CN102680553B - 带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器，包括一层或多层固体电解质层、一层或多层绝缘层，其特征在于：距平板式传感单元长度方向两个主外面等距的平面定义为几何中心面；则该几何中心面将传感器传感单元划分为两个部分:一层或多层以上电解质层所在的部分称之为传感部,加热器所在的部分称之为加热器部，在加热器部增设有一层或多层与电解质同样材料的弯曲补偿层。本发明不需要把传感单元的多层结构及层间的印刷电路重新设计成对称结构，也不需要费时、费力地改变每个材料层的配方，以期匹配各材料层的收缩率。本发明能够容忍制造过程中不可避免的材料收缩率偏差、各材料层厚度偏差，以及其它可能导致传感单元弯曲或内部缺欠的因素。
Description
技术领域
本发明涉及一种平板式气体传感器，尤其涉及一种带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器。
背景技术
车辆尾气排放控制用平板式气体传感器的制备通常是一个多层基片（green tape）层压、烧制的过程。由于平板式气体传感器传感单元多层结构的特点，如果各层的烧结收缩率不匹配的话，就经常导致传感单元整体弯曲。 另一个导致弯曲的因素是传感单元结构材料层的几何特性，包括各种材料层的厚度和层数，特别是它们在传感单元多层结构中的次序。几何特性因素对弯曲的影响独立于各层烧结收缩率的影响，但对弯曲的影响也很大。最后，传感单元里电极和加热器电路的几何和收缩率特性也对弯曲有影响，幸运的是，由于它们的厚度很薄且分散于传感单元结构中，它们对弯曲的影响相对很小。
前述所说的气体传感器制备过程中，需要把不同配方的多层基片层压后形成烧结部件（sintering components）。由于各种各样的原因，在烘烧烧结部件来制备传感单元时，烧结后的传感单元常常会弯曲。当多层陶瓷结构是非对称结构时，这一问题尤为突出。现有减少或消除弯曲的方法之一是非常仔细地去匹配各种材料层的收缩特性，特别是收缩率。匹配收缩特性又可以通过这样几个办法来实现，一是改变各层材料配方中有机物和碳化物的用量。因为这些有机物和碳化物被烧掉时，多层结构将产生一定比例的收缩，从而可以用来匹配收缩总量，二是使用烧结添加剂，三是改变粉料颗粒的尺寸分布。但只有后两个办法对收缩率有显著影响。
设计一个具有多层对称结构的传感单元也可以消除弯曲。其原理很简单，对称结构可以平衡不同收缩率产生的应力。但是，采用多层对称结构会大大地增加传感单元的设计复杂性，还会导致各种其它问题，例如，结构层数的增加，各层厚度的变化，并且（或者）不得不把电极、加热器等功能元件放在非理想位置等等。这些改变可能增加传感器成本和降低传感器性能。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种可消除弯曲、优化收缩特性匹配的带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器
本发明方案为：设计一种带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器，包括一层或多层固体电解质层、一层或多层绝缘层，其特征在于：距平板式传感单元长度方向两个主外面等距的平面定义为几何中心面；则该几何中心面将传感器传感单元划分为两个部分: 一层或多层以上电解质层所在的部分称之为传感部, 加热器所在的部分称之为加热器部，在加热器部增设有一层或多层与电解质同样材料的弯曲补偿层。
本发明所述一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.5 ～2.0。
本发明所述一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.75～1.33。
本发明所述一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离（Mean distance）与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离(Mean Distance)与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.95 ～1.05。
本发明所述一层或多层弯曲补偿层的总层数和每层的额定厚度与一层或多层电解质层的总层数和对应的电解质层的额定厚度相同，一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离(Mean Distance)与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离(Mean Distance)与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比在0.5 到2.0之间。
本发明所述一层或多层弯曲补偿层的总层数和每层的额定厚度与一层或多层电解质层的总层数和对应的电解质层的额定厚度相同；一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离(Mean Distance)与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离(Mean Distance)与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.75 ～1.33。
本发明所述一层或多层弯曲补偿层的总层数和每层的额定厚度与一层或多层电解质层的总层数和对应的电解质层的额定厚度相同，一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.9 ～1.11。
本发明所述一层或多层弯曲补偿层的总层数和每层的额定厚度与一层或多层电解质层的总层数和对应的电解质层的额定厚度相同，一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离与一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离相同。
本发明不需要把传感单元的多层结构及层间的印刷电路重新设计成对称结构，也不需要费时、费力地改变每个材料层的配方，以期匹配各材料层的收缩率。本发明能够容忍制造过程中不可避免的材料收缩率偏差、各材料层厚度偏差，以及其它可能导致传感单元弯曲或内部缺欠的因素。
附图说明
图1为传统平板式氧传感器结构中心的横截面图，用于展示在厚度方向几何中心面的位置
图2为本发明实施例1所述带弯曲补偿层的平板式氧传感器结构中心处的横截面图，用来展示几何中心面和弯曲补偿层
图3为传统平板式氧传感器传感单元多层结构的示意图；
图4为本发明实施例2所述带有弯曲补偿层的平板式氧传感器传感单元多层结构示意图；
图5 为本发明实施例3所述带有接地层和弯曲补偿层的平板式氧传感器传感单元结构设计示意图；
图6为传统宽域氧传感器传感单元多层结构的示意图；
图7为本发明实施例4所述带有弯曲补偿层的宽域氧传感器传感单元多层结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例并对照附图对本发明进行详细说明。
实施例1：
参见图1、2，本实施例包括一层电解质层13和多层电子绝缘层17距平板式传感单元长度方向两个主外面等距的平面定义为几何中心面10；则该几何中心面将传感器传感单元划分为两个部分: 一层电解质层13所在的部分称之为传感部11, 电解质层13上下均设置有电极导线15，传感部11内还形成参考空气腔16，加热器及加热器导线14所在的部分称之为加热器部12，本实施例在加热器部12增设有一层与电解质同样材料的弯曲补偿层18（图2）。
其中，绝缘层材料成分主要是氧化铝（alumina）电解质层和弯曲补偿层的材料成分主要是加有稳定或半稳定剂的氧化锆（zirconia）。稳定剂包括但不限于氧化钇或氧化钪或氧化镱或氧化钙或氧化镁之一。
本实施例在由几何中心面分成的传感单元两侧中，弯曲补偿层处在与其相对应的电解质相反一侧（图2）。
本实施例中，电解质层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与电解质层厚度总和的乘积和弯曲补偿层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.5 ～2.0。
本发明是一个减少弯曲既简单又有效的设计方法。与设计对称的多层结构或匹配电解质层和绝缘层的烧结特性（特别是收缩率等）等方法相比，该方法既简单又有效。
如图2所示，本实施例中该弯曲补偿层将离加热器足够远，从而不会造成加热器短路或产生其它破坏性效果。且无需重新设计传感单元总体结构的前提下，弯曲补偿层将能够最多地补偿电解质层的收缩率，而重新设计传感单元总体结构将增加成本和（或）损害传感器性能。
实施例2：
参见图3、4，图3是一个由7层结构组成的传统平板式氧传感器传感单元多层陶瓷结构，第一层为多孔保护层，该层覆盖着尾气一边的电极（外部电极）15，而该电极又被印刷和层压在传感单元结构的第二层上，即固体电解质层13上面。 传感单元第一层的其它部分是致密的电子绝缘面，覆盖在电极导线上。传感部分还包括尾气电极（或称空气参考电极或内部电极）15-1、电极导线、连接电极导线和外部导线的过孔、和两个插件接触面。第3、4、6层是致密的电子绝缘层17，这些材料层使传感单元具有足够的结构强度，同时在加热器与传感部分之间起到电子绝缘作用。 第7层也是一个电子绝缘层，覆盖在加热器电路和导线上。在传感单元加热器部分还包括加热器电路、导线、过孔和接触面。
其中所有的氧化铝绝缘层的厚度相同，而氧化锆电解质层的厚度与其不同但很相近。如图3中所示，电解质层13是第2层，加热器在第6层和第7层之间。
截面积的几何中心面大约位于第4层的中心，该几何中心与第4层中心的位置偏差取决于电解质层和绝缘层的相当厚度。图4中的第5层是弯曲补偿层18，其厚度和材料成分与第2层的氧化锆电解质层完全相同。 尽管这一设计仍然是不对称多层结构，但是，和图3所示的多层结构相比，该设计大大改进了多层结构的平衡性。把弯曲补偿层18放在第6层，而不是放在第5层，可以取得一个完全对称的多层结构。但是，由于氧化锆电解质材料在高温时的导电性，采用对称结构将导致加热器短路，从而需要重新设计传感单元结构，也可能损害传感器性能。
本实施例中，弯曲补偿层的额定厚度与对应的电解质层的额定厚度相同，电解质层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与电解质层厚度的乘积和弯曲补偿层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与弯曲补偿层18厚度的乘积之比在0.5 到2.0之间。
通常，平板式氧传感器传感单元的固体电解质是基于氧化锆材料，致密的电子绝缘层是基于氧化铝材料，空气参考层是基于碳化物材料，传感电极和加热器电路是基于铂金材料。但是，其他材料也能够实现同样的功能。另外，其它气体传感器，例如宽域氧传感器、氮氧化物传感器、氨传感器等，都具有类似多层陶瓷结构的传感单元，不同的是，大多数其它气体传感器会有更多的功能层和更多的印刷电路。 这里需要严正声明的是，该发明所描述的设计方法，设计原理，和多层结构设计也同样适用于其它陶瓷结构气体传感器。
如前面所描述，烧结后传感单元的弯曲量取决于很多设计参数和材料参数。 但是，最重要因素还是传感单元多层结构的几何不对称程度。 这里的几何不对称包括多层陶瓷结构的层数和各材料层的厚度，以及各材料层的相互关系。 以最简单的方式来减少传感单元的几何不对称性将是控制传感单元弯曲最有效的解决方案。
要完全消除传感单元弯曲，一个显而易见的办法是采用对称的多层结构。在一个对称的传感单元多层结构中，各材料层不同收缩率和其它物理特性差异的影响被相互制约，也就不会导致弯曲。需要指出的是，在某些设计中，加热器和传感电极等其它印刷电路仍可能具有不对称性，但其影响是很小的。非常不幸的是，把传感单元设计成对称多层结构通常使传感单元设计复杂化，也导致各种问题，例如传感单元结构的层数更多，材料层厚度变化，并且（或者）不得不把电极、加热器等功能件放在非理想位置。这些改变可能增加传感器成本，也可能降低传感器性能。
实施例3：
图5是本发明的弯曲补偿层用于另外一种平板式氧传感器的具体体现，该种氧传感器与图3所示的平板式氧传感器类似，不同的是，它在第5层和第6层之间印刷了一个地线层19（ground plane）。几何中心平面仍然在第4层中心附近。 弯曲补偿层18的材料和厚度也是与第2层电解质完全相同，其位置为第5层。因为地线层19的功能不受弯曲补偿层氧化锆材料的影响，把弯曲补偿层设计为第5层不会影响传感器的性能。
本实施例中，电解质层13距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与电解质层厚度的乘积和弯曲补偿层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与弯曲补偿层18厚度的乘积之比在0.5 到2.0之间。
实施例4：
图6所示的气体传感器传感单元具有更复杂多层陶瓷结构，它是典型宽域氧传感器传感单元设计示意图。这里的宽域氧传感器传感单元结构是一个8层陶瓷结构，其中包括2层电解质13和一个地线层19。并且，该传感单元结构还包括多个有印刷电路的绝缘层。这个设计里，所有的氧化铝绝缘层和氧化锆电解质层具有相同的厚度。 电解质层是第2和第3层，而加热器是在第7和第8层之间。
图7是本发明的弯曲补偿层18用于一个图6所示宽域氧传感器设计的一个具体体现。几何中心面大约位于第4层和第5层的交界面，几何中心与此交界面的位置偏差取决于电解质层和绝缘层的相对厚度。 二个弯曲补偿层18分别为第5层和第6层，其厚度和材料与第2和第3层的氧化锆电解质层完全相同。 尽管这一设计仍然是不对称多层结构，但是和图6所示的原始结构相比，该设计大大改进了多层结构的平衡性。如果把弯曲补偿层放在第6层和第7层，而不是放在第5层和第6层，可以取得一个完全对称的多层结构。但是，由于氧化锆电解质材料在高温时的导电性，这一对称结构将导致加热器短路，从而需要重新设计传感单元结构，也可能损害传感器性能。
本实施例中，弯曲补偿层的层数和每层的额定厚度与电解质层的层数和对应的电解质层的额定厚度相同，两层电解质层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与两层电解质层厚度总和的乘积和两层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离（Mean Distance）与两层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比在0.75 到1.33之间。
为仓储和制造过程的方便，传感单元多层结构中材料层的厚度最好一样或厚度的数量尽量少。尽管如此，如果把弯曲补偿层放在最能补偿各层几何和（或）收缩率差异的地方后，仍然不能达到充分补偿的目的，就需要调整弯曲补偿层的厚度，来进一步增加补偿的力度。 具体实施办法是：当弯曲补偿层离几何中心面太近或太远，因而不能充分补偿收缩率或其它特性的差异的话，可以用如下公式计算出补偿层的恰当厚度，以增加补偿力度：
Xt1 = Yt2
或
t2 = (X/Y)t1
这里：
X =一层或多层电解质层距几何中心面的平均距离
Y =一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的平均距离
t1 = 一层或多层电解质层的厚度之和
t2 =一层或多层弯曲补偿层的厚度之和
这个公式给出的是完全补偿一个非对称结构的理想厚度。 在某些情况下，其它因素可能导致在设计中采用非理想厚度。
在多层结构中最有效的位置上采用弯曲补偿层能够平衡烧结过程中各层收缩率的不匹配。这一方法不需要把气体传感单元重新设计成对称结构。 免除此麻烦后，工程师们可以集中精力解决气体传感器设计工作中的其它问题，比如，加热器位置对传感器性能十分重要，工程师们需要优化加热器位置。 按本发明设计出的传感单元是不对称结构，但是仍然具有抗弯曲的能力，能够最大限度地容忍不同材料和生产工艺带来的收缩率偏差。 假若少量弯曲仍然出现且不能用其它办法消除，可以调整弯曲补偿层的厚度，以进一步补偿收缩率的差异。
该申请描述了本发明的具体实施例证和应用体现。很显然，在该领域稍有经验的专业人员能够将本发明的方法、设计、概念应用到其它应用例证中。 因此，本发明权利要求保护范畴绝不限于该申请中引用的具体例证和应用体现。与这里引用的具体例证相比，其它应用可能有不同的设计参数，包括但不局限于多层结构中材料层次序的不同，各层厚度的不同，和总层数的不同。本发明的权利要求保护范畴也适用于其它类型传感器，比如氮氧化物传感器，氨传感器等等，以及其它能够用到类似方法的任何装置和结构。
Claims (7)
1.一种带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器，包括一层或多层固体电解质层、一层或多层绝缘层，其特征在于：距平板式传感单元长度方向两个主外面等距的平面定义为几何中心面；则该几何中心面将传感器传感单元划分为两个部分: 一层或多层以上电解质层所在的部分称之为传感部, 加热器所在的部分称之为加热器部，在加热器部增设有一层或多层与电解质同样材料的弯曲补偿层；所述一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.5 ～2.0。
2.如权利要求1所述的带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器，其特征在于：一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.75～1.33。
3.如权利要求1所述的带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器，其特征在于：一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.95 ～1.05。
4. 如权利要求1所述的带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器，其特征在于：一层或多层弯曲补偿层的总层数和每层的额定厚度与一层或多层电解质层的总层数和对应的电解质层的额定厚度相同，一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比在0.5 到2.0之间。
5.如权利要求1所述的带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器，其特征在于：一层或多层弯曲补偿层的总层数和每层的额定厚度与一层或多层电解质层的总层数和对应的电解质层的额定厚度相同；一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.75 ～1.33。
6.如权利要求1所述的带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器，其特征在于： 一层或多层弯曲补偿层的总层数和每层的额定厚度与一层或多层电解质层的总层数和对应的电解质层的额定厚度相同，一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离与一层或多层电解质层厚度总和的乘积和一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离与一层或多层弯曲补偿层厚度总和的乘积之比为0.9 ～1.11。
7.如权利要求1所述的带弯曲补偿层的陶瓷结构平板式气体传感器，其特征在于：一层或多层弯曲补偿层的总层数和每层的额定厚度与一层或多层电解质层的总层数和对应的电解质层的额定厚度相同，一层或多层电解质层距几何中心面的中间距离与一层或多层弯曲补偿层距几何中心面的中间距离相同。
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