CN102798653A - 一种车用片式结构氧传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用片式结构氧传感器，包括敏感层、参比气通道层和加热器层，加热器层包括加热基体和布设有加热体的绝缘层，参比气通道层为制有参比气通道的参比气通道本体；敏感层包括设置有内、外电极层的氧化锆敏感基体和多孔保护层；参比气通道的上下壁分别由氧化锆敏感基体的下表面和绝缘层的上表面构成，内电极层位于参比气通道所处的空间内，加热体和内电极层分别引出有加热器电极引脚和内电极引脚。本发明采用流延成型技术，将加热器层，敏感层和参比通道层通过叠压高温共烧形成一整体结构，具有工艺简单、成本低廉的特点，能有效克服汽车刚启动时，发动机温度较低，管式传感器不能及时达到工作温度从而影响其性能的缺点。

Description

一种车用片式结构氧传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氧传感器装置，特别是用于检测发动机排出废气中氧浓度的氧传感器，具体地说是一种车用片式结构氧传感器及其制备方法。

背景技术

随着世界汽车保有量的快速增长，汽车排气污染和能源紧张问题日趋严重，节约燃油和减少汽车尾气污染已成为现代汽车工业迫在眉睫的问题。车用氧传感器可实现对发动机尾气氧浓度的监测，判断发动机燃烧状况，并反馈到电子控制燃油喷射装置，从而精确控制燃油的喷射时间和喷射量，达到降低发动机的油耗、提升功率，减少污染排放的目的。随着汽车尾气排放标准的不断提高，对车用氧传感也提出了更高的要求。传统管式结构的氧化锆氧传感器由于加热设备和氧化锆陶瓷分离，传感器响应时间较长，对工作温度的要求也相对较高。尤其是当汽车刚启动时，发动机温度较低，管式传感器通常不能及时达到所需的工作温度从而影响其性能，造成此阶段汽车尾气中有害成分含量较高，因此还很不理想，不能满足当前节能减排的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供加热体内植式设置且能在较短时间内满足工作温度，加快响应速度的一种车用片式结构氧传感器及其制备方法。该传感器结构简单、制造方便、机械强度高、抗干扰能力强并且适于规模化生产。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种车用片式结构氧传感器，包括由上至下依次叠置的敏感层、参比气通道层和加热器层，其中：加热器层包括加热基体和底部布设有加热体的绝缘层组成，绝缘层设置在加热基体上表面制有的长方形下凹区中；参比气通道层为制有参比气通道的参比气通道本体，该参比气通道与外界环境相连通；敏感层包括上、下表面分别设置有外电极层和内电极层的氧化锆敏感基体以及包覆在外电极层上表面的多孔保护层；参比气通道贯通参比气通道本体的上下表面，并且参比气通道的上下壁分别由氧化锆敏感基体的下表面和绝缘层的上表面构成，内电极层位于参比气通道所处的空间内，加热体和内电极层分别引出有加热器电极引脚和内电极引脚。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的加热基体制有向下贯通加热基体下表面的加热器电极引出孔，加热器电极引脚设置在加热基体下表面的一端，并且加热器电极引脚通过加热器电极引出孔与加热体电连接，氧化锆敏感基体制有向上贯通氧化锆敏感基体上表面的内电极引出孔，内电极引脚设置在氧化锆敏感基体上表面的一端，并且内电极引脚通过内电极引出孔与内电极层电连接。

上述的参比气通道气孔的孔径范围为0.2mm-0.6mm，加热基体和参比气通道本体以及氧化锆敏感基体的厚度均为0.2mm-0.6mm。

上述的绝缘层为采用氧化铝材料制作的厚度为40um-80um的长方形陶瓷片体，加热基体长方形下凹区的深度为40um-80um。

本发明还提供了一种车用片式结构氧传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

A：采用具有0-10%摩尔钇含量和0-40%质量分数氧化铝的氧化锆材料利用流延成型技术分别制得生瓷片式具有相同材料组分的加热基体和成型有参比气通道的参比气通道本体的参比气通道层；

B：采用具有5%摩尔钇含量的氧化锆利用流延成型技术制得生瓷片的氧化锆敏感基体，采用氧化铝利用流延成型技术制得流延片的绝缘层；

C：采用厚膜丝网印刷技术在上述的加热基体的上表面和下表面一端分别印刷出加热体和加热器电极引脚，制得加热器坯件；

D：采用机械冲孔在上述加热器坯件上的加热器电极引脚处冲出加热器电极引出孔，并在加热器电极引出孔中注入用于连通加热器电极引脚和加热体的导体材料后将上述的绝缘层叠置在加热体上，制得加热器层；

E：采用厚膜丝网印刷技术在上述氧化锆敏感基体的上表面上分别印刷出外电极层和内电极引脚，并同时在氧化锆敏感基体的下表面上印刷出内电极层，制得含电极层的敏感基体坯件；

F：采用机械冲孔在上述敏感基体坯件的内电极引脚处冲出内电极引出孔，并在内电极引出孔中注入用于连通内电极层和内电极引脚的导体材料，制得敏感层坯件；

G：采用厚膜丝网印刷技术在敏感层坯件上的外电极层上表面印制出多孔保护层，制得敏感层；

H：将上述步骤D中制得的加热器层和步骤A中制得的参比气通道层以及步骤G中制得的敏感层依层次准确堆叠在一起，通过叠层热压形成整体，在低温炉中低温排胶，高温炉中保温一段时间后烧结成型，制得本产品。

上述的步骤C中加热体的材料为具有正温度电阻特性的金属材料。

上述的步骤G中的多孔保护层的材料为镁铝尖晶石。

上述的步骤H中加热器层、参比气通道层和敏感层通过叠层热压在60℃温度，20MP压力下形成整体结构，在360℃排胶20个小时，再放入烧结炉中在1450℃-1550℃保温2小时-3小时烧结成型。

上述的内电极层、外电极层均为铂浆料采用厚膜丝网印刷技术印制成型。

上述的加热器电极引出孔和内电极引出孔中注入的导体材料均为浸啧的Pt浆料。

与现有技术相比，本发明的氧传感器与传统的氧传感器相比具有以下优点：

易于规模化生产：本发明采用片式结构，体积较小，制造设备和生产工艺相对传统的管式结构简单。使得本产品制造成本和材料成本相对较低，传感器集成化程度高。

启动快：本发明的氧化锆敏感基体采用流延成型，使氧化锆电解质薄膜化，减少了传感器的内阻，并且将加热体集成于传感器中，能使传感器在较短的时间内达到工作温度，加快响应速度。

机械强度高：由于采用了机械强度较高的具有0-10%摩尔钇含量和0-40%质量分数氧化铝的氧化锆生瓷片作为传感器的加热器基体和参比气通道本体，大大增加了传感器的机械强度，使本产品能在发动机内较恶劣的环境下工作。

抗干扰能力强：汽油和机油中的铅、硫、磷等杂质,大大降低电极的催化活性，灰尘、油、硅等成分则会堵塞电极,这些都导致电极中毒，从而使传感器失效。采用厚膜丝网印刷技术在外电极上印刷多孔的镁铝尖晶石作为传感器的多孔保护层，可以避免上述现象的发生，使传感器具有很强的抗干扰性。

性能高：本发明对传感器各层的厚度和形状及加热器的结构进行了精心设计，加热器根据所配Pt浆料的方阻进行设计，使传感器各部分受热均匀。绝缘层氧化铝的长和宽都小于加热器基体。使加热器基体和参比气通道本体直接接触，避免了不同材料因热膨胀系数不同而产生的变形。

附图说明

图1是本发明实施例的纵向剖视结构图；

图2是图1中加热体的结构示意图；

图3是图1中加热器层的俯视结构结构图；

图4是本发明实施例的仰视图；

图5是本发明实施例的俯视图；

图6是图1中参比气通道层的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

其中的附图标记为：加热基体1、绝缘层2、加热体3、参比气通道本体4、参比气通道5、氧化锆敏感基体6、内电极层7、内电极引脚8、外电极层9、加热器电极引脚10、多孔保护层11、加热器层12、参比气通道层13、敏感层14、加热器电极引出孔15、内电极引出孔16。

图1至图6为本发明的结构示意图。

图1至图6所示，本发明的一种车用片式结构氧传感器，包括由上至下依次叠置的敏感层14、参比气通道层13和加热器层12，其中：加热器层12包括加热基体1和底部布设有加热体3的绝缘层2组成，绝缘层2设置在加热基体1上表面制有的长方形下凹区中；参比气通道层13为制有参比气通道5的参比气通道本体4，该参比气通道5与外界环境相连通；敏感层14包括上、下表面分别设置有外电极层9和内电极层7的氧化锆敏感基体6以及包覆在所述外电极层9上表面的多孔保护层11；参比气通道5贯通参比气通道本体4的上下表面，并且参比气通道5的上下壁分别由氧化锆敏感基体6的下表面和绝缘层2的上表面构成，内电极层7位于参比气通道5所处的空间内，加热体3和内电极层7分别引出有加热器电极引脚10和内电极引脚8。本发明的氧传感器采用片式设计结构，加热体3设置在加热基体1上表面与参比气通道本体4和敏感层14一起构成一整体，从而增加了本发明的机械强度，并使传感器能在较短时间内达到工作温度，响应速度快，有效克服了汽车刚启动时，发动机温度较低，管式传感器不能及时达到工作温度从而影响其性能的缺点。

为进一步优化产品性能，实施例中，如图4和图5所示，本发明的加热基体1制有向下贯通加热基体1下表面的加热器电极引出孔15，加热器电极引脚10设置在加热基体1下表面的一端，并且加热器电极引脚10通过加热器电极引出孔15与加热体3电连接，氧化锆敏感基体6制有向上贯通氧化锆敏感基体6上表面的内电极引出孔16，内电极引脚8设置在氧化锆敏感基体6上表面的一端，并且内电极引脚8通过内电极引出孔16与内电极层7电连接。加热器电极引脚10和内电极引脚8均采用铂材料制作而成。

实施例中，参比气通道气孔5的孔径范围为0.2mm-0.6mm，加热基体1和参比气通道本体4以及氧化锆敏感基体6的厚度均为0.2mm-0.6mm。

实施例中，绝缘层2为采用氧化铝材料制作的厚度为40um-80um的长方形陶瓷片体，加热基体长方形下凹区的深度为40um-80um。绝缘层2采用具有较高机械强度、良好绝缘性和价格低廉的氧化铝材料，通过流延成型，其长度和宽度都略小于加热基体1，这样使加热基体1和参比气通道5直接接触，避免了不同材料因热膨胀系数不同而产生变形。

本发明还提供了一种车用片式结构氧传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

A：采用具有0-10%摩尔钇含量和0-40%质量分数氧化铝的氧化锆材料利用流延成型技术分别制得生瓷片式具有相同材料组分的加热基体1和成型有参比气通道5的参比气通道本体4的参比气通道层13；

B：采用具有5%摩尔钇含量的氧化锆利用流延成型技术制得生瓷片的氧化锆敏感基体6，采用氧化铝利用流延成型技术制得流延片的绝缘层2；

C：采用厚膜丝网印刷技术在上述的加热基体1的上表面和下表面一端分别印刷出加热体3和加热器电极引脚10，制得加热器坯件；

D：采用机械冲孔在上述加热器坯件上的加热器电极引脚10处冲出加热器电极引出孔15，并在加热器电极引出孔15中注入用于连通加热器电极引脚10和加热体3的导体材料后将上述的绝缘层2叠置在加热体3上，制得加热器层12；

E：采用厚膜丝网印刷技术在上述氧化锆敏感基体6的上表面上分别印刷出外电极层9和内电极引脚8，并同时在氧化锆敏感基体6的下表面上印刷出内电极层7，制得含电极层的敏感基体坯件；

F：采用机械冲孔在上述敏感基体坯件的内电极引脚处8冲出内电极引出孔16，并在内电极引出孔16中注入用于连通内电极层7和内电极引脚8的导体材料，制得敏感层坯件；

G：采用厚膜丝网印刷技术在敏感层坯件上的外电极层上表面印制出多孔保护层11，制得敏感层14；

H：将上述步骤D中制得的加热器层12和步骤A中制得的参比气通道层13以及步骤G中制得的敏感层14依层次准确堆叠在一起，通过叠层热压形成整体，在低温炉中低温排胶，高温炉中保温一段时间后烧结成型，制得本产品。

上述的步骤C中加热体3的材料为具有正温度电阻特性的金属材料。

上述的步骤G中的多孔保护层11的材料为镁铝尖晶石。多孔保护层11是以镁铝尖晶石为原料，为了进一步改善多孔保护层11的性能，在镁铝尖晶石中可以参杂氧化钛，这样改善后的多孔保护层11能有效的提高传感器的抗干扰性。

上述的步骤H中加热器层12、参比气通道层13和敏感层14通过叠层热压在60℃温度，20MP压力下形成整体结构，在360℃排胶20个小时，再放入烧结炉中在1450℃-1550℃保温2小时-3小时烧结成型。

上述的内电极层7、外电极层9均为铂浆料采用厚膜丝网印刷技术印制成型。

上述的加热器电极引出孔15和内电极引出孔16中注入的导体材料均为浸啧的Pt浆料。

Claims (10)

1.一种车用片式结构氧传感器，包括由上至下依次叠置的敏感层(14)、参比气通道层(13)和加热器层(12)，其特征是：所述的加热器层(12)包括加热基体(1)和底部布设有加热体(3)的绝缘层(2)组成，所述的绝缘层(2)设置在加热基体(1)上表面制有的长方形下凹区中；所述的参比气通道层(13)为制有参比气通道(5)的参比气通道本体(4)，该参比气通道(5)与外界环境相连通；所述的敏感层(14)包括上、下表面分别设置有外电极层(9)和内电极层(7)的氧化锆敏感基体(6)以及包覆在所述外电极层(9)上表面的多孔保护层(11)；所述的参比气通道(5)贯通参比气通道本体(4)的上下表面，并且参比气通道(5)的上下壁分别由氧化锆敏感基体(6)的下表面和绝缘层(2)的上表面构成，所述的内电极层(7)位于参比气通道(5)所处的空间内，所述的加热体(3)和内电极层(7)分别引出有加热器电极引脚(10)和内电极引脚(8)。

2.根据权利要求1所述的一种车用片式结构氧传感器，其特征是：所述的加热基体(1)制有向下贯通加热基体(1)下表面的加热器电极引出孔(15)，所述的加热器电极引脚(10)设置在加热基体(1)下表面的一端，并且加热器电极引脚(10)通过加热器电极引出孔(15)与加热体(3)电连接，所述的氧化锆敏感基体(6)制有向上贯通氧化锆敏感基体(6)上表面的内电极引出孔(16)，所述的内电极引脚(8)设置在氧化锆敏感基体(6)上表面的一端，并且内电极引脚(8)通过内电极引出孔(16)与内电极层(7)电连接。

3.根据权利要求2所述的一种车用片式结构氧传感器，其特征是：所述的参比气通道气孔(5)的孔径范围为0.2mm-0.6mm，所述的加热基体(1)和参比气通道本体(4)以及氧化锆敏感基体(6)的厚度均为0.2mm-0.6mm。

4.根据权利要求3所述的一种车用片式结构氧传感器，其特征是：所述的绝缘层(2)为采用氧化铝材料制作的厚度为40um-80um的长方形陶瓷片体，所述的加热基体长方形下凹区的深度为40um-80um。

5.一种实现权利要求1所述的车用片式结构氧传感器的制备方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

A：采用具有0-10%摩尔钇含量和0-40%质量分数氧化铝的氧化锆材料利用流延成型技术分别制得生瓷片式具有相同材料组分的加热基体(1)和成型有参比气通道(5)的参比气通道本体(4)的参比气通道层(13)；

B：采用具有5%摩尔钇含量的氧化锆利用流延成型技术制得生瓷片的氧化锆敏感基体(6)，采用氧化铝利用流延成型技术制得流延片的绝缘层(2)；

C：采用厚膜丝网印刷技术在上述的加热基体(1)的上表面和下表面一端分别印刷出加热体(3)和加热器电极引脚(10)，制得加热器坯件；

D：采用机械冲孔在上述加热器坯件上的加热器电极引脚(10)处冲出加热器电极引出孔(15)，并在加热器电极引出孔(15)中注入用于连通加热器电极引脚(10)和加热体(3)的导体材料后将上述的绝缘层(2)叠置在加热体(3)上，制得加热器层(12)；

E：采用厚膜丝网印刷技术在上述氧化锆敏感基体(6)的上表面上分别印刷出外电极层(9)和内电极引脚(8)，并同时在氧化锆敏感基体(6)的下表面上印刷出内电极层(7)，制得含电极层的敏感基体坯件；

F：采用机械冲孔在上述敏感基体坯件的内电极引脚处(8)冲出内电极引出孔(16)，并在内电极引出孔(16)中注入用于连通内电极层(7)和内电极引脚(8)的导体材料，制得敏感层坯件；

G：采用厚膜丝网印刷技术在敏感层坯件上的外电极层上表面印制出多孔保护层(11)，制得敏感层(14)；

H：将上述步骤D中制得的加热器层(12)和步骤A中制得的参比气通道层(13)以及步骤G中制得的敏感层(14)依层次准确堆叠在一起，通过叠层热压形成整体，在低温炉中低温排胶，高温炉中保温一段时间后烧结成型，制得本产品。

6.根据权利要求5所述的一种车用片式结构氧传感器的制备方法，其特征是：所述的步骤C中加热体(3)的材料为具有正温度电阻特性的金属材料。

7.根据权利要求6所述的一种车用片式结构氧传感器的制备方法，其特征是：所述的步骤G中的多孔保护层(11)的材料为镁铝尖晶石。

8.根据权利要求7所述的一种车用片式结构氧传感器的制备方法，其特征是：所述的步骤H中加热器层(12)、参比气通道层(13)和敏感层(14)通过叠层热压在60℃温度，20MP压力下形成整体结构，在360℃排胶20个小时，再放入烧结炉中在1450℃-1550℃保温2小时-3小时烧结成型。

9.根据权利要求5所述的一种车用片式结构氧传感器的制备方法，其特征是：所述的内电极层(7)、外电极层(9)均为铂浆料采用厚膜丝网印刷技术印制成型。

10.根据权利要求5所述的一种车用片式结构氧传感器的制备方法，其特征是：所述的加热器电极引出孔(15)和内电极引出孔(16)中注入的导体材料均为浸啧的Pt浆料。

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