专利名称：镶嵌式板状氧传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车电喷发动机用二氧化锆氧传感器的技术领域，尤其是一种镶嵌式板状氧传感器及其制备方法。
背景技术：
期汽车产业发展迅猛，尾气排放标准不断的提高，对汽车用氧传感器的要求也不断提高。目前国内普遍采用的是管式二氧化锆氧传感器，使用管状二氧化锆敏感探头，中间引入氧化铝陶瓷加热芯，加热方式为间接加热，产品尺寸大，结构复杂，响应速度慢，很难满足目前日益严格的尾气排放要求。国际上已经开始批量使用一体式板状氧传感器，但由于采用高温或者中温共烧技术体系，普遍存在工艺复杂，材料成本高、加热电路容易窜漏、工作时绝缘耐压低的缺点。
发明内容
为了克服现有的二氧化锆氧传感器产品尺寸大、结构复杂、响应速度慢以及材料成本高的不足，本发明提供了一种镶嵌式板状氧传感器及其制备方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种镶嵌式板状氧传感器，包括陶瓷加热器、氧化锆敏感元件、玻璃釉密封层、发热电路、参比气通道、氧化铝基体和凹槽，陶瓷加热器内设有氧化锆敏感元件，陶瓷加热器与氧化锆敏感元件通过玻璃釉密封层连接，陶瓷加热器由氧化铝基体和凹槽组成，氧化铝基体上表面上设有凹槽，下表面上设有发热电路，氧化锆敏感元件与凹槽之间设有参比气通道。根据本发明的另一个实施例，进一步包括氧化锆敏感元件一侧设有内电极，另一侧设有外电极，外电极表面覆有多孔保护层。根据本发明的另一个实施例，进一步包括发热电路前部覆有一层玻璃釉绝缘层，后部露出形成两个发热电路引脚。本发明解决其技术问题所采用的另一种技术方案是一种镶嵌式板状氧传感器制备方法，其制备方法包括以下步骤
一·陶瓷加热器以烧结致密的95氧化铝陶瓷为基体，在氧化铝基体表面开设凹槽；
二.在带凹槽的氧化铝基体下表面采用厚膜丝网印刷工艺印刷发热电路，在发热电路的前部印刷玻璃釉绝缘层，后部露出形成两个发热电路引脚，然后再1200°C的空气中烧结，随炉冷却后发热电路、玻璃釉绝缘层和氧化铝基体紧密结合形成一体；
三.氧化锆敏感元件是以烧结致密的5摩尔钇稳定氧化锆为基体制成长条形薄片，薄片厚度为O. 4mm-0. 6mm,在薄片的上下表面分别印刷内电极和外电极，同时，在外电极表面印刷多孔保护层，然后再1200°C的空气中烧结，随炉冷却后内电极、外电极、多孔保护层和氧化锆基体紧密结合形成一体；
四.将氧化锆敏感元件镶嵌在陶瓷加热器的凹槽内，接缝处填充玻璃釉密封层，在1200°C的空气中烧结，随炉冷却后氧化锆敏感元件和陶瓷加热器通过玻璃釉密封层紧密结合形成一体，最终形成镶嵌式板状氧传感器。根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述参比气通道由氧化锆敏感元件与陶瓷加热器的凹槽之间形成，参比气通道与大气连通，该参比气道宽度为O. 8mm-1. O mm,高度为 O. 4mm-Q. 5mm。根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述发热电路的印刷浆料由金属钯粉、金属钼粉、玻璃料以及有机溶液料混合组成，其中金属钯粉、钼粉以及玻璃料的粒度为I. 5-2. 5微米，钯粉、钼粉以及玻璃料的重量比为钯粉为80-85 ;钼粉为3 ;玻璃料为12-17。根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述内电极以及外电极的印刷浆料由金属钼粉、球形石墨粉、玻璃料以及有机溶液料混合组成，其中金属钼粉、球形石墨粉以及玻璃料的粒度为1.5-2. 5微米，金属钼粉、球形石墨粉以及玻璃料的重量比为金属钼粉为75-80 ;球形石墨粉为10，玻璃料为10-15。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述多孔保护层的印刷浆料由5摩尔钇稳定氧化锆粉、球形石墨粉、玻璃料以及有机溶液料混合组成，其中氧化锆粉的粒度为O. 3-0. 4微米，球形石墨粉以及玻璃料的粒度为I. 5-2. 5微米，氧化锆粉、球形石墨粉以及玻璃料的重量配比为氧化锆粉为78-82 ;球形石墨粉为5 ;玻璃料为13-17。根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述玻璃釉绝缘层、玻璃釉密封层、发热电路印刷浆料中的玻璃料、多孔保护层印刷浆料中的玻璃料、内电极印刷浆料中的玻璃料以及外电极印刷浆料中的玻璃料均由玻璃釉粉构成，该玻璃釉粉为一种无铅中温玻璃釉粉，其粒度为I. 5-2. 5微米，各成分重量比为氧化铝为29 ;氧化锆为27 ;氧化硅为32 ;氧化锂为4 ;氧化秘为5 ;氧化锌为3。本发明的有益效果是，这种镶嵌式板状氧传感器提高了产品的高温绝缘性能，电信号响应速度快，降低了能耗以及生产成本，延长了产品的使用寿命，易于使用推广。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图I是本发明的结构示意 图2是本发明的正视 图3是本发明的后视 图4是本发明氧化铝基体凹槽结构示意 图5是本发明氧化锆敏感元结构示意 图6是本发明加热器和敏感元件镶嵌结构示意图。图中I.陶瓷加热器，2.氧化锆敏感元件，3.玻璃釉密封层，4.发热电路，5.参比气通道，6.多孔保护层，7.内电极，8.外电极，9.玻璃釉绝缘层，10.发热电路引脚，11.氧化铝基体，12.凹槽。
具体实施例方式如图I是本发明的结构示意图，一种镶嵌式板状氧传感器及其制备方法，包括陶瓷加热器I、氧化锆敏感元件2、玻璃釉密封层3、发热电路4、参比气通道5、氧化铝基体11和凹槽12，陶瓷加热器I内设有氧化锆敏感元件2，陶瓷加热器I与氧化锆敏感元件2通过玻璃釉密封层3连接，陶瓷加热器I由氧化铝基体11和凹槽12组成，氧化铝基体11上表面上设有凹槽12，下表面上设有发热电路4，氧化锆敏感元件2与凹槽12之间设有参比气通道5，降低了传感器的能耗，工艺简单，制造成本低。如图2是本发明的正视图，氧化锆敏感元件2 —侧设有内电极7，另一侧设有外电极8，外电极8表面覆有多孔保护层6，加快了电信号响应速度。如图3是本发明的后视图，发热电路4前部覆有一层玻璃釉绝缘层9，后部露 出形成两个发热电路引脚10，大大提高了高温绝缘性能。一种镶嵌式板状氧传感器制备方法，其制备方法包括以下步骤
一·陶瓷加热器I以烧结致密的95氧化铝陶瓷为基体，在氧化铝基体11表面开设凹槽12，如图4所示；
二.在带凹槽12的氧化铝基体11下表面采用厚膜丝网印刷工艺印刷发热电路4，在发热电路4的前部印刷玻璃釉绝缘层9，后部露出形成两个发热电路引脚10，然后再1200°C的空气中烧结，随炉冷却后发热电路4、玻璃釉绝缘层9和氧化铝基体11紧密结合形成一体，如图2所示；
三.氧化锆敏感元件2是以烧结致密的5摩尔钇稳定氧化锆为基体制成长条形薄片，薄片厚度为O. 4mm-0. 6mm,在薄片的上下表面分别印刷内电极7和外电极8,同时,在外电极8表面印刷多孔保护层6，然后再1200°C的空气中烧结，随炉冷却后内电极7、外电极8、多孔保护层6和氧化锆基体紧密结合形成一体，如图5所示，由于采用了 5摩尔氧化钇部分稳定氧化锆为氧化锆敏感元基体，镶嵌于高强度的95氧化铝陶瓷基体表面，后期封装和产品使用时产生的挤压力和冲击力主要由95氧化铝基体承担，强度相对较低的氧化锆敏感元受力小，所以提高了产品的强度要求，适应发动机内恶劣的工作环境，由于加热电路是附着于高温绝缘性能良好的95氧化铝陶瓷基体上，极大地提高了产品的高温绝缘性能，发热电路850°C下绝缘耐压大于1000V，不存在加热电流窜漏现象；
四.将氧化锆敏感元件2镶嵌在陶瓷加热器I的凹槽内，接缝处填充玻璃釉密封层3，在1200°C的空气中烧结，随炉冷却后氧化锆敏感元件2和陶瓷加热器I通过玻璃釉密封层3紧密结合形成一体，最终形成镶嵌式板状氧传感器，如图6所示，采用镶嵌式板状结构，将陶瓷加热器和氧敏感元通过玻璃釉密封剂高温粘接形成一个整体，成为真正的直接加热结构，加热体的功率在直流12V电压下为6 9瓦，只是传统管式氧传感器加热功率的一半左右。所述参比气通道5由氧化锆敏感元件2与陶瓷加热器I的凹槽12之间形成，参比气通道5与大气连通，该参比气通道5宽度为O. 8mm-1. O mm,高度为O. 4mm-0. 5mm。所述发热电路4的印刷浆料由金属钯粉、金属钼粉、玻璃料以及有机溶液料混合组成，其中金属钯粉、钼粉以及玻璃料的粒度为1. 5-2. 5微米，钯粉、钼粉以及玻璃料的重量比为钯粉为80-85 ;钼粉为3 ;玻璃料为12-17。所述内电极7以及外电极8的印刷浆料由金属钼粉、球形石墨粉、玻璃料以及有机溶液料混合组成，其中金属钼粉、球形石墨粉以及玻璃料的粒度为I. 5-2. 5微米，金属钼粉、球形石墨粉以及玻璃料的重量比为金属钼粉为75-80 ;球形石墨粉为10，玻璃料为10-15。由于内外电极均采用在制备原料钼粉中加入了球形玻璃粉和石墨粉来调节附着力和形成微孔结构，石墨粉作为成孔剂使用，多孔的钼电极既催化活性高，又能保证了高温下氧离子的顺利穿透，同时加热电路通过氧化铝基体直接加热于氧化锆敏感元，加热迅速，缩短了发动机起动后到氧传感器升温激活的等待时间，加快了响应速度。所述多孔保护层6的印刷浆料由5摩尔钇稳定氧化锆粉、球形石墨粉、玻璃料以及有机溶液料混合组成，其中氧化锆粉的粒度为O. 3-0. 4微米，球形石墨粉以及玻璃料的粒度为I. 5-2. 5微米，氧化锆粉、球形石墨粉以及玻璃料的重量配比为氧化锆粉为78-82 ;球形石墨粉为5 ;玻璃料为13-17。所述玻璃釉绝缘层9、玻璃釉密封层3、发热电路4印刷浆料中的玻璃料、多孔保护层6印刷浆料中的玻璃料、内电极7印刷浆料中的玻璃料以及外电极8印刷浆料中的玻璃料均由玻璃釉粉构成，该玻璃釉粉为一种无铅中温玻璃釉粉，其粒度为I. 5-2. 5微米，各成分重量比为氧化招为29 ;氧化错为27 ;氧化娃为32 ;氧化锂为4 ;氧化秘为5 ;氧化锌为3。这种镶嵌式板状氧传感器提高了产品的高温绝缘性能，电信号响应速度快，降低了能耗以及生产成本，延长了产品的使用寿命，易于使用推广。 实施例
一·制备玻璃釉粉按重量比氧化铝氧化锆氧化硅氧化锂氧化铋氧化锌=29 27 32 4 5 3的比例准确称量各物料，加50%的水，以氧化锆磨球为磨介，用搅拌球磨机球磨2小时，取出后进行强制干燥。干燥后的料粉置于刚玉坩埚内并在1400°C下高温熔融，熔融的玻璃液通过水淬后制成较大大颗粒的玻璃粉，大颗粒的玻璃粉再通过搅拌磨磨细，球磨干燥后的玻璃釉粉的粒度为I. 5-2. 5微米；
二.制备有机溶液有机溶液料为透明粘稠溶液，由松油醇、聚乙烯醇缩丁醛PVB以及蓖麻油组成，按照重量配比松油醇聚乙烯醇缩丁醛PVB :蓖麻油为79 15 6的比例调配成粘稠透明溶液，其粘度23°C下为5000-6000mPa. s ；
三.制备印刷浆料印刷浆料配比为固体粉料总和为68-72，有机溶液为32-28，按其比例称量物料，搅拌后形成粘稠料团，再通过三滚轧机轧制均匀。均匀的浆料在23°C时，其粘度在7-10万mPa. S。印刷浆料在印刷前可以添加适量的松油醇做稀释剂调整粘度，以便于丝网印刷。四.分别在氧化铝基体11和5摩尔氧化锆薄片上分别印刷各功能层，各功能层厚度按如下控制发热电路15微米，玻璃釉绝缘层50微米，内外电极15微米，氧化锆多孔保护层70微米，各层允许10%-15%的厚度偏差，印刷完成后各功能层室温下自然干燥。五.干燥后陶瓷加热器I和氧化锆敏感元件2分别放入快速升降温箱式电路进行烧结，烧结温度为1200°C，保温30分钟，随炉冷却，烧结后加热器室温电阻在7 Ω -8 Ω之间。六.烧结后的陶瓷加热器I和氧化锆敏感元件2进行拼装封接，将玻璃釉绝缘浆料手工均匀涂覆于陶瓷加热I的氧化铝基体11的凹槽12接缝处，准确放入氧化锆敏感元件2，对齐压紧后室温下自然干燥。七.干燥后的组件放入快速升降温箱式电路进行烧结，烧结温度为1200°C，保温30分钟，此时玻璃釉绝缘浆料完全熔融，填充凹槽接缝处形成玻璃釉密封层3，随炉冷却后氧化锆敏感元件2和陶瓷加热器I通过玻璃釉密封层3紧密结合形成一体。
权利要求
1.一种镶嵌式板状氧传感器，包括陶瓷加热器(I)、氧化锆敏感元件(2)、玻璃釉密封层(3)、发热电路(4)、参比气通道(5)、氧化铝基体(11)和凹槽(12)，陶瓷加热器(I)内设有氧化锆敏感元件(2 )，陶瓷加热器(I)与氧化锆敏感元件(2 )通过玻璃釉密封层(3 )连接，其特征是，陶瓷加热器(I)由氧化铝基体(11)和凹槽(12 )组成，氧化铝基体(11)上表面上设有凹槽(12)，下表面上设有发热电路(4)，氧化锆敏感元件(2)与凹槽(12)之间设有参比气通道(5)。
2.根据权利要求I所述的镶嵌式板状氧传感器，其特征是，氧化锆敏感元件(2)—侧设有内电极(7 )，另一侧设有外电极(8 )，外电极(8 )表面覆有多孔保护层(6 )。
3.根据权利要求I所述的镶嵌式板状氧传感器，其特征是，发热电路(4)前部覆有一层玻璃釉绝缘层(9)，后部露出形成两个发热电路引脚(10)。
4.一种镶嵌式板状氧传感器制备方法，其特征是，其制备方法包括以下步骤 一.陶瓷加热器(I)以烧结致密的95氧化铝陶瓷为基体，在氧化铝基体(11)表面开设凹槽(12)； 二 .在带凹槽(12)的氧化铝基体(11)下表面采用厚膜丝网印刷工艺印刷发热电路(4)，在发热电路(4)的前部印刷玻璃釉绝缘层(9)，后部露出形成两个发热电路引脚(10)，然后再1200°C的空气中烧结，随炉冷却后发热电路(4)、玻璃釉绝缘层(9)和氧化铝基体(11)紧密结合形成一体； 三.氧化锆敏感元件(2)是以烧结致密的5摩尔钇稳定氧化锆为基体制成长条形薄片，薄片厚度为0. 4mm-0. 6mm,在薄片的上下表面分别印刷内电极(7)和外电极(8),同时，在外电极(8)表面印刷多孔保护层(6)，然后再1200°C的空气中烧结，随炉冷却后内电极(7 )、外电极(8 )、多孔保护层(6 )和氧化锆基体(11)紧密结合形成一体； 四.将氧化锆敏感元件(2)镶嵌在陶瓷加热器(I)的凹槽(12)内，接缝处填充玻璃釉密封层(3)，在1200°C的空气中烧结，随炉冷却后氧化锆敏感元件(2)和陶瓷加热器(I)通过玻璃釉密封层(3)紧密结合形成一体，最终形成镶嵌式板状氧传感器。
5.根据权利要求4所述的镶嵌式板状氧传感器制备方法，其特征是，所述参比气通道(5)由氧化锆敏感元件(2)与陶瓷加热器(I)的凹槽之间形成，参比气通道(5)与大气连通，该参比气通道(7)宽度为0. 8mm-1. 0臟,高度为0. 4mm-0. 5臟。
6.根据权利要求4所述的镶嵌式板状氧传感器制备方法，其特征是，所述发热电路(4)的印刷浆料由金属钯粉、金属钼粉、玻璃料以及有机溶液料混合组成，其中金属钯粉、钼粉以及玻璃料的粒度为I. 5-2. 5微米，钯粉、钼粉以及玻璃料的重量比为钯粉为80-85 ;钼粉为3 ;玻璃料为12-17。
7.根据权利要求4所述的镶嵌式板状氧传感器制备方法，其特征是，所述内电极(7)以及外电极(8)的印刷浆料由金属钼粉、球形石墨粉、玻璃料以及有机溶液料混合组成，其中金属钼粉、球形石墨粉以及玻璃料的粒度为I. 5-2. 5微米，金属钼粉、球形石墨粉以及玻璃料的重量比为金属钼粉为75-80 ;球形石墨粉为10，玻璃料为10-15。
8.根据权利要求4所述的镶嵌式板状氧传感器制备方法，其特征是，所述多孔保护层(6)的印刷浆料由5摩尔钇稳定氧化锆粉、球形石墨粉、玻璃料以及有机溶液料混合组成，其中氧化锆粉的粒度为0. 3-0. 4微米，球形石墨粉以及玻璃料的粒度为I. 5-2. 5微米，氧化锆粉、球形石墨粉以及玻璃料的重量配比为氧化锆粉为78-82 ;球形石墨粉为5 ;玻璃料为13-17。
9.根据权利要求4所述的镶嵌式板状氧传感器制备方法，其特征是，所述玻璃釉绝缘层(9 )、玻璃釉密封层(3 )、发热电路(4 )印刷浆料中的玻璃料、多孔保护层(6 )印刷浆料中的玻璃料、内电极(7)印刷浆料中的玻璃料以及外电极(8)印刷浆料中的玻璃料均由玻璃釉粉构成，该玻璃釉粉为一种无铅中温玻璃釉粉，其粒度为I. 5-2. 5微米，各成分重量比为氧化招为29 ;氧化错为27 ;氧化娃为32 ;氧化锂为4 ;氧化秘为5 ;氧化锌为3。
全文摘要
本发明涉及一种汽车电喷发动机用二氧化锆氧传感器的技术领域，尤其是一种镶嵌式板状氧传感器及其制备方法。其包括陶瓷加热器、氧化锆敏感元件、玻璃釉密封层、发热电路、参比气通道、氧化铝基体和凹槽，陶瓷加热器内设有氧化锆敏感元件，陶瓷加热器与氧化锆敏感元件通过玻璃釉密封层连接，陶瓷加热器由氧化铝基体和凹槽组成，氧化铝基体上表面上设有凹槽，下表面上设有发热电路，氧化锆敏感元件与凹槽之间设有参比气通道。这种镶嵌式板状氧传感器提高了产品的高温绝缘性能，电信号响应速度快，降低了能耗以及生产成本，延长了产品的使用寿命，易于使用推广。
文档编号G01N27/26GK102636527SQ20121011937
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者党桂彬, 冯江涛, 杨世养 申请人:常州联德电子有限公司