專(zhuān)利名稱(chēng)：一種平板式氧傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種汽車(chē)用氧傳感器芯片結(jié)構(gòu)及其制備方法，尤其涉及到一種以 5%moIY2O3摻雜的ZrO2為固體電解質(zhì)的平板式氧傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
氧傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管或排氣尾管中，用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中剩余氧氣濃度，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)氧傳感器所提供的信號(hào)閉環(huán)控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的空燃比，使之達(dá)到恒定的14. 7，從而使三元催化劑最有效地降低汽車(chē)排氣中一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物的成分，將尾氣中的有害氣體轉(zhuǎn)換為二氧化碳、氮?dú)狻⑺?。氧傳感器是利用氧化鋯的高溫氧離子傳導(dǎo)特性與Pt電極的催化特性制備而成。 傳統(tǒng)的平板式氧傳感器由三層氧化鋯電解質(zhì)疊合而成，上層氧化鋯電解質(zhì)正面印刷信號(hào)電極；反面印刷參考電極、中層氧化鋯固體電解質(zhì)帶有空腔，用于向參考電極引入空氣；下層氧化鋯電解質(zhì)上印刷加熱器，用于給傳感器加熱，使其達(dá)到正常工作時(shí)溫度(300°C以上)。 當(dāng)氧傳感器處于濃燃燒的尾氣環(huán)境中時(shí)，尾氣中過(guò)量的一氧化碳與殘余氧氣在傳感器信號(hào)電極上發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳，使傳感器信號(hào)電極上幾乎不存在氧氣，此時(shí)信號(hào)電極與參考電極兩側(cè)的氧氣濃度梯度非常大，氧傳感器產(chǎn)生一個(gè)較高的電壓信號(hào)(IV左右)；當(dāng)氧傳感器處于稀薄燃燒的尾氣環(huán)境中時(shí)，信號(hào)電極測(cè)有很多氧氣，此時(shí)信號(hào)電極與參考電極兩側(cè)的氧氣濃度梯度小，氧傳感器產(chǎn)生一個(gè)較低的電壓信號(hào)(0V左右)。根據(jù)氧傳感器的輸出信號(hào)(高電勢(shì)、低電勢(shì))，就能反映發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀態(tài)。傳統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)的平板式氧傳感器，由于有參考空腔的存在，三層疊合的時(shí)候不適合用等靜壓的方法實(shí)現(xiàn)，只能在層間印刷黏結(jié)劑后采用機(jī)械疊壓，層間疊合的時(shí)候，中層的空腔容易變形，堵塞參考空氣通道。黏結(jié)劑的印刷，會(huì)使得氧化鋯生瓷片在烘干的過(guò)程中收縮變形，影響上、中、下三層的對(duì)位精度。此種平板式氧傳感器工藝復(fù)制備工藝復(fù)雜，芯片彎曲強(qiáng)度偏低導(dǎo)致芯片裝配成品率低，壽命短，批量化生產(chǎn)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量穩(wěn)定、同時(shí)能增強(qiáng)氧傳感器陶瓷片彎曲強(qiáng)度、提高產(chǎn)品成品率、批量化生產(chǎn)成本低的平板式氧傳感器及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種平板式氧傳感器，包括由七層厚度為O. 2-0. 25mm的氧化鋯陶瓷生片制備而成的傳感器芯片，傳感器芯片從上往下依次為第一層陶瓷生片與第二層陶瓷生片組成的信號(hào)功能層、第三層陶瓷生片與第四層陶瓷生片和第五層陶瓷生片組成的參考通道功能層，第六層陶瓷生片與第七層陶瓷生片組成的加熱功能層，第一層陶瓷生片的上表面上設(shè)置有外電極和信號(hào)電極引腳，外電極上設(shè)置有多孔保護(hù)層，信號(hào)電極引腳上設(shè)置有引線保護(hù)層，第二層陶瓷生片和第三層陶瓷生片之間設(shè)置有參考電極，第五層陶瓷生片和第六層陶瓷生片之間設(shè)置有加熱器，加熱器上、下分別設(shè)置加熱器上絕緣層、加熱器下絕緣層，加熱器上連接有加熱電極引腳。第三層陶瓷生片上設(shè)置有參考通道，參考電極設(shè)置在參考通道內(nèi)，參考通道內(nèi)還設(shè)置有參考通道填充條。參考通道填充條的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物。第六層陶瓷生片與第七層陶瓷生片上設(shè)置有加熱電極導(dǎo)通小孔，加熱電極引腳通過(guò)加熱電極導(dǎo)通小孔引出。第一層陶瓷生片與第二層陶瓷生片上設(shè)置有信號(hào)電極導(dǎo)通小孔，信號(hào)電極引腳通過(guò)信號(hào)電極導(dǎo)通小孔引出。一種平板式氧傳感器的制備方法，包括如下步驟
(1)陶瓷生片的制備
選取比表面積為5-8m2/g、摻雜5%molY203的超細(xì)氧化鋯粉，以氧化鋯質(zhì)量為基準(zhǔn)，向其中添加16-22%有機(jī)溶劑；1-3%分散劑；3-8%的塑化劑；3_10%黏結(jié)劑球磨混合30-40小時(shí)后得到均勻穩(wěn)定的流延漿料，將流延漿料制備成厚度O. 2-0. 25mm的陶瓷生片；
(2)陶瓷生片的定型
在第一層陶瓷生片和第二層陶瓷生片上沖一組2-4個(gè)直徑O. 1-0. 2mm的圓形小孔；第六層陶瓷生片和第七層陶瓷生片上沖兩組2-4個(gè)直徑O. 1-0. 2mm的圓形小孔；第三層陶瓷生片上中間用激光切割一個(gè)尾部敞開(kāi)的長(zhǎng)槽作為參考通道；
(3)陶瓷生片的印刷
生瓷片第一層陶瓷生片、第二層陶瓷生片、第六層陶瓷生片和第七層陶瓷生片正、反兩面印刷直徑Imm的圓形貴金屬Pt漿料；第一層陶瓷生片的正面依次印刷外電極、信號(hào)電極引腳、多孔保護(hù)層、引線保護(hù)層，第二層陶瓷生片的反面印刷參考電極，第六層陶瓷生片正面依次印刷加熱電極下絕緣層、加熱電極、加熱電極上絕緣層，第七層陶瓷生片反面印刷加熱電極引腳，生瓷片上的每次印刷過(guò)程完成后，均在70-80°C環(huán)境下烘烤20-30分鐘；
(4)陶瓷生片的疊壓
用輔助對(duì)位夾具將印刷完成后的第一層至第七層陶瓷生片從下由上依次對(duì)位疊合起來(lái)，疊壓時(shí)將參考通道內(nèi)填入?yún)⒖纪ǖ捞畛錀l，參考通道填充條的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物，疊合好的陶瓷生片四周焊接起來(lái)真空塑封，放入等靜壓機(jī)中在70-80°C、20-25Mp的壓力下持續(xù)熱壓20-30分鐘后取出；
(5)傳感器的燒結(jié)
疊壓后的陶瓷生片在高溫?zé)Y(jié)爐中從室溫以10_15°C /hr的升溫速率升到600°C脫脂 1-2個(gè)小時(shí)，然后以60-300°C /hr的升溫速率升到1450_1500°C燒結(jié)1_2個(gè)小時(shí)，冷卻出爐后即為氧傳感器芯片。有益效果1、本發(fā)明相比于專(zhuān)利號(hào)為200710051946. O名稱(chēng)為《平板式氧傳感器芯片的制造方法》的授權(quán)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)中介紹的三層O. 45mm氧化鋯陶瓷生片疊合的方式而言，本發(fā)明中的氧傳感器制備工藝采用七層O. 2-0. 25_的氧化鋯陶瓷生帶疊合在一起。氧化鋯陶瓷生片厚度的降低有助于均均勻化陶瓷生片制備過(guò)程中的缺陷，提高陶瓷生片的強(qiáng)度；其次陶瓷生片厚度降低后有助于加快陶瓷生片在流延成型時(shí)的烘干速度，提高陶瓷生片的生產(chǎn)效率；
2、本發(fā)明中的氧傳感器各層陶瓷生片采用溫等靜壓的方式疊合，相比于常規(guī)的機(jī)械方式疊合而言，一者等靜壓的壓力比機(jī)械疊壓的壓力高出數(shù)百倍，壓力的增強(qiáng)會(huì)消除生瓷片內(nèi)的微孔，提高各層陶瓷生片的致密度，提高燒結(jié)后氧傳感器的強(qiáng)度，還可以有效防止燒結(jié)過(guò)程中層間開(kāi)裂的問(wèn)題。二者等靜壓設(shè)備對(duì)溫度與壓力的控制更加精確，采用等靜壓方式可以有效降低產(chǎn)品制備的工藝誤差，提高氧傳感器成品的一致性；
3、為了防止各層生瓷片在等靜壓的過(guò)程中由于參考空腔的存在而產(chǎn)生塌陷，本發(fā)明氧傳感器制備方法中采用一種碳粉與樹(shù)脂類(lèi)的混合物薄片來(lái)填充傳感器的參考通道，該薄片采用流延成型的方式、厚度為O. 25mm、且在600°C _800°C左右全部揮發(fā)，不會(huì)殘留在傳感器內(nèi)部而堵塞參考通道；
4、傳感器信號(hào)電極與加熱電極的層間導(dǎo)通孔采用O.1-0. 2mm的小孔，通過(guò)印刷一個(gè) Imm的圓形貴金屬圖案覆蓋在小孔上面來(lái)實(shí)現(xiàn)不同層間電極的導(dǎo)通問(wèn)題,相對(duì)于傳統(tǒng)Imm 的小孔采用手動(dòng)涂孔或者灌孔的方式而言，以小孔印刷方式實(shí)現(xiàn)層間更加高效、穩(wěn)定、且節(jié)省貴金屬漿料。


圖I為本發(fā)明平板式氧傳感器結(jié)構(gòu)的展開(kāi)示意圖2為傳感器芯片彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)曲線圖3為傳感器加熱效率測(cè)試曲線圖4為傳感器相應(yīng)時(shí)間測(cè)試曲線圖5為傳感器臺(tái)架測(cè)試曲線圖。圖中1一多孔保護(hù)層、2—引線保護(hù)層、3—外電極、4一信號(hào)電極引腳、5—信號(hào)電極導(dǎo)通小孔、6—參考電極、7—參考通道填充條、8—參考通道、9 一加熱器上絕緣層、10—加熱器、11 一加熱器下絕緣層、12—加熱電極導(dǎo)通小孔、13—加熱電極引腳、14 一第一層陶瓷生片、15—第二層陶瓷生片、16—第三層陶瓷生片、17—第四層陶瓷生片、18—第五層陶瓷生片、19一第六層陶瓷生片、20第七層陶瓷生片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
一種平板式氧傳感器，包括由七層厚度為O. 2-0. 25mm的氧化鋯陶瓷生片制備而成的傳感器芯片，傳感器芯片從上往下依次為第一層陶瓷生片14與第二層陶瓷生片15組成的信號(hào)功能層、第三層陶瓷生片16與第四層陶瓷生片17和第五層陶瓷生片18組成的參考通道功能層，第六層陶瓷生片19與第七層陶瓷生片20組成的加熱功能層，第一層陶瓷生片14 的上表面上設(shè)置有外電極3和信號(hào)電極引腳4，外電極3上設(shè)置有多孔保護(hù)層1，信號(hào)電極引腳4上設(shè)置有引線保護(hù)層2，第二層陶瓷生片15和第三層陶瓷生片16之間設(shè)置有參考電極6，第五層陶瓷生片18和第六層陶瓷生片19之間設(shè)置有加熱器10，加熱器10上、下分別設(shè)置加熱器上絕緣層9、加熱器下絕緣層11，加熱器10上連接有加熱電極引腳13。第三層陶瓷生片16上設(shè)置有參考通道8，參考電極6設(shè)置在參考通道8內(nèi)，參考通道8內(nèi)還設(shè)置有參考通道填充條7。參考通道填充條7的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物。第六層陶瓷生片19與第七層陶瓷生片20上設(shè)置有加熱電極導(dǎo)通小孔12，加熱電極引腳13通過(guò)加熱電極導(dǎo)通小孔12引出。第一層陶瓷生片14與第二層陶瓷生片15上設(shè)置有信號(hào)電極導(dǎo)通小孔5，信號(hào)電極引腳4通過(guò)信號(hào)電極導(dǎo)通小孔5引出。平板式氧傳感器的制備方法，包括如下步驟
(1)陶瓷生片的制備
選取比表面積為5-8m2/g、摻雜5%molY203的超細(xì)氧化鋯粉，以氧化鋯的質(zhì)量為基準(zhǔn)，向其中添加16-22%有機(jī)溶劑；1_3%分散劑；3-8%的塑化劑；3_10%黏結(jié)劑球磨混合24-30小時(shí)后得到均勻穩(wěn)定的流延漿料，將流延漿料制備成厚度O. 2-0. 25mm的陶瓷生片；
(2)陶瓷生片的定型
在第一層陶瓷生片14和第二層陶瓷生片15上沖一組2-4個(gè)直徑O. 1-0. 2mm的圓形小孔；第六層陶瓷生片19和第七層陶瓷生片20上沖兩組2-4個(gè)直徑O. 1-0. 2mm的圓形小孔； 第三層陶瓷生片16上中間用激光切割一個(gè)尾部敞開(kāi)的長(zhǎng)槽作為參考通道8 ；
(3)陶瓷生片的印刷
生瓷片第一層陶瓷生片14、第二層陶瓷生片15、第六層陶瓷生片19和第七層陶瓷生片 20正、反兩面印刷直徑Imm的圓形貴金屬Pt漿料；第一層陶瓷生片14的正面依次印刷外電極3、信號(hào)電極引腳4、多孔保護(hù)層I、引線保護(hù)層2，第二層陶瓷生片15的反面印刷參考電極6，第六層陶瓷生片19正面依次印刷加熱電極下絕緣層11、加熱電極10、加熱電極上絕緣層9，第七層陶瓷生片20反面印刷加熱電極引腳13，生瓷片上的每次印刷過(guò)程完成后，均在70-80°C環(huán)境下烘烤20-30分鐘；
(4)陶瓷生片的疊壓
用輔助對(duì)位夾具將印刷完成后的第一層至第七層陶瓷生片從下由上依次對(duì)位疊合起來(lái)，疊壓時(shí)將參考通道8內(nèi)填入?yún)⒖纪ǖ捞畛錀l7，參考通道填充條7的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物疊合好的陶瓷生片四周焊接起來(lái)真空塑封，放入等靜壓機(jī)中在70-80°C、20-25Mp 的壓力下持續(xù)熱壓20-30分鐘后取出；
(5)、傳感器的燒結(jié)
疊壓后的陶瓷生片在高溫?zé)Y(jié)爐中從室溫以10_15°C /hr的升溫速率升到600°C脫脂 1-2個(gè)小時(shí)，然后以60-300°C /hr的升溫速率升到1450_1500°C燒結(jié)1_2個(gè)小時(shí)，冷卻出爐后即為氧傳感器芯片。實(shí)施例I
步驟一陶瓷生片的制備
將80ml乙醇與80ml甲苯的混合溶液作為有機(jī)溶劑；15g魚(yú)油作為分散劑加入球磨罐中，用聚四氟乙烯棒將三者攪勻；稱(chēng)取IKg比表面積為5m2/g、摻雜5%molY203的超細(xì)氧化鋯粉加入球磨罐中球磨10小時(shí)；然后將50g的聚乙二醇作為塑化劑；25g聚乙烯醇與25g乙基纖維素的混合物作為黏結(jié)劑添加入球磨罐中球磨14小時(shí)。將混合后的漿料進(jìn)行脫泡、流延成厚度O. 25mm的陶瓷生片。步驟二 陶瓷生片的定型
在第一層陶瓷生片和第二層陶瓷生片上沖一組4個(gè)直徑O. 2mm的圓形小孔，4個(gè)小孔呈十字對(duì)稱(chēng)排列且位于直徑Imm的圓形區(qū)域內(nèi)；第六層陶瓷生片和第七層陶瓷生片上沖兩組 4個(gè)直徑O. 2mm的圓形小孔，4個(gè)小孔呈十字對(duì)稱(chēng)排列且位于直徑Imm的圓形區(qū)域內(nèi)；第三層陶瓷生片中間用激光切割一個(gè)尾部敞開(kāi)的長(zhǎng)槽；
步驟三陶瓷生片的印刷
在具有導(dǎo)通孔的生瓷片(第一、二、六、七層生瓷片)正反兩面印刷直徑1_的圓形貴金屬Pt漿料，即導(dǎo)通孔的金屬化工藝，該圖案要求完全覆蓋導(dǎo)通孔；第一層陶瓷生片的正面依次印刷信號(hào)外電極3 (印刷漿料為多孔電極Pt漿料)、信號(hào)外電極引線保護(hù)層2 (印刷漿料為ZrO2黏結(jié)劑漿料)、傳感器保護(hù)層I (印刷漿料為氧化鋁、碳粉、鎂鋁尖晶石的混合物漿料);第二層陶瓷生片的反面印刷參考電極6 (印刷漿料為多孔電極Pt漿料);第六層陶瓷生片的正面依次印刷加熱電極下絕緣層11 (印刷漿料為Al2O3絕緣漿料)、加熱電極10 (印刷漿料為電阻Pt漿料)、加熱電極上絕緣層9 (印刷漿料為Al2O3絕緣漿料)；第七層陶瓷生片的反面印刷加熱電極引腳13(印刷漿料為電阻Pt漿料)。陶瓷生片上的每次印刷過(guò)程完成后，均在75 °C環(huán)境下烘烤25分鐘；
步驟四陶瓷生片的疊壓
用輔助對(duì)位夾具將印刷完成后的第一層至第七層陶瓷生片從下由上依次對(duì)位疊合起來(lái)，疊壓時(shí)將參考通道8內(nèi)填入?yún)⒖纪ǖ捞畛錀l7，參考通道填充條7的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物。疊合好的陶瓷生片四周焊接起來(lái)真空塑封，放入等靜壓機(jī)中在70°C、21Mp的壓力下持續(xù)熱壓20分鐘后取出；
步驟五傳感器的燒結(jié)
疊壓后的陶瓷生片在高溫?zé)Y(jié)爐中從室溫以10°C /hr的升溫速率升到600°C脫脂I個(gè)小時(shí)，然后分別以60°C /hr的升溫速率升到800°C，以300°C /hr的升溫速率升到1450°C燒結(jié)I. 5個(gè)小時(shí)，冷卻出爐后得到氧傳感器芯片。實(shí)施例2
步驟一陶瓷生片的制備
將IOOml乙醇與IOOml 二甲苯的混合溶液作為有機(jī)溶劑；20g魚(yú)油作為分散劑加入球磨罐中，用聚四氟乙烯棒將三者攪勻；稱(chēng)取IKg比表面積為6m2/g、摻雜5%molY203的超細(xì)氧化鋯粉加入球磨罐中球磨10小時(shí)；然后將60g的鄰苯二甲酸丁卞脂作為塑化劑；80g聚乙烯醇縮丁醛作為黏結(jié)劑添加入球磨罐中球磨16小時(shí)。將混合后的漿料進(jìn)行脫泡、流延成厚度O. 25mm的陶瓷生片；
步驟二 陶瓷生片的定型
在第一層陶瓷生片和第二層陶瓷生片上沖一組3個(gè)直徑O. 15mm的圓形小孔，3個(gè)小孔呈三角形對(duì)稱(chēng)排列且位于直徑Imm的圓形區(qū)域內(nèi)；第六層陶瓷生片和第七層陶瓷生片上沖兩組3個(gè)直徑O. 15mm的圓形小孔，3個(gè)小孔呈三角形對(duì)稱(chēng)排列且位于直徑Imm的圓形區(qū)域內(nèi)；第三層陶瓷生片中間用激光切割一個(gè)尾部敞開(kāi)的長(zhǎng)槽；
步驟三陶瓷生片的印刷同實(shí)施例I中步驟三；
步驟四陶瓷生片的疊壓
用輔助對(duì)位夾具將印刷完成后的第一層至第七層陶瓷生片從下由上依次對(duì)位疊合起來(lái)，疊壓時(shí)將參考通道8內(nèi)填入?yún)⒖纪ǖ捞畛錀l7，參考通道填充條7的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物。疊合好的陶瓷生片四周焊接起來(lái)真空塑封，放入等靜壓機(jī)中在70°C、23Mp的壓力下持續(xù)熱壓25分鐘后取出；
8步驟五傳感器的燒結(jié)
疊壓后的陶瓷生片在高溫?zé)Y(jié)爐中從室溫以13°C /hr的升溫速率升到600°C脫脂I. 5 個(gè)小時(shí)，然后分別以70 V /hr的升溫速率升到800°C，以200°C /hr的升溫速率升到1250°C， 以80°C /hr的升溫速率升到1480°C燒結(jié)2個(gè)小時(shí)，冷卻出爐后得到氧傳感器芯片。實(shí)施例3
步驟一陶瓷生片的制備
將220ml 二甲苯作為有機(jī)溶劑；22g磷脂酸作為分散劑加入球磨罐中，用聚四氟乙烯棒將三者攪勻；稱(chēng)取IKg比表面積為7m2/g、摻雜5%molY203的超細(xì)氧化鋯粉加入球磨罐中球磨10小時(shí)；然后將30g鄰苯二甲酸丁卞脂與30g聚醚類(lèi)合成潤(rùn)滑油的混合物作為塑化劑； 80g聚醋酸乙烯脂作為黏結(jié)劑添加入球磨罐中球磨18小時(shí)。將混合后的漿料進(jìn)行脫泡、流延成厚度O. 25mm的陶瓷生片；
步驟二 陶瓷生片的定型
在第一層陶瓷生片和第二層陶瓷生片上沖一組2個(gè)直徑O. 15mm的圓形小孔，2個(gè)小孔位于直徑Imm的圓形區(qū)域內(nèi)；第六層陶瓷生片和第七層陶瓷生片上沖兩組2個(gè)直徑O. 15mm 的圓形小孔，2個(gè)小孔位于直徑Imm的圓形區(qū)域內(nèi)；第三層陶瓷生片中間用激光切割一個(gè)尾部敞開(kāi)的長(zhǎng)槽；
步驟三陶瓷生片的印刷同實(shí)施例I中步驟三；
步驟四陶瓷生片的疊壓同實(shí)施例2中步驟四；
步驟五傳感器的燒結(jié)
疊壓后的陶瓷生片在高溫?zé)Y(jié)爐中從室溫以15°C /hr的升溫速率升到600°C脫脂2個(gè)小時(shí)，然后分別以100°C /hr的升溫速率升到800°C，以200°C /hr的升溫速率升到1250°C， 以150°C /hr的升溫速率升到1500°C燒結(jié)I. 5個(gè)小時(shí)，冷卻出爐后得到氧傳感器芯片。實(shí)施例4
步驟一陶瓷生片的制備
將90ml乙醇與90ml甲苯的混合溶液作為有機(jī)溶劑；IOg魚(yú)油作為分散劑加入球磨罐中，用聚四氟乙烯棒將三者攪勻；稱(chēng)取IKg比表面積為8m2/g、摻雜5%molY203的超細(xì)氧化鋯粉加入球磨罐中球磨10小時(shí)；然后將80g的聚乙二醇作為塑化劑；35g聚乙烯醇與35g乙基纖維素的混合物作為黏結(jié)劑添加入球磨罐中球磨20小時(shí)。將混合后的漿料進(jìn)行脫泡、流延成厚度O. 25mm的陶瓷生片；
步驟二 陶瓷生片的定型同實(shí)施例I中步驟二；
步驟三陶瓷生片的印刷
印刷步驟同實(shí)施例I中步驟三，陶瓷生片上的每次印刷過(guò)程完成后，均在70°C環(huán)境下烘烤20分鐘；
步驟四陶瓷生片的疊壓
用輔助對(duì)位夾具將印刷完成后的第一層至第七層陶瓷生片從下由上依次對(duì)位疊合起來(lái)，疊壓時(shí)將參考通道8內(nèi)填入?yún)⒖纪ǖ捞畛錀l7，參考通道填充條7的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物。疊合好的陶瓷生片四周焊接起來(lái)真空塑封，放入等靜壓機(jī)中在70°C、25Mp的壓力下持續(xù)熱壓20分鐘后取出；
步驟五傳感器的燒結(jié)
疊壓后的陶瓷生片在高溫?zé)Y(jié)爐中從室溫以11°C /hr的升溫速率升到600°C脫脂I. 5 小時(shí)，然后以200°C /hr的升溫速率升到1470°C燒結(jié)I. 5小時(shí)，冷卻出爐后得到氧傳感器芯片。實(shí)施例5
步驟一陶瓷生片的制備
將IlOml乙醇與IlOml 二甲苯的混合溶液作為有機(jī)溶劑；30g魚(yú)油作為分散劑加入球磨罐中，用聚四氟乙烯棒將三者攪勻；稱(chēng)取IKg比表面積為6m2/g、摻雜5%molY203的超細(xì)氧化鋯粉加入球磨罐中球磨12小時(shí)；然后將70g的鄰苯二甲酸丁卞脂作為塑化劑；100g聚乙烯醇作為黏結(jié)劑添加入球磨罐中球磨14小時(shí)。將混合后的漿料進(jìn)行脫泡、流延成厚度
0.25mm的陶瓷生片；
步驟二 陶瓷生片的定型同實(shí)施例3中步驟二；
步驟三陶瓷生片的印刷
印刷次序同實(shí)施例I中步驟三，陶瓷生片上的每次印刷過(guò)程完成后，均在80°C環(huán)境下烘烤30分鐘；
步驟四陶瓷生片的疊壓
用輔助對(duì)位夾具將印刷完成后的第一層至第七層陶瓷生片從下由上依次對(duì)位疊合起來(lái)，疊壓時(shí)將參考通道8內(nèi)填入?yún)⒖纪ǖ捞畛錀l7，參考通道填充條7的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物。疊合好的陶瓷生片四周焊接起來(lái)真空塑封，放入等靜壓機(jī)中在80°C、25Mp的壓力下持續(xù)熱壓30分鐘后取出；
步驟五傳感器的燒結(jié)
疊壓后的陶瓷生片在高溫?zé)Y(jié)爐中從室溫以15°C /hr的升溫速率升到600°C脫脂2小時(shí)，然后以300°C /hr的升溫速率升到1480°C燒結(jié)2個(gè)小時(shí)，冷卻出爐后得到氧傳感器芯片。對(duì)本發(fā)明中實(shí)施例I的氧傳感器做如下測(cè)試考核其性能
I、傳感器芯片的機(jī)械性能
將制備好的傳感器芯片置于測(cè)試夾具上，使陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)以O(shè). 2N/s的速度向陶瓷芯片中心位置均勻施加載荷，記錄陶瓷芯片斷裂時(shí)的最大載荷F，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。將陶瓷芯片的幾何參數(shù)彎曲力臂L :60mm、陶瓷芯片寬度b 4. 2mm、陶瓷芯片厚度d
Otrt
1.2mm、及最大載荷F :45. 9N代入G = 中得傳感器芯片彎曲強(qiáng)度σ為683Mpa。
DO^2、傳感器加熱效率
將氧傳感器放置在常溫空氣中，給傳感器的加熱器施加13. 5V加熱電壓，用K型熱電偶檢測(cè)檢測(cè)傳感器上表面溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，當(dāng)傳感器加熱器接通以后，11. 3秒后傳感器上表面溫度達(dá)到300°C，此溫度下氧化鋯陶瓷具有氧離子導(dǎo)通能力。考慮到傳感器溫度的散失，此實(shí)驗(yàn)說(shuō)明本專(zhuān)利中制備的氧傳感器在加熱器接通11 秒之內(nèi)，傳感器可以進(jìn)入工作狀態(tài)。3、傳感器起燃時(shí)間
將傳感器安裝在自制的測(cè)試腔體中，測(cè)試腔體中通入恒定1%的CO氣體(N2稀釋)， 并給傳感器的加熱器施加13. 5V加熱電壓，用數(shù)據(jù)采集卡監(jiān)測(cè)傳感器兩信號(hào)電極之間的電勢(shì)隨時(shí)間的變化關(guān)系。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，當(dāng)傳感器加熱器未施加電壓時(shí)，傳感器的輸出電勢(shì)為OmV ；當(dāng)傳感器施加13. 5V加熱電壓后，傳感器輸出電勢(shì)迅速上升，8. 7秒后達(dá)到 600mV。此實(shí)驗(yàn)說(shuō)明本專(zhuān)利中的制備的氧傳感器其起燃時(shí)間在8秒左右。4、傳感器臺(tái)架測(cè)試
將傳感器芯片封裝完全以后，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上測(cè)試其輸出信號(hào)。傳感器的兩根加熱線與兩根信號(hào)線均接入發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，使發(fā)動(dòng)機(jī)ECU與氧傳感器進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài)，另用數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)傳感器兩信號(hào)線之間的電勢(shì)變化關(guān)系。測(cè)試結(jié)果如下圖5所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟后傳感器預(yù)熱后與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài)，傳感器的輸出電勢(shì)在O到IV之間呈正弦波趨勢(shì)變化，平均高電勢(shì)為775mV、平均低電勢(shì)為80mV。高電勢(shì)與低電勢(shì)差值大于650mV，發(fā)動(dòng)機(jī) ECU對(duì)氧傳感器高低電勢(shì)分辨率高。從以上的測(cè)試中可以看出，本發(fā)明的氧傳感器強(qiáng)度高、升溫速率快、起燃時(shí)間短、 臺(tái)架測(cè)試信號(hào)分辨率高，滿(mǎn)足車(chē)載條件。采用本發(fā)明中生產(chǎn)工藝的汽車(chē)用氧傳感器產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平。
權(quán)利要求
1.一種平板式氧傳感器，包括由七層厚度為O. 2-0. 25mm的氧化鋯陶瓷生片制備而成的傳感器芯片，其特征在于所述傳感器芯片從上往下依次為第一層陶瓷生片(14)與第二層陶瓷生片(15)組成的信號(hào)功能層、第三層陶瓷生片(16)與第四層陶瓷生片(17)和第五層陶瓷生片(18)組成的參考通道功能層，第六層陶瓷生片(19)與第七層陶瓷生片(20)組成的加熱功能層，第一層陶瓷生片(14)的上表面上設(shè)置有外電極(3)和信號(hào)電極引腳(4)， 外電極(3)上設(shè)置有多孔保護(hù)層(1)，信號(hào)電極引腳(4)上設(shè)置有引線保護(hù)層(2)，第二層陶瓷生片(15)和第三層陶瓷生片(16)之間設(shè)置有參考電極(6)，第五層陶瓷生片(18)和第六層陶瓷生片(19)之間設(shè)置有加熱器(10)，加熱器(10)上、下分別設(shè)置加熱器上絕緣層(9)、 加熱器下絕緣層(11 )，加熱器(10)上連接有加熱電極引腳(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平板式氧傳感器，其特征在于所述第三層陶瓷生片(16)上設(shè)置有參考通道(8 )，所述參考電極(6 )設(shè)置在參考通道(8 )內(nèi)，參考通道(8 )內(nèi)還設(shè)置有參考通道填充條(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平板式氧傳感器，其特征在于所述參考通道填充條(7)的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平板式氧傳感器，其特征在于所述第六層陶瓷生片(19)與第七層陶瓷生片(20)上設(shè)置有加熱電極導(dǎo)通小孔(12)，加熱電極引腳(13)通過(guò)加熱電極導(dǎo)通小孔(12)引出。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平板式氧傳感器，其特征在于所述第一層陶瓷生片(14)與第二層陶瓷生片(15)上設(shè)置有信號(hào)電極導(dǎo)通小孔(5)，信號(hào)電極引腳(4)通過(guò)信號(hào)電極導(dǎo)通小孔(5)引出。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求I所述的平板式氧傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)陶瓷生片的制備選取比表面積為5-8m2/g、摻雜5%molY203的超細(xì)氧化鋯粉，以氧化鋯的質(zhì)量為基準(zhǔn)，向其中添加16-22%有機(jī)溶劑；1_3%分散劑；3-8%的塑化劑；3_10%黏結(jié)劑球磨混合24-30小時(shí)后得到均勻穩(wěn)定的流延漿料，將流延漿料制備成厚度O. 2-0. 25mm的陶瓷生片；(2)陶瓷生片的定型在第一層陶瓷生片(14)和第二層陶瓷生片(15)上沖一組2-4個(gè)直徑O. 1-0. 2mm的圓形小孔；第六層陶瓷生片(19)和第七層陶瓷生片(20)上沖兩組2-4個(gè)直徑O. 1-0. 2mm的圓形小孔；第三層陶瓷生片(16)上中間用激光切割一個(gè)尾部敞開(kāi)的長(zhǎng)槽作為參考通道(8)；(3)陶瓷生片的印刷生瓷片第一層陶瓷生片(14)、第二層陶瓷生片(15)、第六層陶瓷生片(19)和第七層陶瓷生片(20)正、反兩面印刷直徑Imm的圓形貴金屬Pt漿料；第一層陶瓷生片(14)的正面依次印刷外電極(3)、信號(hào)電極引腳(4)、多孔保護(hù)層(I)、引線保護(hù)層(2)，第二層陶瓷生片(15)的反面印刷參考電極(6)，第六層陶瓷生片(19)正面依次印刷加熱電極下絕緣層(11)、加熱電極(10)、加熱電極上絕緣層(9)，第七層陶瓷生片(20)反面印刷加熱電極引腳(13)，生瓷片上的每次印刷過(guò)程完成后，均在70-80°C環(huán)境下烘烤20-30分鐘；(4)陶瓷生片的疊壓用輔助對(duì)位夾具將印刷完成后的第一層至第七層陶瓷生片從下由上依次對(duì)位疊合起來(lái)，疊壓時(shí)將參考通道(8)內(nèi)填入?yún)⒖纪ǖ捞畛錀l(7)，參考通道填充條(7)的材料為碳粉與樹(shù)脂的混合物，疊合好的陶瓷生片四周焊接起來(lái)真空塑封，放入等靜壓機(jī)中在70-80°C、 20-25Mp的壓力下持續(xù)熱壓20-30分鐘后取出；(5)傳感器的燒結(jié)疊壓后的陶瓷生片在高溫?zé)Y(jié)爐中從室溫以10_15°C /hr的升溫速率升到600°C脫脂 1-2個(gè)小時(shí)，然后以60-300°C /hr的升溫速率升到1450_1500°C燒結(jié)1_2個(gè)小時(shí)，冷卻出爐后即為氧傳感器芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種平板式氧傳感器及制備方法，包括由七層厚度為0.2-0.25mm的氧化鋯陶瓷生片制備成的傳感器芯片，芯片從上往下依次為第一層與第二層陶瓷生片組成的信號(hào)功能層、第三層與第四層和第五層陶瓷生片組成的參考通道功能層，第六層與第七層陶瓷生片組成的加熱功能層，第一層陶瓷生片的上表面上設(shè)置外電極和信號(hào)電極引腳,外電極上設(shè)置多孔保護(hù)層，信號(hào)電極引腳上設(shè)置引線保護(hù)層，第二層和第三層陶瓷生片之間設(shè)置參考電極，第五層和第六層陶瓷生片之間設(shè)置加熱器，加熱器上、下分別設(shè)置加熱器上、下絕緣層，加熱器上連接加熱電極引腳。制備方法包括陶瓷生片的制備、定型、印刷、疊壓以及傳感器的燒結(jié)。
文檔編號(hào)G01N27/409GK102608193SQ20121010421
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者倪銘, 尹亮亮, 張華 , 王建, 邵興隆 申請(qǐng)人:無(wú)錫隆盛科技有限公司