[发明专利]一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种片式氧传感器，包括从上到下依次叠加烧结而成的多孔及保护层、功能层、空气腔层、结构层和加热层；多孔及保护层的一端为多孔氧化铝基片，多孔及保护层的另一端为第一氧化铝基片，功能层包括第一氧化锆基片、内电极和外电极，外电极位于第一氧化锆基片上靠近多孔及保护层一侧，空气腔层包括第二氧化铝基片和设于其上方的空气腔，结构层包括从上到下依次叠加的第二氧化锆基片、第三氧化铝基片和第四氧化铝基片，加热层包括第五氧化铝基片和设于其上方的加热器；本发明还提供了一种片式氧传感器的制备方法；本发明通过对其结构和配方的设计消除弯曲和分层，提高了片式氧传感器的成品率和使用寿命以及简化制备工艺。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器及其制备方法。

背景技术

氧传感器用于检测汽车排放气体中的氧气含量，将其以电信号的形式反馈给汽车电子控制单元(ECU)，ECU根据此信号控制发动机燃烧状态，来实现以过量空气系数λ＝1(最佳燃烧状态)为目标的闭环控制。其中片式氧传感器由于尺寸小、响应快、能耗低、加热器可集成以及在恶劣的环境下也能长期稳定的工作等优点，已成为检测汽车排放中氧含量的主流产品。

片式氧传感器的工作温度一般在700℃左右，故传感器在工作时需要给加热器提供一个电压来使其正常稳定的工作，传统的片式氧传感器主要是以全氧化锆结构为主，而氧化锆在高温下能够导电，为了避免工作时加热器短路以及加热电压影响输出信号，需要对加热器进行绝缘处理。此处理需要增加一个丝网印刷工序，即需先将氧化锆进行绝缘层印刷，再在印刷好的绝缘层上进行加热器印刷，最后在加热器上方再印刷绝缘层确保加热器被绝缘层完全包裹，这无疑增加了工艺的复杂性；同时绝缘浆料没有粘连性，很容易导致加热层烧结后分层，影响成品率；并且氧化锆导热率低，反复使用会使内部存在较大热应力而出现裂纹，导致传感器失效。

为了避免上述问题，出现了氧化锆、氧化铝复合结构的片式氧传感器，但不同材料层间的热膨胀系数不同，氧传感器在使用过程中，由于经常不断的升温与降温，传感器难以承受如此的热疲劳，导致使用过程中基片出现弯曲、分层或开裂等失效现象。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器及其制备方法，本发明从氧化锆基片、氧化铝基片的复合结构入手，通过对其结构和配方的设计消除弯曲和分层，从配方上调节氧化锆基片的配方使二者热膨胀系数匹配，调节氧化铝基片以及多孔氧化铝基片的配方使二者收缩率和收缩速率匹配，提高了片式氧传感器的成品率和使用寿命以及简化制备工艺。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种含有两部分氧化锆结构的片式氧传感器，包括从上到下依次叠加烧结而成的多孔及保护层、功能层、空气腔层、结构层和加热层；所述多孔及保护层的一端为多孔氧化铝基片，多孔及保护层的另一端为第一氧化铝基片，所述功能层包括第一氧化锆基片和设于第一氧化锆基片两侧的内电极和外电极，其中外电极位于第一氧化锆基片上靠近多孔及保护层一侧，且所述多孔氧化铝基片完全覆盖外电极，第一氧化铝基片覆盖外电极引线，所述空气腔层包括第二氧化铝基片和设于其上方的空气腔，所述结构层包括从上到下依次叠加的第二氧化锆基片、第三氧化铝基片和第四氧化铝基片，所述加热层包括第五氧化铝基片和设于其上方的加热器。

作为一种优选的实施方式，所述第一氧化锆基片和第一氧化铝基片上均设有供外电极引线和内电极引线穿过的电极通孔，所述第一氧化铝基片上设有用于将外电极引线和内电极引线引出的一对电极引脚，所述内电极引线依次穿过第一氧化锆基片和第一氧化铝基片上的电极通孔后与其中一个电极引脚连接，所述外电极引线穿过第一氧化铝基片上的通孔后与另外一个电极引脚连接。

作为另一种优选的实施方式，所述第五氧化铝基片上设有供加热器引线穿过的加热器通孔和用于接入加热电压的加热器引脚，加热器引线穿过加热器通孔后与所述加热器引脚连接。