专利名称：一种氮氧化物传感器芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氮氧化物传感器芯片，尤其涉及一种以钇稳定化二氧化锆为电解 质的平板式氮氧化物传感器芯片，属于汽车尾气控制系统领域。。
背景技术：
随着世界范围内能源危机的目益加剧、排放法规的日益严格，内燃机的节油和排 放问题越来越受到人们的关注。各个国家和地区都重新制定了新的汽车燃油经济法规，对 汽车尾气中氮氧化物等的排放量的限制也越来越严格，氮氧化物传感器一直是车用传感器 领域里的研究热点，由于车用氮氧化物传感器必须在发动机工作环境中工作，氮氧化物传 感器必须具有以下3项功能(1)由于发动机燃烧及其尾气排放温度较高，氮氧化物传感器必须能够在较高的温度 下工作；(2)要求氮氧化物传感器材料能够经受_20°C—900°C的经常性的温度突变的冲击；(3)对尾气中的氮氧化物分压变化能作出快速的响应和恢复，且重复性、稳定性要好。图1所示为原来的氮氧化物传感器芯片的剖面图，整个芯片由六层致密氧化锆 UrO2)质的基片叠合而成，由上至下分别表示为如图所示的&02-l，Zr02-2，Zr02-3，Zr02-4， &02-5，Zr02-6。芯片的工作原理为待测尾气由通路IA进入空腔2A中，在氧引排元件(由 电极3A、电极4A和基片&02-1组成)的作用下，将空腔2A内的氧气引排到腔外，氧敏元件 (由电极5A、电极IOA和基片&02-3组成)检测出腔内的氧气浓度反馈给氧引排元件，二 者协调动作，直至使空腔2A内的氧气浓度调节为一个定值。空腔2A内的气体又经过通路 6A进入空腔8A中，此时通过检测元件(由电极7A、电极12A和&02_3组成)即可检测出空 腔8A中的氮氧化物的浓度。空腔IlA为标准气体室，与空气相连通。电极9A为加热电极。 其中电极7A为能使氮氧化物分解的活化电极，而电极4A和电极5A均为添加金的非活化电 极。此氮氧化物传感器虽然可以实现测定氮氧化物浓度的功能，但是由于金的熔点为 1064°C，而氧化锆基片的烧结温度高达1400—1600°C，这样在烧结过程中金挥发会使活性 电极受到污染。专利号为JP09171015的发明内容为为了防止烧结过程中非活化电极中金挥发 污染活化电极，将主体部分和引排元件部分开制作，各自烧结成型，然后再合二为一。图 2所示为该发明的结构分解图，图中&02-1，Zr02-2, Zr02-3, Zr02-4, Zr02-5, Zr02-7表示的 是编号为1，2，3，4，5，7的致密氧化锆(ZrO2)基片；Al203_6表示的是编号为6的致密氧化铝 (Al2O3)质的基片。该氮氧化物传感器由与空气连通的标准气体室7B、取样气体室5B、检测元件 (Zr02-4、电极6B和与6B相对的电极6' B)、引排元件1. IB及加热元件(Al203_6和&02_7) 构成。所有的基体中除了 Al203-6为致密氧化铝质外，其余的材质均为致密氧化锆质。待 测尾气由取样气体扩散电阻层3B扩散进入传感器，引排元件1. IB将气体中的氧气排到传感器外部。气体再经过小孔4B进入取样气气体室5B，电极6B与气体取样室内的气体接触， 电极6' B与标准气体室内的气体接触，将电极6B和电极6' B用导线连接通过测量流过 电路的电流大小即可反映出尾气中氮氧化物气体的浓度。该氮氧化物传感器中电极6B为活化电极，而电极2' B为含金的非活化的电极。 由于金的熔点为1064°C，而固体电解质氧化锆的烧结温度高达1400— 1600°C，为了防止烧 结过程中金的挥发对活化电极造成污染，先将引排部分1. IB和主体部分(除引排部分外的 其他部分)单独烧结，然后再用黏结剂IB将两部分粘合成一体烧结成型。这种方法的确可以避免非活化电极中的金对活化电极造成污染，但是制作工艺复 杂，并且主体和引排部分烧结成一体的过程中，引线的连接十分困难。这种方法虽然理论上 可行，但是不适合大规模生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能对汽车尾气中氮氧化物浓度精确测量， 烧结过程中无金的挥发对活化电极的污染、并且制作工艺简单的氮氧化物传感器芯片。本发明的技术方案如下一种氮氧化物传感器芯片，由六层基片第一层至第六层基片叠压而成，六层基片的材 质均为氧化锆，第二层基片上包括四个空腔，第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔，四 个空腔之间依次分别设置有三列扩散障碍层，第三空腔内设置有第一电极，第四空腔内设 置有第二电极和第三电极，第三层基片上设有与大气相连的参比气体通道，第三层基片与 第四层基片之间设置有参比电极，参比电极上覆盖有多孔氧化铝层，参比气体通道通过小 孔与多孔氧化铝层连通，第四层基片与与第五层基片之间设置有加热电极，加热电极的上 下各有一层绝缘层，第一层基片上设置有第四电极，第四电极上覆盖有有保护层，所述第 三电极上覆盖有一层多孔氧化铝质的膜层。加热电极上下的绝缘层材质为致密氧化铝质；第一电极和第二电极的材料为对氮 氧化物不敏感的金属陶瓷；第一电极和第二电极的材料为贵金属钼和低催化活性材料组 成；第三电极的材料为贵金属钼和高催化活性材料组成；第四电极上覆盖的保护层材质为 多孔氧化铝质。有益效果本发明结构上可以避免烧结时非活化电极中金的挥发对活化电极的污 染，且无需分步烧结，只需将六层基片叠合后一次烧结成型即可。本发明中，第三电极表面覆盖保护层，可以防止烧结时非活化电极第二电极中金 的挥发对活化电极第三电极的污染，从而保证了活化电极第三电极的催化活性不受影响。 因此无需将非活化电极和活化电极分开烧结，只需一次烧结即可完成。从而简化了制作过 程，降低了制作难度。
图1为原来的氮氧化物传感器芯片的剖面图； 图2所示为专利JP09171015的传感器结构分解图；图3是本发明氮氧化物传感器芯片的多层结构剖面图； 图4是图3中氮氧化物传感器芯片第二层结构俯视图；图5是图3中氮氧化物传感器加热片结构俯视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明具体实施方式
作进一步说明。一种氮氧化物传感器芯片，由六层基片第一层至第六层基片1一6叠压而成，六层 基片的材质均为氧化锆，第二层基片2上包括四个空腔，第一空腔7、第二空腔9、第三空腔 13、第四空腔16，四个空腔之间依次分别设置有三列扩散障碍层8、10、14，第三空腔13内设 置有第一电极12，第四空腔16内设置有第二电极15和第三电极18，第三层基片3上设有 与大气相连的参比气体通道22，第三层基片3与第四层基片4之间设置有参比电极19，参 比电极19上覆盖有多孔氧化铝层20，参比气体通道22通过小孔21与多孔氧化铝层20连 通，第四层基片4与第五层基片5之间设置有加热电极23，加热电极23的上下各有一层绝 缘层M，第一层基片上设置有第四电极11，第四电极11上覆盖有保护层25。第三电极18上覆盖有一层多孔氧化铝质的膜层17。加热电极23上下的绝缘层M材质为致密氧化铝质。第一电极12和第二电极15的材料为对氮氧化物不敏感的金属陶瓷。第一电极12和第二电极15的材料为贵金属钼和低催化活性材料组成。第三电极18的材料为贵金属钼和高催化活性材料组成。所述第四电极11上覆盖的保护层25材质为多孔氧化铝质。第二层基片2上的第一空腔7起采集尾气样品的作用，采集到的尾气样品经过扩 散障碍层8进入到第二空腔9中，第二空腔9被称为缓冲腔，尾气在第二空腔9中得到缓冲 和稳定化处理。第二空腔9中的气体又经过扩散障碍层10进入第三空腔13中，第三空腔 13被称为控制区域，在此区域实现引排功能。第三空腔13中的气体再经过扩散障碍层14 进入第四空腔16中，第四空腔16被称为测量区域，在此区域实现测氧功能。以上所述的三 层扩散障碍层的材质完全相同，均为多孔质的氧化锆。控制区域也就是第三空腔13中通过以下方法实现引排功能第四电极11、第一电极12以及第一层基片1也就是电解质层构成主氧泵，氮氧化物传 感器工作过程中，主氧泵两极施加一个直流可调电源，将控制区域即第三空腔13中的氧气 泵到外面或是将外面的氧气泵到控制区域即第三空腔13中，以此来使控制区域即第三空 腔13中的氧分压固定在某一个特定的值。主氧泵的内电极即第一电极12和外电极即第四电极11的材质都是多孔的金属陶 瓷。其中内电极即第一电极12必须是对氮氧化物不敏感的非活化电极，即不具备分解氮氧 化物的能力，可采用贵金属钼、氧化锆和其它低催化活性，例如金或其他有类似功能的材料 的金属陶瓷来制作。外电极即第四电极11上面覆盖一层含多孔氧化铝质的保护层25，它的作用是防 止尾气中的油性物质污染或者损伤外电极即第四电极11。测量区域部分的工作原理外电极即第四电极11、固体电解质层即第一层基片1以及第二电极15构成辅助氧泵。 氮氧化物传感器工作过程中，在辅助氧泵的两极施加直流可调电压直至使测量区域即第四 空腔16中的氧气浓度固定在一个恒定的极低的值，在此低氧浓度下氮氧化物发生分解反应氮氧化物分解成氮气和氧气。辅助氧泵的内电极即第二电极15与主氧泵的内电极即第一电极12的材质一样， 均为对氮氧化物不敏感的非活化电极材料。可采用相同组分的金属陶瓷制作。第三电极18、第一层至第三层基片1、2、3以及第四电极11构成测量泵。在辅助氧 泵的作用下，测量区域即第四空腔16中的氧气浓度极低，在此低氧浓度下，发生反应，氮氧 化物分解成氮气和氧气，测量泵的两极施加可调直流电压，调节电压的大小，通过测量极限 电流从而得到对应尾气中氮氧化物分解产生的氧气的浓度，进而可以反映出尾气中氮氧化 物气体的浓度。测量泵的内电极即第三电极18必须是能使氮氧化物分解的活化电极，可采用贵 金属钼、氧化锆其他强活性材料，例如铑或其他有类似功能的金属的金属陶瓷来制作。同时 第三电极18上覆盖有一层多孔氧化铝质的膜层17，用来防止测量区域即第四空腔16中辅 助氧泵的内电极即第二电极15中的惰性金属如金脱落到第三电极18上，从而保证了第三 电极18的催化活性不受影响。因此无需将非活化电极和活化电极分开烧结，只需一次烧结 即可完成，从而简化了制作过程，降低了制作难度。氮氧化物传感器芯片还设有参比电极19，其表面覆盖一层多孔氧化铝层20。同时 第三层基片3中设有参比气体通道22，参比气体通道22与大气相通，第四层基片4上开有 小孔21，将参比气体通道22与多孔氧化铝层20贯通，从而保证参比电极19始终与参比空 气接触。控制区域即第三空腔13和测量区域即第四空腔16中的氧浓度通过参比电极19 来测量，具体方法为将控制区域即第三空腔13表面的第一电极12与参比电极19用导线 连接，测定两电极之间的电压，即可反映出控制区域即第三空腔13中的氧浓度，该值也反 映出发动机的空燃比；将测量区域即第四空腔16表面的电极即第二电极15与参比电极19 用导线连接，测定两电极之间的电压，即可反映出测量区域即第四空腔16中的氧浓度，可 依据此值来判断测量区域即第四空腔16中的氧浓度是否已经达到足以令氮氧化物气体发 生分解反应所需的浓度。氮氧化物传感器芯片的第五层基片5是加热片，加热片的作用是给整个氮氧化物 传感器芯片加热，使其在短时间内达到工作温度(即固体电解质具有较高的电导率)。第五 层基片5上与第四层基片4表面之间印刷加热电极23，加热电极23的上下表面均覆盖一 层致密氧化铝质绝缘层对。加热电极23的形状见图5，由于氮氧化物传感器的主要工作部 位在芯片的头部，为使其温度能迅速的上升到最佳工作温度，加热电极23的头部图案设计 成图5所示的较细的弯曲状，且上侧头部23a和下侧头部2 为轴对称，上引线23c、下引线 23d也呈轴对称，其宽度是上侧头部23a和下侧头部23b宽度的5 _20倍。辅助测量电极 23e起测定传感器工作温度的作用。第四层基片4上还设有压力扩散小孔21，该小孔穿透 第四层基片4，第五层基片5即加热片，通过压力扩散小孔21与参比气体通道22相连，来缓 解加热过程中加热层内部不断增加的内应力。所述氮氧化物传感器所采用的氧化锆粉体指的是经5md%氧化钇稳定化处理的 氧化锆粉。
权利要求
1.一种氮氧化物传感器芯片，由六层基片第一层至第六层基片(1-6)叠压而成，其 特征在于六层基片的材质均为氧化锆，第二层基片(2)上包括四个空腔，第一空腔(7)、第 二空腔(9)、第三空腔(13)、第四空腔(16)，四个空腔之间依次分别设置有三列扩散障碍层 (8、10、14)，第三空腔(13)内设置有第一电极(12)，第四空腔(16)内设置有第二电极(15) 和第三电极(18)，第三层基片(3)上设有与大气相连的参比气体通道(22)，第三层基片(3) 与第四层基片(4)之间设置有参比电极(19)，参比电极(19)上覆盖有多孔氧化铝层(20)， 参比气体通道(22)通过小孔(21)与多孔氧化铝层(20)连通，第四层基片(4)与与第五层 基片(5)之间设置有加热电极(23)，加热电极(23)的上下各有一层绝缘层(24)，第一层基 片上设置有第四电极(11)，第四电极(U )上覆盖有保护层(25)，所述第三电极(18 )上覆 盖有一层多孔氧化铝质的膜层(17)。
2.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于所述加热电极(23)上下 的绝缘层(24)材质为致密氧化铝质。
3.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于所述第一电极(12)和第 二电极(15)的材料为对氮氧化物不敏感的金属陶瓷。
4.4.根据权利要求4所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于所述第一电极(12)和 第二电极(15)的材料为贵金属钼和低催化活性材料组成。
5.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于所述第三电极(18)的材 料为贵金属钼和高催化活性材料组成。
6.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器芯片，其特征在于所述第四电极(11)上覆 盖的保护层(25 )材质为多孔氧化铝质。
全文摘要
本发明公开了一种氮氧化物传感器芯片，由六层基片第一层至第六层基片叠压而成，六层基片的材质均为氧化锆，第二层基片上包括四个空腔，第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔，四个空腔之间依次分别设置有三列扩散障碍层，第三空腔内设置有第一电极，第四空腔内设置有第二电极和第三电极，第三层基片上设有与大气相连的参比气体通道，第三层基片与第四层基片之间设置有参比电极，参比电极上覆盖有多孔氧化铝层，参比气体通道通过小孔与多孔氧化铝层连通，第四层基片与与第五层基片之间设置有加热电极，加热电极的上下各有一层绝缘层，第一层基片上设置有第四电极，第四电极上覆盖有有保护层。结构上可以避免烧结时非活化电极中金的挥发对活化电极的污染，且无需分步烧结，只需将六层基片叠合后一次烧结成型即可。
文档编号G01N27/407GK102043007SQ20101052572
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月30日 优先权日2010年10月30日
发明者倪铭, 尹亮亮, 王哲, 谢光远, 黄海琴 申请人:无锡隆盛科技有限公司