磁控溅射法制备氧传感器电解质膜

摘要..........................................................................................................................I Abstract........................................................................................................................II 引言. (1)

1文献综述 (2)

1.1汽车用氧传感器的应用 (2)

1.2汽车用氧传感器的分类 (2)

1.2.1氧浓差电池型氧传感器 (2)

1.2.2氧化物半导体型氧传感器 (4)

1.2.3极限电流型氧传感器 (4)

1.3固体电解质材料 (8)

1.3.1ZrO2基固体电解质 (8)

1.3.2CeO2基固体电解质 (9)

1.4固体电子－氧离子混合导体 (10)

1.4.1钙钛矿型氧化物混合导体导电机理 (10)

1.4.2透氧机理 (11)

1.5磁控溅射沉积制备工艺 (11)

1.5.1磁控溅射的基本原理及特点 (11)

1.5.2磁控溅射法制备薄膜的基本流程 (12)

1.5.3影响薄膜属性的因素分析 (13)

2LSM致密扩散障碍层与LSCF多孔基体的制备 (15)

2.1实验原料及仪器设备 (15)

2.2配料计算 (15)

2.3LSM致密扩散障碍层制备 (16)

2.3.1LSM致密扩散障碍层粉体的物相分析 (18)

2.3.2LSM致密扩散障碍层的制备与微观形貌 (18)

2.4LSCF多孔基体制备 (20)

2.4.1LSCF粉体的物相分析 (21)

2.4.2LSCF多孔基体的制备与微观形貌 (22)

3磁控溅射法制氧传感器电解质薄膜 (23)

3.1磁控溅射镀膜设备 (23)

3.2溅射工艺流程的确定 (23)

3.3基准工艺参数的确定 (24)

3.3.1YSZ电解质薄膜微观结构分析 (25)

3.4基体致密度对磁控溅射YSZ电解质膜的影响 (25)

3.5基体溅射温度对磁控溅射YSZ电解质膜的影响 (27)

3.5.1改进磁控溅射工艺的YSZ薄膜微观结构分析 (27)

3.5.2改进磁控溅射工艺的YSZ薄膜能谱分析 (28)

3.6溅射气氛对磁控溅射YSZ电解质膜的影响 (31)

3.6.1二次优化磁控溅射工艺的YSZ薄膜微观结构分析 (31)

3.6.2二次优化磁控溅射工艺的YSZ薄膜能谱分析 (32)

结论 (36)

参考文献 (37)

致谢 (40)

引言

汽车尾气中含多种有害物质，主要有碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NO X）、硫氧化物（SO X）以及微小粒径的物质(如含铅物、碳烟、油雾)等[1,2]。目前，随着经济的快速发展，汽车工业迅速上升，但有害物质的排放对坏境造成了严重的影响。因此，采取一种新方法和新技术来控制汽车尾气的排放成为研究者们关注的焦点。其中氧传感器成为首要的研究，它通过控制发动机的A/F从而控制所用燃料的燃烧过程，以这样一种方式来减少汽车排放尾气中的有害物质，进而达到从根本上解决净化尾气的问题[3]。

当前能源短缺成为世界性问题，缓解能源问题的解决方法之一就是节约汽车用油。在最早期，由丰田公司做出过一系列试验，得出结果，在汽车行业总能耗中，汽车运行时能耗约占78.3%，而生产能耗仅占21.7%。由此可发现，通过优化运行状态可以达到降低行业总能。早在二十世纪七十年代末，西德Bosch公司的一个研究报告中就表明，使用氧传感器催化系统，合理控制燃料燃烧过程，可以达到节油目的。因此，减少污染和节约能源这两方面是汽车氧传感器在发展应用中的重要功效。

在极限电流型氧传感器中，由于致密扩散障碍层与电解质层的烧结温度不同，所以为了解决共烧结不匹配这一问题，制备传感器的方法一般采用丝网印刷技术、瓷片复合工艺等。但是由于电解质层与致密扩散障碍层无法直接接触，对传感器的工艺要求较高，使传感器的传导无法取得良好的效果。为了解决这一根本问题，本实验研究采用新型射频磁控溅射制备工艺，通过磁控溅射沉积系统将氧化钇稳定氧化锆制备靶材直接溅射到LSM基体上，使YSZ颗粒在LSM基体上生长，形成一层致密的YSZ氧敏薄膜，使致密扩散障碍层与电解质层在接触良好的同时进一步减小氧传感器的厚度。