固态参比氧分压的ZrO2氧传感器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种用于汽车发动机空燃比控制的片式氧传感器及其制作方法。它是由钇稳定氧化锆粉体制成的浆料通过流延工艺成型为薄片坯材，在薄片坯材的双侧分别丝网印制具有一定孔隙的Ｐｔ电极，在钇稳定氧化锆薄片坯材上通过二次流延工艺制备固态氧分压参比片，在二次流延层中间，丝网印刷ＲｕＯ↓［２］材料加热器，该层的厚度为钇稳定氧化锆层的６－７倍。在在钇稳定氧化锆薄片坯材上的外电极侧，流延成型多孔保护层，最后，将预制好的基片生坯按要求尺寸冲压成条状，制作电极连接孔，在高达１６００℃的程序升温过程中真空烧结，制成传感器芯片。此方法充分利用了陶瓷片状材料流延工艺和浆料电极的丝网印刷工艺，具有生产工艺环节少、产品一致性高、成品率高、造价低廉的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氧传感器及其制造方法，特别是公开一种固态参比氧分压的Zr02氧传 感器片式结构的制造方法，应用于汽车发动机的空燃比，减少尾气的污染排放。
技术介绍
三元催化是目前汽车发动机减少尾气污染排放的重要部件，其转换效率要求发动机工作 在理论空燃比(A/F=14.7)。对于发动机空燃比控制系统，用于测量排气的氧传感器是十分 重要的部件，已经商品化的主要有Zr02浓差电池型和Ti02半导体电阻型两种。由于Zr〇2 浓差电池直接输出0 1V的电动势信号，并有长达百年的理论、实验研究基础，已经成为氧 传感器的主流技术。为了减小启动和响应时间、降低制作成本，其工作方式由不加热型过渡 到加热型，结构也由传统的管式、棒式发展到片式。关于片式的氧传感器目前已有众多专利 和研究文章，主要的内容包括钇稳定氧化锆材料的研究和片式结构的制作工艺，所依据的主 要原理依旧是1900年，Nerst (能斯托)提出的公式R RT，塔2，'P02式中R为气体常数(8.314J/mo卜K) ;T为Zr02电解质温度(K); F为法拉第常数(9.648 X104C/mol)。片式氧传感器的主要结构是通过一系列的工艺，将氧化铝基体、2个绝缘层、加热器、 参比空气通道、内外电极、Zr02基体、和保护层叠制成一个片状整体，工艺环节多，要求控 制精度高。其中参比空气通道和Pt电极是十分重要的环节，直接影响传感器的性能和产品 的成品率。近年，也有人开始研究采用固体参比材料层替代参比空气通道，取得较好的热稳定性和 化学稳定性，代表性的材料有Zr02-Ce02-Ti02。但是，没有考虑传感器的整体设计的工艺简 化设计，目前未见商品化的氧传感器应用。采用上述这种片式氧传感器的制造方法有以下几点不足1. 片式结构的各层要分别制作，最后压制成为一体，烧结时各层的键合不理想，存在参 比空气通道密封性的技术关键难题。2. 工艺环节多，对电极过孔的对准精度要求较严，成品率受到限制。3. 电极端子材料采用一体印制的Pt材料，制作成本相对提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是从结构及相应的工艺上解决目前片式氧传感器的不足，提供一种工艺简 单、成本低廉、成品率高的氧传感器结构及制作方法。固态参比氧分压的Zr02氧传感器片式结构包括钇稳定Zr02层、固态参比氧分压层、传 感器芯片防护层、在Zr02基体层双侧具有Pt电极，在固态参比氧分压层内部设有Ru02加 热器。其制作工艺步骤包括A、流延浆料配制，即将Zr02基体层、固态参比氧分压层、保护 层的粉体加入溶剂、分散剂、粘合剂和增塑剂，球磨均匀后除气泡和过滤，制成粘度适当的 桨料；B、流延成型，在流延机上将各层浆料流延成均匀、有一定厚度要求的坯层；C、 Pt 电极印刷，即用高精度的丝网印刷机按一定几何尺寸在Zr02基体层双侧印制Pt浆料电极， 电极印制后要在一定的温度下预干燥；D、加热器制作，即在二次流延固态参比氧分压层的 中间环节，采用高精度丝网印刷工艺印制Ru02加热器；E、冲片，按传感器芯片尺寸将大 片的半成品冲压出单片；F、电极连接孔，采用专用的钻具，在双侧电极引出位置钻制电极 连接半透孔。G、烧结，在完成全部的流延层和丝网印刷后，将芯片坯件置于高温烧结炉中 按一定的升温曲线烧结。H、外端子电极印刷，即用丝网印刷工艺在传感器尾部印制适于外 接插件的电极。采用本专利技术的结构和工艺方法具有如下的优点1. 工艺连续性好，以陶瓷流延工艺为特征，过程中的坯膜具有一定的强度和柔性，便于丝 网印刷和工艺周转，不产生断裂和严重的变形。2. 本专利技术采用的是一次性烧结技术，各层流延工艺及适当的压力确保各层材料的键合质量， 芯片机械强度高。3. 由于采用固态氧分压参比层，传感器的结构简单，传感器芯片的制备过程较目前的分阶 段冲压成型最后压制烧结的工艺减少近8个工艺环节，制作成品率高，成本低廉。附图说明图l 本专利技术的各层坯片的结构图2 本专利技术的片式氧传感器的测量端截面图3 本专利技术的固态参比氧分压的Zr02氧传感器片式结构制作工艺流程。 图中1、传感器芯片防护层；2、钇稳定Zr02层；3、固态参比氧分压层；4、氧传 感器的外电极；5、氧传感器的内电极；6、Ru02加热器 具体实施例方式下面结合附图进一步说明本专利技术的具体内容 本专利技术采用多层流延， 一次烧结工艺，具体实施的方法为-1. 流延浆料的制备首先将钇稳定氧化锆、固态参比氧分压材料、防护材料粉体分别在125'C真空干燥4小 时,加入有机溶剂和三已醇胺溶液，充分研磨后，加入聚乙烯醇和脂类增塑剂继续研磨12小 时，经过过滤后，真空条件除去气泡,完成三种流延浆料的制备。2. 钇稳定氧化锆流延层制备 通过光栅尺测量调整流延机刮刀和大理石基板的间隙，为保证厚度均匀，采用静止基板，料槽移动的方式。在桨料槽中注入浆体，以一定的速度移动，在基板上形成厚度均匀的膜片。 在通风良好的环境下，干燥4-6小时。3. Pt外电极的制备将流延成型的钇稳定氧化锆坯膜连同大理石基板一起在丝网印刷机上印制pt电极，在低 温条件下干燥。4. Pt内电极的制备将印有外电极的钇稳定氧化锆坯膜翻转，采用步骤3的方法丝网印刷内电极。5. 固态参比氧分压层制备按步骤2的方法流延成型固态参比氧分压层，室温干燥4-6小时。6. 在步骤5之后，通过丝网印刷的方法，制备加热器，加热器材料为Ru02浆料，印刷后 3-4CTC干燥4小时。7. 固态参比氧分压层二次制备8. 在加热器上，按步骤5再次流延成型固态参比氧分压层，将加热器埋入。9. 将完成步骤8的坯膜在85'C， 5 10Kg/cm2的压力下，轧制1小时，之后自然降温。放 置24小时进行内应力时效。以减少烧结时的变形和开裂。10. 冲压或激光切割成5X7.5的条状片。11. 通过专用的工具进行电极连接的半孔化处理，将埋入材料层的Pt电极和加热器电极通过 丝网印刷电极接点连接，并制作4个5X1.5的银-钯电极，用于封装结构电气插件的适 配。所述整体制作过程为首先，将Zr02基体层材料的浆料通过流延成一定厚度的厚膜片， 然后在Zr02基体膜片的双侧印刷Pt浆料电极，预干燥后在一侧流延防护层材料；在另一侧 流延l / 2固态参比氧分压层厚度的固态参比层，丝网印刷Ru02加热器后，再流延l / 2 固态参比氧分压层厚度的固态参比层；为提高芯片的机械强度可以适当加压，加压过程因该 在一定的温度下完成，同时必须有一个缓慢的降温过程以释放内应力；之后，冲压分解为单 片，采用专用的钻孔装置制作半透的电极连接孔；所提到的烧结过程是十分重要的步骤，在 升温阶段严格控制升温速率不大于1'C/min，目的是排除各层材料的粘合剂成分，最后在 160(TC的条件下烧结制成芯片；对于作制成的芯片采用丝网印刷的方法，通过己经钻制的连 接孔制备用于电气连接插件的电极。本文档来自技高网...

【技术保护点】
固态参比氧分压的ＺｒＯ↓［２］氧传感器包括钇稳定ＺｒＯ↓［２］层（２）、固态参比氧分压层（３）、传感器芯片防护层（１），在ＺｒＯ↓［２］基体层双侧具有Ｐｔ电极（３）、（４），在固态参比氧分压层内部设有ＲｕＯ↓［２］加热器（６）。

【技术特征摘要】
1、固态参比氧分压的ZrO2氧传感器包括钇稳定ZrO2层(2)、固态参比氧分压层(3)、传感器芯片防护层(1)，在ZrO2基体层双侧具有Pt电极(3)、(4)，在固态参比氧分压层内部设有RuO2加热器(6)。2、根据权利要求1所说的固态参比氧分压的Zr02氧传感器的制作方法A、 流延浆料配制，即将Zr02基体层、固态参比氧分压层、保护层的粉体加入溶剂、分 散剂、粘合剂和增塑剂，球磨均匀后除气泡和过滤，制成粘度适当的浆料；B、 流延成型，在流延机上将各层浆料流延成均匀、有一定厚度要求的坯层；C、 Pt电极印...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海波，于言杰，
申请(专利权)人：吉林大学，长春市北方电子有限责任公司，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]