CN106198680A - 片式氧传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种片式氧传感器芯片。该片式氧传感器芯片的氧差电池单元与发热单元分别制作后用钎焊的方式连接。所述加热层自上而下依次包括上绝缘层、加热电极层、下绝缘层及加热基底层，该加热层可由廉价的非氧化锆陶瓷和加热电极制成；本发明易于实现片式氧传感器芯片的批量化生产，有效解决了现有技术中存在的工艺难度大，制造成本高等问题，可有效提高片式氧传感器芯片性能的一致性，降低片式氧传感器芯片的成本。

Description

片式氧传感器芯片

技术领域

本发明涉及汽车尾气技术领域，尤其是涉及一种片式氧传感器芯片。

背景技术

随着人们环保意识的提高，对汽车尾气排放的要求越来越高。氧传感器是汽车尾气处理中的关键器件，而氧传感器芯片的制备是氧传感器生产中的关键。到目前为止国内还没有一家能够大批量生产片式氧传感器芯片的企业。

片式氧传感器的生产制备难点在于：(1)异质叠层共烧：不同材料在烧结过程中由于热膨胀系数的不匹配而最终引起芯片变形、开裂，最终引起器件失效，目前解决该问题的方法是：通过掺杂改性调节各层材料的热膨胀系数，改善烧结匹配问题。例如：专利CN104880500A公开了一种片式氧传感器制备方法：通过添加多层过渡烧结层来调整传感器芯片的烧结匹配性。但是增加了工艺的复杂性，提高了工艺实现难度；(2)参比气通道层的实现。在目前申请/授权关于片式氧传感器制备专利中少有关于参比气通道层制备工艺的介绍。例如：专利CN 102455311A公开了一种片式氧传感器芯片的制备方法：其中通过切割参比气层形成参比气通道并填充保型材料，经叠层、热压、烧结制备氧传感器芯片。但是，批量化生产过程中如何在切割膜片上填充保型材料即是一大难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种片式氧传感器芯片，以解决在片式氧传感器的生产制备过程中存在的工艺难度大，不利于批量化生产的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的片式氧传感器芯片，该片式氧传感器芯片的氧差电池单元与加热单元分别制作后用钎焊的方式连接形成钎焊层；所述氧差电池单元包括依次层叠的多孔保护层、气敏层、参比气层；所述加热单元自上而下依次包括上绝缘层、加热电极层、下绝缘层及加热基底层。

进一步地，所述钎焊层的厚度为0.001-0.1mm。

进一步地，所述多孔保护层自上而下依次包括多孔层和过渡层。

进一步地，所述多孔层和过渡层均具有上下连通的孔洞。

进一步地，所述多孔层包括氧化锆、镁铝尖晶石和贵金属。

进一步地，所述过渡层包括氧化锆和镁铝尖晶石。

进一步地，所述气敏层的基体层为钇稳定氧化锆基体层。

进一步地，所述上绝缘层、下绝缘层、加热基底层均为氧化铝陶瓷；所述加热电极层由可共烧的发热体浆料制成。

本发明还提供一种片式氧传感器芯片的制备方法，其包括如下步骤：

S1、流延成型制备气敏层，包括：切割基体层，在基体层的一面印刷铂电极，然后印刷过渡层及多孔层，烘干后在基体层的另一面印刷铂电极，形成第一层；

S2、流延成型制备参比气层，并切割出参比空气通道，形成第二层；

S3、将第一层和第二层进行定位叠层、等静压成型，待用；

S4、流延成型制备加热基底层，切割加热基底层，并印刷出下绝缘层、加热电极、上绝缘层，烘干后等静压成型，待用；

S5、将S3、S4中等静压成型后的样品进行排胶、烧结；

S6、将烧结后的两个样品经其中的参比气层与上绝缘层通过钎焊层钎焊制备片式氧传感器芯片。

该片式氧传感器芯片的制备方法还包括：在等静压成型过程中，等静压压力为40MPa-70MPa、温度为40℃-70℃；在烧结过程中，烧结温度为1300℃-1500℃，烧结时间为1h-4h；在钎焊过程中，钎焊温度为900℃-1250℃；钎焊层的厚度为0.001-0.1mm。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明易于实现片式氧传感器芯片的批量化生产，有效解决了现有技术中存在的工艺难度大，制造成本高等问题，可有效提高片式氧传感器芯片性能的一致性，降低片式氧传感器芯片的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的片式氧传感器芯片的结构示意图；

图2为图1所示的钎焊层的结构示意图；

图3为图1所示的上半部分中的第一层与第二层的结构示意图；

图4为图1所示的下半部分中的加热层的结构示意图。

附图标记：

101-多孔保护层； 102-铂电极； 103-内电极引脚；

104-气敏层； 105-铂电极； 106-参比气层；

107-钎焊层； 108-上绝缘层； 109-加热电极层；

110-下绝缘层； 111-加热基底层； 112-加热电极引脚。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例一

结合图1至图4所示，本实施例提供一种片式氧传感器芯片，该片式氧传感器芯片的氧差电池单元与加热单元分别制作后用钎焊的方式连接形成钎焊层107；其中，上绝缘层、加热电极层、下绝缘层及加热基底层。氧差电池单元包括依次层叠的多孔保护层101、气敏层104、参比气层106；加热单元自上而下依次包括上绝缘层108、加热电极层109、下绝缘层110及加热基底层111。本发明易于实现片式氧传感器芯片的批量化生产，有效解决了现有技术中存在的工艺难度大，制造成本高等问题，可有效提高片式氧传感器芯片性能的一致性，降低片式氧传感器芯片的成本。

具体地，结合图1而言，气敏层104包括基体层及设置于基体层上下两面的铂电极102、铂电极105；参比气层106与上绝缘层108之间通过钎焊连接形成钎焊层107。该片式氧传感器芯片在制备过程中，经烧结后通过钎焊的方式进行连接，易于实现片式氧传感器芯片的批量化生产，有效解决了现有技术中存在的工艺难度大，不利于批量化生产的技术问题，利于推广与应用。

进一步地，钎焊层107的厚度为0.001-0.1mm。

具体地，钎焊层107的最小厚度可以为0.001mm，保证钎焊强度。

此外，钎焊层107的厚度也可以为0.01mm、0.015mm等等。

钎焊层107的最大厚度可以为0.1mm。当然，上述参数值只是比较优选的方式，在实际生产过程中也可灵活选择其他参数值，此处不再局限。

对于本实施例中的各个膜片的材质也可根据实际需要而灵活设置，例如：

优选地，多孔保护层101自上而下依次包括多孔层和过渡层。

更进一步地，多孔层和过渡层均具有上下连通的孔洞。

其中，多孔层包括氧化锆、镁铝尖晶石和贵金属，优选地，多孔层的平均孔径为0.1-3.5μm，孔隙率为30-50％。

其中，过渡层包括氧化锆和镁铝尖晶石。优选地，过渡层的平均粒径为0.1-2.5μm，孔隙率为20-40％。

通过大量实验发现，通过改善多孔保护层101的结构可有效提高片式氧传感器的灵敏度、抗热震性和使用寿命。

当然，在此基础之上，多孔保护层101还可以为三层结构，包括自上而下依次包括致密层、多孔层和过渡层。

其中，致密层的平均孔径为2-3μm，孔隙率为20-40％。各层不同组分的匹配可提高抗热震性；各层的平均孔径和孔隙率在本发明的范围内时，片式氧传感器的灵敏度高。

这种多孔保护层101可阻止汽车排气中的颗粒堵塞多孔层，从而防止电极中毒，另通过对各层组分、孔径和孔隙率的选择，保证多孔保护层101与测氧电解质层的附着力，因此能有效提高氧传感器使用寿命。

当然，片式氧传感器的多孔保护层101的厚度不宜过大，一般为70-90μm，否则会增大汽车排气的传输路径，降低片式氧传感器的灵敏度。优选情况下，过渡层的厚度为10-60μm，多孔层的厚度为10-60μm，致密层的厚度为10-50μm。

对于气敏层104而言，优选地，气敏层104的基体层为钇稳定氧化锆基体层。

优选地，上绝缘层108、下绝缘层110、加热基底层111均为氧化铝陶瓷，当然也可以为其他廉价的陶瓷。此外，加热基底层111也可为氧化铝混合钇稳定氧化锆陶瓷；加热电极层109由可共烧的发热体浆料制成。例如：制备浆料包括铂、氧化铝、钇稳定氧化锆陶瓷粉体及有机溶剂复合物。

综上，该片式氧传感器芯片在制备过程中，经烧结后通过钎焊的方式进行连接，易于实现片式氧传感器芯片的批量化生产，有效解决了现有技术中存在的工艺难度大，不利于批量化生产的技术问题，利于推广与应用。

实施例二

结合图1至图4所示，本实施例在上述实施例一的基础上还提供一种片式氧传感器芯片的制备方法，其包括如下步骤：

S1、流延成型制备气敏层104，包括：切割基体层，在基体层的一面印刷铂电极(图中还示意出了内电极引脚103)，然后印刷过渡层及多孔层，烘干后在基体层的另一面印刷铂电极，形成第一层。

S2、流延成型制备参比气层106，并切割出参比空气通道，形成第二层；

S3、将第一层和第二层进行定位叠层、等静压成型，待用；

S4、流延成型制备加热基底层111，切割加热基底层111，并印刷出下绝缘层110、加热电极层109(图中还示意出了加热电极引脚112)、上绝缘层108，烘干后等静压成型，待用；

S5、将S3、S4中等静压成型后的样品进行排胶、烧结；

S6、将烧结后的两个样品经其中的参比气层106与上绝缘层108通过钎焊层107钎焊制备片式氧传感器芯片。

其中，在等静压成型过程中，等静压压力为40MPa-70MPa、温度为40℃-70℃。

其中，在烧结过程中，烧结温度为1300℃-1500℃，烧结时间为1h-4h。

其中，在钎焊过程中，钎焊温度为900℃-1250℃；钎焊层107的厚度为0.001-0.1mm。

上述各个步骤的具体操作并没有特殊的限制，可采用本领域普通技术人员所熟知的操作。具体可进一步地举例说明：

该片式氧传感器芯片的制备方法在步骤S1之前还包括：

制备浆料，包括在制备气敏层104、参比气层106、加热层的基材中加入溶剂、增塑剂和粘接剂，制成浆料。

此外，在制备中还可加入有分散剂，以共同制成浆料。

其中，制备所用的基材采用氧化锆粉体，将氧化锆粉体置于球磨罐中，分别加入溶剂、分散剂、增塑剂、粘接剂，球磨混合12～16小时，经真空脱泡、过筛后，制成粘度为750～1500mPa·s的浆料。

优选的是，所述氧化锆粉体采用含有8％-10％摩尔氧化钇全稳定的氧化锆粉体。

优选的是，所加入球磨罐中的氧化锆粉体、溶剂、分散剂、增塑剂、粘接剂的质量百分比分别为：氧化锆粉体占45～60％溶剂占30～42％、分散剂占0～2％、增塑剂占5～7％、粘接剂占5～7.5％。

进一步优选，溶剂采用水、乙醇、甲乙酮或丁酮中的一种或几种的混合物；所述分散剂采用三乙醇胺、松油醇或鱼油中的一种或几种的混合物；所述粘接剂采用聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛或乙基纤维素中的一种或几种的混合物；所述增塑剂采用甘油、聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯或三乙烯乙二醇中的一种或几种的混合物。

本发明中氧化锆基体层、参比气层106、绝缘层、加热基底层111、加热电极层109材料及制备方法为本领域技术人员所熟知，本发明中没有特殊限定。如：上绝缘层108、下绝缘层110、加热基底层111均为氧化铝陶瓷，当然也可以为其他廉价的陶瓷。此外，加热基底层111也可为氧化铝混合钇稳定氧化锆陶瓷；加热电极层109由可共烧的发热体浆料制成。

综上，本发明易于实现片式氧传感器芯片的批量化生产，有效解决了现有技术中存在的工艺难度大，制造成本高等问题，可有效提高片式氧传感器芯片性能的一致性，降低片式氧传感器芯片的成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种片式氧传感器芯片，其特征在于，该片式氧传感器芯片的氧差电池单元与加热单元分别制作后用钎焊的方式连接形成钎焊层；所述氧差电池单元包括依次层叠的多孔保护层、气敏层、参比气层；所述加热单元自上而下依次包括上绝缘层、加热电极层、下绝缘层及加热基底层。

2.根据权利要求1所述的片式氧传感器芯片，其特征在于，所述钎焊层的厚度为0.001-0.1mm。

3.根据权利要求1所述的片式氧传感器芯片，其特征在于，所述多孔保护层自上而下依次包括多孔层和过渡层。

4.根据权利要求3所述的片式氧传感器芯片，其特征在于，所述多孔层和过渡层均具有上下连通的孔洞。

5.根据权利要求4所述的片式氧传感器芯片，其特征在于，所述多孔层包括氧化锆、镁铝尖晶石和贵金属。

6.根据权利要求4所述的片式氧传感器芯片，其特征在于，所述过渡层包括氧化锆和镁铝尖晶石。

7.根据权利要求1所述的片式氧传感器芯片，其特征在于，所述气敏层的基体层为钇稳定氧化锆基体层。

8.根据权利要求1所述的片式氧传感器芯片，其特征在于，所述上绝缘层、下绝缘层、加热基底层均为氧化铝陶瓷；所述加热电极层由可共烧的发热体浆料制成。