CN110308190A - 一种带扩散障片式氧传感器芯片 - Google Patents

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张文振
徐斌
应俊
陈瑶
孔德方
吴启凡
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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
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells

Abstract

本发明公开了一种带扩散障片式氧传感器芯片，其特征是包括扩散障一、泵氧池外电极、泵氧池层、泵氧池内电极、测试空腔、中间层、参比池内电极、参比池层、参比池外电极和扩散障二共同组成芯片整体，所述扩散障一和扩散障二处的芯片整体从上到下共有九层，所述泵氧池层、中间层和参比池层都有氧化锆陶瓷电解质制成，所述泵氧池外电极、泵氧池内电极、参比池内电极和参比池外电极都为铂电极薄片层。本发明整体结构简单，感测灵敏度高，生产工艺容易控制，氧传感器芯片整体抗热振效果好，解决了普通氧传感器芯片大多通过异质烧结而成，由于异质在热振时膨胀系数不同，使得片式传感器芯片的热振效果差，加工工艺复杂的问题。

Description

一种带扩散障片式氧传感器芯片
技术领域
本发明涉及芯片，具体属于一种带扩散障片式氧传感器芯片。
背景技术
汽车氧传感器主要分为片式氧传感器和管式氧传感器，其中片式汽车氧传感器是新发展的一种氧传感器，具有加热快，响应时间短的优点。这种传感器能够借助ECU控制汽车发动机喷油器喷油量的增减，从而调整混合气的空燃比(用A/F表示是空气与汽油的质量比)在理论值14.7附近。此外，如果汽车发动机空燃比达到14.7:1以上时，此时发动机内汽油的燃烧效率更高，经济环保，还能提高汽车发动机的动力输出，此时配套对应的汽车氧传感器为极限电流型氧传感器。此类氧传感器中的核心部件是氧传感器芯片，氧传感器芯片的质量好坏与否，对氧传感器整体效果起决定性作用。
国内外关于此类氧传感器芯片的技术研究，已有些报道。如专利CN201010261524.8公开了一种极限电流型氧传感器，包括电解质层、致密扩散障层、正集电极层和负集电极层，正集电极层设置在电解质层下表面，特点是电解质层和致密扩散障层为同一种材料，均为氧化锆基陶瓷或氧化铈基陶瓷，负集电极层设置在电解质层和致密扩散障层之间，用于分隔电解质层和致密扩散障层，致密扩散障层上表面设置有等电位电极层，等电位电极层和负集电极层由一条导线相连接，优点在于在烧结过程中不会出现陶瓷的开裂、起翘、分离等问题，使用过程中传感器不易开裂，致密扩散障层的密封性好，氧传感器的测氧能力强。再如专利US6569303B1具有内外电极、感应层氧化锆、扩散障和空气槽等结构，空气槽能够提供参比氧，空气槽有氧化铝材料制成，感应层氧化锆和空气槽层氧化铝通过异质共烧结而成。但是这些氧传感器芯片，在实际使用过程中：CN201010261524.8公开的氧传感器存在，负集电极层与电解质层致密扩散障层之间整体材质不同，通过氧化铝和氧化锆异质共烧结制成；US6569303B1公开的氧传感器存在，感应层和空气槽层之间制作材料不同，也是通过氧化铝和氧化锆异质共烧结制成。此类氧传感器芯片都采用异质共烧结制成后，由于氧化铝和氧化锆在加热或温度升高后振动(简称热振)时，相互之间的膨胀系数不同，容易出现微裂纹，使得此类氧传感器芯片的抗热振效果差，同时还存在整体加工工艺复杂的缺点。为此，我公司通过自主研发制造了一种带扩散障片式氧传感器芯片。
发明内容
本发明提供一种带扩散障片式氧传感器芯片，通过对芯片主体、扩散障、泵氧池层、中间层、参比池层及配套的内外电极的整体研发及优化设计组合，突破了此类氧传感器芯片关键生产工艺和技术，打破了国外公司对氧传感器芯片生产制造的严格保密统治。同时，本发明整体结合紧密，整体结构简单，感测灵敏度高，生产工艺容易控制，氧传感器芯片整体抗热振效果好。
本发明所采用的技术方案如下：
一种带扩散障片式氧传感器芯片，其特征是包括扩散障一、泵氧池外电极、泵氧池层、泵氧池内电极、测试空腔、中间层、参比池内电极、参比池层、参比池外电极和扩散障二共同组成芯片整体，扩散障一位于泵氧池外电极端部的电极上方，泵氧池外电极嵌装在泵氧池层的上表面上，扩散障一与泵氧池外电极泵氧池层相互连接形成一个整体，泵氧池内电极整体嵌装在泵氧池层的下表面，泵氧池内电极嵌装在泵氧池层下表面的位置与泵氧池外电极嵌装在泵氧池层上表面的位置相互对应，泵氧池层的下表面与中间层的上表面接触连接为一体，中间层的下表面与参比池层的上表面相互接触连接为一体，中间层的中间区域有测试空腔，泵氧池内电极的端部位于测试空腔的上表面内，参比池内电极的端部位于测试空腔的下表面内，参比池内电极整体嵌装在参比池层的上表面，参比池外电极整体嵌装在参比池层的下表面，参比池内电极嵌装在参比池层上表面的位置与参比池外电极嵌装在参比池层下表面的位置相互对应，扩散障二位于参比池外电极端部的电极下方，扩散障二与参比池外电极参比池层相互连接形成一个整体。
优选地，所述扩散障一和扩散障二处的芯片整体从上到下共有九层，除扩散障一和扩散障二处以外的芯片整体从上到下共有七层。
优选地，所述泵氧池层、中间层和参比池层都有氧化锆陶瓷电解质制成，芯片整体在同一烧结温度曲线下共烧成形。
优选地，所述泵氧池外电极、泵氧池内电极、参比池内电极和参比池外电极都为铂电极薄片层。
与已有技术相比，本发明的有益效果如下：
通过对芯片主体、扩散障、泵氧池层、中间层、参比池层及配套的内外电极整体研发及主体优化设计，制造出一种带扩散障片式氧传感器芯片，该芯片整体结合紧密，无断裂、分层、翘曲和脱落缺陷，同时保证各层功能都能实现，本发明芯片整体结合紧密，整体结构简单，感测灵敏度高，生产工艺容易控制，氧传感器芯片整体抗热振效果好。突破了氧传感器芯片关键生产工艺和技术，打破了国外公司对氧传感器芯片生产制造的严格保密统治。
附图说明
图1为本发明芯片整体示意图；
图2为本发明芯片沿泵氧池外电极端部A-A方向垂直纵向剖切面整体示意图；
图3为本发明芯片中不同层整体爆炸结构示意图；
图4为本发明芯片实际使用过程中泵氧池外电极与泵氧池内电极(4)之间的泵电流I(用IP表示)，和泵氧池外电极与泵氧池内电极之间的每个泵电流I(用IP表示)对应一个空燃比数值(用A/F表示)，用A/F作为坐标纵轴(无单位)，IP作为坐标横轴(单位为毫安mA)，进行实际数据跟踪检测作图。
具体实施方式
参见附图，一种带扩散障片式氧传感器芯片，其特征是包括扩散障一(1)、泵氧池外电极(2)、泵氧池层(3)、泵氧池内电极(4)、测试空腔(6)、中间层(5)、参比池内电极(7)、参比池层(8)、参比池外电极(9)和扩散障二(10)共同组成芯片整体(11)，扩散障一(1)位于泵氧池外电极(2)端部的电极上方，泵氧池外电极(2)嵌装在泵氧池层(3)的上表面上，扩散障一(1)与泵氧池外电极(2)泵氧池层(3)相互连接形成一个整体，泵氧池内电极(4)整体嵌装在泵氧池层(3)的下表面，泵氧池内电极(4)嵌装在泵氧池层(3)下表面的位置与泵氧池外电极(2)嵌装在泵氧池层(3)上表面的位置相互对应，泵氧池层(3)的下表面与中间层(5)的上表面接触连接为一体，中间层(5)的下表面与参比池层(8)的上表面相互接触连接为一体，中间层(5)的中间区域有测试空腔(6)，泵氧池内电极(4)的端部位于测试空腔(6)的上表面内，参比池内电极(7)的端部位于测试空腔(6)的下表面内，参比池内电极(7)整体嵌装在参比池层(8)的上表面，参比池外电极(9)整体嵌装在参比池层(8)的下表面，参比池内电极(7)嵌装在参比池层(8)上表面的位置与参比池外电极(9)嵌装在参比池层(8)下表面的位置相互对应，扩散障二(10)位于参比池外电极(9)端部的电极下方，扩散障二(10)与参比池外电极(9)参比池层(8)相互连接形成一个整体。
优选地，所述扩散障一(1)和扩散障二(10)处的芯片整体(11)从上到下共有九层，除扩散障一(1)和扩散障二(10)处以外的芯片整体(11)从上到下共有七层。
优选地，所述泵氧池层(3)、中间层(5)和参比池层(8)都有氧化锆陶瓷电解质制成，芯片整体(11)在同一烧结温度曲线下共烧成形。
优选地，所述泵氧池外电极(2)、泵氧池内电极(4)、参比池内电极(7)和参比池外电极(9)都为铂电极薄片层。
其中，本发明中扩散障一(1)和扩散障二(10)，对泵氧池外电极(2)和参比池外电极(9)附近的氧气浓度起到调节作用；泵氧池层(3)、中间层(5)和参比池层(8)都有氧化锆陶瓷电解质制成；泵氧池外电极(2)、泵氧池内电极(4)、参比池内电极(7)和参比池外电极(9)都为铂电极薄片层；工作时泵氧池层(3)将测试空腔(6)内的氧气泵出或泵入，形成被外界电流检测到的电流I。此时在参比池内电极(7)和参比池外电极(9)之间形成一个电势差，与事先设定的电压450mv进行对比，如果参比池内电极(7)和参比池外电极(9)之间的电势差低于450mv，芯片整体(11)外接的外电路启动泵氧池层(3)向测试空腔(6)内泵氧；如果参比池内电极(7)和参比池外电极(9)之间的电势差大于450mv，芯片整体(11)外接的外电路启动泵氧池层(3)向外部泵氧。同时，芯片整体(11)外接的外电路收集泵氧池外电极(2)与泵氧池内电极(4)之间的泵电流I(用IP表示)，泵氧池外电极(2)与泵氧池内电极(4)之间的每个泵电流I(用IP表示)对应一个空燃比数值(用A/F表示)。初始化时，设定芯片整体(11)外接的外电路收集泵氧池外电极(2)与泵氧池内电极(4)之间的泵电流I(用IP表示)，和泵氧池外电极(2)与泵氧池内电极(4)之间的每个泵电流I(用IP表示)对应一个空燃比数值(用A/F表示)为14.7，对本发明芯片整体(11)进行制作氧传感器后，整体安装到汽车发动机相应的位置；对有本发明芯片整体(11)制作的氧传感器，进行实际使用过程中泵氧池外电极(2)与泵氧池内电极(4)之间的泵电流I(用IP表示)，和泵氧池外电极(2)与泵氧池内电极(4)之间的每个泵电流I(用IP表示)对应一个空燃比数值(用A/F表示)，进行实际数据跟踪检测作图(如图4所示)。
从(图4)中能够看出，有本发明芯片整体(11)制作的氧传感器，在实际安装到汽车发动机相应的位置使用时，实际使用过程中泵氧池外电极(2)与泵氧池内电极(4)之间的泵电流I(用IP表示)，和泵氧池外电极(2)与泵氧池内电极(4)之间的每个泵电流I(用IP表示)对应一个空燃比数值(用A/F表示)，之间的比例大于或等于14.7，说明此时汽车发动机空燃比达到14.7:1以上，此时发动机内汽油的燃烧效率更高，经济环保，提高了汽车发动机的动力输出。同时，本发明氧传感器芯片整体(11)结合紧密，无断裂、分层、翘曲和脱落缺陷，能够保证各层功能都能实现，本发明芯片整体(11)结合紧密，整体结构简单，感测灵敏度高，生产工艺容易控制，氧传感器芯片整体(11)抗热振效果好。本发明突破了氧传感器芯片的关键生产工艺和技术，打破了国外公司对氧传感器芯片生产制造的严格保密统治。

Claims (4)

1.一种带扩散障片式氧传感器芯片，其特征是包括扩散障一、泵氧池外电极、泵氧池层、泵氧池内电极、测试空腔、中间层、参比池内电极、参比池层、参比池外电极和扩散障二共同组成芯片整体，扩散障一位于泵氧池外电极端部的电极上方，泵氧池外电极嵌装在泵氧池层的上表面上，扩散障一与泵氧池外电极泵氧池层相互连接形成一个整体，泵氧池内电极整体嵌装在泵氧池层的下表面，泵氧池内电极嵌装在泵氧池层下表面的位置与泵氧池外电极嵌装在泵氧池层上表面的位置相互对应，泵氧池层的下表面与中间层的上表面接触连接为一体，中间层的下表面与参比池层的上表面相互接触连接为一体，中间层的中间区域有测试空腔，泵氧池内电极的端部位于测试空腔的上表面内，参比池内电极的端部位于测试空腔的下表面内，参比池内电极整体嵌装在参比池层的上表面，参比池外电极整体嵌装在参比池层的下表面，参比池内电极嵌装在参比池层上表面的位置与参比池外电极嵌装在参比池层下表面的位置相互对应，扩散障二位于参比池外电极端部的电极下方，扩散障二与参比池外电极参比池层相互连接形成一个整体。
2.根据权利要求1所述的一种带扩散障片式氧传感器芯片，其特征在于所述扩散障一和扩散障二处的芯片整体从上到下共有九层，除扩散障一和扩散障二处以外的芯片整体从上到下共有七层。
3.根据权利要求1所述的一种带扩散障片式氧传感器芯片，其特征在于所述泵氧池层、中间层和参比池层都有氧化锆陶瓷电解质制成，芯片整体在同一烧结温度曲线下共烧成形。
4.根据权利要求1所述的一种带扩散障片式氧传感器芯片，其特征在于所述泵氧池外电极、泵氧池内电极、参比池内电极和参比池外电极都为铂电极薄片层。
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