CN106770578A - 用于氮氧化物传感器的芯片 - Google Patents

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冯涛
潘莉莉
王广平
王红勤
王作林
王贵强
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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Abstract

本发明涉及一种用于氮氧化物传感器的芯片，芯片由第一基片、第二基片、第三基片、第四基片依次层叠而成，第二基片为具有开槽的基片，包括相间隔开的第一区域和第二区域，第一区域依次设置有第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔，第三空腔设置有第一氧泵电极，第四空腔设置有测试电极，第二区域设置有参比气体通道和参比电极，第三基片和第四基片之间设置有加热体，加热体的上下表面均设有绝缘层。采用了本发明的芯片，所有的电极都集中在第一基片的正反面，结构简单且减少了一个氧泵电极，可以大幅度的降低工艺难度；测试电极的表面覆盖保护层，可以防止烧结时氧泵电极中Au的挥发对测试电极的污染，从而保障测试电极的催化活性不受影响。

Description

用于氮氧化物传感器的芯片
技术领域
本发明涉及汽车尾气控制系统的设计领域，尤其涉及传感器的芯片，具体是指一种用于氮氧化物传感器的芯片。
背景技术
随着我国城镇化进程的加速，化石燃料消耗迅速增加，很多的有毒、有害的气体被释放到大气中污染环境，其中最典型的一类，就是NOx气体，它不仅会导致光化学烟雾以及酸雨、破坏臭氧层，还会对人类的呼吸系统产生副作用，出现脱发、喉咙发炎、视力受损、呼吸系统抵抗力下降等症状。因此氮氧化物减排被列为环境保护的要求之一。很多的毒理以及流行病学研究发现了NOx的副作用。NO2以及NO气体(合称NOx)目前受到较大的关注。这种气体在一些道路特别是高人口密度的居住区的浓度较高，这就显得问题更加严重了。研究表明，75％的NOx气体是由汽车排放产生的，这其中大约一半是由非道路运输的车辆产生的，如工程机械、农业机械等，同时这些机械的寿命要远远大于道路运输车辆，对这些机械车辆降低NOx的排放就变得更加有效了。因此人们投入了很大的精力和财力来降低这种气体的产生并通过更为严厉的法规来限制这类气体的排放。
在汽车行业中降低NOx的方法主要有两种，NOx气体捕获以及NOx还原。但是无论哪种方法，准确的测定NOx的浓度是首先要解决的问题。
NOx的测试方法有很多种，如共振电离光谱法、傅立叶转换红外光谱法、气相色谱/质谱法、化学发光分析等，这些方法可以很精确的测定NOx的浓度，但是也有很多的缺点，如不能在线测试，测试设备体积庞大等。这些缺点导致不能应用于汽车尾气的处理。
目前基于氧化锆基的电化学电流测试方法NOx传感器是采用6层氧化锆基片叠层共烧而成，中间加入了加热体，测试电极、氧泵电极等。它首先通过降低汽车尾气中的O2的含量，将尾气中O2含量降到了很低的程度(10～3ppm)，NOx气体在测试电极表面分解成N2和O2气体，通过测定O2气体产生的电流强度，测试NOx的浓度。这种装置的优点在于可以在线测试NOx的浓度，体积小，安装方便。但是缺点也是很明显的，这种芯片制备工艺复杂，有很多的制备步骤，有多达8个电极，这些步骤中的任何一步失误的话都会导致前功尽弃。如果简化NOx传感器的结构的话，可以提高产品的成品率。
本发明针对这种情况提出简化结构、减少一个电极的用于氮氧化物传感器的芯片。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种结构简单、减少氧泵电极数，大幅度降低工艺难度、保障测试电极的催化活性的用于氮氧化物传感器的芯片。
为了实现上述目的，本发明的用于氮氧化物传感器的芯片具有如下构成：
所述的芯片由第一基片、第二基片、第三基片、第四基片依次层叠而成，
所述的第二基片为具有开槽的基片，包括相间隔开的第一区域和第二区域，所述的第一区域依次设置有第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔，所述的第三空腔设置有第一氧泵电极，所述的第四空腔设置有测试电极，所述的第二区域设置有参比气体通道，所述的参比气体通道内设置有参比电极，
所述的第三基片和第四基片之间设置有加热体，所述的加热体的上下表面均设有绝缘层。
较佳地，所述的相邻的空腔之间设置有一列扩散障碍层。
较佳地，所述的第一基片的外表面设置有外电极。
较佳地，所述的外电极和测试电极表面均覆盖有多孔保护层。
更佳地，所述的外电极的表面覆盖的多孔保护层为多孔氧化铝层，所述的测试电极的表面覆盖的多孔保护层为多孔尖晶石层。
较佳地，所述的绝缘层为致密氧化铝层。
较佳地，所述的第一氧泵电极包括Pt和质量百分比为1％Au，所述的测试电极、参比电极以及外电极均为Pt。
较佳地，所述的基片均为氧化锆基片。
采用了该发明中的用于氮氧化物传感器的芯片，可以通过增加氧泵电极的电压(V)，将第三空腔中的氧浓度降低到很低的程度(10～3ppm)，通过监测测试电极和参比电极之间的电动势，调整氧泵的电压，将测试电极和参比电极之间的电动势控制在450mV左右，NOx气体在测试电极表面分解成N2和O2气体，通过测定测试电极和外电极之间的电流强度I，得到NOx的浓度。本发明中所有的氧泵电极、测试电极、参比电极以及外电极都集中在第一层基片的正反面，结构简单，工艺步骤简单且减少了一个氧泵电极，可以大幅度的降低工艺难度。并且测试电极的表面覆盖保护层，可以防止烧结时氧泵电极中Au的挥发对测试电极的污染，从而保障了测试电极的催化活性不受影响，只需一次烧结即可完成，从而简化了制作过程降低了制作难度。
附图说明
图1为本发明的用于氮氧化物传感器的芯片的结构示意图。
附图标记
1 第一基片
2 第二基片
3 第三基片
4 第四基片
5 第一空腔
6 第二空腔
7 第三空腔
8 第四空腔
9 第一氧泵电极
10 测试电极
11 参比气体通道
12 参比电极
13 加热体
14 扩散障碍层
15 外电极
16 多孔氧化铝层
17 多孔尖晶石层
18 加热体表面绝缘层
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的一种用于氮氧化物传感器的芯片，其中所述的芯片由第一基片、第二基片、第三基片、第四基片依次层叠而成，所述的第二基片为具有开槽的基片，包括相间隔开的第一区域和第二区域，所述的第一区域依次设置有第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔，所述的第三空腔设置有第一氧泵电极，所述的第四空腔设置有测试电极，所述的第二区域设置有参比气体通道，所述的参比气体通道内设置有参比电极，所述的第三基片和第四基片之间设置有加热体，所述的加热体的上下表面均设有绝缘层。
其中所述的相邻的空腔之间设置有一列扩散障碍层；所述的第一基片的外表面设置有外电极；所述的外电极和测试电极表面均覆盖有多孔保护层；所述的外电极的表面覆盖的多孔保护层为多孔氧化铝层，所述的测试电极的表面覆盖的多孔保护层为多孔尖晶石层；所述的绝缘层为致密氧化铝层；所述的第一氧泵电极包括Pt和质量比为1％Au，所述的测试电极、参比电极以及外电极均为Pt；所述的基片均为氧化锆基片。
如图1所示的本发明的一个具体实施例中，芯片由第一基片1、第二基片2、第三基片3、第四基片4依次层叠而成，所述的第二基片2包括相间隔开的第一区域和第二区域，所述的第一区域依次设置有第一空腔5、第二空腔6、第三空腔7、第四空腔8，所述的第三空腔7设置有第一氧泵电极9，所述的第四空腔8设置有测试电极10，所述的第二区域设置有参比气体通道11，所述的参比气体通道11内设置有参比电极12，所述的第三基片和第四基片之间设置有加热体13，所述的加热体的上下表面均设有绝缘层，如图1所示，该实施例中提供了四个加热体13，但本发明对加热体的数量不作限定。
其中所述的相邻的空腔之间设置有一列扩散障碍层14，即四个空腔之间设有三列扩散障碍层14，以形成空腔，其中，第一空腔和第二空腔作为缓冲空腔；所述的第一基片的外表面设置有外电极15；所述的外电极和测试电极表面均覆盖有多孔保护层；所述的外电极的表面覆盖的多孔保护层为多孔氧化铝层16，所述的测试电极的表面覆盖的多孔保护层为多孔尖晶石层17；所述的绝缘层18为致密氧化铝层；所述的第一氧泵电极包括Pt和1％Au，所述的测试电极、参比电极以及外电极均为Pt；所述的基片均为氧化锆基片。
在使用时，通过增加氧泵电极的电压(V)，将第三空腔中的氧浓度降低到很低的程度(10～3ppm)，通过监测测试电极和参比电极之间的电动势，调整氧泵的电压。将测试电极和参比电极之间的电动势控制在450mV左右，NOx气体在测试电极表面分解成N2和O2气体，通过测定测试电极和外电极之间的电流强度I，得到NOx的浓度。
采用了本发明的用于氮氧化物传感器的芯片，所有的氧泵电极、测试电极、参比电极以及外电极都集中在第一基片的正反面，结构简单，工艺步骤简单且减少了一个氧泵电极，可以大幅度的降低工艺难度；测试电极的表面覆盖保护层，可以防止烧结时氧泵电极中Au的挥发对测试电极的污染，从而保障了测试电极的催化活性不受影响。只需一次烧结即可完成，从而简化了制作过程降低了制作难度。
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，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种用于氮氧化物传感器的芯片，其特征在于，所述的芯片由第一基片、第二基片、第三基片、第四基片依次层叠而成，
所述的第二基片为具有开槽的基片，包括相间隔开的第一区域和第二区域，所述的第一区域依次设置有第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔，所述的第三空腔设置有第一氧泵电极，所述的第四空腔设置有测试电极，所述的第二区域设置有参比气体通道，所述的参比气体通道内设置有参比电极，
所述的第三基片和第四基片之间设置有加热体，所述的加热体的上下表面均设有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的用于氮氧化物传感器的芯片，其特征在于，所述的相邻的空腔之间设置有一列扩散障碍层。
3.根据权利要求1所述的用于氮氧化物传感器的芯片，其特征在于，所述的第一基片的外表面设置有外电极。
4.根据权利要求1所述的用于氮氧化物传感器的芯片，其特征在于，所述的外电极和测试电极表面均覆盖有多孔保护层。
5.根据权利要求4所述的用于氮氧化物传感器的芯片，其特征在于，所述的外电极的表面覆盖的多孔保护层为多孔氧化铝层，所述的测试电极的表面覆盖的多孔保护层为多孔尖晶石层。
6.根据权利要求1所述的用于氮氧化物传感器的芯片，其特征在于，所述的绝缘层为致密氧化铝层。
7.根据权利要求1所述的用于氮氧化物传感器的芯片，其特征在于，所述的第一氧泵电极包括Pt和质量百分比为1％的Au，所述的测试电极、参比电极以及外电极均为Pt。
8.根据权利要求1所述的用于氮氧化物传感器的芯片，其特征在于，所述的基片均为氧化锆基片。
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