CN104049018A

CN104049018A - NOx传感器芯片

Info

Publication number: CN104049018A
Application number: CN201410306918.9A
Authority: CN
Inventors: 王广平; 王贵强; 韩庆; 王峥; 王红勤; 沈准
Original assignee: DONGFENG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: DONGFENG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2014-09-17

Abstract

本发明涉及一种NOx传感器芯片，其主要特点为，包括第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片以及第六基片从上至下依次叠压，所述的第一基片上表面设有泵氧外电极，所述的第二基片中包含第一空腔、第二空腔、第三空腔和第四空腔，之间设有一定孔隙率的扩散障层，所述的第三空腔内设有主泵氧电极，所述的第四空腔内设有辅助泵氧电极和测试电极，所述的测试电极上覆盖一层多孔保护层；所述的第四基片设有参比气体通道，通道顶部设有参比电极；所述的第五基片与所述的第六基片之间设有加热电极。采用该种结构的优势在于能够避免电极中金的挥发导致的污染、使基片烧结紧密结合、结构简单、工艺过程简单、能够对汽车尾气中氮氧化合物浓度精确测量。

Description

NOx传感器芯片

技术领域

本发明涉及汽车尾气检测系统领域，特别涉及汽车尾气检测传感器芯片，尤其涉及一种NOx传感器芯片。

背景技术

NOx传感器是现在汽车中一个非常重要的传感器，用于检测汽车尾气排放中NOx的浓度含量。世界各国针对汽车尾气排放对环境造成污染的问题，出台的标准法规也正在变得越来越严格。基于陶瓷传感元件的这种传感器可测量汽车尾气中的NOx浓度，并将输入信号传送至发动机电子控制单元(ECU)，用以实现对发动机燃烧过程及排气后处理的最高效控制。在柴油机车中，这通过将氨水注入选择性催化还原(SCR)系统来实现；在汽油发动机中则通过结合稀燃发动机技术控制NOx储存催化剂的再生周期来实现。因此，陶瓷元件NOx传感器在这方面发挥着非常重要的作用。

一般传感器芯片为片式结构，主要由六层或者更多层钇稳定氧化锆陶瓷片叠合而成，制作工艺都很复杂。由于非活化电极中含有对氮氧化合物几乎无催化活性的金属材料金，金的熔点为1064℃，而固体电解质ZrO₂材料用于制作传感器芯片时的烧结温度高达1400～1500℃，烧结过程中金的挥发会污染活化电极，使活化电极的性能大幅度降低，严重影响了NOx传感器的性能。

为了防止烧结过程中非活化电极中金的挥发对活化电极造成污染，日本专利(JP090171015)公开了将主体部分和引排元件分开制作，然后再将两者粘合结合低温烧结在一起。图1所示为该发明的结构分解图，ZrO₂-1,ZrO₂-2，ZrO₂-3，ZrO₂-4,ZrO₂-5，ZrO₂-7表示的是氧化锆质基片；Al₂O₃-6表示的是致密氧化铝质绝缘层。

该方法可以避免非活性电极中金属Au的挥发对活化电极的污染，制作的NOx传感器也可以实现对NOx浓度的检测功能，但工艺过程非常复杂，难以实现大规模生产，且仍存在以下问题需要解决：

1、主体部分和引排元件与粘合材料的热膨胀匹配和密封问题。

2、主体部分和引排元件粘合后抗热振耐久性问题难于解决。

3、主体部分和引排元件之间因不平整导致电极引线连接困难问题。

中国专利(CN102043007A)公开了在第四电极上覆盖上一层多孔氧化铝保护层，结构上可以避免烧结时非活性电极中金的挥发对活化电极的污染，且只需将六基片叠合后一次性烧结成型即可。虽然很好的解决了整体一次性烧结成型技术难题，但仍然存在成本较大、工艺过程繁琐等问题。

也有研究者将加热电极上下层的氧化锆换成致密的氧化铝基片，减少了加热电极上下部致密氧化铝绝缘层的制作工艺，但由于氧化铝和氧化锆材料性质的差异，两种材质的基片叠合烧结紧密结合仍存在一些技术困难。

所以，一种既能够避免电极中金属Au的挥发导致的污染，又能使基片烧结紧密结合且工艺过程简单的NOx传感器芯片是十分具有实用价值的。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种能够避免主泵氧电极和辅助泵氧电极中贵金属金的挥发导致的污染、使基片烧结紧密结合、工艺过程简单结构简单、加热效率高且均匀性好，能对汽车尾气中氮氧化合物浓度精确测量的NOx传感器芯片。

为了实现上述目的，本发明提供的NOx传感器的芯片，其特征在于，由基片层叠构成，包括第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片以及第六基片从上到下依次叠压，所述的第一基片上表面设有泵氧外电极，所述的泵氧外电极上覆盖第一多孔保护层；所述的第二基片中包含第一空腔、第二空腔、第三空腔和第四空腔，所述的第一空腔与所述的第二空腔之间设有第一气体扩散障层，所述的第二空腔与所述的第三空腔之间设有第二气体扩散障层，所述的第三空腔与所述的第四空腔之间设有第三气体扩散障层，所述的第三空腔内设有主泵氧电极，所述的第四空腔内设有辅助泵氧电极和测试电极，所述的测试电极上覆盖第二多孔保护层；

所述的第四基片设有与大气相连的参比气体通道，位于所述的参比气体通道的顶部即位于所述的第三基片的下表面设有参比电极；所述的第五基片与所述的第六基片之间设有加热电极。

较佳地，所述的主泵氧电极的材料为对NOx化合物无催化作用的金属陶瓷，主要由贵金属Pt90～95wt％、Au0.5～1.0％wt％和陶瓷粉体ZrO₂1.0～10.0％wt％组成。

较佳地，所述的辅助泵氧电极的材料为对NOx化合物无催化作用的金属陶瓷，主要为贵金属Pt90～95％wt％、Au0.5～1.0％wt％和陶瓷粉体ZrO₂1.0～10.0％wt％组成。

较佳地，所述的基片材料为掺杂5mol％Y₂O₃的部分稳定氧化锆粉体。

较佳地，其特征在于，所述的测试电极材料主成分为贵金属Pt，掺杂贵金属Pd或Rh两种金属中的一种。

较佳地，所述泵氧外电极材料主成分为贵金属Pt90～95％wt％，并掺杂有少量的ZrO₂粉体5.0～10.0％wt％。

较佳地，所述参比电极材料主要成分为为贵金属Pt90～95％wt％，并掺杂有少量的ZrO₂粉体5.0～10.0％wt％。

较佳地，所述第二多孔保护层的材质为氧化铝或者氧化锆。

较佳地，所述加热电极的上下表面都覆有绝缘层。

更佳地，所述绝缘层的材料为致密氧化铝。

较佳地，所述的第一扩散障层、所述的第二扩散障层和第三扩散障层均为具有一定孔隙率的氧化锆材质。

本发明的有益效果具体在于：本发明结构上不需要在参比空气通道中参比电极上覆盖多孔氧化铝层，结构上简化了制备工艺过程，并通过设计独特的加热电极，使传感器芯片很快就达到工作温度，并保持在相对稳定的工作温度区域，温控电极的实时监测和信息反馈实现了此功能的控制。整个传感器芯片的制作工艺过程比较简单，且节约成本，易于规模生产化。

本技术发明中，测试电极上覆盖上一层由氧化铝或者氧化锆材料制成的多孔保护层，防止烧结过程中辅助泵氧电极中金的挥发对测试电极造成的污染。采用六层基片经印刷工艺后依次叠合等静压，一次烧结而成的制备工艺，制备的NOx传感器芯片可以应用于汽车尾气排气中NOx气体浓度的精确测量。

附图说明

图1是现有的日本专利JP090171015的传感器结构剖面图。

图2是现有的中国专利CN102043007A的传感器结构剖面图。

图3是本发明实施例的NOx传感器芯片结构剖面图。

图4是本发明实施例的NOx传感器芯片加热电极俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步说明。

图3为本发明实施例的NOx传感器芯片结构剖面图。如图3所示，本实施例的NOx传感器的芯片，包括由六层基片，依次叠压而成，六层基片均为由5mol％钇部分稳定氧化锆粉体经流延工艺成型的基片，在第二层基片2中含有四个空腔，即第一空腔7、第二空腔8、第三空腔9和第四空腔10，四个空腔之间分别由三组扩散障11、12、13隔开。在第一层基片1上设有外电极即泵氧外电极14，泵氧外电极14上覆盖有一层多孔保护层20，第二层基片2中第三空腔9内设有第一电极即主泵氧电极15，第四空腔10内设置有第二电极即辅助泵氧电极16和第三电极即测试电极17，第四层基片4设有与大气相连的参比气体通道23，在参比气体通道23中即第三层基片3下设有参比电极18，第五层基片5和第六层基片6之间设有加热电极19，加热电极19上下各覆盖有一层绝缘层22，第三电极即测试电极17上覆盖有一层多孔保护层21。

第一电极和第二电极的材料为对NOx化合物无催化性能的金属陶瓷。

第一电极和第二电极金属陶瓷材料中主要含有贵金属Pt，并掺杂有少量的金属Au和ZrO₂粉体。Pt为90～95wt％，Au为0.5～1.0％wt％，陶瓷粉体ZrO₂为1.0～10.0％wt％。

第三电极的电极材料为贵金属Pt，并掺杂少量的高催化活性金属Pd或Rh组成。

四个空腔之间的三组扩散障的材质为多孔介质氧化锆。

第三电极上覆盖的保护层材质为多孔氧化铝或者氧化锆。

加热电极上下覆盖的绝缘层材质为致密的氧化铝。

测量时，汽车排气尾气由第二层基片2上的第一空腔7经过扩散障层11进入到第二空腔8中，第二空腔8也称为气体缓冲腔，即气体在此空腔8中得到一定的缓冲处理，第二空腔8中的气体再经过第二道扩散障层12进入到第三空腔9中，此区为主泵氧单元，即主要实现氧气的泵进和泵出功能，把氧气浓度控制在某一额定范围内。第三空腔9中的气体再经过第三道扩散障层13进入到第四空腔10中，此空腔10主要实现辅助泵氧功能和氮氧化合物的分解和测量功能。以上三道扩散障层的材质均为多孔介质的氧化锆扩散障层组成。

主泵氧单元由泵氧外电极14、第二层基片2和第一电极15组成。当NOx传感器工作时，主泵氧单元由外部控制器提供一可变电源，将第三空腔9中的氧气泵出或者将外部的氧气泵进第三空腔9中，确保第三空腔9中的氧气浓度在50ppm左右。另外，第一电极15还起到催化分解尾气中的一氧化碳、碳氢化合物等物质的作用，但其对氮氧化合物无催化分解功能，是非活化性电极。

由泵氧内电极即第一电极15、第三层基片3和参比通道中的参比电极18组成氧浓差电池型测量单元，起着检测和反馈控制第三空腔9中氧气浓度的作用。

主泵氧单元中的泵氧外电极14和泵氧内电极即第一电极15都为多孔性的金属陶瓷。其中泵氧内电极即第一电极15为对NOx化合物无催化分解功能的非活化性电极，可用贵金属铂、无催化活性的金属材料和少量氧化锆制作，其中无催化活性的金属材料例如贵金属材料：Au。

空腔中三道扩散障层11、12、13材料均为氧化锆制成的多孔介质。泵氧外电极表面覆盖的一层多孔保护层，其主要材质为镁铝尖晶石，起着保护泵氧外电极14不受汽车尾气中的油性物质和颗粒物对其造成的污染和损坏作用。

辅助泵氧单元由泵氧外电极14、第一层基片1和第二电极16组成。第三空腔9中的气体通过第三道扩散障层13进入到第四空腔10时，辅助泵氧单元在外加可变电压下，将第四空腔10中的氧气浓度控制在数量级10^-3ppm的浓度范围，即足以使氮氧化合物发生分解反应的浓度。

辅助泵氧单元的内电极即第二电极16同样为对NOx化合物无催化分解功能的非活化性电极，材质成分与第一电极15相同。

测量单元由第三电极17、第三层基片和参比通道23中的参比电极18组成。当第四空腔10中的氧气浓度被控制在一个极低的额定浓度值时，此时氮氧化合物发生分解成氮气和氧气的化学分解反应，测量单元在外加电压的作用下工作，通过测量回路中极限电流的大小得出相应氮氧化合物分解时产生的氧气浓度值，进而可以换算出汽车尾气中氮氧化合物的浓度，此测量氧浓度的工作原理与极限电流型氧传感器的测量原理相同。

参比电极18与辅助泵氧内电极即第二电极16通过外接导线，通过测量两电极之间的电压方式检测第四空腔10中的氧气浓度值，并把此测量结果反馈辅助泵氧单元，确保第四空腔10中的氧浓度在所设定的极低范围内，氮氧化合物气体可以在此低氧浓度的条件下发生分解反应。

测量单元中的电极第三电极17为对氮氧化合物具有催化分解功能的活化电极材料，可采用贵金属铂、高催化活性金属材料和少量氧化锆制作，其中高催化活性金属材料如贵金属：钯、铑等。

第四层基片4中设计有空气参比通道23，空气参比通道23与大气相连通，确保测量电极单元中的参比电极18始终与大气相通。

第五层基片5和第六层基片6之间设计有加热电极19。为了使NOx传感器芯片在很短的时间内就进入工作状态，单靠尾气提供的热量远远无法满足要求，加热电极通过外加电压发热方式，在很短时间内即可以达到所需的工作温度，传感器很快即进入工作状态。

图4是本发明实施例的NOx传感器芯片加热电极俯视图。

如图4所示，加热电极19的加热部分194设计为类似矩形轴对称排列，加热区域加热均匀稳定且效率高；引线192和引线193大小形状相同，其电阻之和(R₁₉₂+R₁₉₃)是加热部分194(R₁₉₄)的5～15倍；温控电极191起着监测和反馈传感器工作温度的作用。

加热电极19上下表面覆盖有一层致密的氧化铝绝缘保护层22。

本实施例结构上优化了参比空气通道中参比电极上覆盖的多孔氧化铝层，并通过设计独特的加热电极，使传感器芯片很快就达到工作温度，并保持在相对稳定工作温度区域，温控电极的实时监测和信息反馈实现了此功能的控制。整个传感器芯片的制作工艺过程简单，节约成本，易于规模生产化。

本实施例发明中，第三电极上覆盖上一层由氧化铝或者氧化锆材料制成的多孔保护层，防止烧结过程中第二电极中金的挥发对第三电极造成的污染。采用六层基片经印刷工艺后依次叠合等静压，一次烧结而成的制备工艺，制备的NOx传感器芯片可以应用于汽车尾气排气中NOx气体浓度的精确测量。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种NOx传感器的芯片，其特征在于，由六层基片层叠构成，包括第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片以及第六基片从上至下依次叠压，所述的第一基片上表面设有泵氧外电极，所述的泵氧外电极上覆盖第一多孔保护层；所述的第二基片中包含第一空腔、第二空腔、第三空腔和第四空腔，所述的第一空腔与所述的第二空腔之间设有第一气体扩散障层，所述的第二空腔与所述的第三空腔之间设有第二气体扩散障层，所述的第三空腔与所述的第四空腔之间设有第三气体扩散障层，所述的第三空腔内设有主泵氧电极，所述的第四空腔内设有辅助泵氧电极和测试电极，所述的测试电极上覆盖第二多孔保护层；所述的第四基片设有与大气相连的参比气体通道，在所述的参比气体通道的顶部即所述的第三基片的下表面设有参比电极；所述的第五基片与所述的第六基片之间设有加热电极。

2.根据权利要求1所述的NOx传感器的芯片，其特征在于，所述的主泵氧电极以及所述的辅助泵氧电极的材料均为对NOx化合物无催化作用的金属陶瓷。

3.根据权利要求2所述的NOx传感器的芯片，其特征在于，所述金属陶瓷主要由贵金属Pt90～95％wt％、Au0.5～1.0％wt％和陶瓷粉体ZrO₂1.0～10.0％wt％组成。

4.根据权利要求1所述的NOx传感器的芯片，其特征在于，所述的基片材料为掺杂5mol％Y₂O₃的部分稳定氧化锆粉体。

5.根据权利要求1所述的NOx传感器的芯片，其特征在于，所述的测试电极的材料中含有Pt以及少量的Pd或Rh两种金属中的一种。

6.根据权利要求1所述的NOx传感器的芯片，其特征在于，所述的泵氧外电极、所述的参比电极的材料为贵金属Pt90～95％wt％以及掺杂有少量的ZrO₂5.0～10.0％wt％组成。

7.根据权利要求1所述的NOx传感器的芯片，其特征在于，所述第二多孔保护层的材质为氧化铝或者氧化锆。

8.根据权利要求1所述的NOx传感器的芯片，其特征在于，所述加热电极的上下表面均覆有绝缘层。

9.根据权利要求8所述的NOx传感器的芯片，其特征在于，所述绝缘层的材料为致密氧化铝。

10.根据权利要求1所述的NOx传感器的芯片，其特征在于，所述的第一层气体扩散障层、所述的第二层气体扩散障层以及第三层气体扩散障层的材料均为氧化锆。