[发明专利]宽域型氧传感器芯片及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧传感器及其制造方法，特别涉及是一种用于控制汽车发动机中空气和燃料比例的工作区域宽的氧传感器，属于氧传感器技术领域。 

背景技术

现代汽车发动机所采用的尾气排放检测系统，其工作方法为：检测发动机汽缸燃烧后排放的废气中的氧浓度，与理想燃烧状态下生成的氧浓度进行比较，通过反馈控制供给发动机的空气和燃气比例，来实现控制尾气有害物质量的目的。其中起检测作用的元件，目前主要采用固体电解质氧传感器，通常为一个一端密封的圆管，其主要材质为固体电解质氧化锆，起敏感元件作用；以及分别制备在密封圆管的内外表面上的两条贵金属电极，其中暴露在外表面的电极与发动机尾气接触，密封在内表面的电极与参比气体如空气接触。 

固体电解质型氧传感器正常工作要求被加热至约700摄氏度温度，才具有敏感活性。为达到这一要求，通常与氧化铝制备的棒状加热器配合使用，通过一段时间的加热来达到工作温度。但随着目前日渐严格的环保法规的实施，要求在氧传感器更短的时间内开始工作，传统的外带棒状加热器的圆筒式氧传感器由于需要过长的加热时间，因而不能满足新的排放法规要求。 

新型平板式氧传感器由三层扁平平板状氧化锆板组成，其中外表面一层为敏感元件，贵金属电极分别制备于敏感元件两个平面上，另两层氧化锆陶瓷内部包含微型加热电路，起加热体功能；最后将三层氧化锆板烧结为一体，这样就实现了自带加热功能的氧传感器结构，达到工作温度的时间大大缩短。 

但是目前使用的平板式氧传感器仅能测出理想空燃比气氛信号，工作区间狭窄，不能控制过浓或过稀燃烧时发动机工况，无法适应愈来愈先进的发动机电喷控制系统要求。 

发明内容

本发明的目的是提供一种在结构上重大改进的氧传感器，增加了一层参比原件层，由前代的三层结构改变为四层结构，引入了外参比信号和内参照信号的二次参比效应，极大扩展了氧传感器的工作范围，使其能适应从发动机稀薄燃烧到浓燃烧各种气氛下的氧含量 检测。 

本发明宽域型氧传感器芯片，分为保护层、敏感元件层、参比原件层、中空参照层和加热层；保护层为一薄层，由复合陶瓷材料组成，用于保证长期工作条件下外电极不受污染；敏感元件层为带中央微型通孔结构；参比原件层和敏感元件层之间围绕着中央微型通孔结构设置微型空腔结构和多孔扩散结构，这三组结构空间上堆叠形成一组范围依次扩大的同心圆，微型空腔结构包围着多孔扩散结构处于同一层平面，空气从中央微型通孔经过多孔扩散结构缓慢进入微型空腔结构；中空参照层和加热层则结合传统优选的平板式氧传感器中空气室和微电路加热结构。 

所述多孔扩散结构和微型空腔结构通过印涂在参比原件层胚片上的有机牺牲层和多孔扩散层在整体烧结时形成；有机牺牲层印涂的是有机物填充物，在陶瓷高温成型过程中该有机填充物被高温除去，自动形成微型空腔结构；多孔扩散层印涂的是与基体(参比原件层和敏感元件层坯片)不一致的陶瓷成分，在陶瓷高温成型过程中，自动形成多孔扩散结构。 

设置在敏感元件层表面的是外参比信号系统，设置在参比原件层表面的是内参比信号系统；外参比信号系统的内电极(即敏感层内电极)和内参比信号系统的外电极(即参比层外电极)同处于微型空腔结构当中，并且直接短接。敏感层通过外界空气与微型空腔中的浓度较低的空气进行了一次参比获得一个电势差，参比层通过微型空腔中的空气和中空参照层中的参比空气也进行了一次参比也获得一个电势差，然后两者再进行一次“二次参比”。 

其中，所述的保护层为薄膜结构，厚度为50微米-150微米。 

其中，所述的贵金属电极为薄膜结构，厚度为10微米-15微米。 

其中，所述的微型通孔为小孔结构，直径为50微米-100微米。 

其中，所述的微型空腔结构的厚度为20微米-50微米，范围是外径为3.5-4.5mm内径为2.5-3.5mm。 

其中，所述的多孔扩散结构的厚度为30微米-60微米，范围是直径2.5-3.5mm，与微型空腔结构的内径一致。 

其中，所述的加热层为加热层坯片之上设置被丝网印刷的绝缘层所包覆的加热电路结构； 

其中，各层坯片的厚度一致，为0.7mm-1mm。 

其中，各层坯片外形尺寸一致，为长度为60mm-65mm；其宽度为5mm-6mm。 

对应的，该宽域型氧传感器芯片的制造方法，其制作工艺步骤包括： 

A、制备敏感元件层坯片、参比原件层、中空参照层和加热层坯片流延浆料：采用在有机溶剂中用球磨的方式制成流延浆料；