CN218629631U - 一种带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片，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，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，第二流延基片上位于空腔的一侧贯穿预留设置有填充通道，填充通道内填充有镶嵌块，且空腔内填充满有机流延片。通过在空腔的一侧贯穿预留设置有填充通道，这样方便内腔中大量填充的有机物在排胶阶段从空腔内排出，待烧结完成后，在填充通道内填充镶嵌块，再次烧结形成闭腔，防止了开始闭腔排胶不畅导致腔体开裂造成泄漏和破坏，通过两步法形成结构完好的闭腔，保持测量信号长期工作的稳定性。

Description

一种带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片。

背景技术

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。

发明专利CN202010482434.5提出了一种测量氧分压的集成氧气传感器芯片及其制备方法，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，测试表明，导致专利CN202010482434.5测氧芯片信号衰减的根本原因是闭腔密封结构的效果不佳，在工作循环中容易漏气导致信号滞后。

而从该专利工艺上分析表明，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，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，性能不稳定，因此需要进一步改进。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片，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，所述第二流延基片上位于所述空腔的一侧贯穿预留设置有填充通道，所述填充通道内填充有镶嵌块，且所述空腔内填充满有机流延片，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，所述加热电极的表面设置有绝缘层。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片，通过在所述第二流延基片上位于所述空腔的一侧贯穿预留设置有填充通道，这样方便内腔中大量填充的有机物在排胶阶段从所述空腔内排出，待烧结完成后，在所述填充通道内填充镶嵌块，再次烧结形成闭腔，防止了开始闭腔排胶不畅导致腔体开裂造成泄漏和破坏，通过两步法形成结构完好的闭腔，保持测量信号长期工作的稳定性。本发明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，本实用新型还可以做如下改进：

进一步：所述镶嵌块在预成型之后密合填充到所述空腔内填充通道的相应位置，并烧结后使得所述空腔形成闭腔。

进一步：所述信号功能单元包括泵电极、感应电极和保护层，所述泵电极和感应电极间隔设置在所述第一流延基片，且所述保护层设置在所述第一流延基片上，并罩住所述泵电极和感应电极。

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。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例的第二流延基片的平面结构示意图；

图3为本实用新型一实施例的泵电极和感应电极的布置示意图。

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，2-1、填充通道，2-2、镶嵌块，3、第三层流延基片，4、第四层流延基片，5、泵电极，6、感应电极，7、公共电极，8、公共电极导电孔，9、空腔，10、加热电极，11、加热电极导电孔，12、保护层，13、绝缘层，14、公共电极引脚，15、泵电极引脚，16、感应电极引脚，17、公共电极引线。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1至图3所示，一种带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片,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的上表面印刷有由信号功能单元，所述第一流延基片1的下表面印刷有公共电极7，所述第一流延基片1的扩散孔中印刷有公共电极导电孔8，且所述第二流延基片2上上下贯通设置有空腔9，所述公共电极7恰好位于所述空腔9内，所述第二流延基片2上位于所述空腔9的一侧贯穿预留设置有填充通道2-1，所述填充通道2-1内填充有镶嵌块2-2，且所述空腔9内填充满有机流延片，所述公共电极7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8的公共电极引线17引至所述第一流延基片1上表面，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13，所述加热电极13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，所述加热电极的表面设置有绝缘层15。

本实用新型的带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片，通过在所述第二流延基片2上位于所述空腔9的一侧贯穿预留设置有填充通道2-1，这样方便内腔中大量填充的有机物在排胶阶段从所述空腔内排出，待烧结完成后，在所述填充通道2-1内填充镶嵌块2-2，再次烧结形成闭腔，防止了开始闭腔排胶不畅导致腔体开裂造成泄漏和破坏，通过两步法形成结构完好的闭腔，保持测量信号长期工作的稳定性。本发明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。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述镶嵌块采用含有玻璃成分的氧化锆浆料，并在预成型之后密合填充到所述空腔9内填充通道的相应位置，并烧结后使得所述空腔9形成闭腔。

在本实用新型的一个或多个实施例中，所述信号功能单元包括泵电极5、感应电极6和保护层12，所述泵电极5和感应电极6间隔设置在所述第一流延基片1，且所述保护层12设置在所述第一流延基片1上，并罩住所述泵电极5和感应电极6。

实际中，泵电极5和感应电极6分别对应连接有泵电极引脚15和感应电极引脚16，且泵电极引脚15和感应电极引脚16分别位于所述第一流延基片1上表面，并位于保护层12外，公共电极7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8的公共电极引线17引至所述第一流延基片1上表面，并连接有公共电极引脚。

在本实用新型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。

实际中，测氧传感器芯片的组件有三个部分：感应室、抽气板、加热部三部分组成。加热部由下到上分别为第四层流延基片4、绝缘层13、加热电极10和绝缘层13，加热电极10穿孔导通与反面的加热电极引脚相连。加热电极10上还设有与热电偶相连的导线。感应室和抽气板由三层流延基片共同组成，感应室由第一层流延基片1、泵电极5、感应电极6和保护层12组成，两个外部氧化铝盘过滤并防止任何周围的颗粒物进入传感器，并清除所有未燃烧的气体，根据尾气浓度的不同，感应室两电极之间将产生一个能斯特电动势；抽气板由第二层流延基片2、公共电极7和空腔9组成，施加恒定电流源，开启电化学泵泵进泵出腔室11的氧，能斯特电压增加，直到达到V5；然后泵电流连接反向，能斯特电压减小，直到达到V1，每次达到这两个参考电压中的任何一个时，恒流源的方向都将反转，最终通过测得周期时间计算得氧气分压。

本实用新型的带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片的制备过程如下：

1)、采用复合氧化锆粉体材料制备的浆料进行流延，形成流延基片；

2)、对所述流延基片进行相关切割和孔的成形加工，形成对应于每一层的流延基片，在第二流延基片1上腔体部分设置预留通道2-1，用于有机填充，而不是直接形成闭腔；

3)、根据传感器芯片的结构，对各层流延基片进行对应的丝网印刷，形成对应层上的各电极和功能层；

4)、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9部分，使得叠合没有空隙以便等静压；

5)、将各层流延基片按所述传感器芯片的结构进行叠合，再进行低温等静压压制，形成所述传感器的芯片坯材，切割坯材形成单个芯片生坯；低温等静压压制的压力为：5～35Mpa，温度为：65～85℃，优选的温度为70℃；

6)、采用端面侧涂连通不同层片上或同一层片上分别在上下两面的电极线路，烧结制得传感器芯片，烧结中对应含有有机浆料的功能层排胶，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1450～1550℃，优选的温度为1500℃；然后在烧结制得传感器芯片之前的预留通道2-1内用含有玻璃成分的镶嵌块2-2填充，再次烧结形成闭腔。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片,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)的上表面印刷有由信号功能单元，所述第一流延基片(1)的下表面印刷有公共电极(7)，所述第一流延基片(1)的扩散孔中印刷有公共电极导电孔(8)，且所述第二流延基片(2)上上下贯通设置有空腔(9)，所述公共电极(7)恰好位于所述空腔(9)内，所述第二流延基片(2)上位于所述空腔(9)的一侧贯穿预留设置有填充通道(2-1)，所述填充通道(2-1)内填充有镶嵌块(2-2)，且所述空腔(9)内填充满有机流延片，所述公共电极(7)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(8)的公共电极引线(17)引至所述第一流延基片(1)上表面，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(13)，所述加热电极(13)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，所述加热电极的表面设置有绝缘层(15)。

2.根据权利要求1所述的带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片,其特征在于：所述镶嵌块在预成型之后密合填充到所述空腔(9)内填充通道的相应位置，并烧结后使得所述空腔(9)形成闭腔。

3.根据权利要求1所述的带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片,其特征在于：所述信号功能单元包括泵电极(5)、感应电极(6)和保护层(12)，所述泵电极(5)和感应电极(6)间隔设置在所述第一流延基片(1)，且所述保护层(12)设置在所述第一流延基片(1)上，并罩住所述泵电极(5)和感应电极(6)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的带有镶嵌块结构的集成测氧传感器芯片,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。

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