CN102841121B - 宽域型氧传感器芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明宽域型氧传感器芯片及其制造方法，该芯片分为保护层、敏感元件层、中空参照层和加热层；敏感元件层和中空参照层之间设置参比原件层；敏感元件层为带中央微型通孔结构；参比原件层和敏感元件层之间围绕着中央微型通孔结构设置微型空腔结构和多孔扩散结构，微型空腔结构包围着多孔扩散结构处于同一层平面；设置在敏感元件层表面的是外参比信号系统，设置在参比原件层表面的是内参比信号系统；外参比信号系统的内电极和内参比信号系统的外电极同处于微型空腔结构当中，并且直接短接。优点功效是增加了一层参比原件层，引入了外参比信号和内参照信号的二次参比效应，极大扩展了工作范围，使其能适应从发动机稀薄燃烧到浓燃烧的各种气氛。

Description

宽域型氧传感器芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种氧传感器及其制造方法，特别涉及是一种用于控制汽车发动机中空气和燃料比例的工作区域宽的氧传感器，属于氧传感器技术领域。 

背景技术

现代汽车发动机所采用的尾气排放检测系统，其工作方法为：检测发动机汽缸燃烧后排放的废气中的氧浓度，与理想燃烧状态下生成的氧浓度进行比较，通过反馈控制供给发动机的空气和燃气比例，来实现控制尾气有害物质量的目的。其中起检测作用的元件，目前主要采用固体电解质氧传感器，通常为一个一端密封的圆管，其主要材质为固体电解质氧化锆，起敏感元件作用；以及分别制备在密封圆管的内外表面上的两条贵金属电极，其中暴露在外表面的电极与发动机尾气接触，密封在内表面的电极与参比气体如空气接触。 

固体电解质型氧传感器正常工作要求被加热至约700摄氏度温度，才具有敏感活性。为达到这一要求，通常与氧化铝制备的棒状加热器配合使用，通过一段时间的加热来达到工作温度。但随着目前日渐严格的环保法规的实施，要求在氧传感器更短的时间内开始工作，传统的外带棒状加热器的圆筒式氧传感器由于需要过长的加热时间，因而不能满足新的排放法规要求。 

新型平板式氧传感器由三层扁平平板状氧化锆板组成，其中外表面一层为敏感元件，贵金属电极分别制备于敏感元件两个平面上，另两层氧化锆陶瓷内部包含微型加热电路，起加热体功能；最后将三层氧化锆板烧结为一体，这样就实现了自带加热功能的氧传感器结构，达到工作温度的时间大大缩短。 

但是目前使用的平板式氧传感器仅能测出理想空燃比气氛信号，工作区间狭窄，不能控制过浓或过稀燃烧时发动机工况，无法适应愈来愈先进的发动机电喷控制系统要求。 

发明内容

本发明的目的是提供一种在结构上重大改进的氧传感器，增加了一层参比原件层，由前代的三层结构改变为四层结构，引入了外参比信号和内参照信号的二次参比效应，极大扩展了氧传感器的工作范围，使其能适应从发动机稀薄燃烧到浓燃烧各种气氛下的氧含量检测。 

 本发明宽域型氧传感器芯片，分为保护层、敏感元件层、参比原件层、中空参照层和加热层；保护层为一薄层，由复合陶瓷材料组成，用于保证长期工作条件下外电极不受污染；敏感元件层为带中央微型通孔结构；参比原件层和敏感元件层之间围绕着中央微型通孔结构设置微型空腔结构和多孔扩散结构，这三组结构空间上堆叠形成一组范围依次扩大的同心圆，微型空腔结构包围着多孔扩散结构处于同一层平面，空气从中央微型通孔经过多孔扩散结构缓慢进入微型空腔结构；中空参照层和加热层则结合传统优选的平板式氧传感器中空气室和微电路加热结构。 

所述多孔扩散结构和微型空腔结构通过印涂在参比原件层胚片上的有机牺牲层和多孔扩散层在整体烧结时形成；有机牺牲层印涂的是有机物填充物，在陶瓷高温成型过程中该有机填充物被高温除去，自动形成微型空腔结构；多孔扩散层印涂的是与基体（参比原件层和敏感元件层坯片）不一致的陶瓷成分，在陶瓷高温成型过程中，自动形成多孔扩散结构。 

设置在敏感元件层表面的是外参比信号系统，设置在参比原件层表面的是内参比信号系统；外参比信号系统的内电极（即敏感层内电极）和内参比信号系统的外电极（即参比层外电极）同处于微型空腔结构当中，并且直接短接。敏感层通过外界空气与微型空腔中的浓度较低的空气进行了一次参比获得一个电势差，参比层通过微型空腔中的空气和中空参照层中的参比空气也进行了一次参比也获得一个电势差，然后两者再进行一次“二次参比”。 

其中，所述的保护层为薄膜结构，厚度为50微米-150微米。 

其中，所述的贵金属电极为薄膜结构，厚度为10微米-15微米。 

其中，所述的微型通孔为小孔结构，直径为50微米-100微米。 

其中，所述的微型空腔结构的厚度为20微米-50微米，范围是外径为3.5-4.5mm内径为2.5-3.5mm。 

其中，所述的多孔扩散结构的厚度为30微米-60微米，范围是直径2.5-3.5mm，与微型空腔结构的内径一致。 

其中，所述的加热层为加热层坯片之上设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路结构； 

其中，各层坯片的厚度一致，为0.7mm -1 mm。

其中，各层坯片外形尺寸一致，为长度为60mm-65mm;其宽度为5mm-6mm。 

对应的，该宽域型氧传感器芯片的制造方法,其制作工艺步骤包括: 

A、制备敏感元件层坯片、参比原件层、中空参照层和加热层坯片流延浆料: 采用在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料；

B、采用流延法制造敏感元件层、参比原件层、中空参照层和加热层坯片:将流延浆料在流延机上经刮刀在衬带上刮成厚度均匀的膜片,在常温下干燥后脱膜;

C、敏感元件层坯片、参比原件层、中空参照层和加热层坯片的制成: 采用模具机械切割把上述膜片切割成各层坯片;

D、在敏感元件层和参比原件层坯片上印涂内外电极且在外电极的工作区喷涂或浸渍保护层, 内外电极都通过小孔与外层的引脚相连接;

E、采用加热层坯片和加热电路制造加热层坯；

F、在敏感元件层外电极中央位置制造微型通孔；

G、在参比原件层外电极表面印涂有机牺牲层；在烧结过后，有机物被高温除去，制造相应的微型空腔结构；   

H、在参比原件层外电极表面对应敏感原件层微型通孔位置印涂环形多孔扩散层；在高温烧结陶瓷化之后形成相应的多孔扩散结构；该多孔扩散层采用与基体不一致的陶瓷成分（比如氧化铝），其烧结性能不同，形成致密基体同时，该种陶瓷成分（比如氧化铝）自动形成多孔扩散结构。

多孔扩散的含义是该层是多孔结构，气体可以缓慢扩散通过，即不是密封的，作用就是让从微型通孔进入的外界气体可以扩散进入G所述的微型空腔中，即保证气体能够进入又必须是缓慢进入由此微型空腔中空气浓度会比外界低一个等级。 

I、将喷涂或浸渍保护层的敏感元件层、参比原件层、中空参照层和加热层坯片依次定位四层叠层热压成氧传感器坯; 

J、将氧传感器坯脱除有机物并烧结而得宽域型氧传感器芯片。

所述A步骤中的敏感元件层坯片流延浆料和参比原件层坯片流延浆料的组分一致，为基材氧化钇掺杂氧化锆陶瓷粉80~90%，分散剂1~3%，粘合剂2~7%，塑化剂5~8%，润滑剂2~7%；加热层坯片流延浆料和中空参照层坯片流延浆料的组分也一致，为基材氧化钇掺杂氧化锆陶瓷粉80~90%，分散剂1~3%，粘合剂2~7%，塑化剂5~8%，润滑剂2~7% 

所述E步骤中的加热层是这样制备的：加热层坯片之上设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路。

所述G步骤中的有机牺牲层是这样制备的：参比原件层坯片之上设置被丝网印刷的有机物薄膜。 

所述H步骤中的多孔扩散层材料是纯氧化铝陶瓷；或氧化锆-氧化铝复合陶瓷或氧化铝-氧化镁复合陶瓷或者氧化铝-氧化钙复合陶瓷中的一种，上述复合陶瓷材料中两种成分其比例为从25%:75%到85%:15%任意比例。 

所述D步骤中的内外电极可以是纯Pt（铂），可以是Pt-W（铂-钨）复合电极；也可以是纯Pb（钯）以及Pb-Pt（钯-铂）复合电极；还可以在金属/金属复合电极中加入一定比例的氧化锆，制成金属陶瓷复合电极所述保护层采用浸渍法或喷涂法，材料为尖晶石结构陶瓷，典型例子氧化铝陶瓷，镁铝尖晶石陶瓷。 

在以上工艺下制成的平板式氧传感器芯片结构，包括保护层、敏感元件层、参比原件层、中空参照层和加热层烧结在一起形成，所述的敏感元件层和参比元件层由敏感元件坯片、参比原件坯片，以及设置在其外侧表面的外电极和设置在其内侧表面的内电极组成；敏感元件层外电极中央有微型通孔；敏感元件层和参比元件层之间有微型空腔结构；微型空腔与微型通孔之间有多孔扩散结构阻隔；外电极和内电极均采用贵金属电极；所述加热层内包含微型加热电路组成。 

可见本技术方案的优点和功效是：通过引入参比元件层，反应区间由理想空燃比扩大到浓燃烧和稀薄燃烧各种气氛条件，极大增加了氧传感器的测量范围，增强了电喷系统对发动机的控制精度，减小了污染排放。 

宽域型氧传感器芯片的部分性能测试标准，如下表： 

 

尾气温度	600℃
		输出电位值（V）   λ=0.70	1.72~1.86
输出电位值（V）   λ=0.85	2.43~2.62
		输出电位值（V）   λ=1.04	3.14~3.23
输出电位值（V）   λ=1.15	3.36~3.43
		输出电位值（V）   λ=1.30	3.42~3.48
升温激活时间（s）	≤15
		寿命（使用无铅汽油）	≥12万公里
满足排放标准	欧4

附图说明

图1为本技术方案实施例一总体结构示意图； 

图2为本技术方案实施例一中央微型通孔-多孔扩散-微型空腔结构示意图

具体实施方式

下面通过几个具体实施例对本发明技术方案作进一步的说明： 

实施例一：

本发明宽域型氧传感器芯片，如图1和2，分为保护层1、敏感元件层2、参比原件层3、中空参照层4和加热层5；保护层1为一薄层，由复合陶瓷材料组成，用于保证长期工作条件下外电极不受污染；敏感元件层2为带中央微型通孔结构21；参比原件层3和敏感元件层2之间围绕着中央微型通孔结构21设置微型空腔结构2-3A和多孔扩散结构2-3B，这三组结构空间上堆叠形成一组范围依次扩大的同心圆，微型空腔结构2-3A包围着多孔扩散结构2-3B处于同一层平面，空气从中央微型通孔21经过多孔扩散结构2-3B缓慢进入微型空腔结构2-3A；中空参照层4和加热层5则结合传统优选的平板式氧传感器中空气室和微电路加热结构。

其中，所述的保护层为薄膜结构，厚度为50微米。 

其中，所述的贵金属电极为薄膜结构，厚度为10微米。 

其中，所述的微型通孔为小孔结构，直径在50微米。 

其中，所述的微型空腔结构的厚度为20微米，范围是外径为3.5mm内径为2.5mm。 

其中，所述的多孔扩散结构的厚度为30微米，范围是直径2.5mm，与微型空腔结构的内径一致。 

其中，所述的加热层为加热层坯片之上设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路结构； 

其中，各层坯片的厚度一致，为0.7mm。

其中，各层坯片外形尺寸一致，为长度为60mm;其宽度为5mm。 

宽域型氧传感器芯片结构,采用如发明内容所述的制作工艺步骤制备: 

所述A步骤中的敏感元件层、参比原件层坯片流延浆料的组分为基材钇掺杂氧化锆陶瓷粉，分散剂，粘合剂，塑化剂，润滑剂。粉料80%，分散剂2%，塑性剂8%，粘结剂和润滑剂都为5%， 

所述A步骤中的中空参照层和加热层坯片流延浆料的组分为基材钇掺杂氧化锆陶瓷粉，分散剂，粘合剂，塑化剂，润滑剂。粉料80%，分散剂3%，塑性剂7%，粘结剂6%，润滑剂4%。

所述E步骤中的加热层坯是这样制备的：加热层坯片（氧化锆基片）之上设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路； 

所述G步骤中的有机牺牲层是这样制备的：参比原件层坯片之上设置被丝网印刷的有机物薄膜。

所述H步骤中的多孔扩散层是这样制备的：参比元件层坯片之上设置被丝网印刷的纯氧化铝薄膜。 

所述D步骤中的内外电极材料为Pt-YSZ复合电极，其比例为85%：15%。 

所述保护层采用浸渍法或喷涂法，材料为镁铝尖晶石陶瓷。 

在以上工艺下制成的平板式氧传感器芯片结构，包括保护层和敏感元件层1，参比原件层2、中空参照层3和加热层4烧结在一起形成，所述的敏感元件层由敏感元件层坯片，以及设置在其外侧表面的保护层和敏感元件层外电极以及设置在其内侧表面的敏感元件层内电极组成，敏感元件层外电极中央位置有微型通孔；所述的参比元件层由参比元件层坯片，以及设置在其外侧表面的参比元件层外电极以及设置在其内侧表面的参比元件层内电极组成；这两层对应电极的部位由烧结后形成的多孔扩散结构和微型空腔结构连接；外电极和内电极均采用贵金属电极；所述加热层由加热层坯片，以及设置在其表面的加热电路和包覆绝缘层组成；从上至下依次是敏感元件层1，参比原件层2、中空参照层3和加热层4烧结在一起形成。 

该宽域型氧传感器芯片的性能测试标准，如下表： 

 

尾气温度	600℃
		输出电位值（V）   λ=0.70	1.86
输出电位值（V）   λ=0.85	2.62
		输出电位值（V）   λ=1.04	3.23
输出电位值（V）   λ=1.15	3.43
		输出电位值（V）   λ=1.30	3.48
升温激活时间（s）	≤15
		寿命（使用无铅汽油）	≥12万公里
满足排放标准	欧4

实施例二：

该技术方案宽域型氧传感器芯片其形状和构造与实施例一相同。

其中，所述的保护层为薄膜结构，厚度为150微米。 

其中，所述的贵金属电极为薄膜结构，厚度为15微米。 

其中，所述的微型通孔为小孔结构，直径为100微米。 

其中，所述的微型空腔结构的厚度为50微米，范围是外径为4.5mm内径为3.5mm。 

其中，所述的多孔扩散结构的厚度为60微米，范围是直径3.5mm，与微型空腔结构的内径一致。 

其中，所述的加热层为加热层坯片之上设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路结构； 

其中，各层坯片的厚度一致，为1 mm。

其中，各层坯片外形尺寸一致，为长度为65mm;其宽度为6mm。 

其工艺制备步骤也实施例一相似，具体不同有： 

所述A步骤中的敏感元件层、参比原件层坯片流延浆料的组分为基材钇掺杂氧化锆陶瓷粉，分散剂，粘合剂，塑化剂，润滑剂。粉料84%，分散剂2%，塑性剂4%，粘结剂和润滑剂都为5%， 

所述A步骤中的中空参照层和加热层坯片流延浆料的组分为基材钇掺杂氧化锆陶瓷粉，分散剂，粘合剂，塑化剂，润滑剂。粉料82%，分散剂3%，塑性剂5%，粘结剂7%，润滑剂3%。

所述H步骤中的多孔扩散层是这样制备的：参比元件层坯片之上设置被丝网印刷的氧化铝-氧化镁复合陶瓷薄膜，其比例为85%：15%。 

所述D步骤中的内外电极材料为Pt-YSZ-Pb复合电极，其比例为75%：15%：10%。 

所述保护层采用浸渍法或喷涂法，材料为镁铝-钙尖晶石陶瓷。 

该宽域型氧传感器芯片的性能测试标准，如下表：

 

尾气温度	600℃
		输出电位值（V）   λ=0.70	1.72
输出电位值（V）   λ=0.85	2.43
		输出电位值（V）   λ=1.04	3.14
输出电位值（V）   λ=1.15	3.36
		输出电位值（V）   λ=1.30	3.42
升温激活时间（s）	≤15
		寿命（使用无铅汽油）	≥12万公里
满足排放标准	欧4

Claims (10)

1.宽域型氧传感器芯片，分为保护层、敏感元件层、中空参照层和加热层；其特征在于：敏感元件层和中空参照层之间设置参比原件层；敏感元件层为带中央微型通孔结构；参比原件层和敏感元件层之间围绕着中央微型通孔结构设置微型空腔结构和多孔扩散结构，这三组结构空间上堆叠形成一组范围依次扩大的同心圆，微型空腔结构包围着多孔扩散结构处于同一层平面；  

设置在敏感元件层表面的是外参比信号系统，设置在参比原件层表面的是内参比信号系统；外参比信号系统的内电极和内参比信号系统的外电极同处于微型空腔结构当中，并且直接短接。

2.如权利要求1所述的宽域型氧传感器芯片，其特征在于：所述的微型通孔为小孔结构，直径为50微米-100微米。

3.如权利要求1所述的宽域型氧传感器芯片，其特征在于：所述的微型空腔结构的厚度为20微米-50微米，范围是外径为3.5-4.5mm；内径为2.5-3.5mm。

4.如权利要求1所述的宽域型氧传感器芯片，其特征在于：所述的多孔扩散结构的厚度为30微米-60微米，范围是直径2.5-3.5mm，与微型空腔结构的内径一致。

5.如权利要求1-4择一所述的宽域型氧传感器芯片，其特征在于：各层坯片的厚度一致，为0.7mm -1 mm。

6.如权利要求1-4择一所述的宽域型氧传感器芯片，其特征在于：各层坯片外形尺寸一致，为长度为60mm-65mm;其宽度为5mm-6mm。

7.宽域型氧传感器芯片的制造方法,其特征在于：

制作工艺步骤包括:

A、制备敏感元件层坯片、参比原件层、中空参照层和加热层坯片流延浆料: 采用在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料；

B、采用流延法制造敏感元件层、参比原件层、中空参照层和加热层坯片:将流延浆料在流延机上经刮刀在衬带上刮成厚度均匀的膜片,在常温下干燥后脱膜;

C、敏感元件层坯片、参比原件层、中空参照层和加热层坯片的制成: 采用模具机械切割把上述膜片切割成各层坯片;

D、在敏感元件层和参比原件层坯片上印涂内外电极且在外电极的工作区喷涂或浸渍保护层, 内外电极都通过小孔与外层的引脚相连接；

E、采用加热层坯片和加热电路制造加热层坯；

F、在敏感元件层外电极中央位置制造微型通孔；

G、在参比原件层外电极表面印涂有机牺牲层；

H、在参比原件层外电极表面对应敏感原件层微型通孔位置印涂环形多孔扩散层； 

I、将喷涂或浸渍保护层的敏感元件层、参比原件层、中空参照层和加热层坯片依次定位四层叠层热压成氧传感器坯；

J、将氧传感器坯脱除有机物并烧结而得宽域型氧传感器芯片。

8.如权利要求7所述的宽域型氧传感器芯片的制造方法,其特征在于：

所述A步骤中的敏感元件层坯片流延浆料和参比原件层坯片流延浆料的组分一致，为基材氧化钇掺杂氧化锆陶瓷粉80~90%，分散剂1~3%，粘合剂2~7%，塑化剂5~8%，润滑剂2~7%。

9.如权利要求7所述的宽域型氧传感器芯片的制造方法,其特征在于：

所述A步骤中的加热层坯片流延浆料和中空参照层坯片流延浆料的组分也一致，为基材氧化钇掺杂氧化锆陶瓷粉80~90%，分散剂1~3%，粘合剂2~7%，塑化剂5~8%，润滑剂2~7%。

10.如权利要求7-9择一所述的宽域型氧传感器芯片的制造方法,其特征在于：所述H步骤中的多孔扩散层材料是纯氧化铝陶瓷；或氧化锆-氧化铝复合陶瓷或氧化铝-氧化镁复合陶瓷或者氧化铝-氧化钙复合陶瓷中的一种，上述复合陶瓷材料中两种成分其比例为从25%:75%到85%:15%任意比例。