[發明專利]NOx傳感器的基于納秒-皮秒-飛秒激光復合技術的3D打印制備方法

在審

• 申請號: 201510356921.6
• 申請日: 2015-06-25
• 公開（公告）號: CN105014769A
• 公開（公告）日: 2015-11-04
• 發明（設計）人: 劉勝;付興銘;劉亦杰;鄭懷;楊軍;曹鋼;吳登峰
• 申請（專利權）人: 武漢大學;武漢飛恩微電子有限公司
• 主分類號: B28B1/00
• 分類號: B28B1/00;B28B17/00;C04B35/64
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明涉及NO_x傳感器領域，具體涉及一種NO_x傳感器的基于納秒-皮秒-飛秒激光復合技術的3D打印制備方法。

背景技術

近年來，隨著世界汽車用量的猛增，汽車尾氣污染問題日趨嚴重。汽車尾氣中氮氧化物NO_x（NO₂+NO）的排放會破壞臭氧層、引起酸雨和光化學煙霧，已對人類的生存和身體健康構成了嚴重威脅。基于氧化鋯為固體電解質的混合電勢型NO_x傳感器是近年來逐漸發展起來的一種新型化學類NO_x傳感器。在過去的十幾年中，氧化鋯基混合電勢型NO_x傳感器得到了迅速發展，研究者從傳感器的電極材料、結構、工作機理等方面對此類傳感器進行了廣泛的研究報道。但是，NO_x傳感器的制備工藝比較復雜，一般經過流延成型、切割、絲網印刷電極和絕緣層漿料、烘干、切割成坯和燒結過程，如此多的工藝往往會使得制作過程中受到眾多因素的影響，導致NO_x傳感器的生產效率、精度、一致性和可靠性不是很高，而且，燒結過程會導致較高的殘余應力出現，目前，能夠批量生產并商用NO_x傳感器的僅有日本NGK一家。

3D打印技術是一種運用粉末狀材料通過選擇性激光燒結或熔化逐層堆積出制造產品的增材制造方法。相對傳統制造技術而言，它可以輕松地制造出傳統技術難以生產的復雜、高難度的產品。但是，3D打印法制備出的零件表面往往顯現出強度不高、吹粉、球化、殘余應力高及表面粗糙高等缺點，需要對成型零件進行除渣和拋光處理。當前的3D打印過程中僅是利用視覺監控來控制尺寸，沒有微觀結構及成分的實時監控設備，我們無從知道零部件的微觀結構，也就不能對其機械性能進行更好地控制。

近些年，短脈沖激光（如納秒激光、皮秒激光和飛秒激光）由于熱影響小，加工精度高，因而在精密加工領域備受關注。納秒激光的脈沖寬度為納秒（10^-9秒）級，其重復頻率一般為數百kHz，最高可達10MHz，因此可以達到很高的加工效率。皮秒（10^-12秒）激光足以避免能量發生熱擴散并達到這些消融臨界過程所需要的峰值能量密度，可以提供較高的平均功率(10?W)和良好的光束質量（M2?<?1.5），可以在有效工作距離內聚焦成一個10?μm或更小的光點。飛秒激光（10^-15秒）在每一個激光脈沖與物質相互作用的持續期內，避免了熱擴散的存在，在根本上消除了類似于長脈沖加工過程中的熔融區、熱影響區、沖擊波等多種效應對周圍材料造成的影響和熱損傷，將加工過程所涉及的空間范圍大大縮小，從而提高了準確程度，其光束直徑可以聚焦到1um以內，其精度可達100nm以內，最好可以達到0.1nm。

但是，目前還沒有出現使用納秒/皮秒/飛秒激光復合技術的3D打印傳感器產品。

發明內容

本發明針對已有NO_x傳感器制作工藝中存在的工藝復雜、精度不高和材料界面殘余應力不易控制等缺陷，結合運用納秒-皮秒-飛秒激光復合技術，提供了一種NO_x傳感器的基于納秒-皮秒-飛秒激光復合技術的3D打印制備方法。

本發明的目的通過以下的技術方案來實現：

一種NO_x傳感器的基于納秒-皮秒-飛秒激光復合技術的3D打印制備方法，包括如下步驟：

（1）在工作平臺上鋪設原材料粉末并預熱；

（2）采用納秒激光對工作平臺上的原料進行燒結熔化，同時采用實時監控系統檢測傳感器各打印層結構的精度；

（3）依次反復重復步驟（1）和（2），直到完成NO_x傳感器的制備。

上述步驟（2）中還包括采用集成的光纖激光器提供皮秒激光或飛秒激光對傳感器進行精加工。

光纖激光器所提供激光的最小可加工特征尺寸在1um以內，精度在100nm以內，最好可以達到0.1nm。

所述NO_x傳感器包括氧化鋯基體，所述氧化鋯基體的上表面設有外電極，氧化鋯基體內部從上到下依次設有腔室層、空氣通道和加熱器；所述腔室層包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室和第二腔室間設有第一阻擋層，第二腔室和第三腔室間設有第二阻擋層，第三腔室為半封閉；所述第一腔室的頂部設有第一泵氧電極，底部設有測試電極，第二腔室的頂部設有第二泵氧電極；所述空氣通道的頂部設有參比電極。