CN115791930B - 一种极限电流型氧传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种极限电流型氧传感器的制备方法，其具有集成度高、结构简单，克服了很多应用场景传感器体积过大无法安装的问题，同时由于产品体积较小，加热时功耗低，多层工艺加工时加工效率高，单次可大批量生产。其包括以下步骤：一、生瓷块的加工；选用三块厚度为0.1‑0.25mm的氧化锆生瓷块分别为生瓷块一、生瓷块二和生瓷块三，其中生瓷块一印刷形成绝缘层一、加热器层和绝缘层二；生瓷片二的中部挖空形成空腔，生瓷片二的顶部印刷出牺牲层一；生瓷片三印刷形成泵内电极层、泵外电极层；二、堆叠；三、层压；四、切割；五、烧结。
Description
技术领域
本发明涉及氧传感器技术领域，具体为一种极限电流型氧传感器的制备方法。
背景技术
氧化锆氧传感器是利用氧化锆陶瓷材料在高温下可传导氧离子的特性开发而成，通过设计不同的传感器结构，配合相应的控制电路，可开发出电压型和电流型两大类氧传感器，这些氧化锆传感器已广泛的应用于汽车发动机控制，锅炉燃烧尾气测量，烟气分析和钢水定氧等领域，是唯一可用于高温环境氧含量测量的一类传感器。
现在较为成熟的极限电流型氧传感器一般为长片式，尺寸约为长60mm，宽4mm，厚1.3mm，这种设计多用于汽车尾气检测等对体积大小要求不高，但使用环境较为恶劣的领域。在应用于家电、医疗或其他民用领域时，产品因为体积大小受限，而且产品加热功耗高，不利于推广。
发明内容
针对传统氧传感器体积较大、产品加热功耗高的问题，本发明提供了一种极限电流型氧传感器的制备方法，其具有集成度高、结构简单，克服了很多应用场景传感器体积过大无法安装的问题，同时由于产品体积较小，加热时功耗低，多层工艺加工时加工效率高，单次可大批量生产。
其技术方案是这样的：一种极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：一、生瓷块的加工；选用三块厚度为0.1-0.25mm的氧化锆生瓷块分别为生瓷块一、生瓷块二和生瓷块三，其中生瓷块一的顶部由下往上依次通过印刷的方式形成绝缘层一、加热器层和绝缘层二；
生瓷片二的中部挖空形成空腔，生瓷片二的顶部还通过使用混合浆料印刷的方式印刷出厚度为1-12微米的牺牲层一，混合浆料由碳和聚碳酸酯按照重量比例0.1：9.9~1：9混合而成；
生瓷片三通过冲孔并填充导电材料形成导电通孔，其顶部通过印刷的方式形成位于顶部的并与导电通孔连接的泵内电极层、位于底部的泵外电极层、位于底部的与所述泵外电极层连接的电极焊区层一、位于底部的与所述导电通孔连接的电极焊区层二；
二、堆叠；将加工完成后的所述生瓷块一、所述生瓷块二和所述生瓷块三由上至下依次堆叠，堆叠过程中，所述生瓷块二的空腔中填入由碳基生瓷构成的牺牲层二，所述牺牲层二的厚度与所述生瓷块二的厚度相等；
三、层压；将堆叠完成后的生瓷块一、生瓷块二和生瓷块三在70-90摄氏度下采用3000-6000psi的压力水等静压，通过层压使牺牲层一向下压入生瓷片二中；
四、切割；根据所需尺寸在70-85摄氏度的台面温度下切割；
五、烧结；切割完成后对生瓷块在1350-1500摄氏度的温度下进行烧结形成极限电流型氧传感器，极限电流型氧传感器呈方形并且单边长度为3-6mm，厚度为0.4-1mm，烧结过程中所述牺牲层二挥发形成容纳所述泵内电极层的空腔，所述牺牲层一挥发形成进气腔，所述进气腔连通所述空腔和所述极限电流型氧传感器的外部。
其进一步特征在于：
所述绝缘层一和所述绝缘层二的材料为氧化铝，所述加热器层、所述泵外电极层、所述泵内电极层、所述电极焊区层一和所述电极焊区层二的材料为铂，生瓷块中还添加有三氧化二钇；
所述泵外电极层与所述泵内电极层上下位置相互对应；
所述加热器层呈S型均匀分布在所述绝缘层一和所述绝缘层二之间，所述加热器层两端分别连接加热器焊区，所述绝缘层二对应所述加热层焊区的位置呈镂空状。
采用了这样的方法制得的氧传感器，集成度高，结构简单的极限电流型氧传感器，同时由于产品体积较小，加热时功耗低，其克服了很多应用场景传感器体积过大无法安装的问题，能够用于多种场合，加工时，各个生瓷块分开加工后堆叠层压最后烧结即可完成制作，加工效率高，而且进气腔直接通过印刷形成的牺牲层一压出，制作十分便利，特殊组合的牺牲层一的浆料在印刷后能够满足厚度要求。
附图说明
图1为极限电流型氧传感器各层结构示意图；
图2为极限电流型氧传感器的剖面示意图；
图3为图2外接电路后的示意图；
图4为400℃时泵电压与信号电流关系图；
图5为氧浓度与平台电流关系图。
具体实施方式
一种极限电流型氧传感器的制备方法，其包括以下步骤：一、生瓷块的加工；选用三块厚度为0.15mm并掺杂8 mol%三氧化二钇的氧化锆生瓷块分别为生瓷块一1、生瓷块二2和生瓷块三3，其中生瓷块一1的顶部由下往上依次通过丝网印刷的方式形成绝缘层一4（采用氧化铝浆料）、加热器层5（采用铂浆）和绝缘层二6（采用氧化铝浆料），加热器层5呈S型均匀分布在绝缘层一4和绝缘层二6之间，保证加热均匀，加热器层两端分别连接加热器焊区7，绝缘层二6对应加热层焊区7的位置呈镂空状，便于加热器层烧结后形成的加热器与外部连接。
生瓷片二2的中部通过机械冲孔的方式形成空腔8，空腔开口尺寸为边长2.5mm，厚0.15mm，生瓷片二2的顶部还通过使用混合浆料印刷的方式印刷出宽170微米，厚度为8微米的牺牲层一，混合浆料由碳和聚碳酸酯按照重量比例0.3：9.7混合而成，采用两者混合既避免了碳印刷厚度太高，光是聚碳酸酯又太薄，混合以后厚度可调空间大，满足此处5微米的牺牲层一厚度要求。
生瓷片三3通过冲孔并填充导电材料形成导电通孔9，其顶部通过印刷的方式形成位于顶部的并与导电通孔9连接的泵内电极层10（电极层和焊区层均可采用铂浆）、位于底部的泵外电极层11、位于底部的与泵外电极层11连接的电极焊区层一12、位于底部的与导电通孔9连接的电极焊区层二13，泵外电极层与泵内电极层上下位置相互对应，电极层边长2.4mm。
二、堆叠；将加工完成后的生瓷块一1、生瓷块二2和生瓷块三3由上至下依次堆叠，堆叠过程中，生瓷块二2的空腔中填入由碳基生瓷构成的牺牲层二，牺牲层二的厚度与生瓷块二的厚度相等。
三、层压；将堆叠完成后的生瓷块一、生瓷块二和生瓷块三在75摄氏度下采用3000-6000psi的压力水等静压，通过层压使牺牲层一向下压入生瓷片二中。
四、切割；根据所需尺寸在80摄氏度的台面温度下切割。
五、烧结；切割完成后对生瓷块在1400摄氏度的温度下进行烧结形成如图1、图2所示的极限电流型氧传感器，极限电流型氧传感器呈方形并且单边长度为5mm，厚度为0.6mm，烧结过程中牺牲层二挥发形成容纳泵内电极层10的空腔，牺牲层一挥发形成进气腔14，尺寸为长1.25mm，宽150微米，厚5微米，进气腔连通空腔8和极限电流型氧传感器的外部。
上述制得的传感器工作方式如图3所示，传感器在室温时加热器的加热电阻为3-4Ω，给加热器两端施加3-6V电压，传感器温度加热至350-600摄氏度，给泵内电极和泵外电极间施加0.4-1.5V电压，泵内电极接负，泵外电极接正，测量电极回路中电流值，电流大小为0-200μA，通过测量得到的电流大小能够换算得到氧的浓度。
具体的，如图3所示可以对加热器层烧结得到的加热器施加5V电压使其加热传感器并使传感器温度达到400摄氏度，在体积百分数为2%、5%、10%、15%和20.9%（空气）等不同氧浓度下测试，并且对由泵内电极层烧结得到的泵内电极和泵外电极层烧结得到的泵外电极施加电压，泵内电极接负，泵外电极接正，电压从0.4V以0.1V为间隔逐渐提升至1.5V并测得电路中的电流大小，得到如图4所示的电压与信号电路关系图，电极回路中电流一开始随着电压提高而增大，在增大到某一临界值时，电流几乎稳定，不再随着电压增大而变化。可发现对于该只产品，在400摄氏度时每个氧浓度下均对应一个平台电流，将不同氧浓度和平台电流值绘制成曲线，如图5所示，可发现平台电流与氧浓度关系为对数关系并且满足
其中，Is为平台电流值，O2%为氧气浓度，通过上述测试结果可以得到制得的传感器所对应的k的值，后续可通过该公式在得到电流后换算出氧气浓度。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：一、生瓷块的加工；选用三块厚度为0.1-0.25mm的氧化锆生瓷块分别为生瓷块一、生瓷块二和生瓷块三，其中生瓷块一的顶部由下往上依次通过印刷的方式形成绝缘层一、加热器层和绝缘层二；
生瓷块二的中部挖空形成空腔，生瓷块二的顶部还通过使用混合浆料印刷的方式印刷出厚度为1-12微米的牺牲层一，混合浆料由碳和聚碳酸酯按照重量比例0.3：9.7混合而成；
生瓷块三通过冲孔并填充导电材料形成导电通孔，其顶部通过印刷的方式形成位于顶部的并与导电通孔连接的泵内电极层、位于底部的泵外电极层、位于底部的与所述泵外电极层连接的电极焊区层一、位于底部的与所述导电通孔连接的电极焊区层二；
二、堆叠；将加工完成后的所述生瓷块一、所述生瓷块二和所述生瓷块三由上至下依次堆叠，堆叠过程中，所述生瓷块二的空腔中填入由碳基生瓷构成的牺牲层二，所述牺牲层二的厚度与所述生瓷块二的厚度相等；
三、层压；将堆叠完成后的生瓷块一、生瓷块二和生瓷块三在70-90摄氏度下采用3000-6000psi的压力水等静压，通过层压使牺牲层一向下压入生瓷块二中；
四、切割；根据所需尺寸在70-85摄氏度的台面温度下切割；
五、烧结；切割完成后对生瓷块在1350-1500摄氏度的温度下进行烧结形成极限电流型氧传感器，极限电流型氧传感器呈方形并且单边长度为3-6mm，厚度为0.4-1mm，烧结过程中所述牺牲层二挥发形成容纳所述泵内电极层的空腔，所述牺牲层一挥发形成进气腔，所述进气腔连通所述空腔和所述极限电流型氧传感器的外部。
2.根据权利要求1所述的一种极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于：所述绝缘层一和所述绝缘层二的材料为氧化铝，所述加热器层、所述泵外电极层、所述泵内电极层、所述电极焊区层一和所述电极焊区层二的材料为铂，生瓷块中还添加有三氧化二钇。
3.根据权利要求2所述的一种极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于：所述泵外电极层与所述泵内电极层上下位置相互对应。
4.根据权利要求2或3所述的一种极限电流型氧传感器的制备方法，其特征在于：所述加热器层呈S型均匀分布在所述绝缘层一和所述绝缘层二之间，所述加热器层两端分别连接加热器焊区，所述绝缘层二对应所述加热器焊区的位置呈镂空状。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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