CN111257392B - 对称结构电位型氧传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种对称结构电位型氧传感器，包括从上到下依次烧结而成的加热器层、参比气道层、固体电解质层、扩散通道层和敏感电极引脚层，所述固体电解质层位于中间层，加热器层和参比气道层与扩散通道层和敏感电极引脚层相对于固体电解质层呈对称分布；所述固体电解质层的上下两侧分别设有外电极和内电极，所述外电极通过外电极引线连接到外电极过孔上，所述内电极通过内电极引线连接到内电极过孔上，所述内电极过孔和外电极过孔分布在固体电解质层上远离外电极和内电极的一端。本发明可以避免Pt加热器在YSZ对称层内过孔时产生的需要在其内壁上配置氧化铝绝缘层的问题，同时避免传感器在烧结过程中产生的翘曲现象，提高传感器的平整度及生产合格率。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体传感器，尤其涉及一种对称结构电位型氧传感器。
背景技术
片式氧传感器是一类多层叠层结构的陶瓷器件，从上至下一般依次由敏感层、参比气道层与加热层构成，其中，敏感层包括氧化钇稳定氧化锆（YSZ）固体电解质陶瓷基体以及分别位于YSZ敏感基体上、下表面的敏感外电极与参比内电极。非敏感层（也就是参比气道层与加热层）主要有两类，一类是与敏感层相同的YSZ陶瓷，另一类则是高温绝缘的氧化铝陶瓷。
对于全YSZ结构氧传感器，Pt加热器置于YSZ陶瓷基体之间，为了避免YSZ陶瓷基体在高温和12伏加热电压下的短路现象，必须在Pt加热器与YSZ陶瓷基体之间增加纯氧化铝绝缘层，包括Pt加热器引脚的过孔内壁，这就增加了制备技术难度，降低了传感器的合格率。
氧化铝陶瓷具有优异的高温绝缘性能，非常适合作为Pt加热器的基体材料。另外，与YSZ陶瓷相比，氧化铝陶瓷具有更高的热导率和更低的热膨胀系数，这有助于提高加热器的抗热震性能。专利CN108760823A公开了一种摩托车用片式氧传感器，该专利中公开使用氧化铝作为非敏感层的材料，避免了上述使用YSZ作为非敏感层的缺陷；然而，YSZ与氧化铝陶瓷在烧结温度、烧结收缩率、热膨胀系数等方面存在较大的差异，在共烧结过程中容易发生分层、变形、开裂等问题。因此，如何优化材料成分与片芯结构以提升YSZ与氧化铝陶瓷的界面结合及片芯平整度，是氧化铝基片式氧传感器的主要难点。
针对YSZ与氧化铝陶瓷的烧结匹配性问题，有两种解决途径，一种是改善材料特性，使YSZ与氧化铝陶瓷的膨胀系数尽可能接近，提高匹配性。另一种方式是改变结构上的堆叠方式，采用对称结构从而消除片芯共烧结过程中的弯曲和翘曲等问题。
对于第一种方式，专利CN108760823A公开了通过调控YSZ基片的成分来降低其热膨胀系数，使之尽可能的接近氧化铝陶瓷，同时通过调节氧化铝基片以及多孔氧化铝基片的配方来提高他们与YSZ敏感基体在高温烧结收缩行为上的匹配性，消除共烧结过程中发生的弯曲和分层现象；但该方式只能使YSZ与氧化铝陶瓷的膨胀系数尽可能接近，但无法完全消除两者之间的区别，所以共烧结过程中发生的弯曲和分层现象还是存在的，该现象只能通过各种手段进行削弱，但无法完全消除。
对于第二种方式，专利CN107525839A提出在堆叠方向上对称配置YSZ陶瓷基体，从而消除片芯共烧结过程中的弯曲和翘曲等问题。由于Pt加热器设置在YSZ陶瓷基体上，所以在Pt加热器与YSZ陶瓷间增加氧化铝绝缘层，该设计有效解决了Pt加热器的基体表面绝缘问题，但是Pt加热器在YSZ对称层内过孔时仍然需要在其内壁上配置氧化铝绝缘层，该工艺条件复杂，增加了制备难度。
发明内容
本发明目的在于提供一种对称结构电位型氧传感器，该传感器可消除片芯共烧结过程中的弯曲和翘曲等问题，同时也避免了Pt加热器设置在YSZ陶瓷上产生的绝缘问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种对称结构电位型氧传感器，包括从上到下依次烧结而成的加热器层、参比气道层、固体电解质层、扩散通道层和敏感电极引脚层，所述固体电解质层位于中间层，加热器层和参比气道层与扩散通道层和敏感电极引脚层相对于固体电解质层呈对称分布；
所述固体电解质层的上下两侧分别设有外电极和内电极，所述外电极通过外电极引线连接到外电极过孔上，所述内电极通过内电极引线连接到内电极过孔上，所述内电极过孔和外电极过孔分布在固体电解质层上远离外电极和内电极的一端；
所述内电极上与固体电解质层相背的一侧设有参比气道层，所述外电极上与固体电解质层相背的一侧设有扩散通道层，所述参比气道层和扩散通道层上都设有进气通道，进气通道分别延伸至内电极和外电极；
所述参比气道层上与内电极相背的一侧设有加热器层，所述加热器层与参比气道层相对的一侧设有加热器，所述加热器通过加热电极引线连接在加热电极过孔上，所述加热电极过孔上连接有加热电极引脚；
所述参比气道层与内电极之间设有内电极保护层，所述扩散通道层与外电极之间设有外电极保护层；
所述参比气道层上与内电极相对一侧设有参比空气气道，所述参比空气气道一端连接至参比气端，另一端连通至内电极上；所述扩散通道层上与外电极相对一侧设有进气扩散障，所述进气扩散障分别连接至待检测气体与外电极上。
上述技术方案中进一步改进的技术方案如下：
1. 上述方案中，所述扩散通道层一端设有一对敏感电极过孔，所述敏感电极过孔分别内电极过孔和外电极过孔相连；
所述扩散通道层与外电极相背的一侧设有敏感电极引脚层，所述敏感电极引脚层上设有一对敏感电极引脚，所述敏感电极引脚与敏感电极过孔相接触。
2. 上述方案中，所述固体电解质层3-10%mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷，厚度为10～400μm；
所述加热器层、参比气道层、扩散通道层和敏感电极引脚层为氧化铝陶瓷，所述加热器层、参比气道层、扩散通道层和敏感电极引脚层的厚度分别为0.1～0.4mm；
所述参比空气气道设置在参比气道层与内电极保护层之间，厚度为20-50μm；进气扩散障设置在扩散通道层与外电极保护层之间，厚度为10-200μm。
3. 上述方案中，所述扩散通道层和敏感电极引脚层为至少一层结构，多层厚度总和与扩散通道层和敏感电极引脚层的总厚度相同。
4. 上述方案中，所述加热器为Pt加热电路。
5. 上述方案中，所述内电极保护层的尺寸大于内电极且小于参比气道层的尺寸，所述外电极保护层的尺寸大于外电极且小于扩散通道层的尺寸。
6. 上述方案中，所述内电极保护层为多孔氧化铝陶瓷、多孔氧化锆陶瓷，或者多孔氧化铝与氧化锆复合陶瓷，孔隙率为10%-90%；所述外电极保护层为多孔氧化铝陶瓷、多孔氧化锆陶瓷，或者多孔氧化铝与氧化锆复合陶瓷，孔隙率为10%-90%。
7. 上述方案中，所述内电极保护层孔隙率为30-60%，所述外电极保护层孔隙率为30-60%。
8. 上述方案中，所述参比空气气道为一条直线通道，平行于参比气道层的长度方向，所述进气扩散障为环形结构，环形结构上设有三条通向待检测气体的通道。
9. 上述方案中，所述参比空气气道的进气口与进气扩散障的进气口分布在固体电解质层的两侧。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1. 加热器层和参比气道层与扩散通道层和敏感电极引脚层相对于固体电解质层呈对称分布，该结构可以避免Pt加热器在YSZ对称层内过孔时产生的需要在其内壁上配置氧化铝绝缘层的问题，同时避免传感器在烧结过程中产生的翘曲现象，提高传感器的平整度及生产合格率；
2. 内电极保护层与外电极保护层采用多孔保护层，既能形成气流通道，起到均气的作用，使气体平稳到达电极上，同时还能过滤气体，起到保护电极的作用，可延长电极的寿命。
3. 进气方向改为由扩散障进气，通过扩散障的三个通道进气，保证了进气的平稳度，同时也避免了内电极被空气中的杂质所污染；
4.参比空气气道与进气扩散障分布在固体电解质层的两侧，可以防止参比气与待检测气体相互干扰。
附图说明
附图1为本发明对称结构电位型氧传感器的爆炸示意图；
附图2为本发明对称结构电位型氧传感器的截面图。
以上附图中：1、加热器层；2、参比气道层；3、固体电解质层；4、扩散通道层；5、敏感电极引脚层；6、加热器；7、加热电极引线；8、加热电极引脚；9、加热电极过孔；10、参比空气气道；11、内电极过孔；12、内电极引线；13、外电极过孔；14、外电极引线；15、敏感电极过孔；16、敏感电极引脚；17、内电极保护层；18、内电极；19、外电极；20、外电极保护层；21、进气扩散障。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1： 一种对称结构电位型氧传感器，包括从上到下依次烧结而成的加热器层1、参比气道层2、固体电解质层3、扩散通道层4和敏感电极引脚层5，所述固体电解质层3位于中间层，加热器层1和参比气道层2与扩散通道层4和敏感电极引脚层5相对于固体电解质层3呈对称分布；
所述固体电解质层3的上下两侧分别设有外电极19和内电极18，所述外电极19通过外电极引线14连接到外电极过孔13上，所述内电极18通过内电极引线12连接到内电极过孔11上，所述内电极过孔11和外电极过孔13分布在固体电解质层3上远离外电极19和内电极18的一端；
所述内电极18上与固体电解质层3相背的一侧设有参比气道层2，所述外电极19上与固体电解质层3相背的一侧设有扩散通道层4，所述参比气道层2和扩散通道层4上都设有进气通道，进气通道分别延伸至内电极18和外电极19；
所述参比气道层2上与内电极18相背的一侧设有加热器层1，所述加热器层1与参比气道层2相对的一侧设有加热器6，所述加热器6通过加热电极引线7连接在加热电极过孔9上，所述加热电极过孔9上连接有加热电极引脚8；
所述参比气道层2与内电极18之间设有内电极保护层17，所述扩散通道层4与外电极19之间设有外电极保护层20；
所述参比气道层2上与内电极18相对一侧设有参比空气气道10，所述参比空气气道10一端连接至参比气端，另一端连通至内电极18上；所述扩散通道层4上与外电极19相对一侧设有进气扩散障21，所述进气扩散障21分别连接至待检测气体与外电极19上。
上述扩散通道层4一端设有一对敏感电极过孔15，所述敏感电极过孔15分别内电极过孔11和外电极过孔13相连；所述扩散通道层4与外电极19相背的一侧设有敏感电极引脚层5，所述敏感电极引脚层5上设有一对敏感电极引脚16，所述敏感电极引脚16与敏感电极过孔15相接触；
上述固体电解质层33-10%mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷，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，厚度为10～400μm；
上述加热器层1、参比气道层2、扩散通道层4和敏感电极引脚层5为氧化铝陶瓷，各氧化铝层中使用的氧化铝为阿尔法氧化铝所述加热器层1、参比气道层2、扩散通道层4和敏感电极引脚层5的厚度分别为0.1～0.4mm；
上述参比空气气道10设置在参比气道层2与内电极保护层17之间，厚度为20-50μm；进气扩散障21设置在扩散通道层4与外电极保护层20之间，厚度为10-200μm；所述扩散通道层4和敏感电极引脚层5为至少一层结构，多层厚度总和与扩散通道层4和敏感电极引脚层5的总厚度相同，多层架构可在制备过程中抵消应力，提高感器的平整度；所述加热器6为Pt加热电路。
实施例2：一种对称结构电位型氧传感器，包括从上到下依次烧结而成的加热器层1、参比气道层2、固体电解质层3、扩散通道层4和敏感电极引脚层5，所述固体电解质层3位于中间层，加热器层1和参比气道层2与扩散通道层4和敏感电极引脚层5相对于固体电解质层3呈对称分布；
所述固体电解质层3的上下两侧分别设有外电极19和内电极18，所述外电极19通过外电极引线14连接到外电极过孔13上，所述内电极18通过内电极引线12连接到内电极过孔11上，所述内电极过孔11和外电极过孔13分布在固体电解质层3上远离外电极19和内电极18的一端；
所述内电极18上与固体电解质层3相背的一侧设有参比气道层2，所述外电极19上与固体电解质层3相背的一侧设有设有扩散通道层4，所述参比气道层2和扩散通道层4上都设有进气通道，进气通道分别延伸至内电极18和外电极19；
所述参比气道层2上与内电极18相背的一侧设有加热器层1，所述加热器层1与参比气道层2相对的一侧设有加热器6，所述加热器6通过加热电极引线7连接在加热电极过孔9上，所述加热电极过孔9上连接有加热电极引脚8；
所述参比气道层2与内电极18之间设有内电极保护层17，所述扩散通道层4与外电极19之间设有外电极保护层20；
所述参比气道层2上与内电极18相对一侧设有参比空气气道10，所述参比空气气道10一端连接至参比气端，另一端连通至内电极18上；所述扩散通道层4上与外电极19相对一侧设有进气扩散障21，所述进气扩散障21分别连接至待检测气体与外电极19上。
上述内电极保护层17的尺寸大于内电极18且小于参比气道层2的尺寸，所述外电极保护层20的尺寸大于外电极19且小于扩散通道层4的尺寸；
上述内电极保护层17为多孔氧化铝陶瓷、多孔氧化锆陶瓷，或者多孔氧化铝与氧化锆复合陶瓷，孔隙率为10%-90%；所述外电极保护层20为多孔氧化铝陶瓷、多孔氧化锆陶瓷，或者多孔氧化铝与氧化锆复合陶瓷，孔隙率为10%-90%；
上述内电极保护层17孔隙率为30-60%，所述外电极保护层20孔隙率为30-60%；
上述参比空气气道10为一条直线通道，平行于参比气道层2的长度方向，参比空气气道10的加工方式有以下几种：1、直接印刷在参比气道层2上，可在高温烧结的过程中将印刷材料烧掉，形成通道；2、在参比气道层2上开设凹槽，凹槽可以上下贯通，也可以只开设上部通道，使通道与内电极接触即可；3、在参比气道层2上开通盲道，使盲道两端分别连通至参比气和内电极上，并在盲道内设置填充物，防止盲道出现压塌现象，所述进气扩散障21为环形结构，环形结构上设有三条通向待检测气体的通道，进气扩散障21的加工方法与参比空气气道10的加工方法相同；
上述参比空气气道10的进气口与进气扩散障21的进气口分布在固体电解质层3的两侧，可以防止参比气与待检测气体相互干扰。
加热器层和参比气道层与扩散通道层和敏感电极引脚层相对于固体电解质层呈对称分布，该结构可以避免Pt加热器在YSZ对称层内过孔时产生的需要在其内壁上配置氧化铝绝缘层的问题，同时避免传感器在烧结过程中产生的翘曲现象，提高传感器的平整度及生产合格率；
内电极保护层与外电极保护层采用多孔保护层，既能形成气流通道，起到均气的作用，使气体平稳到达电极上，同时还能过滤气体，起到保护电极的作用，可延长电极的寿命。
进气方向改为由扩散障进气，通过扩散障的三个通道进气，保证了进气的平稳度，同时也避免了内电极被空气中的杂质所污染；
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种对称结构电位型氧传感器，其特征在于：包括从上到下依次烧结而成的加热器层（1）、参比气道层（2）、固体电解质层（3）、扩散通道层（4）和敏感电极引脚层（5），所述固体电解质层（3）位于中间层，加热器层（1）和参比气道层（2）与扩散通道层（4）和敏感电极引脚层（5）相对于固体电解质层（3）呈对称分布；
所述固体电解质层（3）的上下两侧分别设有外电极（19）和内电极（18），所述外电极（19）通过外电极引线（14）连接到外电极过孔（13）上，所述内电极（18）通过内电极引线（12）连接到内电极过孔（11）上，所述内电极过孔（11）和外电极过孔（13）分布在固体电解质层（3）上远离外电极（19）和内电极（18）的一端；
所述内电极（18）上与固体电解质层（3）相背的一侧设有参比气道层（2），所述外电极（19）上与固体电解质层（3）相背的一侧设有扩散通道层（4），所述参比气道层（2）和扩散通道层（4）上都设有进气通道，进气通道分别延伸至内电极（18）和外电极（19）；
所述参比气道层（2）上与内电极（18）相背的一侧设有加热器层（1），所述加热器层（1）与参比气道层（2）相对的一侧设有加热器（6），所述加热器（6）通过加热电极引线（7）连接在加热电极过孔（9）上，所述加热电极过孔（9）上连接有加热电极引脚（8）；
所述参比气道层（2）与内电极（18）之间设有内电极保护层（17），所述扩散通道层（4）与外电极（19）之间设有外电极保护层（20）；
所述参比气道层（2）上与内电极（18）相对一侧设有参比空气气道（10），所述参比空气气道（10）一端连接至参比气端，另一端连通至内电极（18）上；所述扩散通道层（4）上与外电极（19）相对一侧设有进气扩散障（21），所述进气扩散障（21）分别连接至待检测气体与外电极（19）上。
2.根据权利要求1所述的对称结构电位型氧传感器，其特征在于：所述扩散通道层（4）一端设有一对敏感电极过孔（15），所述敏感电极过孔（15）分别内电极过孔（11）和外电极过孔（13）相连；
所述扩散通道层（4）与外电极（19）相背的一侧设有敏感电极引脚层（5），所述敏感电极引脚层（5）上设有一对敏感电极引脚（16），所述敏感电极引脚（16）与敏感电极过孔（15）相接触。
3.根据权利要求1所述的对称结构电位型氧传感器，其特征在于：所述固体电解质层（3）3-10%mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷，厚度为10～400μm；
所述加热器层（1）、参比气道层（2）、扩散通道层（4）和敏感电极引脚层（5）为氧化铝陶瓷，所述加热器层（1）、参比气道层（2）、扩散通道层（4）和敏感电极引脚层（5）的厚度分别为0.1～0.4mm；
所述参比空气气道（10）设置在参比气道层（2）与内电极保护层（17）之间，厚度为20-50μm；进气扩散障（21）设置在扩散通道层（4）与外电极保护层（20）之间，厚度为10-200μm。
4.根据权利要求1所述的对称结构电位型氧传感器，其特征在于：所述扩散通道层（4）和敏感电极引脚层（5）为至少一层结构，多层厚度总和与扩散通道层（4）和敏感电极引脚层（5）的总厚度相同。
5.根据权利要求1所述的对称结构电位型氧传感器，其特征在于：所述加热器（6）为Pt加热电路。
6.根据权利要求1所述的对称结构电位型氧传感器，其特征在于：所述内电极保护层（17）的尺寸大于内电极（18）且小于参比气道层（2）的尺寸，所述外电极保护层（20）的尺寸大于外电极（19）且小于扩散通道层（4）的尺寸。
7.根据权利要求1所述的对称结构电位型氧传感器，其特征在于：所述内电极保护层（17）为多孔氧化铝陶瓷、多孔氧化锆陶瓷，或者多孔氧化铝与氧化锆复合陶瓷，孔隙率为10%-90%；所述外电极保护层（20）为多孔氧化铝陶瓷、多孔氧化锆陶瓷，或者多孔氧化铝与氧化锆复合陶瓷，孔隙率为10%-90%。
8.根据权利要求7所述的对称结构电位型氧传感器，其特征在于：所述内电极保护层（17）孔隙率为30-60%，所述外电极保护层（20）孔隙率为30-60%。
9.根据权利要求1所述的对称结构电位型氧传感器，其特征在于：所述参比空气气道（10）为一条直线通道，平行于参比气道层（2）的长度方向，所述进气扩散障（21）为环形结构，环形结构上设有三条通向待检测气体的通道。
10.根据权利要求1所述的对称结构电位型氧传感器，其特征在于：所述参比空气气道（10）的进气口与进气扩散障（21）的进气口分布在固体电解质层（3）的两侧。
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