CN103175883A - 一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法。包括流延和切割制备形成对应于每一层的流延基片；根据所述传感器芯片的结构，对各层流延基片进行对应的丝网印刷，形成对应层上的各电极及各功能层；连接电极引线与引脚及内电极；用有机流延片填充腔体；将各层流延基片叠合后进行低温等静压压制，形成芯片坯材，切割坯材形成单个芯片生坯；烧结单个芯片生坯，制得传感器芯片，烧结中对应功能层排胶后形成空腔，与相关构成空气通道。优点是大大提高了传感器强度，同时避免了叠压对加热电极的影响。

Description

一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法

 

技术领域

本发明涉及汽车氧传感器，尤其涉及一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法。

背景技术

稀薄燃烧发动机有燃烧效率高，改善排放等优点，满足人们节能减排的要求，但其空燃比λ大于18（理论空燃比为14.7），传统的片式氧传感器只能检测空燃比在理论空燃比附近的情况，不能对其进行有效的检测，寛域汽车氧传感器可精确得测量λ值（0.65≤λ≤∞）。尾气通过扩散小孔进入扩散室，氧化锆参比电池感知尾气的浓度后产生Us，根据尾气浓度的不同，富燃料的浓混合气将产生高于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个正方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵入扩散室内进行化学分解反应，在废气中产生水和一氧化碳及一些氧化物，附着在泵氧元的表面。在化学反应中将过多的碳氢化合物分解，从而降低了废气的浓度，使扩散室恢复到Us电压为0.45V的尾气含氧浓度的平衡状态。相反，富氧的稀混合气将产生低于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个反方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵出扩散室。此时的泵电流Ip反应了尾气的浓度，传感器控制器将泵电流Ip转换成输出电压Uout通过改变泵电流的极性（电流流动方向）与大小就可以达到平衡扩散室里的尾气含氧量，如何将这个变化的泵电流去控制发动机的ECU对喷油器喷油时间的调整是至关重要的，在控制环路中有一块DSP（数字信号处理器）电路，该电路有二路输出，一路将变化的泵电流信号通过放大数模转换成线性电压，此电压从0V～5V连续变化，去控制发动机ECU的空燃比调整。另一路输出脉宽调制信号去控制COM场效应开关晶体管的导通与截止时间，给加热器提供电流，加热氧传感器。

寛域型氧传感器的核心部件是其敏感芯片，它由加热电极、氧泵外电极、氧泵内电极和参比电极组成，是通过多层印刷电路的五层致密氧化锆（ZrO₂）质的基片叠合而成，该芯片的制作方法是：通过流延成型方式制作氧化锆基片；对基片进行切片冲孔；把切好的基片进行多层丝网印刷，制作各个功能层；再把五层基片叠合分切，最后进行烧结、上釉等处理。

申请号为：201010238039.9的发明专利公开了一种“片式宽域标准信号输出车用氧传感器”，该传感器的氧泵基体层和反应基体层是氧化钇稳定的氧化锆基片；多层陶瓷气体交换层和上下加热基体层是由氧化铝+氧化镁+氧化钡按一定的比例复合制成的基片,各层先通过印刷电极后叠压并以烧结方式成为一体，该结构加热电极的上方的基片是由两个部分拼凑而成的，在叠压过程中，加热电极的受力是不均匀的，会造成电阻丝变形，在加热过程中增加热应力，导致加热电极烧断，从而影响传感器寿命；参比通道气室比较大，在传感器中形成一个大的空腔，会降低传感器工作区域的强度，使传感器失效。

发明内容

本案发明人针对上述技术之不足，对之前的传感器结构进行了改进，提供了“一种片式寛域汽车氧传感器”专利技术（专利号为ZL201120115065.2）。本发明是针对类似这种结构的传感器提供一种新的可提高成品率、降低成本的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法。

所述方法包括：

采用氧化锆陶瓷粉制备的浆料进行流延，形成流延基片；

对所述流延基片进行相关切割和孔的成形加工，形成对应于每一层的流延基片； 

根据所述传感器芯片的结构，对各层流延基片进行对应的丝网印刷，形成对应层上的各电极和各能层； 

用有机填充料填充对应层流延基片上由所述孔形成的腔体部分；使得叠合没有空隙以便等静压。

将各层流延基片按所述传感器芯片的结构进行叠合，再进行低温等静压压制，形成所述传感器的芯片坯材，切割坯材形成单个芯片生坯；

采用端面侧涂连通不同层片上或同一层片上分别在上下两面的电极线路，烧结制得传感器芯片，烧结中对应含有有机浆料的功能层排胶，形成相应空腔，与相关功能层构成空气通道。

所述方法进一步设计在于：所述低温等静压压制的压力为：15～25Mpa，温度为：65～75°C，优选的温度为70°C。

所述方法进一步设计在于：烧结的温度为1450～1550°C，优选的温度为1500°C。

所述方法进一步设计在于：所述电极引线包括内电极引线和加热电极引线。

  所述方法进一步设计在于：电极包括外电极、内电极、参比电极和加热电极，所述功能层包括扩散障、保护层、微孔层、有机层、补偿层和绝缘层。

  所述方法进一步设计在于：所述外电极、内电极、参比电极的印刷浆料是由铂与氧化锆陶瓷按质量分数比为：1:9～1：1配制后再加纤维素等有机粘结剂调和而成的，配制的粉料与粘结剂按质量分数比为：1: 0.4～1：1进行配制。

所述方法进一步设计在于：所述加热电极的印刷浆料是由铂与粘结剂调按质量分数比为：1: 0.25～1：0.4进行配制并调和而成，铂的粒度在0.5um以下，粘结剂可采用乙基纤维素。

所述方法更进一步设计在于：所述扩散障、保护层和微孔层的印刷浆料是由氧化铝、造孔剂和粘结剂依次按质量分数比为：6～9: 4～1：2.5～4配制并调和而成，所述造孔剂为淀粉。

所述方法更进一步设计在于：所述绝缘层的印刷浆料是由氧化铝、玻璃料和粘结剂依次按质量分数比为：80～99:20～1：25～40配制并调和而成。

所述方法更进一步设计在于：所述有机填充料的印刷浆料是由造孔剂和粘结剂按质量分数比为：10:90～50：50进行配制并调和而成；所述造孔剂为淀粉。

所述方法更进一步设计在于：所述有机流延片为由复合氧化锆粉，溶剂和流延胶依次按质量分数比为：100:30～50:20～40配置并调和而成的浆料经流延机在基材上流延而成；所述流延胶由聚乙烯醇缩丁醛溶于乙醇并添加聚乙二醇增塑剂形成，聚乙烯醇缩丁醛：乙醇：聚乙二醇增塑剂的容积比为：100：50～100：20～50。

所述方法进一步设计在于：所述扩散障是在扩散孔中通过丝网印刷制得的环形结构。

所述方法进更一步设计在于：所述有机填充料印刷填充在环形扩散障中心的腔体及扩散障与扩散孔之间的腔体内。

  所述方法进一步设计在于：所述传感器芯片由至少五层基片压制而成。

所述方法更进一步设计在于：第一层流延基片的上端面由下而上印刷氧泵外电极和保护层，在下端面印刷有氧泵第一内电极；第二层流延基片的第二扩散孔中印刷有扩散障和第二内电极，并用有机流延片填充在形成一个环形空腔的所述腔体部分；第三层流延基片与第四层流延基片之间印刷有沿垂直于层间间隔方向排列的微孔扩散层、有机层及设于微孔扩散层内的参比电极；第四层流延基片印刷有加热电极并在该电极的下侧面印刷绝缘层；第五层基片的所述导电孔中通过填孔连通加热电极引线与引脚，并在五层流延基片的下端面由上而下依次印刷引脚和保护层。

所述方法更进一步设计在于：所述印刷的有机层通过排胶形成空腔，该空腔与微孔层一起构成空气通道。

本发明用有机流延片填充芯片中的空腔并配合等静压叠合，使传感器生坯在制造过程不会产生内应力，能有效提高传感器芯片的合格率，还可提高产品的使用寿命；同时避免了叠压对加热电极的影响；用丝网印刷低固含量陶瓷浆料制备扩散障，保证足够的孔隙提高扩散效率；此外成本相对较低。 

附图说明

图1是本发明方法制得的寛域氧传感器沿长度方向的剖面图。

具体实施方式

本实施例以图1所示的寛域氧传感器的结构为例来具体说明具体的制作步骤。

1）通过流延制作基片的材料

氧化锆陶瓷粉采用5%mol氧化钇稳定氧化锆（5YSZ）粉体材料，其粒度不大于1um来制备流延浆料进行流延，形成流延基片。

流延的浆料是由上述陶瓷粉、溶剂乙醇和流延胶按质量份数比配置调和而成，三者的质量分数比例关系为：100～105质量份陶瓷粉：50～55质量份溶剂乙醇：30～35质量份流延胶氧。

流延胶由乙醇、聚乙烯醇缩丁醛和聚乙二醇为乙醇按质量份数比配置调和而成，三者的容积分数比例关系为： 100容积份聚乙烯醇缩丁醛：50～100容积份聚乙烯醇缩丁醛：20～50容积份聚乙二醇。

将上述浆料在流延机上流延，制得流延基片。

2）对流延基片进行成型加工

  根据图1-3所示的各层流延基片的结构形状及设计的尺寸切割上述流延基片的材料。并依照由上至下层序的第一层流延基片1和第二层流延基片2的相同位置上分别加工有第一扩散孔10a和第二扩散孔10b，且第二扩散孔大于第一扩散孔径，在五层基片5加工有导电孔19。还在对第三层基片3下端或四层流延基片4上端冲孔加工出如图3所示的通道15。

3）进行丝网印刷

  根据图1-3所示的传感器芯片的结构，对各层的基片材料进行对应的丝网印刷。

  在第一层基片1的上端面由下而上分别用电极浆料A和功能层浆料A印刷氧泵外电极7和保护层6，在下端面印刷氧泵第一内电极11。

  电极浆料A是由粒径不大于1um铂粉与粒径不大于0.7um氧化锆陶瓷粉按质量分数比为：1:9至1：1的比例范围进行配制，配制后的粉料再与乙基纤维素粘结剂按质量分数比为：1: 0.3进行配制，并进行调和形成电极浆料A。

功能层浆料A是由氧化铝粉、淀粉和乙基纤维素粘结剂按质量分数比配置而成，三者的质量分数比例关系为：9～10份氧化铝粉质量份：1～1.2份淀粉质量份：2.5～3.5份乙基纤维素粘结剂质量份，即如氧化铝粉的质量分数取9～10份，对应的淀粉质量分数为1～1.2份，对应的乙基纤维素粘结剂质量分数为2.5～3.5份。将按上述质量份比例关系称取的氧化铝粉、淀粉和乙基纤维素粘结剂调和，形成电极浆料A，其中淀粉和氧化铝粉的粒度为不大于1um。

在第二层流延基片2的第二扩散孔10b中分别用功能层浆料A和电极浆料A印刷环形扩散障9和第二内电极12；

在三第、四层流延基片之间沿垂直于层间间隔方向分别用功能层浆料A、电极浆料A、功能层浆料C依次印刷微孔扩散层13、设于微孔扩散层内的参比电极14和有机层15。

功能层浆料C即为有机填充浆料，是由造孔剂和粘结剂按质量分数比配置而成，其中的造孔剂采用粒度不大于500目的淀粉；粘结剂采用乙基纤维素。上述淀粉与乙基纤维素粘结剂按质量份数比2: 8至1：1比例范围进行配制调和。 

第四层流延基片用电极浆料B印刷加热电极17，并在该电极的上下侧面用功能层浆料D印刷绝缘层16。

电极浆料B即为加热电极的印刷浆料，是由铂粉与粘结剂按质量分数比配置而成，其中的铂粉的粒度不大于1um，粘结剂采用乙基纤维素。上述铂粉与乙基纤维素粘结剂按质量份数比1：0.4至1:0.25比例范围进行配制并调和，最终形成电极浆料B。

功能层浆料D即为绝缘层的印刷浆料是由氧化铝粉、玻璃料和粘结剂按质量分数比配制并调和而成，其中：氧化铝粉的粒度不大于500目；玻璃料为1000℃软化点的玻璃料；粘结剂采用乙基纤维素。上述氧化铝粉、玻璃料和乙基纤维素粘结剂按质量分数比配置，三者的质量分数比例关系为：85～99份氧化铝粉质量份：1～15份玻璃料质量份：25～40份乙基纤维素粘结剂质量份。将按上述质量份比例关系称取的氧化铝粉、玻璃料和乙基纤维素粘结剂调和，形成功能层浆料D

第五层流延基片的下端面依次用电极浆料B和功能层浆料A印刷引脚18和保护层6。

连接电极引线与对应引脚，用电极浆料B连接内电极引线与引脚，连接加热电极引线与引脚线18。

   4）用有机流延片填充腔体

用有机流延片填充第二、三层流延基片上对应的第一扩散孔10a和第二扩散孔10b与环形扩散障9形成的环形腔体8。

有机流延片为由氧化锆陶瓷粉、溶剂和流延胶按质量份数配置调和而成，三者的质量份数比为：100质量份氧化锆陶瓷粉:30～50质量份溶剂:20～40质量份流延胶。其中的溶剂由等质量份的乙醇和甲苯混合而成。

流延胶由聚乙烯醇缩丁醛溶于乙醇并添加聚乙二醇增塑剂形成，聚乙烯醇缩丁醛：乙醇：聚乙二醇增塑剂的容积比为：100容积份聚乙烯醇缩丁醛：50～100容积份乙醇：20～50容积份聚乙二醇增塑剂。

5）将各层基片叠合压制

将上述各层基片按所述传感器芯片的结构进行叠合，再进行低温等静压压制，压力控制为：15～25Mpa，优选的压力为20Mpa；温度为：65～75°C，优选的温度为70°C，形成所述传感器的芯片坯材，切割坯材形成单个芯片生坯； 

6）连通参比电极引线和引脚

采用端面侧涂连通单个芯片生坯上的参比电极引线和引脚。

7）烧结制得传感器芯片

将上述经端面侧涂单个芯片生坯置于炉硅钼棒高温炉中进行排胶和烧结，排胶升温速度在0.5℃ /分钟以下，到550度进行烧结升温，烧结温度控制在1450℃～1550℃，优选1500度，一般烧结2小时。烧结中高温使有机层15排胶，排胶后形成有通道的空腔，该空腔与微孔层13一起构成空气通道。

通过上述方法制得的传感器芯片，其传感器的弯曲强度同未经低温等静压处理的比较，由50Mpa提高200Mpa。且产品合格率由60%提高到88%，经寿命使用检测，使用寿命由原来的100小时提高800小时以上。

Claims (16)

1.一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于:包括

采用氧化锆陶瓷粉制备的浆料进行流延，形成流延基片；

对所述流延基片进行相关切割和孔的成形加工，形成对应于每一层的流延基片； 

根据所述传感器芯片的结构，对各层流延基片进行对应的丝网印刷，形成对应层上的各电极和各能层； 

用有机填充料填充对应层流延基片上由所述孔形成的腔体部分；使得叠合没有空隙以便等静压；

将各层流延基片按所述传感器芯片的结构进行叠合，再进行低温等静压压制，形成所述传感器的芯片坯材，切割坯材形成单个芯片生坯；

采用端面侧涂连通不同层片上或同一层片上分别在上下两面的电极线路，烧结制得传感器芯片，烧结中对应含有有机浆料的功能层排胶，形成相应空腔，与相关功能层构成空气通道。

2.根据权利要求1所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述低温等静压压制的压力为：15～25Mpa，温度为：65～75°C，优选的温度为70°C。

3.根据权利要求1所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：烧结的温度为1450～1550°C，优选的温度为1500°C。

4.根据权利要求1所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述电极引线包括内电极引线和加热电极引线。

5.根据权利要求1所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：电极包括外电极、内电极、参比电极和加热电极，所述功能层包括扩散障、保护层、微孔层、有机层、补偿层和绝缘层。

6.根据权利要求5所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述外电极、内电极、参比电极的印刷浆料是由铂与氧化锆陶瓷按质量分数比为：1:9～1：1配制后再加纤维素等有机粘结剂调和而成的，配制的粉料与粘结剂按质量分数比为：1: 0.4～1：1进行配制。

7.根据权利要求5所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述加热电极的印刷浆料是由铂与粘结剂调按质量分数比为：1: 0.25～1：0.4进行配制并调和而成，铂的粒度在0.5um以下，粘结剂可采用乙基纤维素。

8.根据权利要求5所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述扩散障、保护层和微孔层的印刷浆料是由氧化铝、造孔剂和粘结剂依次按质量分数比为：6～9: 4～1：2.5～4配制并调和而成，所述造孔剂为淀粉。

9.根据权利要求5所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述绝缘层的印刷浆料是由氧化铝、玻璃料和粘结剂依次按质量分数比为：85～99:15～1：25～40配制并调和而成。

10.根据权利要求1所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述有机填充料的印刷浆料是由造孔剂和粘结剂按质量分数比为：10:90～50：50进行配制并调和而成；所述造孔剂为淀粉。

11.根据权利要求1所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述有机流延片为由复合氧化锆粉，溶剂和流延胶依次按质量分数比为：100:30～50:20～40配置并调和而成的浆料经流延机在基材上流延而成；所述流延胶由聚乙烯醇缩丁醛溶于乙醇并添加聚乙二醇增塑剂形成，聚乙烯醇缩丁醛：乙醇：聚乙二醇增塑剂的容积比为：100：50～100：20～50。

12.根据权利要求1～11任一项所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述扩散障是在扩散孔中通过丝网印刷制得的环形结构。

13.根据权利要求12述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述有机填充料印刷填充在环形扩散障中心的腔体及扩散障与扩散孔之间的腔体内。

14.根据权利要求1所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述传感器芯片由至少五层基片压制而成。

15.根据权利要求14所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：第一层流延基片的上端面由下而上印刷氧泵外电极和保护层，在下端面印刷有氧泵第一内电极；第二层流延基片的第二扩散孔中印刷有扩散障和第二内电极，并用有机流延片填充在形成一个环形空腔的所述腔体部分；第三层流延基片与第四层流延基片之间印刷有沿垂直于层间间隔方向排列的微孔扩散层、有机层及设于微孔扩散层内的参比电极；第四层流延基片印刷有加热电极并在该电极的下侧面印刷绝缘层；第五层基片的所述导电孔中通过填孔连通加热电极引线与引脚，并在五层流延基片的下端面由上而下依次印刷引脚和保护层。

16.根据权利要求15所述的一种片式寛域汽车氧传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述印刷的有机层通过排胶形成空腔，该空腔与微孔层一起构成空气通道。

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