寬域型氧傳感器晶片及其製造方法
2023-06-09 21:00:26 3
專利名稱：寬域型氧傳感器晶片及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種氧傳感器及其製造方法，特別涉及是ー種用於控制汽車發動機中空氣和燃料比例的工作區域寬的氧傳感器，屬於氧傳感器技術領域。
背景技術：
現代汽車發動機所採用的尾氣排放檢測系統，其工作方法為檢測發動機汽缸燃燒後排放的廢氣中的氧濃度，與理想燃燒狀態下生成的氧濃度進行比較，通過反饋控制供給發動機的空氣和燃氣比例，來實現控制尾氣有害物質量的目的。其中起檢測作用的元件，目前主要採用固體電解質氧傳感器，通常為ー個一端密封的圓管，其主要材質為固體電解質氧化鋯，起敏感元件作用；以及分別製備在密封圓管的內外表面上的兩條貴金屬電極，其 中暴露在外表面的電極與發動機尾氣接觸，密封在內表面的電極與參比氣體如空氣接觸。固體電解質型氧傳感器正常工作要求被加熱至約700攝氏度溫度，才具有敏感活性。為達到這ー要求，通常與氧化鋁製備的棒狀加熱器配合使用，通過一段時間的加熱來達到工作溫度。但隨著目前日漸嚴格的環保法規的實施，要求在氧傳感器更短的時間內開始工作，傳統的外帶棒狀加熱器的圓筒式氧傳感器由於需要過長的加熱時間，因而不能滿足新的排放法規要求。新型平板式氧傳感器由三層扁平平板狀氧化鋯板組成，其中外表面ー層為敏感元件，貴金屬電極分別製備於敏感元件兩個平面上，另兩層氧化鋯陶瓷內部包含微型加熱電路，起加熱體功能；最後將三層氧化鋯板燒結為一體，這樣就實現了自帶加熱功能的氧傳感器結構，達到工作溫度的時間大大縮短。但是目前使用的平板式氧傳感器僅能測出理想空燃比氣氛信號，工作區間狹窄，不能控制過濃或過稀燃燒時發動機エ況，無法適應愈來愈先進的發動機電噴控制系統要求。
發明內容
本發明的目的是提供ー種在結構上重大改進的氧傳感器，增加了一層參比原件層，由前代的三層結構改變為四層結構，引入了外參比信號和內參照信號的二次參比效應，極大擴展了氧傳感器的工作範圍，使其能適應從發動機稀薄燃燒到濃燃燒各種氣氛下的氧含量檢測。本發明寬域型氧傳感器晶片，分為保護層、敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層；保護層為一薄層，由複合陶瓷材料組成，用於保證長期工作條件下外電極不受汙染；敏感元件層為帶中央微型通孔結構；參比原件層和敏感元件層之間圍繞著中央微型通孔結構設置微型空腔結構和多孔擴散結構，這三組結構空間上堆疊形成一組範圍依次擴大的同心圓，微型空腔結構包圍著多孔擴散結構處於同一層平面，空氣從中央微型通孔經過多孔擴散結構緩慢進入微型空腔結構；中空參照層和加熱層則結合傳統優選的平板式氧傳感器中空氣室和微電路加熱結構。
所述多孔擴散結構和微型空腔結構通過印塗在參比原件層胚片上的有機犧牲層和多孔擴散層在整體燒結時形成；有機犧牲層印塗的是有機物填充物，在陶瓷高溫成型過程中該有機填充物被高溫除去，自動形成微型空腔結構；多孔擴散層印塗的是與基體(參比原件層和敏感元件層坯片)不一致的陶瓷成分，在陶瓷高溫成型過程中，自動形成多孔擴散結構。設置在敏感元件層表面的是外參比信號系統，設置在參比原件層表面的是內參比信號系統；外參比信號系統的內電極(即敏感層內電扱)和內參比信號系統的外電極(即參比層外電極)同處於微型空腔結構當中，並且直接短接。敏感層通過外界空氣與微型空腔中的濃度較低的空氣進行了一次參比獲得一個電勢差，參比層通過微型空腔中的空氣和中空參照層中的參比空氣也進行了一次參比也獲得ー個電勢差，然後兩者再進行一次「ニ次參比」。其中，所述的保護層為薄膜結構，厚度為50微米-150微米。其中，所述的貴金屬電極為薄膜結構，厚度為10微米-15微米。
0012]其中，所述的微型通孔為小孔結構，直徑為50微米-100微米。其中，所述的微型空腔結構的厚度為20微米-50微米，範圍是外徑為3. 5-4. 5mm內徑為 2. 5-3. 5mm。其中，所述的多孔擴散結構的厚度為30微米-60微米，範圍是直徑2. 5-3. 5mm,與微型空腔結構的內徑一致。其中，所述的加熱層為加熱層坯片之上設置被絲網印刷的絕緣層所包覆的加熱電路結構；其中，各層還片的厚度一致,為O. 7mm-lmm。其中，各層還片外形尺寸一致,為長度為60mm-65mm ;其寬度為5mm-6mm。對應的，該寬域型氧傳感器晶片的製造方法，其製作エ藝步驟包括A、製備敏感元件層坯片、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片流延漿料採用在有機溶劑中用球磨的方式製成流延漿料；B、採用流延法製造敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片將流延漿料在流延機上經刮刀在襯帶上刮成厚度均勻的膜片，在常溫下乾燥後脫膜； C、敏感元件層坯片、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片的製成採用模具機械切割把上述膜片切割成各層坯片；D、在敏感元件層和參比原件層坯片上印塗內外電極且在外電極的工作區噴塗或浸潰保護層，內外電極都通過小孔與外層的引腳相連接；E、採用加熱層坯片和加熱電路製造加熱層坯；F、在敏感元件層外電極中央位置製造微型通孔；G、在參比原件層外電極表面印塗有機犧牲層；在燒結過後，有機物被高溫除去，製造相應的微型空腔結構；H、在參比原件層外電極表面對應敏感原件層微型通孔位置印塗環形多孔擴散層；在高溫燒結陶瓷化之後形成相應的多孔擴散結構；該多孔擴散層採用與基體不一致的陶瓷成分(比如氧化鋁)，其燒結性能不同，形成緻密基體同時，該種陶瓷成分(比如氧化鋁)自動形成多孔擴散結構。
多孔擴散的含義是該層是多孔結構，氣體可以緩慢擴散通過，即不是密封的，作用就是讓從微型通孔進入的外界氣體可以擴散進入G所述的微型空腔中，即保證氣體能夠進入又必須是緩慢進入由此微型空腔中空氣濃度會比外界低ー個等級。I、將噴塗或浸潰保護層的敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片依次定位四層疊層熱壓成氧傳感器坯；J、將氧傳感器坯脫除有機物並燒結而得寬域型氧傳感器晶片。所述A步驟中的敏感元件層坯片流延漿料和參比原件層坯片流延漿料的組分ー致，為基材氧化釔摻雜氧化鋯陶瓷粉80 90%，分散劑I 3%，粘合劑2 7%，塑化劑5 8%，潤滑劑2 7% ;加熱層坯片流延漿料和中空參照層坯片流延漿料的組分也一致，為基材氧化釔摻雜氧化鋯陶瓷粉80 90 %，分散劑I 3 %，粘合劑2 7 %，塑化劑5 8%，潤滑劑2 7%所述E步驟中的加熱層是這樣製備的加熱層坯片之上設置被絲網印刷的絕緣層 所包覆的加熱電路。所述G步驟中的有機犧牲層是這樣製備的參比原件層坯片之上設置被絲網印刷的有機物薄膜。所述H步驟中的多孔擴散層材料可以是純氧化鋁陶瓷，可以是氧化鋯-氧化鋁複合陶瓷，其比例可以從25% : 75%到85%: 15%任意比例，還可以是氧化鋁-氧化鎂複合陶瓷，或者氧化鋁-氧化鈣複合陶瓷，比例參見以上。所述D步驟中的內外電極可以是純Pt (鉬)，可以是Pt-W (鉬-鎢)複合電扱；也可以是純Pb(鈀)以及Pb-Pt(鈀-鉬)複合電扱；還可以在金屬/金屬複合電極中加入一定比例的氧化鋯，製成金屬陶瓷複合電極所述保護層採用浸潰法或噴塗法，材料為尖晶石結構陶瓷，典型例子氧化鋁陶瓷，鎂鋁尖晶石陶瓷。在以上エ藝下製成的平板式氧傳感器晶片結構，包括保護層、敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層燒結在一起形成，所述的敏感元件層和參比元件層由敏感元件坯片、參比原件坯片，以及設置在其外側表面的外電極和設置在其內側表面的內電極組成；敏感元件層外電極中央有微型通孔；敏感元件層和參比元件層之間有微型空腔結構；微型空腔與微型通孔之間有多孔擴散結構阻隔；外電極和內電極均採用貴金屬電極；所述加熱層內包含微型加熱電路組成。可見本技術方案的優點和功效是通過引入參比元件層，反應區間由理想空燃比擴大到濃燃燒和稀薄燃燒各種氣氛條件，極大增加了氧傳感器的測量範圍，增強了電噴系統對發動機的控制精度，減小了汙染排放。寬域型氧傳感器晶片的部分性能測試標準，如下表
權利要求
1.寬域型氧傳感器晶片，分為保護層、敏感元件層、中空參照層和加熱層；其特徵在於敏感元件層和中空參照層之間設置參比原件層；敏感元件層為帶中央微型通孔結構；參比原件層和敏感元件層之間圍繞著中央微型通孔結構設置微型空腔結構和多孔擴散結構，這三組結構空間上堆疊形成一組範圍依次擴大的同心圓，微型空腔結構包圍著多孔擴散結構處於同一層平面； 設置在敏感元件層表面的是外參比信號系統，設置在參比原件層表面的是內參比信號系統；外參比信號系統的內電極和內參比信號系統的外電極同處於微型空腔結構當中，並且直接短接。
2.如權利要求I所述的寬域型氧傳感器晶片，其特徵在於所述的微型通孔為小孔結構，直徑為50微米-100微米。
3.如權利要求I所述的寬域型氧傳感器晶片，其特徵在於所述的微型空腔結構的厚度為20微米-50微米，範圍是外徑為3. 5-4. 5mm ；內徑為2. 5-3. 5mm。
4.如權利要求I所述的寬域型氧傳感器晶片，其特徵在於所述的多孔擴散結構的厚度為30微米-60微米，範圍是直徑2. 5-3. 5mm,與微型空腔結構的內徑一致。
5.如權利要求1-4擇一所述的寬域型氧傳感器晶片，其特徵在於各層坯片的厚度一致，為 O. 7mm-1mnin
6.如權利要求1-4擇一所述的寬域型氧傳感器晶片，其特徵在於各層坯片外形尺寸一致，為長度為60mm-65mm ;其寬度為5mm-6mm。
7.寬域型氧傳感器晶片的製造方法，其特徵在幹 製作エ藝步驟包括 A、製備敏感元件層坯片、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片流延漿料採用在有機溶劑中用球磨的方式製成流延漿料； B、採用流延法製造敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片將流延漿料在流延機上經刮刀在襯帶上刮成厚度均勻的膜片，在常溫下乾燥後脫膜； C、敏感元件層坯片、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片的製成採用模具機械切割把上述膜片切割成各層坯片； D、在敏感元件層和參比原件層坯片上印塗內外電極且在外電極的工作區噴塗或浸潰保護層，內外電極都通過小孔與外層的引腳相連接； E、採用加熱層坯片和加熱電路製造加熱層坯； F、在敏感元件層外電極中央位置製造微型通孔； G、在參比原件層外電極表面印塗有機犧牲層； H、在參比原件層外電極表面對應敏感原件層微型通孔位置印塗環形多孔擴散層； I、將噴塗或浸潰保護層的敏感元件層、參比原件層、中空參照層和加熱層坯片依次定位四層疊層熱壓成氧傳感器坯； J、將氧傳感器坯脫除有機物並燒結而得寬域型氧傳感器晶片。
8.如權利要求7所述的寬域型氧傳感器晶片的製造方法，其特徵在於 所述A步驟中的敏感元件層坯片流延漿料和參比原件層坯片流延漿料的組分一致，為基材氧化釔摻雜氧化鋯陶瓷粉80 90 %，分散劑I 3 %，粘合劑2 7 %，塑化劑5 8%，潤滑劑2 7%。
9.如權利要求7所述的寬域型氧傳感器晶片的製造方法，其特徵在於 所述A步驟中的加熱層坯片流延漿料和中空參照層坯片流延漿料的組分也一致，為基材氧化釔摻雜氧化鋯陶瓷粉80 90 %，分散劑I 3 %，粘合劑2 7 %，塑化劑5 8 %，潤滑劑2 7°ん
10.如權利要求7-9所述的寬域型氧傳感器晶片的製造方法，其特徵在於所述H步驟中的多孔擴散層材料是純氧化鋁陶瓷或氧化鋯-氧化鋁複合陶瓷或氧化鋁-氧化鎂複合陶瓷或者氧化鋁-氧化鈣複合陶瓷中的ー種，其比例為從25% : 75%到85%: 15%任意比例。
全文摘要
本發明寬域型氧傳感器晶片及其製造方法，該晶片分為保護層、敏感元件層、中空參照層和加熱層；敏感元件層和中空參照層之間設置參比原件層；敏感元件層為帶中央微型通孔結構；參比原件層和敏感元件層之間圍繞著中央微型通孔結構設置微型空腔結構和多孔擴散結構，微型空腔結構包圍著多孔擴散結構處於同一層平面；設置在敏感元件層表面的是外參比信號系統，設置在參比原件層表面的是內參比信號系統；外參比信號系統的內電極和內參比信號系統的外電極同處於微型空腔結構當中，並且直接短接。優點功效是增加了一層參比原件層，引入了外參比信號和內參照信號的二次參比效應，極大擴展了工作範圍，使其能適應從發動機稀薄燃燒到濃燃燒的各種氣氛。
文檔編號G01N27/409GK102841121SQ201210209299
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者鄭龍華 申請人:鄭龍華