一种片式结构氧传感器及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种片式结构氧传感器及其制作方法，该片式结构氧传感器包括一加热体、一氧化锆固体电解质、以及加热体与氧化锆固体电解质之间具有绝缘特征的一支撑结构体；氧化锆固体电解质、支撑结构体和加热体由上向下顺次设置，在支撑结构体与加热体之间还设有一氧化锆对称层，所述氧化锆对称层与所述氧化锆固体电解质相对于支撑结构体呈对称分布。本发明通过添加氧化锆层与电解质层形成对称结构，具有结构稳定，易制备，能显著提高产品的烧结合格率和使用寿命的特点。
【专利说明】一种片式结构氧传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及氧传感器【技术领域】，特别是涉及一种汽油车用的氧化锆、氧化铝复合 结构的氧传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 随着汽车产业的迅猛发展，汽车尾气的污染逐渐成为中国城市主要污染源之一， 汽车尾气的排放标准逐渐严苛，2013年7月，中国已经严格开始执行第四阶段的排放标准。 目前，管式车用氧传感器逐渐被响应速度更快、集成度更高、成本更低的片式开关型氧传感 器所取代。
[0003] 现有的片式结构的氧传感器有使用全氧化锆结构，在加热器电路上下表面添加氧 化铝薄层，以起到绝缘的效果，此结构对氧化铝绝缘层材料的要求非常高。也有使用氧化 铝、氧化锆复合结构，但仅电解质层采用氧化锆材料，其产品结构具有天然不对称，产品外 观有弯曲的现象。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种片式结构氧传感器及其制作方 法，通过添加氧化锆层与电解质层形成对称结构，具有结构稳定，易制备，能显著提高产品 的烧结合格率和使用寿命的特点。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种片式结构氧传感器，包括一加 热体、一氧化锆固体电解质、以及加热体与氧化锆固体电解质之间具有绝缘特征的一支撑 结构体；氧化锆固体电解质、支撑结构体和加热体由上向下顺次设置，在支撑结构体与加热 体之间还设有一氧化锆对称层，所述氧化锆对称层与所述氧化锆固体电解质相对于支撑结 构体呈对称分布。
[0006] 所述加热体包括氧化铝载体和设置在氧化铝载体上表面的钼电极加热电路。
[0007] 所述支撑结构体为采用氧化铝材料制作而成的一层或多层结构。
[0008] 所述氧化锆电解质包括氧化锆固体电解质层、设置在氧化锆固体电解质层上、下 表面的电极；在所述下表面的电极的下方，支撑结构体上设有参比气道。
[0009] 进一步的，还包括设置在氧化锆固体电解质上以对所述上表面的电极进行保护的 保护层，所述保护层为以氧化铝为基体的多孔结构层，多孔结构层的孔径分布均匀，气孔率 在30%?40%之间。
[0010] 一种片式结构氧传感器的制造方法，包括如下步骤：
[0011] A.采用流延成型技术制作加热器载体层素坯、电解质对称层素坯、绝缘支撑层素 坯、电解质层素坯和多孔保护层素坯；
[0012] B.采用机械冲孔的方式在加热器载体层素坯和电解质层素坯表面进行打孔处理， 为保证电极引脚、加热器引脚与导线的连通，通孔的直径选择为〇. 15?0. 25mm ;
[0013] C.采用丝网印刷技术在电解质层素坯的上下表面印刷外电极、内电极和电极引 脚，在加热器载体层素坯的上表面印刷加热器电路和加热器引脚；
[0014] D.通过丝网印刷技术填充导线的过孔；
[0015] E.采用填充工艺在绝缘支撑层素坯的参比气道位置填充碳粉块，以在后续制作过 程形成参比气道孔；
[0016] F.将所述加热器载体层素坯、电解质对称层素坯、绝缘支撑层素坯、电解质层素坯 和多孔保护层素坯依次叠在一起，通过叠层、排胶、烧结过程制得片式结构氧传感器。
[0017] 所述电解质层素坯和电解质对称层素坯均采用氧化锆材料制作而成。
[0018] 所述叠层过程采用热等静压方式进行处理，等静压的温度为40?60°C，压力为 40 ?60MPa。
[0019] 所述内电极、外电极、电极引脚、加热器电路和加热器引脚均选用钼金浆料，然后 采用丝网印刷的工艺将钼金浆料涂覆在对应在的素坯表面。
[0020] 所述烧结过程采用高温烧结炉，并在常压条件下进行，烧结温度为1400? 1600°C，时间为1?3h。
[0021] 本发明的一种片式结构氧传感器的制造方法，加热器载体层素坯、绝缘支撑层素 坯由流延成型制成，具体流程如下：将高纯氧化铝粉体中添加一定量的溶剂、分散剂、粘结 齐U、增塑剂等辅料在球磨罐中球磨混合12h以上，制成粘度在3000?5000mPa ·8的均匀体 系的浆料，在高精密的流延机制成厚度在200um左右的氧化铝素坯。通过相同的方法制得 氧化锆电解质素坯，多孔氧化铝素坯等。
[0022] 所述的溶齐[J、分散齐[J、粘结剂、增塑剂等辅料为酒精、甲苯、三乙醇胺、PVB、PEG中的 一种或多种混合物。
[0023] 所述的参比气道选用碳粉块为原料，采用填充工艺将碳粉块填充到绝缘支撑层的 参比气道位置，在排胶、烧结过程中碳粉挥发，形成参比气道。
[0024] 所述的排胶过程采用马弗炉，将浆料制备过程中添加的辅料在低温环境下缓慢的 排出，排胶温度在400?600°C，时间为24h?48h。
[0025] 与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
[0026] 1、结构设计合理，由于采用对称结构设计，即电解质对称层和电解质层相对于绝 缘支撑层呈对称关系，材料的烧结应力降低，力学性能会提高，所以本发明更加能满足汽油 发动恶劣的工况及强烈的振动。
[0027] 2、材料技术要求高，绝缘性一直是中国片式结构氧传感器发展的瓶颈，氧化铝具 有天然的绝缘性，采用一层或多层的氧化铝材料提高了其绝缘可靠性，同时氧化铝材料在 高温条件下具有优良的力学性能。
[0028] 3、外形美观，添加氧化锆层与电解质层形成对称结构降低了材料的弯曲程度，起 到了外形美观的作用。
[0029] 4、提高合格率，由于采用对称结构，材料的微裂纹、宏观裂纹均有降低，从而提高 片式氧传感器的合格率和使用寿命。
[0030] 以下结合实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种片式结构氧传感器 及其制作方法不局限于实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1是本发明的结构剖视图。
【具体实施方式】
[0032] 实施例
[0033] 参见图1所示，本发明的一种片式结构氧传感器，包括一加热体1、一氧化锆固体 电解质2、以及加热体1与氧化锆固体电解质2之间具有绝缘特征的一支撑结构体3 ;氧化 锆固体电解质2、支撑结构体3和加热体1由上向下顺次设置，在支撑结构体3与加热体1 之间还设有一氧化锆对称层4,所述氧化锆对称层4与所述氧化锆固体电解质2相对于支撑 结构体3呈对称分布；在烧结过程中氧化锆对称层4与氧化锆固体电解质2层烧结应力的 相互平衡抵消，可以起到降低烧结应力的作用。
[0034] 所述加热体1包括氧化铝载体11和设置在氧化铝载体上表面的钼电极加热电路 12 ;本发明采用氧化铝载体11，其耐高温性、综合机械性能更好，氧化铝载体在常温、高温 下具有良好的力学性能与抗热震性能。
[0035] 所述支撑结构体3为采用氧化铝材料制作而成的一层或多层结构；本发明采用氧 化铝材质的绝缘、支撑结构既能起完全绝缘的效果，又具有良好的综合机械性能。
[0036] 所述氧化锆电解质2包括氧化锆固体电解质层21、设置在氧化锆固体电解质层 上、下表面的外电极22、内电极23 ;在内电极23的下方的支撑结构体上设有参比气道5 ;本 发明采用高活性的钼印刷制得外电极22、内电极23,参比气道的孔径较小但能完全满足与 外界空气的即时交换，同时片式结构氧传感器具有更好的机械性能。
[0037] 进一步的，还包括设置在氧化锆固体电解质2上以对外电极22进行保护的保护层 6,所述保护层6为以氧化铝为基体的多孔结构层，多孔结构层6的孔径分布均匀，气孔率在 30%?40%之间；本发明为了片式氧传感器的外电极22更加快速的检测尾气以及抵挡尾 气中的颗粒，外电极表面添加一层多孔的氧化铝保护层。
[0038] 本发明的一种片式结构氧传感器的制造方法，包括如下步骤：
[0039] A.采用流延成型技术制作加热器载体层素坯、电解质对称层素坯、绝缘支撑层素 坯、电解质层素坯和多孔保护层素坯；
[0040] B.采用机械冲孔的方式在加热器载体层素坯和电解质层素坯表面进行打孔处理， 为保证电极引脚、加热器引脚与导线的连通，通孔的直径选择为〇. 15?0. 25mm ;
[0041] C.采用丝网印刷技术在电解质层素坯的上下表面印刷外电极、内电极和电极引 脚，在加热器载体层素坯的上表面印刷加热器电路和加热器引脚；
[0042] D.通过丝网印刷技术填充导线的过孔；
[0043] E.采用填充工艺在绝缘支撑层素坯的参比气道位置填充碳粉块，以在后续制作过 程形成参比气道孔；
[0044] F.将所述加热器载体层素坯、电解质对称层素坯、绝缘支撑层素坯、电解质层素坯 和多孔保护层素坯依次叠在一起，通过叠层、排胶、烧结过程制得片式结构氧传感器。
[0045] 所述电解质层素坯和电解质对称层素坯均采用氧化锆材料制作而成。
[0046] 所述叠层过程采用热等静压方式进行处理，等静压的温度为40?60°C，压力为 40 ?60MPa。
[0047] 所述内电极、外电极、电极引脚、加热器电路和加热器引脚均选用钼金浆料，然后 采用丝网印刷的工艺将钼金浆料涂覆在对应在的素坯表面。
[0048] 所述烧结过程采用高温烧结炉，并在常压条件下进行，烧结温度为1400? 1600°C，时间为1?3h。
[0049] 本发明的一种片式结构氧传感器的制造方法，加热器载体层素坯、绝缘支撑层素 坯由流延成型制成，具体流程如下：将高纯氧化铝粉体中添加一定量的溶剂、分散剂、粘结 齐U、增塑剂等辅料在球磨罐中球磨混合12h以上，制成粘度在3000?5000mPa *s的均匀体 系的浆料，在高精密的流延机制成厚度在200um左右的氧化铝素坯。通过相同的方法制得 氧化锆电解质素坯，多孔氧化铝素坯等。
[0050] 所述的溶齐[J、分散齐U、粘结剂、增塑剂等辅料为酒精、甲苯、三乙醇胺、PVB、PEG中的 一种或多种混合物。
[0051] 所述的参比气道选用碳粉块为原料，采用填充工艺将碳粉块填充到绝缘支撑层的 参比气道位置，在排胶、烧结过程中碳粉挥发，形成参比气道。
[0052] 所述的排胶过程采用马弗炉，将浆料制备过程中添加的辅料在低温环境下缓慢的 排出，排胶温度在400?600°C，时间为24h?48h。
[0053] 上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种片式结构氧传感器及其制作方法，但 本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修 改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种片式结构氧传感器，包括一加热体、一氧化锆固体电解质、以及加热体与氧化锆 固体电解质之间具有绝缘特征的一支撑结构体；氧化锆固体电解质、支撑结构体和加热体 由上向下顺次设置，其特征在于：在支撑结构体与加热体之间还设有一氧化锆对称层，所述 氧化锆对称层与所述氧化锆固体电解质相对于支撑结构体呈对称分布。
2. 根据权利要求1所述的片式结构氧传感器，其特征在于：所述加热体包括氧化铝载 体和设置在氧化铝载体上表面的钼电极加热电路。
3. 根据权利要求1所述的片式结构氧传感器，其特征在于：所述支撑结构体为采用氧 化铝材料制作而成的一层或多层结构。
4. 根据权利要求1所述的片式结构氧传感器，其特征在于：所述氧化锆电解质包括氧 化锆固体电解质层、设置在氧化锆固体电解质层上、下表面的电极；在所述下表面的电极的 下方，支撑结构体上设有参比气道。
5. 根据权利要求4所述的片式结构氧传感器，其特征在于：进一步的，还包括设置在氧 化锆固体电解质上以对所述上表面的电极进行保护的保护层，所述保护层为以氧化铝为基 体的多孔结构层，多孔结构层的孔径分布均匀，气孔率在30%?40%之间。
6. -种片式结构氧传感器的制造方法，包括如下步骤： A. 采用流延成型技术制作加热器载体层素坯、电解质对称层素坯、绝缘支撑层素坯、电 解质层素坯和多孔保护层素坯； B. 采用机械冲孔的方式在加热器载体层素坯和电解质层素坯表面进行打孔处理，为保 证电极引脚、加热器引脚与导线的连通，通孔的直径选择为〇. 15?0. 25mm ; C. 采用丝网印刷技术在电解质层素坯的上下表面印刷外电极、内电极和电极引脚，在 加热器载体层素坯的上表面印刷加热器电路和加热器引脚； D. 通过丝网印刷技术填充导线的过孔； E. 采用填充工艺在绝缘支撑层素坯的参比气道位置填充碳粉块，以在后续制作过程形 成参比气道孔； F. 将所述加热器载体层素坯、电解质对称层素坯、绝缘支撑层素坯、电解质层素坯和多 孔保护层素坯依次叠在一起，通过叠层、排胶、烧结过程制得片式结构氧传感器。
7. 根据权利要求6所述的片式结构氧传感器的制造方法，其特征在于：所述电解质层 素坯和电解质对称层素坯均采用氧化锆材料制作而成。
8. 根据权利要求6所述的片式结构氧传感器的制造方法，其特征在于：所述叠层过程 采用热等静压方式进行处理，等静压的温度为40?60°C，压力为40?60MPa。
9. 根据权利要求6所述的片式结构氧传感器的制造方法，其特征在于：所述内电极、夕卜 电极、电极引脚、加热器电路和加热器引脚均选用钼金浆料，然后采用丝网印刷的工艺将钼 金浆料涂覆在对应在的素坯表面。
10. 根据权利要求6所述的片式结构氧传感器的制造方法，其特征在于：所述烧结过程 采用高温烧结炉，并在常压条件下进行，烧结温度为1400?1600°C，时间为1?3h。
【文档编号】G01N27/409GK104142363SQ201410341036
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】王齐军, 尹镭, 钟叔明, 聂志辉 申请人:厦门宏发电力电器有限公司