CN210347525U - 一种家电用空燃比传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种家电用空燃比传感器芯片，包括由上而下依次设置的：固体电解质层，上表面设置有外电极，下表面设置有内电极，所述外电极和内电极通过电极引线实现极限电流的对外输出；基体层，上表面设有一气道，该气道内端承接于所述内电极的下方，外端则由所述基体层之边缘延伸至外部，形成气体引入口，从而将被测气体引至所述内电极，且所述气道内不设扩散障，所述气道的设计尺寸由所述极限电流的大小来决定；加热器基体层，内部设有加热器，以对所述固体电解质层进行加热。本实用新型剔除扩散孔和扩散障，通过设计气道的三维尺寸控制输出极限电流的大小，降低产品开裂的风险和产品制作成本。

Description

一种家电用空燃比传感器芯片

【技术领域】

本实用新型涉及一种传感器芯片，特别涉及一种用于家电的空燃比传感器芯片。

【背景技术】

近几年，气体传感器发展十分迅速，除了在汽车领域得到广泛应用外，同时也在一些民生、国防、医学、食品安全等行业得到了广泛关注与认可，特别是检测氧含量的传感器。如家用烤箱，烤箱是一种密封的用来烘烤食物的电器，在烹饪过程中，烘烤内部的温度是最为重要的参数，另一个重要的参数是烤箱内部的氧气含量，为了保证烘烤食物的口感最佳，使得食物的营养价值最高，烤箱内部通常会采用精度较高的空燃比传感器，用于检测烤箱内的含氧量。空燃比传感器是通过输出极限电流的大小来计算氧含量，本发明目的在于提供一种气道形成障碍层结构的家电用空燃比传感器芯片。

对于空燃比传感器而言，气体扩散结构是关系到产品测量精度、稳定性的一个核心要素。

如图1所示，现有空燃比传感器100’形成极限电流IP的方式采用在用于制作基体1’的两层氧化锆之间丝印一层气孔率合适的扩散障2’，再在两层氧化锆上且位于所述扩散障2’的两端冲扩散孔3’，气体通过扩散孔3’、扩散障2’进入与固体电解质层4’下表面的内电极41’接触，扩散障3对气体的进入量有一定的限制作用，当在内电极41’与固体电解质层4’上表面的外电极42’两侧加载一定电压时，此时在两电极间就会形成极限电流IP，极限电流IP的大小则反映了气体中氧含量的多少，而限制效果取决于扩散障2’的气孔率以及孔径大小。这种控制极限电流的扩散结构对丝印浆料的材料要求特别高，一方面材料气孔率较难控制，影响产品输出极限电流的稳定性、一致性；另一方面由于形成扩散障的多孔浆料印刷在两层氧化锆之间，厚度方向存在一定的段差，使得压合时存在结合强度低从而导致开裂的风险；再者形成该结构还需在氧化锆片上打孔，实现工艺较繁琐复杂，增加产品制作成本。

【实用新型内容】

本实用新型要解决的技术问题，在于提供一种家电用空燃比传感器芯片，剔除扩散孔和扩散障，直接改用气道，通过设计气道的三维尺寸控制输出极限电流的大小，从而能以更简单的实现方式使产品输出稳定性、一致性更好的极限电流信号，且能降低产品开裂的风险和产品制作成本。

本实用新型是这样实现的：一种家电用空燃比传感器芯片，包括由上而下依次设置的：固体电解质层，上表面设置有外电极，下表面设置有内电极，所述外电极和内电极通过电极引线实现极限电流的对外输出；

基体层，上表面设有一气道，该气道内端承接于所述内电极的下方，外端则由所述基体层之边缘延伸至外部，形成气体引入口，从而将被测气体引至所述内电极，且所述气道内不设扩散障，所述气道的设计尺寸由所述极限电流的大小来决定；

加热器基体层，内部设有加热器，以对所述固体电解质层进行加热。

进一步的，根据本实用新型具体的实施例，所述气道的长度的设计尺寸随着所述极限电流的增大而减少，其中所述气道的长度方向即为所述气道的延伸方向；所述气道的宽度和高度的设计尺寸随着所述极限电流的增大而增大。

进一步的，根据本实用新型具体的实施例，所述气道的沿着所述气道的长度方向为直线型、曲线型或折线型。

进一步的，根据本实用新型具体的实施例，还包括多孔保护层，所述多孔保护层覆盖于所述外电极的上方。

本实用新型的优点在于：本实用新型的传感器芯片，剔除传统的扩散孔和扩散障的结构，直接改用气道来引入被测气体，通过设计气道的三维尺寸控制输出极限电流的大小，特别是通过将气道的长度方向设计为直线型、曲线型或折线型，来实现在整个芯片尺寸不变的基础上，增大极限电流的可调范围，从而能以更简单的实现方式使产品输出稳定性、一致性更好的极限电流信号，且能降低产品开裂的风险和产品制作成本。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1是现有传统的家电用空燃比传感器芯片的纵向剖视结构示意图。

图2是本实用新型家电用空燃比传感器芯片的纵向剖视结构示意图。

图3是本实用新型家电用空燃比传感器芯片的结构分解示意图。

图4、图5、图6是本实用新型中气道的三种实施例的俯视结构示意图。

【具体实施方式】

请参阅图2至图4所示，本实用新型的家电用空燃比传感器芯片100，包括由上而下依次设置的固体电解质层1、基体层2和加热器基体层4。

所述固体电解质层1，上表面设置有外电极11，下表面设置有内电极12，所述外电极11和内电极12通过电极引线13实现极限电流IP的对外输出；

所述基体层2，上表面设有一气道3，该气道3内端承接于所述内电极12的下方，外端则由所述基体层1之边缘延伸至外部，形成气体引入口32，从而将被测气体引至所述内电极12，且所述气道3内不设扩散障。

所述气道3的设计尺寸(包括长度、宽度和高度)由所述极限电流IP的大小来决定；根据公式Ip＝C·A/L(PO2’-PO2”)，A＝宽度*高度，L是气道长度，C是气体扩散常数。PO2’为气道外界的氧分压，PO2”为气道内部的氧分压；即：所述气道的长度的设计尺寸随着所述极限电流IP的增大而减少，其中所述气道的长度方向即为所述气道的延伸方向；所述气道的宽度和高度的设计尺寸随着所述极限电流IP的增大而增大。

所述加热器基体层4，内部设有加热器42，以对所述固体电解质层1进行加热，加热器42的作用是为了给传感器提供热源，使得固体电解质层1达到所需的工作温度，如700℃。

如图4至图6所示，由于气道的长度的设计尺寸能直接影响极限电流IP的大小，因此为了实现在整个芯片尺寸不变的基础上，增大极限电流的可调范围，所述气道的沿着所述气道的长度方向设计为直线型(如图4)、曲线型(如图5)或折线型(如图6)。

根据本实用新型具体的实施例，本实用新型的家电用空燃比传感器芯片100还可包括多孔保护层5，所述多孔保护层5覆盖于所述外电极的上方，以对外电极进行隔离保护

结合图3所示，本实用新型制备工艺如下：

1、流延片制备：将高纯氧化铝粉体中添加一定量的溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等辅料在球磨罐中球磨混合制成均匀体系的浆料，经脱泡后在流延机制成厚度在100μm～300μm左右的氧化铝流延片，作为基体层2，通过相同的方法制得6％摩尔氧化钇部分稳定的氧化锆流延片用作固体电解质层1。

2、覆盖外电极的多孔浆料：在氧化铝粉体中添加30％的碳粉制备气孔率较大的多孔保护浆料，用于多孔保护层5。

3、冲孔：采用机械冲孔的方式对加热器基体层4的流延片、固体电解质层1的流延片进行打孔处理，为保证连通，形成过孔44和14，过孔的直径选择为0.3mm；

4、丝印：采用丝网印刷技术在加热器基体层4流延片上丝印加热器42、加热器引线(未图示)、加热器引脚43，在固体电解质层1的流延片上丝印内电极12、外电极11、电极引线13、电极引脚15；在外电极11上印刷一层多孔保护层5；在固体电解质层1下面一层基体层2上印刷碳浆，形成气道3，气道3的长度L约为3mm，截面积A约为800μm2。

5、层压：依次将加热器基体层2的流延片、多层基体层流延片(例如2层)、固体电解质层1的流延片叠加在一起，经过等静压压合后切割形成素坯；

6、排胶烧结：将上述素坯置于高温烧结炉中，制备出如图3结构的家电用空燃比传感器。排胶采用排胶炉，为防止排胶阶段素坯中的粘结剂、增塑剂等有机物急剧分解膨胀时使得内部应力增加，导致发生开裂和分层等结构缺陷，在排胶阶段采用较慢速率，从常温到500℃采用1.5℃/min以下的升温速率，且在增塑剂和粘结剂挥发剧烈的温度点进行保温，例如270℃保温3h，整个排胶阶段时间大概48h。烧结过程采用高温烧结炉，并在常压大气条件下进行，烧结温度为1500℃，时间为2h。

本实用新型的优点在于：本实用新型的传感器芯片，剔除传统的扩散孔和扩散障的结构，直接改用气道来引入被测气体，通过设计气道的三维尺寸控制输出极限电流的大小，特别是通过将气道的长度方向设计为直线型、曲线型或折线型，来实现在整个芯片尺寸不变的基础上，增大极限电流的可调范围，从而能以更简单的实现方式使产品输出稳定性、一致性更好的极限电流信号，且能降低产品开裂的风险和产品制作成本。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本实用新型的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种家电用空燃比传感器芯片，其特征在于：包括由上而下依次设置的：

固体电解质层，上表面设置有外电极，下表面设置有内电极，所述外电极和内电极通过电极引线实现极限电流的对外输出；

基体层，上表面设有一气道，该气道内端承接于所述内电极的下方，外端则由所述基体层之边缘延伸至外部，形成气体引入口，从而将被测气体引至所述内电极，且所述气道内不设扩散障，所述气道的设计尺寸由所述极限电流的大小来决定；

加热器基体层，内部设有加热器，以对所述固体电解质层进行加热。

2.如权利要求1所述的一种家电用空燃比传感器芯片，其特征在于：所述气道的长度的设计尺寸随着所述极限电流的增大而减少，其中所述气道的长度方向即为所述气道的延伸方向；所述气道的宽度和高度的设计尺寸随着所述极限电流的增大而增大。

3.如权利要求1所述的一种家电用空燃比传感器芯片，其特征在于：所述气道的沿着所述气道的长度方向为直线型、曲线型或折线型。

4.如权利要求1所述的一种家电用空燃比传感器芯片，其特征在于：还包括多孔保护层，所述多孔保护层覆盖于所述外电极的上方。

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