一种片式非加热型氧传感器用芯片及制备方法
技术领域
本发明涉及一种片式非加热型氧传感器用芯片及制备方法。
背景技术
氧传感器用于发动机闭环控制，从而确保车辆在寿命期内对HC,CO以及NOx的排放满足法规要求。这对降低车辆的污染物排放，减少对环境的污染，都起到了至关重要的作用。氧化锆氧传感器利用了氧化锆的固体电解质特性，即氧化锆在高温下对氧离子具有导电性。这样当氧化锆两侧的氧气浓度，即氧分压不同时，就会发生氧离子从一侧迁移到另一侧的效应，从而产生出一个电压信号。具体来说，氧化锆的这种氧离子导电特性可用能斯特方程来表示。
其中，R理想气体常数；F法拉利常数；T绝对温度；PO``参考气体氧分压；PO`测量氧分压。
为了满足氧传感器的工作要求，通常需要给氧传感器设置一个加热器，来给锆元件加热到一定温度后，传感器才能给出有效的信号。然而，对于摩托车来说，成本因素成为制约可供选择的技术路线的一个重要考虑因素。采用非加热型氧传感器，依靠发动机自身的尾气来给传感器加热，达到工作状态，成为摩托车现阶段主流的技术路线。采用非加热型氧传感器的另外一个考虑是尽量减小摩托车的电力损耗，达到节能降低排放的目标，承担起其可以承担的社会责任。
氧传感器可以分为管式氧传感器和片式氧传感器。其重要区分就在于其核心锆元件的制备工艺不同。然而，采用铂金电极和氧化锆基体一次共烧技术制备的核心锆元件，由于一次共烧温度需要达到1450℃且保温4h才能将陶瓷烧成致密瓷体，使得贵金属产生融结，造成贵金属活性降低，其低温性能都不够理想，需要尾气达到350℃以上才能给出准确有效的信号；且贵金属用量大，成本高。
发明内容
本发明目的是提供一种片式非加热型氧传感器用芯片，该芯片结构简单，生产加工方便，大大降低了生产成本，适用于大批量自动化生产，且具有良好的低温启动性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种片式非加热型氧传感器用芯片，包括固体电解质陶瓷层、设置于所述固体电解质陶瓷层上表面的外电极、及设置于所述固体电解质陶瓷层下表面的内电极与气体通道，所述外电极包括两次烧制形成的外引线电极部分与外催化电极部分，所述外引线电极部分与所述外催化电极部分为分体式结构。
上述技术方案中，所述片式非加热型氧传感器用芯片两侧设有外电极接触盘与外电极接触盘。
上述技术方案中，所述外催化电极部分外设有多孔防中毒涂层。
上述技术方案中，所述外引线电极部分表面设有陶瓷保护层。
上述技术方案中，所述内电极下表面设置有至少一层陶瓷基体层。
上述技术方案中，所述陶瓷基体层上设置有通孔，所述陶瓷基体层上表面设置有过孔引线，其下表面设置有内电极接触盘，所述过孔引线与所述内电极相连，并经所述通孔与所述内电极接触盘相连。
上述技术方案中，所述固体电解质陶瓷层与所述陶瓷基体层包括复数层陶瓷生胚。
一种片式非加热型氧传感器用芯片的制备方法，包括如下步骤：
1)将复数层陶瓷生胚在温等静压机中压制，制得固体电解质陶瓷层与陶瓷基体层；
2)在所述固体电解质陶瓷层上表面采用丝网印刷工艺，依次印刷外引线电极部分与陶瓷保护层；
3)在步骤2)的基础上，在所述固体电解质陶瓷层下表面采用丝网印刷工艺，依次印刷内电极与烧失层，制得层叠陶瓷层；
4)在所述陶瓷基体层上冲通孔，然后在所述通孔两侧印刷过孔引线与内电极接触盘，制得层叠陶瓷基体层；
5)将步骤3)与步骤4)中制得的层叠陶瓷层与层叠陶瓷基体层层叠在一起，在温等静压机中压制，制得压制品；
6)将压制品在排胶炉中排胶；
7)排胶后，在程控高温炉中烧制，制得芯片共烧部分；
8)在外电极侧需要制备外催化电极部分采用非共烧工艺制备外催化电极部分；
9)在步骤8)中所述外催化电极部分提拉陶瓷浆料，并经烧结，形成多孔防中毒涂层。
上述技术方案中，步骤8)中所述非共烧工艺包括二次高温烧结制备工艺、真空溅镀工艺、电镀工艺。
另一种片式非加热型氧传感器用芯片的制备方法，包括如下步骤：
1)将复数层陶瓷生胚在温等静压机中压制，制得固体电解质陶瓷层与陶瓷基体层；
2)在所述固体电解质陶瓷层上表面采用丝网印刷工艺，依次印刷外引线电极部分、多孔固体电解质基体及陶瓷保护层；
3)在步骤2)的基础上，在所述固体电解质陶瓷层下表面采用丝网印刷工艺，依次印刷内电极与烧失层，制得层叠陶瓷层；
4)在所述陶瓷基体层上冲通孔，然后在所述通孔两侧印刷过孔引线与内电极接触盘，制得层叠陶瓷基体层；
5)将步骤3)与步骤4)中制得的层叠陶瓷层与层叠陶瓷基体层层叠在一起，在温等静压机中压制，制得压制品；
6)将压制品在排胶炉中排胶；
7)排胶后，在程控高温炉中烧制，制得芯片共烧部分；
8)将多孔固体电解质基体吸附饱和氯铂酸溶液，使贵金属沉积在多孔固体电解质中，在1000℃以下按照升温曲线烧制，得到立体网状结构的外催化电极部分；
9)在步骤8)中所述外催化电极部分提拉陶瓷浆料，并经烧结，形成多孔防中毒涂层。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明中一种片式非加热型氧传感器用芯片，包括固体电解质陶瓷层、设置于所述固体电解质陶瓷层上表面的外电极、及设置于所述固体电解质陶瓷层下表面的内电极与气体通道，所述外电极包括两次烧制形成的外引线电极部分与外催化电极部分，所述外引线电极部分与所述外催化电极部分为分体式结构，该芯片结构简单，适合大批量自动化生产，且将外催化电极部分与内电极及外引线电极部分分两次烧制形成，保证外催化电极部分具有良好的低温启动性能，在尾气温度为200℃-300℃的条件下能给出准确的信号。
2.在一种制备方法中，外催化电极部分采用非共烧工艺制备，所述非共烧工艺包括二次高温烧结制备工艺、真空溅镀工艺、电镀工艺，工艺简单，操作方便，同时也大大降低了工艺成本。
3.在另一种制备方法中，将多孔固体电解质基体与固体电解质陶瓷层一次高温烧制形成，再将多孔固体电解质基体吸附饱和氯铂酸溶液，使贵金属沉积在多孔固体电解质中，在1000℃以下按照升温曲线烧制，贵金属沉积在多孔固体电解质中经1000℃老化形成立体贵金属网状电极，由于老化温度低，保温时间段，贵金属活性好，且贵金属用量小。
附图说明
图1是本发明片式非加热型氧传感器用芯片结构图一；
图2是本发明片式非加热型氧传感器用芯片低温下的传感器输出的经时变化图。
其中：1、固体电解质陶瓷层；2、内电极；3、外引线电极部分；4、外催化电极部分；5、多孔防中毒涂层；6、陶瓷保护层；7、陶瓷基体层；8、通孔；9、过孔引线；10、内电极接触盘；11、外电极接触盘；12、烧失层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1～2所示，一种片式非加热型氧传感器用芯片，包括固体电解质陶瓷层1、设置于所述固体电解质陶瓷层1上表面的外电极、及设置于所述固体电解质陶瓷层1下表面的内电极2与气体通道，所述外电极包括两次烧制形成的外引线电极部分3与外催化电极部分4，所述外引线电极部分3与所述外催化电极部分4为分体式结构。该芯片结构简单，生产方便，适合大批量自动化生产，且外催化电极部分4分开烧制，确保其具有良好的低温启动性能。
参见图1所示，所述片式非加热型氧传感器用芯片两侧设有外电极接触盘11与内电极接触盘10。
参见图1所示，所述外催化电极部分4外设有多孔防中毒涂层5。
参见图1所示，所述外引线电极部分3表面设有陶瓷保护层6。
参见图1所示，所述内电极2下表面设置有至少一层陶瓷基体层7。
参见图1所示，所述陶瓷基体层7上设置有通孔8，所述陶瓷基体层7上表面设置有过孔引线9，其下表面设置有内电极接触盘10，所述过孔引线9与所述内电极2相连，并经所述通孔8与所述内电极接触盘10相连。
参见图1所示，所述固体电解质陶瓷层1与所述陶瓷基体层7包括复数层陶瓷生胚，所述固体电解质陶瓷层1烧制后的厚度在0.1-0.4mm，所述芯片总体厚度在0.8-1.5mm。
制备上述片式非加热型氧传感器用芯片包括多种方式，现举例如下：
方式一：采用非共烧铂金浆料制备外催化电极部分4
步骤一：将复数层陶瓷生胚在温等静压机中压制，制得固体电解质陶瓷层1与陶瓷基体层7；
步骤二：在所述固体电解质陶瓷层1上表面采用丝网印刷工艺，依次印刷外引线电极部分3与陶瓷保护层6；
步骤三：在步骤二的基础上，在所述固体电解质陶瓷层1下表面采用丝网印刷工艺，依次印刷内电极2与烧失层12，制得层叠陶瓷层；
步骤四：在所述陶瓷基体层7上冲通孔8，然后在所述通孔8两侧印刷过孔引线9与内电极接触盘10，制得层叠陶瓷基体层；
步骤五：将步骤三与步骤四中制得的层叠陶瓷层与层叠陶瓷基体层层叠在一起，在温等静压机中压制，制得压制品；
步骤六：将压制品在排胶炉中排胶；
步骤七：排胶后，在程控高温炉中烧制，制得芯片共烧部分；
步骤八：采用丝网印刷工艺在需要制备外催化电极部分4印刷非共烧铂金浆料，然后在程控烧结炉中经过900℃保温一小时的烧结，得到外催化电极部分4；
步骤九：在步骤八中所述外催化电极部分4提拉陶瓷浆料，并经烧结，形成多孔防中毒涂层5。
其中，步骤三中所述烧失层12经过高温烧制后消失，形成空隙，在芯片的内部形成一个气体通道，该气体通道内连通内电极2和清洁空气，从而在内电极区域提供一个稳定的氧浓度值，因而，内电极2也被称为参考电极。
方式二：采用真空溅镀制备外催化电极部分4
此方式除步骤八外，其余步骤与方式一相同
步骤八：在需要制备外催化电极部分4真空溅镀铂金，得到外催化电极部分4。
方式三：采用电镀工艺制备外催化电极部分4
此方式除步骤八外，其余步骤与方式一相同
步骤八：在需要制备外催化电极部分4制备导电基体，然后在导电基体上通过化学镀或者电镀工艺，制备厚度0.8-1.5μm外催化电极部分4。
方式四：采用多孔固体电解质催化电极部分工艺制备外催化电极部分4
步骤一：将复数层陶瓷生胚在温等静压机中压制，制得固体电解质陶瓷层1与陶瓷基体层7；
步骤二：在所述固体电解质陶瓷层1上表面采用丝网印刷工艺，依次印刷外引线电极部分3、多孔固体电解质基体及陶瓷保护层6；
步骤三：在步骤二的基础上，在所述固体电解质陶瓷层1下表面采用丝网印刷工艺，依次印刷内电极2与烧失层12，制得层叠陶瓷层；
步骤四：在所述陶瓷基体层7上冲通孔8，然后在所述通孔8两侧印刷过孔引线9与内电极接触盘10，制得层叠陶瓷基体层；
步骤五：将步骤三与步骤四中制得的层叠陶瓷层与层叠陶瓷基体层层叠在一起，在温等静压机中压制，制得压制品；
步骤六：将压制品在排胶炉中排胶；
步骤七：排胶后，在程控高温炉中烧制，制得芯片共烧部分；
步骤八：将多孔固体电解质基体吸附饱和氯铂酸溶液，使贵金属沉积在多孔固体电解质中，在1000℃以下按照升温曲线烧制，得到立体网状结构的外催化电极部分4，由于烧制温度低，保温时间短，因此贵金属活性好，且用此方法贵金属用量小。
上述方式中，将多孔固体电解质基体与固体电解质陶瓷层1一次高温烧制形成，再将多孔固体电解质基体吸附饱和氯铂酸溶液，使贵金属沉积在多孔固体电解质中，在1000℃以下按照升温曲线烧制，贵金属沉积在多孔固体电解质中经1000℃老化形成立体贵金属网状电极，由于老化温度低，保温时间段，贵金属活性好，且贵金属用量小。
方式五：采用共烧和非一次共烧共同制备外催化电极部分4
步骤一：将复数层陶瓷生胚在温等静压机中压制，制得固体电解质陶瓷层1与陶瓷基体层7；
步骤二：在所述固体电解质陶瓷层1上表面采用丝网印刷工艺，依次印刷外电极与陶瓷保护层6；
步骤三：在步骤二的基础上，在所述固体电解质陶瓷层1下表面采用丝网印刷工艺，依次印刷内电极2与烧失层12，制得层叠陶瓷层；
步骤四：在所述陶瓷基体层7上冲通孔8，然后在所述通孔8两侧印刷过孔引线9与内电极接触盘10，制得层叠陶瓷基体层；
步骤五：将步骤三与步骤四中制得的层叠陶瓷层与层叠陶瓷基体层层叠在一起，在温等静压机中压制，制得压制品；
步骤六：将压制品在排胶炉中排胶；
步骤七：排胶后，在程控高温炉中烧制，制得芯片共烧部分；
步骤八：在外电极侧需要制备外催化电极部分4采用方式一、方式二或方式三中任一制备工艺，制备外催化电极部分4；
步骤九：在步骤八中所述外催化电极部分4提拉陶瓷浆料，并经烧结，形成多孔防中毒涂层5。
参见图2所示，其中：lambda曲线表明，测试时的lambda的值。测试时传感元的温度为300℃，lambda的值在某一点发生了切换，从0.95切换到了1.05。样品1为内外电极都为共烧浆料制备的样品；样品2为外催化电极部分为非共烧制备；样品3为外催化电极部分为电镀制备。
从图2可以看出，样品1在lambda值从0.95切换到了1.05时，表现出电压值下降慢即T2大，稀电压值高的现象。其中T2的定于为电压值从600mV到300mV的时间。这在实际空燃比控制中会表现出控制精度异常，不能准确反映lambda值变化的问题。而样品2和样品3表现出快速的对浓到稀变化进行响应的特性，同时能够得到比较低的稀状态电压值，满足空燃比精确控制的要求。在实际应用中极大降低了非加热型氧传感器对安装位置废气温度必须较高的要求，扩展了其应用领域。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
