Materiais à base de Sr(Ti,Nb)O3 para sensores lambda

Abstract

Os sensores lambda resistivos possuem as vantagens de simplicidade e menor custo relativamente à utilização generalizada de sensores potenciométricos de oxigénio. Nesse sentido, os titanatos de estrôncio têm sido alvo de diversos estudos. Para a produção de uma relação inequívoca entre a condutividade destes materiais e a pressão parcial de oxigénio é necessária a adição de um dopante dador que suprime a condução eletrónica do tipo-p na região de pressões parciais de oxigénio próximas de ar. Contudo, a adição de um dopante dador produz respostas lentas destes materiais quando densos a variações da pressão parcial de oxigénio. Além da preparação usual dos pós por reação do estado sólido, foram preparadas diversas composições por mecanossíntese. Tal relaciona-se com o fato exaustivamente reportado de as amostras destes materiais, especialmente quando dopados com dadores, apresentarem comportamentos dependentes das condições de processamento. Teve ainda o intuito de avaliar a viabilidade da sua preparação por este método, e consequentemente verificar se este método de preparação, que presumivelmente produzirá pós com composição mais homogénea e mais reativos, permite alterar/manipular a resposta obtida por amostras com eles produzidas. Foram preparados diversos filmes, tipologia muito usada na produção de sensores resistivos, e amostras porosas com diversas composições à base de titanato de estrôncio produzidos com variadas condições de processamento. Foram realizadas diversas caracterizações sobre estes espécimes numa tentativa de melhor compreender as propriedades destes materiais e a dependência destas com parâmetros microestruturais como o tamanho de grão e a porosidade. Foi verificado que os exemplares de titanato de estrôncio não dopado, quer em filmes quer em amostras porosas, apresentam um comportamento elétrico semelhante ao apresentado por amostras densas deste material. Apurou-se ainda, que as suas características apresentam uma variação ténue com a alteração das condições de processamento. Já espécimes de titanato de estrôncio dopados com dador revelam uma forte dependência das suas propriedades com as condições de processamento utilizadas, nomeadamente, a temperatura de sinterização e o tempo de permanência a essa temperatura. Para o fabrico de sensores resistivos de oxigénio poderá ser preferível o recurso a amostras porosas pelo facto de mais facilmente se manipularem as suas características microestruturais e devido à exclusão dos problemas associados à interação entre o substrato de alumina e o filme. As composições não dopadas são as indicadas para esta função se a gama de pressões de oxigénio a avaliar for relativamente pouco extensa sendo aconselhadas as composições dopadas com dador se for pretendida uma medição da pressão parcial de oxigénio em zonas mais extensas correspondentes à queima com deficiência ou excesso de oxigénio. Mesmo em amostras de elevada porosidade poderá ocorrer resposta transiente do material dopado com dador.

Resistive lambda sensors offer the advantages of simplicity and lower cost relative to the widespread use of potentiometric oxygen sensors. In this respect, strontium titanate based materials have been the subject of several studies. To assess a clear relationship between the conductivity of these samples and oxygen partial pressure it is necessary to add a donor dopant to suppress the p-type electronic conduction in the region of oxygen partial pressure close to that of air. However, the addition of a donor dopant produces slow responses to variations in oxygen partial pressure in dense samples. As well as typical powder preparation by solid state reaction, various compositions were prepared by mechanosynthesis, due to extensive reports that have shown these materials to present behaviors that are dependent on processing conditions, especially when donor doped. The work aimed to evaluate the feasibility of preparation by this method and to verify whether this preparation route, which can produce highly reactive and homogenous powders, could allow modification / manipulation of the sample responses. Several films, of types commonly used in the production of resistive sensors, and porous samples were prepared from a range of compositions based on strontium titanate, as a function of processing conditions. Numerous characterizations were carried out in an attempt to better understand the materials properties and their dependence on microstructural parameters such as grain size and porosity. Undoped strontium titanate materials, either as porous samples or as porous films, were shown to exhibit electrical behaviors similar to that shown by thick samples of the same composition. Moreover, their characteristics were shown to not alter significantly with changing processing conditions. On the contrary, donor doped strontium titanate specimens exhibited strong property variations with respect to their processing conditions, in particular, the sintering temperature and dwell time at that temperature. For the manufacturing of resistive oxygen sensors it may be preferable to use porous samples, due to facilitated manipulation of their microstructural characteristics and avoidance of interaction between the alumina substrate and the film. The undoped compositions are noted to be suitable for this function if the analyzed range of oxygen pressures is relatively narrow, whereas the donor doped compositions are recommended for measurements of oxygen partial pressure over a wider range, such as those corresponding to combustion in conditions of oxygen deficiency or excess. It is further noted that transient responses of the donor doped material may even persist in samples of high porosity.