CN101806768A - 集成片式氧传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氧化锆传感器用集成芯片技术领域，尤其是一种集成片式氧传感器及其制作方法。该传感器包括氧化锆基体，氧化锆基体由上层氧化锆基板和下层氧化锆基板构成，上层氧化锆基板的外表面带有测量电极，上层氧化锆基板的内表面带有参比电极和狭长缝隙，下层氧化锆基板的内表面直接和狭长缝隙接触，下层氧化锆基板的外表面上覆盖氧化铝陶瓷绝缘层，氧化铝陶瓷绝缘层直接和铂加热元件集成在一起，加热电极片和铂加热元件在氧化锆基体的外表面上直接连接在一起，氧化锆基体的最外层设有多孔陶瓷保护层。本发明提供的氧传感器仅有两层氧化锆基片，并集成加热元件，厚度很薄，同时其制备工序简单，生产效率很高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及氧化锆传感器用集成芯片技术领域，尤其是一种集成片式氧传感器及其制作方法。
背景技术
随着汽车排放法规的日益提高，对废气排放控制要求也越来越高，为此汽车发动机需要更短的冷启动时间来满足要求。同时考虑能源节省的需要，一种集成度高、体积小、消耗功率小、启动速度快的片式氧传感器成为一种趋势，以满足发动机电喷系统冷启动后尽可能快速进入闭环控制的要求，同时降低氧传感器的电能消耗。
目前已有的片式传感器结构如图1(a)、(b)和(c)。该结构主要由3层氧化锆基板和若干功能厚膜层组成，氧化锆基板主要通过流延或者轧膜的方法成型，而厚膜功能层主要通过丝网印刷技术获得。氧传感器的测量电极2和参比电极3分别形成于a基板41的内外表面上，通过冲压成型将b基板42的中部冲开一道狭长的口子，以便形成参比空气通道5；而由陶瓷绝缘层6包裹的铂加热元件7配置在底部c基板43的内表面上，还要在c基板43的末端打两个通孔9将内表面的加热元件同外表面末端的加热电极片连接起来，这样就构成了敏感元件和加热元件集成一体的片式氧传感器结构。但该结构厚度厚、体积大、制作工序复杂，且加热元件以包裹形式植于传感器内部，稳定性比较差，且容易漏电。
虽然专利03136011.4提出了更小的一种结构，但主要是在宽度方面减少，而且其结构至少也要3层来构建，工序也更为复杂。
发明内容
为了克服现有的氧传感器结构复杂，工序多的不足，本发明提供了一种集成片式氧传感器及其制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种集成片式氧传感器，该传感器包括氧化锆基体，氧化锆基体由上层氧化锆基板和下层氧化锆基板构成，上层氧化锆基板的外表面带有测量电极，上层氧化锆基板的内表面带有参比电极和狭长缝隙，下层氧化锆基板的内表面直接和狭长缝隙接触，下层氧化锆基板的外表面上覆盖氧化铝陶瓷绝缘层，氧化铝陶瓷绝缘层直接和铂加热元件集成在一起，加热电极片和铂加热元件在氧化锆基体的外表面上直接连接在一起，氧化锆基体的最外层设有多孔陶瓷保护层。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括狭长缝隙为15微米到50微米厚。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括上层氧化锆基板的内表面通过电极连接通孔和外表面的内电极连接片相连。
一种集成片式氧传感器的制作方法，包括以下步骤：
第一步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)以70～86∶6～12∶4～9∶4～9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即上层氧化锆基板；然后将含有70％～90％铂粉的电极浆料和导电浆料印刷在上层氧化锆基板的内外表面，形成测量电极和参比电极；内表面电极通过上层氧化锆基板末端冲压形成的电极连接通孔与外表面的内电极连接片相连；
第二步，将石墨粉、PVB、松油醇和柔软剂以30～46∶20～30∶16～24∶10～24的质量比混合充分，形成可丝网印刷浆料，并将该浆料印刷并覆盖在内电极表面上；该参比空气扩散缝隙印刷层宽度要介于上层氧化锆基板和参比电极宽度之间，厚度要达到15到50微米，烧结后就会形成狭长缝隙。
第三步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)以70～86∶6～12∶4～9∶4～9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即下层氧化锆基板；将含有纯度达到97％以上的氧化铝粉末的浆料印刷在下层氧化锆基板的外表面，制备氧化铝陶瓷绝缘层；然后将含有铂粉的导电浆料印刷在该氧化铝陶瓷绝缘层上，并一次印刷形成铂加热元件和加热电极片。
第四步，接下来，用含有氧化锆粉的粘合剂将上层氧化锆基板和下层氧化锆基板层叠在一起，加热至40～60度同时压紧密实，再将测量电极端浸入含有镁铝尖晶石的浆料中提拉，形成包裹一体的多孔陶瓷保护层。
第五步，合并包裹成一体的生坯在1300～1500度高温烧结1～3个小时，制备出集成片式氧传感器。
本发明的有益效果是，本发明提供的集成片式氧传感器厚度薄，体积小。该氧传感器仅有两层氧化锆基片，并集成加热元件，厚度很薄，不到1mm，启动速度比现有的片式传感器提升很大，同时其制备工序简单，生产效率很高，稳定性好。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1中，图(a)现有的片式传感器解剖图；(b)和(c)是现有的片式传感器平面图；
图2中，图(a)本发明集成片式氧传感器的剖视图；图(b)是本发明集成片式氧传感器的平面图；
图3是本发明集成片式氧传感器的分解图。
图中1.氧化锆基体，2.测量电极，3.参比电极，41.a基板，42.b基板，43.c基板，5.空气通道，6.陶瓷绝缘层，7.铂加热元件，8.陶瓷覆盖层，9.通孔，10.加热电极片，11.上层氧化锆基板，12.测量电极，13.参比电极，14.狭长缝隙，15.下层氧化锆基板，16.氧化铝陶瓷绝缘层，18.多孔陶瓷保护层，19.内电极连接片，20.电极连接通孔，21.参比空气扩散缝隙印刷层，23.铂加热元件，24.加热电极片。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图2是本发明的结构示意图，一种集成片式氧传感器，一种集成片式氧传感器，包括氧化锆基体1、上层氧化锆基板11、下层氧化锆基板15、测量电极12、参比电极13、狭长缝隙14、氧化铝陶瓷绝缘层16、多孔陶瓷保护层18、内电极连接片19、铂加热元件23、加热电极片24和电极连接通孔20。
一种集成片式氧传感器，该传感器包括氧化锆基体1，氧化锆基体1由上层氧化锆基板11和下层氧化锆基板15构成，上层氧化锆基板11的外表面带有测量电极12，上层氧化锆基板11的内表面带有参比电极13和狭长缝隙14，下层氧化锆基板15的内表面直接和狭长缝隙14接触，下层氧化锆基板15的外表面上覆盖氧化铝陶瓷绝缘层16，氧化铝陶瓷绝缘层16直接和铂加热元件23集成在一起，加热电极片24和铂加热元件23在氧化锆基体1的外表面上直接连接在一起，氧化锆基体1的最外层设有多孔陶瓷保护层18。
所述狭长缝隙14为15微米到50微米厚。
所述上层氧化锆基板11的内表面通过电极连接通孔20和外表面的内电极连接片19相连。
一种集成片式氧传感器的制作方法，包括以下步骤：
第一步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)以70～86∶6～12∶4～9∶4～9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即上层氧化锆基板11；然后将含有70％～90％铂粉的电极浆料和导电浆料印刷在上层氧化锆基板11的内外表面，形成测量电极12和参比电极13；内表面电极通过上层氧化锆基板11末端冲压形成的电极连接通孔20与外表面的内电极连接片19相连；
第二步，将石墨粉、PVB、松油醇和柔软剂以30～46∶20～30∶16～24∶10～24的质量比混合充分，形成可丝网印刷浆料，并将该浆料印刷并覆盖在内电极表面上；该参比空气扩散缝隙印刷层21宽度要介于上层氧化锆基板11和参比电极13宽度之间，厚度要达到15到50微米，烧结后就会形成狭长缝隙14。
第三步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)以70～86∶6～12∶4～9∶4～9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即下层氧化锆基板15；将含有纯度达到97％以上的氧化铝粉末的浆料印刷在下层氧化锆基板15的外表面，制备氧化铝陶瓷绝缘层22；然后将含有铂粉的导电浆料印刷在该氧化铝陶瓷绝缘层22上，并一次印刷形成铂加热元件23和加热电极片24。
第四步，接下来，用含有氧化锆粉的粘合剂将上层氧化锆基板11和下层氧化锆基板15层叠在一起，加热至40～60度同时压紧密实，再将测量电极13端浸入含有镁铝尖晶石的浆料中提拉，形成包裹一体的多孔陶瓷保护层18。
第五步，合并包裹成一体的生坯在1300～1500度高温烧结1～3个小时，制备出集成片式氧传感器。
由此，本发明的目的是提供一种厚度在1mm以内、只有两层氧化锆基板构建而成的更薄更小的集成片式氧传感器，以获得更好的气体响应性能。
在研究以上问题的过程中，由于浓差电池型氧传感器在工作过程中内部基本没有电流或者仅有微安级电流通过，因此参比电极一侧的参比气体是基本不消耗氧的，那么对连接参比电极和空气的参比通道来说，只要能够通过扩散进入空气，就可以保证参比气体的稳定。
如图2中，图(a)本发明集成片式氧传感器的剖视图；图(b)是本发明集成片式氧传感器的平面图，本发明提供一种集成片式氧传感器，通过降低中间参孔气道的高度，继而用一种特殊材料制备的印刷层来替代带有参孔气道的基板，从而大大降低传感器的厚度。如图2(a)所示，该氧传感器主要有两层氧化锆基板构建而成，并集成了敏感元件和加热元件。在上层氧化锆基板11的外表面带有测量电极12，重要的是上层氧化锆基板11的内表面除了带有参比电极13以外，还带有15微米到50微米厚的狭长缝隙14，该缝隙足够扩散空气，同时可以直接通过厚膜丝网印刷技术将石墨粉、PVB、松油醇和柔软剂混合浆料上去，再经过高温烧结，印刷层的物料成分挥发后自然形成。下层氧化锆基板15内表面直接跟狭长缝隙14接触，外表面上用丝网印刷技术覆盖氧化铝陶瓷绝缘层16后，直接将铂加热元件23集成在一起。由于铂加热元件23集成在氧化锆基体1的外表面，所以其加热电极片24可以跟铂加热元件23在一个平面上直接连接在一起，不用打通孔从内表面引出。最外的多孔陶瓷保护层18是通过提拉方法获得的，将整个氧传感器测量端包裹起来。
本发明提供的集成片式氧传感器厚度薄，体积小，制备简单，稳定性高。通过实验证实，其启动时间可以达到10秒以内。
实施例
下面结合分解图3详细叙述本发明氧传感器的制作过程。
第一步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)以80∶10∶5∶5的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即上层氧化锆基板11；然后将含有70％～90％铂粉的电极浆料和导电浆料印刷在上层氧化锆基板11的内外表面，形成测量电极12和参比电极13；内表面电极通过上层氧化锆基板11末端冲压形成的电极连接通孔20与外表面的内电极连接片19相连；
第二步，将石墨粉、PVB、松油醇和柔软剂以40∶24∶20∶16的质量比混合充分，形成可丝网印刷浆料，并将该浆料印刷并覆盖在内电极表面上；该参比空气扩散缝隙印刷层21宽度要介于上层氧化锆基板11和参比电极13宽度之间，厚度要达到15到50微米，烧结后就会形成狭长缝隙14。
第三步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)以80∶10∶5∶5的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即下层氧化锆基板15；将含有纯度达到97％以上的氧化铝粉末的浆料印刷在下层氧化锆基板15的外表面，制备氧化铝陶瓷绝缘层22；然后将含有铂粉的导电浆料印刷在该氧化铝陶瓷绝缘层22上，并一次印刷形成铂加热元件23和加热电极片24。
第四步，接下来，用含有氧化锆粉的粘合剂将上层氧化锆基板11和下层氧化锆基板15层叠在一起，加热至50度同时压紧密实，再将测量电极13端浸入含有镁铝尖晶石的浆料中提拉，形成包裹一体的多孔陶瓷保护层18。
第五步，合并包裹成一体的生坯在1300～1500度高温烧结2个小时，制备出集成片式氧传感器。
该氧传感器仅有两层氧化锆基片，并集成加热元件，厚度很薄，不到1mm，启动速度比现有的片式传感器提升很大，可以满足欧3、欧4或更高的排放法规要求。同时其制备工序简单，生产效率很高，稳定性好。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种集成片式氧传感器，该传感器包括氧化锆基体(1)，其特征是，氧化锆基体(1)由上层氧化锆基板(11)和下层氧化锆基板(15)构成，上层氧化锆基板(11)的外表面带有测量电极(12)，上层氧化锆基板(11)的内表面带有参比电极(13)和狭长缝隙(14)，下层氧化锆基板(15)的内表面直接和狭长缝隙(14)接触，下层氧化锆基板(15)的外表面上覆盖氧化铝陶瓷绝缘层(16)，氧化铝陶瓷绝缘层(16)直接和铂加热元件(23)集成在一起，加热电极片(24)和铂加热元件(23)在氧化锆基体(1)的外表面上直接连接在一起，氧化锆基体(1)的最外层设有多孔陶瓷保护层(18)。
2.根据权利要求1所述的集成片式氧传感器，其特征是，所述狭长缝隙(14)为15微米到50微米厚。
3.根据权利要求1所述的集成片式氧传感器，其特征是，所述上层氧化锆基板(11)的内表面通过电极连接通孔(20)和外表面的内电极连接片(19)相连。
4.一种集成片式氧传感器的制作方法，其特征是：包括以下步骤：
第一步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)以70～86∶6～12∶4～9∶4～9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即上层氧化锆基板(11)；然后将含有70％～90％铂粉的电极浆料和导电浆料印刷在上层氧化锆基板(11)的内外表面，形成测量电极(12)和参比电极(13)；内表面电极通过上层氧化锆基板(11)末端冲压形成的电极连接通孔(20)与外表面的内电极连接片(19)相连；
第二步，将石墨粉、PVB、松油醇和柔软剂以30～46∶20～30∶16～24∶10～24的质量比混合充分，形成可丝网印刷浆料，并将该浆料印刷并覆盖在内电极表面上；该参比空气扩散缝隙印刷层(21)宽度要介于上层氧化锆基板(11)和参比电极(13)宽度之间，厚度要达到15到50微米，烧结后就会形成狭长缝隙(14)；
第三步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)以70～86∶6～12∶4～9∶4～9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即下层氧化锆基板(15)；将含有纯度达到97％以上的氧化铝粉末的浆料印刷在下层氧化锆基板(15)的外表面，制备氧化铝陶瓷绝缘层(22)；然后将含有铂粉的导电浆料印刷在该氧化铝陶瓷绝缘层(22)上，并一次印刷形成铂加热元件(23)和加热电极片(24)；
第四步，接下来，用含有氧化锆粉的粘合剂将上层氧化锆基板(11)和下层氧化锆基板(15)层叠在一起，加热至40～60度同时压紧密实，再将测量电极(13)端浸入含有镁铝尖晶石的浆料中提拉，形成包裹一体的多孔陶瓷保护层(18)；
第五步，合并包裹成一体的生坯在1300～1500度高温烧结1～3个小时，制备出集成片式氧传感器。
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