一种片式开关型氧传感器的制作方法

本实用新型涉及氧化铝基体的开关型氧传感器技术领域，更具体的说是涉及一种片式开关型氧传感器。

背景技术：

目前，片式结构氧传感器一般采用流延成型、丝网印刷及叠层共烧的方法制备而成，由于片式结构氧传感器分别由氧化锆固体电解质材料、金属铂电极材料以及氧化铝绝缘材料组成，在制作过程中，主要有以下几点不足：

烧结温度不一致：由于片式结构氧传感器分别由氧化锆固体电解质材料、金属铂电极材料以及氧化铝绝缘材料组成，这些材料的烧结温度各不相同，其烧结温度相差较大，甚至大于200度；

收缩率不一致：由于通过三种材料共烧，三种材料的收缩率也不一样，因此片式结构氧化铝基的氧传感器的叠层与烧结一直是制造的难点。

为了实现片式结构氧传感器的共烧结，人们不得不牺牲某些材料的性能而通过添加一些助烧剂或者通过控制粉末材料的粉末粒度来调节不同材料的烧结温度而达到共烧结的目的，采取这种制造方法，一方面降低了片式结构氧传感器的性能，另一方面也增加了片式结构氧传感器的制造成本。另外，由于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，还会出现开裂等失效现象，严重影响传感器的寿命。

因此，如何提供一种热稳定性强、寿命更长的片式开关型氧传感器层结构是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种片式开关型氧传感器，通过对氧化锆感应层和氧化铝基体层的结构改进，解决了现有的片式结构氧传感器由于材料烧结温度、收缩率以及热膨胀率不一致，制造困难、使用寿命短等问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供了一种片式开关型氧传感器，依次包括：电极绝缘层、保护层、上电极层、信号pad电极层、氧化锆感应层、氧化铝基体层、下电极层、基体层及空气参比通道、加热电极层、加热基体层以及加热pad电极层；

所述电极绝缘层、保护层、上电极层以及信号pad电极层均印刷于所述氧化铝基体层的上表面，所述氧化铝基体层上开设有一容置孔，所述氧化锆感应层印刷于所述容置孔内，所述下电极层印刷于所述氧化铝基体层的下表面，所述加热电极层印刷于所述加热基体层的上表面，所述加热pad电极层印刷于所述加热基体层的下表面，所述氧化铝基体层、所述基体层及空气参比通道以及所述加热基体层依次叠合于一体。

本实用新型的有益效果是：通过在氧化铝基体层上开设容置孔，并将氧化锆感应层印刷于容置孔内，从而减小了原有氧化锆感应层的面积，使整个传感器承受热疲劳的能力大大提高，有效降低了开裂等失效现象的发生，提高了传感器的使用寿命。

进一步地，所述容置孔为长方形孔。

更进一步地，所述容置孔的长度为5-10mm，所述容置孔的宽度为1.5-4mm。

本实用新型中通过合理设置容置孔的尺寸，在保证氧化锆感应层能够正常工作(高温下作为氧离子通道，连接上电极层和下电极层)的同时，只在感应的很小部分采用氧化锆，增加了氧芯片的绝缘性，降低了基体层及空气参比通道和加热基体层开裂的可能性，提高了芯片的加热稳定性。

进一步地，所述氧化锆感应层的厚度为50-150um。本实用新型中氧化锆感应层的厚度更小，相对较薄，能很好的降低固体电解质中的内阻，从而提高氧传感器的响应时间和响应速度，使氧传感器的性能更优。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种片式开关型氧传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中氧化锆感应层与氧化铝基体层的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见附图1，本实用新型实施例公开了一种片式开关型氧传感器，依次包括：电极绝缘层1、保护层2、上电极层3、信号pad电极层4、氧化锆感应层5、氧化铝基体层6、下电极层7、基体层及空气参比通道8、加热电极层9、加热基体层10以及加热pad电极层11；

电极绝缘层1、保护层2、上电极层3以及信号pad电极层4均印刷于氧化铝基体层6的上表面(即正面)，氧化铝基体层6上开设有一容置孔12，氧化锆感应层5印刷于容置孔12内，下电极层7印刷于氧化铝基体层6的下表面(即反面)，加热电极层9印刷于加热基体层10的上表面(即正面)，加热pad电极层11印刷于加热基体层10的下表面(即反面)，氧化铝基体层6、基体层及空气参比通道8以及加热基体层10依次叠在一起。

由附图1可以看出，氧化铝基体的氧传感器，具体为传感器内的敏感元件，一共由11层结构组成，本实施例主要集中在对氧化锆感应层5和氧化铝基体层6这两层进行改进。

由于氧化锆感应层5需要在高温下作为氧离子通道，连接上电极层3和下电极层7，所以容置孔12位置与上电极层3和下电极层7对应，保证容置孔12内印刷得到的氧化锆感应层5可以正常工作。

更优地，上述容置孔12为长方形孔，具体地，长方形的容置孔12的长度可以在5-10mm之间，宽度可以在1.5-4mm之间，本实施例中容置孔12的长度设为8mm，宽度设为3mm。

更优地，本实施例中氧化锆感应层5由于采用印刷工艺印制而成，印刷层的厚度相对更好控制，所以本实施例得到的氧化锆感应层5的厚度为50-150um，可以是100um，相对较薄，这样能很好的降低固体电解质中的内阻，从而提高氧传感器的响应时间和响应速度。参见附图2，为在氧化铝基体层6上印刷氧化锆感应层5后的状态图。

本实施例中氧传感器主要用于检测汽车尾气中的氧气含量，将其作为反馈信号来控制发动机的喷油量，达到控制燃烧和控制尾气中co、hc的含量，并结合三元催化装置净化发动机尾气的目的。

氧传感器的核心元件是多孔的氧化锆感应层5，其两侧面分别印刷上多孔铂(pt)电极的上电极层3和下电极层7。加热电极层9提供一定的温度，由于汽车尾气在保护层2的外面和基体层及空气参比通道8处的氧浓度不同，高浓度侧(即基体层及空气参比通道8处)的氧分子被吸附在铂电极上与电子(4e)结合形成氧离子o2-，使该电极带正电，o2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧(即保护层2的外面)，使该电极带负电,即产生电势差，其中保护层2主要是保护上电极层3，防止尾气中的颗粒物破坏该层，信号pad电极层4主要是将信号传输出去，加热pad电极层11为加热电极层9提供输入电压，加热基体层10主要为加热电极层9提供基体。

上述实施例公开的片式开关型氧传感器的制造方法，包括如下步骤：

步骤1：在氧化铝基体层6上切割出一个容置孔12；

步骤2：在容置孔12内印刷得到氧化锆感应层5，印刷氧化锆感应层5的过程中，温度可以控制在18-22℃，湿度可以控制在40％-55％；

步骤3：在氧化铝基体层6的上表面依次印刷上电极层3、电极绝缘层1、保护层2以及信号pad电极层4，并在氧化铝基体层6的下表面印刷下电极层7；

步骤4：在加热基体层10的上表面印刷加热电极层9，并在加热基体层10的下表面印刷加热pad电极层11；

步骤5：在基体层及空气参比通道层上表面印刷高温下易挥发的碳浆，烧结后形成空腔与尾端的空气连通；

步骤6：将上下表面印刷相应层结构的氧化铝基体层6、基体层及空气参比通道8以及上下表面印刷相应层结构的加热基体层10依次叠合于一体，得到片式开关型氧传感器。

该方法在原有的氧化铝基氧传感器感应层与中间感应部分采用印刷的方式将氧化锆印刷上去，由于基体材料由原来的氧化锆变成了氧化铝，采用该方法可以很好的解决高温下氧化铝基氧传感器的氧化铝基体层6和基体层及空气参比通道8烧结温度不一致、高温下各种材料收缩率不一致的情况。

通用的氧化铝基的传感器的感应层采用氧化锆材料，一般氧化铝基体层全部采用氧化锆，而加热基体层全部用氧化铝，基体层及空气参比通道则采用氧化铝向氧化锆过渡层，利用的是氧化锆在高温下可以形成固态电解质的特性，通过铂电极将氧分子催化成氧离子，然后利用能斯特原理，将两边的氧浓度差反馈出来，但是，由于氧化铝与氧化锆材料的烧结温度不一致，烧结时收缩率不一致，导致在共烧时，产品很容易开裂。而采用本实施例提供的上述制造方法制备得到的氧传感器可以很好的避免这个问题，感应层只有在感应的很小部分采用的是氧化锆，该层材料也很薄，采用印刷的方式获得，将氧化锆印刷在氧化铝基体层中，达到感应的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。