CN107525839A - 一种平板式陶瓷氧传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平板式陶瓷氧传感器，具有：电极引脚、加热器、多个氧化铝基体层、参比气道、内敏感电极、氧化锆功能层、外敏感电极、和敏感电极保护层；还具有：与所述氧化锆功能层在堆叠方向上对称地配置的氧化锆对称层、和分别位于堆叠方向上下两侧的氧化铝绝缘层。根据本发明，可解决氧化铝基体的氧传感器的弯曲和翘曲等问题，以及氧化锆层上电极引脚引起的漏电问题，从而提供一种平整度高、工艺简单、性能稳定的平板式陶瓷氧传感器。

Description

一种平板式陶瓷氧传感器

技术领域

本发明涉及氧传感器领域，尤其涉及一种应用于汽车的平板式陶瓷氧传感器。

背景技术

随着汽车工业的迅速发展，汽车尾气带来的环境污染问题日益严重，因此有效控制汽车尾气，减少其对环境的污染已成为当今重要的研究课题之一。在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件，是汽车实现节油减排的重要部件之一。

由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）的净化能力将急剧下降。因此，将氧传感器安装在汽车排气管中，测量尾气中的氧含量，并向汽车电喷系统提供反馈信号，从而控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近，进而使三元催化转换器处于最佳的工作状态，最大程度地进行排放污染物的转化和净化。

目前，氧传感器产品中，电解质部分均采用性能稳定的氧化锆，用作敏感元件，非电解质部分为氧化铝和氧化锆两种，如对比文件1和2中均为氧化锆陶瓷。对比文件1中，传感器的主要组成有钇稳定氧化锆组成的敏感元件层、位于敏感元件层上下的电极、钇稳定氧化锆组成的加热层坯、位于加热层坯上并被绝缘层所包覆的加热电路、参照层(作用在于代替参比空气)以及必要引线引脚。对比文件2和对比文件3中，传感器以参比气道替代了复合氧化物组成的敏感层，但二者的加热器均夹持于氧化锆层上的绝缘层间，对比文件3中甚至在所有引线引脚与氧化锆基体间增加了隔绝层，以消除杂波，提高传感器灵敏度，多个绝缘层/隔绝层无疑大大增加了工艺复杂性。相比于氧化锆，氧化铝具有良好的绝缘性能，因此无需额外的绝缘/隔绝层，而且氧化铝具有导热系数高、热膨胀系数小等优点，因此在氧化铝材料在传感器应用中更具优势。对比文件4中，就部分采用了氧化铝基体，其所述传感器主要组成有氧化锆基体、位于氧化锆基体上下的内外工作电极、氧化铝基体、位于氧化铝基体上方的参比气道、位于氧化铝基体之间的加热电路、位于氧化铝和氧化锆基体之间的氧化铝及氧化锆印刷过渡层以及必要的引线引脚。但值得注意的是，氧化锆和氧化铝材料在烧结收缩、热膨胀系数方面均有很大差异，其共烧过程中很容易发生分层、弯曲、翘曲等问题，但对比文件4中并未就这些问题给出解决方案。因此，在目前工艺基础上，通过材料与结构的优化设计，保证传感器中氧化铝和氧化锆良好结合的同时保证传感器的平整性，是采用氧化铝基氧传感器的难点。

现有技术：

专利文献1：中国专利公开CN101949882A；

专利文献2：中国专利公开CN102608193B；

专利文献3：中国专利公开CN102411018B；

专利文献4：中国专利公开CN103018283A。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种平整度高、工艺简单、性能稳定的平板式陶瓷氧传感器。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种平板式陶瓷氧传感器，具有：电极引脚、加热器、多个氧化铝基体层、参比气道、内敏感电极、氧化锆功能层、外敏感电极、和敏感电极保护层；还具有：与所述氧化锆功能层在堆叠方向上对称地配置的氧化锆对称层、和分别位于堆叠方向上下两侧的氧化铝绝缘层。

根据本发明，通过加入氧化锆对称层，引入上下对称的结构设计，可解决氧化铝基体的氧传感器的弯曲和翘曲等问题；通过加入氧化铝绝缘层，可解决氧化锆层上电极引脚引起的漏电问题。

又，在本发明中，优选地，于堆叠方向由下至上依次形成有所述电极引脚、所述氧化铝绝缘层、所述氧化锆对称层、所述氧化铝基体层、所述加热器、多个所述氧化铝基体层、所述参比气道、所述内敏感电极、所述氧化锆功能层、所述外敏感电极、所述氧化铝绝缘层、所述电极引脚和所述敏感电极保护层。

根据本发明，通过添加氧化锆对称层，使得整个陶瓷片中氧化铝与氧化锆材料分布大致上下对称，即、可得到结构上下对称的氧传感器，由此可有效避免烧结过程中因氧化铝与氧化锆不同材料的烧结收缩及热膨胀系数不匹配而引起的弯曲和翘曲。

又，在本发明中，优选地，位于堆叠方向上侧的所述氧化铝绝缘层未覆盖外敏感电极。外敏感电极未覆盖绝缘层，利于待测气体快速扩散到电极表面。其余部分覆盖绝缘层，利于提高传感器的绝缘性能。

又，在本发明中，优选地，所述氧化铝绝缘层为厚度不大于100μm的薄层，所述氧化锆对称层、所述氧化铝基体层、所述氧化锆功能层厚度不低于150μm。借助于此，较薄的绝缘层不会对传感器收缩起主导作用，同时厚度较大且收缩率更大的氧化锆功能层可以带动氧化铝基体的收缩，最大程度的提高传感器的致密度。

又，在本发明中，优选地，所述氧化铝绝缘层厚度为20～80μm。借助于此，厚度在此范围的氧化铝绝缘层既可以起到良好的绝缘作用，同时不降低传感器的烧结致密度。

又，在本发明中，优选地，所述氧化锆对称层和所述氧化锆功能层厚度为150～300μm。此厚度可以保证传感器具有高成品率，且带动传感器收缩。

又，在本发明中，优选地，所述氧化铝基体层厚度为600～1200μm。借助于此，传感器具有较高的弯曲强度，方便后续的装配工艺。

又，在本发明中，优选地，所述氧化铝层中使用的氧化铝为阿尔法氧化铝。借助于此，传感器具有良好的热稳定性和绝缘性能。

又，在本发明中，优选地，所述氧化锆层中使用的氧化锆粉体由不同粒径等级的钇稳定氧化锆颗粒以及助烧剂组成；更优选地，主要由一级钇稳定氧化锆粉体、二级钇稳定氧化锆粉体以及助烧剂组成。借助于此，传感器中的氧化锆层和氧化铝层结合良好，不易分层。

本发明可包含权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合。尤其是，本发明包含权利要求书的各项权利要求的两个以上的任意组合。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点。

附图说明

图1是示出根据本发明一实施形态的平板式陶瓷氧传感器的结构示意图；

附图说明：

1、16 电极引脚；

2、15 氧化铝绝缘层；

3 氧化锆对称层；

4、6-10 氧化铝基体层；

5 加热器；

11 参比气道；

12 内敏感电极；

13 氧化锆功能层；

14 外敏感电极；

17 敏感电极保护层；

001、002 预留孔洞；

S 氧传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施形态对本发明的技术方案进行详细说明。在各附图中对相同或相应的部件标以相同的附图标记。

图1是示出根据本发明一实施形态的平板式陶瓷氧传感器的结构示意图。在该图1所示的实施形态中，为方便表述，堆叠方向亦称为上下方向。

如图1所示，根据本发明的陶瓷氧传感器S从下往上依次为电极引脚1、氧化铝绝缘层2、氧化锆对称层3、氧化铝基体层4、加热器5、氧化铝基体层6-10、参比气道11、内敏感电极12、氧化锆功能层13、外敏感电极14、氧化铝绝缘层15、电极引脚16和敏感电极保护层17。

本发明由于存在氧化锆对称层3，从而得到了上下大致对称的结构，避免烧结过程中因不同材料的烧结收缩及热膨胀系数不匹配而引起的弯曲和翘曲，同时，通过添加氧化铝绝缘层2、15，以此可有效避免电极引脚1、16引起的漏电等问题。

具体地，堆叠方向上，于最底层形成有电极引脚1，其附着于氧化铝绝缘层2下表面，用以防止电极引脚1引发的漏电等，随后堆叠一层氧化锆对称层3，用以形成与稍后堆叠的氧化锆功能层13相对称的结构。然后堆叠氧化铝基体层4、6-10，并在下侧两层氧化铝基体4与6之间设置加热器5，其通过预留孔洞001与电极引脚1连接。而后在靠近上侧的氧化铝基体层10与氧化锆功能层13之间设置有参比气道11，在参比气道11与氧化锆功能层13之间设置有内敏感电极12，该内敏感电极12的一端通过预留孔洞002与电极引脚16连接。外敏感电极14隔着氧化锆功能层13与内敏感电极12对应地配置，其上堆叠氧化铝绝缘层15，并在氧化铝绝缘层15的长度方向两端分别形成电极引脚16、和用于保护外敏感电极14的头部的敏感电极保护层17。

本发明中，氧化铝绝缘层2、15优选为厚度不大于100μm的薄层，氧化锆对称层3、氧化铝基体层4、6-10、氧化锆功能层13优选为厚度不低于100μm，更优选地，氧化铝绝缘层2、15的厚度为20～80μm，氧化锆对称层3和氧化锆功能层13的厚度为150～300μm，氧化铝基体层4、6-10的厚度为600～900μm。

根据上述结构，本发明具有绝缘性能好、平整度高等优点。但本发明不限于此，可根据具体实施形态进行必要变更。

本发明中，上述氧化铝层中使用氧化铝为阿尔法氧化铝。根据上述结构，本发明中的传感器具有热稳定性好、绝缘性能好等优点。但本发明不限于此，采用其他氧化铝材料亦可。

本发明中，上述氧化锆层中使用的氧化锆粉体由不同粒径等级的钇稳定氧化锆颗粒以及助烧剂组成。更具体而言，主要由一级钇稳定氧化锆粉体、二级钇稳定氧化锆粉体以及助烧剂组成。根据上述结构，本发明中的传感器具有氧化铝层与氧化锆层结合良好等优点。但本发明不限于此，只要能起到大致同等效果即可，可具体变更组成成分。

本发明中，氧化铝绝缘层15未覆盖外敏感电极14。根据该结构，尾气能更快的扩散到外敏感电极表面，因此传感器具有灵敏度高，响应快等优点。

现结合具体实施例1进一步解释说明本发明，以便本领域技术人员能更好地理解本发明并能予以实施，但应理解，所举实施例不作为对本发明的限定。

首先，将适当比例的纳米级阿尔法氧化铝、溶剂（如乙酸丁酯、二甲苯、乙醇等）、分散剂（鱼油、聚甲基丙烯酸甲酯等）、粘结剂（聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯甲基丙烯酸等）、塑化剂（苯甲酸酯类增塑剂、邻苯二甲酸丁苄酯等）进行混合球磨，流延得到氧化铝基体层4、6、7、8、9、10。

然后，将适当比例的氧化锆及助烧剂粉体（如80份中位径为400nm的5mol%氧化钇稳定氧化锆、16份中位径为640nm的5mol%氧化钇稳定氧化锆、4份阿尔法氧化铝）、溶剂（如乙酸丁酯、二甲苯、乙醇等）、分散剂（鱼油、聚甲基丙烯酸甲酯等）、粘结剂（聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯甲基丙烯酸等）、塑化剂（苯甲酸酯类增塑剂、邻苯二甲酸丁苄酯等）进行混合球磨，流延得到氧化锆对称层3和氧化锆功能层13。

将一定图样的加热器5沉积氧化铝基体层4的上表面，并通过位于氧化铝基体层4一端底部的预留孔洞001连接到电极引脚1。

氧化锆对称层3的下表面中，除预留孔洞001以外的全部区域上，沉积氧化铝绝缘层2，并且在氧化铝绝缘层2底部的预留孔洞001处沉积电极引脚1。

在氧化铝基体层10的上表面沉积石墨层，石墨层灼烧消失后形成参比气道11。

在氧化锆功能层13的上下表面分别沉积铂活性电极，从而形成内敏感电极12和外敏感电极14，内敏感电极通过与上述预留孔洞001结构相似的预留孔洞002连接到电极引脚16。

在氧化锆功能层13上表面中，除外敏感电极14的头部和预留孔洞002以外的全部区域上，沉积氧化铝绝缘层15，并且在积氧化铝绝缘层15上表面一端的预留孔洞002处沉积电极引脚16，而在外敏感电极14上表面沉积敏感电极保护层17。

将氧化锆对称层3、氧化铝基体层4、6-10、氧化锆功能层13进行高压压制，然后在1000～1500℃下烧结4小时。

在烧结后的陶瓷氧传感器S的电极引脚1之间接入加热电压，在电极引脚16之间接入电压表，引出信号电压。

根据上述方法得到的平板式陶瓷氧传感器形成为上下对称的结构，可以有效避免因为氧化铝与氧化锆烧结收缩及热膨胀不匹配引起的弯曲和翘曲，还可防止电极引脚引起的漏电发生，具有平整度高、无翘曲、工艺简单、性能稳定等突出效果，适于工业应用。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种平板式陶瓷氧传感器，具有：电极引脚、加热器、多个氧化铝基体层、参比气道、内敏感电极、氧化锆功能层、外敏感电极、和敏感电极保护层；

还具有：与所述氧化锆功能层在堆叠方向上对称地配置的氧化锆对称层、和分别位于堆叠方向上下两侧的氧化铝绝缘层。

2.根据权利要求1所述的平板式陶瓷氧传感器，其特征在于，于堆叠方向由下至上依次具有第一电极引脚、第一氧化铝绝缘层、所述氧化锆对称层、多个所述氧化铝基体层、所述参比气道、所述内敏感电极、所述氧化锆功能层、所述外敏感电极、第二氧化铝绝缘层、第二电极引脚和所述敏感电极保护层，其中所述加热器位于最下层的所述氧化铝基体层的上表面。

3.根据权利要求1所述的平板式陶瓷氧传感器，其特征在于，位于堆叠方向上侧的所述氧化铝绝缘层未覆盖所述外敏感电极。

4.根据权利要求1所述的平板式陶瓷氧传感器，其特征在于，所述氧化铝绝缘层为厚度不大于100μm的薄层，所述氧化锆对称层、所述氧化铝基体层、所述氧化锆功能层厚度不低于100μm。

5.根据权利要求4所述的平板式陶瓷氧传感器，其特征在于，所述氧化铝绝缘层的厚度为20～80μm。

6.根据权利要求4所述的平板式陶瓷氧传感器，其特征在于，所述氧化锆对称层和所述氧化锆功能层的厚度为150～300μm。

7.根据权利要求4所述的平板式陶瓷氧传感器，其特征在于，所述氧化铝基体层的厚度为600-1200μm。

8.根据权利要求1所述的平板式陶瓷氧传感器，其特征在于，各氧化铝层（包含氧化铝基体层及氧化铝绝缘层）中使用的氧化铝为阿尔法氧化铝。

9.根据权利要求1所述的平板式陶瓷氧传感器，其特征在于，各氧化锆层中使用的氧化锆粉体主要由不同粒径等级的钇稳定氧化锆颗粒以及助烧剂组成。

10.根据权利要求9所述的平板式陶瓷氧传感器，其特征在于，所述氧化锆粉体主要由一级钇稳定氧化锆粉体、二级钇稳定氧化锆粉体以及助烧剂组成。