專利名稱：寬域型氧傳感器芯片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧傳感器及其制造方法，特別涉及是ー種用于控制汽車發(fā)動機中空氣和燃料比例的工作區(qū)域?qū)挼难鮽鞲衅鳎瑢儆谘鮽鞲衅骷夹g(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代汽車發(fā)動機所采用的尾氣排放檢測系統(tǒng)，其工作方法為檢測發(fā)動機汽缸燃燒后排放的廢氣中的氧濃度，與理想燃燒狀態(tài)下生成的氧濃度進(jìn)行比較，通過反饋控制供給發(fā)動機的空氣和燃?xì)獗壤?，來實現(xiàn)控制尾氣有害物質(zhì)量的目的。其中起檢測作用的元件，目前主要采用固體電解質(zhì)氧傳感器，通常為ー個一端密封的圓管，其主要材質(zhì)為固體電解質(zhì)氧化鋯，起敏感元件作用；以及分別制備在密封圓管的內(nèi)外表面上的兩條貴金屬電極，其 中暴露在外表面的電極與發(fā)動機尾氣接觸，密封在內(nèi)表面的電極與參比氣體如空氣接觸。固體電解質(zhì)型氧傳感器正常工作要求被加熱至約700攝氏度溫度，才具有敏感活性。為達(dá)到這ー要求，通常與氧化鋁制備的棒狀加熱器配合使用，通過一段時間的加熱來達(dá)到工作溫度。但隨著目前日漸嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)的實施，要求在氧傳感器更短的時間內(nèi)開始工作，傳統(tǒng)的外帶棒狀加熱器的圓筒式氧傳感器由于需要過長的加熱時間，因而不能滿足新的排放法規(guī)要求。新型平板式氧傳感器由三層扁平平板狀氧化鋯板組成，其中外表面ー層為敏感元件，貴金屬電極分別制備于敏感元件兩個平面上，另兩層氧化鋯陶瓷內(nèi)部包含微型加熱電路，起加熱體功能；最后將三層氧化鋯板燒結(jié)為一體，這樣就實現(xiàn)了自帶加熱功能的氧傳感器結(jié)構(gòu)，達(dá)到工作溫度的時間大大縮短。但是目前使用的平板式氧傳感器僅能測出理想空燃比氣氛信號，工作區(qū)間狹窄，不能控制過濃或過稀燃燒時發(fā)動機エ況，無法適應(yīng)愈來愈先進(jìn)的發(fā)動機電噴控制系統(tǒng)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種在結(jié)構(gòu)上重大改進(jìn)的氧傳感器，增加了一層參比原件層，由前代的三層結(jié)構(gòu)改變?yōu)樗膶咏Y(jié)構(gòu)，引入了外參比信號和內(nèi)參照信號的二次參比效應(yīng)，極大擴展了氧傳感器的工作范圍，使其能適應(yīng)從發(fā)動機稀薄燃燒到濃燃燒各種氣氛下的氧含量檢測。本發(fā)明寬域型氧傳感器芯片，分為保護(hù)層、敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層；保護(hù)層為一薄層，由復(fù)合陶瓷材料組成，用于保證長期工作條件下外電極不受污染；敏感元件層為帶中央微型通孔結(jié)構(gòu)；參比原件層和敏感元件層之間圍繞著中央微型通孔結(jié)構(gòu)設(shè)置微型空腔結(jié)構(gòu)和多孔擴散結(jié)構(gòu)，這三組結(jié)構(gòu)空間上堆疊形成一組范圍依次擴大的同心圓，微型空腔結(jié)構(gòu)包圍著多孔擴散結(jié)構(gòu)處于同一層平面，空氣從中央微型通孔經(jīng)過多孔擴散結(jié)構(gòu)緩慢進(jìn)入微型空腔結(jié)構(gòu)；中空參照層和加熱層則結(jié)合傳統(tǒng)優(yōu)選的平板式氧傳感器中空氣室和微電路加熱結(jié)構(gòu)。
所述多孔擴散結(jié)構(gòu)和微型空腔結(jié)構(gòu)通過印涂在參比原件層胚片上的有機犧牲層和多孔擴散層在整體燒結(jié)時形成；有機犧牲層印涂的是有機物填充物，在陶瓷高溫成型過程中該有機填充物被高溫除去，自動形成微型空腔結(jié)構(gòu)；多孔擴散層印涂的是與基體(參比原件層和敏感元件層坯片)不一致的陶瓷成分，在陶瓷高溫成型過程中，自動形成多孔擴散結(jié)構(gòu)。設(shè)置在敏感元件層表面的是外參比信號系統(tǒng)，設(shè)置在參比原件層表面的是內(nèi)參比信號系統(tǒng)；外參比信號系統(tǒng)的內(nèi)電極(即敏感層內(nèi)電扱)和內(nèi)參比信號系統(tǒng)的外電極(即參比層外電極)同處于微型空腔結(jié)構(gòu)當(dāng)中，并且直接短接。敏感層通過外界空氣與微型空腔中的濃度較低的空氣進(jìn)行了一次參比獲得一個電勢差，參比層通過微型空腔中的空氣和中空參照層中的參比空氣也進(jìn)行了一次參比也獲得ー個電勢差，然后兩者再進(jìn)行一次“ニ次參比”。其中，所述的保護(hù)層為薄膜結(jié)構(gòu)，厚度為50微米-150微米。其中，所述的貴金屬電極為薄膜結(jié)構(gòu)，厚度為10微米-15微米。
0012]其中，所述的微型通孔為小孔結(jié)構(gòu)，直徑為50微米-100微米。其中，所述的微型空腔結(jié)構(gòu)的厚度為20微米-50微米，范圍是外徑為3. 5-4. 5mm內(nèi)徑為 2. 5-3. 5mm。其中，所述的多孔擴散結(jié)構(gòu)的厚度為30微米-60微米，范圍是直徑2. 5-3. 5mm,與微型空腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑一致。其中，所述的加熱層為加熱層坯片之上設(shè)置被絲網(wǎng)印刷的絕緣層所包覆的加熱電路結(jié)構(gòu)；其中，各層還片的厚度一致,為O. 7mm-lmm。其中，各層還片外形尺寸一致,為長度為60mm-65mm ;其寬度為5mm-6mm。對應(yīng)的，該寬域型氧傳感器芯片的制造方法，其制作エ藝步驟包括A、制備敏感元件層坯片、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片流延漿料采用在有機溶劑中用球磨的方式制成流延漿料；B、采用流延法制造敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片將流延漿料在流延機上經(jīng)刮刀在襯帶上刮成厚度均勻的膜片，在常溫下干燥后脫膜； C、敏感元件層坯片、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片的制成采用模具機械切割把上述膜片切割成各層坯片；D、在敏感元件層和參比原件層坯片上印涂內(nèi)外電極且在外電極的工作區(qū)噴涂或浸潰保護(hù)層，內(nèi)外電極都通過小孔與外層的引腳相連接；E、采用加熱層坯片和加熱電路制造加熱層坯；F、在敏感元件層外電極中央位置制造微型通孔；G、在參比原件層外電極表面印涂有機犧牲層；在燒結(jié)過后，有機物被高溫除去，制造相應(yīng)的微型空腔結(jié)構(gòu)；H、在參比原件層外電極表面對應(yīng)敏感原件層微型通孔位置印涂環(huán)形多孔擴散層；在高溫?zé)Y(jié)陶瓷化之后形成相應(yīng)的多孔擴散結(jié)構(gòu)；該多孔擴散層采用與基體不一致的陶瓷成分(比如氧化鋁)，其燒結(jié)性能不同，形成致密基體同時，該種陶瓷成分(比如氧化鋁)自動形成多孔擴散結(jié)構(gòu)。
多孔擴散的含義是該層是多孔結(jié)構(gòu)，氣體可以緩慢擴散通過，即不是密封的，作用就是讓從微型通孔進(jìn)入的外界氣體可以擴散進(jìn)入G所述的微型空腔中，即保證氣體能夠進(jìn)入又必須是緩慢進(jìn)入由此微型空腔中空氣濃度會比外界低ー個等級。I、將噴涂或浸潰保護(hù)層的敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片依次定位四層疊層熱壓成氧傳感器坯；J、將氧傳感器坯脫除有機物并燒結(jié)而得寬域型氧傳感器芯片。所述A步驟中的敏感元件層坯片流延漿料和參比原件層坯片流延漿料的組分ー致，為基材氧化釔摻雜氧化鋯陶瓷粉80 90%，分散劑I 3%，粘合劑2 7%，塑化劑5 8%，潤滑劑2 7% ;加熱層坯片流延漿料和中空參照層坯片流延漿料的組分也一致，為基材氧化釔摻雜氧化鋯陶瓷粉80 90 %，分散劑I 3 %，粘合劑2 7 %，塑化劑5 8%，潤滑劑2 7%所述E步驟中的加熱層是這樣制備的加熱層坯片之上設(shè)置被絲網(wǎng)印刷的絕緣層 所包覆的加熱電路。所述G步驟中的有機犧牲層是這樣制備的參比原件層坯片之上設(shè)置被絲網(wǎng)印刷的有機物薄膜。所述H步驟中的多孔擴散層材料可以是純氧化鋁陶瓷，可以是氧化鋯-氧化鋁復(fù)合陶瓷，其比例可以從25% : 75%到85%: 15%任意比例，還可以是氧化鋁-氧化鎂復(fù)合陶瓷，或者氧化鋁-氧化鈣復(fù)合陶瓷，比例參見以上。所述D步驟中的內(nèi)外電極可以是純Pt (鉬)，可以是Pt-W (鉬-鎢)復(fù)合電扱；也可以是純Pb(鈀)以及Pb-Pt(鈀-鉬)復(fù)合電扱；還可以在金屬/金屬復(fù)合電極中加入一定比例的氧化鋯，制成金屬陶瓷復(fù)合電極所述保護(hù)層采用浸潰法或噴涂法，材料為尖晶石結(jié)構(gòu)陶瓷，典型例子氧化鋁陶瓷，鎂鋁尖晶石陶瓷。在以上エ藝下制成的平板式氧傳感器芯片結(jié)構(gòu)，包括保護(hù)層、敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層燒結(jié)在一起形成，所述的敏感元件層和參比元件層由敏感元件坯片、參比原件坯片，以及設(shè)置在其外側(cè)表面的外電極和設(shè)置在其內(nèi)側(cè)表面的內(nèi)電極組成；敏感元件層外電極中央有微型通孔；敏感元件層和參比元件層之間有微型空腔結(jié)構(gòu)；微型空腔與微型通孔之間有多孔擴散結(jié)構(gòu)阻隔；外電極和內(nèi)電極均采用貴金屬電極；所述加熱層內(nèi)包含微型加熱電路組成?？梢姳炯夹g(shù)方案的優(yōu)點和功效是通過引入?yún)⒈仍?，反?yīng)區(qū)間由理想空燃比擴大到濃燃燒和稀薄燃燒各種氣氛條件，極大增加了氧傳感器的測量范圍，增強了電噴系統(tǒng)對發(fā)動機的控制精度，減小了污染排放。寬域型氧傳感器芯片的部分性能測試標(biāo)準(zhǔn)，如下表
權(quán)利要求
1.寬域型氧傳感器芯片，分為保護(hù)層、敏感元件層、中空參照層和加熱層；其特征在于敏感元件層和中空參照層之間設(shè)置參比原件層；敏感元件層為帶中央微型通孔結(jié)構(gòu)；參比原件層和敏感元件層之間圍繞著中央微型通孔結(jié)構(gòu)設(shè)置微型空腔結(jié)構(gòu)和多孔擴散結(jié)構(gòu)，這三組結(jié)構(gòu)空間上堆疊形成一組范圍依次擴大的同心圓，微型空腔結(jié)構(gòu)包圍著多孔擴散結(jié)構(gòu)處于同一層平面； 設(shè)置在敏感元件層表面的是外參比信號系統(tǒng)，設(shè)置在參比原件層表面的是內(nèi)參比信號系統(tǒng)；外參比信號系統(tǒng)的內(nèi)電極和內(nèi)參比信號系統(tǒng)的外電極同處于微型空腔結(jié)構(gòu)當(dāng)中，并且直接短接。
2.如權(quán)利要求I所述的寬域型氧傳感器芯片，其特征在于所述的微型通孔為小孔結(jié)構(gòu)，直徑為50微米-100微米。
3.如權(quán)利要求I所述的寬域型氧傳感器芯片，其特征在于所述的微型空腔結(jié)構(gòu)的厚度為20微米-50微米，范圍是外徑為3. 5-4. 5mm ；內(nèi)徑為2. 5-3. 5mm。
4.如權(quán)利要求I所述的寬域型氧傳感器芯片，其特征在于所述的多孔擴散結(jié)構(gòu)的厚度為30微米-60微米，范圍是直徑2. 5-3. 5mm,與微型空腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑一致。
5.如權(quán)利要求1-4擇一所述的寬域型氧傳感器芯片，其特征在于各層坯片的厚度一致，為 O. 7mm-1mnin
6.如權(quán)利要求1-4擇一所述的寬域型氧傳感器芯片，其特征在于各層坯片外形尺寸一致，為長度為60mm-65mm ;其寬度為5mm-6mm。
7.寬域型氧傳感器芯片的制造方法，其特征在干 制作エ藝步驟包括 A、制備敏感元件層坯片、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片流延漿料采用在有機溶劑中用球磨的方式制成流延漿料； B、采用流延法制造敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片將流延漿料在流延機上經(jīng)刮刀在襯帶上刮成厚度均勻的膜片，在常溫下干燥后脫膜； C、敏感元件層坯片、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片的制成采用模具機械切割把上述膜片切割成各層坯片； D、在敏感元件層和參比原件層坯片上印涂內(nèi)外電極且在外電極的工作區(qū)噴涂或浸潰保護(hù)層，內(nèi)外電極都通過小孔與外層的引腳相連接； E、采用加熱層坯片和加熱電路制造加熱層坯； F、在敏感元件層外電極中央位置制造微型通孔； G、在參比原件層外電極表面印涂有機犧牲層； H、在參比原件層外電極表面對應(yīng)敏感原件層微型通孔位置印涂環(huán)形多孔擴散層； I、將噴涂或浸潰保護(hù)層的敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片依次定位四層疊層熱壓成氧傳感器坯； J、將氧傳感器坯脫除有機物并燒結(jié)而得寬域型氧傳感器芯片。
8.如權(quán)利要求7所述的寬域型氧傳感器芯片的制造方法，其特征在于 所述A步驟中的敏感元件層坯片流延漿料和參比原件層坯片流延漿料的組分一致，為基材氧化釔摻雜氧化鋯陶瓷粉80 90 %，分散劑I 3 %，粘合劑2 7 %，塑化劑5 8%，潤滑劑2 7%。
9.如權(quán)利要求7所述的寬域型氧傳感器芯片的制造方法，其特征在于 所述A步驟中的加熱層坯片流延漿料和中空參照層坯片流延漿料的組分也一致，為基材氧化釔摻雜氧化鋯陶瓷粉80 90 %，分散劑I 3 %，粘合劑2 7 %，塑化劑5 8 %，潤滑劑2 7°ん
10.如權(quán)利要求7-9所述的寬域型氧傳感器芯片的制造方法，其特征在于所述H步驟中的多孔擴散層材料是純氧化鋁陶瓷或氧化鋯-氧化鋁復(fù)合陶瓷或氧化鋁-氧化鎂復(fù)合陶瓷或者氧化鋁-氧化鈣復(fù)合陶瓷中的ー種，其比例為從25% : 75%到85%: 15%任意比例。
全文摘要
本發(fā)明寬域型氧傳感器芯片及其制造方法，該芯片分為保護(hù)層、敏感元件層、中空參照層和加熱層；敏感元件層和中空參照層之間設(shè)置參比原件層；敏感元件層為帶中央微型通孔結(jié)構(gòu)；參比原件層和敏感元件層之間圍繞著中央微型通孔結(jié)構(gòu)設(shè)置微型空腔結(jié)構(gòu)和多孔擴散結(jié)構(gòu)，微型空腔結(jié)構(gòu)包圍著多孔擴散結(jié)構(gòu)處于同一層平面；設(shè)置在敏感元件層表面的是外參比信號系統(tǒng)，設(shè)置在參比原件層表面的是內(nèi)參比信號系統(tǒng)；外參比信號系統(tǒng)的內(nèi)電極和內(nèi)參比信號系統(tǒng)的外電極同處于微型空腔結(jié)構(gòu)當(dāng)中，并且直接短接。優(yōu)點功效是增加了一層參比原件層，引入了外參比信號和內(nèi)參照信號的二次參比效應(yīng)，極大擴展了工作范圍，使其能適應(yīng)從發(fā)動機稀薄燃燒到濃燃燒的各種氣氛。
文檔編號G01N27/409GK102841121SQ201210209299
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者鄭龍華 申請人:鄭龍華