一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种片式氧传感器，包括从上到下依次叠加烧结而成的多孔及保护层、功能层、空气腔层、结构层和加热层；多孔及保护层的一端为多孔氧化铝基片，多孔及保护层的另一端为第一氧化铝基片，功能层包括第一氧化锆基片、内电极和外电极，外电极位于第一氧化锆基片上靠近多孔及保护层一侧，空气腔层包括第二氧化铝基片和设于其上方的空气腔，结构层包括从上到下依次叠加的第二氧化锆基片、第三氧化铝基片和第四氧化铝基片，加热层包括第五氧化铝基片和设于其上方的加热器；本发明专利技术还提供了一种片式氧传感器的制备方法；本发明专利技术通过对其结构和配方的设计消除弯曲和分层，提高了片式氧传感器的成品率和使用寿命以及简化制备工艺。

A chip type oxygen sensor containing two parts zirconia structure and preparation method thereof

The invention discloses a chip oxygen sensor, which comprises a porous and protective layer, a functional layer, an air cavity layer, a structural layer and a heating layer sintered from top to bottom; one end of the porous and protective layer is a porous alumina substrate, the other end of the porous and protective layer is a first alumina substrate, and the functional layer includes the first oxygen. Zirconium substrate, inner electrode and outer electrode are located on the first zirconia substrate near the side of the porous and protective layer. The air cavity layer includes the second alumina substrate and the air cavity above it. The structure layer includes the second zirconia substrate, the third alumina substrate and the fourth alumina substrate which are superimposed from top to bottom. The heating layer includes a fifth alumina substrate and a heater above it; the invention also provides a preparation method of a chip oxygen sensor; the invention eliminates bending and stratification through the design of its structure and formula, improves the yield and service life of the chip oxygen sensor and simplifies the preparation process.

【技术实现步骤摘要】
一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器及其制备方法
本专利技术涉及传感器
，特别是一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器及其制备方法。
技术介绍
氧传感器用于检测汽车排放气体中的氧气含量，将其以电信号的形式反馈给汽车电子控制单元(ECU)，ECU根据此信号控制发动机燃烧状态，来实现以过量空气系数λ＝1(最佳燃烧状态)为目标的闭环控制。其中片式氧传感器由于尺寸小、响应快、能耗低、加热器可集成以及在恶劣的环境下也能长期稳定的工作等优点，已成为检测汽车排放中氧含量的主流产品。片式氧传感器的工作温度一般在700℃左右，故传感器在工作时需要给加热器提供一个电压来使其正常稳定的工作，传统的片式氧传感器主要是以全氧化锆结构为主，而氧化锆在高温下能够导电，为了避免工作时加热器短路以及加热电压影响输出信号，需要对加热器进行绝缘处理。此处理需要增加一个丝网印刷工序，即需先将氧化锆进行绝缘层印刷，再在印刷好的绝缘层上进行加热器印刷，最后在加热器上方再印刷绝缘层确保加热器被绝缘层完全包裹，这无疑增加了工艺的复杂性；同时绝缘浆料没有粘连性，很容易导致加热层烧结后分层，影响成品率；并且氧化锆导热率低，反复使用会使内部存在较大热应力而出现裂纹，导致传感器失效。为了避免上述问题，出现了氧化锆、氧化铝复合结构的片式氧传感器，但不同材料层间的热膨胀系数不同，氧传感器在使用过程中，由于经常不断的升温与降温，传感器难以承受如此的热疲劳，导致使用过程中基片出现弯曲、分层或开裂等失效现象。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器及其制备方法，本专利技术从氧化锆基片、氧化铝基片的复合结构入手，通过对其结构和配方的设计消除弯曲和分层，从配方上调节氧化锆基片的配方使二者热膨胀系数匹配，调节氧化铝基片以及多孔氧化铝基片的配方使二者收缩率和收缩速率匹配，提高了片式氧传感器的成品率和使用寿命以及简化制备工艺。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器，包括从上到下依次叠加烧结而成的多孔及保护层、功能层、空气腔层、结构层和加热层；所述多孔及保护层的一端为多孔氧化铝基片，多孔及保护层的另一端为第一氧化铝基片，所述功能层包括第一氧化锆基片和设于第一氧化锆基片两侧的内电极和外电极，其中外电极位于第一氧化锆基片上靠近多孔及保护层一侧，且所述多孔氧化铝基片完全覆盖外电极，第一氧化铝基片覆盖外电极引线，所述空气腔层包括第二氧化铝基片和设于其上方的空气腔，所述结构层包括从上到下依次叠加的第二氧化锆基片、第三氧化铝基片和第四氧化铝基片，所述加热层包括第五氧化铝基片和设于其上方的加热器。作为一种优选的实施方式，所述第一氧化锆基片和第一氧化铝基片上均设有供外电极引线和内电极引线穿过的电极通孔，所述第一氧化铝基片上设有用于将外电极引线和内电极引线引出的一对电极引脚，所述内电极引线依次穿过第一氧化锆基片和第一氧化铝基片上的电极通孔后与其中一个电极引脚连接，所述外电极引线穿过第一氧化铝基片上的通孔后与另外一个电极引脚连接。作为另一种优选的实施方式，所述第五氧化铝基片上设有供加热器引线穿过的加热器通孔和用于接入加热电压的加热器引脚，加热器引线穿过加热器通孔后与所述加热器引脚连接。作为另一种优选的实施方式，所述多孔氧化铝基片、第一氧化铝基片、第一氧化锆基片、第二氧化铝基片、第二氧化锆基片、第三氧化铝基片、第四氧化铝基片和第五氧化铝基片的厚度均为0.1mm-0.3mm。本专利技术还提供了一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器的制备方法，包括以下步骤：1)制备氧化锆陶瓷浆料、氧化铝陶瓷浆料和多孔氧化铝陶瓷浆料；2)对氧化锆陶瓷浆料、氧化铝陶瓷浆料和多孔氧化铝陶瓷浆料采用流延工艺分别制备得到对应的基片，然后采用机械冲孔的方式在各个基片上冲打定位孔，在第一氧化铝基片、第一氧化锆基片上冲打电极通孔，在第五氧化铝基片上冲打加热器通孔；3)对第一氧化铝基片和第一氧化锆基片上的电极通孔进行填充并印刷电极引脚，在第一氧化锆基片两侧印刷内电极和外电极，在第二氧化铝基片的上方印刷空气腔，在第五氧化铝基片上印刷加热器，同时进行加热器通孔的填充以及印刷加热器引脚；4)按从上到下的顺序将多孔及保护层、功能层、空气腔层、结构层和加热层所对应的基片进行叠层，然后将其压制成整体，采用机械切割将叠层后的陶瓷块切割成芯片生坯；5)将芯片生坯放入承烧板内，将承烧板放入空气循环炉内进行缓慢排胶，其中，排胶最高温度为600-800℃，将排完胶的芯片生坯放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为1350-1500℃，待冷却后即制备得到片式氧传感器。作为一种优选的实施方式，在步骤1)中，所述氧化锆陶瓷浆料、氧化铝陶瓷浆料和多孔氧化铝陶瓷浆料按以下质量百分比的原料进行配制：氧化锆陶瓷浆料：将76.5-90％的氧化锆粉末、5-13.5％的氧化钇粉末和5-10％的第一氧化铝粉末配制成无机成分，再加入占无机成分总质量1-10％的分散剂、占无机成分总质量40-60％的有机溶剂、占无机成分总质量5-15％的粘接剂和占无机成分总质量5-15％的增塑剂；球磨后即形成氧化锆陶瓷浆料；氧化铝陶瓷浆料：将70-85％的第一氧化铝粉末、10-20％的第二氧化铝粉末和5-10％的烧结助剂配制成无机成分，再加入占无机成分总质量1-10％的分散剂、占无机成分总质量40-70％的有机溶剂、占无机成分总质量5-15％的粘接剂和占无机成分总质量5-15％的增塑剂；球磨后即形成氧化铝陶瓷浆料；多孔氧化铝陶瓷浆料：将30-40％的第一氧化铝粉末、30-40％的第二氧化铝粉末和20-40％的碳粉配制成无机成分，再加入占无机成分总质量1-10％的分散剂、占无机成分总质量60-95％的有机溶剂、占无机成分总质量5-15％的粘接剂和占无机成分总质量5-15％的增塑剂；球磨后即形成多孔氧化铝陶瓷浆料。作为另一种优选的实施方式，所述第一氧化铝粉末的中粒粒径(D50)的范围为0.1μm-0.8μm，比表面积范围为6m2/g-12m2/g；所述第二氧化铝粉末的中粒粒径(D50)的范围为2μm-5μm，比表面积范围为20m2/g-60m2/g。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过对结构和各个基片配方的设计消除弯曲和分层，解决了氧化锆、氧化铝复合结构氧传感器的难题，同时使芯片的烧结应力降低，其强度得到了提高，因此本专利技术提供的片式氧传感器能满足汽油发动机排气管道中恶劣的工况以及振动。2、结构层中的第二氧化锆基片位于芯片的中间，与加热器相隔第三氧化铝基片和第四氧化铝基片两层结构，解决了只隔一层氧化铝结构层，两种材料烧结收缩的细微差异而导致的加热器分层和断裂问题，同时也避免了若第二氧化锆基片直接与加热器接触还需对第二氧化锆基片进行绝缘处理的繁琐工艺。3、通过结构和配方设计使芯片中的微观裂纹和宏观裂纹均有所降低，提高了芯片生产合格率，也提高了片式氧传感器的使用寿命。4、加热器设在第五氧化铝基片上，不需要做额外的绝缘处理，简化了生产工艺，也避免了由绝缘层带来的影响产品合格率的因素，如分层、加热器断裂等，提高了产品合格率。5、总体上，芯片结构中大部分为氧化铝基片，提高了氧传感器芯片的热传导率，降低了在反复使用过程中芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器，其特征在于，包括从上到下依次叠加烧结而成的多孔及保护层、功能层、空气腔层、结构层和加热层；所述多孔及保护层的一端为多孔氧化铝基片，多孔及保护层的另一端为第一氧化铝基片，所述功能层包括第一氧化锆基片和设于第一氧化锆基片两侧的内电极和外电极，其中外电极位于第一氧化锆基片上靠近多孔及保护层一侧，且所述多孔氧化铝基片完全覆盖外电极，第一氧化铝基片覆盖外电极引线，所述空气腔层包括第二氧化铝基片和设于其上方的空气腔，所述结构层包括从上到下依次叠加的第二氧化锆基片、第三氧化铝基片和第四氧化铝基片，所述加热层包括第五氧化铝基片和设于其上方的加热器。

【技术特征摘要】
1.一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器，其特征在于，包括从上到下依次叠加烧结而成的多孔及保护层、功能层、空气腔层、结构层和加热层；所述多孔及保护层的一端为多孔氧化铝基片，多孔及保护层的另一端为第一氧化铝基片，所述功能层包括第一氧化锆基片和设于第一氧化锆基片两侧的内电极和外电极，其中外电极位于第一氧化锆基片上靠近多孔及保护层一侧，且所述多孔氧化铝基片完全覆盖外电极，第一氧化铝基片覆盖外电极引线，所述空气腔层包括第二氧化铝基片和设于其上方的空气腔，所述结构层包括从上到下依次叠加的第二氧化锆基片、第三氧化铝基片和第四氧化铝基片，所述加热层包括第五氧化铝基片和设于其上方的加热器。2.根据权利要求1所述的含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器，其特征在于，所述第一氧化锆基片和第一氧化铝基片上均设有供外电极引线和内电极引线穿过的电极通孔，所述第一氧化铝基片上设有用于将外电极引线和内电极引线引出的一对电极引脚，所述内电极引线依次穿过第一氧化锆基片和第一氧化铝基片上的电极通孔后与其中一个电极引脚连接，所述外电极引线穿过第一氧化铝基片上的通孔后与另外一个电极引脚连接。3.根据权利要求1所述的含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器，其特征在于，所述第五氧化铝基片上设有供加热器引线穿过的加热器通孔和用于接入加热电压的加热器引脚，加热器引线穿过加热器通孔后与所述加热器引脚连接。4.根据权利要求1所述的含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器，其特征在于，所述多孔氧化铝基片、第一氧化铝基片、第一氧化锆基片、第二氧化铝基片、第二氧化锆基片、第三氧化铝基片、第四氧化铝基片和第五氧化铝基片的厚度均为0.1mm-0.3mm。5.一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备氧化锆陶瓷浆料、氧化铝陶瓷浆料和多孔氧化铝陶瓷浆料；2)对氧化锆陶瓷浆料、氧化铝陶瓷浆料和多孔氧化铝陶瓷浆料采用流延工艺分别制备得到对应的基片，然后采用机械冲孔的方式在各个基片上冲打定位孔，在第一氧化铝基片、第一氧化锆基片上冲打电极通孔，在第五氧化铝基片上冲打加热器通孔；3)对第一氧化铝基片和第一氧化锆基片上的电极通孔进行填充并印刷电极引脚，在第一氧化锆基片两侧印刷...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄涛，包绍明，李婷，余苗，
申请(专利权)人：成都科锐传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51