陶瓷传感器的工艺原理

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-29 原文发表时间:2007-06-30 人气:1

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在陶瓷传感器的生产过程中采用了一些可靠的工艺方法，这些工艺也被用于制备其他陶瓷材料，例如压电陶瓷、铁电陶瓷、绝缘体陶瓷等。以制备开始时使用的原始材料为标准可将工艺技术分为二个基本类型：常规(固体、传统规格、固相物、氧化物)陶瓷工艺和非常规(化学)方法。

1常规陶瓷工艺

用常规陶瓷工艺生产的原始材料是氧化物(例如Al2O3,TiO2,ZnO,SnO2,BaO,SrO或CoO)，或是碳酸化合物(例如BaCO3,SrCO3,Na2CO3或MnCO3)。其制造过程的流程框图示于图1。

图1常规陶瓷工艺操作流程框图

1.1决定组成成份

工艺的开始，首先要决定陶瓷的化学组成，包括可能的掺杂杂质。

原始材料的选用，是氧化物还是碳酸盐，取决于其化学成份。如果陶瓷中应含有氧化钡或氧化锶，那么推荐选用它们的碳酸化合物。碱性氧化物也被用来生成碳酸化合物。在其他一些情况时，除少数例外外，最初的未加工材料均选择氧化物。

1.2计算组成和成份称重

以化学成份和原始材料为基础，计算每种组成的用量，并按重量称出来，要求精度至少达到0.01%～0.1%。

1.3混合和研磨

混合和研磨的目的是为获得均匀性好和分散精细的原始材料混合物。这通常在球磨机或滚磨机中进行。在需要细颗粒陶瓷，例如用于传感器的陶瓷时，研磨罐和球都用硬质材料制成，例如玛瑙、SiC、ZrO２。氧化物粉的颗粒不应超过5μm。这个工序还有另一个效应—初始材料的化学反应能力增加。通常，工艺过程在液体介质中进行—最常用的是净化水。

1.4脱水和烘干

脱水的任务是排除水分，然后制取干燥的混合物。这是通过过滤和在烘干炉中干燥后完成的。

1.5颗粒成形

把粉末状混合物制成具有一定大小和可塑性的颗粒。在混合物中添加一些专门的增塑剂(例如PVC、石腊)，以增加微粒间的粘结能力。

1.6压制

在特制的模子中制成圆柱状的团块。在上一工序颗粒成形过程中加入的增塑剂应是具有机械加工稳定性的。

1.7焙烧

这道工序是在相对来说较低的温度(600～1 200℃)条件下进行的。在这个工艺周期中要完成材料的固相化学反应，从而生成最终的化合物。举例来说，在生产BaTiO３陶瓷时，取决于所使用的原始材料，反应是

BaO TiO2＝BaTiO3

BaCO3 TiO2＝BaTiO3 CO2 (2.33)

如果最终产物是那些原始材料的化合物时，这道工序是必不可少的。在另一些情况下，此工序也是有益的，因为通过焙烧可以得到均一性更好的陶瓷。

1.8粉碎团块和研磨

将焙烧后结成的团块粉碎成大小为几毫米的小块，然后按节1.3的办法进一步研磨。

1.9脱水和烘干

此工序与节1.4的相同。

1.10颗粒成形

重复节1.5所述工序

1.11成形

类似节1.6所述工序，将材料压制成圆片，圆片的大小根据其使用的要求。对传感器而言，圆片的直径一般为5～15mm，厚度则在1～2mm间。

1.12陶瓷的烧结

这是最重要的工序之一，因为在此过程中形成了陶瓷的结构。烧结温度Ts，对每一种陶瓷材料来说都是特定的，圆片要在这个温度中保温30min到十几个小时。在烧结过程中伴随发生一些原子从某些晶粒中扩散到另一些晶粒中去的过程。大晶粒并吞小晶粒，所以生长得更大，因而陶瓷也变得更密实。同时，晶体表面和晶粒间界的性质也开始定型。这道工序一般是在空气介质中进行的，在一些特殊情况下有选用还原性、氧化性或惰性气体气氛的。随后，圆片慢慢冷却，以防止在圆片中产生很高的机械应力。

1.13机械加工

机械加工包括把烧结好的圆片切割成小块(如果需要的话)，打磨和清洁表面以去除沾污物。

1.14装配导电电极

陶瓷传感器有作出电学反应的能力，因此在它的结构中至少应有二个导电电极以构成一个系统。在陶瓷传感器工艺技术中采用二种方法制造电极：真空沉积和厚膜工艺。对电极的要求和厚膜技术将在节以后更详细地讨论。

1.15参数的检测

所生产陶瓷参数的测量是结合它的应用需要进行的。这样做是为了证明特定的陶瓷配方和生产工艺条件的效果。

1.16封装和打标记

这样生产出来的敏感元件封装在框架上，框架的构造由传感器的类型和工作条件决定。正因为如此，封装问题需要针对每种传感器分别讨论。在封装盒上标记了一些特别的文字和数字符号，它们标识了传感器的类型。那些符号则因各个传感器生产企业不同而有所不同。

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