CN100487444C - 平板式氧传感器芯片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制汽车发动机中空燃比的平板式氧传感器芯片的制造方法，其工艺步骤是将钇掺杂氧化锆陶瓷粉制成流延浆料，通过流延工艺制成光洁平整的薄片，再由非接触切割机切成相应的传感片、加热片和中间片，在传感片内外印刷电极，在加热片上印上加热电阻，然后用叠层热压方式把三片压合成平板式氧传感器整体，经脱除有机物最后在1300℃～1500℃烧结而成。本发明的方法不仅提高了半成品和成品的成型精度，而且消除应力，避免翘曲，减少杂质污染，易于规模生产，降低成本，提高致密度和使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧传感器的制造方法，特别是涉及一种平板式氧传感器芯片的制造方法，平板式氧传感器应用于汽车发动机系统中，通过检测尾气氧含量反馈控制空燃比，从而减少尾气排放。
背景技术
汽车尾气排放对环境造成的污染是大气污染的主要来源，世界各国对此越来越重视，排放标准越来越提高，现在采取的降低汽车尾气污染的主要措施是用氧传感器来检测尾气氧含量以控制发动机的空燃比，在理论空燃比附近(14.6±0.2)发动机产生地尾气通过三元催化转化器能高效地转化为无害气体，最大限度地降低污染。目前汽车上采用的氧传感器有离子传导性氧浓差电池式氧化锆氧传感器和电子传导性半导体电阻式氧化钛氧传感器两种。氧化锆氧传感器可分为加热型和非加热型，加热型的又有管状和平板状两种之分。目前市面上所生产的大部分都是管状带加热棒的传感器，其缺点是加热棒和传感器不是一整体而是组装而成，工作过程中热效率不高，升温慢从而响应时间长，控制效果差。基于这种情况，有些单位先后研制加热器集成于一体的平板式氧传感器。和管状氧传感器工作原理一样，平板式氧传感器也是基于氧浓差电池的原理，在高温下，氧化锆是氧离子导体，高氧势一侧的氧以O2-经氧化锆中的氧空位向低氧势侧迁移形成离子电导，产生浓差电势。
在固体电解质两侧涂覆多孔铂电极，一侧作为测量电极，一侧作为参比电极，将其置于已启动的发动机排气管侧，这是周围空气与排放气体中的含氧量产生浓度差，而且由于铂的催化作用，在排气管内发生：CO+1/2O2→CO2，当浓混合燃烧所排放的废气与催化铂接触时，因为废气中残存的低浓度氧气与一氧化碳大致全部发生反应，铂表面的氧浓度为0，氧浓差变得非常大，由此产生1V左右的电动势。
当稀薄混合气燃烧时，因为排放气体中存在高浓度的氧气和低浓度的一氧化碳，即使全部反应，还是有多余的氧气存在，氧浓差很小，所以几乎不会产生电压。空燃比的变化引起氧电动势的变化以Nernst公式来表征：
平板式氧传感器主要是把传感器片、中间片和加热片制成密封式的一个整体，中间片含有一端封闭的空气通道。
目前平板式氧传感器通常的制造方法是：
1.以专利200420079906.9为代表，采用模具注射成型或干压方法制备传感器片、中间片和加热片的坯片。然后坯片置高温炉中烧结。在已烧制好的传感器薄片表面涂覆铂电极，在加热片上涂覆加热铂电阻，用密封胶把烧制好的传感器片、中间片和加热片结合在一起放入高温炉中烧结密封。
此方法的不足之处是：坯片太脆，成品率低，烧结易变形，密封困难，而且其耐震性和耐热冲击性都很差，所以是一种成本很高而性能较差的制造方法。
2.以专利200610027667.6为代表，采用轧膜成型方法制备传感器片、中间片和加热片的基片。然后在冲压机上冲成坯片，坯片金属化处理，整体制作，排粘烧结。
此方法的不足之处是：轧膜成型容易引入杂质，同时所成型基片的应力较大，厚度均匀性较差，气泡较多，致密性较差。另外在冲压机上冲成坯片也容易引入新的应力，这些应力会导致最终烧结发生变形的几率增加，密封困难，成品率低。
发明内容
本发明的目的是改变现有技术中平板式氧传感器制造方法的缺点，提供一种工艺流程简单，易于控制，成本低，性能更好，成品率更高的平板式氧传感器芯片的制造方法。
本发明是这样实现的：
一种平板式氧传感器芯片的制造方法，氧传感器结构包括传感器片、中间片和加热片，依次叠层热压制作成一整体，其制作工艺步骤包括：A、制备流延浆料：将制备传感器片、中间片和加热片的基材钇掺杂氧化锆陶瓷粉中加入占陶瓷粉重量0～2％的分散剂、5～8％粘合剂、0～3％的塑化剂和0～3％的润滑剂，在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料；B、流延：将流延浆料在流延机上经刮刀在衬带上刮成厚度均匀的膜片，在常温下干燥后脱膜；C、各坯片的制成：用激光或水刀把上述膜片切割成传感器坯片、中间坯片和加热坯片；D、在传感器坯片上印涂内外电极且在外电极的工作区印上保护层，在加热坯片上内表面依次印涂绝缘层、加热电阻和绝缘层，内电极和加热电阻的都通过小孔与外层的引脚相连接；E、将传感器坯片、中间坯片和加热坯片依次定位三层叠层热压成叠压坯片或氧传感器坯；F、对于含有一套以上氧传感器坯的叠压坯片用激光或水刀分剪裁成成氧传感器坯；G、将氧传感器坯脱除有机物并烧结而得氧传感器芯片。
所述粘合剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛或乙基纤维素。
所述叠层热压成整体的过程是在中间片两面印涂高温下能烧结的陶瓷粉浆料，陶瓷粉为钇掺杂氧化锆陶瓷粉或含氧化铝80～99％的陶瓷粉，然后在定位模具依次将传感器坯片、中间坯片和加热坯片定位，对齐、预压，然后整片放入层压机中，在3～10Kg/cm2的压力下，温度保持70～90℃平压1～20分钟得叠压坯片或氧传感器坯。
所述氧传感器坯烧结之前先脱除有机物，脱除有机物升温速度控制在0.2～1.0℃/min，且温度控制在在200℃～800℃，烧结温度控制在1300℃～1500℃。
采用现有制造方法，工艺不易控制，成本高而成品率低，产品质量很难达到要求。而采用本发明的制造方法，工艺流程简单、容易控制，具有以下几个优点：
1.本发明是陶瓷粉制成流延浆料，通过流延制成平整均匀的基片，由于成型粘度比轧膜小，易于刮平和流平，基片质量更加平整光滑，成型应力小，不担心残余应力对后工序造成影响。
2.本发明采用激光或水刀非接触切割方式而不是机械冲压把基片切成传感器片、中间片和加热片，其优点是可以任意设计形状，成型快速而不产生应力，坯片质量高。
3.本发明采用温度较低的整体烧结，可以兼顾电极的活性和陶瓷片的质量，从而使整体性能提高。
4.本发明在整体叠压时在中间片两面印涂上在高温下能烧结的陶瓷粉浆料，可以可靠解决叠压和密封，提高产品合格率。
附图说明
图1是本发明平板式汽车氧传感器分层结构示意图。
图2是本发明平板式汽车氧传感器芯片制作工艺流程图。
图3是本发明平板式汽车氧传感器整体烧结升温曲线图。
在图1中：1-保护层；2-外铂电极；3-传感器片；4-内铂电极；5-含空气通道的中间片；6-绝缘层；7-加热铂电阻；8-内外铂电极引脚；9-加热片；10-加热电阻引脚。
具体实施方式
本发明采用平板式坯片叠层整体烧结为成品，具体操作方法为：
实施例1
1.制备流延浆料：将制备传感器片、中间片和加热片的基材钇掺杂氧化锆粉料200克放入球磨罐中，先加入120毫升的乙醇球磨，然后加入14克聚乙烯醇缩丁醛作为粘结剂，继续球磨，当混合物达到500～4000mPa.s的粘度时，即成流延浆料；
2.流延：将第一步制得的流延浆料在流延机上经刮刀在衬带上刮成厚度均匀的膜片，流延厚度的调节由刮刀高度、走带速度和浆料粘度控制，刮刀高度由置于刮刀架上的百分尺调节，膜片干燥速度受温度和膜片中有机溶剂含量的影响，一般在室温下干燥，在冬天可以控制在30℃下加热干燥，膜片干燥后即可脱膜，为便于脱模常在衬带上涂一些脱膜剂；
3.各坯片的制成：用激光也可用水刀把上述膜片切割成传感器片、中间片和加热片，激光或水刀设备可以程序控制，把要切割的形状尺寸输入控制电脑中即可按缩设计的尺寸把膜片切割成所需的形状，还包括打孔，切割过程效率高不产生应力，如发现有未切断处时可以重复切割，重复精度高不会偏离原来的切口；
4.印涂电极、加热电阻、绝缘层和保护层：在丝网印刷机上，在传感器片上印涂内外铂电极且在外电极的工作区印上保护层，在加热片上内表面依次印涂绝缘层、加热铂电阻和绝缘层，内铂电极和加热铂电阻的都通过小孔与外层的引脚相连，印刷的图案设计成如图1所示的相应形状，由专业公司制版即可，内铂电极和加热铂电阻都通过小孔与外面的引脚相连，便于与控制系统的卡式接头接通，加热铂电阻与加热片和中间片之间都用绝缘层隔开，防止加热电流对测量信号的影响。
5.叠压坯片或氧传感器坯制作：将印涂好的传感器片和加热片置于中间片上下依次定位三层叠层热压成整体，叠层前先将加热片的里面和中间片上与传感器片接触的那一面涂上钇掺杂氧化锆陶瓷粉制成的浆料，也可以直接在中间片两面涂上这种浆料，然后定位、叠层、预压，在放入层压机中热压，热压压力控制在3～10Kg/cm2，温度保持70～90℃平压1～20分钟，取出，成为一个整体；含有一套以上的氧传感器坯称为叠压坯片，如果第3步中制成的各坯片中只含有单套的传感器片、中间片和加热片，三层叠层热压制成的只是单套的氧传感器坯，不需要第6步的切分，直接进入第7步；
6.切分：为了提高效率，通常各坯片集成了4片传感器片、4片中间片和4片加热片，叠层热压后就是4套传感器坯，采用非接触切割设备激光也可以水刀把它们分成单套传感器坯，这时一次切开三层比较困难，可以多次重复切割把4套分开，这样不会给叠压的坯片造成损伤；
7.脱除有机物和烧结：按照图3所示的升温曲线将切分后的氧传感器坯片置于程控烧结炉中进行脱除有机物和烧结，烧结之前先脱除有机物，脱除有机物升温速度控制在0.2～1.0℃/min，温度区间在200℃～800℃，烧结温度控制在1300℃～1500℃。脱除有机物时升温速度不能太快，否则传感器坯片易变形或破裂；烧结阶段的烧结温度也不能太高，否则会降低铂电极的活性，影响使用性能。
实施例2
1、制备流延浆料：将制备传感器片、中间片和加热片的基材钇掺杂氧化锆粉料200克放入球磨罐中，先加入120毫升的二甲苯和3克三乙醇胺作分散剂球磨，然后加入16克聚乙烯醇作为粘结剂；
其余步骤与实施例1相同。
实施例3
1、制备流延浆料：将制备传感器片、中间片和加热片的基材钇掺杂氧化锆粉料200克放入球磨罐中，先加入120毫升的甲苯和3克鱼油作分散剂球磨，然后加入10克乙基纤维素作为粘结剂，加入5克邻苯二甲酸丁苄脂和5克聚乙二醇分别作塑化剂和润滑剂继续球磨，当混合物达到500～4000mPa.s的粘度，即成流延浆料；
其余步骤与实施例1相同。
实施例4
5.叠压坯片或氧传感器坯制作：将印涂好的传感器片和加热片置于中间片上下依次定位三层叠层热压成整体，叠层前先将加热片的里面和中间片上与传感器片接触的那一面涂上含氧化铝80～99％的陶瓷粉制成的浆料，也可以直接在中间片两面涂上这种浆料。
其余步骤与实施例1相同。
用本发明实施例1所制得的平板式氧传感器芯片的性能测试
(一)传感器芯片电性能测试
1.对传感器芯片加热铂电阻进行测试，测试方法如下：
先用万用表通过引脚测试加热铂电阻的常温电阻值，然后将引脚接通在12V的直流电源上，用热电偶通过中间片内的空气通道探测发热温度，直到温度显示屏数字不再升高，用秒表记下所用时间，断开电源立即用万用表侧加热铂电阻的阻值并与这时所显示温度同步记录。反复进行多次，测试结果如表1所示：
表1
2.对传感器芯片在模拟汽车尾气环境中的电信号变化进行测试，测试方法如下：
将所测氧传感器芯片装配好后置于模拟发动机排气口，开启模拟发动机，打开阀门使燃烧气体和空气进入燃烧室，对燃烧室进行点火燃烧。检测排气口尾气温度，当达到350℃时，用示波器测试氧传感器芯片信号输出端电压，调节阀门减少和增加空燃比，观察示波器波形的变化；结果如表2所示，测试结果良好。
表2
(二)传感器芯片机械性能测试
通过对传感器芯片的抗弯强度试验；尾气密封程度试验；防水试验；振动试验，测试结果均合格。
(三)传感器芯片温度性能测试
通过对传感器芯片的热循环试验、热循环冲击试验，测试结果均合格，高温和低温存放试验其电性能和机械性能没有显著变化。
测试结果分析及结论
目前平板式汽车氧传感器芯片还没有国家标准，通过对测试结果数据分析，采用本发明的制造方法可以满足作为汽车尾气氧传感器的各种使用要求。本发明在制造过程中工艺流程简单，成本低，生产效率高，一次性成品合格率高，更容易达到使用要求。
Claims (1)
1、一种平板式氧传感器芯片的制造方法，氧传感器结构包括传感器片、中间片和加热片，依次叠层热压制作成一整体，其制作工艺步骤包括：A、制备流延浆料：将制备传感器片、中间片和加热片的基材钇掺杂氧化锆陶瓷粉中加入占陶瓷粉重量0～2％的分散剂、5～8％粘合剂、0～3％的塑化剂和0～3％的润滑剂，所述粘合剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛或乙基纤维素，所述分散剂为三乙醇胺或鱼油，所述塑化剂为邻苯二甲酸丁苄脂，所述润滑剂为聚乙二醇，在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料；B、流延：将流延浆料在流延机上经刮刀在衬带上刮成厚度均匀的膜片，在常温下干燥后脱膜；C、各坯片的制成：用激光或水刀把上述膜片切割成传感器坯片、中间坯片和加热坯片；D、在传感器坯片上印涂内外电极且在外电极的工作区印上保护层，在加热坯片上内表面依次印涂绝缘层、加热电阻和绝缘层，内电极和加热电阻的都通过小孔与外层的引脚相连接；E、将传感器坯片、中间坯片和加热坯片依次定位三层叠层热压成叠压坯片或氧传感器坯，所述叠层热压成整体的过程是在中间片两面印涂高温下能烧结的陶瓷粉浆料，陶瓷粉为钇掺杂氧化锆陶瓷粉或含氧化铝80～99％的陶瓷粉，然后在定位模具依次将传感器坯片、中间坯片和加热坯片定位，对齐、预压，然后整片放入层压机中，在3～10Kg/cm2的压力下，温度保持70～90℃平压1～20分钟得叠压坯片或氧传感器坯；F、对于含有一套以上氧传感器坯的叠压坯片用激光或水刀分剪裁成成氧传感器坯；G、将氧传感器坯脱除有机物并烧结而得氧传感器芯片，所述氧传感器坯烧结之前先脱除有机物，脱除有机物升温速度控制在0.2～1.0℃/min，且温度控制在在200℃～800℃，烧结温度控制在1300℃～1500℃。
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