专利名称：氧传感器芯片的制造方法
技术领域：
本发明涉及氧化锆传感器用集成芯片技术领域，尤其是一种片状氧传感器芯片的 制造方法。
背景技术：
随着汽车排放法规的日益提高，对废气排放控制要求也越来越高，为此汽车发动 机需要更短的冷启动时间来满足要求。同时考虑能源节省的需要，一种集成度高、体积小、 消耗功率小、启动速度快的片式氧传感器成为一种趋势，以满足发动机电喷系统冷启动后 尽可能快速进入闭环控制的要求，同时降低氧传感器的电能消耗。目前已有的片式传感器结构主要由3层氧化锆基板和若干功能厚膜层组成，氧化 锆基板主要通过流延或者轧膜的方法成型，而厚膜功能层主要通过丝网印刷技术获得。氧 传感器的测量电极和参比电极分别形成于基板的内外表面上，通过冲压成型将基板的中部 冲开一道狭长的口子，以便形成参比空气通道；而由陶瓷绝缘层包裹的钼加热元件配置在 底部基板的内表面上，还要在基板的末端打两个通孔将内表面的加热元件同外表面末端的 加热电极片连接起来，这样就构成了敏感元件和加热元件集成一体的片式氧传感器结构。 但该结构厚度厚、体积大、制作工序复杂，且加热元件以包裹形式植于传感器内部，稳定性 比较差，且容易漏电。虽然专利“03136011. 4”提出了更小的一种结构，但主要是在宽度方 面减少，而且其结构至少也要3层来构建，工序也更为复杂。为了解决上述问题，中国专利号“201010147931. 6”提供了一种集成片式氧传感器 及其制作方法，其申请日为2010年4月16日，
公开日为2010年8月18日，其制备方法包 括以下步骤第一步，将5%摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯 (DBP)以70 86 :6 12 :4 9 :4 9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技 术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即上层氧化锆基 板；然后将含有70% 90%钼粉的电极浆料和导电浆料印刷在上层氧化锆基板的内外表 面，形成测量电极和参比电极；内表面电极通过上层氧化锆基板末端冲压形成的电极连接 通孔与外表面的内电极连接片(19)相连；第二步，将石墨粉、PVB、松油醇和柔软剂以30 46 20 30 :16 M :10 M的质量比混合充分，形成可丝网印刷浆料，并将该浆料印刷 并覆盖在内电极表面上；该参比空气扩散缝隙印刷层宽度要介于上层氧化锆基板和参比电 极宽度之间，厚度要达到15到50微米，烧结后就会形成狭长缝隙；第三步，将5%摩尔氧化 钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)以70 86 :6 12 :4 9 :4 9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生 坯带，再通过模具冲压成基片坯体，即下层氧化锆基板；将含有纯度达到97%以上的氧化 铝粉末的浆料印刷在下层氧化锆基板的外表面，制备氧化铝陶瓷绝缘层；然后将含有钼粉 的导电浆料印刷在该氧化铝陶瓷绝缘层上，并一次印刷形成钼加热元件和加热电极片；第 四步，接下来，用含有氧化锆粉的粘合剂将上层氧化锆基板和下层氧化锆基板层叠在一起， 加热至40 60度同时压紧密实，再将测量电极端浸入含有镁铝尖晶石的浆料中提拉，形成
3包裹一体的多孔陶瓷保护层；第五步，合并包裹成一体的生坯在1300 1500度高温烧结 1 3个小时，制备出集成片式氧传感器。但该技术还存在如下不足一、由于采用低分子 混合剂进行混合球磨，所形成的混合物分子结构上空隙率较大，从而使得做出来的锆体强 度达不到流延成型所需要的强度需求。二、低分子混合物在做成半成品后，由于致密性达不 到要求，抗热震性能相对偏低，严重影响其使用寿命。三、浆体在流延成型过程中，上述操作 温度在4(Γ60度之间，易形成流状物难以切割成型。四、涂制电极过程中由于采用709Γ90% 的钼粉混合物，易使得丝网印刷过程中造成电极中断，增加废品率。五、在制作过程中采用 镁铝尖晶石提拉，跟氧化锆粉末所形成的基体是很难共烧结的。

发明内容
本发明的目的在于克服现有片式氧传感器的制作方法存在的上述问题，提供一种 片状氧传感器芯片的制造方法，本发明通过降低氧化锆基体内的孔隙率，从而增加氧化锆 基体的密度，加强氧化锆基体的强度和硬度，使氧化锆芯的响应时间加快，并且降低了氧化 锆芯的能耗。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下
一种片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤 Α、将氧化锆粉末在12(Γ180度下加入松油醇、石蜡混合形成固体状态的氧化锆混合 料，氧化锆粉末、松油醇和石蜡的摩尔配比为7(T80 :10^20 20^30 ；
B、再将固体状态的氧化锆混合料压制成薄片状氧化锆胚体；
C、将氧化锆胚体切割成所需要的片状氧化锆基体，自然冷却成型；
D、在冷却后的氧化锆基体两侧分别均勻涂制加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层， 再压制成整体的片状基体；
E、将片状基体放入氧化锆粉末混合料中形成所需的毛坯，自然冷却后去除电极部分处 的氧化锆粉末；
F、再将毛坯脱脂、烧结成型氧传感器芯片。所述A步骤中，固体状态的氧化锆混合料的硬度HRA>30。所述A步骤中，氧化锆粉末中含有3 — 8mo 1氧化钇。所述B步骤中，将固体状态的氧化锆混合料反复3飞次压制成薄片状氧化锆胚体。所述B步骤中采用冲压的方式进行压制，压力为广2吨。所述B步骤中薄片状氧化锆胚体的厚度应保持在1毫米以内。所述C步骤中，将氧化锆胚体是通过模具切割成所需要的片状氧化锆基体，切割 压力为120—180吨。所述D步骤中的加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层的电阻值为8 —10欧姆。所述D步骤中的压力为广2吨。所述F步骤中，在温度为30(T145(TC进行脱脂、烧结。所述F步骤中，脱脂、烧结是在保护气环境中进行的。采用本发明的优点在于
一、本发明可以降低氧化锆基体内的孔隙率，从而增加氧化锆基体的密度，加强氧化锆 基体的强度和硬度，使氧化锆芯的响应时间加快，并且降低了氧化锆芯的能耗，提高了氧化锆芯片的使用寿命，本发明的工艺有效的降低了生产成本，简化制作工艺，适于批量生产。二、采用本发明制备的氧传感器芯片，可以降低汽车尾气的排放污染，增加电喷发 动机内气氛的燃烧程度，节约了汽油的燃烧成本，氧传感器芯片具有结构简单，响应时间短 (少于10秒)，测量范围宽(从ppm到百分含量)，使用温度高(350 800°C )，运行可靠， 安装方便，维护量小等优点，因此在汽车上得到广泛的应用。三、本发明中，将含有3—Smol氧化钇成分的氧化锆粉末混合料在12(Γ180温度下 通过配比适当的粘合剂形成固体状态的氧化锆混合料，固体状态的氧化锆混合料具有一定 的硬度，适于生产陶瓷基体用。四、本发明中，将固体状态的氧化锆混合料压制成薄片状氧化锆胚体，使得制作出 的氧化锆胚体具备很高的强度和硬度，解决了传统工艺中流延成型工艺产生的胚体强度、 硬度不够，所产生的加工难度。五、本发明中，将氧化锆胚体切割成所需要的片状氧化锆基体，自然冷却成型，解 决了传统工艺中浆料的风干冷却存在的不足，使氧化锆料具有一定的强度，减少了制作工 艺步骤，降低生产成本，方便操作。六、本发明中，在冷却后的氧化锆基体两侧分别均勻涂制加热棒用钼浆层和机体 外电极用钼浆层，再压制成整体的片状基体，将钼浆均勻涂制在氧化锆胚料上，将加热片电 极与探头电极分开压制，杜绝了双片式氧化锆芯加热片电极对内外电极信号的影响，并解 决了管式氧化锆芯存在的启动相应时间长，反应速度慢等一系列问题。七、本发明中，将片状基体放入氧化锆粉末混合料中，提拉成所需的毛坯，自然冷 却后去除电极部分处的氧化锆粉末，由于采用与氧化锆基体同等的原材料，使得氧化锆片 更易于共烧结，解决了其他工艺共烧结片基体与边料烧结剥离产生空隙的问题。八、本发明中，进行脱脂、烧结成型氧传感器芯片，将脱脂、烧结工艺结合在一起， 增加了烧结成型的成品率，达到批量生产要求。


图1为本发明工艺流程图。
具体实施例方式实施例1
一种片状氧传感器芯片的制造方法，包括如下步骤
Α、将氧化锆粉末在120度下加入松油醇、石蜡混合形成固体状态的氧化锆混合料，氧 化锆粉末、松油醇和石蜡的摩尔配比为70 10 20 ；
B、再将固体状态的氧化锆混合料压制成薄片状氧化锆胚体；
C、将氧化锆胚体切割成所需要的片状氧化锆基体，自然冷却成型；
D、在冷却后的氧化锆基体两侧分别均勻涂制加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层， 再压制成整体的片状基体；
Ε、将片状基体放入氧化锆粉末混合料中形成所需的毛坯，自然冷却后去除电极部分处 的氧化锆粉末；
F、再将毛坯进行脱脂、烧结成型氧传感器芯片。
本发明的优选方式为，A步骤中，固体状态的氧化锆混合料的硬度HRA>30。本发明的优选方式为，A步骤中，氧化锆粉末中含有3mol氧化钇。本发明的优选方式为，B步骤中，将固体状态的氧化锆混合料反复3次压制成薄片 状氧化锆胚体。通过反复压制达到相应的厚度要求，并减少固体混合料内气孔的数量。本发明的优选方式为，B步骤中采用冲压的方式进行压制，压力为1吨。本发明的优选方式为，B步骤中薄片状氧化锆胚体的厚度应保持在1毫米以内。本发明的优选方式为，C步骤中，将氧化锆胚体是通过模具切割成所需要的片状氧 化锆基体，切割压力为120吨。本发明的优选方式为，D步骤中的加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层的电阻 值为8欧姆。本发明的优选方式为，D步骤中的压力为1吨。本发明的优选方式为，F步骤中，在温度为300°C进行脱脂、烧结，脱脂、烧结工艺 与现有技术相同。本发明的优选方式为，F步骤中，脱脂、烧结是在保护气环境中进行的。实施例2
一种片状氧传感器芯片的制造方法，包括如下步骤
A、将氧化锆粉末在180度下加入松油醇、石蜡混合形成固体状态的氧化锆混合料，氧 化锆粉末、松油醇和石蜡的摩尔配比为80 20 30 ；
B、再将固体状态的氧化锆混合料压制成薄片状氧化锆胚体；
C、将氧化锆胚体切割成所需要的片状氧化锆基体，自然冷却成型；
D、在冷却后的氧化锆基体两侧分别均勻涂制加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层， 再压制成整体的片状基体；
E、将片状基体放入氧化锆粉末混合料中形成所需的毛坯，自然冷却后去除电极部分处 的氧化锆粉末；
F、再将毛坯脱脂、烧结成型氧传感器芯片。本发明的优选方式为，A步骤中，固体状态的氧化锆混合料的硬度HRA>30。本发明的优选方式为，A步骤中，氧化锆粉末中含有Smol氧化钇。本发明的优选方式为，B步骤中，将固体状态的氧化锆混合料反复5次压制成薄片 状氧化锆胚体。本发明的优选方式为，B步骤中采用冲压的方式进行压制，压力为2吨。本发明的优选方式为，B步骤中薄片状氧化锆胚体的厚度应保持在1毫米以内。本发明的优选方式为，C步骤中，将氧化锆胚体是通过模具切割成所需要的片状氧 化锆基体，切割压力为180吨。本发明的优选方式为，D步骤中的加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层的电阻 值为10欧姆。本发明的优选方式为，D步骤中的压力为2吨。本发明的优选方式为，F步骤中，在温度为1450°C进行脱脂、烧结。本发明的优选方式为，F步骤中，脱脂、烧结是在保护气环境中进行的。实施例3一种片状氧传感器芯片的制造方法，包括如下步骤
A、将氧化锆粉末在150度下加入松油醇、石蜡混合形成固体状态的氧化锆混合料，氧 化锆粉末、松油醇和石蜡的摩尔配比为75 15 25 ；
B、再将固体状态的氧化锆混合料压制成薄片状氧化锆胚体；
C、将氧化锆胚体切割成所需要的片状氧化锆基体，自然冷却成型；
D、在冷却后的氧化锆基体两侧分别均勻涂制加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层， 再压制成整体的片状基体；
E、将片状基体放入氧化锆粉末混合料中形成所需的毛坯，自然冷却后去除电极部分处 的氧化锆粉末；
F、再将毛坯脱脂、烧结成型氧传感器芯片。所述A步骤中，固体状态的氧化锆混合料的硬度HRA>30。本发明的优选方式为，A步骤中，氧化锆粉末中含有5mol氧化钇。本发明的优选方式为，B步骤中，将固体状态的氧化锆混合料反复4次压制成薄片 状氧化锆胚体。本发明的优选方式为，B步骤中采用冲压的方式进行压制，压力为1. 5吨。本发明的优选方式为，B步骤中薄片状氧化锆胚体的厚度应保持在1毫米以内。本发明的优选方式为，C步骤中，将氧化锆胚体是通过模具切割成所需要的片状氧 化锆基体，切割压力为150吨。本发明的优选方式为，D步骤中的加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层的电阻 值为9欧姆。本发明的优选方式为，D步骤中的压力为1. 2吨。本发明的优选方式为，F步骤中，在温度为1000°C进行脱脂、烧结。本发明的优选方式为，F步骤中，脱脂、烧结是在保护气环境中进行的。实施例4
一种片状氧传感器芯片的制造方法，包括如下步骤
A、将含有6mol氧化钇的氧化锆粉末在160度下加入松油醇、石蜡混合形成固体状态的 氧化锆混合料，氧化锆粉末、松油醇和石蜡的摩尔配比为76 16 26 ；
B、再将固体状态的氧化锆混合料压制成薄片状氧化锆胚体，压力应该保证均勻，压力 在2吨，并以冲压的方式进行压制，薄片厚度应保持在1毫米以内；
C、将氧化锆胚体切割成所需要的片状氧化锆基体，自然冷却成型；
D、在冷却后的氧化锆基体两侧分别均勻涂制加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层， 且使加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层的电阻值达到8—10欧姆以内，再在2吨压力 下压制成整体的片状基体；
E、将片状基体放入氧化锆粉末混合料中形成所需的毛坯，既使片状基体包裹在含有 3-8mol氧化钇的氧化锆粉末混合料中，自然冷却后去除电极部分处的氧化锆粉末；
F、再进行脱脂、烧结成型氧传感器芯片，在持续升温30(Tl45(rC进行脱脂、烧结。在A步骤中，固体状态的氧化锆混合料的硬度为HRA>30。在B步骤中，将固体状态的氧化锆混合料反复4次压制成薄片状氧化锆胚体。通 过反复压制达到相应的厚度要求，并减少固体混合料内气孔的数量。
在C步骤中，将氧化锆胚体在通过模具切割下切割成所需要的片状氧化锆基体。 在F步骤中，脱脂、烧结是在保护气环境中进行的。
权利要求
1.一种片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤A、将氧化锆粉末在12(Γ180度下加入松油醇、石蜡混合形成固体状态的氧化锆混合 料，氧化锆粉末、松油醇和石蜡的摩尔配比为7(T80 :10^20 20^30 ；B、再将固体状态的氧化锆混合料压制成薄片状氧化锆胚体；C、将氧化锆胚体切割成所需要的片状氧化锆基体，自然冷却成型；D、在冷却后的氧化锆基体两侧分别均勻涂制加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层， 再压制成整体的片状基体；E、将片状基体放入氧化锆粉末混合料中形成所需的毛坯，自然冷却后去除电极部分处 的氧化锆粉末；F、再将毛坯脱脂、烧结成型氧传感器芯片。
2.根据权利要求1所述的片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于所述A步骤中， 固体状态的氧化锆混合料的硬度HRA>30。
3.根据权利要求1或2所述的片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于所述A步 骤的氧化锆粉末中含有3 — Smol氧化钇。
4.根据权利要求3所述的片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于所述B步骤中， 将固体状态的氧化锆混合料反复3飞次压制成薄片状氧化锆胚体。
5.根据权利要求4所述的片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于所述B步骤中 采用冲压的方式进行压制，压力为广2吨。
6.根据权利要求5所述的片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于所述B步骤中 薄片状氧化锆胚体的厚度应保持在1毫米以内。
7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于所 述C步骤中，将氧化锆胚体是通过模具切割成所需要的片状氧化锆基体，切割压力为120— 180 吨。
8.根据权利要求7所述的片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于所述D步骤中 的加热棒用钼浆层和机体外电极用钼浆层的电阻值为8—10欧姆。
9.根据权利要求8所述的片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于所述D步骤中 的压力为1 2吨。
10.根据权利要求9所述的片状氧传感器芯片的制造方法，其特征在于所述F步骤 中，在温度为30(T145(TC进行脱脂、烧结。
全文摘要
本发明公开了一种片状氧传感器芯片的制造方法，包括如下步骤在氧化锆粉末中加入松油醇、石蜡混合形成固体状态的氧化锆混合料；再将固体状态的氧化锆混合料压制成薄片状氧化锆胚体；将氧化锆胚体切割成所需要的片状氧化锆基体，自然冷却成型；在冷却后的氧化锆基体两侧分别均匀涂制加热棒用铂浆层和机体外电极用铂浆层，再压制成整体的片状基体；将片状基体放入氧化锆粉末混合料中形成所需的毛坯，自然冷却后去除电极部分处的氧化锆粉末；再将毛坯脱脂、烧结成型氧传感器芯片。本发明通过降低氧化锆基体内的孔隙率，从而增加氧化锆基体的密度，加强氧化锆基体的强度和硬度，使氧化锆芯的响应时间加快，并且降低了氧化锆芯的能耗。
文档编号G01N27/00GK102140953SQ20101061499
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者杨勇 申请人:西藏瑞阳科技发展有限公司