CN115166000A - 一种用于燃油惰化测氧传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于燃油惰化测氧传感器芯片及其制备方法,测氧传感器芯片包括由流延制作并自上而下依次层叠的四层流延基片，第一流延基片的上表面印刷有信号功能单元，第一流延基片的下表面印刷有公共电极，第二流延基片上上下贯通设置有空腔，公共电极恰好位于空腔内，且空腔内填充有有机流延片，第二流延基片分别与第一流延基片和第三流延基片之间的非空腔部分设置有密封层。通过在第二流延基片的上下非空腔部分各印刷一薄层含有密封层，增强该空腔腔体在最终成品芯片的密封性，使得泵电极在工作时产生的闭腔内的氧分压变化以及随之产生的应力变化更难以导致腔体开裂泄漏和破坏，保持测量信号长期工作的稳定性，有效的提高了传感器芯片的强度。
Description
技术领域
本发明涉及芯片半导体技术领域，尤其涉及一种用于燃油惰化测氧传感器芯片及其制备方法。
背景技术
飞机燃油箱爆炸严重威胁航空飞行安全，飞机在飞行过程中会经历不同压力环境的变化，其燃油系统相应也会经受加压和减压的过程，燃油中氧大量析出，导致气相空间氧浓度升高，当升高到一定值，静电释放和电火花都有可能点燃燃油蒸汽引起火灾和爆炸。由雷电、电气设备、局部热点引起的点火源情况复杂，要在飞机上完全杜绝几乎不可能，燃油蒸汽也是无法避免，因而燃油箱的惰化尤为重要，通过给飞机油箱通入惰化气体(通常为富氮) 对燃油中氧进行置换，确保飞行过程中油箱气相空间氧浓度始终低于支持燃烧的最低氧浓度值。机载燃油惰化方法主要包括燃油气相空间冲洗和燃油洗涤，经过一段时间的惰化后，油箱气相空间氧浓度处于油箱氧浓度安全值，美国联合军种规范指南JSSG-2009中规定了军机的惰化浓度标准为9％， CCAR25规定了民用飞机惰化浓度标准在12％-14.5％，从而保证飞机油箱的安全性。
目前已经大量应用的是汽车电喷系统用的氧传感器，此类氧传感器基于氧化锆的电化学原理，但是通常需要参考空气作为基准，有一种SST公司的闭腔结构氧化锆氧气传感器可以用来测量气体或气体混合物中氧气的分压。该闭腔结构技术采用组合工艺而不是集成工艺。这种芯片设计和制作工艺虽然能够实现测量氧氧分压的目的，但是用昂贵的厚铂环构成空腔加大了成本而与氧化锆的材料匹配性不佳；加热单元分离设计也加大成本和结构复杂性，同时也影响信号的稳定性。
现有技术中还提出了另一种测量氧分压的集成氧气传感器芯片，直接采用氧化锆叠层工艺将能斯特单元和氧泵单元集成在一起，采用陶瓷共烧工艺集成，但是这种闭腔集成工艺存在的问题是长期工作之后信号会衰减。由于这种集成氧传感器的闭腔结构的形成不同于分体形成的结构是由共烧结而成，具体就是多层的流延基片先各自独立采用多层印刷形成功能单元，然后叠合在一起排胶烧结成为成品。由于共烧结最担心的是原来的流延基片分层开裂，因此集成工艺必须等静压叠合多层带有功能单元的流延片，为了防止等静压过程的塌陷变形，必须对形成的含有闭腔的毛坯中以有机物填充的形式进行填充。在随后的排胶烧结过程中，通常的工艺都是缓慢升温让有机物慢慢分解排除，一般在500℃-700℃有机物和残碳都会分解排除，然后在进一步升高的温度下氧化锆基材和功能单元逐步烧结成型和致密化。这种结构的闭腔不同于之前的汽车氧传感器，之前汽车氧传感器的空腔结构都有通道和外界相连，因此排胶过程有机物分解不会造成腔内压力过大而冲坏流延基片的接合面，而闭腔结构在排胶过程有机物分解会造成腔内压力过大而冲坏流延基片的接合面使之形成微小的裂缝，从而使得工作循环中使得抽气板的功能收到抵消，与实际情况产生误差，实测结果也证明了这一点，性能不稳定就是这个原因，因此需要进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于燃油惰化测氧传感器芯片及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于燃油惰化测氧传感器芯片,包括由流延制作并自上而下依次层叠的第一流延基片、第二流延基片、第三流延基片和第四流延基片，所述第一流延基片的上表面印刷有由泵电极、感应电极和保护层形成的信号功能单元，所述第一流延基片的下表面印刷有公共电极，所述第一流延基片的扩散孔中印刷有公共电极导电孔，且所述第二流延基片上上下贯通设置有空腔，所述公共电极恰好位于所述空腔内，且所述空腔内填充有有机流延片，所述公共电极通过位于所述第一流延基片和第二流延基片之间并穿过所述公共电极导电孔的公共电极引线引至所述第一流延基片上表面，所述第二流延基片分别与所述第一流延基片和第三流延基片之间的非所述空腔部分设置有密封层，所述第三流延基片和第四流延基片之间设置有加热电极，所述加热电极通过贯穿设置在所述第四流延基片上的加热电极导电孔引出至所述第四流延基片的下表面。
本发明的有益效果是：本发明的用于燃油惰化测氧传感器芯片，在第二流延基片的上下非空腔部分各印刷一薄层含有密封层，增强该空腔腔体在最终成品芯片的密封性，使得泵电极在工作时产生的闭腔内的氧分压变化以及随之产生的应力变化更难以导致腔体开裂泄漏和破坏，保持测量信号长期工作的稳定性，有效的提高了传感器芯片的强度，有效提高传感器的合格率和使用寿命。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述密封层通过氧化锆浆料印刷形成。
上述进一步方案的有益效果是：通过印刷氧化锆浆料，这样在烧结阶段先于烧结温度发生液相烧结，使第二层流延基片的空腔周围与第一层流延基片和第三层流延基片的结合面形成密封，增强工作时信号的稳定性。
进一步：所述氧化锆浆料由复合氧化锆粉、软化点为1000℃的玻璃粉按质量分数比为4-4.5：1进行配制，再与有机粘结剂按照质量分数比为1: 0.4～1：1进行调和制成，且粉体各成分的粒度都小于1um。
上述进一步方案的有益效果是：浆料中的粉体以氧化锆为主能够保证密封印刷层与流延基片相容性好。
进一步：所述密封层为叠合于所述第一流延基片的下表面与所述第二流延基片的上表面之间以及所述第二流延基片的下表面和第三流延基片上表面之间的流延片。
上述进一步方案的有益效果是：所述密封层采用与流延基片主要成分相同的流延片，这样可以方便与第一流延基片的下表面与所述第二流延基片的上表面叠合，并在烧结后形成整体。
进一步：所述流延片由复合氧化锆粉、软化点1000℃的玻璃粉、溶剂和流延胶按质量分数比为(80-90)：(20-10):(30-50):(20-40)进行配置并调和而成的浆料流延机上流延而成。
进一步：所述流延胶由聚乙烯醇缩丁醛溶于乙醇并添加聚乙二醇增塑剂形成，聚乙烯醇缩丁醛：乙醇：聚乙二醇增塑剂的质量比为100：(50-100)： (20-50)。
进一步：所述第一流延基片的下表面与所述第二流延基片的上表面分别印刷有由纯氧化锆浆料组成的隔离层。
上述进一步方案的有益效果是：通过设置所述隔离层，这样可以隔离密封层因排胶烧结阶段发生的液相烧结对公共电极引线的破坏造成断路。
进一步：所述纯氧化锆浆料由氧化锆粉和有机粘结剂按照质量分数比为 1:0.4-1：1进行配制而成，且粉体各成分的粒度都小于1um。
本发明还提供了一种所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片的制备方法，包括如下步骤：
采用复合氧化锆粉体材料制备的浆料在流延机上进行流延，形成流延基片；
对所述流延基片进行切割和孔的成形加工，形成对应于每一层的流延基片；
根据传感器芯片的结构，对各层流延基片上对应的非空腔部分进行丝网印刷，形成对应层上的各电极和功能层；
在已印刷的功能层上印刷纯氧化锆浆料，并形成隔离层；
在第一流延基片的下表面与所述第二流延基片的上表面之间以及所述第二流延基片的下表面和第三流延基片上表面之间设置密封层；
用有机填充料填充对应层流延基片所需形成且通过打孔形成的空腔部分，使得相邻层流延基片之间叠合没有空隙以便等静压，切割坯材形成单个芯片生坯；
烧结制得传感器芯片，烧结中有机填充料排胶，形成相应空腔，与相关功能层构成空气通道；芯片烧结的温度为1350-1550℃，烧结过程中含有软化点1000℃玻璃粉的密封层先于烧结温度发生液相烧结，使第二层流延基片的空腔周围与第一层流延基片和第三层流延基片的结合面形成密封。
本发明的用于燃油惰化测氧传感器芯片制备方法，通过在第二流延基片的上下非空腔部分各印刷一薄层含有密封层，这样在烧结过程中含有软化点 1000℃玻璃粉的密封层先于烧结温度发生液相烧结，使第二层流延基片的空腔周围与第一层流延基片和第三层流延基片的结合面形成密封，增强该空腔腔体在最终成品芯片的密封性，使得泵电极在工作时产生的闭腔内的氧分压变化以及随之产生的应力变化更难以导致腔体开裂泄漏和破坏，保持测量信号长期工作的稳定性，有效的提高了传感器芯片的强度，有效提高传感器的合格率和使用寿命。
附图说明
图1为本发明一实施例的用于燃油惰化测氧传感器芯片沿长度方向的剖面结构示意图；
图2为本发明一实施例的第二流延片的平面结构示意图一；
图3为本发明一实施例的第二流延片的平面结构示意图二；
图4是本发明一实施例的第一流延片的背面平面结构示意图；
图5是本发明一实施例的用于燃油惰化测氧传感器芯片的爆炸结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一流延基片，2、第二流延基片，3、第三流延基片，4、第四流延基片，5、泵电极，6、感应电极，7、保护层，8、信号功能单元，9、公共电极，10、公共电极导电孔，11、空腔，12、公共电极引线，13、密封层， 14、加热电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图5所示，一种用于燃油惰化测氧传感器芯片,包括由流延制作并自上而下依次层叠的第一流延基片1、第二流延基片2、第三流延基片3 和第四流延基片4，所述第一流延基片1的上表面印刷有由泵电极5、感应电极6和保护层7形成的信号功能单元8，所述第一流延基片1的下表面印刷有公共电极9，所述第一流延基片1的扩散孔中印刷有公共电极导电孔10，且所述第二流延基片2上上下贯通设置有空腔11，所述公共电极9恰好位于所述空腔11内，且所述空腔11内填充有有机流延片，所述公共电极9通过位于所述第一流延基片1和第二流延基片2之间并穿过所述公共电极导电孔 10的公共电极引线12引至所述第一流延基片1上表面，所述第二流延基片 2分别与所述第一流延基片1和第三流延基片3之间的非所述空腔11部分设置有密封层13，所述第三流延基片3和第四流延基片4之间设置有加热电极14，所述加热电极14通过贯穿设置在所述第四流延基片4上的加热电极导电孔14引出至所述第四流延基片4的下表面。
本发明的用于燃油惰化测氧传感器芯片，在第二流延基片2的上下非空腔部分各印刷一薄层含有密封层13，增强该空腔11腔体在最终成品芯片的密封性，使得泵电极在工作时产生的闭腔内的氧分压变化以及随之产生的应力变化更难以导致腔体开裂泄漏和破坏，保持测量信号长期工作的稳定性，有效的提高了传感器芯片的强度，有效提高传感器的合格率和使用寿命。
在本发明的一个或多个实施例中，所述密封层13通过氧化锆浆料印刷形成。通过印刷氧化锆浆料，这样在烧结阶段先于烧结温度发生液相烧结，使第二层流延基片2的空腔11周围与第一层流延基片1和第三层流延基片3 的结合面形成密封，增强工作时信号的稳定性。
根据环境氧分压的不同，与空腔11之间将产生一个能斯特电动势，施加恒定电流源开启电化学泵并依据能斯特电压增加变化使泵电流反向，最终通过测得周期时间计算得氧气分压。
可选地，在本发明的一个或多个实施例中，所述氧化锆浆料由复合氧化锆粉、软化点为1000℃的玻璃粉按质量分数比为4-4.5：1进行配制，再与有机粘结剂按照质量分数比为1:0.4-1进行调和制成，且粉体各成分的粒度都小于1um。浆料中的粉体以氧化锆为主能够保证密封印刷层与流延基片相容性好。
在本发明的一个或多个实施例中，所述密封层13为叠合于所述第一流延基片1的下表面与所述第二流延基片2的上表面之间以及所述第二流延基片2的下表面和第三流延基片3上表面之间的流延片。所述密封层13采用与流延基片主要成分相同的流延片，这样可以方便与第一流延基片1的下表面与所述第二流延基片2的上表面叠合，并在烧结后形成整体。
在本发明的一个或多个实施例中，所述流延片由复合氧化锆粉、软化点1000℃的玻璃粉、溶剂和流延胶按质量分数比为(80-90)：(20-10):(30-50): (20-40)进行配置并调和而成的浆料流延机上流延而成。
这里，所述玻璃粉为市售的商品玻璃粉，浆料中的粉体以氧化锆为主则能够保证密封印刷层与流延基片相容性好，而软化点1000℃的玻璃粉可以在成品烧结过程中实现液相烧结，防止结合面的微裂纹产生，即使由于闭腔排气造成结合面微裂纹，也在随后的烧结过程通过整圈液相烧结密封层将其弥合。
具体地，在本发明的一个或多个实施例中，所述流延胶由聚乙烯醇缩丁醛溶于乙醇并添加聚乙二醇增塑剂形成，聚乙烯醇缩丁醛：乙醇：聚乙二醇增塑剂的质量比为100：(50-100)：(20-50)。
为了增强该闭腔腔体在最终成品芯片的密封性，在该层流延基片的上下非空腔部分各印刷一薄层含有玻璃成分的氧化锆浆料形成密封层或相应位置叠合含有玻璃成分流延片形成密封层13，该密封层13不能覆盖在公共电极9上，以免对公共电极9活性产生影响，可以覆盖在整个第二层流延基片 2的上下表面，也可以只占其中一部分面积，但一定要形成一个闭环以达到密封效果。
可选地，在本发明的一个或多个实施例中，所述第一流延基片1的下表面与所述第二流延基片2的上表面分别印刷有由纯氧化锆浆料组成的隔离层。通过设置所述隔离层，这样可以隔离密封层13因排胶烧结阶段发生的液相烧结对公共电极引线12的破坏造成断路。
具体地，在本发明的一个或多个实施例中，所述纯氧化锆浆料由氧化锆粉和有机粘结剂按照质量分数比为1:0.4-1进行配制而成，且粉体各成分的粒度都小于1um。
本发明还提供了一种所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片的制备方法，包括如下步骤：
采用复合氧化锆粉体材料制备的浆料在流延机上进行流延，形成流延基片；
对所述流延基片进行切割和孔的成形加工，形成对应于每一层的流延基片；
根据传感器芯片的结构，对各层流延基片上对应的非空腔11部分进行丝网印刷，形成对应层上的各电极和功能层；
在已印刷的功能层上印刷纯氧化锆浆料，并形成隔离层；
在第一流延基片1的下表面与所述第二流延基片2的上表面之间以及所述第二流延基片2的下表面和第三流延基片3上表面之间设置密封层13；
用有机填充料填充对应层流延基片所需形成且通过打孔形成的空腔11 部分，使得相邻层流延基片之间叠合没有空隙以便等静压，切割坯材形成单个芯片生坯；
烧结制得传感器芯片，烧结中有机填充料排胶，形成相应空腔11，与相关功能层构成空气通道；芯片烧结的温度为1350-1550℃，优选为1450℃，烧结过程中含有软化点1000℃玻璃粉的密封层先于烧结温度发生液相烧结，使第二层流延基片2的空腔11周围与第一层流延基片1和第三层流延基片3 的结合面不出现微裂纹，实现有效的密封效果。
本发明的用于燃油惰化测氧传感器芯片制备方法，通过在第二流延基片 2的上下非空腔部分各印刷一薄层含有密封层13，这样在烧结过程中含有软化点1000℃玻璃粉的密封层先于烧结温度发生液相烧结，使第二层流延基片 2的空腔11周围与第一层流延基片1和第三层流延基片3的结合面形成密封，增强该空腔11腔体在最终成品芯片的密封性，使得泵电极在工作时产生的闭腔内的氧分压变化以及随之产生的应力变化更难以导致腔体开裂泄漏和破坏，保持测量信号长期工作的稳定性，有效的提高了传感器芯片的强度，有效提高传感器的合格率和使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于燃油惰化测氧传感器芯片,其特征在于：包括由流延制作并自上而下依次层叠的第一流延基片(1)、第二流延基片(2)、第三流延基片(3)和第四流延基片(4)，所述第一流延基片(1)的上表面印刷有由泵电极(5)、感应电极(6)和保护层(7)形成的信号功能单元(8)，所述第一流延基片(1)的下表面印刷有公共电极(9)，所述第一流延基片(1)的扩散孔中印刷有公共电极导电孔(10)，且所述第二流延基片(2)上上下贯通设置有空腔(11)，所述公共电极(9)恰好位于所述空腔(11)内，且所述空腔(11)内填充有有机流延片，所述公共电极(9)通过位于所述第一流延基片(1)和第二流延基片(2)之间并穿过所述公共电极导电孔(10)的公共电极引线(12)引至所述第一流延基片(1)上表面，所述第二流延基片(2)分别与所述第一流延基片(1)和第三流延基片(3)之间的非所述空腔(11)部分设置有密封层(13)，所述第三流延基片(3)和第四流延基片(4)之间设置有加热电极(14)，所述加热电极(14)通过贯穿设置在所述第四流延基片(4)上的加热电极导电孔(14)引出至所述第四流延基片(4)的下表面。
2.根据权利要求1所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片,其特征在于：所述密封层(13)通过氧化锆浆料印刷形成。
3.根据权利要求2所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片,其特征在于：所述氧化锆浆料由复合氧化锆粉、软化点为1000℃的玻璃粉按质量分数比为4-4.5：1进行配制，再与有机粘结剂按照质量分数比为1:0.4-1进行调和制成，且粉体各成分的粒度都小于1um。
4.根据权利要求1所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片,其特征在于：所述密封层(13)为叠合于所述第一流延基片(1)的下表面与所述第二流延基片(2)的上表面之间以及所述第二流延基片(2)的下表面和第三流延基片(3)上表面之间的流延片。
5.根据权利要求4所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片,其特征在于：所述流延片由复合氧化锆粉、软化点1000℃的玻璃粉、溶剂和流延胶按质量分数比为(80-90)：(20-10):(30-50):(20-40)进行配置并调和而成的浆料流延机上流延而成。
6.根据权利要求5所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片,其特征在于：所述流延胶由聚乙烯醇缩丁醛溶于乙醇并添加聚乙二醇增塑剂形成，聚乙烯醇缩丁醛：乙醇：聚乙二醇增塑剂的质量比为：100：(50-100)：(20-50)。
7.根据权利要求1所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片,其特征在于：所述第一流延基片(1)的下表面与所述第二流延基片(2)的上表面分别印刷有由纯氧化锆浆料组成的隔离层。
8.根据权利要求7所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片,其特征在于：所述纯氧化锆浆料由氧化锆粉和有机粘结剂按照质量分数比为1:0.4-1进行配制而成，且粉体各成分的粒度都小于1um。
9.一种权利要求1-8任一项所述的用于燃油惰化测氧传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用复合氧化锆粉体材料制备的浆料在流延机上进行流延，形成流延基片；
对所述流延基片进行切割和孔的成形加工，形成对应于每一层的流延基片；
根据传感器芯片的结构，对各层流延基片上对应的非空腔(11)部分进行丝网印刷，形成对应层上的各电极和功能层；
在已印刷的功能层上印刷纯氧化锆浆料，并形成隔离层；
在第一流延基片(1)的下表面与所述第二流延基片(2)的上表面之间以及所述第二流延基片(2)的下表面和第三流延基片(3)上表面之间设置密封层(13)；
用有机填充料填充对应层流延基片所需形成且通过打孔形成的空腔(11)部分，使得相邻层流延基片之间叠合没有空隙以便等静压，切割坯材形成单个芯片生坯；
烧结制得传感器芯片，烧结中有机填充料排胶，形成相应空腔(11)，与相关功能层构成空气通道；芯片烧结的温度为1350～1550℃，烧结过程中含有软化点1000℃玻璃粉的密封层先于烧结温度发生液相烧结，使第二层流延基片(2)的空腔(11)周围与第一层流延基片(1)和第三层流延基片(3)的结合面形成密封。
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