一种氮氧化物传感器芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于汽车尾气氮氧化物传感器技术领域。尤其涉及一种氮氧化物传感器芯片及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前车用尾气氮氧化物传感器芯片是由六层氧化锆基片叠合而成，如“气体传感器、氮氧化物传感器和制造气体传感器的方法”(US20090242400)专利技术和“校正氮氧化物传感器输出信号的方法”(US20080237064)专利技术，所述专利技术均由三个电化学氧泵、两个腔室、一个参比空气通道、一个加热电阻、引线和八个引脚构成，三个电化学氧泵分别是主泵、辅助泵和测量泵，主泵在第一腔室，辅助泵和测量泵在第二腔室，第一腔室和第二腔室中间以狭缝连结，总体结构复杂。
[0003]这种氮氧化物传感器芯片的工作原理是尾气先被引到第一腔室，并由主泵抽掉所有的氧气；再被引入第二腔室并由辅助泵进一步抽掉尾气中的氧气，使尾气中氧浓度降至极低；然后尾气中的氮氧化物在测量泵的活化电极作用下分解为氧气和氮气，最后通过测量泵的极限电流得出对应氮氧化物的含量。这种氮氧化物传感器芯片结构复杂，制作成本高难度大。
[0004]近年来，Jing Gao等提出一种新型的氮氧化物传感器(J.Gao et al./ Sensorsand Actuators B 154 (2011) 106 - 110)，这种氮氧化物传感器基于电化学原理，运用氧化锆的离子导电性，并将氧化锆印刷在氧化铝基片上，在氧化锆的两边分别印刷活化电极和非活化电极，并在活化电极和非活化电极上覆盖一层催化层以排除一氧化碳和碳氢化合物对传感器电信号的干扰，从而提高传感器对氮氧化物的选择性。氧含量可以用简单的氧敏电阻来测量，比如STF氧敏电阻(即铁掺杂钛酸锶氧敏电阻)有比较好的氧敏特性。但是这种新型氮氧化物传感器仍然存在不足:这种新型氮氧化物传感器在电极材料的选择上仍然存在问题，致使它的信号极易受汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的干扰；这种新型氮氧化物传感器的基片上没有集成氧传感器，但是它需要在氧传感器的配合下工作，致使在实际使用的过程中成本增加。
【发明内容】
[0005]本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种制备简单和成本低的氮氧化物传感器芯片的制备方法，用该方法制备的氮氧化物传感器芯片结构简单、测量效果好和能同时测量氮氧化物含量和氧含量。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:所述氮氧化物传感器芯片是将加热电阻、氮氧化物浓差电池和STF氧敏电阻集成在氧化铝基片的表面。加热电阻、氮氧化物浓差电池和STF氧敏电阻在氧化铝基片的投影位置是:加热电阻对称分布在氧化铝基片的靠近周边处；氮氧化物浓差电池的中心与氧化铝基片左端距离为4mm ;STF氧敏电阻的中心与氧化铝基片左端的距离为1mm ;氮氧化物浓差电池的中心和STF氧敏电阻的中心位于氧化铝基片的对称线上。
[0007]所述氮氧化物传感器芯片的制备方法是:
步骤一、在氧化铝基片的正面印刷氮氧化物浓差电池的电解质层，然后在1450?1550°C条件下烧结0.5~lh。
[0008]步骤二、在氧化铝基片的正面印刷STF氧敏电阻的过渡层，然后在1100?1400°C条件下烧结0.5~lh。
[0009]步骤三、在氧化铝基片的正面印刷STF氧敏电阻的电阻层，然后在1100?1350°C条件下烧结0.5~lh。
[0010]步骤四、在氧化铝基片的正面印刷加热电阻的电阻丝，在氧化铝基片的反面印刷加热电阻的电阻丝的引脚，在氧化铝基片的正面印刷与电阻丝连接的电阻丝的引线，将两根电阻丝的引线分别穿过氧化铝基片，再在氧化铝基片的反面印刷与两个电阻丝的引脚对应连接的电阻丝的引线。
[0011]然后在氧化铝基片的正面印刷氮氧化物浓差电池的活化电极、氮氧化物浓差电池的非活化电极、氮氧化物浓差电池的活化电极的引线、氮氧化物浓差电池的活化电极的引脚、氮氧化物浓差电池的非活化电极的引线和氮氧化物浓差电池的非活化电极的引脚，再印刷STF氧敏电阻的端子、STF氧敏电阻的端子的引线和STF氧敏电阻的端子的引脚，最后印刷氮氧化物浓差电池的催化层。
[0012]步骤五、在步骤四的基础上，在900?1100°C条件下烧结0.5~lh，制得氮氧化物传感器芯片。
[0013]所述印刷是指在室温条件下，采用丝网印刷方式对加热电阻、氮氧化物浓差电池和STF氧敏电阻中的各元件采用对应的浆料进行印刷。
[0014]所述的加热电阻对称分布在氧化铝基片的靠近周边处是指:加热电阻的电阻丝对称分布在氧化铝基片正面的左端靠近周边处，加热电阻的电阻丝的引线的左半部分对称分布在氧化铝基片正面的中部左半部分的靠近周边处，加热电阻的电阻丝的引线的右半部分对称分布在氧化铝基片背面的中部右半部分的靠近周边处，加热电阻的电阻丝的引脚对称分布在氧化铝基片背面的右端靠近周边处。
[0015]或加热电阻对称分布在氧化铝基片的靠近周边处是指:加热电阻对称分布在氧化铝基片背面的靠近周边处。
[0016]所述氧化铝基片的平面形状为左宽右窄的两个矩形组成的整体，两个矩形的对称线为同一条直线，或所述氧化铝基片的平面形状为一个矩形。
[0017]所述印刷加热电阻的电阻丝的阻值为2~20欧姆。
[0018]所述的对加热电阻、氮氧化物浓差电池和STF氧敏电阻中的各元件采用对应的浆料进行印刷是指:
印刷氮氧化物浓差电池的电解质层所采用的料浆为氧离子导电陶瓷浆料，氧离子导电陶瓷浆料为8%摩尔分数氧化钇稳定氧化锆浆料；8%摩尔分数氧化钇稳定氧化锆浆料中的氧化错粒径小于0.5 μ m ;
印刷氮氧化物浓差电池的活化电极所采用的浆料为铂铑浆料，铂铑浆料中铂含量为95wt%，铂铑浆料中铑含量为5wt% ;铂铑浆料中:铂的粒径为0.01?0.5 μπι，铑的粒径为0.01 ?0.5 μ m ; 印刷氮氧化物浓差电池的非活化电极所采用的浆料为金铂浆料，金铂浆料中铂含量为80wt%，金铂浆料中金含量为20wt% ;金铂浆料中:金的粒径为0.0l?0.5 μ m，铂的粒径为0.01 ?0.5 μ m ;
印刷氮氧化物浓差电池的催化层所采用的浆料为含铂4.5wt%的氧化铝浆料，含铂4.5wt%的氧化铝浆料中:铂的粒径为0.01?0.5 μm，氧化铝的粒径小于0.5 μπι;
印刷加热电阻的电阻丝、加热电阻的电阻丝的引线、加热电阻的电阻丝的引脚、氮氧化物浓差电池的活化电极的引线、氮氧化物浓差电池的活化电极的引脚、氮氧化物浓差电池的非活化电极的引线、氮氧化物浓差电池的非活化电极的引脚、STF氧敏电阻的端子、STF氧敏电阻的端子的引线和STF氧敏电阻的端子的引脚所采用的浆料为铂浆，铂浆中的铂粒径为 0.01 ?0.5 μ m ;
印刷STF氧敏电阻的过渡层所采用的浆料为20wt%的8%摩尔分数氧化钇稳定氧化锆和80wt%的STF混合浆料，80wt%的STF浆料中STF的粒径小于0.5 μ m ;
印刷STF氧敏电阻的电阻层所采用的浆料为STF浆料，STF浆料中STF的粒径小于0.5 μ m0
[0019]由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果:
一、本发明中的氮氧化物传感器芯片结构简单。目前车用尾气氮氧化物传感器芯片是由六层氧化锆基片叠合而成，由三个电化学氧泵、两个腔室、一个参比空气通道、一个加热电阻、引线和八个引脚构成，三个电化学氧泵分别是主泵、辅助泵和测量泵，主泵在第一腔室，辅助泵和测量泵在第二腔室，第一腔室和第二腔室中间以狭缝连结，总体结构复杂。而本发明在结构上省去了三个电化学氧泵、两个腔室、一个参比空气通道和两个引脚，极大地简化了氮氧化物传感器芯片的结构。
[0020]二、本发明的制备过程简单。现有氮氧化物传感器芯片由于结构复杂、体积小的原因，制作十分困难:需要在氧化锆基片上冲切两个腔室、一个狭缝和一个参比气体通道；这两个腔室、一个狭缝和一个参比气体通道在六层氧化锆基片的叠合、压制和烧结过程中极易变形，变形严重的情况下会导致腔室、狭缝和参比气体通道堵塞、开裂，致使氮氧化物传感器芯片失效。而本发明由于结构简单，只需