双电池电流型氮氧化物传感器芯片及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种双电池电流型氮氧化物传感器芯片及制备方法。其技术方案是：包括流延和切割制备形成对应于每一层的流延基片；所述氮氧化物传感器芯片的结构仅由三层基片组成，对各层流延基片进行对应的丝网印刷，形成对等的活性和非活性电极与共同对电极组成电流型双电池，同时也形成加热电阻和相应功能层；将各层流延基片叠合后，形成芯片坯材，切割坯材形成单个芯片生坯；烧结单个芯片生坯，制得双电池电流型氮氧化物传感器，烧结中对应功能层排胶后形成空腔，与相关结构构成空气通道。本发明专利技术制备的氮氧化物传感器芯片与现有技术相比，具有制作简单和成本低的特点，所制备的氮氧化物传感器芯片测量准确且能同时测量氮氧化物含量和氧含量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于汽车尾气氮氧化物传感器
尤其涉及双电池电流型氮氧化物传感器芯片及其制备方法。
技术介绍
目前车用尾气氮氧化物传感器芯片是由六层氧化锆基片叠合而成，如“气体传感器、氮氧化物传感器和制造气体传感器的方法”(US20090242400)专利技术和“校正氮氧化物传感器输出信号的方法”(US20080237064)专利技术，所述专利技术均由三个电化学氧泵、两个腔室、一个参比空气通道、一个加热电阻、引线和八个引脚构成，三个电化学氧泵分别是主泵、辅助泵和测量泵，主泵在第一腔室，辅助泵和测量泵在第二腔室，第一腔室和第二腔室中间以狭缝连结，总体结构复杂。这种氮氧化物传感器芯片的工作原理是尾气先被引到第一腔室，并由主泵抽掉所有的氧气；再被引入第二腔室并由辅助泵进一步抽掉尾气中的氧气，使尾气中氧浓度降至极低；然后尾气中的氮氧化物在测量泵的活化电极作用下分解为氧气和氮气，最后通过测量泵的极限电流得出对应氮氧化物的含量。这种氮氧化物传感器芯片结构复杂，制作成本高难度大。近年来，Jing Gao等提出一种新型的氮氧化物传感器(J.Gao et al./Sensors and Actuators B 154(2011)106–110)，这种氮氧化物传感器基于电化学原理，运用氧化锆的离子导电性，并将氧化锆印刷在氧化铝基片上，在氧化锆的两边分别印刷活化电极和非活化电极，并在活化电极和非活化电极上覆盖一层催化层以排除一氧化碳和碳氢化合物对传感器电信号的干扰，从而提高传感器对氮氧化物的选择性。但是这种新型氮氧化物传感器仍然存在不足：这种新型氮氧化物传感器在电极材料的选择上仍然存在问题，致使它的信号极易受汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的干扰；这种
新型氮氧化物传感器的基片上没有集成氧传感器，但是它需要在氧传感器的配合下工作，致使在实际使用的过程中成本增加。另一方面，活性电极即使能充分分解NO，电势差型的传感器工作在准平衡状态，分解率受O2浓度和NO浓度的影响，分析计算非常困难。相比之下，极限电流型的氧传感器在稳态氧流下进行工作，构建活化和非活化电极与对电极组成双电池，在非活化电极上只泵出被测气氛中的O2而在活化电极上则同时泵出被测气氛中的O2和NO分解所得O2，对应的极限电流也有差别，从而极简易的测出O2和NO的含量。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种制作简单和成本低的氮氧化物传感器芯片及制备方法，用该方法制备的氮氧化物传感器芯片结构简单、测量准确且能同时测量氮氧化物含量和氧含量。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：双电池电流型氮氧化物传感器芯片，包括四层基片，其中三层流延基片分别印刷相应的功能层，其特征在于：在第一层流延基片上面印刷对等的活化电极和非活化电极，活化电极和非活化电极相邻之间印刷狭缝通道并直达外界被测气氛，在活化电极和非活化电极上面印刷扩散障碍层，第一层流延基片的背面印刷共用的参比对电极，参比对电极通过小孔与第一层流延基片正面的对应引脚相连，活化电极和非活化电极分别与参比对电极组成极限电流型双电池；在第二层流延基片上面通过冲孔或印刷方式形成空气通道，在第三层流延基片上面印刷加热电阻，在加热电阻两侧分别印刷绝缘层，加热电阻和第三层流延基片背面的引脚相连；将三层流延基片依次叠合后，然后在第一层流延基片上部叠加上第四层流延基片成为整体生坯，烧结生坯制得双电池电流型氮氧化物传感器芯片。双电池电流型氮氧化物传感器芯片制成后在标准气氛中标定，与相匹配的电控单元组合工作。所述的双电池电流型氮氧化物传感器芯片的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)在第一层流延基片上面印刷对等的活化电极和非活化电极，活化电极和非活化电极相邻之间印刷狭缝通道，在活化电极和非活化电极上面印刷扩散障碍层，第一层流延基片的背面印刷共用的参比对电极，参比对电极通过小孔与第一层流延基片正面的对应引脚相连，活化电极和非活化电极分别与参比对电极组成极限电流型双电池；(2)在第二层流延基片上面通过冲孔或印刷方式形成空气通道，在第三层流延基片上面印刷加热电阻，在加热电阻两侧分别印刷绝缘层，加热电阻和第三层流延基片背面的引脚相连；(3)将三层流延基片依次叠合后，然后在第一层流延基片上部叠加上第四层流延基片成为整体生坯，切割生坯成单个芯片生坯；经过排胶并在1400－1500℃烧结1-3小时，制得双电池电流型氮氧化物传感器芯片。芯片制成后在标准气氛中标定，与相匹配的电控单元组合工作。印刷活化电极采用铂铑浆料，其中铂铑浆料中铂含量为50－99％，粒径为0.01～0.5μm，铑含量为1－50％，粒径为0.01～0.5μm，铂铑浆料与适量有机物溶剂混合为符合印刷要求的浆料；印刷非活化电极采用铂金浆料，其中铂金浆料中铂含量为50－99％，粒径为0.01～0.5μm，金含量为1－50％，粒径为0.01～0.5μmμm；铂金浆料与适量有机物溶剂混合为符合印刷要求的浆料；活化电极与非活化电极形成明显的NOx催化活性差别。所述的加热电阻的阻值为2－20欧姆。在上述制作条件下，活性电极和非活性电极与参比电极构成完全对称的两个极限电流型双电池。在工作状态下，这两个电池的温度和气氛环境、扩散参数完全相同，造成极限电流差别的原因只有电极活性不同，活化电极表面分解扩散过来的NO，其极限电流的大小正比于氧浓度和NO分解的氧浓度之和，而非活化电极表面不分解扩散过来的NO，其极限电流大小正
比于直接氧浓度，二者扩散的比例系数相同，500℃以上NOx主要以NO形式存在，通过已知NOx含量和O2含量的给定气氛，对两个电池极限电流进行标定： Ip 1 = K ( P O 2 + P N O ) + I p 0 ]]> Ip 2 = KP O 2 + I p 0 ]]>经过标定后，系数K，零点校正Ip0为已知值，测两个电池极限电流值Ip1和Ip2即可通过上述方程求解未知的PNO和PO2的值。加热电阻将两个电池加热到所需温度，控制系统将温度控制在某一定值，保证系数K的恒定。给两个电池提供工作泵电压、控制加热温度、将标定的值写入控制程序并对输出信号进行处理、与发动机系统的ECU进行通讯，由相匹配的专用电控单元完成。由于采用上述技术方案，本专利技术与现有技术相比具有如下积极效果：一、本专利技术中的氮氧化物传感器芯片结构简单。目前车用尾气氮氧化物传感器芯片是由六层氧化锆基片叠合而成，由三个电化学氧泵、两个腔室、一个参比空气通道、一个加热电阻、引线和八个引脚构成，三个电化学氧泵分别是主泵、辅助泵和测量泵，主泵在第一腔室，辅助泵和测量泵在第二腔室，第一腔室和第二腔室中间以狭缝连结，总体结构复杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
双电池电流型氮氧化物传感器芯片，包括四层基片，其中三层流延基片分别印刷相应的功能层，其特征在于：在第一层流延基片上面印刷对等的活化电极和非活化电极，活化电极和非活化电极相邻之间印刷狭缝通道并直达外界被测气氛，在活化电极和非活化电极上面印刷扩散障碍层，第一层流延基片的背面印刷共用的参比对电极，参比对电极通过小孔与第一层流延基片正面的对应引脚相连，活化电极和非活化电极分别与参比对电极组成极限电流型双电池；在第二层流延基片上面通过冲孔或印刷方式形成空气通道，在第三层流延基片上面印刷加热电阻，在加热电阻两侧分别印刷绝缘层，加热电阻和第三层流延基片背面的引脚相连；将三层流延基片依次叠合后，然后在第一层流延基片上部叠加上第四层流延基片成为整体生坯，烧结生坯制得双电池电流型氮氧化物传感器芯片。

【技术特征摘要】
1.双电池电流型氮氧化物传感器芯片，包括四层基片，其中三层流延基片分别印刷相应的功能层，其特征在于：在第一层流延基片上面印刷对等的活化电极和非活化电极，活化电极和非活化电极相邻之间印刷狭缝通道并直达外界被测气氛，在活化电极和非活化电极上面印刷扩散障碍层，第一层流延基片的背面印刷共用的参比对电极，参比对电极通过小孔与第一层流延基片正面的对应引脚相连，活化电极和非活化电极分别与参比对电极组成极限电流型双电池；在第二层流延基片上面通过冲孔或印刷方式形成空气通道，在第三层流延基片上面印刷加热电阻，在加热电阻两侧分别印刷绝缘层，加热电阻和第三层流延基片背面的引脚相连；将三层流延基片依次叠合后，然后在第一层流延基片上部叠加上第四层流延基片成为整体生坯，烧结生坯制得双电池电流型氮氧化物传感器芯片。2.根据权利要求1所述的双电池电流型氮氧化物传感器芯片的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)在第一层流延基片上面印刷对等的活化电极和非活化电极，活化电极和非活化电极相邻之间印刷狭缝通道并直达外界被测气氛，在活化电极和非活化电极上面印刷扩散障碍层，第一层流延基片的背面印刷共用的参比对电极，参比对电极通过小孔与第一层流延基片正面的对应引脚相连，活化电极和非活化电极分别与参比对电极组成极限电...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢光远，张舟，甘章华，赵芃，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42