施例中反应气体包括气态的Y2O3和ZrO2，且Y2O3和ZrO2的摩尔比为1:8。反应气体的总流量为150sccm，反应气体的压力为1.0MPa。Y2O3和ZrO2经过化学反应后生成YSZ，即为形成的电解质层素坯的主要成分。
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(本实施例中为N2)，将致密扩散层素坯快速冷却至室温，最终在致密扩散层素坯上生长并沉积形成电解质层素坯，而未反应的气体以及产生的副产物则从排气系统排出。最终形成的电解质层素坯的厚度为3mm，电解质层素坯为直径为9.88mm的圆片。
采用等离子增强化学气相沉积法由于粒子间的碰撞，产生剧烈的气体电离，使反应气体受到活化，因而整个沉积过程与仅有热激活的过程有显著不同，能够大大提高涂层结合力，降低沉积温度，加快反应速度。对致密扩散层素坯的结构和物理性质影响小，形成的涂层厚度以及成分均匀性好，涂层组织致密、气孔少，涂层的附着力强。
S3、对带有电解质层素坯的致密扩散层素坯置于高温炉进行烧结，烧结温度为1500℃。
进一步，在烧结时先按10℃/min的升温速率进行升温至1000℃，然后按5℃/min的升温速率升温至1500℃，之后维持此温度烧结10h。采用这种先快速升温再慢速升温的阶梯式烧结，在达到相同烧结效果的情况下所需的烧结温度更低，节约能源，降低了成本。
S4、将烧结后的带有电解质层素坯的致密扩散层素坯冷却至室温，冷却后的致密扩散层素坯形成致密扩散层2，冷却后的电解质层素坯形成电解质层3，致密扩散层2和电解质层3彼此叠置且相连，形成双层结构，其中致密扩散层2的厚度为1.99mm，直径为9.82mm，电解质层3的厚度为2.98mm，直径为9.82mm。
将由上述制备方法制成的双层结构制作成氧传感器，即如图1中包含负极1、致密扩散障碍层(简称致密扩散层2)、固体电解质层(简称电解质层3)、正极4和高温密封玻璃釉5。经测试，测氧范围为0～17.42vol％。
当然本发明在致密扩散层素坯上形成电解质层素坯，然后烧结冷却形成双层结构的制备方法中不局限于上述实施例，在步骤S1中，致密扩散层素坯的主要成分为不局限于仅为LSM粉末，也可以是LSC粉末或者LSF粉末。在步骤S1.2中，烧结温度优选为1000～1600℃，烧结时间优选为6～12h。制备致密扩散层素坯的步骤也不局限于步骤S1.1至S1.3，也可以采用其他方式；制备LSM粉末的步骤也不局限于b1至b7，也可以采用其他方式或者直接以购买方式获取。在步骤S1.1中致密扩散层片状基体的厚度优选为1～2mm中的任一值，直径优选为10～15mm中的任一值。
在步骤S2中，并不局限于实施例3和实施例4中所采用的等离子增强化学气相沉积法，也可以采用金属有机物化学气相沉积法、激光化学气相沉积法或者其他类型的化学气相沉积法。当采用上述实施例中的等离子增强化学气相沉积法时，也并不局限于上述实施例。在步骤S2.1中，超声清洗总时间优选为4～8min。当然，对致密扩散层素坯的表面清洗方式也可以采用其他方式，对致密扩散层素坯的表面进行粗糙化处理的方式也并不局限于金刚石打磨，也可以采用其他方式处理。
在步骤S2.2中，真空度优选为0.1～0.3Pa，沉积温度优选为在10～30min内升温至350～600℃。其中，沉积温度是化学气相过程中最重要的工艺条件之一，它影响沉积过程的各个方面。首先、它影响气体的质量输送过程。沉积温度不同，反应气体与气态产物的扩散系数不同，导致反应界面气相的过饱和度和气象物种沉积处固相的相对活度不同，从而影响素坯的形核率，改变素坯的组成和性能。其次、它影响界面反应。一般沉积温度的升高可以显著增加界面反应速度，可能导致表面控制向质量迁移控制的转化，倾向于得到柱状晶组织。再之、沉积温度同样影响新生态固体原子的重排过程。沉积温度越高，新生态固体原子的能量越高，相应地能够越过重排能垒而达到稳定状态的原子越多，从而获得更加稳定的结构。经过大量的试验研究表明，在本实施中采用等离子增强化学气相沉积技术时控制沉积温度为350～600℃，反应速率最佳且生成的素坯的结构最为稳定、致密度最高。
在步骤S2.3中，源气体优选为H2、N2或Ar中的一种或多种的组合。源气体的流量优选为50～500sccm，源气体的压力优选为0.8～1.2MPa，放电电源的功率优选为500～1000W。
在步骤S2.4中，反应压强优选为20～400Pa，生长时间优选为30～60min。Y2O3和ZrO2的摩尔比优选为1:5～8，在此比例范围时能够沉积形成稳定的致密扩散层素坯。反应气体的总流量为30～500sccm，反应气体的压力优选为0.8～1.2MPa。当然，反应气体并不局限于Y2O3和ZrO2，也可以采用其他构成电解质层素坯元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气，形成的电解质层素坯的成分还可以是LSGM、CeZrO2或者其他成分。其中，反应压强也是影响沉积质量的重要因素，反应压强的大小控制边界的厚度，进而影响扩散过程的难易。若在常压下，反应气体和生成气体的输运速度较低，反应受质量迁移控制。而在低压下，质量运输过程加快，界面反应成为速率控制因素。经过大量的试验研究表明，反应压强为20～400Pa时能够提供更好的素坯厚度的均匀性、阶梯覆盖性以及更高的素坯质量。另外，在步骤S2.4中，向沉积室内通入反应气体时也可以与惰性气体一起通入，使之与反应气体混合，使沉积更加均匀。
在步骤S2.5中形成的电解质层素坯的厚度根据反应气体的通入的量不同而不同，一般致密扩散层素坯的厚度控制在2～3mm中的任一值。
在步骤S3中，烧结温度优选在1000～1600℃中的任一值；优选采用先快速升温再慢速升温的阶梯式烧结，其中：烧结时先按10℃/min的升温速率升温至800～1000℃，然后按5℃/min的升温速率升温至1000～1600℃，之后保持该温度烧结7～10h。
同时，本发明的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法中，采用化学气相沉积法制备，该方法可以使致密扩散层和电解质层的制备工艺机械化、连续化、减少废品率，获得优异的涂层性能，进而获得良好稳定的电学性能，制备速度特别快，大大提高劳动生产率，从而获得可观的社会经济效益，适用于大规模生产。同时在沉积时生长均匀且粘合力强，使致密扩散层与电解质层的结合强度高，电解质层和致密扩散层的变形减小至最低程度、不易出现裂纹，且最终制得的致密扩散层和电解质层的组织致密均匀、气孔显著减少，可提高包含该双层结构的氧传感器的性能。
综上，上述两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，两种方法均是采用化学气相沉积法形成电解质层和致密扩散层双层结构，并且均是先形成电解质层3和致密扩散层2中的一个的素坯，然后在这个素坯上化学气相沉积形成另一层。
无论上述哪一种方法，都能够制备出的电解质层和致密扩散层双层结构的结合强度高，同时制备速度特别快，大大提高劳动生产率，从而获得可观的社会经济效益，适用于大规模生产。具体地，通过上述两种方法，均采用化学气相沉积法制备，可以使致密扩散层和电解质层的制备工艺机械化、连续化、减少废品率，获得优异的涂层性能，进而获得良好稳定的电学性能，制备速度特别快，大大提高劳动生产率，从而获得可观的社会经济效益，适用于大规模生产。同时在沉积时生长均匀且粘合力强，使致密扩散层与电解质层的结合强度高，电解质层和致密扩散层的变形减小至最低程度、不易出现裂纹，且最终制得的致密扩散层和电解质层的组织致密均匀、气孔显著减少，可提高包含该双层结构的氧传感器的性能。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一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，其特征在于，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所述电解质层素坯上发生化学反应，并在所述电解质层素坯上沉积形成致密扩散层素坯；
S3、对所述带有致密扩散层素坯的电解质层素坯进行烧结；
S4、将所述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，所述致密扩散层和所述电解质层彼此叠置且相连，形成双层结构。
2.根据权利要求1所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，
在步骤S2中，所述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，所述源气体在辉光放电的作用下形成等离子体；
S2.4、向所述沉积室内通入所述反应气体，使反应压强达到10～400Pa，所述反应气体在步骤S2.3中形成的等离子体的作用下被激活后在所述电解质层素坯上发生化学反应，生长30～60min；
S2.5、停止对所述恒温加热区的加热，向所述沉积室内继续通入所述源气体，将所述电解质层素坯冷却至室温，最终在所述电解质层素坯上生长并沉积形成致密扩散层素坯。
3.根据权利要求2所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，
所述等离子体增强化学气相沉积法的工艺条件为：
所述源气体为H2、N2或Ar中的一种或多种的组合；
所述源气体的流量为30～500sccm；
所述源气体的压力为0.8～1.2MPa；
所述放电电源的功率为400～1000W；
所述反应气体的总流量为30～500sccm；
所述反应气体的压力为0.8～1.2MPa。
4.根据权利要求3所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，
所述反应气体包括CeO2和ZrO2，且CeO2和ZrO2的摩尔比为3～1:1。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，
在步骤S3中，所述烧结温度为1000～1600℃，且先按10℃/min的升温速率进行升温至800～1000℃，再按5℃/min的升温速率升温至1000～1600℃。
6.一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，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备致密扩散层素坯；
S2、采用化学气相沉积法使反应气体在所述致密扩散层素坯上发生化学反应，并在所述致密扩散层素坯上沉积形成电解质层素坯；
S3、对所述带有电解质层素坯的致密扩散层素坯进行烧结；
S4、将所述烧结后的带有电解质层素坯的致密扩散层素坯冷却至室温，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，所述致密扩散层和所述电解质层彼此叠置且相连，形成双层结构。
7.根据权利要求6所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，
在步骤S2中，所述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得到的致密扩散层素坯进行预处理；
S2.2、将步骤S2.1得到的致密扩散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350～600℃；
S2.3、向沉积室内通入源气体，并开启放电电源，所述源气体在辉光放电的作用下形成等离子体；
S2.4、向所述沉积室内通入所述反应气体，使反应压强达到20～400Pa，所述反应气体在步骤S2.3中形成的等离子体的作用下被激活后在所述致密扩散层素坯上发生化学反应，生长30～60min；
S2.5、停止对所述恒温加热区的加热，向所述沉积室内继续通入所述源气体，将所述致密扩散层素坯冷却至室温，最终在所述致密扩散层素坯上生长并沉积形成电解质层素坯。
8.根据权利要求7所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，
所述等离子增强化学气相沉积法的工艺条件为：
所述源气体为H2、N2或Ar中的一种或多种的组合；
所述源气体的流量为50～500sccm；
所述源气体的压力为0.8～1.2MPa；
所述放电电源的功率为500～1000W；
所述反应气体的总流量为30～500sccm；
所述反应气体的压力为0.8～1.2MPa。
9.根据权利要求8所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，
所述反应气体包括Y2O3和ZrO2，且Y2O3和ZrO2的摩尔比为1:5～8。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的氧传感器用电解质层和致密扩散层双层结构的制备方法，其特征在于，
在步骤S3中，所述烧结温度为1000～1600℃，且先按10℃/min的升温速率进行升温至800～1000℃，再按5℃/min的升温速率升温至1000～1600℃。
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