復(fù)合參比敏感層氧傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合參比敏感層氧傳感器及其制造方法，特別涉及是一種采用復(fù)合參比的方式控制汽車發(fā)動機(jī)中空氣和燃料比例的氧傳感器，屬于寬域型氧傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)的空氣和燃?xì)獗壤?，來?shí)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，通常為一個一端密封的圓管，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(jī)尾氣接觸，密封在內(nèi)表面的電極與參比氣體如空氣接觸。
[0003]平板式氧傳感器由三層扁平平板狀氧化鋯板組成，其中外表面一層為敏感元件，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(shí)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。
[0004]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(jī)工況，無法適應(yīng)愈來愈先進(jìn)的發(fā)動機(jī)電噴控制系統(tǒng)要求。
[0005]為此設(shè)計(jì)的寬域型氧傳感器將信號測量范圍擴(kuò)展到稀薄燃燒和濃燃燒階段，極大增強(qiáng)了控制精度與適用范圍。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，傳統(tǒng)寬域型氧傳感器采用了非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含微米尺度的精密微孔與空腔，以及內(nèi)部復(fù)雜的電路導(dǎo)通設(shè)計(jì)，制造工藝繁瑣，廢品率高，且隨著使用時間延長，易發(fā)生氣體通道堵塞等故障。
[0006]發(fā)明名稱為‘寬域型氧傳感器芯片結(jié)構(gòu)及其制造方法’的技術(shù)方案(專利申請?zhí)?2012102092992)，在克服傳統(tǒng)寬域型氧傳感器的不足方面，作一些有益的嘗試和改進(jìn)。增加了氧傳感器的測量范圍和控制精度，但是由于引入了一層類似敏感元件層功能的參比原件層，增了整體元件的厚度，而將主要結(jié)構(gòu)由三層變?yōu)樗膶?，也帶來一些新的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種在結(jié)構(gòu)上重大改進(jìn)的寬域型氧傳感器，通過減少一層參比原件層，將四層結(jié)構(gòu)改變?yōu)槿龑咏Y(jié)構(gòu)，再加入薄膜結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體擴(kuò)散層和薄膜電解質(zhì)層，依托原來的敏感元件層，構(gòu)建具有復(fù)合參比功能的敏感元件層，
[0008]本發(fā)明技術(shù)方案復(fù)合參比敏感層氧傳感器，主要分為復(fù)合參比敏感元件層、中空參比層和加熱層；復(fù)合參比敏感元件層包括一般氧傳感器都必備的外保護(hù)層，以及實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)寬域型氧傳感器全部氣體感應(yīng)功能的復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述外保護(hù)層為一薄膜層，由復(fù)合陶瓷材料組成，完全覆蓋外電極，用于保證長期工作條件下外電極不受污染；中空參比層和加熱層則結(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)。
[0009]本技術(shù)方案氧傳感器的制造方法，其制作工藝步驟包括:
[0010]A、制備敏感元件層坯片、中空參比坯片和加熱層坯片流延漿料:采用在有機(jī)溶劑中用球磨的方式制成流延漿料；
[0011]B、采用流延法制造敏感元件層坯片、中空參比坯片和加熱層坯片:將流延漿料在流延機(jī)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；
[0012]C、敏感元件層坯片、中空參比坯片和加熱層坯片的制成:采用模具機(jī)械切割把上述膜片切割成各層坯片；
[0013]D、在敏感元件層坯片上制備參比電極和內(nèi)敏感電極；
[0014]E、在敏感元件層坯片內(nèi)敏感電極表面制備導(dǎo)體擴(kuò)散層；在導(dǎo)體擴(kuò)散層表面制備外敏感電極；在外敏感電極表面制備薄膜電解質(zhì)層；在薄膜電解質(zhì)層表面制備外電極；
[0015]F、在外電極工作區(qū)噴涂外保護(hù)層，內(nèi)外電極都通過小孔與外層的引腳相連接；
[0016]G、采用加熱層坯片和加熱電路制造加熱層坯；
[0017]H、將噴涂保護(hù)層的敏感元件層、中空參比層和加熱層坯片依次定位三層疊層熱壓成氧傳感器還;
[0018]1、將氧傳感器坯脫除有機(jī)物并燒結(jié)而得氧傳感器芯片。
[0019]所述A步驟中的敏感元件層坯片、中空參比坯片和加熱層坯片流延漿料的組分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%。
[0020]所述C步驟中的各層還片的外形尺寸和厚度一致，其長度為60mm-65mm，寬度為5mm-6mm,厚度為 0.
[0021]所述G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。
[0022]所述D和E步驟中的參比電極和內(nèi)敏感電極，外敏感電極和外電極可以是純Pt(鉑)，可以是Pt-W(鉑-鎢)復(fù)合電極；也可以是純Pb(鈀)以及Pb-Pt(鈀-鉑)復(fù)合電極；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
[0023]所述E步驟中的導(dǎo)體擴(kuò)散層是這樣制備的:內(nèi)敏感電極之上設(shè)置完全覆蓋內(nèi)敏感電極的絲網(wǎng)印刷制備的導(dǎo)體陶瓷材料薄膜；該薄膜寬度為4-6毫米，長度為5-8毫米，厚度為20-50微米。其材料主要是鈷酸鑭(LaCo03)。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，根據(jù)不同情況和條件，鑭系系列不同酸基與不同摻雜的化合物(如Lal-xSrxCo03)，都可以考慮。
[0024]所述E步驟中的薄膜電解質(zhì)層是這樣制備的:外敏感電極之上設(shè)置完全覆蓋外敏感電極的絲網(wǎng)印刷制備的陶瓷材料薄膜；該薄膜寬度為4-6毫米，長度為5-8毫米，厚度為10-20微米。其材料是氧化釔摻雜的氧化鋯。
[0025]所述F步驟中的外保護(hù)層是這樣制備的:采用噴涂法或絲網(wǎng)印刷在最外表面制備，該層寬度為4-6毫米，長度為5-8毫米，厚度為50-150微米。材料為尖晶石結(jié)構(gòu)陶瓷，氧化鋁陶瓷，鎂鋁尖晶石陶瓷中的一種。
[0026]在以上工藝下制成的氧傳感器芯片結(jié)構(gòu)，包括復(fù)合參比敏感元件層、中空參比層和加熱層。所述的復(fù)合參比敏感元件層由敏感元件層以及設(shè)置在其上的各薄膜結(jié)構(gòu)功能層和電極層組成，由上而下依次為外保護(hù)層，外電極，薄膜電解質(zhì)層，外敏感電極，導(dǎo)體擴(kuò)散層，內(nèi)敏感電極，敏感元件層，參比電極；所述加熱層內(nèi)包含微型加熱電路。
[0027]其中，所述的內(nèi)敏感電極、外敏感電極、參比電極、外電極為薄膜結(jié)構(gòu)，厚度均為5-10微米。其中，外敏感電極和外電極頭部尺寸一致，外敏感電極與內(nèi)敏感電極尺寸一致，并在垂直方向上保持三層電極相對重合，其寬度為3-5毫米，長度為6-8毫米。其中，參比電極尺寸略小于中空參比坯片內(nèi)中空部分的尺寸，其寬度為2-3毫米，長度為4-6毫米，并在垂直方向上與內(nèi)敏感電極保持相對重合。
[0028]其中，所述的導(dǎo)體擴(kuò)散層為薄膜結(jié)構(gòu)，該層完全覆蓋內(nèi)敏感電極，與基體陶瓷層一起實(shí)現(xiàn)對內(nèi)敏感電極完全包裹，使內(nèi)敏感電極不與外界空氣發(fā)生直接接觸；其寬度為4-6毫米，長度為5-10毫米，厚度為20-50微米。
[0029]其中，所述的薄膜電解質(zhì)層為薄膜結(jié)構(gòu)，該層完全覆蓋外敏感電極，與導(dǎo)體擴(kuò)散層一起實(shí)現(xiàn)對外敏感電極完全包裹，使外敏感電極不與外界空氣發(fā)生直接接觸；其寬度為
4-6毫米，長度為5-10毫米，厚度為10-20微米。
[0030]其中，所述的外保護(hù)層為薄膜結(jié)構(gòu)，該層完全覆蓋外電極，與薄膜電解質(zhì)層一起實(shí)現(xiàn)對外電極完全包裹，使外電極不與外界空氣發(fā)生直接接觸；其寬度為4-6毫米，長度為
5-10毫米，厚度在50-150微米。
[0031 ] 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)。
[0032]其中，各層還片的外形尺寸和厚度一致，其長度為60mm-65mm，寬度為5mm-6mm，厚度為 0.7mm-1mnin
[0033]本技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)和功效是:引入了導(dǎo)體擴(kuò)散層和薄膜電解質(zhì)層來取代參比元件層，減少了一層參比原件層，保留了氣體通道但消除了與外界相通的微孔結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部微型空腔，通過擴(kuò)散層本身的導(dǎo)體能力消除了內(nèi)部電路導(dǎo)通設(shè)計(jì)，保持功能性同時極大簡化了設(shè)計(jì)，降低了制造難度，改善了工作狀態(tài)。同時，由于摒棄了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的精細(xì)部分，極大地提高了傳感器在惡劣環(huán)境下的可靠性，延長了使用壽命。
【附圖說明】
[0034]圖1為本技術(shù)方案實(shí)施例總體分組結(jié)構(gòu)主示意圖；
[0035]圖2為本技術(shù)方案實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)截面示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面通過【具體實(shí)施方式】對本