CN110297033A - 一种民用空燃比传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种民用空燃比传感器芯片及民用空燃比传感器，包括：固体电解质层，上表面设置有外电极，下表面设置有内电极；扩散基体层，设置于所述固体电解质层的下方；加热器层，设置于所述扩散基体层的下方；多孔扩散障碍层，设置于所述扩散基体层上，并覆盖于所述内电极的表面，且该多孔扩散障碍层具有能相互连通的气孔，使气体有一定障碍地由扩散基体层外侧引入至所述内电极处。本发明传感器芯片带多孔扩散障碍层结构，精度高、测量范围广、结构简单且成本低。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种传感器及其制备方法，特别涉及一种民用空燃比传感器芯片的结构及其制备方法。
【背景技术】
用来测量内燃机排气中的氧含量的传感器被大家广为熟知。测量氧含量的气体传感器按输出特性主要分为窄域型和宽域型，窄域型利用氧化锆固体电解质的能斯特原理，虽然能确认排气中的氧含量是浓还是稀，但不能做精确的判断。宽域型利用极限电流技术能够实现对氧含量的线性控制，精确判断排气中的氧含量的具体值。
近几年在一些医疗、育婴箱、发酵设备、培养箱、食品包装、空气质量监测等领域，检测气体中氧含量的气体传感器得以广泛应用。但现有窄域型传感器无法满足氧含量具体含量的检测要求，而现有宽域型传感器因涉及还原和氧化两种气氛下的气体含量的测量，使得结构复杂，生产成本较高，同时无法实现对氧的全浓度范围检测。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题，在于提供一种民用空燃比传感器芯片及民用空燃比传感器，带多孔扩散障碍层结构，精度高、测量范围广、结构简单且成本低。
一方面，本发明所提供的民用空燃比传感器芯片是这样实现的：一种民用空燃比传感器芯片，包括：
固体电解质层，上表面设置有外电极，下表面设置有内电极；
扩散基体层，设置于所述固体电解质层的下方；
加热器层，设置于所述扩散基体层的下方；
多孔扩散障碍层，设置于所述扩散基体层上，一端覆盖于所述内电极的表面，另一端延伸至所述扩散基体层的边缘处，且该多孔扩散障碍层具有能相互连通的气孔，使气体有一定障碍地由扩散基体层外侧引入至所述内电极处。
进一步的，本发明中还可以是：
所述多孔扩散障碍层的气孔率在10％～40％之间。
所述多孔扩散障碍层包括一扩散部和一引入部，所述扩散部覆盖于所述内电极的表面，所述引入部的一端连接于所述扩散部，另一端延伸至所述扩散基体层的边缘处，且所述引入部为直线型、L型和往复回折型的薄片状结构。
所述固体电解质层还具有一多孔保护层，该多孔保护层覆盖于所述外电极的表面。
另一方面，本发明所提供的民用空燃比传感器是这样实现的：一种民用空燃比传感器，具有如上所述的本发明的民用空燃比传感器芯片。
本发明的优点在于：
1、测量精度高，通过多孔扩散障碍层对进入内电极侧的气体进行限制，气流稳定，输出信号波动小、稳定性高，可实现高精度控制；
2、可进行全浓度范围检测，通过控制多孔扩散障碍层材料气孔率，多孔扩散障碍层的扩散截面积、扩散距离，可以实现不同的极限电流输出范围。这样可根据不同的应用领域、不同的氧含量，选择不同的输出电流范围，从而实现高精度、全浓度范围的检测；
3、绝缘性强，基体层和加热器层均采用绝缘性优越的氧化铝材料，能避免加热器回路中的电流对固体电解质层的输出信号产生干扰；
4、保护性强，外电极、内电极分别通过多孔保护层、多孔扩散障碍层与测试气体接触，多孔保护层可吸附测试气体中的颗粒物以及部分水汽，从而起到保护电极及装置的作用，使得装置寿命长；
5、成本低，整个装置使用时是置于整个气氛中，相比较于内燃机使用的宽域型气体传感器，体积更小，使用的铂金浆料用量可大大降低，具有可观的市场竞争力。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明传感器芯片的整体示意图。
图2是本发明传感器芯片的工作原理框图。
图3是本发明传感器芯片的爆炸示意图。
图4是本发明中多孔扩散障碍层的几种纵截面的结构示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1至图3所示，本发明的民用空燃比传感器芯片100，包括：
固体电解质层1，上表面设置有外电极11，下表面设置有内电极12；还具有一多孔保护层13，该多孔保护层13覆盖于所述外电极12的表面。
扩散基体层2，设置于所述固体电解质层1的下方；
加热器层3，设置于所述扩散基体层2的下方；
多孔扩散障碍层4，设置于所述扩散基体层2上，一端覆盖于所述内电极12的表面，另一端延伸至所述扩散基体层2的边缘处，且该多孔扩散障碍层4具有能相互连通的气孔42，使气体有一定障碍地由扩散基体层外侧引入至所述内电极12处。
其中，具体而言：
所述固体电解质层1为氧化钇部分稳定的氧化锆材料(YSZ)层，上表面通过丝网印刷设置有所述外电极11、外电极引线112、两外个电极引脚114以及所述多孔保护层13；下表面通过丝网印刷设置有内电极12、内电极引线122，内电极12通过内电极引线122再到过孔15实现与内电极引脚123相连，外电极11通过外电极引线112与外电极引脚114相连，两外电极引脚114实现信号的对外输出，同时多孔保护层13完全覆盖住外电极11和外电极引线112且不覆盖电极引脚114。所述固体电解质层1是利用能斯特原理，在高温条件下电极催化氧离子，氧离子通过固体电解质材料起到传导，从而在外电极引脚114间产生信号并往外界输出。
所述扩散基体层2为氧化铝材料层，其作用之一是起到绝缘作用，使得加热器的信号不会干扰固体电解质层1，作用之二是作为多孔扩散障碍层4的支撑。
所述加热器层3为氧化铝材料层，上表面设置有加热器31、加热器引线32，下表面设置有加热器引脚33，加热器31通过加热器引线32与加热器引脚33相连，从而实现外接电压的输入。加热器层3的作用是为了给传感器提供热源，使得固体电解质层1达到所需的工作温度，如700℃。
所述多孔扩散障碍层4是由丝印多孔扩散浆料形成于扩散基体层2的氧化铝流延片上，其中多孔扩散浆料是采用与氧化铝流延片中相同的高纯氧化铝粉体作为陶瓷基体，氧化铝陶瓷粉料42～57份，造孔剂5～20份，粘结剂7份，分散剂1份，溶剂30份。
多孔扩散障碍层4的气孔率在10％～40％之间，气孔率越大，气体的扩散能力就越强，输出极限电流IP也就越大。
所述多孔扩散障碍层4包括一扩散部41和一引入部42，所述扩散部41覆盖于所述内电极12的表面，所述引入部42的一端连接于所述扩散部41，另一端延伸至所述扩散基体层2的边缘处，且所述引入部42为薄片状结构。
所述引入部42可依据输出极限电流IP的不同要求设计成不同形状，例如图3中的(a)纵截面为直线型、(b)L型和(c)往复回折型的薄片状结构，其中，直线型的路径较短，L型的路径居中，往复回折型的路径较长，即：所述引入部42的路径长度的设计尺寸随着所述极限电流IP的增大而减少。通过引入部42路径长短的控制，可以控制氧离子的扩散距离，结合横截面积(即扩散截面积)的控制，这样可根据不同的应用领域、不同的氧含量，选择不同的输出电流范围，满足不同的极限电流IP的设计要求，从而实现高精度、全浓度范围的检测。
另一方面，将上述的民用空燃比传感器芯片进行装配，形成民用空燃比传感器，即实现了本发明的民用空燃比传感器。
本发明的工作原理：
如图2所示，使用时，将整个传感器装配后置于测试气体中，加热器31通电后发热使得固体电解质层1达到工作温度，在内电极12、外电极11之间施加电压U，氧气通以氧离子的形式从固体电解质层1的内电极侧泵到外电极侧。随着电压U的增加，电极间的电流值I先增加，之后多孔扩散障碍层4的存在限制了气体的进入而使电流饱和，这种饱和电流被称为极限电流Ip，几乎与环境氧浓度成正比，如公式(1)所示。
F:法拉第常数；R:气体常数；T:绝对温度；D:O2扩散常数；s:多孔扩散障碍层截面积；β:多孔扩散障碍层材料气孔率；l:扩散距离；P(O2):测试气体中氧浓度。
这样的话，传感器输出电流和对应的氧浓度就有对应关系，从而达到了检测的目的。由于生产的误差，每个传感器必须单独校准。传感器因它的应用范围不同而有所差异，主要由工作电压和输出电流范围决定。
本发明的一实施例可采用以下步骤制得：
1、流延：将高纯氧化铝粉体中添加一定量的溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等辅料在球磨罐中球磨混合制成均匀体系的浆料，经脱泡后在流延机制成厚度在100～300μm左右的氧化铝流延片，用作加热器层3和扩散基体层2。其中，溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量份分别是：氧化铝粉体42～57份；溶剂：乙醇10～20份，二甲苯10～20份；分散剂：山梨坦单油酸酯0.5～1.5份；粘结剂：聚乙烯醇缩丁醛树脂7～10份；增塑剂：邻苯二甲酸酯0.5～2份。
同样的，将高纯氧化锆、氧化钇粉体中添加一定量的溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂在球磨罐中球磨混合制成均匀体系的浆料，经脱泡后在流延机制成固体电解质流延片；氧化锆粉体、氧化钇粉体、溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂的质量份分别是：氧化锆粉体34～49份；氧化钇粉体8～10份；溶剂：乙醇10～20份，二甲苯10～20份；分散剂：山梨坦单油酸酯0.5～1.5份；粘结剂：聚乙烯醇缩丁醛树脂7～10份；增塑剂：邻苯二甲酸酯0.5～2份；且制得的所述氧化铝流延片厚度在100～300μm。
2、冲孔：采用机械冲孔的方式分别将一片氧化铝流延片、一片固体电解质流延片进行冲孔，得到过孔15，分别形成加热器层3和固体电解质层1，孔径为0.3mm，孔数为2个，过孔15起到流延片上下面电路导通的作用。
3、丝印：采用丝网印刷技术在加热器层3流延片上丝印加热器31及加热器引线、加热器引脚33，在固体电解质层1上丝印内电极12及内电极引线122、外电极11及外电极引线112、电极引脚124。所述内电极12、外电极11、内电极引线122、外电极引线112、电极引脚124、加热器3和加热器引脚33均选用Pt浆料，根据不同用途选择不同成分的Pt浆料，本实施例中内电极12、外电极11所用浆料中含有氧化锆、氧化钇成分，其它浆料中含有氧化铝成分。接着在丝印有外电极及引线112的固体电解质1上再丝印一层多孔保护层浆料，干燥后形成多孔保护层13，厚度为20～40μm，多孔保护层浆料材料是添加了碳粉造孔剂的氧化铝浆料，气孔率约15～40％。
特别的，需要在氧化铝流延片上丝印多孔扩散浆料形成扩散基体层2。多孔扩散浆料的要求比较高，不仅需满足扩散的气孔率要求，同时还需满足与氧化铝基体材料和固体电解质材料的结合强度、烧结匹配性要求。多孔扩散浆料气孔率为25％，多孔浆料采用与氧化铝流延片中相同的高纯氧化铝粉体作为陶瓷基体，氧化铝陶瓷粉料45～54份，造孔剂7～13份，粘结剂5～9份，散剂0.5～1.5份，溶剂24.5～42.5份(以氧化铝陶瓷粉料52份，造孔剂10份，粘结剂7份，分散剂1份，溶剂30份为佳)，经分散、三辊步骤制得多孔扩散浆料。
4、层压：依次将丝印好的流延片，按加热器层3、扩散基体层2、固体电解质层1依次叠加在一起，经过等静压压合后得到层压品素坯。
5、切割：通过切割机将层压素坯切割成需要的尺寸，得到样品元件素坯。
6、排胶烧结：将上述芯片素坯置于排胶烧结炉中进行排胶烧结。为防止排胶阶段素坯中的粘结剂、增塑剂等有机物急剧分解膨胀时从而内部应力增加，导致发生开裂和分层等结构缺陷，在排胶阶段采用速率2℃～3℃/min，且分别在增塑剂和粘结剂挥发剧烈的温度点180℃和240℃进行保温30min～120min(以60min为佳)，整个排胶阶段时间48h。排胶烧结在常压大气条件下进行，烧结温度为1470℃，时间为2h。
通过以上步骤制得的民用空燃比传感器芯片可实现测量精度高、全浓度范围检测、绝缘性强、保护性强等有益效果。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种民用空燃比传感器芯片，其特征在于：包括：
固体电解质层，上表面设置有外电极，下表面设置有内电极；
扩散基体层，设置于所述固体电解质层的下方；
加热器层，设置于所述扩散基体层的下方；
多孔扩散障碍层，设置于所述扩散基体层上，一端覆盖于所述内电极的表面，另一端延伸至所述扩散基体层的边缘处，且该多孔扩散障碍层具有能相互连通的气孔，使气体有一定障碍地由扩散基体层外侧引入至所述内电极处。
2.如权利要求1所述的一种民用空燃比传感器芯片，其特征在于：
所述多孔扩散障碍层的气孔率在10％～40％之间。
3.如权利要求1所述的一种民用空燃比传感器芯片，其特征在于：
所述多孔扩散障碍层包括一扩散部和一引入部，所述扩散部覆盖于所述内电极的表面，所述引入部的一端连接于所述扩散部，另一端延伸至所述扩散基体层的边缘处，且所述引入部为直线型、L型和往复回折型的薄片状结构。
4.如权利要求1所述的一种民用空燃比传感器芯片，其特征在于：所述固体电解质层还具有一多孔保护层，该多孔保护层覆盖于所述外电极的表面。
5.一种民用空燃比传感器的其制备方法，其特征在于：用于制备如权利要求1至4任一项所述的民用空燃比传感器芯片，包括下述步骤：
S1、流延：将高纯氧化铝粉体中添加一定量的溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂在球磨罐中球磨混合制成均匀体系的浆料，经脱泡后在流延机制成氧化铝流延片；
将高纯氧化锆、氧化钇粉体中添加一定量的溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂在球磨罐中球磨混合制成均匀体系的浆料，经脱泡后在流延机制成固体电解质流延片；
S2、冲孔：将制得的一片所述氧化铝流延片、一片所述固体电解质流延片进行冲孔，得到过孔，分别形成所述加热器层和所述固体电解质层；
S3、丝印：采用丝网印刷技术在所述加热器层流延片上丝印加热器及加热器引线和加热器引脚；
在固体电解质层上丝印内电极及内电极引线、外电极及外电极引线、电极引脚；
在另一所述氧化铝流延片上丝印多孔扩散浆料，形成扩散基体层；
S4、层压：依次将丝印好的加热器层、扩散基体层、固体电解质层依次叠加在一起，经过等静压压合后得到层压品素坯；
S5、切割：通过切割机将层压素坯切割成需要的尺寸，得到芯片素坯；
S6、排胶烧结：将所述芯片素坯置于排胶烧结炉中进行排胶烧结。
6.根据权利要求5所示的一种民用空燃比传感器的其制备方法，其特征在于：
所述步骤S1在制备所述氧化铝流延片时，氧化铝粉体、溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂的质量份分别是：
氧化铝粉体42～57份；
溶剂：乙醇10～20份，二甲苯10～20份；
分散剂：山梨坦单油酸酯0.5～1.5份；
粘结剂：聚乙烯醇缩丁醛树脂7～10份；
增塑剂：邻苯二甲酸酯0.5～2份；
且制得的所述氧化铝流延片厚度在100～300μm。
所述步骤S1在制备所述固体电解质流延片时，氧化锆粉体、氧化钇粉体、溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂的质量份分别是：
氧化锆粉体34～49份；
氧化钇粉体8～10份
溶剂：乙醇10～20份，二甲苯10～20份；
分散剂：山梨坦单油酸酯0.5～1.5份；
粘结剂：聚乙烯醇缩丁醛树脂7～10份；
增塑剂：邻苯二甲酸酯0.5～2份；
且制得的所述氧化铝流延片厚度在100～300μm。
7.根据权利要求5所示的一种民用空燃比传感器的其制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述多孔扩散浆料是由下述质量份的各成份经分散、三辊步骤制得：
氧化铝陶瓷粉料45～54份；
造孔剂7～13份；
粘结剂5～9份；
分散剂0.5～1.5份；
溶剂24.5～42.5份。
8.根据权利要求5所示的一种民用空燃比传感器的其制备方法，其特征在于：所述步骤S3还包括：在丝印有外电极和外电极引线的所述固体电解质层上再丝印一层多孔保护层浆料，干燥后形成所述多孔保护层，所述多孔保护层厚度为20μm～40μm，所述多孔保护层浆料是添加了碳粉造孔剂的氧化铝浆料，气孔率为15％～40％。
9.根据权利要求5所示的一种民用空燃比传感器的其制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，
所述排胶阶段采用2℃～3℃/min升温速率进行，且在增塑剂挥发剧烈温度点180℃附近和粘结剂挥发剧烈温度点240℃附近进行保温30min～120min，整个排胶阶段时间48h；
所述烧结是在常压大气条件下进行，烧结温度为1470℃，时间为2h。
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