[发明专利]一种平板式氧传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车用氧传感器芯片结构及其制备方法，尤其涉及到一种以5%molY₂O₃掺杂的ZrO₂为固体电解质的平板式氧传感器及其制备方法。

背景技术

氧传感器安装在发动机排气管或排气尾管中，用于测量发动机排气中剩余氧气浓度，发动机ECU根据氧传感器所提供的信号闭环控制发动机燃烧的空燃比，使之达到恒定的14.7，从而使三元催化剂最有效地降低汽车排气中一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物的成分，将尾气中的有害气体转换为二氧化碳、氮气、水。

氧传感器是利用氧化锆的高温氧离子传导特性与Pt电极的催化特性制备而成。传统的平板式氧传感器由三层氧化锆电解质叠合而成，上层氧化锆电解质正面印刷信号电极；反面印刷参考电极、中层氧化锆固体电解质带有空腔，用于向参考电极引入空气；下层氧化锆电解质上印刷加热器，用于给传感器加热，使其达到正常工作时温度（300℃以上）。当氧传感器处于浓燃烧的尾气环境中时，尾气中过量的一氧化碳与残余氧气在传感器信号电极上发生反应，生成二氧化碳，使传感器信号电极上几乎不存在氧气，此时信号电极与参考电极两侧的氧气浓度梯度非常大，氧传感器产生一个较高的电压信号（1V左右）；当氧传感器处于稀薄燃烧的尾气环境中时，信号电极测有很多氧气，此时信号电极与参考电极两侧的氧气浓度梯度小，氧传感器产生一个较低的电压信号（0V左右）。根据氧传感器的输出信号（高电势、低电势），就能反映发动机的燃烧状态。

传统三层结构的平板式氧传感器，由于有参考空腔的存在，三层叠合的时候不适合用等静压的方法实现，只能在层间印刷黏结剂后采用机械叠压，层间叠合的时候，中层的空腔容易变形，堵塞参考空气通道。黏结剂的印刷，会使得氧化锆生瓷片在烘干的过程中收缩变形，影响上、中、下三层的对位精度。此种平板式氧传感器工艺复制备工艺复杂，芯片弯曲强度偏低导致芯片装配成品率低，寿命短，批量化生产成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种工艺简单、质量稳定、同时能增强氧传感器陶瓷片弯曲强度、提高产品成品率、批量化生产成本低的平板式氧传感器及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种平板式氧传感器，包括由七层厚度为0.2-0.25mm的氧化锆陶瓷生片制备而成的传感器芯片，传感器芯片从上往下依次为第一层陶瓷生片与第二层陶瓷生片组成的信号功能层、第三层陶瓷生片与第四层陶瓷生片和第五层陶瓷生片组成的参考通道功能层，第六层陶瓷生片与第七层陶瓷生片组成的加热功能层，第一层陶瓷生片的上表面上设置有外电极和信号电极引脚, 外电极上设置有多孔保护层，信号电极引脚上设置有引线保护层，第二层陶瓷生片和第三层陶瓷生片之间设置有参考电极，第五层陶瓷生片和第六层陶瓷生片之间设置有加热器，加热器上、下分别设置加热器上绝缘层、加热器下绝缘层，加热器上连接有加热电极引脚。

第三层陶瓷生片上设置有参考通道，参考电极设置在参考通道内，参考通道内还设置有参考通道填充条。

参考通道填充条的材料为碳粉与树脂的混合物。

第六层陶瓷生片与第七层陶瓷生片上设置有加热电极导通小孔，加热电极引脚通过加热电极导通小孔引出。

第一层陶瓷生片与第二层陶瓷生片上设置有信号电极导通小孔, 信号电极引脚通过信号电极导通小孔引出。

一种平板式氧传感器的制备方法，包括如下步骤：

（1）陶瓷生片的制备：

选取比表面积为5-8m²/g、掺杂5%molY₂O₃的超细氧化锆粉，以氧化锆质量为基准，向其中添加16-22%有机溶剂；1-3%分散剂；3-8%的塑化剂；3-10%黏结剂球磨混合30-40小时后得到均匀稳定的流延浆料，将流延浆料制备成厚度0.2-0.25mm的陶瓷生片；

（2）陶瓷生片的定型：

在第一层陶瓷生片和第二层陶瓷生片上冲一组2-4个直径0.1-0.2mm的圆形小孔；第六层陶瓷生片和第七层陶瓷生片上冲两组2-4个直径0.1-0.2mm的圆形小孔；第三层陶瓷生片上中间用激光切割一个尾部敞开的长槽作为参考通道；

（3）陶瓷生片的印刷：