一种耐高温的气体传感器加热器制造技术

一种耐高温的气体传感器加热器，底层为ZrO2基体（1），ZrO2基体上方铺设加热丝（2），在ZrO2基体（1）上方铺设多孔绝缘层（4）并将加热丝（2）完全埋设于多孔绝缘层（4）内；所述多孔绝缘层（4）包含90%~99%的Al2O3，孔隙率为5%~40%。本发明专利技术提出的技术方案中将加热丝（2）完全埋设于多孔绝缘层（4）内，利用多孔绝缘层（4）良好的热应力匹配性和延展性，能有效防止加热丝受热膨胀导致ZrO2基体开裂的问题。提高了加热器以及传感器整体的耐高温能。及传感器整体的耐高温能。及传感器整体的耐高温能。

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温的气体传感器加热器


[0001]本专利技术涉及气体传感器制造领域，特别涉及片式氮氧传感器中的加热器。

技术介绍

[0002]ZrO2基气体传感器在工作时需要ZrO2基体始终处于恒定的工作温度，根据电阻的热效应原理，调节电压使加热器电阻一直处于恒定的状态，即可控制加热器温度的恒定不变，这种控温方式使加热器长时间处于工作状态。由于加热丝被短时间内升至较高温度产生形变，而与其相邻的ZrO2基体受热形变系数和加热丝不一致导致ZrO2基体被加热丝牵拉导致裂纹产生。并且由于加热丝瞬间升温产生Pt气化将产生绝缘失效。无论是裂纹产生或者绝缘问题，均是影响氮氧传感器寿命的重要因素。
[0003]一种令加热器升温的方式是对加热器中加热丝施加恒定电压。通过恒定电压施加一定的时间来控制加热器的温度，这种控温方式使加热器长时间处于工作状态。另外一种方式是使用脉冲宽度调制的方法来控制加热器，即调节稳压电源的开关时间来达到加热器控制的目的，这种加热方式能够有效的减少加热时间，并使得加热器的连续工作时间大幅缩短，能够大幅的提高加热器寿命。脉冲宽度调制又称为占空比调节，其中方波高电平时间跟周期的比例叫占空比。此种加热方式能够大幅度的减少加热器的连续工作时间，但要求加热器能够承受高电压带来的冲击，在耐高温、耐热应力冲击、绝缘性能等方面对加热器提出了的更高的要求。
[0004]经过检索，现有技术中有相关针对气体传感器耐高温、耐热应力冲击、绝缘性能改进的专利文献公开。公开号为“CN108693235A”名称为“传感器元件”的专利技术专利，对抑制Pt的扩散、以及因固体电解质层与绝缘层之间的热膨胀系数差而引起的裂纹提出了相关技术方案。但该对比文件中将致密绝缘层包裹着加热器，多孔绝缘层再包裹着致密绝缘层，虽然有一定程度的抑制固体电解质与绝缘层热膨胀系数差产生的裂纹的作用，但致密绝缘层包裹加热丝的方案并不适用于采用使用脉冲宽度调制控制加热器升温的应用场景。由于脉冲宽度调制控制加热器升温方式的电压等级较高，因此加热器瞬时产生的温升较高，而致密绝缘层的受热膨胀系数和其包裹加热丝依然存在较大差异，且致密绝缘层包裹加热丝并未给加热丝任何膨胀收缩空间，因此致密绝缘层仍然会因为加热丝受热膨胀而开裂，最终导致Pt气化扩散以及绝缘失效。
[0005]此外公开号为“CN108872482A
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名称为“一种氮氧传感器陶瓷芯片的膜片”的专利技术专利，提出了利用多层绝缘层间隔结构提高以加热器层的绝缘性能，但其并未针对加热器尤其加热丝的结构进行优化。同理公开号为“CN102109488A
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名称为“一种片式氧传感器及其制备方法”的专利技术专利，其中涉及致密层、多孔层间隔铺设的相关结构，但其仍然不是对加热器结构进行改进，而是对测氧层进行的改进。
[0006]因此在本领域中提出一种能够更好地耐高温、延长使用寿命的气体传感器加热器具有重要的意义。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，一种耐高温的气体传感器加热器，包括绝缘层，绝缘层外围包裹ZrO2基体，绝缘层内部铺设加热丝，所述绝缘层包括多孔绝缘层，加热丝完全埋设于多孔绝缘层内；所述多孔绝缘层包含90%~99%的Al2O3，孔隙率为5%~40%。
[0008]进一步地，在多孔绝缘层和ZrO2基体之间、加热丝的上方铺设致密绝缘层，致密绝缘层包含90%~99%的Al2O3，孔隙率不大于2%。
[0009]进一步地，在致密绝缘层和ZrO2基体之间、加热丝的上方铺设多孔过渡绝缘层，多孔过渡绝缘层包含35%~65%的Al2O3，35%~65%的ZrO2，孔隙率5%~40%。
[0010]进一步地，在加热丝的上方，所述致密绝缘层厚度L1为5~20um，多孔绝缘层的厚度为10~40um；多孔过渡绝缘层，厚度为5~20um。
[0011]进一步地，该加热器的总厚度为60~150um。
[0012]进一步地，多孔过渡绝缘层与加热器总厚度的厚度比为0.3~0.9。
[0013]进一步地，加热丝在多孔绝缘层内居中放置，在多孔绝缘层的宽度方向上距离多孔绝缘层边缘距离N100~500um，在多孔绝缘层的长度方向上距离多孔绝缘层边缘距离M200~1000um。
[0014]进一步地，在加热丝的下方、多孔绝缘层和ZrO2基体之间还铺设致密绝缘层。
[0015]进一步地，在加热丝的下方、致密绝缘层和ZrO2基体之间铺设多孔过渡绝缘层。
[0016]进一步地，多孔过渡绝缘层、致密绝缘层、多孔绝缘层、致密绝缘层、多孔过渡绝缘层从上至下依次相邻层叠铺设。
[0017]本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提出的技术方案中将加热丝完全埋设于多孔绝缘层内，利用多孔绝缘层良好的热应力匹配性和延展性，能有效防止加热丝受热膨胀导致ZrO2基体开裂的问题。提高了加热器以及传感器整体的耐高温能。
附图说明
[0018]图1：加热器在宽度方向上的剖视图一。
[0019]图2：加热器在宽度方向上的剖视图二。
[0020]图3：加热器在宽度方向上的剖视图三。
[0021]图4：加热器在长度方向上的剖视图。
具体实施方式
[0022]为了本领域普通技术人员能充分实施本
技术实现思路
，下面结合附图以及具体实施例来进一步阐述本
技术实现思路
。本说明书附图中的前、后、左、右方向性表述均对应于附图中的方向标注。
[0023]如图1所示，本实施例示出了一种耐高温的气体传感器加热器，包括绝缘层，绝缘层外围包裹ZrO2基体1，绝缘层内部铺设加热丝2，所述绝缘层包括多孔绝缘层4，加热丝2完全埋设于多孔绝缘层4内；所述多孔绝缘层4包含90%~99%的Al2O3，孔隙率为5%~40%。
[0024]在片式的气体传感器中，尤其是氮氧传感器，是由多层片状ZrO2基体1以及相应的粘结层层叠形成。其底层为加热器，加热器也由多层片状ZrO2基体1叠加形成，加热丝2铺设在多层片状ZrO2基体1内部，ZrO2基体1内部还填充绝缘层，加热丝2则铺设在绝缘层内部，
以起到绝缘作用。在对加热器施加电压令其升温过程中，由于加热丝2和绝缘层的热应力不匹配将导致和绝缘层开裂。因此在本实施例中对绝缘层进行了优化。所述绝缘层包括多孔绝缘层4，加热丝2完全埋设于多孔绝缘层4内；所述多孔绝缘层4包含90%~99%的Al2O3，孔隙率为5%~40%。多孔绝缘层4包含90%~99%的Al2O3具有较好的绝缘性能，并且相对致密层的底孔隙率，多孔绝缘层45%~40%的多孔绝缘层4在加热丝2急剧升温后的可延展变形率相对比致密绝缘层3要好，因此在加热丝2急剧升时多孔绝缘层4并不会因此开裂。
[0025]进一步地，在多孔绝缘层4和ZrO2基体1之间、加热丝2的上方铺设致密绝缘层3，致密绝缘层3包含90%~99%的Al2O3，孔隙率不大于2%。低孔隙率的致密绝缘层3相较于多孔绝缘层4虽然升温后的可延展变形率低于多孔绝缘层4。一方面致密绝缘层3高组分含量Al2O3具有很本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐高温的气体传感器加热器，包括绝缘层，绝缘层外围包裹ZrO2基体（1），绝缘层内部铺设加热丝（2），其特征在于：所述绝缘层包括多孔绝缘层（4），加热丝（2）完全埋设于多孔绝缘层（4）内；所述多孔绝缘层（4）包含90%~99%的Al2O3，孔隙率为5%~40%。2.如权利要求1所述的耐高温的气体传感器加热器，其特征在于：在多孔绝缘层（4）和ZrO2基体（1）之间、加热丝（2）的上方铺设致密绝缘层（3），致密绝缘层（3）包含90%~99%的Al2O3，孔隙率不大于2%。3.如权利要求2所述的耐高温的气体传感器加热器，其特征在于：在致密绝缘层（3）和ZrO2基体（1）之间、加热丝（2）的上方铺设多孔过渡绝缘层（5），多孔过渡绝缘层（5）包含35%~65%的Al2O3，35%~65%的ZrO2，孔隙率5%~40%。4.如权利要求3所述的耐高温的气体传感器加热器，其特征在于：在加热丝（2）的上方，所述致密绝缘层（3）的厚度L1为5~20um，多孔绝缘层（4）的厚度L2为20~50um；多孔过渡绝缘层（5）的厚度L3为5~20um。5.如权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟强，陈卓，李旭东，廖琴，何珂，
申请(专利权)人：潍柴火炬科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：