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专利名称：一种平板式氧传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种汽车用氧传感器芯片结构，尤其涉及到ー种以5%molY203掺杂的ZrO2为固体电解质的平板式氧传感器。
背景技术：
氧传感器安装在发动机排气管或排气尾管中，用于测量发动机排气中剰余氧气浓度，发动机ECU根据氧传感器所提供的信号闭环控制发动机燃烧的空燃比，使之达到恒定的14. 7，从而使三元催化剂最有效地降低汽车排气中ー氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物的成分，将尾气中的有害气体转换为ニ氧化碳、氮气、水。氧传感器是利用氧化锆的高温氧离子传导特性与Pt电极的催化特性制备而成。 传统的平板式氧传感器由三层氧化锆电解质叠合而成，上层氧化锆电解质正面印刷信号电极；反面印刷參考电极、中层氧化锆固体电解质带有空腔，用于向參考电极引入空气；下层氧化锆电解质上印刷加热器，用于给传感器加热，使其达到正常工作时温度(300°C以上)。当氧传感器处于浓燃烧的尾气环境中时，尾气中过量的一氧化碳与残余氧气在传感器信号电极上发生反应，生成ニ氧化碳，使传感器信号电极上几乎不存在氧气，此时信号电极与參考电极两侧的氧气浓度梯度非常大，氧传感器产生一个较高的电压信号(IV左右)；当氧传感器处于稀薄燃烧的尾气环境中时，信号电极测有很多氧气，此时信号电极与參考电极两侧的氧气浓度梯度�。醮衅鞑`个较低的电压信号(0V左右)。根据氧传感器的输出信号(高电势、低电势)，就能反映发动机的燃烧状态。传统三层结构的平板式氧传感器，由于有參考空腔的存在，三层叠合的时候不适合用等静压的方法实现，只能在层间印刷黏结剂后采用机械叠压，层间叠合的时候，中层的空腔容易变形，堵塞參考空气通道。黏结剂的印刷，会使得氧化锆生瓷片在烘干的过程中收缩变形，影响上、中、下三层的对位精度。此种平板式氧传感器エ艺复制备エ艺复杂，芯片弯曲強度偏低导致芯片装配成品率低，寿命短，批量化生产成本高。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提出ー种エ艺简单、质量稳定、同时能增强氧传感器陶瓷片弯曲強度、提高产品成品率、批量化生产成本低的平板式氧传感器结构。本实用新型的技术方案是—种平板式氧传感器，包括由七层厚度为0. 2-0. 25mm的氧化锆陶瓷生片制备而成的传感器芯片，传感器芯片从上往下依次为第一层陶瓷生片与第二层陶瓷生片组成的信号功能层、第三层陶瓷生片与第四层陶瓷生片和第五层陶瓷生片组成的參考通道功能层，第六层陶瓷生片与第七层陶瓷生片组成的加热功能层，第一层陶瓷生片的上表面上设置有外电极和信号电极引脚，外电极上设置有多孔保护层，信号电极引脚上设置有引线保护层，第二层陶瓷生片和第三层陶瓷生片之间设置有參考电极，第五层陶瓷生片和第六层陶瓷生片之间设置有加热器，加热器上、下分别设置加热器上绝缘层、加热器下绝缘层，加热器上连接有加热电极引脚。第三层陶瓷生片上设置有參考通道，參考电极设置在參考通道内，參考通道内还设置有參考通道填充条。參考通道填充条的材料为碳粉与树脂的混合物。第六层陶瓷生片与第七层陶瓷生片上设置有加热电极导通小孔，加热电极引脚通过加热电极导通小孔引出。第一层陶瓷生片与第二层陶瓷生片上设置有信号电极导通小孔，信号电极引脚通过信号电极导通小孔引出。有益效果1、本实用新型相比于专利号为200710051946. 0名称为《平板式氧传感器芯片的制造方法》的授权专利说明书中介绍的三层0. 45mm氧化锆陶瓷生片叠合的方式而言，本实用新型中的氧传感器制备エ艺采用七层0. 2-0. 25mm的氧化锆陶瓷生带叠合在一 起。氧化锆陶瓷生片厚度的降低有助于均均匀化陶瓷生片制备过程中的缺陷，提高陶瓷生片的强度；其次陶瓷生片厚度降低后有助于加快陶瓷生片在流延成型时的烘干速度，提高陶瓷生片的生产效率；2、本实用新型中的氧传感器各层陶瓷生片采用温等静压的方式叠合，相比于常规的机械方式叠合而言，一者等静压的压カ比机械叠压的压カ高出数百倍，压カ的增强会消除生瓷片内的微孔，提高各层陶瓷生片的致密度，提高烧结后氧传感器的強度，还可以有效防止烧结过程中层间开裂的问题。二者等静压设备对温度与压カ的控制更加精确，采用等静压方式可以有效降低产品制备的エ艺误差，提高氧传感器成品的一致性；3、为了防止各层生瓷片在等静压的过程中由于參考空腔的存在而产生塌陷，本实用新型氧传感器制备方法中采用ー种碳粉与树脂类的混合物薄片来填充传感器的參考通道，该薄片采用流延成型的方式、厚度为0. 25mm、且在600°C -800°C左右全部挥发，不会残留在传感器内部而堵塞參考通道；4、传感器信号电极与加热电极的层间导通孔采用0. 1-0. 2mm的小孔，通过印刷一个Imm的圆形贵金属图案覆盖在小孔上面来实现不同层间电极的导通问题，相对于传统Imm的小孔采用手动涂孔或者灌孔的方式而言，以小孔印刷方式实现层间更加高效、稳定、且节省贵金属浆料。

图I为本实用新型平板式氧传感器结构的展开示意图；图2为传感器芯片弯曲強度试验曲线图；图3为传感器加热效率测试曲线图；图4为传感器相应时间测试曲线图；图5为传感器台架测试曲线图。图中1ー多孔保护层、2—引线保护层、3—外电极、4一信号电极引脚、5—信号电极导通小孔、6—參考电扱、7—參考通道填充条、8—參考通道、9 ー加热器上绝缘层、10—加热器、11 ー加热器下绝缘层、12—加热电极导通小孔、13—加热电极引脚、14 一第一层陶瓷生片、15—第二层陶瓷生片、16—第三层陶瓷生片、17—第四层陶瓷生片、18—第五层陶瓷生片、19一第六层陶瓷生片、20第七层陶瓷生片。
具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进ー步说明ー种平板式氧传感器，包括由七层厚度为0. 2-0. 25mm的氧化锆陶瓷生片制备而成的传感器芯片，传感器芯片从上往下依次为第一层陶瓷生片14与第二层陶瓷生片15组成的信号功能层、第三层陶瓷生片16与第四层陶瓷生片17和第五层陶瓷生片18组成的參考通道功能层，第六层陶瓷生片19与第七层陶瓷生片20组成的加热功能层，第一层陶瓷生片14的上表面上设置有外电极3和信号电极引脚4，外电极3上设置有多孔保护层1，信号电极引脚4上设置有引线保护层2，第二层陶瓷生片15和第三层陶瓷生片16之间设置有參考电极6，第五层陶瓷生片18和第六层陶瓷生片19之间设置有加热器10，加热器10上、下分别设置加热器上绝缘层9、加热器下绝缘层11，加热器10上连接有加热电极引脚13。第三层陶瓷生片16上设置有參考通道8，參考电极6设置在參考通道8内，參考通道8内还设置有參考通道填充条7。參考通道填充条7的材料为碳粉与树脂的混合物。第六层陶瓷生片19与第七层陶瓷生片20上设置有加热电极导通小孔12，加热电极引脚13通过加热电极导通小孔12引出。第一层陶瓷生片14与第二层陶瓷生片15上设置有信号电极导通小孔5，信号电极引脚4通过信号电极导通小孔5引出。平板式氧传感器的制备方法，包括如下步骤(I)陶瓷生片的制备选取比表面积为5_8m2/g、掺杂5%molY203的超细氧化锆粉，以氧化锆的质量为基准，向其中添加16-22%有机溶剂；1_3%分散剂；3-8%的塑化剂；3-10%黏结剂球磨混合24-30小时后得到均匀稳定的流延浆料，将流延浆料制备成厚度0. 2-0. 25mm的陶瓷生片；(2)陶瓷生片的定型在第一层陶瓷生片14和第二层陶瓷生片15上冲ー组2-4个直径0. 1-0. 2mm的圆形小孔；第六层陶瓷生片19和第七层陶瓷生片20上冲两组2-4个直径0. 1-0. 2mm的圆形小孔；第三层陶瓷生片16上中间用激光切割ー个尾部敞开的长槽作为參考通道8 ；(3)陶瓷生片的印刷生瓷片第一层陶瓷生片14、第二层陶瓷生片15、第六层陶瓷生片19和第七层陶瓷生片20正、反两面印刷直径Imm的圆形贵金属Pt浆料；第一层陶瓷生片14的正面依次印刷外电极3、信号电极引脚4、多孔保护层I、引线保护层2，第二层陶瓷生片15的反面印刷參考电极6，第六层陶瓷生片19正面依次印刷加热电极下绝缘层11、加热电极10、加热电极上绝缘层9，第七层陶瓷生片20反面印刷加热电极引脚13，生瓷片上的毎次印刷过程完成后，均在70-80°C环境下烘烤20-30分钟；(4)陶瓷生片的叠压用辅助对位夹具将印刷完成后的第一层至第七层陶瓷生片从下由上依次对位叠合起来，叠压时将參考通道8内填入參考通道填充条7，參考通道填充条7的材料为碳粉与树脂的混合物叠合好的陶瓷生片四周焊接起来真空塑封，放入等静压机中在70-80°C、20-25Mp的压カ下持续热压20-30分钟后取出；[0037](5)、传感器的烧结叠压后的陶瓷生片在高温烧结炉中从室温以10_15°C /hr的升温速率升到600°C脱脂1-2个小时，然后以60-300°C /hr的升温速率升到1450_1500°C烧结1_2个小时，冷却出炉后即为氧传感器芯片。实施例I步骤ー陶瓷生片的制备将80mlこ醇与80ml甲苯的混合溶液作为有机溶剂；15g鱼油作为分散剂加入球磨罐中，用聚四氟こ烯棒将三者搅匀；称取IKg比表面积为5m2/g、掺杂5%molY203的超细氧化锆粉加入球磨罐中球磨10小时；然后将50g的聚こニ醇作为塑化剂；25g聚こ烯醇与25gこ基纤维素的混合物作为黏结剂添加入球磨罐中球磨14小吋。将混合后的浆料进行脱泡、流延成厚度0. 25mm的陶瓷生片； 步骤ニ陶瓷生片的定型在第一层陶瓷生片和第二层陶瓷生片上冲ー组4个直径0.2_的圆形小孔，4个小孔呈十字对称排列且位于直径Imm的圆形区域内；第六层陶瓷生片和第七层陶瓷生片上冲两组4个直径0. 2mm的圆形小孔，4个小孔呈十字对称排列且位于直径Imm的圆形区域内；第三层陶瓷生片中间用激光切割ー个尾部敞开的长槽；步骤三陶瓷生片的印刷在具有导通孔的生瓷片(第一、ニ、六、七层生瓷片)正反两面印刷直径Imm的圆形贵金属Pt浆料，即导通孔的金属化工艺，该图案要求完全覆盖导通孔；第一层陶瓷生片的正面依次印刷信号外电极3 (印刷浆料为多孔电极Pt浆料)、信号外电极引线保护层2 (印刷浆料为ZrO2-结剂浆料)、传感器保护层I (印刷浆料为氧化铝、碳粉、镁铝尖晶石的混合物浆料)；第二层陶瓷生片的反面印刷參考电极6 (印刷浆料为多孔电极Pt浆料)；第六层陶瓷生片的正面依次印刷加热电极下绝缘层11 (印刷浆料为Al2O3绝缘浆料)、加热电极10(印刷浆料为电阻Pt浆料)、加热电极上绝缘层9 (印刷浆料为Al2O3绝缘浆料);第七层陶瓷生片的反面印刷加热电极引脚13 (印刷浆料为电阻Pt浆料)。陶瓷生片上的毎次印刷过程完成后，均在75°C环境下烘烤25分钟；步骤四陶瓷生片的叠压用辅助对位夹具将印刷完成后的第一层至第七层陶瓷生片从下由上依次对位叠合起来，叠压时将參考通道8内填入參考通道填充条7，參考通道填充条7的材料为碳粉与树脂的混合物。叠合好的陶瓷生片四周焊接起来真空塑封，放入等静压机中在70°C、21Mp的压カ下持续热压20分钟后取出；步骤五传感器的烧结叠压后的陶瓷生片在高温烧结炉中从室温以10°C /hr的升温速率升到600°C脱脂I个小时，然后分别以60°C /hr的升温速率升到800°C，以300°C /hr的升温速率升到1450°C烧结I. 5个小时，冷却出炉后得到氧传感器芯片。实施例2步骤一陶瓷生片的制备将IOOmlこ醇与IOOml ニ甲苯的混合溶液作为有机溶剂；20g鱼油作为分散剂加入球磨罐中，用聚四氟こ烯棒将三者搅匀；称取IKg比表面积为6m2/g、掺杂5%molY203的超细氧化锆粉加入球磨罐中球磨10小时；然后将60g的邻苯ニ甲酸丁卞脂作为塑化剂；80g聚こ烯醇缩丁醛作为黏结剂添加入球磨罐中球磨16小吋。将混合后的浆料进行脱泡、流延成厚度0. 25mm的陶瓷生片；步骤ニ陶瓷生片的定型在第一层陶瓷生片和第二层陶瓷生片上冲ー组3个直径0. 15mm的圆形小孔，3个小孔呈三角形对称排列且位于直径Imm的圆形区域内；第六层陶瓷生片和第七层陶瓷生片上冲两组3个直径0. 15mm的圆形小孔，3个小孔呈三角形对称排列且位于直径Imm的圆形区域内；第三层陶瓷生片中间用激光切割ー个尾部敞开的长槽；步骤三陶瓷生片的印刷同实施例I中步骤三；步骤四陶瓷生片的叠压 用辅助对位夹具将印刷完成后的第一层至第七层陶瓷生片从下由上依次对位叠合起来，叠压时将參考通道8内填入參考通道填充条7，參考通道填充条7的材料为碳粉与树脂的混合物。叠合好的陶瓷生片四周焊接起来真空塑封，放入等静压机中在70°C、23Mp的压カ下持续热压25分钟后取出；步骤五传感器的烧结叠压后的陶瓷生片在高温烧结炉中从室温以13°C /hr的升温速率升到600°C脱脂I. 5个小时，然后分别以70°C /hr的升温速率升到800°C，以200°C /hr的升温速率升到1250°C，以80°C /hr的升温速率升到1480°C烧结2个小时，冷却出炉后得到氧传感器芯片。实施例3步骤ー陶瓷生片的制备将220ml ニ甲苯作为有机溶剂；22g磷脂酸作为分散剂加入球磨罐中，用聚四氟こ烯棒将三者搅匀；称取IKg比表面积为7m2/g、掺杂5%molY203的超细氧化锆粉加入球磨罐中球磨10小时；然后将30g邻苯ニ甲酸丁卞脂与30g聚醚类合成润滑油的混合物作为塑化剂；80g聚醋酸こ烯脂作为黏结剂添加入球磨罐中球磨18小吋。将混合后的浆料进行脱泡、流延成厚度0. 25mm的陶瓷生片；步骤ニ 陶瓷生片的定型在第一层陶瓷生片和第二层陶瓷生片上冲ー组2个直径0. 15mm的圆形小孔，2个小孔位于直径Imm的圆形区域内；第六层陶瓷生片和第七层陶瓷生片上冲两组2个直径0. 15_的圆形小孔，2个小孔位于直径Imm的圆形区域内；第三层陶瓷生片中间用激光切割ー个尾部敞开的长槽；步骤三陶瓷生片的印刷同实施例I中步骤三；步骤四陶瓷生片的叠压同实施例2中步骤四；步骤五传感器的烧结叠压后的陶瓷生片在高温烧结炉中从室温以15°C /hr的升温速率升到600°C脱脂2个小时，然后分别以100°C /hr的升温速率升到800°C，以200°C /hr的升温速率升到1250°C，以150°C /hr的升温速率升到1500°C烧结I. 5个小时，冷却出炉后得到氧传感器芯片。实施例4步骤一陶瓷生片的制备将90ml乙醇与90ml甲苯的混合溶液作为有机溶剂；10g鱼油作为分散剂加入球磨罐中，用聚四氟乙烯棒将三者搅匀；称取IKg比表面积为8m2/g、掺杂5%molY203的超细氧化锆粉加入球磨罐中球磨10小时；然后将80g的聚乙二醇作为塑化剂；35g聚乙烯醇与35g乙基纤维素的混合物作为黏结剂添加入球磨罐中球磨20小时。将混合后的浆料进行脱泡、流延成厚度0. 25mm的陶瓷生片；步骤二 陶瓷生片的定型同实施例I中步骤二 ；步骤三陶瓷生片的印刷印刷步骤同实施例I中步骤三，陶瓷生片上的每次印刷过程完成后，均在70°C环境下烘烤20分钟；步骤四陶瓷生片的叠压用辅助对位夹具将印刷完成后的第一层至第七层陶瓷生片从下由上依次对位叠合起来，叠压时将参考通道8内填入参考通道填充条7，参考通道填充条7的材料为碳粉与树脂的混合物。叠合好的陶瓷生片四周焊接起来真空塑封，放入等静压机中在70°C、25Mp的压力下持续热压20分钟后取出；步骤五传感器的烧结叠压后的陶瓷生片在高温烧结炉中从室温以11°C /hr的升温速率升到600°C脱脂I. 5小时，然后以200°C /hr的升温速率升到1470°C烧结I. 5小时，冷却出炉后得到氧传感器芯片。实施例5步骤一陶瓷生片的制备将IlOml乙醇与IlOml 二甲苯的混合溶液作为有机溶剂；30g鱼油作为分散剂加入球磨罐中，用聚四氟乙烯棒将三者搅匀；称取IKg比表面积为6m2/g、掺杂5%molY203的超细氧化锆粉加入球磨罐中球磨12小时；然后将70g的邻苯二甲酸丁卞脂作为塑化剂；100g聚乙烯醇作为黏结剂添加入球磨罐中球磨14小时。将混合后的浆料进行脱泡、流延成厚度0. 25mm的陶瓷生片；步骤二 陶瓷生片的定型同实施例3中步骤二 ；步骤三陶瓷生片的印刷印刷次序同实施例I中步骤三，陶瓷生片上的每次印刷过程完成后，均在80°C环境下烘烤30分钟；步骤四陶瓷生片的叠压、[0091]用辅助对位夹具将印刷完成后的第一层至第七层陶瓷生片从下由上依次对位叠合起来，叠压时将参考通道8内填入参考通道填充条7，参考通道填充条7的材料为碳粉与树脂的混合物。叠合好的陶瓷生片四周焊接起来真空塑封，放入等静压机中在80°C、25Mp的压力下持续热压30分钟后取出；[0092]步骤五传感器的烧结叠压后的陶瓷生片在高温烧结炉中从室温以15°C /hr的升温速率升到600°C脱脂2小时，然后以300°C /hr的升温速率升到1480°C烧结2个小时，冷却出炉后得到氧传感器芯片。[0094]对本实用新型中实施例I的氧传感器做如下测试考核其性能I、传感器芯片的机械性能将制备好的传感器芯片置于测试夹具上，使陶瓷弯曲强度试验机以0. 2N/s的速度向陶瓷芯片中心位置均匀施加载荷，记录陶瓷芯片断裂时的最大载荷F，试验结果如图2所示。将陶瓷芯片的几何参数弯曲力臂L:60mm、陶瓷芯片宽度b :4. 2mm、陶瓷芯片厚度d :1. 2mm、及最大载荷F :45. 9N代入
3 FL
° G中得传感器芯片弯曲强度g为683Mpa。2、传感器加热效率将氧传感器放置在常温空气中，给传感器的加热器施加13. 5V加热电压，用K型热电偶检测检测传感器上表面温度随时间变化的关系。测试结果如图3所示，当传感器加热器接通以后，11. 3秒后传感器上表面温度达到300°C，此温度下氧化锆陶瓷具有氧离子导通能力。考虑到传感器温度的散失，此实验说明本专利中制备的氧传感器在加热器接通11秒之内，传感器可以进入工作状态。3、传感器起燃时间将传感器安装在自制的测试腔体中，测试腔体中通入恒定1%的CO气体(N2稀释)，并给传感器的加热器施加13. 5V加热电压，用数据采集卡监测传感器两信号电极之间的电势随时间的变化关系。测试结果如图4所示，当传感器加热器未施加电压时，传感器的输出电势为OmV ;当传感器施加13. 5V加热电压后，传感器输出电势迅速上升，8. 7秒后达到600mV。此实验说明本专利中的制备的氧传感器其起燃时间在8秒左右。4、传感器台架测试将传感器芯片封装完全以后，安装在发动机台架上测试其输出信号。传感器的两根加热线与两根信号线均接入发动机ECU，使发动机ECU与氧传感器进入闭环状态，另用数据采集卡检测传感器两信号线之间的电势变化关系。测试结果如下图5所示，当发动机开启后传感器预热后与发动机ECU进入闭环状态，传感器的输出电势在0到IV之间呈正弦波趋势变化，平均高电势为775mV、平均低电势为80mV。高电势与低电势差值大于650mV，发动机ECU对氧传感器高低电势分辨率高。从以上的测试中可以看出，本实用新型的氧传感器强度高、升温速率快、起燃时间短、台架测试信号分辨率高，满足车载条件。采用本实用新型中生产工艺的汽车用氧传感器产品技术性能指标达到同类产品先进水平。
权利要求1.一种平板式氧传感器，包括由七层厚度为O. 2-0. 25mm的氧化锆陶瓷生片制备而成的传感器芯片，其特征在于所述传感器芯片从上往下依次为第一层陶瓷生片(14)与第二层陶瓷生片(15)组成的信号功能层、第三层陶瓷生片(16)与第四层陶瓷生片(17)和第五层陶瓷生片(18)组成的参考通道功能层，第六层陶瓷生片(19)与第七层陶瓷生片(20)组成的加热功能层，第一层陶瓷生片(14)的上表面上设置有外电极(3)和信号电极引脚(4)，外电极(3)上设置有多孔保护层(1)，信号电极引脚(4)上设置有引线保护层(2)，第二层陶瓷生片(15)和第三层陶瓷生片(16)之间设置有参考电极(6)，第五层陶瓷生片(18)和第六层陶瓷生片(19)之间设置有加热器(10)，加热器(10)上、下分别设置加热器上绝缘层(9)、加热器下绝缘层(11 )，加热器(10)上连接有加热电极引脚(13)。
2.根据权利要求I所述的平板式氧传感器，其特征在于所述第三层陶瓷生片(16)上设置有参考通道(8 )，所述参考电极(6 )设置在参考通道(8 )内，参考通道(8 )内还设置有参考通道填充条(7)。
3.根据权利要求I所述的平板式氧传感器，其特征在于所述第六层陶瓷生片(19)与第七层陶瓷生片(20)上设置有加热电极导通小孔(12)，加热电极引脚(13)通过加热电极导通小孔(12)引出。
4.根据权利要求I所述的平板式氧传感器，其特征在于所述第一层陶瓷生片(14)与第二层陶瓷生片(15)上设置有信号电极导通小孔(5)，信号电极引脚(4)通过信号电极导通小孔(5)引出。
专利摘要本实用新型公开了一种平板式氧传感器结构，结构包括由七层厚度为0.2-0.25mm的氧化锆陶瓷生片制备而成的传感器芯片，传感器芯片从上往下依次为第一层陶瓷生片与第二层陶瓷生片组成的信号功能层、第三层陶瓷生片与第四层陶瓷生片和第五层陶瓷生片组成的参考通道功能层，第六层陶瓷生片与第七层陶瓷生片组成的加热功能层，第一层陶瓷生片的上表面上设置有外电极和信号电极引脚,外电极上设置有多孔保护层，信号电极引脚上设置有引线保护层，第二层陶瓷生片和第三层陶瓷生片之间设置有参考电极，第五层陶瓷生片和第六层陶瓷生片之间设置有加热器，该氧传感器结构质量稳定、能提高陶瓷生片的生产效率、提高氧传感器成品的一致性。
文档编号G01N27/409GK202522539SQ201220150639
公开日2012年11月7日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者倪铭, 张华 , 王建, 谈洪亮, 邵兴隆 申请人:无锡隆盛科技股份有限公司