CN104569108A

CN104569108A - 一种新型片式氧传感器的制备方法

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Publication number: CN104569108A
Application number: CN201410815085.9A
Authority: CN
Inventors: 朱捷; 肖建中
Original assignee: KUNSHAN SENSONOR SENSING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: KUNSHAN SENSONOR SENSING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-12-24
Also published as: CN104569108B

Abstract

本发明公开了一种新型片式氧传感器的制备方法，其包括以下步骤，制作氧化锆传感器基体，在其上下两面印刷外电极Pt和内电极Pt后再在外电极上印刷多孔保护层后烘干、烧结；用氧化铝粉末和氧化硅或氧化镁粉末混合制作参比基体并在参比基体上制作作为空气通道的凹腔后烧结；在参比基体的底面印刷钨电阻浆料，然后在加热电极的表面印刷氧化铝浆料，然后经过烘干、烧结；最后将敏感层覆盖在参比基体上面，并在敏感层和参比基体之间涂覆高温陶瓷釉料后烧结。本发明提供的新型片式氧传感器的制备方法简化了片式氧传感器的结构，降低了生产成本，而且也提高了加热电极和敏感层之间的绝缘性能，进而提高了片式氧传感器的性能。

Description

一种新型片式氧传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种新型片式氧传感器的制备方法。

背景技术

由于片式氧传感器具有加热时间快、响应速度高，广泛地应用于燃烧控制、安全控制以及工业过程控制，特别是汽车发动机燃烧控制及其尾气排放控制系统中。片式传感器一般将氧化锆材料制作的传感器的敏感层与加热层集成在同一小型陶瓷片体中，为了便于进行共烧结，通常加热部分也采用与传感器部分相同的氧化锆材料制成，在敏感层和加热层之间还设有参比空气通道层和绝缘层，先将绝缘浆料(一般为氧化铝材料或氧化铝中添加适量助烧剂制得)印刷在氧化锆基片上，再将加热导电浆料Pt印刷其上，将加热电路包裹在氧化铝绝缘层之间，从而避免高温下加热电路对传感器部分的信号干扰。这种制作方法必须采用Pt电阻浆料制作加热电阻，因而提高了氧传感器成本，而且由于绝缘层氧化铝印刷厚度或者印刷质量不好，经常造成加热电路漏电而影响传感器的信号。

发明内容

基于上述问题，本发明目的是提供一种新型片式氧传感器的制备方法，该方法可用钨电阻浆料代替铂电阻浆料制作加热器，降低片式氧传感器的成本，而且提高了加热电极与敏感层之间的绝缘性能。

为了克服现有技术的不足，本发明提供的技术方案是：

一种新型片式氧传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)用氧化物掺杂的氧化锆粉末制作流延片作为传感器基体，在所述传感器基体的上下两面分别印刷外电极和内电极，并在外电极的上方印刷多孔保护层后烘干、烧结制得敏感层；

(2)用氧化铝粉末和氧化硅粉末或氧化镁粉末混合，制作流延片通过叠层方法制作参比基体后烧结，该参比基体具有凹腔，或者通过注射成形方法制作带有凹腔的参比基体；所述凹腔的长度与所述参比基体匹配并在所述参比基体的上面和侧面开口；

(3)在步骤(2)制得参比基体的底面印刷钨电阻浆料作为加热电极，然后在加热电极的表面印刷氧化铝制作的浆料后烧结；

(4)将步骤(1)中制得的敏感层覆盖在步骤(3)制得的参比基体上面，并在两者之间涂覆高温陶瓷釉料后烧结制得片式氧传感器。

优选的，所述步骤(1)中氧化物为Y₂O₃、MgO或CaO中一种或其混合物。

优选的，所述氧化物的含量为2～8Mole％。

优选的，所述步骤(2)中氧化硅粉末或氧化镁粉末的含量为1～5wt％。

优选的，所述步骤(2)中参比基体的厚度为1～1.5mm。

优选的，所述步骤(2)中凹腔厚度为0.1～1mm。

优选的，所述步骤(2)中烧结温度为1350～1550℃，时间为60～120分钟。

优选的，所述步骤(3)中烧结温度为1400～1550℃，时间为60～120分钟。

优选的，所述步骤(4)中烧结温度为1150～1200℃，时间为10～30分钟。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.采用本发明的技术方案，在传感器敏感层和加热层之间制作具有一定厚度以氧化铝为主要成分的参比基体，并在其上设置凹腔作为空气通道，而加热电路印刷在该参比基体的底面，这样该参比基体起到参比空气通道层和绝缘层的作用，增加了敏感层和加热电极之间的绝缘性能，避免漏电流对传感器性能的影响；

2.本发明采用的技术方案，可采用钨电阻浆料代替贵金属铂电阻浆料制作片式氧传感器加热器，降低了生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为采用本发明方法制得的一种新型片式氧传感器的结构示意图；

其中：1、多孔保护层；2、外电极；3、传感器基体；4、内电极；5、参比基体；6、加热电极；7、加热器保护层。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本发明提供一种新型片式传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)用氧化物掺杂的氧化锆粉末制作流延片作为传感器基体，在所述传感器基体的上下两面分别印刷外电极Pt和内电极Pt，并在外电极的上方印刷多孔保护层后烘干、烧结制得敏感层；

(2)用氧化铝粉末和氧化硅粉末或氧化镁粉末混合，加入8％的PVB、5％三乙醇胺、5％聚乙二醇、40％无水乙醇以及32％的丁酮，经过24小时球磨后流延成厚度为0.3mm的陶瓷片，然后其中切割成带槽的片以及没有槽的片经过叠压成为参比基体后烧结，成型后的参比基体具有凹腔，所述凹腔的长度与所述参比基体匹配并在所述参比基体的上面和侧面开口；

本发明中，传感器基体采用流延成型工艺或者注射成型工艺制得。该流延成型工艺为本领域技术人员公知，包括浆料制备、流延成型、生坯干燥几个环节，浆料制备过程加入的有机试剂如溶剂、分散剂、增塑剂和粘接剂为本领域常规使用的试剂而各种试剂含量也为本领域常规的选择，其中溶剂采用水、乙醇或丁酮中的一种或其混合物，分散剂采用三乙醇胺或鱼油中的一种或其混合物，增塑剂采用甘油或聚乙二醇或其混合物，粘接剂采用聚乙烯醇或乙基纤维素或其混合物。注射成型工艺为本领域技术人员公知，包括喂料制备、注射成型、生坯脱胶、烧结几个环节，喂料制备过程加入的有机试剂如溶剂、分散剂、粘接剂为本领域常规使用的试剂而各种试剂含量也为本领域常规的选择，其中溶剂采用石蜡、分散剂采用硬脂酸、粘接剂采用PE、EVA或其他混合物。

制作传感器基体时氧化锆粉末中掺杂有氧化物添加剂，该氧化物添加剂为Y₂O₃、MgO或CaO中一种或其混合物，以总的氧化锆粉体材料为基准，其含量为2～8Mole％。

本发明中制作电极的浆料为本领域常规的电极浆料，可以是在铂粉中加入氧化锆微粒制成的浆料；制作多孔保护层的材料为本领域常规用来制作多孔保护层的镁铝尖晶石微粉或则氧化铝微粉。在传感器基体上下两面分别印刷铂电极浆料后作为外电极和内电极，然后在外电极上印刷多孔保护层在60～400℃烘干后，在1350～1550℃烧结60～120分钟。

制作步骤(2)中参比基体时无机粉体材料中氧化硅粉末或氧化镁粉末的含量为1～5wt％，其余为氧化铝粉末，加入8％的PVB、5％三乙醇胺、5％聚乙二醇、40％无水乙醇以及32％的丁酮，经过24小时球磨后流延成厚度为0.3mm的陶瓷片，然后其中切割成带槽的片以及没有槽的片经过叠压成为参比基体后烧结，成型后的参比基体具有凹腔，该参比基体的厚度为1～1.5mm，凹腔的厚度为0.1～1mm，然后在1350～1550℃条件下烧结60～120分钟；参比基体还可采用注射成型工艺制得，本发明在此处不再赘述。

本发明中步骤(3)中制作加热电极的浆料优选采用金属钨制成，在步骤(2)制得的参比基体底面印刷钨电阻浆料后在加热电极的表面印刷氧化铝浆料将加热电极覆盖住后在1400～1550℃烧结，时间为60～120分钟。

将步骤(1)制得的敏感层覆盖在步骤(3)制得的参比基体上面，并在敏感层和参比基体之间涂覆高温陶瓷釉料在1150～1200℃烧结10～30分钟制得片式氧传感器。

参见图1为采用本发明方法制得的新型片式氧传感器的结构示意图，该片式传感器自下而上依次包括加热器保护层7、加热电极6、参比基体5、内电极4、传感器基体3、外电极2和多孔保护层1，显然相比于现有技术中片式氧传感器的结构，本发明制得新型片式氧传感器结构简化了许多，参比基体5起到参比空气通道层和绝缘层的作用，而且加热电极6与传感器基体3之间具有优良的绝缘性能，可避免加热电极6漏电对传感器信号的干扰，而且加热电阻采用钨代替传统的贵金属铂电阻浆料，降低了材料成本。

以下通过具体实施例对本发明做进一步的解释和说明。

实施例1

①制作敏感层

将2～8mole％Y₂O₃掺杂的氧化锆粉末100g置于球磨机中，加入150g乙醇、5g三乙醇胺、2g甘油、7g聚乙烯醇，球磨混合35h后制得粘度为5400mPa.s的浆料，在流延机中制成厚度为0.1～0.5mm的流延片作为传感器基体，然后在传感器基体的两面采用铂电极浆料分别印刷外电极和内电极，然后在外电极上印刷多孔保护层，在60～400℃烘干后，在1350～1550℃烧结。

②制作参比基体

用氧化铝粉末和1～5wt％氧化硅粉末或氧化镁粉末混合，加入8％的PVB、5％三乙醇胺、5％聚乙二醇、40％无水乙醇以及32％的丁酮，经过24小时球磨后流延成厚度为0.3～0.5mm的流延片，然后将其中3片切割成带槽的片以及一片没有槽的片经过叠压成为带有凹腔的参比基体，制得参比基体的厚度为1.2mm，凹腔的厚度为0.9mm，所述凹腔的长度与所述参比基体匹配并在所述参比基体的上面和侧面开口。然后在60～400℃烘干后，在1350～1550℃烧结。

③制作加热层

在上述制得的参比基体的底面印刷钨电阻浆料作为加热电极，然后在加热电极的表面印刷氧化铝浆料后在1400～1550℃条件下烧结60～120分钟。氧化铝浆料烧结后为加热器基体。

最后将敏感层覆盖在参比基体上并在敏感层和参比基体之间涂覆高温陶瓷釉料，然后在1150～1200℃条件下烧结10～30分钟。

实施例2

其他与实施例1相同，不同之处在于：制作传感器基体的氧化锆粉末中掺杂2～8mole％的MgO；制作参比基体时，氧化硅或氧化镁粉末的含量为5wt％，参比基体的厚度为1mm，凹腔的厚度为0.1mm。

实施例3

其他与实施例1相同，不同之处在于：制作传感器基体的氧化锆粉末中掺杂2～8mole％的CaO；制作参比基体时，氧化硅或氧化镁粉末的含量为3wt％，参比基体的厚度为1.5mm，凹腔的厚度为1mm。

对比例1

现在制备片式传感器加热器绝缘层的方法一般为：加热层采用与传感器基体的材料一致，即用氧化锆材料制备加热层，将氧化铝制备成印刷浆料印刷在氧化锆上，然后在将加热电路印刷在氧化铝层上再在加热电路上印刷一层氧化铝浆料将加热电路包裹起来，最后将敏感层、空气通道及加热层叠在一起进行脱脂共烧结。这样制备的加热器绝缘层的绝缘电阻一般小于300k′Ω，如果氧化铝绝缘浆料印刷不均匀时，绝缘电阻可能只有200～400k′Ω。

性能测试：为了说明本发明的效果，分别测试了如下性能

1、密封性测试：将上述实施例中的传感器安装在片式传感器密封性测试台上进行测试，即将片式传感器的空气通道开口一端插入密封测试台测试腔中，将压缩空气通入传感器空气通道内，使其压力达到300kPa，同时测量其压力变化，记录压力随时间的变化，以每分钟压力下降的多少记为气体泄漏率，单位为Pa/min。

2、绝缘电阻测试：将直流电源与传感器加热引线连接，使传感器温度达到800℃，此时用阻抗大于10M′Ω万用表测量加热器引线与传感器敏感电极(内电极或者外电极)之间的电阻大小。

测试结果见下表：

从上表可以看出，本发明方法制得的片式传感器与现有技术相比，片式氧传感器的敏感层和加热电极之间的绝缘性能性能优于现有技术。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型片式氧传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(2)用氧化铝粉末和氧化硅粉末或氧化镁粉末混合，制作流延片通过叠层方法制作参比基体后烧结，该参比基体具有凹腔，或者通过注射成形方法制作参比基体；所述凹腔的长度与所述参比基体匹配并在所述参比基体的上面和侧面开口；

(4)将步骤(1)中制得敏感层覆盖在步骤(3)制得的参比基体上面，并在两者之间涂覆高温陶瓷釉料后烧结制得片式氧传感器。

2.根据权利要求1所述的新型片式氧传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中氧化物为Y₂O₃、MgO或CaO中一种或其混合物。

3.根据权利要求2所述的新型片式氧传感器的制备方法，其特征在于：所述氧化物的含量为2～8Mole％。

4.根据权利要求1所述的新型片式氧传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中氧化硅粉末或氧化镁粉末的含量为1～5wt％。

5.根据权利要求1所述的新型片式氧传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中参比基体的厚度为1～1.5mm。

6.根据权利要求1所述的新型片式氧传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中凹腔厚度为0.1～1mm。

7.根据权利要求1所述的新型片式氧传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中烧结温度为1350～1550℃，时间为60～120分钟。

8.根据权利要求1所述的新型片式氧传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中烧结温度为1400～1550℃，时间为60～120分钟。

9.根据权利要求1所述的新型片式氧传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中烧结温度为1150～1200℃，时间为10～30分钟。