專利名稱：一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車氧傳感器，尤其涉及一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法。
背景技術(shù)：
稀薄燃燒發(fā)動機有燃燒效率高，改善排放等優(yōu)點，滿足人們節(jié)能減排的要求，但其空燃比λ大于18 (理論空燃比為14.7)，傳統(tǒng)的片式氧傳感器只能檢測空燃比在理論空燃比附近的情況，不能對其進行有效的檢測，寛域汽車氧傳感器可精確得測量λ值(0.65^ λ Sm)。尾氣通過擴散小孔進入擴散室，氧化鋯參比電池感知尾氣的濃度后產(chǎn)生Us，根據(jù)尾氣濃度的不同，富燃料的濃混合氣將產(chǎn)生高于參考電壓UsRef的Us，傳感器控制器將產(chǎn)生一個正方向的泵電流Ip，該泵電流Ip將氧氣泵入擴散室內(nèi)進行化學分解反應，在廢氣中產(chǎn)生水和一氧化碳及一些氧化物，附著在泵氧元的表面。在化學反應中將過多的碳氫化合物分解，從而降低了廢氣的濃度，使擴散室恢復到Us電壓為0.45V的尾氣含氧濃度的平衡狀態(tài)。相反，富氧的稀混合氣將產(chǎn)生低于參考電壓UsRef的Us,傳感器控制器將產(chǎn)生一個反方向的泵電流Ip，該泵電流Ip將氧氣泵出擴散室。此時的泵電流Ip反應了尾氣的濃度，傳感器控制器將泵電流Ip轉(zhuǎn)換成輸出電壓Uout通過改變泵電流的極性(電流流動方向)與大小就可以達到平衡擴散室里的尾氣含氧量，如何將這個變化的泵電流去控制發(fā)動機的E⑶對噴油器噴油時間的調(diào)整是至關(guān)重要的，在控制環(huán)路中有一塊DSP(數(shù)字信號處理器)電路，該電路有二路輸出，一路將變化的泵電流信號通過放大數(shù)模轉(zhuǎn)換成線性電壓，此電壓從OV 5V連續(xù)變化，去控制發(fā)動機E⑶的空燃比調(diào)整。另一路輸出脈寬調(diào)制信號去控制COM場效應開關(guān)晶體管的導通與截止時間，給加熱器提供電流，加熱氧傳感器。寛域型氧傳感器的核心部件是其敏感芯片，它由加熱電極、氧泵外電極、氧泵內(nèi)電極和參比電極組成，是通過多層印刷電路的五層致密氧化鋯(ZrO2)質(zhì)的基片疊合而成，該芯片的制作方法是:通過流延成型方式制作氧化鋯基片；對基片進行切片沖孔；把切好的基片進行多層絲網(wǎng)印刷，制作各個功能層；再把五層基片疊合分切，最后進行燒結(jié)、上釉等處理。申請?zhí)枮?201010238039.9的發(fā)明專利公開了一種“片式寬域標準信號輸出車用氧傳感器”，該傳感器的氧泵基體層和反應基體層是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯基片；多層陶瓷氣體交換層和上下加熱基體層是由氧化鋁+氧化鎂+氧化鋇按一定的比例復合制成的基片，各層先通過印刷電極后疊壓 并以燒結(jié)方式成為一體，該結(jié)構(gòu)加熱電極的上方的基片是由兩個部分拼湊而成的，在疊壓過程中，加熱電極的受力是不均勻的，會造成電阻絲變形，在加熱過程中增加熱應力，導致加熱電極燒斷，從而影響傳感器壽命；參比通道氣室比較大，在傳感器中形成一個大的空腔，會降低傳感器工作區(qū)域的強度，使傳感器失效。

發(fā)明內(nèi)容
本案發(fā)明人針對上述技術(shù)之不足，對之前的傳感器結(jié)構(gòu)進行了改進，提供了 “一種片式寛域汽車氧傳感器”專利技術(shù)(專利號為ZL201120115065.2)。本發(fā)明是針對類似這種結(jié)構(gòu)的傳感器提供一種新的可提高成品率、降低成本的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法。所述方法包括:
采用氧化鋯陶瓷粉制備的漿料進行流延，形成流延基片；
對所述流延基片進行相關(guān)切割和孔的成形加工，形成對應于每一層的流延基片；根據(jù)所述傳感器芯片的結(jié)構(gòu)，對各層流延基片進行對應的絲網(wǎng)印刷，形成對應層上的各電極和各能層；
用有機填充料填充對應層流延基片上由所述孔形成的腔體部分；使得疊合沒有空隙以便等靜壓。將各層流延基片按所述傳感器芯片的結(jié)構(gòu)進行疊合，再進行低溫等靜壓壓制，形成所述傳感器的芯片坯材，切割坯材形成單個芯片生坯；
采用端面?zhèn)韧窟B通不同層片上或同一層片上分別在上下兩面的電極線路，燒結(jié)制得傳感器芯片，燒結(jié)中對應含有有機漿料的功能層排膠，形成相應空腔，與相關(guān)功能層構(gòu)成空氣通道。所述方法進一步設(shè)計在于:所述低溫等靜壓壓制的壓力為:15 25Mpa，溫度為:65 75° C，優(yōu)選的溫度為70° C。所述方法進一步設(shè)計在于:燒結(jié)的溫度為1450 1550 ° C，優(yōu)選的溫度為1500。Co所述方法進一步設(shè)計在于:所述電極引線包括內(nèi)電極引線和加熱電極引線。所述方法進一步設(shè)計在于:電極包括外電極、內(nèi)電極、參比電極和加熱電極，所述功能層包括擴散障、保護層、微孔層、有機層、補償層和絕緣層。所述方法進一步設(shè)計在于:所述外電極、內(nèi)電極、參比電極的印刷漿料是由鉬與氧化鋯陶瓷按質(zhì)量分數(shù)比為:1:9 1:1配制后再加纖維素等有機粘結(jié)劑調(diào)和而成的，配制的粉料與粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比為:1: 0.4 1:1進行配制。所述方法進一步設(shè)計在于:所述加熱電極的印刷漿料是由鉬與粘結(jié)劑調(diào)按質(zhì)量分數(shù)比為:1: 0.25 1:0.4進行配制并調(diào)和而成，鉬的粒度在0.5um以下，粘結(jié)劑可采用乙
基纖維素。所述方法更進一步設(shè)計在于:所述擴散障、保護層和微孔層的印刷漿料是由氧化鋁、造孔劑和粘結(jié)劑依次按質(zhì)量分數(shù)比為:6 9: 4 1:2.5 4配制并調(diào)和而成，所述造孔劑為淀粉。所述方法更進一步設(shè)計在于:所述絕緣層的印刷漿料是由氧化鋁、玻璃料和粘結(jié)劑依次按質(zhì)量分數(shù)比為:80 99:20 1:25 40配制并調(diào)和而成。所述方法更進一步設(shè)計在于:所述有機填充料的印刷漿料是由造孔劑和粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比為:10:90 50:50進行配制并調(diào)和而成；所述造孔劑為淀粉。所述方法更進一步設(shè)計在于:所述有機流延片為由復合氧化鋯粉，溶劑和流延膠依次按質(zhì)量分數(shù)比為:100:30 50:20 40配置并調(diào)和而成的漿料經(jīng)流延機在基材上流延而成；所述流延膠由聚乙烯醇縮丁醛溶于乙醇并添加聚乙二醇增塑劑形成，聚乙烯醇縮丁醛:乙醇:聚乙二醇增塑劑的容積比為:100:50 100:20 50。所述方法進一步設(shè)計在于:所述擴散障是在擴散孔中通過絲網(wǎng)印刷制得的環(huán)形結(jié)構(gòu)。所述方法進更一步設(shè)計在于:所述有機填充料印刷填充在環(huán)形擴散障中心的腔體及擴散障與擴散孔之間的腔體內(nèi)。所述方法進一步設(shè)計在于:所述傳感器芯片由至少五層基片壓制而成。所述方法更進一步設(shè)計在于:第一層流延基片的上端面由下而上印刷氧泵外電極和保護層，在下端面印刷有氧泵第一內(nèi)電極；第二層流延基片的第二擴散孔中印刷有擴散障和第二內(nèi)電極，并用有機流延片填充在形成一個環(huán)形空腔的所述腔體部分；第三層流延基片與第四層流延基片之間印刷有沿垂直于層間間隔方向排列的微孔擴散層、有機層及設(shè)于微孔擴散層內(nèi)的參比電極；第四層流延基片印刷有加熱電極并在該電極的下側(cè)面印刷絕緣層；第五層基片的所述導電孔中通過填孔連通加熱電極引線與引腳，并在五層流延基片的下端面由上而下依次印刷弓I腳和保護層。所述方法更進一步設(shè)計在于:所述印刷的有機層通過排膠形成空腔，該空腔與微孔層一起構(gòu)成空氣通道。本發(fā)明用有機流延片填充芯片中的空腔并配合等靜壓疊合，使傳感器生坯在制造過程不會廣生內(nèi)應力，能有效提聞傳感器芯片的合格率，還可提聞廣品的使用壽命；同時避免了疊壓對加熱電極的影響；用絲網(wǎng)印刷低固含量陶瓷漿料制備擴散障，保證足夠的孔隙提高擴散效率；此外成本相對較低。


圖1是本發(fā)明方法制得的寛域氧傳感器沿長度方向的剖面圖。
具體實施例方式本實施例以圖1所示的寛域氧傳感器的結(jié)構(gòu)為例來具體說明具體的制作步驟。I)通過流延制作基片的材料
氧化鋯陶瓷粉采用5%mol氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(5YSZ)粉體材料，其粒度不大于Ium來制備流延漿料進行流延，形成流延基片。流延的漿料是由上述陶瓷粉、溶劑乙醇和流延膠按質(zhì)量份數(shù)比配置調(diào)和而成，三者的質(zhì)量分數(shù)比例關(guān)系為:100 105質(zhì)量份陶瓷粉:50 55質(zhì)量份溶劑乙醇:30 35質(zhì)
量份流延膠氧。流延膠由乙醇、聚乙烯醇縮丁醛和聚乙二醇為乙醇按質(zhì)量份數(shù)比配置調(diào)和而成，三者的容積分數(shù)比例關(guān)系為:100容積份聚乙烯醇縮丁醛:50 100容積份聚乙烯醇縮丁醛:20 50容積份聚乙二醇。將上述漿料在流延機上流延，制得流延基片。2)對流延基片進行成型加工
根據(jù)圖1-3所示的各層流延基片的結(jié)構(gòu)形狀及設(shè)計的尺寸切割上述流延基片的材料。并依照由上至下層序的第一層流延基片I和第二層流延基片2的相同位置上分別加工有第一擴散孔IOa和第二擴散孔IOb,且第二擴散孔大于第一擴散孔徑,在五層基片5加工有導電孔19。還在對第三層基片3下端或四層流延基片4上端沖孔加工出如圖3所示的通道15。3)進行絲網(wǎng)印刷
根據(jù)圖1-3所示的傳感器芯片的結(jié)構(gòu)，對各層的基片材料進行對應的絲網(wǎng)印刷。在第一層基片I的上端面由下而上分別用電極漿料A和功能層漿料A印刷氧泵外電極7和保護層6，在下端面印刷氧泵第一內(nèi)電極11。電極漿料A是由粒徑不大于Ium鉬粉與粒徑不大于0.7um氧化鋯陶瓷粉按質(zhì)量分數(shù)比為:1:9至1:1的比例范圍進行配制，配制后的粉料再與乙基纖維素粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比為:1: 0.3進行配制，并進行調(diào)和形成電極漿料A。功能層漿料A是由氧化鋁粉、淀粉和乙基纖維素粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比配置而成，三者的質(zhì)量分數(shù)比例關(guān)系為:9 10份氧化招粉質(zhì)量份:1 1.2份淀粉質(zhì)量份:2.5 3.5份乙基纖維素粘結(jié)劑質(zhì)量份，即如氧化鋁粉的質(zhì)量分數(shù)取9 10份，對應的淀粉質(zhì)量分數(shù)為I 1.2份，對應的乙基纖維素粘結(jié)劑質(zhì)量分數(shù)為2.5 3.5份。將按上述質(zhì)量份比例關(guān)系稱取的氧化鋁粉、淀粉和乙基纖維素粘結(jié)劑調(diào)和，形成電極漿料A，其中淀粉和氧化鋁粉的粒度為不大于lum。在第二層流延基片2的第二擴散孔IOb中分別用功能層漿料A和電極漿料A印刷環(huán)形擴散障9和第二內(nèi)電極12 ；
在三第、四層流延基片之間沿垂直于層間間隔方向分別用功能層漿料A、電極漿料A、功能層漿料C依次印刷微孔擴散層13、設(shè)于微孔擴散層內(nèi)的參比電極14和有機層15。功能層漿料C即為有機填充漿料，是由造孔劑和粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比配置而成，其中的造孔劑采用粒度不大于500目的淀粉；粘結(jié)劑采用乙基纖維素。上述淀粉與乙基纖維素粘結(jié)劑按質(zhì)量份數(shù)比2: 8至1:1比例范圍進行配制調(diào)和。第四層流延基片用電極漿料B印刷加熱電極17，并在該電極的上下側(cè)面用功能層漿料D印刷絕緣層16。電極漿料B即為加熱電極的印刷漿料，是由鉬粉與粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比配置而成，其中的鉬粉的粒度不大于lum，粘結(jié)劑采用乙基纖維素。上述鉬粉與乙基纖維素粘結(jié)劑按質(zhì)量份數(shù)比1:0.4至1:0.25比例范圍進行配制并調(diào)和，最終形成電極漿料B。功能層漿料D即為絕緣層的印刷漿料是由氧化鋁粉、玻璃料和粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比配制并調(diào)和而成，其中:氧化鋁粉的粒度不大于500目；玻璃料為1000°C軟化點的玻璃料；粘結(jié)劑采用乙基纖維素。上述氧化鋁粉、玻璃料和乙基纖維素粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比配置，三者的質(zhì)量分數(shù)比例關(guān)系為:85 99份氧化招粉質(zhì)量份:1 15份玻璃料質(zhì)量份:25 40份乙基纖維素粘結(jié)劑質(zhì)量份。將按上述質(zhì)量份比例關(guān)系稱取的氧化鋁粉、玻璃料和乙基纖維素粘結(jié)劑調(diào)和，形成功能層漿料D
第五層流延基片的下端面依次用電極漿料B和功能層漿料A印刷引腳18和保護層6。
連接電極引線與對應引腳，用電極漿料B連接內(nèi)電極引線與引腳，連接加熱電極引線與引腳線18。4)用有機流延片填充腔體
用有機流延片填充第二、三層流延基片上對應的第一擴散孔IOa和第二擴散孔IOb與環(huán)形擴散障9形成的環(huán)形腔體8。有機流延片為由氧化鋯陶瓷粉、溶劑和流延膠按質(zhì)量份數(shù)配置調(diào)和而成，三者的質(zhì)量份數(shù)比為:100質(zhì)量份氧化鋯陶瓷粉:30 50質(zhì)量份溶劑:20 40質(zhì)量份流延膠。其中的溶劑由等質(zhì)量份的乙醇和甲苯混合而成。流延膠由聚乙烯醇縮丁醛溶于乙醇并添加聚乙二醇增塑劑形成，聚乙烯醇縮丁醛:乙醇:聚乙二醇增塑劑的容積比為:100容積份聚乙烯醇縮丁醛:50 100容積份乙醇:20 50容積份聚乙二醇增塑劑。5)將各層基片疊合壓制
將上述各層基片按所述傳感器芯片的結(jié)構(gòu)進行疊合，再進行低溫等靜壓壓制，壓力控制為:15 25Mpa，優(yōu)選的壓力為20Mpa;溫度為:65 75° C，優(yōu)選的溫度為70° C，形成所述傳感器的芯片坯材，切割坯材形成單個芯片生坯；
6)連通參比電極引線和引腳
采用端面?zhèn)韧窟B通單個芯片生坯上的參比電極引線和引腳。7 )燒結(jié)制得傳感器芯片
將上述經(jīng)端面?zhèn)韧繂蝹€芯片生坯置于爐硅鑰棒高溫爐中進行排膠和燒結(jié)，排膠升溫速度在0.5°C /分鐘以下，到550度進行燒結(jié)升溫，燒結(jié)溫度控制在1450°C 1550°C，優(yōu)選1500度，一般燒結(jié)2小時。燒結(jié)中高溫使有機層15排膠，排膠后形成有通道的空腔，該空腔與微孔層13 —起構(gòu)成空氣通道。通過上述方法制得的傳感器芯片，其傳感器的彎曲強度同未經(jīng)低溫等靜壓處理的比較，由50Mpa提高200Mpa。且產(chǎn)品合格率由60%提高到88%，經(jīng)壽命使用檢測，使用壽命由原來的100小時提高800小時以上。
權(quán)利要求
1.一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:包括 采用氧化鋯陶瓷粉制備的漿料進行流延，形成流延基片； 對所述流延基片進行相關(guān)切割和孔的成形加工，形成對應于每一層的流延基片； 根據(jù)所述傳感器芯片的結(jié)構(gòu)，對各層流延基片進行對應的絲網(wǎng)印刷，形成對應層上的各電極和各能層； 用有機填充料填充對應層流延基片上由所述孔形成的腔體部分；使得疊合沒有空隙以便等靜壓； 將各層流延基片按所述傳感器芯片的結(jié)構(gòu)進行疊合，再進行低溫等靜壓壓制，形成所述傳感器的芯片坯材，切割坯材形成單個芯片生坯； 采用端面?zhèn)韧窟B通不同層片上或同一層片上分別在上下兩面的電極線路，燒結(jié)制得傳感器芯片，燒結(jié)中對應含有有機漿料的功能層排膠，形成相應空腔，與相關(guān)功能層構(gòu)成空氣通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述低溫等靜壓壓制的壓力為:15 25Mpa，溫度為:65 75° C，優(yōu)選的溫度為70° C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:燒結(jié)的溫度為1450 1550° C，優(yōu)選的溫度為1500° C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述電極弓I線包括內(nèi)電極弓I線和加熱電極弓I線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:電極包括外電極、內(nèi)電極、參比電極和加熱電極，所述功能層包括擴散障、保護層、微孔層、有機層、補償層和絕緣層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法,其特征在于:所述外電極、內(nèi)電極、參比電極的印刷漿料是由鉬與氧化鋯陶瓷按質(zhì)量分數(shù)比為:1:9 1:1配制后再加纖維素等有機粘結(jié)劑調(diào)和而成的，配制的粉料與粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比為:1:0.4 1:1進行配制。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法,其特征在于:所述加熱電極的印刷漿料是由鉬與粘結(jié)劑調(diào)按質(zhì)量分數(shù)比為:1: 0.25 1:0.4進行配制并調(diào)和而成，鉬的粒度在0.5um以下，粘結(jié)劑可采用乙基纖維素。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述擴散障、保護層和微孔層的印刷漿料是由氧化鋁、造孔劑和粘結(jié)劑依次按質(zhì)量分數(shù)比為:6 9: 4 1:2.5 4配制并調(diào)和而成，所述造孔劑為淀粉。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述絕緣層的印刷漿料是由氧化鋁、玻璃料和粘結(jié)劑依次按質(zhì)量分數(shù)比為:85 99:15 1:25 40配制并調(diào)和而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述有機填充料的印刷漿料是由造孔劑和粘結(jié)劑按質(zhì)量分數(shù)比為:10:90 50:50進行配制并調(diào)和而成；所述造孔劑為淀粉。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述有機流延片為由復合氧化鋯粉，溶劑和流延膠依次按質(zhì)量分數(shù)比為:100:30 50:20 40配置并調(diào)和而成的漿料經(jīng)流延機在基材上流延而成；所述流延膠由聚乙烯醇縮丁醛溶于乙醇并添加聚乙二醇增塑劑形成，聚乙烯醇縮丁醛:乙醇:聚乙二醇增塑劑的容積比為:100:50 100:20 50。
12.根據(jù)權(quán)利要求1 11任一項所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述擴散障是在擴散孔中通過絲網(wǎng)印刷制得的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述有機填充料印刷填充在環(huán)形擴散障中心的腔體及擴散障與擴散孔之間的腔體內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述傳感器芯片由至少五層基片壓制而成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:第一層流延基片的上端面由下而上印刷氧泵外電極和保護層，在下端面印刷有氧泵第一內(nèi)電極；第二層流延基片的第二擴散孔中印刷有擴散障和第二內(nèi)電極，并用有機流延片填充在形成一個環(huán)形空腔的所述腔體部分；第三層流延基片與第四層流延基片之間印刷有沿垂直于層間間隔方向排列的微孔擴散層、有機層及設(shè)于微孔擴散層內(nèi)的參比電極；第四層流延基片印刷有加熱電極并在該電極的下側(cè)面印刷絕緣層；第五層基片的所述導電孔中通過填孔連通加熱電極引線與引腳，并在五層流延基片的下端面由上而下依次印刷引腳和保護層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法，其特征在于:所述印刷的有機層通 過排膠形成空腔，該空腔與微孔層一起構(gòu)成空氣通道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種片式寛域汽車氧傳感器芯片的制作方法。包括流延和切割制備形成對應于每一層的流延基片；根據(jù)所述傳感器芯片的結(jié)構(gòu)，對各層流延基片進行對應的絲網(wǎng)印刷，形成對應層上的各電極及各功能層；連接電極引線與引腳及內(nèi)電極；用有機流延片填充腔體；將各層流延基片疊合后進行低溫等靜壓壓制，形成芯片坯材，切割坯材形成單個芯片生坯；燒結(jié)單個芯片生坯，制得傳感器芯片，燒結(jié)中對應功能層排膠后形成空腔，與相關(guān)構(gòu)成空氣通道。優(yōu)點是大大提高了傳感器強度，同時避免了疊壓對加熱電極的影響。
文檔編號G01N27/41GK103175883SQ201310029118
公開日2013年6月26日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者謝光遠, 邱電榮, 劉虎, 黃海琴 申請人:鎮(zhèn)江泛沃汽車零部件有限公司