[发明专利]集成片式氧传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化锆传感器用集成芯片技术领域，尤其是一种集成片式氧传 感器及其制作方法。

背景技术

随着汽车排放法规的日益提高，对废气排放控制要求也越来越高，为此汽 车发动机需要更短的冷启动时间来满足要求。同时考虑能源节省的需要，一种 集成度高、体积小、消耗功率小、启动速度快的片式氧传感器成为一种趋势， 以满足发动机电喷系统冷启动后尽可能快速进入闭环控制的要求，同时降低氧 传感器的电能消耗。

目前已有的片式传感器结构如图1(a)、(b)和(c)。该结构主要由3层氧 化锆基板和若干功能厚膜层组成，氧化锆基板主要通过流延或者轧膜的方法成 型，而厚膜功能层主要通过丝网印刷技术获得。氧传感器的测量电极2和参比 电极3分别形成于a基板41的内外表面上，通过冲压成型将b基板42的中部 冲开一道狭长的口子，以便形成参比空气通道5；而由陶瓷绝缘层6包裹的铂加 热元件7配置在底部c基板43的内表面上，还要在c基板43的末端打两个通孔 9将内表面的加热元件同外表面末端的加热电极片连接起来，这样就构成了敏感 元件和加热元件集成一体的片式氧传感器结构。但该结构厚度厚、体积大、制 作工序复杂，且加热元件以包裹形式植于传感器内部，稳定性比较差，且容易 漏电。

虽然专利03136011.4提出了更小的一种结构，但主要是在宽度方面减少， 而且其结构至少也要3层来构建，工序也更为复杂。

发明内容

为了克服现有的氧传感器结构复杂，工序多的不足，本发明提供了一种集 成片式氧传感器及其制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种集成片式氧传感器，该 传感器包括氧化锆基体，氧化锆基体由上层氧化锆基板和下层氧化锆基板构成， 上层氧化锆基板的外表面带有测量电极，上层氧化锆基板的内表面带有参比电 极和狭长缝隙，下层氧化锆基板的内表面直接和狭长缝隙接触，下层氧化锆基 板的外表面上覆盖氧化铝陶瓷绝缘层，氧化铝陶瓷绝缘层直接和铂加热元件集 成在一起，加热电极片和铂加热元件在氧化锆基体的外表面上直接连接在一起， 氧化锆基体的最外层设有多孔陶瓷保护层。上层氧化锆基板的内表面通过电极 连接通孔和外表面的内电极连接片相连。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括狭长缝隙为15微米到50微米厚。

一种集成片式氧传感器的制作方法，包括以下步骤：

第一步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁 酯(DBP)以70～86∶6～12∶4～9∶4～9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通 过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基 片坯体，即上层氧化锆基板；然后将含有70％～90％铂粉的电极浆料和导电浆料 分别印刷在上层氧化锆基板的内、外表面，形成参比电极和测量电极；内表面 电极通过上层氧化锆基板末端冲压形成的电极连接通孔与外表面的内电极连接 片相连；

第二步，将石墨粉、PVB、松油醇和柔软剂以30～46∶20～30∶16～24∶10～24 的质量比混合充分，形成可丝网印刷浆料，并将该浆料印刷并覆盖在内表面电 极上；参比空气扩散缝隙印刷层宽度介于上层氧化锆基板和参比电极宽度之间， 厚度要达到15到50微米，烧结后就会形成狭长缝隙。

第三步，将5％摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁 酯(DBP)以70～86∶6～12∶4～9∶4～9的质量比混合球磨制备成浆体，然后通 过双刀口技术流延成型，自然干燥后制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成基 片坯体，即下层氧化锆基板；将含有纯度达到97％以上的氧化铝粉末的浆料印 刷在下层氧化锆基板的外表面，制备氧化铝陶瓷绝缘层；然后将含有铂粉的导 电浆料印刷在该氧化铝陶瓷绝缘层上，并一次印刷形成铂加热元件和加热电极 片。

第四步，接下来，用含有氧化锆粉的粘合剂将上层氧化锆基板和下层氧化 锆基板层叠在一起，加热至40～60度同时压紧密实，再将测量电极端浸入含有 镁铝尖晶石的浆料中提拉，形成包裹一体的多孔陶瓷保护层。

第五步，合并包裹成一体的生坯在1300～1500度高温烧结1～3个小时，制 备出集成片式氧传感器。