一种宽域型氧传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种氧传感器及其制备方法，具体涉及一种宽域型氧传感器及其制备方法，属于氧传感器技术领域。


背景技术：

2.氧传感器在医疗、生物技术、汽车及生产安全等领域均有着广泛的应用，例如在进行汽车排放控制或判断飞机航空燃油箱的惰化情况时，均需要去测量进气口气体中氧气的含量以判断其是否处于理想空燃比状态或是否在箱体氧含量限值之上。基于钇稳定氧化锆(ysz)固体电解质的宽域型氧传感器由于结合了氧化锆的两大特性——浓差电池特性(氧化锆两侧含氧量不同时，在氧化锆电极两侧产生电动势)和极限电流特性(在氧化锆电极两侧加上电压，可以使氧离子发生移动)，可避免浓差电池高浓度线性响应低和极限电流低浓度信号响应低的局限，所以可以在较宽氧范围内实现对氧含量快速、精准的测量。
3.目前，宽域型氧传感器主要应用于汽车进气口和尾气检测，为保证在汽车使用过程中的可靠性需求，传感器芯体结构通常尺寸较大且结构大多较为复杂，扩散室、参考室、泵电池、氧浓差电池等均需要垂直排列，并且需要3～5层氧化锆功能层。除此之外，传感器的每一层结构均需要根据不同的功能进行相应后续操作施以不同的形状，非常不利于后期生产过程中的批量一致性，这不仅会提高人工等成本，更重要的是，会影响传感器测量结果的准确性。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、批量一致性高的宽域型氧传感器，以及该宽域型氧传感器的制备方法。
5.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
6.一种宽域型氧传感器，其特征在于，包括以下结构：
7.致密ysz衬底；
8.印刷在致密ysz衬底上面的氧参考室和扩散室，氧参考室在左，扩散室在右；
9.沉积在致密ysz衬底的上面且避过氧参考室和扩散室的al2o3绝缘层；
10.沉积在al2o3绝缘层的上面且分别与氧参考室和扩散室接触的下层多孔pt电极a和下层多孔pt电极b，二者的宽度分别小于氧参考室和扩散室的宽度；
11.沉积在al2o3绝缘层的上面且分别垂直横跨下层多孔pt电极a和下层多孔pt电极b的al2o3绝缘带层a和al2o3绝缘带层b，其中，al2o3绝缘带层a位于氧参考室的左侧、不与氧参考室直接接触，al2o3绝缘带层b位于扩散室的右边偏左、与扩散室直接接触且使扩散室的右边处于暴露状态；
12.沉积在al2o3绝缘层、下层多孔pt电极a、下层多孔pt电极b、al2o3绝缘带层a和al2o3绝缘带层b上面的ysz固体电解质，ysz固体电解质的左边和右边分别覆盖al2o3绝缘带层a的右半边和al2o3绝缘带层b的左半边；
13.以及沉积在ysz固体电解质上面的上层多孔pt电极a和上层多孔pt电极b，上层多孔pt电极a在左、与下层多孔pt电极a形成一对电极，上层多孔pt电极b在右、与下层多孔pt电极b形成一对电极。
14.优选的，所述氧参考室和扩散室均采用多孔ysz陶瓷浆料制成，印刷厚度为25μm～200μm，左右距离为3mm～5mm。
15.优选的，所述al2o3绝缘层的沉积厚度为15μm～20μm。
16.优选的，所述al2o3绝缘带层a和al2o3绝缘带层b的沉积厚度为20μm～50μm。
17.优选的，所述ysz固体电解质的沉积厚度为100μm～500μm。
18.优选的，所述下层多孔pt电极a、下层多孔pt电极b、上层多孔pt电极a和上层多孔pt电极b的沉积厚度为1μm～2μm。
19.一种前述的宽域型氧传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
20.step1：在致密ysz衬底上印刷氧参考室和扩散室；
21.step2：利用等离子体喷雾沉积技术在致密ysz衬底的上面避开氧参考室和扩散室沉积al2o3绝缘层；
22.step3：采用溅射技术利用掩模板在al2o3绝缘层的上面沉积出呈长方形的下层多孔pt电极a和下层多孔pt电极b；
23.step4：采用等离子体喷雾沉积技术在al2o3绝缘层的上面沉积al2o3绝缘带层a和al2o3绝缘带层b；
24.step5：采用等离子体喷雾沉积技术在al2o3绝缘层、下层多孔pt电极a、下层多孔pt电极b、绝缘带层a和绝缘带层b的上面沉积ysz固体电解质；
25.step6：采用溅射技术利用掩模板在ysz固体电解质的上面沉积上层多孔pt电极a和上层多孔pt电极b。
26.本发明的有益之处在于：本发明在满足宽域型氧传感器正常工作的条件下，对宽域型氧传感器的结构进行了简化，将其中的氧储存电池和氧泵电池由传统的垂直排列改为水平间隔排列，改进后的宽域型氧传感器仅需要一层ysz固体电解质(氧储存电池和氧泵电池共享一个ysz固体电解质)，且各功能结构后续无需再进行二次加工成型，不仅降低了宽域型氧传感器的生产成本，更重要的是，在生产过程中有效保证了宽域型氧传感器高的批量一致性，进而可以提升宽域型氧传感器的检测质量和可靠性。
附图说明
27.图1是本发明提供的宽域型氧传感器的主视图；
28.图2是本发明提供的宽域型氧传感器的俯视图；
29.图3是本发明提供的宽域型氧传感器的分解图。
30.图中附图标记的含义：1-致密ysz衬底、2-氧参考室、3-扩散室、4-al2o3绝缘层、5-下层多孔pt电极a、6-下层多孔pt电极b、7-al2o3绝缘带层a、8-al2o3绝缘带层b、9-ysz固体电解质、10-上层多孔pt电极a、11-上层多孔pt电极b。
具体实施方式
31.以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
32.一、宽域型氧传感器的结构
33.参照图1、图2和图3，本发明提供的宽域型氧传感器的结构包括：致密ysz衬底1、氧参考室2、扩散室3、al2o3绝缘层4、下层多孔pt电极a 5、下层多孔pt电极b 6、al2o3绝缘带层a 7、al2o3绝缘带层b 8、ysz固体电解质9、上层多孔pt电极a 10和上层多孔pt电极b11。其中：
34.氧参考室2和扩散室3印刷在致密ysz衬底1的上面，氧参考室2在左，扩散室3在右，氧参考室2和扩散室3均采用多孔ysz陶瓷浆料制成，印刷厚度为25μm～200μm，左右距离为3mm～5mm。
35.al2o3绝缘层4沉积在致密ysz衬底1的上面，并且避过氧参考室2和扩散室3，al2o3绝缘层4的沉积厚度为15μm～20μm。
36.下层多孔pt电极a 5和下层多孔pt电极b 6沉积在al2o3绝缘层4的上面，沉积厚度为1μm～2μm，其中，下层多孔pt电极a 5与氧参考室2接触，下层多孔pt电极b 6与扩散室3接触，并且下层多孔pt电极a 5的宽度小于氧参考室2的宽度，下层多孔pt电极b 6的宽度小于扩散室3的宽度；
37.al2o3绝缘带层a 7和al2o3绝缘带层b 8沉积在al2o3绝缘层4的上面，沉积厚度为20μm～50μm，其中，al2o3绝缘带层a 7位于氧参考室2的左侧、垂直横跨下层多孔pt电极a 5、不与氧参考室2直接接触，al2o3绝缘带层b 8位于扩散室3的右边偏左、垂直横跨下层多孔pt电极b 6、与扩散室3直接接触且使扩散室3的右边处于暴露状态；
38.ysz固体电解质9沉积在al2o3绝缘层4、下层多孔pt电极a 5、下层多孔pt电极b 6、al2o3绝缘带层a 7和al2o3绝缘带层b 8的上面，沉积厚度为100μm～500μm，ysz固体电解质9的左边覆盖al2o3绝缘带层a 7的右半边，ysz固体电解质9的右边覆盖al2o3绝缘带层b 8的左半边；
39.上层多孔pt电极a 10和上层多孔pt电极b11沉积在ysz固体电解质9的上面，沉积厚度为1μm～2μm，上层多孔pt电极a 10在左、与下层多孔pt电极a 5形成一对电极，上层多孔pt电极b11在右、与下层多孔pt电极b 6形成一对电极。
40.在该宽域型氧传感器的结构中：
41.(1)氧参考室2、下层多孔pt电极a 5、ysz固体电解质9和上层多孔pt电极a 10构成氧储存电池，氧储存电池形成于致密ysz衬底1上，位于氧传感器的左边；扩散室3、下层多孔pt电极b 6、ysz固体电解质9和上层多孔pt电极b11构成氧泵电池，氧泵电池也形成于致密ysz衬底1上，位于氧传感器的右边；氧储存电池和氧泵电池由传统的垂直排列改为水平间隔排列，改进后的宽域型氧传感器仅需要一层ysz固体电解质，大大简化了宽域型氧传感器的结构；
42.(2)下层多孔pt电极a 5、下层多孔pt电极b 6和ysz固体电解质9构成氧浓差电池，氧浓差电池借用了氧储存电池的下层多孔pt电极a 5和氧泵电池的下层多孔pt电极b 6，进一步简化了宽域型氧传感器的结构；
43.(3)氧储存电池连接一个恒流源，驱动废弃中的氧气进入氧参考室2，并保证驱动速率可以弥补氧参考室2中氧气的泄露，从而使得参考氧分压保持在一个稳定的状态；
44.(4)氧泵电池连接可变电压源，用于氧离子的泵入或泵出，并同时连接电流表，用于监测离子移动产生的电流的方向和大小，进而判断氧浓度；
45.(5)氧浓差电池连接电压表，监测氧参考室2和由待测气体自然扩散进入扩散室3的氧分压差产生的电压，进而将电压信号反馈至可变电压源。
46.二、宽域型氧传感器的制备方法
47.step1：印刷氧参考室和扩散室
48.在致密ysz衬底1上，利用传统丝网印刷的方式，将多孔ysz陶瓷浆料(向多孔ysz陶瓷粉料中添加粘结剂、分散剂和有机溶剂配制成浆料)在刮板的推压下填入网孔内，待印刷完成后揭起丝网板，在致密ysz衬底1上形成清晰的氧参考室2和扩散室3的图案。
49.粘结剂优选聚乙烯醇缩丁醛，分散剂优选油酸，有机溶剂优选乙醇或甲基乙基酮或二者的混合物。
50.氧参考室2和扩散室3的印刷厚度为25μm～200μm，氧参考室2在左，扩散室3在右，左右水平间隔的距离为3mm～5mm。
51.step2：沉积al2o3绝缘层
52.先利用掩模板遮盖已制备完成的氧参考室2和扩散室3，然后利用等离子体喷雾沉积技术在致密ysz衬底1的上面沉积al2o3绝缘层4，沉积厚度为15μm～20μm。
53.制备al2o3绝缘层4的目的是：防止待测氧气在致密ysz衬底1产生离子交流，从而避免产生干扰信号。
54.step3：沉积下层多孔pt电极
55.采用溅射技术，利用掩模板形成所需的形状(长方形)，在al2o3绝缘层4的上面沉积出呈长方形的下层多孔pt电极a 5和下层多孔pt电极b 6，沉积厚度为1μm～2μm，其中，下层多孔pt电极a 5在左、与氧参考室2接触，下层多孔pt电极b 6在右、与扩散室3接触，此外，下层多孔pt电极a5和下层多孔pt电极b 6的宽度分别小于氧参考室2和扩散室3的宽度。
56.由于al2o3绝缘层4的厚度与氧参考室2和扩散室3的厚度不一致，所以最终沉积得到的下层多孔pt电极a 5和下层多孔pt电极b 6呈现出台阶状。
57.step4：沉积绝缘带层
58.采用等离子体喷雾沉积技术，在al2o3绝缘层4的上面沉积al2o3绝缘带层a 7和al2o3绝缘带层b 8，沉积厚度20μm～50μm，其中，al2o3绝缘带层a 7位于氧参考室2的左侧、垂直横跨下层多孔pt电极a 5、不与氧参考室2直接接触，al2o3绝缘带层b 8位于扩散室3的右边偏左、垂直横跨下层多孔pt电极b 6、与扩散室3直接接触且使扩散室3的右边处于暴露状态(可以让待测气体通过自然扩散直接扩散到扩散室3中)。
59.制备绝缘带层的目的是：防止后续沉积的ysz固体电解质9外围的离子或电信号因泄漏而造成的泵电流升高或降低，从而避免输出误差。
60.step5：沉积ysz固体电解质
61.采用等离子体喷雾沉积技术，在al2o3绝缘层4、下层多孔pt电极a 5、下层多孔pt电极b 6、绝缘带层a 7和绝缘带层b 8的上面沉积ysz固体电解质9，其中，ysz固体电解质9的左边覆盖绝缘带层a 7的右半边，ysz固体电解质9的右边覆盖绝缘带层b 8的左半边。
62.ysz固体电解质9的沉积厚度为100μm～500μm，该厚度相对于氧参考室2和扩散室3之间的水平间隔(3mm～5mm)来说，距离足够小，氧参考室2和扩散室3之间的离子干扰可以减小到忽略不计，从而在后续将上层多孔pt电极a 10和上层多孔pt电极b11溅射到ysz固体电解质9上后，使得上层多孔pt电极a与下10层多孔pt电极a 5实现了离子连通、上层多孔pt
电极b 11与下层多孔pt电极b 6实现了离子连通。
63.step6：沉积上层多孔pt电极
64.采用溅射技术，利用掩模板形成所需的形状(长方形)，在ysz固体电解质9的上面沉积上层多孔pt电极a 10和上层多孔pt电极b 11，沉积厚度为1μm～2μm，其中，上层多孔pt电极a 10在左、与下层多孔pt电极a 5形成一对电极，上层多孔pt电极b11在右、与下层多孔pt电极b 6形成一对电极。
65.实施例1
66.向多孔ysz陶瓷粉料中添加聚乙烯醇缩丁醛、油酸和乙醇制成多孔ysz陶瓷浆料，多孔ysz陶瓷粉料、聚乙烯醇缩丁醛、油酸和乙醇的质量分数分别为31％、4％、5％、60％，采用传统丝网印刷的方式在致密ysz衬底1上制备氧参考室2和扩散室3，印刷厚度均为25μm，水平间隔距离为4mm。
67.利用掩模板遮盖氧参考室2和扩散室3，利用等离子体喷雾沉积技术在致密ysz衬底1上沉积厚度为15μm的al2o3绝缘层4。
68.采用溅射技术，在al2o3绝缘层4的上面溅射厚度为1μm的下层多孔pt电极a5和下层多孔pt电极b 6，下层多孔pt电极a5与氧参考室2接触，下层多孔pt电极b 6与扩散室3接触。
69.使用等离子体喷雾沉积技术，在al2o3绝缘层4的上面沉积厚度为20μm的al2o3绝缘带层a 7和绝缘带层b 8，al2o3绝缘带层a 7位于氧参考室2的左侧、垂直横跨下层多孔pt电极a 5、不与氧参考室2直接接触，al2o3绝缘带层b 8位于扩散室3的右边偏左、垂直横跨下层多孔pt电极b 6、与扩散室3直接接触且使扩散室3的右边处于暴露状态。
70.采用等离子体喷雾沉积技术，在al2o3绝缘层4、下层多孔pt电极a 5、下层多孔pt电极b 6、al2o3绝缘带层a 7和绝缘带层b 8的上面沉积厚度为100μm的ysz固体电解质9，ysz固体电解质9的左边覆盖绝缘带层a 7的右半边，ysz固体电解质9的右边覆盖绝缘带层b 8的左半边。
71.利用溅射技术，在ysz固体电解质9上沉积厚度为1μm的上层多孔pt电极a 10和上层多孔pt电极b 11，上层多孔pt电极a 10在左，上层多孔pt电极b11在右。
72.实施例2
73.向多孔ysz陶瓷粉料中添加聚乙烯醇缩丁醛、油酸和乙醇配制成多孔ysz陶瓷浆料，多孔ysz陶瓷粉料、聚乙烯醇缩丁醛、油酸和乙醇的质量分数分别为31％、4％、5％、60％，采用传统丝网印刷的方式在致密ysz衬底1上制备氧参考室2和扩散室3，印刷厚度均为200μm，水平间隔距离为4mm。
74.利用掩模板遮盖氧参考室2和扩散室3，利用等离子体喷雾沉积技术在致密ysz衬底1上沉积厚度为20μm的al2o3绝缘层4。
75.采用溅射技术，在al2o3绝缘层4的上面溅射厚度为2μm的下层多孔pt电极a 5和下层多孔pt电极b 6，下层多孔pt电极a 5与氧参考室2接触，下层多孔pt电极b 6与扩散室3接触。
76.使用等离子体喷雾沉积技术，在al2o3绝缘层4的上面沉积厚度为50μm的al2o3绝缘带层a 7和绝缘带层b 8，al2o3绝缘带层a 7位于氧参考室2的左侧、垂直横跨下层多孔pt电极a 5、不与氧参考室2直接接触，al2o3绝缘带层b 8位于扩散室3的右边偏左、垂直横跨下层多孔pt电极b 6、与扩散室3直接接触且使扩散室3的右边处于暴露状态。
77.采用等离子体喷雾沉积技术，在al2o3绝缘层4、下层多孔pt电极a 5、下层多孔pt电极b 6、al2o3绝缘带层a 7和绝缘带层b 8的上面沉积厚度为500μm的ysz固体电解质9，ysz固体电解质9的左边覆盖绝缘带层a 7的右半边，ysz固体电解质9的右边覆盖绝缘带层b 8的左半边。
78.利用溅射技术，在ysz固体电解质9上沉积厚度为2μm的上层多孔pt电极a 10和上层多孔pt电极b11，上层多孔pt电极a 10在左，上层多孔pt电极b11在右。
79.实施例3
80.向多孔ysz陶瓷粉料中添加聚乙烯醇缩丁醛、油酸和乙醇配制成多孔ysz陶瓷浆料，多孔ysz陶瓷粉料、聚乙烯醇缩丁醛、油酸和乙醇的质量分数分别为29％、10％、1％、60％，采用传统丝网印刷的方式在致密ysz衬底1上制备氧参考室2和扩散室3，印刷厚度均为25μm，水平间隔距离为4mm。
81.利用掩模板遮盖氧参考室2和扩散室3，利用等离子体喷雾沉积技术在致密ysz衬底1上沉积厚度为15μm的al2o3绝缘层4。
82.采用溅射技术，在al2o3绝缘层4的上面溅射厚度为1μm的下层多孔pt电极a 5和下层多孔pt电极b 6，下层多孔pt电极a 5与氧参考室2接触，下层多孔pt电极b 6与扩散室3接触。
83.使用等离子体喷雾沉积技术，在al2o3绝缘层4的上面沉积厚度为20μm的al2o3绝缘带层a 7和绝缘带层b 8，al2o3绝缘带层a 7位于氧参考室2的左侧、垂直横跨下层多孔pt电极a 5、不与氧参考室2直接接触，al2o3绝缘带层b 8位于扩散室3的右边偏左、垂直横跨下层多孔pt电极b 6、与扩散室3直接接触且使扩散室3的右边处于暴露状态。
84.采用等离子体喷雾沉积技术，在al2o3绝缘层4、下层多孔pt电极a 5、下层多孔pt电极b 6、al2o3绝缘带层a 7和绝缘带层b 8的上面沉积厚度为100μm的ysz固体电解质9，ysz固体电解质9的左边覆盖绝缘带层a 7的右半边，ysz固体电解质9的右边覆盖绝缘带层b 8的左半边。
85.利用溅射技术，在ysz固体电解质9上沉积厚度为1μm的上层多孔pt电极a 10和上层多孔pt电极b 11，上层多孔pt电极a 10在左，上层多孔pt电极b11在右。
86.需要说明的是，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明技术方案所引伸出的显而易见变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。