本发明属于汽车氧传感器
技术领域：
，特别涉及一种新型片式宽域汽车氧传感器及其制备方法。
背景技术：
：稀薄燃烧技术可以提高燃油效率降低尾气污染物的排放，但稀燃烧容易造成发动机熄火，且混合不合理会产生过量的NOx化合物，导致环境污染，宽域氧传感器可以精确监测全范围汽车尾气中的准确氧含量，来反应发动机运行状况，然后发动机电脑才能根据其实时状况进行调整，从而提高燃烧效率、降低污染排放量和检测三元催化运行状况。宽域型氧传感器的核心部件是其敏感芯片，其一般是由加热电极、氧泵外电极、氧泵内电极和参比电极组成，是通过多层印刷电路的五层致密氧化锆（ZrO2）质的基片叠合而成，该芯片的制作方法是：通过流延成型方式制作氧化锆基片；对基片进行切片冲孔；把切好的基片进行多层丝网印刷，制作各个功能层；再把五层基片叠合分切，最后进行烧结、上釉等处理。片式宽域型氧传感器由于其特殊性，各流延基片的厚度、各功能层的设置及各流延基片和各功能层材质的选择等对氧化传感器的性能都有着重要的影响；因此在已知片式宽域型传感器结构的基础上对氧化传感器的结构、流延基片厚度进行优化，以便获得更好的性能参数是目前氧传感器行业的研究课题。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种新型片式宽域汽车氧传感器，该结构的氧传感器通过增加各功能层中流延基片的层数及厚度、改层叠设置的内反应电极和参比反应电极为同一水平面设置，进而使得该结构的氧传感器性能更稳定，生产一致性更好；还提供了该新型片式宽域汽车氧传感器的制备方法。为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种新型片式宽域汽车氧传感器，其创新点在于：所述传感器包括保护层、信号层以及加热层由上至下依次叠合后烧结而成；所述信号层包括由上至下依次叠合的第一层流延基片、第二层流延基片、第三层流延基片、第四层流延基片以及第五层流延基片，在第一层流延基片的上表面设置一外反应电极，所述外反应电极的上表面与下表面分别设置一上外反应电极绝缘层与下外反应电极绝缘层，且在外反应电极上的上外反应电极绝缘层上表面还叠合一保护层；在第三层流延基片的下表面平行设置有一内反应电极和一参比反应电极，且内反应电极和参比反应电极处于同一水平面上，在内反应电极及参比反应电极的上表面与下表面分别设置覆盖两反应电极反应腔的上反应电极绝缘层和下反应电极绝缘层；在第四层流延基片的上表面设置扩散障碍层，且扩散阻碍层为带有气孔的蜂窝状结构；所述参比反应电极引线A的一端与参比反应电极连接，另一端由下至上依次贯穿第三层流延基片、第二层流延基片以及第一层流延基片后的参比反应电极导出孔与外反应电极相连，形成参比电极引出电极引脚，内反应电极引线B的一端与内反应电极连接，另一端由下至上依次贯穿第三层流延基片、第二层流延基片以及第一层流延基片后的内反应电极导出孔与外反应电极相连，形成内反应电极引出电极引脚；所述加热层包括由上至下依次叠合的第六层流延基片、第七层流延基片以及第八层流延基片，在第六层流延基片的上表面与第八层流延基片的下表面分别设置有一加热电极和一加热电极引脚；所述加热电极的上表面与下表面分别设置两上加热电极绝缘层与两下加热电极绝缘层，所述加热电极与加热电极引脚通过一引线C相连，该引线C的一端与加热电极相连，另一端由上至下依次贯穿第六层流延基片、第七层流延基片以及第八层流延基片上的加热电极导出孔与加热电极引脚相连，在第八层流延基片下表面与加热电极引脚上表面之间还设置有加热电极引脚绝缘层；其中，所述第一层流延基片至第八层流延基片的材质均为氧化锆，厚度均为115um；外反应电极、内反应电极以及参比反应电极采用多孔性催化能力强的铂电极，加热电极和加热电极引脚的材质选用铂浆料及对应的各绝缘层的材质选用与不同铂电极匹配的氧化铝。一种上述新型片式宽域汽车氧传感器的制备方法，其创新点在于：所述制备方法具体步骤如下：（1）制备多种流延浆料：以5mol氧化钇稳定氧化锆为主要粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中氧化锆粉体、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：1000:(300～500):(10～30):(50～80):(20～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；以碳粉为主要粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中碳粉、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：500:(300～500):(10～30):(50～80)：(30～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；以5mol氧化钇稳定氧化锆为主要粉体，以碳粉为造孔剂，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中氧化锆粉体、碳粉、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：1000:（100～150）：(300～500):(10～30):(50～80):(20～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；（2）流延成型：各种流延浆料在流延机上进行流延烘干定型，烘干温度为40～80℃，获得厚度为115um的氧化锆流延生坯卷带；（3）去边分切：将115um的氧化锆流延生坯卷带在自动裁片机上，裁成传感器上信号层的第一层流延基片、第二层流延基片、第三层流延基片、第四层流延基片和第五层流延基片，加热层的第六层流延基片、第七层流延基片和第八层流延基片；（4）冲孔：在裁好的第一层流延基片、第二层流延基片、第三层流延基片、第四层流延基片和第五层流延基片冲出参比反应电极导出孔和内反应电极导出孔；在第六层流延基片、第七层流延基片和第八层流延基片上冲出加热电极导出孔；（5）丝网印刷：在第一层流延基片上表面印刷氧化铝浆料,形成下外反应电极绝缘层，然后在下外反应电极绝缘层上表面印刷Pt电极浆料，形成外反应电极，再在外反应电极上表面印刷氧化铝浆料，形成上外反应电极绝缘层，最后在上外反应电极绝缘层印刷外电极保护层；在第三层流延基片的下表面印刷氧化铝浆料,形成上反应电极绝缘层，然后在上反应电极绝缘层下表面印刷Pt电极浆料，形成平行设置的内反应电极和参比反应电极，最后在内反应电极和参比反应电极下表面印刷氧化铝浆料，形成下反应电极绝缘层；且在第四层流延基片的上表面印刷带有气孔的蜂窝状结构的扩散阻碍层；在第六层流延基片上表面印刷两次氧化铝浆料,形成两下加热电极绝缘层，然后在下加热电极绝缘层上表面印刷Pt电极浆料，形成加热电极，最后在加热电极上表面印刷两次氧化铝浆料，形成两上加热电极绝缘层；在第八层流延基片的下表面印刷氧化铝浆料，形成加热引脚绝缘层，然后在引脚绝缘层下表面印刷加热引脚；其中每一次印刷都通过图形检测系统进行不良品的记录；（6）叠片：将所有印刷、填充好的第八层流延基片至第一层流延基片由下至上进行叠合，最后叠合上保护层形成氧传感器生坯；（7）真空封塑：在叠合后的氧传感器生坯下方垫上钢板，然后进行真空包装；（8）温等静压：对包装好的氧传感器生坯进行温水等静压压制，使所有流延基片叠合紧密，等静压温度为80℃，时间为30～60min，形成一个稳定的整体，等静压完成后擦干包装外面的水，取出氧传感器生坯；（9）分切：对压制好的氧传感器生坯进行加温切割，首先对氧传感器生坯进行预热处理，使PVB软化，便于切割，切割时同时对氧传感器生坯和刀片进行加热，切割成规则、精确的传感器基片；其中，切割预热温度为50～80℃，切割台板温度为60～80℃，切割刀口的温度为80℃；（10）烧结：把传感器基片按照顺序摆好在高温炉内，按照烧结程序进行烧结，烧结温度为1400～1500℃，保温时间为2h。进一步地，所述步骤（1）中的溶剂为无水乙醇和二甲苯，分散剂为改性鱼油，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，增塑剂为邻苯二甲酸丁苄酯。本发明的优点在于：（1）本发明的新型片式宽域汽车氧传感器，改层叠设置的内反应电极和参比反应电极为同一水平面设置，使得内反应电极和参比反应电极的上表面和下表面可分别共用同一反应绝缘层，减少了反应电极绝缘层的设置，同时也使得整体结构更加紧凑，进而可提高流延基片整体的强度；上、下加热电极绝缘层均由一层改为双层，可进一步保证加热电路完全包裹在加热电极绝缘层内，与流延基片隔绝；此外，扩散阻碍层为带有气孔的蜂窝状结构，因而更有利于气体的流动；且该结构设计没有复杂的空气通道，通过车的ECU给参比电极一个额定的电流来实现参比，解决了空气通道在恶劣环境下改变，从而导致传感器不准的情况，适用与国五排放车辆的使用；本专利通过这些调整，可使氧化传感器整体的性能更加稳定，且生产一致性更好；（2）本发明新型片式宽域氧传感器的制备方法，采用流延生坯带膜操作，大大降低了后续印刷烘干带来的变形，为传感器的多层套印带来很大的帮助，而且膜片不易被污染，易于叠合；且本发明的制备方法，严格控制各制备步骤的工艺参数，进而保证了最终产品性能的稳定性；（3）本发明新型片式宽域氧传感器的制备方法，采用改性鱼油为分散剂，改性鱼油中氧含量增加，能够更好润湿颗粒表面；采用聚乙烯醇缩丁醛为粘合剂，具有高度的成膜性和良好的粘结性能；采用邻苯二甲酸丁苄酯为增塑剂，与树脂相容性好，具有良好的耐污染性，塑化速度快。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。图1是本发明新型片式宽域汽车氧传感器的结构示意图。具体实施方式下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。实施例本实施例新型片式宽域汽车氧传感器，如图1所示，该传感器包括保护层、信号层以及加热层由上至下依次叠合后烧结而成；信号层包括由上至下依次叠合的第一层流延基片1、第二层流延基片2、第三层流延基片3、第四层流延基片4以及第五层流延基片5，在第一层流延基片1的上表面设置一外反应电极22，外反应电极22的上表面与下表面分别设置一上外反应电极绝缘层23与下外反应电极绝缘层21，且在外反应电极上的上外反应电极绝缘层23上表面还叠合一保护层24；在第三层流延基片3的下表面平行设置有一内反应电极10和一参比反应电极9，且内反应电极10和参比反应电极9处于同一水平面上，在内反应电极10及参比反应电极9的上表面与下表面分别设置覆盖两反应电极反应腔的上反应电极绝缘层20和下反应电极绝缘层19；在第四层流延基片4的上表面设置扩散障碍层11，且扩散阻碍层11为带有气孔的蜂窝状结构。参比反应电极引线A的一端与参比反应电极9连接，另一端由下至上依次贯穿第三层流延基片3、第二层流延基片2以及第一层流延基片1后的参比反应电极导出孔与外反应电极22相连，形成参比电极引出电极引脚，内反应电极引线B的一端与内反应电极10连接，另一端由下至上依次贯穿第三层流延基片、第二层流延基片以及第一层流延基片后的内反应电极导出孔与外反应电极22相连，形成内反应电极引出电极引脚。加热层包括由上至下依次叠合的第六层流延基片6、第七层流延基片7以及第八层流延基片8，在第六层流延基片6的上表面与第八层流延基片8的下表面分别设置有一加热电极16和一加热电极引脚12；加热电极16的上表面自上而下依次设置有上加热电极绝缘层18和上加热电极绝缘层17，加热电极16的下表面自上而下依次设置有下加热电极绝缘层15和下加热电极绝缘层14；加热电极16与加热电极引脚12通过一引线C相连，该引线C的一端与加热电极16相连，另一端由上至下依次贯穿第六层流延基片6、第七层流延基片7以及第八层流延基片上8的加热电极导出孔与加热电极引脚12相连，在第八层流延基片8下表面与加热电极引脚12上表面之间还设置有加热电极引脚绝缘层13。作为实施例，更具体的实施方式为第一层流延基片至第八层流延基片的材质均为氧化锆，厚度均为115um；外反应电极22、内反应电极10以及参比反应电极9采用多孔性催化能力强的铂电极，加热电极16和加热电极引脚12的材质选用铂浆料及对应的各绝缘层的材质选用与不同铂电极匹配的氧化铝。本实施例新型片式宽域汽车氧传感器的制备方法，其特征在于：所述制备方法具体步骤如下：（1）制备多种流延浆料：以5mol氧化钇稳定氧化锆为主要粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中氧化锆粉体、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：1000:(300～500):(10～30):(50～80):(20～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；以碳粉为主要粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中碳粉、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：500:(300～500):(10～30):(50～80)：(30～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；以5mol氧化钇稳定氧化锆为主要粉体，以碳粉为造孔剂，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中氧化锆粉体、碳粉、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：1000:（100～150）：(300～500):(10～30):(50～80):(20～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；其中，溶剂为无水乙醇和二甲苯，分散剂为改性鱼油，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，增塑剂为邻苯二甲酸丁苄酯；（2）流延成型：各种流延浆料在流延机上进行流延烘干定型，烘干温度为40～80℃，获得厚度为115um的氧化锆流延生坯卷带；（3）去边分切：将115um的氧化锆流延生坯卷带在自动裁片机上，裁成传感器上信号层的第一层流延基片1、第二层流延基片2、第三层流延基片3、第四层流延基片4和第五层流延基片5，加热层的第六层流延基片6、第七层流延基片7和第八层流延基片8；（4）冲孔：在裁好的第一层流延基片1、第二层流延基片2、第三层流延基片3、第四层流延基片4和第五层流延基片5冲出参比反应电极导出孔和内反应电极导出孔；在第六层流延基片6、第七层流延基片7和第八层流延基片8上冲出加热电极导出孔；（5）丝网印刷：在第一层流延基片1上表面印刷氧化铝浆料,形成下外反应电极绝缘层21，然后在下外反应电极绝缘层21上表面印刷Pt电极浆料，形成外反应电极22，再在外反应电极上22表面印刷氧化铝浆料，形成上外反应电极绝缘层23，最后在上外反应电极绝缘层23印刷外电极保护层24；在第三层流延基片3的下表面印刷氧化铝浆料,形成上反应电极绝缘层20，然后在上反应电极绝缘层20下表面印刷Pt电极浆料，形成平行设置的内反应电极10和参比反应电极9，最后在内反应电极10和参比反应电极9下表面印刷氧化铝浆料，形成下反应电极绝缘层19；且在第四层流延基片的上表面印刷带有气孔的蜂窝状结构的扩散阻碍层11；在第六层流延基片6上表面印刷两次氧化铝浆料,形成两下加热电极绝缘层，然后在下加热电极绝缘层15上表面印刷Pt电极浆料，形成加热电极16，最后在加热电极上表面印刷两次氧化铝浆料，形成两上加热电极绝缘层；在第八层流延基片8的下表面印刷氧化铝浆料，形成加热引脚绝缘层13，然后在引脚绝缘层下表面印刷加热引脚12；其中每一次印刷都通过图形检测系统进行不良品的记录；（6）叠片：将所有印刷、填充好的第八层流延基片至第一层流延基片由下至上进行叠合，最后叠合上保护层形成氧传感器生坯；（7）真空封塑：在叠合后的氧传感器生坯下方垫上钢板，然后进行真空包装；（8）温等静压：对包装好的氧传感器生坯进行温水等静压压制，使所有流延基片叠合紧密，等静压温度为80℃，时间为30～60min，形成一个稳定的整体，等静压完成后擦干包装外面的水，取出氧传感器生坯；（9）分切：对压制好的氧传感器生坯进行加温切割，首先对氧传感器生坯进行预热处理，使PVB软化，便于切割，切割时同时对氧传感器生坯和刀片进行加热，切割成规则、精确的传感器基片；其中，切割预热温度为50～80℃，切割台板温度为60～80℃，切割刀口的温度为80℃；（10）烧结：把传感器基片按照顺序摆好在高温炉内，按照烧结程序进行烧结，烧结温度为1400～1500℃，保温时间为2h。本氧传感器的各性能参数检测如下：a传感器平整度检测：将传感器平放在高平整度的工作台上，用厚度测试仪，在传感器的头部、中部、尾部分别取三个点进行测试，保护层区域和印刷线区域除外，厚度差小于0.05mm；b传感器泄漏测试：通过泄漏测试仪，给传感器的空气参比通道施加380KPa的压力，泄漏量小于0.1ml/min；c传感器强度测试：抽取几只氧传感器进行破坏性强度测试，氧传感器弯曲强度为400MPa以上；d传感器加热电阻测试：用万用表通过加热引脚测试加热电极的常温电阻值，测试结果如下表所示：编号1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#电阻值（Ω）3.12.72.93.12.82.93.23.33.53.3编号11#12#13#14#15#16#17#18#19#20#电阻值（Ω）3.02.93.23.42.83.13.53.02.72.6由上表可知，本发明的氧传感器电阻分布均匀，合格率可达95%以上，加热电阻3.2±0.5Ω，国内很多厂家只能做到±1.5Ω甚至±2Ω；e传感器绝缘性能测试：通过绝缘仪分别测试加热器对信号外电极端的绝缘电阻、加热器对参比电极端的绝缘电阻、信号外电极端对参比电极端的绝缘电阻，测试结果如下表所示：检测项目测试电压（V）检测标准实测值（MΩ）加热器对信号外电极端的绝缘电阻800﹥100MΩ683加热器对信号内泵电极端的绝缘电阻800﹥100MΩ451加热器对参比电极端的绝缘电阻800﹥100MΩ564信号外电极端对信号内电极端的绝缘电阻800﹥100MΩ450信号外电极端对信号内泵电极端的绝缘电阻800﹥100MΩ350信号外电极端对参比电极端的绝缘电阻800﹥100MΩ411由上表可知，本发明的氧传感器绝缘性能好；f组装好宽域氧传感器芯片后，进行标准气氛标定：将组装好的传感器安装在氧传感器配气测试台上，进行测试，首先根据标准值，进行匹配电阻的标定，然后再配置不同气氛的标准气进行比对，显示值非常精确，偏差较小，不同λ值得实测数据如下表所示：测试项目标准值1#2#3#4#4#5#6#起燃时间≤25s10.212.511.91312.811.911.6λ=0.8λ=0.8±0.010.8060.8040.8020.7990.8030.7990.801λ=1.0λ=1.1±0.051.1021.1011.0971.0961.0921.1031.104λ=1.7λ=1.7±0.051.711.721.691.671.731.741.71由上表可知：本发明制备的氧传感器满足汽车尾气氧传感器的各种使用要求，传感器平整度好，强度高，并且工艺过程控制非常好，产品合格率高，产品性能更加稳定，生产一致性更佳。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。当前第1页1 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