專利名稱：一種氮氧化物傳感器芯片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氮氧化物傳感器芯片，尤其涉及一種以釔穩(wěn)定化二氧化鋯為電解 質的平板式氮氧化物傳感器芯片，屬于汽車尾氣控制系統(tǒng)領域。。
背景技術：
隨著世界范圍內能源危機的目益加劇、排放法規(guī)的日益嚴格，內燃機的節(jié)油和排 放問題越來越受到人們的關注。各個國家和地區(qū)都重新制定了新的汽車燃油經濟法規(guī)，對 汽車尾氣中氮氧化物等的排放量的限制也越來越嚴格，氮氧化物傳感器一直是車用傳感器 領域里的研究熱點，由于車用氮氧化物傳感器必須在發(fā)動機工作環(huán)境中工作，氮氧化物傳 感器必須具有以下3項功能(1)由于發(fā)動機燃燒及其尾氣排放溫度較高，氮氧化物傳感器必須能夠在較高的溫度 下工作；(2)要求氮氧化物傳感器材料能夠經受_20°C—900°C的經常性的溫度突變的沖擊；(3)對尾氣中的氮氧化物分壓變化能作出快速的響應和恢復，且重復性、穩(wěn)定性要好。圖1所示為原來的氮氧化物傳感器芯片的剖面圖，整個芯片由六層致密氧化鋯 UrO2)質的基片疊合而成，由上至下分別表示為如圖所示的&02-l，Zr02-2，Zr02-3，Zr02-4， &02-5，Zr02-6。芯片的工作原理為待測尾氣由通路IA進入空腔2A中，在氧引排元件(由 電極3A、電極4A和基片&02-1組成)的作用下，將空腔2A內的氧氣引排到腔外，氧敏元件 (由電極5A、電極IOA和基片&02-3組成)檢測出腔內的氧氣濃度反饋給氧引排元件，二 者協(xié)調動作，直至使空腔2A內的氧氣濃度調節(jié)為一個定值?？涨?A內的氣體又經過通路 6A進入空腔8A中，此時通過檢測元件(由電極7A、電極12A和&02_3組成)即可檢測出空 腔8A中的氮氧化物的濃度?？涨籌lA為標準氣體室，與空氣相連通。電極9A為加熱電極。 其中電極7A為能使氮氧化物分解的活化電極，而電極4A和電極5A均為添加金的非活化電 極。此氮氧化物傳感器雖然可以實現(xiàn)測定氮氧化物濃度的功能，但是由于金的熔點為 1064°C，而氧化鋯基片的燒結溫度高達1400—1600°C，這樣在燒結過程中金揮發(fā)會使活性 電極受到污染。專利號為JP09171015的發(fā)明內容為為了防止燒結過程中非活化電極中金揮發(fā) 污染活化電極，將主體部分和引排元件部分開制作，各自燒結成型，然后再合二為一。圖 2所示為該發(fā)明的結構分解圖，圖中&02-1，Zr02-2, Zr02-3, Zr02-4, Zr02-5, Zr02-7表示的 是編號為1，2，3，4，5，7的致密氧化鋯(ZrO2)基片；Al203_6表示的是編號為6的致密氧化鋁 (Al2O3)質的基片。該氮氧化物傳感器由與空氣連通的標準氣體室7B、取樣氣體室5B、檢測元件 (Zr02-4、電極6B和與6B相對的電極6' B)、引排元件1. IB及加熱元件(Al203_6和&02_7) 構成。所有的基體中除了 Al203-6為致密氧化鋁質外，其余的材質均為致密氧化鋯質。待 測尾氣由取樣氣體擴散電阻層3B擴散進入傳感器，引排元件1. IB將氣體中的氧氣排到傳感器外部。氣體再經過小孔4B進入取樣氣氣體室5B，電極6B與氣體取樣室內的氣體接觸， 電極6' B與標準氣體室內的氣體接觸，將電極6B和電極6' B用導線連接通過測量流過 電路的電流大小即可反映出尾氣中氮氧化物氣體的濃度。該氮氧化物傳感器中電極6B為活化電極，而電極2' B為含金的非活化的電極。 由于金的熔點為1064°C，而固體電解質氧化鋯的燒結溫度高達1400— 1600°C，為了防止燒 結過程中金的揮發(fā)對活化電極造成污染，先將引排部分1. IB和主體部分(除引排部分外的 其他部分)單獨燒結，然后再用黏結劑IB將兩部分粘合成一體燒結成型。這種方法的確可以避免非活化電極中的金對活化電極造成污染，但是制作工藝復 雜，并且主體和引排部分燒結成一體的過程中，引線的連接十分困難。這種方法雖然理論上 可行，但是不適合大規(guī)模生產。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能對汽車尾氣中氮氧化物濃度精確測量， 燒結過程中無金的揮發(fā)對活化電極的污染、并且制作工藝簡單的氮氧化物傳感器芯片。本發(fā)明的技術方案如下一種氮氧化物傳感器芯片，由六層基片第一層至第六層基片疊壓而成，六層基片的材 質均為氧化鋯，第二層基片上包括四個空腔，第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔，四 個空腔之間依次分別設置有三列擴散障礙層，第三空腔內設置有第一電極，第四空腔內設 置有第二電極和第三電極，第三層基片上設有與大氣相連的參比氣體通道，第三層基片與 第四層基片之間設置有參比電極，參比電極上覆蓋有多孔氧化鋁層，參比氣體通道通過小 孔與多孔氧化鋁層連通，第四層基片與與第五層基片之間設置有加熱電極，加熱電極的上 下各有一層絕緣層，第一層基片上設置有第四電極，第四電極上覆蓋有有保護層，所述第 三電極上覆蓋有一層多孔氧化鋁質的膜層。加熱電極上下的絕緣層材質為致密氧化鋁質；第一電極和第二電極的材料為對氮 氧化物不敏感的金屬陶瓷；第一電極和第二電極的材料為貴金屬鉬和低催化活性材料組 成；第三電極的材料為貴金屬鉬和高催化活性材料組成；第四電極上覆蓋的保護層材質為 多孔氧化鋁質。有益效果本發(fā)明結構上可以避免燒結時非活化電極中金的揮發(fā)對活化電極的污 染，且無需分步燒結，只需將六層基片疊合后一次燒結成型即可。本發(fā)明中，第三電極表面覆蓋保護層，可以防止燒結時非活化電極第二電極中金 的揮發(fā)對活化電極第三電極的污染，從而保證了活化電極第三電極的催化活性不受影響。 因此無需將非活化電極和活化電極分開燒結，只需一次燒結即可完成。從而簡化了制作過 程，降低了制作難度。
圖1為原來的氮氧化物傳感器芯片的剖面圖； 圖2所示為專利JP09171015的傳感器結構分解圖；圖3是本發(fā)明氮氧化物傳感器芯片的多層結構剖面圖； 圖4是圖3中氮氧化物傳感器芯片第二層結構俯視圖；圖5是圖3中氮氧化物傳感器加熱片結構俯視圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明具體實施方式
作進一步說明。一種氮氧化物傳感器芯片，由六層基片第一層至第六層基片1一6疊壓而成，六層 基片的材質均為氧化鋯，第二層基片2上包括四個空腔，第一空腔7、第二空腔9、第三空腔 13、第四空腔16，四個空腔之間依次分別設置有三列擴散障礙層8、10、14，第三空腔13內設 置有第一電極12，第四空腔16內設置有第二電極15和第三電極18，第三層基片3上設有 與大氣相連的參比氣體通道22，第三層基片3與第四層基片4之間設置有參比電極19，參 比電極19上覆蓋有多孔氧化鋁層20，參比氣體通道22通過小孔21與多孔氧化鋁層20連 通，第四層基片4與第五層基片5之間設置有加熱電極23，加熱電極23的上下各有一層絕 緣層M，第一層基片上設置有第四電極11，第四電極11上覆蓋有保護層25。第三電極18上覆蓋有一層多孔氧化鋁質的膜層17。加熱電極23上下的絕緣層M材質為致密氧化鋁質。第一電極12和第二電極15的材料為對氮氧化物不敏感的金屬陶瓷。第一電極12和第二電極15的材料為貴金屬鉬和低催化活性材料組成。第三電極18的材料為貴金屬鉬和高催化活性材料組成。所述第四電極11上覆蓋的保護層25材質為多孔氧化鋁質。第二層基片2上的第一空腔7起采集尾氣樣品的作用，采集到的尾氣樣品經過擴 散障礙層8進入到第二空腔9中，第二空腔9被稱為緩沖腔，尾氣在第二空腔9中得到緩沖 和穩(wěn)定化處理。第二空腔9中的氣體又經過擴散障礙層10進入第三空腔13中，第三空腔 13被稱為控制區(qū)域，在此區(qū)域實現(xiàn)引排功能。第三空腔13中的氣體再經過擴散障礙層14 進入第四空腔16中，第四空腔16被稱為測量區(qū)域，在此區(qū)域實現(xiàn)測氧功能。以上所述的三 層擴散障礙層的材質完全相同，均為多孔質的氧化鋯?？刂茀^(qū)域也就是第三空腔13中通過以下方法實現(xiàn)引排功能第四電極11、第一電極12以及第一層基片1也就是電解質層構成主氧泵，氮氧化物傳 感器工作過程中，主氧泵兩極施加一個直流可調電源，將控制區(qū)域即第三空腔13中的氧氣 泵到外面或是將外面的氧氣泵到控制區(qū)域即第三空腔13中，以此來使控制區(qū)域即第三空 腔13中的氧分壓固定在某一個特定的值。主氧泵的內電極即第一電極12和外電極即第四電極11的材質都是多孔的金屬陶 瓷。其中內電極即第一電極12必須是對氮氧化物不敏感的非活化電極，即不具備分解氮氧 化物的能力，可采用貴金屬鉬、氧化鋯和其它低催化活性，例如金或其他有類似功能的材料 的金屬陶瓷來制作。外電極即第四電極11上面覆蓋一層含多孔氧化鋁質的保護層25，它的作用是防 止尾氣中的油性物質污染或者損傷外電極即第四電極11。測量區(qū)域部分的工作原理外電極即第四電極11、固體電解質層即第一層基片1以及第二電極15構成輔助氧泵。 氮氧化物傳感器工作過程中，在輔助氧泵的兩極施加直流可調電壓直至使測量區(qū)域即第四 空腔16中的氧氣濃度固定在一個恒定的極低的值，在此低氧濃度下氮氧化物發(fā)生分解反應氮氧化物分解成氮氣和氧氣。輔助氧泵的內電極即第二電極15與主氧泵的內電極即第一電極12的材質一樣， 均為對氮氧化物不敏感的非活化電極材料。可采用相同組分的金屬陶瓷制作。第三電極18、第一層至第三層基片1、2、3以及第四電極11構成測量泵。在輔助氧 泵的作用下，測量區(qū)域即第四空腔16中的氧氣濃度極低，在此低氧濃度下，發(fā)生反應，氮氧 化物分解成氮氣和氧氣，測量泵的兩極施加可調直流電壓，調節(jié)電壓的大小，通過測量極限 電流從而得到對應尾氣中氮氧化物分解產生的氧氣的濃度，進而可以反映出尾氣中氮氧化 物氣體的濃度。測量泵的內電極即第三電極18必須是能使氮氧化物分解的活化電極，可采用貴 金屬鉬、氧化鋯其他強活性材料，例如銠或其他有類似功能的金屬的金屬陶瓷來制作。同時 第三電極18上覆蓋有一層多孔氧化鋁質的膜層17，用來防止測量區(qū)域即第四空腔16中輔 助氧泵的內電極即第二電極15中的惰性金屬如金脫落到第三電極18上，從而保證了第三 電極18的催化活性不受影響。因此無需將非活化電極和活化電極分開燒結，只需一次燒結 即可完成，從而簡化了制作過程，降低了制作難度。氮氧化物傳感器芯片還設有參比電極19，其表面覆蓋一層多孔氧化鋁層20。同時 第三層基片3中設有參比氣體通道22，參比氣體通道22與大氣相通，第四層基片4上開有 小孔21，將參比氣體通道22與多孔氧化鋁層20貫通，從而保證參比電極19始終與參比空 氣接觸。控制區(qū)域即第三空腔13和測量區(qū)域即第四空腔16中的氧濃度通過參比電極19 來測量，具體方法為將控制區(qū)域即第三空腔13表面的第一電極12與參比電極19用導線 連接，測定兩電極之間的電壓，即可反映出控制區(qū)域即第三空腔13中的氧濃度，該值也反 映出發(fā)動機的空燃比；將測量區(qū)域即第四空腔16表面的電極即第二電極15與參比電極19 用導線連接，測定兩電極之間的電壓，即可反映出測量區(qū)域即第四空腔16中的氧濃度，可 依據此值來判斷測量區(qū)域即第四空腔16中的氧濃度是否已經達到足以令氮氧化物氣體發(fā) 生分解反應所需的濃度。氮氧化物傳感器芯片的第五層基片5是加熱片，加熱片的作用是給整個氮氧化物 傳感器芯片加熱，使其在短時間內達到工作溫度(即固體電解質具有較高的電導率)。第五 層基片5上與第四層基片4表面之間印刷加熱電極23，加熱電極23的上下表面均覆蓋一 層致密氧化鋁質絕緣層對。加熱電極23的形狀見圖5，由于氮氧化物傳感器的主要工作部 位在芯片的頭部，為使其溫度能迅速的上升到最佳工作溫度，加熱電極23的頭部圖案設計 成圖5所示的較細的彎曲狀，且上側頭部23a和下側頭部2 為軸對稱，上引線23c、下引線 23d也呈軸對稱，其寬度是上側頭部23a和下側頭部23b寬度的5 _20倍。輔助測量電極 23e起測定傳感器工作溫度的作用。第四層基片4上還設有壓力擴散小孔21，該小孔穿透 第四層基片4，第五層基片5即加熱片，通過壓力擴散小孔21與參比氣體通道22相連，來緩 解加熱過程中加熱層內部不斷增加的內應力。所述氮氧化物傳感器所采用的氧化鋯粉體指的是經5md%氧化釔穩(wěn)定化處理的 氧化鋯粉。
權利要求
1.一種氮氧化物傳感器芯片，由六層基片第一層至第六層基片(1-6)疊壓而成，其 特征在于六層基片的材質均為氧化鋯，第二層基片(2)上包括四個空腔，第一空腔(7)、第 二空腔(9)、第三空腔(13)、第四空腔(16)，四個空腔之間依次分別設置有三列擴散障礙層 (8、10、14)，第三空腔(13)內設置有第一電極(12)，第四空腔(16)內設置有第二電極(15) 和第三電極(18)，第三層基片(3)上設有與大氣相連的參比氣體通道(22)，第三層基片(3) 與第四層基片(4)之間設置有參比電極(19)，參比電極(19)上覆蓋有多孔氧化鋁層(20)， 參比氣體通道(22)通過小孔(21)與多孔氧化鋁層(20)連通，第四層基片(4)與與第五層 基片(5)之間設置有加熱電極(23)，加熱電極(23)的上下各有一層絕緣層(24)，第一層基 片上設置有第四電極(11)，第四電極(U )上覆蓋有保護層(25)，所述第三電極(18 )上覆 蓋有一層多孔氧化鋁質的膜層(17)。
2.根據權利要求1所述的氮氧化物傳感器芯片，其特征在于所述加熱電極(23)上下 的絕緣層(24)材質為致密氧化鋁質。
3.根據權利要求1所述的氮氧化物傳感器芯片，其特征在于所述第一電極(12)和第 二電極(15)的材料為對氮氧化物不敏感的金屬陶瓷。
4.4.根據權利要求4所述的氮氧化物傳感器芯片，其特征在于所述第一電極(12)和 第二電極(15)的材料為貴金屬鉬和低催化活性材料組成。
5.根據權利要求1所述的氮氧化物傳感器芯片，其特征在于所述第三電極(18)的材 料為貴金屬鉬和高催化活性材料組成。
6.根據權利要求1所述的氮氧化物傳感器芯片，其特征在于所述第四電極(11)上覆 蓋的保護層(25 )材質為多孔氧化鋁質。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氮氧化物傳感器芯片，由六層基片第一層至第六層基片疊壓而成，六層基片的材質均為氧化鋯，第二層基片上包括四個空腔，第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔，四個空腔之間依次分別設置有三列擴散障礙層，第三空腔內設置有第一電極，第四空腔內設置有第二電極和第三電極，第三層基片上設有與大氣相連的參比氣體通道，第三層基片與第四層基片之間設置有參比電極，參比電極上覆蓋有多孔氧化鋁層，參比氣體通道通過小孔與多孔氧化鋁層連通，第四層基片與與第五層基片之間設置有加熱電極，加熱電極的上下各有一層絕緣層，第一層基片上設置有第四電極，第四電極上覆蓋有有保護層。結構上可以避免燒結時非活化電極中金的揮發(fā)對活化電極的污染，且無需分步燒結，只需將六層基片疊合后一次燒結成型即可。
文檔編號G01N27/407GK102043007SQ20101052572
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月30日 優(yōu)先權日2010年10月30日
發(fā)明者倪銘, 尹亮亮, 王哲, 謝光遠, 黃海琴 申請人:無錫隆盛科技有限公司