专利名称：平板式氧传感器芯片结构及其制造方法
技术领域：
本实用新型涉及一种平板式氧传感器芯片结构及其制造方法，特别涉及是一种用 于控制汽车发动机中空气和燃料比例的氧传感器，属于氧传感器技术领域。
背景技术：
现代汽车发动机所采用的尾气排放检测系统，其工作方法为检测发动机汽缸燃 烧后排放的废气中的氧浓度，与理想燃烧状态下生成的氧浓度进行比较，通过反馈控制供 给发动机的空气和燃气比例，来实现控制尾气有害物质量的目的。其中起检测作用的元件， 目前主要采用固体电解质氧传感器，通常为一个一端密封的圆管，其主要材质为固体电解 质氧化锆，起敏感元件作用；以及分别制备在密封圆管的内外表面上的两条贵金属电极，其 中暴露在外表面的电极与发动机尾气接触，密封在内表面的电极与参比气体如空气接触。固体电解质型氧传感器正常工作要求被加热至约700摄氏度温度，才具有敏感活 性。为达到这一要求，通常与氧化铝制备的棒状加热器配合使用，通过一段时间的加热来达 到工作温度。但随着目前日渐严格的环保法规的实施，要求在氧传感器更短的时间内开始 工作，传统的外带棒状加热器的圆筒式氧传感器由于需要过长的加热时间，因而不能满足 新的排放法规要求。为此近年来提出了 一种新型平板式氧传感器，该种氧传感器由三层扁平平板状氧 化锆板组成，其中外表面一层为敏感元件，贵金属电极分别制备于敏感元件两个平面上，另 两层氧化锆陶瓷内部包含微型加热电路，起加热体功能；最后将三层氧化锆板烧结为一体， 这样就实现了自带加热功能的氧传感器结构，达到工作温度的时间大大缩短。但是目前使用的平板式氧传感器中敏感元件的内电极所接触的气室中的参比空 气受尾气高温影响可能偏离标准氧分压，导致敏感元件测量信号偏差波动，测量不准确。

发明内容
本发明的目的是提供一种在结构上减少了一层气室层结构的平板式氧传感器，从 而大大简化了工艺；消除了气室层中空结构导致的整体强度降低，延长了寿命；消除了气 室漏气导致的失效隐患。本发明技术方案将平板式氧传感器芯片结构，分为保护层、敏感元件层，参照层和 加热层；参照层为一薄层，由复合陶瓷材料组成，用于代替传统平板式氧传感器的气室，加 热层则结合传统优选的平板式氧传感器加热结构。一种平板式氧传感器芯片结构的制造方法，其制作工艺步骤包括A、制备敏感元件层坯片和加热层坯片流延浆料采用在有机溶剂中用球磨的方式 制成流延浆料；B、采用流延法制造敏感元件层坯片和加热层坯片将流延浆料在流延机上经刮刀 在衬带上刮成厚度均勻的膜片，在常温下干燥后脱膜；C、敏感元件层坯片和加热层坯片的制成采用模具机械切割把上述膜片切割成各
4层坯片；D、在敏感元件层坯片上印涂内外电极且在外电极的工作区喷涂或浸渍保护层，内 外电极都通过小孔与外层的引脚相连接；E、采用加热层坯片和加热电路制造加热层坯；F、制备参照层的固态参比氧分压材料；并将其印刷在加热层坯上；G、将喷涂或浸渍保护层的敏感元件层坯片、参照层、加热层坯依次定位三层叠层 热压成氧传感器坯；H、将氧传感器坯脱除有机物并烧结而得氧传感器芯片。所述A步骤中的敏感元件层坯片和流延浆料和加热层坯片流延浆料的组分为基 材氧化钇掺杂氧化锆陶瓷粉80 90 %，分散剂1 3 %，粘合剂2 7 %，塑化剂5 8 %， 润滑剂2 7%。所述E步骤中的加热层坯是这样制备的加热层坯片(氧化锆基片)之上设置被 丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路。所述E步骤中的加热层坯是这样制备的两片加热层坯片(氧化锆基片)之间设 置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路。所述F步骤中的固态参比氧分压材料可以是氧化锆_氧化铈复合陶瓷，其比例可 以从25%: 75%到55%: 45%任意比例，还可以是氧化锆-氧化铈-氧化钛复合陶瓷， 比例为氧化锆-氧化铈比例参见以上，氧化锆-氧化铈复合陶瓷与氧化钛的比例可以从 55% -70%到 30% -45%。所述D步骤中的内外电极可以是纯Pt (钼)，可以是Pt-W(钼-钨)复合电极；也 可以是纯Pb(钯)以及Pb-Pt(钯-钼)复合电极；还可以在金属/金属复合电极中加入一 定比例的氧化锆，制成金属陶瓷复合电极所述保护层采用浸渍法或喷涂法，工艺简单，材料 为尖晶石结构陶瓷，典型例子氧化铝陶瓷，镁铝尖晶石陶瓷。在以上工艺下制成的平板式氧传感器芯片结构，包括保护层、敏感元件层，参照层 和加热层烧结在一起形成，所述的敏感元件层由敏感元件坯片，以及设置在其外侧表面的 外电极和设置在其内侧表面的内电极组成；外电极和内电极均采用贵金属电极；所述加热 层内包含微型加热电路组成；从上至下依次是保护层、敏感元件层、参照层和加热层烧结在 一起形成。其中，所述的参照层为薄膜结构，厚度在50微米-150微米。加热层有两种结构，分别是加热层坯片(氧化锆基片)之上设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路；两片加热层坯片(氧化锆基片)之间设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电 路。其中，各层坯片的厚度一致，为lmm-2mm。其中，各层的外形尺寸一致，为长度为50mm-60mm ；其宽度为5mm-6mm。平板式氧传感器芯片的性能测试标准，如下表
权利要求
平板式氧传感器芯片结构的制造方法，其制作工艺步骤包括A、制备敏感元件层坯片和加热层坯片流延浆料采用在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料；B、采用流延法制造敏感元件层坯片和加热层坯片将流延浆料在流延机上经刮刀在衬带上刮成厚度均匀的膜片，在常温下干燥后脱膜；C、敏感元件层坯片和加热层坯片的制成采用模具机械切割把上述膜片切割成各层坯片；D、在敏感元件层坯片上印涂内外电极且在外电极的工作区喷涂或浸渍保护层，内外电极都通过小孔与外层的引脚相连接；E、采用加热层坯片和加热电路制造加热层坯；F、制备参照层的固态参比氧分压材料，并将其印刷在加热层坯上；G、将喷涂或浸渍保护层的敏感元件层坯片、参照层、加热层坯依次定位三层叠层热压成氧传感器坯；H、将氧传感器坯脱除有机物并烧结而得氧传感器芯片。
2.如权利要求1所述的平板式氧传感器芯片结构的制造方法，其特征在于所述A步 骤中的敏感元件层坯片和流延浆料和加热层坯片流延浆料的组分为基材氧化钇掺杂氧化 锆陶瓷粉80 90%，分散剂1 3%，粘合剂2 7%，塑化剂5 8%，润滑剂2 7%。
3.如权利要求1所述的平板式氧传感器芯片结构的制造方法，其特征在于所述E步 骤中的加热层坯是这样制备的加热层坯片之上设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电 路。
4.如权利要求1所述的平板式氧传感器芯片结构的制造方法，其特征在于所述E步 骤中的加热层坯是这样制备的两片加热层坯片之间设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加 热电路。
5.如权利要求1至4择一所述的平板式氧传感器芯片结构的制造方法，其特征在 于所述F步骤中的固态参比氧分压材料是氧化锆-氧化铈复合陶瓷，其中氧化锆为 25% -55%、氧化铺为 45% 75%。
6.如权利要求1至4择一所述的平板式氧传感器芯片结构的制造方法，其特征在于 所述F步骤中的固态参比氧分压材料是氧化锆_氧化铈_氧化钛复合陶瓷，其中氧化锆和 氧化铈的比例与权利要求5相同，而氧化锆-氧化铈与氧化钛的比例为氧化锆_氧化铈 55% -70%,氧化钛 30% -45%。
7.平板式氧传感器芯片结构，包括保护层、敏感元件层和加热层烧结在一起形成，所述 的敏感元件层由敏感元件坯片，以及设置在其外侧表面的外电极和设置在其内侧表面的内 电极组成；外电极和内电极均采用贵金属电极；所述加热层为加热层坯片与微型加热电路 的预定结构；其特征在于还包括参照层；从上至下依次是保护层、敏感元件层、参照层和 加热层烧结在一起形成。
8.如权利要求7所述的平板式氧传感器芯片结构，其特征在于所述的参照层为薄膜 结构，厚度在50-150微米。
9.如权利要求7所述的平板式氧传感器芯片结构，其特征在于加热层为加热层坯片 之上设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路结构或两片加热层坯片之间设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路结构。
10.如权利要求7所述的平板式氧传感器芯片结构，其特征在于所述敏感元件层坯片 和加热层坯片的厚度一致，为lmm-2mm ；所述各层的外形尺寸一致，为长度为50mm-60mm ；其 宽度为5mm-6mm。
全文摘要
本发明的目的是提供一种在结构上减少了一层气室层结构的平板式氧传感器芯片结构及其制造方法，从而大大简化了工艺；消除了气室层中空结构导致的整体强度降低，延长了寿命；消除了气室漏气导致的失效隐患。所述的平板式氧传感器芯片，分为保护层、敏感元件层，参照层和加热层；参照层为一薄层，由复合陶瓷材料组成，用于代替传统平板式氧传感器的气室，加热层则结合传统优选的平板式氧传感器加热结构。参照层采用固态参比氧分压材料，并将其印刷在加热层坯上；将喷涂或浸渍保护层的敏感元件层坯片、参照层、加热层坯依次定位三层叠层热压成氧传感器坯；将氧传感器坯脱除有机物并烧结而得氧传感器芯片。
文档编号G01N27/409GK101949882SQ20101026734
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者郑龙华 申请人:郑龙华