CN102478538A - 一种片式氧传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种片式氧传感器，所述片式氧传感从下至上依次包括加热层、参比气层和传感层；其特征在于，所述参比气层上具有通孔，加热层、参比气层与传感层在通孔处形成密闭的参比腔。本发明的片式氧传感器，通过在参比气层上设置通孔，提高了参比气层与上下层的结合面积，能有效提高产品良品率；另外，传感层、参比气层与加热层叠压形成密闭的参比腔，片式氧传感器输出的电压信号稳定。

Description

一种片式氧传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种片式氧传感器及其制备方法。

背景技术

汽车氧传感器是将燃烧后的气体情况实时反馈给发动机控制单元（ECU）的一个关键元件，而发动机电控喷射系统则依据氧传感器提供的信号精确控制空燃比。由于混合气的空燃比一旦偏离理论值，三元催化剂的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，检测排气中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU 控制喷油器喷油量的增减，从而调整混合气的空燃比（A/F，空气与汽油的质量比）在理论值附近。现有的汽车氧传感器主要分为片式氧传感器和管式氧传感器，其中片式汽车氧传感新发展的一种氧传感器，它具有加热快、响应时间短等优点。

现有技术中的片式氧传感器，一般为多层叠层结构，如图1所示，下方为加热体，包括加热器基体8′和加热器基体8′上的绝缘层6′，绝缘层6′内夹持有加热电池7′；上方为测氧体，测氧体从下至上包括参比气基片5′、参比电极4′、氧化锆基体3′、测试电极2′和多孔保护层1′；参比气基片5′上具有U形空气槽51′作为参比气通道，空气槽的开口端为片式氧传感器尾端，使空气槽内与大气连通，从而通过参比电极测试大气中的氧含量。但是由于U形空气槽的存在，多层叠层结构在热压、烧结时会内部凹陷，生坯产生裂纹、变形等缺陷，使得烧结后的片式氧传感器产品失效，降低产品的良品率；另外，参比电极直接测试空气中的氧含量，导致氧传感器输出的电压信号不稳定。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的片式氧传感器制备过程中U形空气槽的存在导致氧传感器良品率低、氧传感器输出电压信号不稳定的技术问题。

本发明提供一种片式氧传感器，所述片式氧传感从下至上依次包括加热层、参比气层和传感层；所述参比气层上具有通孔，加热层、参比气层与传感层在通孔处形成密闭的参比腔。

本发明还提供了一种片式氧传感器的制备方法，包括先在参比气层上切割通孔，然后将加热层、参比气层和传感层按从下至上的顺序叠加，热压、烧结，在通孔处形成密闭的参比腔，得到所述片式氧传感器。

本发明提供的片式氧传感器，通过在参比气层上设置通孔，提高了参比气层与上下层的结合面积，在多层叠层热压烧结时氧传感器的不易产生变形，从而提高产品良品率；另外，传感层、参比气层与加热层叠压形成参比腔，密闭的参比腔内气压稳定，氧传感器测得的信号稳定，引出输出的电压信号稳定。   

具体实施方式

本发明提供了一种片式氧传感器，如图2所示，所述片式氧传感从下至上依次包括加热层、参比气层5和传感层；所述参比气层5上具有通孔，加热层、参比气层与传感层在通孔处形成密闭的参比腔51。

本发明的发明人通过大量实验发现，在参比气层上设置通孔，通过上层的传感层与下层的加热层，在通孔处围成密闭的参比腔，一方面可有效提高参比气层与上、下层的接触面积，提高产品的良品率；另一方面，参比腔内为密闭空间，氧传感器开始工作，会消耗掉原来存在于参比腔内的空气，使参比腔内形成稳定的无氧状态 ，因此参比电极测试的信号稳定，氧传感器输出的电压信号也稳定。

本发明的片式氧传感器，在开始工作后，由于参比腔内的氧气被消耗完毕，使得以后参比腔内为无氧状态，即参比腔内的氧分压低于测试电极所测量的汽车尾气中的氧分压，因此采用本发明的片式氧传感器测得的电压信号与现有技术中的氧传感器的电压信号不同；但是本发明的片式氧传感器测得的信号也是随汽车尾气中氧含量的变化而变化，因此也能准确及时反映汽车尾气中的氧气含量变化。

作为本发明的优选实施方式，所述通孔的面积可为参比气层总面积的5-10%，从而保证参比气层与传感层、加热层有足够的接触面积，在热压、烧结时不会产生分层、翘曲现象，从而进一步提高产品的良品率，也能提高片式氧传感器的密封性和抗热震性。本发明中，所述参比气层的面积包括通孔的面积在内。

如图2所示，作为本领域技术人员的公知常识，所述传感层包括氧化锆敏感基体3和分别位于氧化锆敏感基体上、下表面的测试电极2、参比电极4。所述参比电极4位于本发明的参比气层的通孔内，用于测试参比腔51内的氧分压信号。本发明中，参比腔51的形状与参比电极4的形状匹配。 

所述传感层上方还设有多孔保护层1，多孔保护层1覆盖于测试电极2上方，用于防止测试电极2中毒。所述多孔保护层的材料为本领域技术人员所公知，一般采用铝尖晶石微粉，该铝尖晶石微粉为本领域的技术人员公知的用于制备氧传感器的多孔保护层的材料，可商购。

本发明的加热层为现有技术中常用的各种加热层，具体地，所述加热层包括加热器基体8和加热器基体8上的绝缘层6，绝缘层6内夹持有加热电极7。

本发明中，加热层、参比气层和传感层的材料为本领域技术人员所公知。例如，参比气层、传感层的氧化锆敏感基体、加热层的加热器基体均可采用氧化锆薄片，传感层的测试电极、参比电极以及加热层的加热电极均为铂电极。

本发明中，对加热层、参比气层和传感层的厚度没有特殊限定，在本领域技术人员的常用范围内即可。例如，加热层的厚度为110-200μm，参比气层的厚度为110-180μm，氧化锆敏感基体的厚度为110-180μm。

本发明还提供了一种片式氧传感器的制备方法，包括先在参比气层上切割通孔，然后将加热层、参比气层和传感层按从下至上的顺序叠加，热压、烧结，在通孔处形成密闭的参比腔，得到所述片式氧传感器。

具体地 ，包括以下步骤：

1）取一加热器基片，在加热器基片上依次印刷绝缘层浆料、电极浆料、绝缘层浆料，烘干，在加热器基片上形成绝缘层，得到加热层； 

2）在氧化锆敏感基体的两侧分别印刷电极浆料，烘干，在氧化锆敏感基体两侧形成电极；然后在一侧的电极上印刷多孔保护层，烘干形成表面覆盖有多孔保护层的传感层；

3）将加热层的绝缘层的一面朝上，表面覆盖有多孔保护层的传感层的多孔保护层的一面朝上，将加热层、参比气层、表面覆盖有多孔保护层的传感层从下到上依次叠加，将叠层热压、共烧得到片式氧传感器。

根据本发明提供的制备方法，制备所述参比气层的方法为在参比气基片上切割通孔，切割的方式可为激光切割或冲切。

本发明中，加热器基片、参比气基片和氧化锆敏感基体均为氧化锆流延基片，更优选为5%摩尔氧化钇稳定的氧化锆流延基片。

所述电极浆料为本领域技术人员常用的电极浆料，例如可以为在铂粉中加入氧化铝和氧化锆微粉制成的纯铂浆料。所述纯铂浆料中还可以含有鱼油、三油酸甘油酯、蓖麻油中的一种或多种。在氧化锆敏感基体的两侧印刷电极浆料的方法，可以采用厚膜丝网印刷方法。

所述绝缘层浆料为本领域技术人员常用的氧化铝浆料。所述氧化铝浆料包括氧化铝粉末和有机体系，所述有机体系中含有粘结剂、分散剂、增塑剂和溶剂。所述粘结剂为本领域的技术人员常见的粘结剂，如粘结剂乙基纤维素和/或聚乙烯醇缩丁醛。所述的分散剂为本领域的技术人员常见的分散剂，如聚羧酸铵盐。增塑剂为本领域的技术人员常见的增塑剂，如邻苯二甲酸二丁酯和/或聚乙二醇。所述溶剂为本领域的技术人员常见的有机溶剂，如松油醇、酒精、二甲苯中的一种或多种。所述涂覆绝缘层浆料的方法可以采用厚膜丝网印刷技术。

所述的多孔保护层的材料一般为铝尖晶石微粉，该铝尖晶石微粉为本领域的技术人员公知的用于制备氧传感器的多孔保护层的材料，可商购。

本发明中，通过将各叠层热压、烧结即可制得所述片式氧传感器。热压的条件包括热压温度为50-100℃，热压压力为25-50Mpa。共烧的条件包括共烧温度为1400-1500℃，共烧时间为1-3h。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

（1）原料配制：

绝缘层浆料：氧化铝75重量份，氧化硅3重量份，氧化镁5重量份，松油醇15重量份，乙基纤维素2重量份。   

电极浆料： Pt粉81重量份，氧化铝2重量份，氧化锆2重量份，松油醇10重量份，乙基纤维素5重量份。   

多孔保护层浆料：54重量份镁铝尖晶石、30重量份氧化铝、8重量份松油醇，2重量份乙基纤维素，6重量份造孔剂。   

（2）在氧化锆流延片上依次印刷绝缘层浆料、电极浆料、绝缘层浆料，烘干得到加热层。   

（3）在氧化锆流延片上切割通孔，通孔的面积占参比气层总面积的8%，得到参比气层。    

（4）在氧化锆流延片的两面分别印刷电极浆料，在氧化锆两面形成电极，在一面的电极上继续印刷多孔保护层，烘干得到表面覆盖有多孔保护层的传感层。   

（5）将加热层的绝缘层的一面朝上，表面覆盖有多孔保护层的传感层的多孔保护层的一面朝上，将加热层、参比气层、表面覆盖有多孔保护层的传感层从下到上依次叠放，60℃以30MPa的压力对叠层进行热压，然后1450℃下共烧3h，得到本实施例的片式氧传感器，记为S1。

实施例2

采用与实施例1相同的方法制备本实施例的片式氧传感器芯片S2，不同之处在于：

步骤（3）中，通孔的面积占参比气层总面积的5%。

实施例3

采用与实施例1相同的方法制备本实施例的片式氧传感器芯片S3，不同之处在于：

步骤（3）中，通孔的面积占参比气层总面积的10%。

对比例1

采用与实施例1相同的方法制备本对比例的片式氧传感器芯片DS1，不同之处在于：

步骤（3）中，在氧化锆流延片上切割U形参比气通道。

性能测试：

1、抗热震性测试：将片式氧传感器芯片样品S1-S3和DS1升温至600℃，保温30min，然后放入水中急剧冷却，检测多孔保护层是否出现裂纹或者脱落；若未脱落，记为1次。重复实验，记录实验次数；测试结果如表1所示。    

2、良品率测试：将片式氧传感器芯片样品S1-S3和DS1进行装配组装，放置在汽车尾气测试系统中进行信号测试，若高电压在0.7~0.85V，低电压在0~0.2V之间，响应时间600~300mV，<150ms，响应时间300~600mV，<80ms，达到此标准为良品，重复试验100次，记录片式氧传感器芯片样品的良品率，测试结果如表1所示。   

表1

样品	S1	S2	S3	DS1
					抗热震性（次）	20	20	18	15
良品率（%）	86	93	93	70

从表1的测试结果可以看出，本发明实施例的片式氧传感器芯片的抗热震性较好，采用本发明的制备方法制备的片式氧传感器芯片的良品率高达90%以上。本发明的片式氧传感器通过测量密闭的参比腔内的氧分压信号，因此片式氧传感器的输出电压信号非常稳定。

Claims (10)

1. 一种片式氧传感器，所述片式氧传感从下至上依次包括加热层、参比气层和传感层；其特征在于，所述参比气层上具有通孔，加热层、参比气层与传感层在通孔处形成密闭的参比腔。

2.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，以参比气层的总面积为基准，通孔的面积为5-10%。

3.根据权利要求1或2所述的片式氧传感器，其特征在于，传感层包括氧化锆敏感基体和分别位于氧化锆敏感基体上、下表面的测试电极、参比电极；参比电极位于参比腔内。

4.根据权利要求3所述的片式氧传感器，其特征在于，参比腔的形状与参比电极的形状匹配。

5.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，传感层上方还设有多孔保护层，多孔保护层覆盖于测试电极上表面。

6.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，加热层包括加热器基体和加热器基体上的绝缘层，绝缘层内夹持有加热电极。

7.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，加热层的厚度为110-200μm，参比气层的厚度为110-180μm，氧化锆敏感基体的厚度为110-180μm。

8.一种片式氧传感器的制备方法，包括先在参比气层上切割通孔，然后将加热层、参比气层和传感层按从下至上的顺序叠加，热压、烧结，在通孔处形成密闭的参比腔，得到所述片式氧传感器。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）取一加热器基片，在加热器基片上依次印刷绝缘层浆料、电极浆料、绝缘层浆料，烘干，在加热器基片上形成绝缘层，得到加热层； 

2）在氧化锆敏感基体的两侧分别印刷电极浆料，烘干，在氧化锆敏感基体两侧形成电极；然后在一侧的电极上印刷多孔保护层，烘干形成表面覆盖有多孔保护层的传感层；

3）将加热层的绝缘层的一面朝上，表面覆盖有多孔保护层的传感层的多孔保护层的一面朝上，将加热层、参比气层、表面覆盖有多孔保护层的传感层从下到上依次叠加，将叠层热压、共烧得到片式氧传感器。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，热压的条件包括热压温度为50-100℃，热压压力为25-50Mpa；共烧的条件包括共烧温度为1400-1500℃，共烧时间为1-3h。

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