铈基储氧材料在平板式浓差型汽车氧传感器中的应用研究

传感器对于汽车的节能减排起着重要作用，平板式浓差型汽车氧传感器由于尺寸小，响应快，能耗低，易集成，稳定性好等优点成为研究热点，目前由于平板式浓差型氧传感器在结构上需要有连通外界大气的空气通道，使得其结构和制造工艺复杂，制造成本增加，也不便于微型化。本项目针对这个急需解决的问题，提出利用铈基储氧材料作为固态氧分压参考层来制备新型平板式浓差型汽车氧传感器，同时围绕该传感器制备工艺流程中的粉体制备、成型烧结、器件制备与测试等技术开展研究。研究钇稳定氧化锆（YSZ）纳米粉体的制备工艺及团聚机理；研究YSZ纳米粉体的成型烧结工艺及烧结机理；采用有限元方法对氧传感器结构进行优化设计；研究铈基储氧材料的储氧特性，通过掺杂锆和钇等复合氧化物来改善其储氧能力，以及储氧能力对氧传感器性能的影响。本项目将为平板式氧传感器的研制提供理论和技术基础，对提高我国汽车氧传感器产品在国际上的竞争力具有重要意义。

传统平板式浓差型氧传感器在结构上需要有连通外界大气的空气通道，使得其结构和制造工艺复杂，制造成本增加，也不便于微型化。本项目针对这个急需解决的问题，提出利用铈基储氧材料作为固态氧分压参考层来制备新型平板式浓差型汽车氧传感器，同时围绕该传感器制备工艺流程中的粉体制备、成型烧结、器件制备与测试等技术开展研究。项目首先研究了钇稳定氧化锆（YSZ）纳米粉体制备工艺。采用适合于工业生产的化学共沉淀方法制备了掺杂Y2O3的稳定氧化锆纳米粉体（YSZ），应用激光粒度分析仪、X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜（SEM）等手段对粉体进行了表征，研究了粉体制备过程中团聚形成的机理，讨论了溶液浓度、pH值、沉淀方式、沉淀温度、洗涤方式、表面改性和煅烧温度等工艺参数对粉体粒度分布的影响，并总结出各工艺参数的合理值。其次研究了YSZ纳米陶瓷烧结工艺。基于球形气孔模型，推导出了陶瓷粉末固相烧结中期和后期的致密化方程，研究了纳米YSZ粉体烧结机理，对YSZ陶瓷成型与烧结工艺进行了优化，研究了添加第二相Al2O3对晶粒生长和致密度的影响。然后设计了一种具有固态氧分压参考层的新型氧浓差氧传感器结构，采用有限元方法对加热器进行了优化设计，并进行热传导分析和热应力分析，设计结果显示：设计的传感器响应快、热应力低以及温度分布均匀，该设计、建模方法可以应用于同类电子产品的设计。最后利用铈基储氧材料制备了一种具有固态氧分压参考层的新型氧浓差氧传感器，搭建了氧传感器的测试装置并对传感器进行了其性能测试，研究了不同含量的锆和钇对储氧材料的稳定性及传感器性能的影响。本项目将为平板式氧传感器的研制提供理论和技术基础，对提高我国汽车氧传感器产品在国际上的竞争力具有重要意义。