一种具有内参比气氛的气体传感器芯片的制作方法

本实用新型涉及气体传感器技术领域，具体为一种具有内参比气氛的气体传感器芯片。

背景技术：

汽车尾气排放标准要求日益提高加快了汽车尾气后处理系统的发展。气体传感器作为重要的后处理系统部件受到关注。氧气传感器是目前广泛应用于汽车尾气检测的气体传感器，其主要包括了开关型传感器，宽域型传感器，氮氧型传感器等。目前，氧气传感器芯片工作基本原理是标准能斯特浓差电池并结合汽车尾气的电信号控制策略。传统氧气传感器芯片的结构包括了外电极、电解质基体、内电极、参比空气气道。根据能斯特方程的特点，参比空气必须具有标准性，得到的电信号才能够准确，具有参考意义。如果参比空气不是标准空气，例如参考空气被污染，其中氧气浓度不对，就使得基本的工作原理不正确，电输出信号出现偏差，进而影响汽车尾气系统的检测工作。然而，很多工况下容易导致参比空气出现偏差，例如传感器套装的密封失效，空气气道裂纹，空气进气污染等。因此，现阶段的参比空气工作方式对整个氧气传感器的设计与制备工艺提出了严峻的考验。气体传感器的工作寿命因为参比空气的失效而大幅降低。

能斯特方程中的参比空气作为内电极的化学势来源，给内电极提供了氧化学势。当参比空气在内电极上吸附、脱附处于平衡时，这样的化学势等价于电极电化学势。测试气氛在标准空气为21％氧气浓度下能够精确采集所需要的电信号。但是，当这样的参比空气浓度不准确，或者平衡态没有达到，氧化学势的平衡被打破，不再等于理想化的电极电化学势，直接影响电信号的准确性，带来电信号的漂移。

因此，如果能够将这样有形的标准参比空气转化为另外的更加可靠的形式，就能够有效提高氧传感器芯片的测试精度与寿命。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有内参比气氛的气体传感器芯片。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种具有内参比电极的气体传感器芯片，包括基体单元、设置在所述基体单元上的内电极、外电极以及加热器，还包括连接所述内电极的泵电流产生单元，所述泵电流产生单元用于在所述内电极上施加一个微安级别的泵电流，所述泵电流在所述内电极上泵氧得到内参比气氛,且所述芯片上不具有用于引入参比空气气氛的空气腔道。

进一步地：

还包括监测芯片的电信号变化的监测单元。

所述泵电流产生单元和所述监测单元基于同一个控制电路实现。

所述基体单元为多层氧化锆陶瓷。

所述内电极和所述外电极为铂电极。

所述内参比气氛的气体传感器芯片应用范围包括，开关型传感器、宽域型传感器、氮氧型传感器等。

所述具有内参比气氛的气体传感器芯片能够作为功能单元单独工作，也可以作为功能单元的一部分与其他单元协同工作。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的气体传感器芯片在结构上没有空气腔道，而是利用泵电流产生单元产生泵电流来形成内参比气氛。通过内电极上施加一个微安级别的泵电流，从而在内电极上形成固定的电化学势。泵电流在内电极上泵氧，可得到100％氧浓度的内参比氧电势，类似模拟了外界引入内参比气氛环境。这样的模拟气氛在工作环境中未改变外电极的工作特性，因此内参比气氛下的电信号不变。通过在参比内电极施加泵电流模拟得到的气氛环境，相对于外界引入的标准空气更加稳定、可靠。由于不需要在芯片内设置空气腔道，芯片的结构及制作工艺也更为简单。

附图说明

图1为传统气体传感器芯片电信号输出示意图。

图2为本实用新型实施例的气体传感器芯片结构示意图。

图3为本实用新型实施例的气体传感器芯片的电信号输出示意图。

图4为本实用新型实施例的气体传感器芯片的制备过程示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

参阅图2，在一种实施例中，一种具有内参比气氛的气体传感器芯片，包括基体单元1、设置在所述基体单元上的内电极2、外电极3以及加热器4，还包括连接所述内电极2的泵电流产生单元5，所述泵电流产生单元5用于在所述内电极2上施加一个微安级别的泵电流I，所述泵电流在所述内电极2上泵氧得到参比气氛,且所述芯片上不具有用于引入参比空气气氛的空气腔道。

在优选的实施例中，所述气体传感器芯片还包括监测芯片的开关电信号变化的监测单元。

在优选的实施例中，所述泵电流产生单元5和所述监测单元基于同一个控制电路实现。

在优选的实施例中，所述基体单元1为多层氧化锆陶瓷。

在优选的实施例中，所述内电极2和所述外电极3为铂电极。

开关型气体传感器芯片的工作原理是利用能斯特电压开关特性，能斯特电势差E在标准空气燃油平衡值λ＝1处出现骤变作为电信号切换点工作，如图1所示为传统的气体传感器测试信号。能斯特电势差E的电信号特性跟测试气氛有关，与参比气氛形式无关。

本实用新型气体传感器芯片包括内电极、外电极、加热器等功能单元以及基体单元，如图2所示。本实用新型中的内、外电极均为铂电极，加热器为铂电极或者其他贵金属电极。

本实用新型在芯片的结构上没有设置引入参比空气气氛的空气腔道，而是利用有泵氧电流形成参比气氛。

本实用新型气体传感器芯片使用时提供一个泵电流到芯片的内电极，并监控开关电压的变化。具体来说，由控制电路提供内电极一个泵电流之后，并检测电信号的骤变电压中心值。

传统气体传感器内电极的化学势φ1由氧浓度为21％的参比空气产生，与参比空气浓度直接相关。本实用新型中内参比电极上施加一个微安级别的泵电流，从而在内电极上形成固定的电化学势φ2。泵电流在内电极上泵氧，得到100％氧浓度的参比氧电势，从而模拟了外界引入内参比气氛环境。这样的模拟气氛在工作中未改变测试气氛，因此内参比电极的开关电信号也发生在标准空气燃油平衡值λ＝1处。参比内电极的模拟得到的气氛环境相对于外界引入的标准空气更加稳定、可靠。

虽然本实用新型气体传感器芯片与传统气体传感器芯片的内电极开关电信号一致，但是泵电流会导致内电极电压变化，因此φ1≠φ2。

外电极的电极电势φ3只与外界的测试气氛有关，与内电极的形式无关。

本实用新型气体传感器芯片输出电信号平移量的绝对值为Δ＝φ1-φ2，如图3所示，E整体正向偏移，仍旧在标准空气燃油平衡值λ＝1处实现开关特性。施加0-100μA微安级别电流，对应的信号输出偏移量的范围在0-400mv的偏移。

本实用新型开关型气体传感器芯片在尾气气氛中至λ＝1附近的电信号会切换突变，得到对应的电信号中心值。这样的中心值是告知传感器电控中心的数值，是电控中心对尾气排放控制的关键信息。

氧传感器芯片的制备

如图4所示，本实用新型气体传感器芯片的制备方法可采用传统的多层陶瓷制备技术，包括多层氧化锆陶瓷流延、印刷、层压、切割、烧结等工序。

流延包括使用无机粉体、溶剂、有机添加剂等混合形成均匀的浆料，在使用刮刀形成一定厚度的生瓷膜带。

生瓷膜带经过干燥之后，按照相应的设计在膜片上印刷电路。

各层印刷电路完成的膜带按照一定的顺序堆叠起来，形成一个完整的整体。

通过层压的方法使膜带形成紧密整体。

经过切割工艺，得到单独的芯片生瓷体。

生瓷块通过高温烧结形成具有功能的陶瓷气体传感器芯片。

实例1

一种氧化锆基体气体传感器芯片，其基本的结构如图2所示。整个芯片是无空腔结构的，多层氧化锆是紧密成型的。芯片包含了内电极、外电极、加热器等部分。制备的工艺流程如图4所示，按照流延、印刷、层压、切割、烧结、调电信号等工序完成。

配制流延浆料制备基体流延膜带，厚度约为150μm。

通过丝网印刷工作单元，印刷内、外电极与加热器的图案。

多层膜片的堆叠层压，得到完整结构的生陶块。

再经过切割，得到单独的芯片生瓷体。

最后经过高温烧结得到具有功能的陶瓷器件。

调电信号点是为了配合电控中心的电信号识别。使用20μA的氧离子电流从芯片的测试气氛端的外电极流向内参比氧电极。芯片在λ＝1的信号实现电信号中心电压，例如600mv左右。内参比电压输出电信号如图3所示。电压的整体输出值高出了具有参比空气的约为150mV。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。