CN111103326A

CN111103326A - 一种片式氧传感器芯片的制造方法

Info

Publication number: CN111103326A
Application number: CN201911335312.7A
Authority: CN
Inventors: 于金营
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Science and Technology WHUST
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-05-05

Abstract

本发明公开了一种片式氧传感器芯片的制造方法，其结构为上层功能片、中间通道形成片和下层片，依次叠层热压制作成一整体，上片集成传感单元和加热电阻，加热电阻和外电极在上片平面上交错印刷在芯片头部区域，各自通过引线与引脚连接，并在底层印刷双层绝缘层从而形成对称绝缘。本发明的方法消除了在中片和下片之间印刷上下绝缘层对芯片整体强度的影响，使得芯片最终强度提高；降低了单侧弯曲变形的影响；没有加热电阻的穿层导电孔，工艺简单，绝缘效果更好，整体制造成本进一步降低。

Description

一种片式氧传感器芯片的制造方法

技术领域

本发明涉及一种片式氧传感器芯片的制造方法，属于传感器技术领域。片式氧传感器应用于汽车发动机电喷系统中。

背景技术

汽车尾气排放对环境造成的污染是大气污染的主要来源，现在采取的主要技术路线是以氧传感器检测尾气氧含量为核心电喷系统，控制发动机的空燃比在理论空燃比(14.7±0.2)附近，尾气通过三元催化转化器能高效地转化为无害气体，最大限度地降低污染。目前汽车上采用的氧传感器主要是氧化锆氧传感器。氧化锆氧传感器可分为加热型和非加热型，加热型的又有管状和片状两种之分。目前市面上管状带加热棒的传感器，其缺点是加热棒和传感器不是一整体而是组装而成，工作过程中热效率不高，升温慢从而响应时间长，控制效果差。片式氧传感器和管状氧传感器工作原理一样，也是基于氧浓差电池的原理，在高温下，氧化锆是氧离子导体，高氧势一侧的氧以O^2-经氧化锆中的氧空位向低氧势侧迁移形成离子电导，产生浓差电势，空燃比的变化引起氧电动势的变化以Nernst 公式来表征：

片式氧传感器主要是把传感器片、中间片和加热片集成为一个整体，中间片含有一端封闭的空气通道。

目前平板式氧传感器通常的制造方法是：

1.以专利200420079906.9为代表，采用模具注射成型或干压方法制备传感器片、中间片和加热片的坯片。然后坯片置高温炉中烧结。在已烧制好的传感器薄片表面涂覆铂电极，在加热片上涂覆加热铂电阻，用密封胶把烧制好的传感器片、中间片和加热片结合在一起放入高温炉中烧结密封。

此方法的不足之处是：坯片太脆，成品率低，烧结易变形，密封困难，而且其耐震性和耐热冲击性都很差，所以是一种成本很高而性能较差的制造方法。

2.以专利200610027667.6为代表，采用轧膜成型方法制备传感器片、中间片和加热片的基片。然后在冲压机上冲成坯片，坯片金属化处理，整体制作，排胶烧结。

此方法的不足之处是：轧膜成型容易引入杂质，同时所成型基片的应力较大，厚度均匀性较差，气泡较多，致密性较差。另外在冲压机上冲成坯片也容易引入新的应力，这些应力会导致最终烧结发生变形的几率增加，密封困难，成品率低。

3.以专利200710051946.0为代表，采用流延成型方法制备传感器片、中间片和加热片的基片。然后印刷，叠层，排胶烧结。

此方法是目前主流制作方法，其不足之处在于：加热片上下绝缘，增加了制作工艺的难度，成品率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种片式氧传感器芯片的制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。片式氧传感器芯片结构为上层功能片、中间通道形成片和下层片，依次叠层热压制作成一整体；本发明方法是一种工艺流程简单，易于控制，成本低，性能更好，成品率更高的片式氧传感器芯片的制造方法。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：一种片式氧传感器芯片的制造方法，包括以下步骤：

A、制备流延浆料：将制备上层功能片、中间通道形成片和下层片的基材钇掺杂氧化锆陶瓷粉中加入分散剂、粘合剂、塑化剂和润滑剂，在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料；

B、流延：将流延浆料在流延机上经刮刀在衬带上刮成厚度均匀的膜片，干燥后脱膜；

C、叠片打孔：叠层设计相应厚度的上层功能坯片、中间通道形成坯片和下层坯片，分别用打孔机打上定位孔和工艺孔；

D、印刷：在上层功能坯片上印涂内外电极且在外电极的工作区印上保护层，在上层功能坯片与外电极部分交错印涂绝缘层、加热电阻和覆盖层，内电极通过小孔与外层的引脚相连接，外电极和加热电阻各自通过引线与引脚连接；中间通道形成坯片通过打孔的方式形成空气通道或通过印刷填充的方式形成空气通道；在下层坯片下印涂双层绝缘层，正好与上层坯片绝缘层形成对称绝缘；

E、叠层分切：将上层功能坯片、中间通道形成坯片和下层坯片依次定位三层叠压成整体，切割成单个片式氧传感器芯片坯；

F、排胶烧结：将氧传感器芯片坯装炉脱除有机物并烧结而得氧传感器芯片。

作为本发明进一步的方案，上层功能片、中间通道形成片和下层片基材的流延浆料制备方法为：在钇掺杂氧化锆陶瓷粉中加入占钇掺杂氧化锆陶瓷粉重量0～2％的分散剂、5～15％粘合剂、0～10％的塑化剂和0～10％的润滑剂，在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料。

作为本发明进一步的方案，所述步骤D具体为：上层功能片集成传感单元和加热电阻，加热电阻和外电极在上层功能片平面上交错印刷在芯片头部区域，各自通过引线与引脚连接；所述上层功能片印刷的外电极，直接印刷在上层功能片基片上，外电极上印刷保护层以防止尾气对芯片的污染；所述上层功能片印刷的加热电阻，必须在相应区域的底层印刷绝缘层，而且该绝缘层一直延伸到与加热电阻相连的引线和引脚，加热电阻引线上层也要印刷绝缘层，确保加热电阻不漏电；加热电阻印刷层的上面印刷覆盖层。

作为本发明进一步的方案，中间通道形成坯和下层片在打孔方式形成空气通道时分为两片，或在印刷方式形成空气通道时合为一片，且在总厚度上要满足芯片的强度要求和装配要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的制造方法工艺流程简单、容易控制，主要具有以下几个优点：

1.本发明是把加热电阻印刷在上片外电极区域，消除了在中片和下片之间印刷上下绝缘层对芯片整体强度的影响，使得芯片最终强度提高。

2.本发明加热电阻的绝缘印刷在芯片表层，没有穿层导电孔，工艺简单，绝缘效果更好。

3.本发明加热电阻上面印刷覆盖层，可以增强加热电阻对芯片的传热效果。

4.本发明在芯片最下层印涂双层绝缘层，与上层绝缘层形成对称绝缘，避免了加热时单侧弯曲变形的结果。

5.本发明中片和下片可以合一，工艺进一步简化，生产成本进一步降低。

附图说明

图1是本发明片式汽车氧传感器分层结构示意图。

图2是本发明片式汽车氧传感器芯片加热电阻和外电极布置图。

图3是本发明片式汽车氧传感器实施例2中的加热电阻和外电极布置图。

在图中：1－下层片；2－中间通道形成片；3－上层功能片；4－中片上空气通道；5－信号内电极；6－内电极引脚；7－外电极引脚；8－加热电阻引脚； 9－加热电阻绝缘层；10－加热电阻；11-信号外电极；12-加热电阻覆盖层；13-信号外电极的保护层14-引线绝缘层；15-双层绝缘层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。

实施例1

如图1、图2所示，氧传感器芯片结构为上层功能片(简称为上片3)、中间通道形成片(简称为中片2)和下层片(简称为下片1)，依次叠层热压制作成一整体，其制作工艺步骤包括：A、制备流延浆料：将制备上片、中间片和下片的基材钇掺杂氧化锆陶瓷粉中加入占陶瓷粉重量1.5％的分散剂三乙醇胺、10％粘合剂聚乙烯醇缩丁醛、5％的塑化剂邻苯二甲酸丁苄酯和5％的润滑剂聚乙二醇在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料；B、流延：将流延浆料在流延机上经刮刀在衬带上刮成厚度均匀的膜片，干燥后脱膜；C、叠片打孔：叠层设计厚度的上中下坯片，分别用打孔机打上定位孔和工艺孔；D、印刷：在上片3上印涂内电极 5和外电极11，且在外电极11的工作区印上保护层13，在上片与外电极部分交错印涂绝缘层9、加热电阻10和覆盖层12，内电极5通过小孔与外层的引脚6 相连接，外电极通过引线与外电极引脚7，加热电阻通过引线与加热电阻引脚8 连接，在此引线上印涂绝缘层14；中片通过打孔的方式形成空气通道4；下片1 下方印涂双层绝缘层15。E、叠层分切：将上片3、中片2和下片1依次定位三层叠压成整体，切割成单个片式氧传感器芯片坯；F、排胶烧结：将氧传感器坯装炉脱除有机物并烧结而得氧传感器芯片。

实施例2

氧传感器芯片结构简化为上层功能片、下层片，依次叠层热压制作成一整体，其工艺步骤与实施例1相同，上层功能片设计如图3所示，印刷步骤为：在上片3 上印涂内电极5和外电极11，在外电极11的工作区印上保护层13，在上片3与外电极11部分交错印涂绝缘层9、加热电阻10和覆盖层12，内电极5通过小孔与外层的引脚6相连接，外电极通过引线与外电极引脚7，加热电阻通过引线与加热电阻引脚8连接在此引线上印涂绝缘层14；在下片1上印刷形成空气通道4，并在下方印涂双层绝缘层15。其余与实施例1相同。

用本发明实施例1所制得的片式氧传感器芯片的性能测试；

(一)传感器芯片电性能测试；

1.对传感器芯片加热铂电阻进行测试，测试方法如下：

先用万用表通过引脚测试加热电阻的常温电阻值，然后将引脚接通在12V的直流电源上，用热电偶贴在上片探测发热温度，直到温度显示屏数字不再升高，用秒表记下所用时间，断开电源立即用万用表侧加热铂电阻的阻值并与这时所显示温度同步记录。反复进行多次，测试结果如表1所示：

表1

2.对传感器芯片在模拟汽车尾气环境中的电信号变化进行测试，测试方法如下：将所测氧传感器芯片装配好后置于模拟发动机排气口，开启模拟发动机，打开阀门使燃烧气体和空气进入燃烧室，对燃烧室进行点火燃烧。检测排气口尾气温度，当达到350℃时，用示波器测试氧传感器芯片信号输出端电压，调节阀门减少和增加空燃比，观察示波器波形的变化；结果如表2所示。

表2

(二)传感器芯片机械性能测试

通过对传感器芯片的抗弯强度试验；尾气密封程度试验；防水试验；振动试验，测试结果均合格。

(三)传感器芯片温度性能测试

通过对传感器芯片的热循环试验、热循环冲击试验，测试结果均合格，高温和低温存放试验其电性能和机械性能没有显著变化。

通过对测试结果数据分析，采用本发明的制造方法可以满足作为汽车尾气氧传感器的各种使用要求。本发明在制造过程中工艺流程简单，成本低，生产效率高，一次性成品合格率高，更容易达到使用要求。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种片式氧传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种片式氧传感器芯片的制造方法，其特征在于，上层功能片、中间通道形成片和下层片基材的流延浆料制备方法为：在钇掺杂氧化锆陶瓷粉中加入占钇掺杂氧化锆陶瓷粉重量0～2％的分散剂、5～15％粘合剂、0～10％的塑化剂和0～10％的润滑剂，在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料。

3.如权利要求1所述的一种片式氧传感器芯片的制造方法，其特征在于，

所述步骤D具体为：上层功能片集成传感单元和加热电阻，加热电阻和外电极在上层功能片平面上交错印刷在芯片头部区域，各自通过引线与引脚连接；所述上层功能片印刷的外电极，直接印刷在上层功能片基片上，外电极上印刷保护层以防止尾气对芯片的污染；所述上层功能片印刷的加热电阻，必须在相应区域的底层印刷绝缘层，而且该绝缘层一直延伸到与加热电阻相连的引线和引脚，加热电阻引线上层也要印刷绝缘层，确保加热电阻不漏电；加热电阻印刷层的上面印刷覆盖层。

4.如权利要求1所述的一种片式氧传感器芯片的制造方法，其特征在于，中间通道形成坯和下层片在打孔方式形成空气通道时分为两片，或在印刷方式形成空气通道时合为一片，且在总厚度上要满足芯片的强度要求和装配要求。