專利名稱：一種氧傳感器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器的制造方法，尤其是涉及一種固體電解質(zhì)氧化鋯界限電流式氧傳感器的制造方法。
氧濃度的測量和控制在各種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都有著重要的作用，目前應(yīng)用的氧傳感器按其原理劃分有濃差電池式氧傳感器、伽伐尼電池式氧傳感器和界限電流式氧傳感等幾種。界限電流式氧傳感器以其測試精度高，響應(yīng)速度快，使用壽命長以及使用過程中不需基準(zhǔn)氣體等特點(diǎn)處于90年代國際先進(jìn)水平。因?yàn)榻缦揠娏魇窖鮽鞲衅鞯闹圃旆椒í?dú)特，目前世界上僅有2～3家企業(yè)能進(jìn)行生產(chǎn)。已有的界限電流式氧傳感器的制造方法，主要是采用一種方法限制氣體的流量，通過測試此限定量氣體中氧濃度的大小達(dá)到測試環(huán)境中氧濃度大小的目的。
專利號為CN85101228A的日本專利公開了一種氧濃度測量裝置的制造方法。在該制造過程中，主要講述了該氧濃度測量裝置中擴(kuò)散室的制造方法，對擴(kuò)散孔的制作采用了鉆孔的方案，沒有制作加熱器。在氧濃度一定時(shí)，擴(kuò)散孔的直徑和長度的不同會(huì)使氧傳感器的輸出電流的大小不同，擴(kuò)散孔的直徑一般在幾十微米左右，采用鉆孔方式很難保證擴(kuò)散孔的直徑能保持一致，從而影響生產(chǎn)出來的氧傳感器的互換性。制作該氧濃度測量裝置的材料是固體電解質(zhì)氧化鋯，它在被加熱到450℃以上時(shí)是氧離子的導(dǎo)體。在所述氧濃度測量的制造方法中沒有制作加熱器，意味著該氧濃度測量裝置必須工作在450℃以上，這無疑會(huì)影響采用該方法制造出的氧濃度測量裝置的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的目的在于提供一種能制造出性能穩(wěn)定，互換性好，可自身加熱的氧傳感器的制造方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)先用模具成形制作氧化鋯薄片1，在薄片上制作一個(gè)擴(kuò)散孔2，然后在薄片兩側(cè)印刷第一電極3，第二電極4。用氧化鋯帽形蓋件5覆蓋所述第二電極4，在第二電極4與氧化鋯帽形蓋件5之間形成擴(kuò)散室6，最后在蓋件外側(cè)平面粘接一個(gè)厚膜加熱器。本發(fā)明中的擴(kuò)散孔制造方法是先將氧化鋯粉放入模具中，在該氧化鋯粉末中放置一根低熔點(diǎn)材料制作直徑約為100μm左右的細(xì)絲，將氧化鋯粉末壓制成氧化鋯薄片，然后將氧化鋯薄片置于高溫爐中燒結(jié)，取出冷卻，由于低熔點(diǎn)材料制作的細(xì)絲揮發(fā)及熱脹冷縮原理，可在該薄片上形成一個(gè)擴(kuò)散孔；本發(fā)明中加熱器的制造方法是先將氧化鋯粉放入模具并壓成基片，將該基片在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)后取出，然后采用厚膜微電子工藝技術(shù)在基片上印制鉑厚膜電阻器，放在高溫爐中燒結(jié)，取出冷卻。
采用本發(fā)明制造出的氧傳感器，其工作原理如

圖1所示。氣體通過固體電解質(zhì)氧化鋯薄片1上的擴(kuò)散孔2進(jìn)入擴(kuò)散室6，在所述氧化鋯薄片1上有印刷的兩個(gè)電極分別電極3、電極4，擴(kuò)散室處于電極4與帽形氧化鋯蓋件5之間。在電極3和電極4間施加一電壓V，其中電極4為陰極，電極3為陽極，這時(shí)，在電極3和電極4上產(chǎn)生如下電化學(xué)反應(yīng)陰極(電極4)陽極(電極3)
此反應(yīng)在電路上表現(xiàn)為有一電流I產(chǎn)生，且此電流I隨V的變化呈如圖2所示趨勢。當(dāng)將電壓V加在V1～V2之間時(shí)，電流I為一飽和恒定值I1，此電流是氣體中的氧分子在電極5上電解生成的氧離子通過電路時(shí)所形成的，根據(jù)Ficks擴(kuò)散法則，電流值I與氧濃度間的理論關(guān)系式為I=4FDSPRTLln(1-Po2P)----(1)]]>式中F—法拉第常數(shù)；S—擴(kuò)散孔截面積；D—氧氣擴(kuò)散系數(shù)； P—?dú)怏w總壓強(qiáng)；R—?dú)怏w常數(shù)； T—絕對溫度；L—擴(kuò)散孔長度；
—氧分壓。
通過測電流值I的大小即可得出氧濃度的大小。
從(1)式中也可看出，當(dāng)氧濃度(即氧分壓)一定時(shí)，輸出電流I受擴(kuò)散孔的截面積和擴(kuò)散孔長度的影響，如果制作的擴(kuò)散孔不一樣，相同氧濃度下氧傳感器輸出的電流值大小也不一樣，這樣的氧傳感器是很難具有互換性的。前面我們提到，擴(kuò)散孔主要起到限制氣體流量的作用，那么采用多大的孔徑(即截面積)能既滿足氣體擴(kuò)散需要又能起到限制作用呢？實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是50～70μm，這樣小的孔徑在工業(yè)中并不一定容易實(shí)現(xiàn)，采用激光打孔能滿足其小但不能保證每次一致，但經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，由于物體的熱脹冷縮原因，當(dāng)我們的氧化鋯粉成分一致(即脹縮系數(shù)相同時(shí))，選擇相同的低熔點(diǎn)材料細(xì)絲能制作出50～70μm間大小一致的擴(kuò)散孔。
在本發(fā)明中由于采用了模具壓制氧化鋯粉末形成薄片和在壓制過程中放入了低熔點(diǎn)材料制作的細(xì)絲，在滿足氧化鋯粉末成分一定，所用細(xì)絲粗細(xì)一定的情況下，模具壓制可保證氧化鋯薄片的厚度一致，實(shí)際—就保證了擴(kuò)散孔的長度一致，從而保證了該氧傳感器制造方法所制造出的氧傳感器具有很好的互換性，同時(shí)，由于該制造方法中還有關(guān)于加熱器的制作，所以按本發(fā)明制造出的氧傳感器不但可適用于450℃以上環(huán)境，還可以適用于450℃以下環(huán)境，拓寬了產(chǎn)品的使用范圍。
下面利用附圖能更充分地說明本發(fā)明。
圖1是氧傳感器的工作原理2是氧傳感器的電流—電壓特性3～圖4是擴(kuò)散孔和氧化鋯薄片的形成5是電極的形成6是擴(kuò)散室的形成7是加熱器的形成8是加熱器的粘接3至圖8整個(gè)過程表示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例1、用鋼模將氧化鋯粉末(成份為8％molY2O3+ZrO2)壓制成薄片1，在薄片1的中央放置有一根直徑為100μm的鋁絲或銅絲10(如圖3所示)，在高溫爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400℃～1600℃，保溫4～8小時(shí)，經(jīng)常溫冷卻在薄片1中央形成一個(gè)擴(kuò)散孔2(如圖4所示)。
2、如圖5所示，在薄片1兩側(cè)印刷鉑電極3、鉑電極4，電極不能將擴(kuò)散孔2堵塞。
3、如圖6所示，將氧化鋯帽形蓋件5用玻璃釉質(zhì)9與薄片1粘接并覆蓋電極4，在電極4與該氧化鋯帽形蓋件5之間形成擴(kuò)散室6。
4、用鋼模將氧化鋯粉壓制成基片7，放在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400℃～1600℃，保溫4～8小時(shí)，經(jīng)常溫冷卻后采用厚膜微電子工藝技術(shù)在基片上印制鉑厚膜電阻器8，將所述具有厚膜電阻器的基片放在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000～1100℃，保溫2～4小時(shí)，形成如圖7所示加熱器，將所述加熱器用玻璃釉質(zhì)9與氧化鋯帽形蓋件5外側(cè)平面粘接，形成如圖8所示氧傳感器。
從前面的說明可以理解，根據(jù)本發(fā)明，通過使用在制作氧化鋯薄片時(shí)預(yù)置低熔點(diǎn)材料細(xì)絲從而獲得直徑一致的擴(kuò)散孔，從而制造出互換性好的氧傳感器，另外，由于本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)加熱器的制作工藝，所以利用該氧傳感器制造方法可獲得使用環(huán)境溫度范圍更廣泛的氧傳感器。
權(quán)利要求
1.一種氧傳感器的制造方法，先制作氧化鋯薄片1，在薄片上制作一個(gè)擴(kuò)散孔2，然后在薄片兩側(cè)印刷第一電極3，第二電極4。用氧化鋯帽形蓋件5覆蓋所述第二電極4，在第二電極4與氧化鋯帽形蓋件5之間形成擴(kuò)散室6，最后在蓋件外側(cè)平面粘接一個(gè)厚膜加熱器，其特征在于A.本發(fā)明中的擴(kuò)散孔制造方法是先將氧化鋯粉放入模具中，在該氧化鋯粉末中放置一根低熔點(diǎn)材料制作的細(xì)絲10，將氧化鋯粉末壓制成氧化鋯薄片，然后將氧化鋯薄片置于高溫爐中燒結(jié)，取出冷卻，由于低熔點(diǎn)材料制作的細(xì)絲揮發(fā)及熱脹冷縮原理，在該薄片上形成一個(gè)擴(kuò)散孔；B.本發(fā)明中加熱器的制造方法是先將氧化鋯粉放入模具并壓成基片，將該基片在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)后取出，然后采用厚膜微電子工藝技術(shù)在基片上印制鉑厚膜電阻器，放在高溫爐中燒結(jié)，取出冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述一種氧傳感器的制造方法，其特征在于其中所述的印刷電極是鉑漿料。
3.如權(quán)利要求1所述一種氧傳感器的制造方法，其特征在于其中所述的制作擴(kuò)散孔時(shí)所采用模具為鋼模。
4.如權(quán)利要求1所述一種氧傳感器的制造方法，其特征在于其中所述的制作擴(kuò)散孔時(shí)采用的低熔點(diǎn)材料細(xì)絲為銅絲，銅線直徑為90～110μm。
5.如權(quán)利要求1所述一種氧傳感器制作方法，其特征在于其中所述的氧化鋯薄片在高溫?zé)Y(jié)爐中的燒結(jié)溫度為1400℃～1600℃，保溫4～8小時(shí)。
6.如權(quán)利要求1所述一種氧傳感器制造方法，其特征在于其中所述的制作加熱器時(shí)所采用模具為鋼模。
7.如權(quán)利要求1所述一種氧傳感器制作方法，其特征在于其中所述的制作加熱器時(shí)，氧化鋯基片在高溫?zé)Y(jié)爐中的燒結(jié)溫度為1400℃～1600℃，保溫4～8小時(shí)。
8.如權(quán)利要求1所述一種氧傳感器制作方法，其特征在于其中所述的制作加熱器時(shí)，印制的厚膜電阻器燒結(jié)溫度為1000℃～1100℃，保溫時(shí)間2～4小時(shí)。
全文摘要
一種氧傳感器的制造方法,采用模壓成形和預(yù)置燒結(jié)工藝技術(shù)制作氧化鋯薄片并在薄片上形成一個(gè)擴(kuò)散孔,在該氧化鋯薄片兩側(cè)印刷兩個(gè)電極,其中一個(gè)電極處于一個(gè)擴(kuò)散室中,采用厚膜微電子工藝技術(shù)制作一個(gè)加熱器為該氧傳感器加熱。通過該方法制得的氧傳感器,由于保持了擴(kuò)散孔的一致性,所以傳感器互換性好;由于制作了加熱器,并使傳感器與加熱器一體化,從而提高了熱效率,所以該方法制造的氧傳感器使用溫度范圍更加廣泛。
文檔編號H01M4/48GK1241822SQ9812184
公開日2000年1月19日 申請日期1998年11月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月13日
發(fā)明者張益康, 楊邦朝 申請人:康達(dá)(成都)電子有限公司