CN102616036B - 能降低片式氧传感器起燃时间的加热器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能降低片式氧传感器起燃时间的加热器的制造方法，包括下列步骤：步骤一、加热器图形设计；步骤二、加热器印刷网版设计；步骤三、加热器印刷浆料制备；步骤四、加热器印刷。通过保证氧传感器加热器头部曲线折线的长宽比大于等于150，加热电极用不同方阻的电阻浆料分段印刷，最终将加热器头部电阻与加热器总电阻比值控制在70-90%，使氧传感器的加热效率都分配在传感器头部，提升氧传感器加热器的加热器效率，使氧传感器芯片在8秒之内达到其工作温度（300℃以上），从而使氧传感器的起燃时间缩短到8-10秒，最终达到抑制发动机冷启动阶段废气的排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧传感器加热器的制造的方法。
背景技术
汽车所排放的有害气体主要产生在发动机冷启动阶段，该阶段中氧传感器处于预热阶段，没有进入工作状态，所以降低氧传感器起燃时间，使氧传感器尽快达到工作温度，参与发动机ECU的闭环控制，可以进一步减少发动机有害气体的排放。
片式氧传感器由信号功能层、参考气体通道与加热器共同组成(如图1所示)，加热器3里面印刷有加热电极6，主要用来给传感器加热，使传感器达到正常的工作温度(300℃以上)；传感器的信号功能层1由信号外电极4、参考电极5及两电极之间的氧化锆基板构成，当被测环境中氧气浓度变化时，传感器信号功能层两电极之间的电势在0-1V之间变化。影响传感器起燃时间的主要因素是传感器的温度，传感器的起燃时间指的是传感器从室温升高到传感器正常的工作温度(300℃)所需的时间。目前片式氧传感器的起燃时间一般在12-20秒之间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种能提升氧传感器加热器的升温效率、降低传感器起燃时间的氧传感器加热器的制造方法。
本发明的技术方案是：
一种能降低片式氧传感器起燃时间的加热器的制造方法，包括下列步骤：
步骤一、加热器图形设计
加热器分加热器头部图形与加热器引线两个图案，其中加热器头部线长与线宽之比l/d大于等于150；为了抑制加热器引线发热并且节省贵金属Pt浆料，加热器引线图案的线宽控制在1-1.2mm；
步骤二、加热器印刷网版设计
加热器头部采用300-350目、乳胶厚度20-25μm的不锈钢网版；加热器引线采用200-250目、乳胶厚度30-35μm的不锈钢网版；
步骤三、加热器印刷浆料制备
加热器的印刷浆料分为高方阻浆料(方阻为40-50mΩ/sq)与低方阻浆料(方阻20-25mΩ/sq)两种，高方阻浆料用于印刷加热器头部；低方阻浆料用于印刷加热器引线，两种浆料的制备方式如下：
高方阻浆料：加热器头部用电阻浆料由72-82wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、3-8wt.％比表面积7±5m2/g的纳米级氧化锆粉、5-18wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、8-16wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者混合研磨而成；
低方阻浆料：加热器引线用电阻浆料由70-85wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、1-4wt.％的纳米级氧化铝粉、2-6wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、8-24wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者混合研磨而成；
步骤四、加热器印刷
将高方阻浆料用加热器头部网版印刷到氧化锆基板上；同样将低方阻浆料用加热器引线网版印刷到氧化锆基板上，两者组合成氧传感器加热器。组合后的加热器头部电阻与加热器整体电阻的比值在70％-90％之间。
有益效果：本发明通过保证氧传感器加热器头部曲线(折线)的线长线宽比大于等于150，加热器用不同方阻的电阻浆料分段印刷，最终将加热器头部电阻与加热器总电阻比值控制在70-90％，使氧传感器的加热功率都集中在传感器头部，提升氧传感器加热器的加热器效率，使氧传感器在8秒之内达到其工作温度(300℃以上)，从而使氧传感器的起燃时间缩短到8-10秒，最终达到抑制发动机冷启动阶段废气的排放。
附图说明
图1为氧传感器横截面简图；
图2为三种不同形状的传感器加热器印刷电极图案；
图3为氧传感器加热器头部的温度测试A点位置示意图；
图4为图3中加热器头部A点的温度时间曲线图；
图5为不同编号传感器样品的起燃时间曲线图。
图中：1-信号功能层、2-参考通道、3-加热器、4-信号电极、5-参考电极、6-加热电极、1A-1号加热器、2A-2号加热器、3A-3号加热器、4A-加热器头部、5A-加热器引线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
步骤一、加热器图形设计
加热器图案如图2中1号加热器：其中加热器头部弯曲部分线条长l＝50.5mm、线宽为d＝0.3mm，加热器头部的线长线宽比l/d＝189，加热器头部长12mm；加热器引线线宽1.2mm、引线长60mm。
步骤二、加热器印刷网版设计
1号加热器头部网版参数为：网版目数300目、乳胶厚度20μm、不锈钢网版；1号加热器引线网版参数为：网版目数200目、乳胶厚度30μm、不锈钢网版。
步骤三、加热器印刷浆料制备
加热器头部用电阻浆料制备：72wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、3wt.％比表面积12m2/g的纳米级氧化锆粉、10wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、15wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为40mΩ/sq、黏度为77Pa·S。该浆料与氧化锆陶瓷基体的附着力好，热膨胀系数与氧化锆相匹配，受热冲击不宜断裂，主要起发热的作用。
加热器引线用电阻浆料制备：80wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、2wt.％的纳米级氧化铝粉、2wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、16wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为20mΩ/sq、黏度为73Pa·S。该浆料主要起导电作用，并能抑制发热，降低传感器加热功率在加热器引线上消耗的功率。
步骤四、加热器印刷
用1号加热器头部网版将加热器头部用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；用1号加热器引线网版将加热器引线用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；两者组合成氧传感器加热器。将此种方法制备的氧传感器加热器命名为1#样品。
实施例2：
步骤一、加热器图形设计
加热电极图案如图2中2号加热器：其中加热器头部折线部分线条长l＝61mm、线宽为d＝0.39mm，加热器头部的线长线宽比l/d＝156，加热器头部长12mm；加热器引线线宽1.2mm、引线长60mm。
步骤二、加热器印刷网版设计
2号加热器头部网版参数为：网版目数325目、乳胶厚度23μm、不锈钢网版；2号加热器引线网版参数为：网版目数225目、乳胶厚度32μm、不锈钢网版。
步骤三、加热器印刷浆料制备
加热器头部用电阻浆料制备：82wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、3wt.％比表面积7m2/g的纳米级氧化锆粉、5wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、10wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为42mΩ/sq、黏度为70Pa·S。该浆料与氧化锆陶瓷基体的附着力好，热膨胀系数与氧化锆相匹配，受热冲击不宜断裂，主要起发热的作用。
加热器引线用电阻浆料制备：70wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、4wt.％的纳米级氧化铝粉、6wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、20wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为25mΩ/sq、黏度为73Pa·S。该浆料主要起导电作用，并能抑制发热，降低传感器加热功率在加热器引线上消耗的功率。
步骤四、加热器印刷
用2号加热器头部网版将加热器头部用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；用2号加热器引线网版将加热器引线用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；两者组合成氧传感器加热器。将此种方法制备的氧传感器加热器命名为2#样品。
实施例3：
步骤一、加热器图形设计
加热电极图案如图2中3号加热器：其中加热器头部弯曲部分线条长l＝50.5mm、线宽为d＝0.3mm，加热器头部的线长线宽比l/d＝189，加热器头部长12mm；加热器引线线宽1.2mm、引线长60mm。
步骤二、加热器印刷网版设计
3号加热器头部网版参数为：网版目数350目、乳胶厚度25μm、不锈钢网版；3号加热器引线网版参数为：网版目数250目、乳胶厚度35μm、不锈钢网版。
步骤三、加热器印刷浆料制备
加热器头部用电阻浆料制备：68wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、8wt.％比表面积5m2/g的纳米级氧化锆粉、18wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、16wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为45mΩ/sq、黏度为70Pa·S。该浆料与氧化锆陶瓷基体的附着力好，热膨胀系数与氧化锆相匹配，受热冲击不宜断裂，主要起发热的作用。
加热器引线用电阻浆料制备：72wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、2wt.％的纳米级氧化铝粉、2wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、24wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为23mΩ/sq、黏度为73Pa·S。该浆料主要起导电作用，并能抑制发热，降低传感器加热功率在加热器引线上消耗的功率。
步骤四、加热器印刷
用3号加热器头部网版将加热器头部用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；用3号加热器引线网版将加热器引线用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；两者组合成氧传感器加热器。将此种方法制备的氧传感器加热器命名为3#样品。
实施例4：
步骤一、加热器图形设计
同实施例1中步骤一。
步骤二、加热器印刷网版设计
同实施例1中步骤二。
步骤三、加热器印刷浆料制备
加热器头部用电阻浆料制备：78wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、7wt.％比表面积10m2/g的纳米级氧化锆粉、7wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、8wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为44mΩ/sq、黏度为74Pa·S。该浆料与氧化锆陶瓷基体的附着力好，热膨胀系数与氧化锆相匹配，受热冲击不宜断裂，主要起发热的作用。
加热器引线用电阻浆料制备：85wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、1wt.％的纳米级氧化铝粉、6wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、8wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为24mΩ/sq、黏度为73Pa·S。该浆料主要起导电作用，并能抑制发热，降低传感器加热功率在加热器引线上消耗的功率。
步骤四、加热器印刷
用1号加热器头部网版将加热器头部用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；用1号加热器引线网版将加热器引线用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；两者组合成氧传感器加热器。将此种方法制备的氧传感器加热器命名为4#样品。
实施例5：
步骤一、加热器图形设计
同实施例3中步骤一。
步骤二、加热器印刷网版设计
同实施例3中步骤二。
步骤三、加热器印刷浆料制备
加热器头部用电阻浆料制备：76wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、6wt.％比表面积10m2/g的纳米级氧化锆粉、8wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、10wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为45mΩ/sq、黏度为76Pa·S。该浆料与氧化锆陶瓷基体的附着力好，热膨胀系数与氧化锆相匹配，受热冲击不宜断裂，主要起发热的作用。
加热器引线用电阻浆料制备：80wt.％平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、2wt.％的纳米级氧化铝粉、4wt.％的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、14wt.％成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者置于玛瑙研钵中混合8小时，再经由三辊研轧后所得。经测试此浆料的方阻为24mΩ/sq、黏度为73Pa·S。该浆料主要起导电作用，并能抑制发热，降低传感器加热功率在加热器引线上消耗的功率。
步骤四、加热器印刷
用3号加热器头部网版将加热器头部用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；用3号加热器引线网版将加热器引线用电阻浆料印刷在氧化锆基板上；两者组合成氧传感器加热器。将此种方法制备的氧传感器加热器命名为5#样品。
对以上五种实施例中的氧传感器样品性能进行测试：
1、常温加热器电阻
用万用电表分别测试五种不同的印刷方式制备的传感器加热器电阻Rh、加热器头部电阻Ra、加热器引线电阻Rb，然后计算加热器头部电阻与加热器的电阻比Ra/Rh。其结果如表1所示：
表1不同印刷方式加热器的电阻性质
2、传感器芯片不同位置温度时间特性
分别测试传感器样品1#、2#、3#、4#、5#加热器头部A点的温度时间特性曲线(A点的定义如图3示)。将热电偶置于A点，当传感器加热器接通13.5V加热电压时，采集A点温度变化曲线，其结果如图4所示。当传感器加热器电压接通时，1#、2#、3#、4#、5#样品传感器加热器头部A点温度均在8秒之内升高到300℃。
3、传感器响应时间
将传感器样品1#、2#、3#、4#、5#分别置于合成气体测试台上，气体温度350℃、环境压力1013hPa。气体成分如下：CO(0.8％)、CO2(5％)、H2O(2.5％)，当不同编号样品传感器的加热器接通13.5V加热电压时，传感器的输出电压与时间的曲线关系。测试结果如图5所示，1#、2#、3#、4#、5#样品传感器起燃时间位于8-10秒之间。
从以上测试中可以看出，1#、2#、3#、4#、5#样品加热器头部电阻Ra与加热器整体电阻Rh的比值＞70％，当传感器接通13.5V加热电压时，加热器头部能在10秒钟之内升高到300℃，传感器的加热功率都分配在传感器头部，且该五种样品传感器的起燃时间也在10秒之内，说明本专利中氧传感器加热器制备方法合理有效，能明显提高氧传感器的起燃时间。
Claims (1)
1.一种能降低片式氧传感器起燃时间的加热器的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一、加热器图形设计
加热器分加热器头部图形与加热器引线两个图案，其中加热器头部线长与线宽之比l/d至少为150；为了抑制加热器引线发热并且节省贵金属Pt浆料，加热器引线图案的线宽控制在1-1.2mm；
步骤二、加热器印刷网版设计
加热器头部采用300-350目、乳胶厚度20-25μm的不锈钢网版；加热器引线采用200-250目、乳胶厚度30-35μm的不锈钢网版；
步骤三、加热器印刷浆料制备
加热器的印刷浆料分为高方阻浆料，方阻为40-50 mΩ/sq与低方阻浆料，方阻20-25 mΩ/sq两种，高方阻浆料用于印刷加热器头部；低方阻浆料用于印刷加热器引线，两种浆料的制备方式如下：
高方阻浆料：加热器头部用电阻浆料由72-82wt.%平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、3-8wt.%比表面积7±5m2/g的纳米级氧化锆粉、5-18 wt.%的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、8-16wt.%成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者混合研磨而成；
低方阻浆料：加热器引线用电阻浆料由70-85wt.%平均粒径＜1μm的球状超细铂粉、1-4wt.%的纳米级氧化铝粉、2-6wt.%的成分为氧化硅、氧化钡和氧化硼的硅钡复合玻璃粉、8-24wt.%成分为乙基纤维素、松油醇，蓖麻油，环己酮的有机黏结剂四者混合研磨而成；
步骤四、加热器印刷
将高方阻浆料用加热器头部印刷网版印刷到氧化锆基板上；同样将低方阻浆料用加热器引线印刷网版印刷到氧化锆基板上，两者组合成氧传感器加热器，组合后的加热器头部电阻与加热器整体电阻的比值在70%-90%之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 214028 South Road, New District, Jiangsu, Wuxi, No. 231-3 Applicant after: Wuxi Longsheng Technology Co., Ltd. Address before: 214028 South Road, New District, Jiangsu, Wuxi, No. 231-3 Applicant before: Wuxi Longsheng Technology Co., Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |