一種氮氧化物傳感器芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車尾氣氮氧化物傳感器技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種氮氧化物傳感器芯片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前車用尾氣氮氧化物傳感器芯片是由六層氧化鋯基片疊合而成，如“氣體傳感器、氮氧化物傳感器和制造氣體傳感器的方法”(US20090242400)專利技術(shù)和“校正氮氧化物傳感器輸出信號(hào)的方法”(US20080237064)專利技術(shù)，所述專利技術(shù)均由三個(gè)電化學(xué)氧泵、兩個(gè)腔室、一個(gè)參比空氣通道、一個(gè)加熱電阻、引線和八個(gè)引腳構(gòu)成，三個(gè)電化學(xué)氧泵分別是主泵、輔助泵和測(cè)量泵，主泵在第一腔室，輔助泵和測(cè)量泵在第二腔室，第一腔室和第二腔室中間以狹縫連結(jié)，總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0003]這種氮氧化物傳感器芯片的工作原理是尾氣先被引到第一腔室，并由主泵抽掉所有的氧氣；再被引入第二腔室并由輔助泵進(jìn)一步抽掉尾氣中的氧氣，使尾氣中氧濃度降至極低；然后尾氣中的氮氧化物在測(cè)量泵的活化電極作用下分解為氧氣和氮?dú)猓詈笸ㄟ^(guò)測(cè)量泵的極限電流得出對(duì)應(yīng)氮氧化物的含量。這種氮氧化物傳感器芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本高難度大。
[0004]近年來(lái)，Jing Gao等提出一種新型的氮氧化物傳感器(J.Gao et al./ Sensorsand Actuators B 154 (2011) 106 - 110)，這種氮氧化物傳感器基于電化學(xué)原理，運(yùn)用氧化鋯的離子導(dǎo)電性，并將氧化鋯印刷在氧化鋁基片上，在氧化鋯的兩邊分別印刷活化電極和非活化電極，并在活化電極和非活化電極上覆蓋一層催化層以排除一氧化碳和碳?xì)浠衔飳?duì)傳感器電信號(hào)的干擾，從而提高傳感器對(duì)氮氧化物的選擇性。氧含量可以用簡(jiǎn)單的氧敏電阻來(lái)測(cè)量，比如STF氧敏電阻(即鐵摻雜鈦酸鍶氧敏電阻)有比較好的氧敏特性。但是這種新型氮氧化物傳感器仍然存在不足:這種新型氮氧化物傳感器在電極材料的選擇上仍然存在問(wèn)題，致使它的信號(hào)極易受汽車尾氣中一氧化碳和碳?xì)浠衔锏母蓴_；這種新型氮氧化物傳感器的基片上沒(méi)有集成氧傳感器，但是它需要在氧傳感器的配合下工作，致使在實(shí)際使用的過(guò)程中成本增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的是提供一種制備簡(jiǎn)單和成本低的氮氧化物傳感器芯片的制備方法，用該方法制備的氮氧化物傳感器芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量效果好和能同時(shí)測(cè)量氮氧化物含量和氧含量。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:所述氮氧化物傳感器芯片是將加熱電阻、氮氧化物濃差電池和STF氧敏電阻集成在氧化鋁基片的表面。加熱電阻、氮氧化物濃差電池和STF氧敏電阻在氧化鋁基片的投影位置是:加熱電阻對(duì)稱分布在氧化鋁基片的靠近周邊處；氮氧化物濃差電池的中心與氧化鋁基片左端距離為4mm ;STF氧敏電阻的中心與氧化鋁基片左端的距離為1mm ;氮氧化物濃差電池的中心和STF氧敏電阻的中心位于氧化鋁基片的對(duì)稱線上。
[0007]所述氮氧化物傳感器芯片的制備方法是:
步驟一、在氧化鋁基片的正面印刷氮氧化物濃差電池的電解質(zhì)層，然后在1450?1550°C條件下燒結(jié)0.5~lh。
[0008]步驟二、在氧化鋁基片的正面印刷STF氧敏電阻的過(guò)渡層，然后在1100?1400°C條件下燒結(jié)0.5~lh。
[0009]步驟三、在氧化鋁基片的正面印刷STF氧敏電阻的電阻層，然后在1100?1350°C條件下燒結(jié)0.5~lh。
[0010]步驟四、在氧化鋁基片的正面印刷加熱電阻的電阻絲，在氧化鋁基片的反面印刷加熱電阻的電阻絲的引腳，在氧化鋁基片的正面印刷與電阻絲連接的電阻絲的引線，將兩根電阻絲的引線分別穿過(guò)氧化鋁基片，再在氧化鋁基片的反面印刷與兩個(gè)電阻絲的引腳對(duì)應(yīng)連接的電阻絲的引線。
[0011]然后在氧化鋁基片的正面印刷氮氧化物濃差電池的活化電極、氮氧化物濃差電池的非活化電極、氮氧化物濃差電池的活化電極的引線、氮氧化物濃差電池的活化電極的引腳、氮氧化物濃差電池的非活化電極的引線和氮氧化物濃差電池的非活化電極的引腳，再印刷STF氧敏電阻的端子、STF氧敏電阻的端子的引線和STF氧敏電阻的端子的引腳，最后印刷氮氧化物濃差電池的催化層。
[0012]步驟五、在步驟四的基礎(chǔ)上，在900?1100°C條件下燒結(jié)0.5~lh，制得氮氧化物傳感器芯片。
[0013]所述印刷是指在室溫條件下，采用絲網(wǎng)印刷方式對(duì)加熱電阻、氮氧化物濃差電池和STF氧敏電阻中的各元件采用對(duì)應(yīng)的漿料進(jìn)行印刷。
[0014]所述的加熱電阻對(duì)稱分布在氧化鋁基片的靠近周邊處是指:加熱電阻的電阻絲對(duì)稱分布在氧化鋁基片正面的左端靠近周邊處，加熱電阻的電阻絲的引線的左半部分對(duì)稱分布在氧化鋁基片正面的中部左半部分的靠近周邊處，加熱電阻的電阻絲的引線的右半部分對(duì)稱分布在氧化鋁基片背面的中部右半部分的靠近周邊處，加熱電阻的電阻絲的引腳對(duì)稱分布在氧化鋁基片背面的右端靠近周邊處。
[0015]或加熱電阻對(duì)稱分布在氧化鋁基片的靠近周邊處是指:加熱電阻對(duì)稱分布在氧化鋁基片背面的靠近周邊處。
[0016]所述氧化鋁基片的平面形狀為左寬右窄的兩個(gè)矩形組成的整體，兩個(gè)矩形的對(duì)稱線為同一條直線，或所述氧化鋁基片的平面形狀為一個(gè)矩形。
[0017]所述印刷加熱電阻的電阻絲的阻值為2~20歐姆。
[0018]所述的對(duì)加熱電阻、氮氧化物濃差電池和STF氧敏電阻中的各元件采用對(duì)應(yīng)的漿料進(jìn)行印刷是指:
印刷氮氧化物濃差電池的電解質(zhì)層所采用的料漿為氧離子導(dǎo)電陶瓷漿料，氧離子導(dǎo)電陶瓷漿料為8%摩爾分?jǐn)?shù)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯漿料；8%摩爾分?jǐn)?shù)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯漿料中的氧化錯(cuò)粒徑小于0.5 μ m ;
印刷氮氧化物濃差電池的活化電極所采用的漿料為鉑銠漿料，鉑銠漿料中鉑含量為95wt%，鉑銠漿料中銠含量為5wt% ;鉑銠漿料中:鉑的粒徑為0.01?0.5 μπι，銠的粒徑為0.01 ?0.5 μ m ; 印刷氮氧化物濃差電池的非活化電極所采用的漿料為金鉑漿料，金鉑漿料中鉑含量為80wt%，金鉑漿料中金含量為20wt% ;金鉑漿料中:金的粒徑為0.0l?0.5 μ m，鉑的粒徑為0.01 ?0.5 μ m ;
印刷氮氧化物濃差電池的催化層所采用的漿料為含鉑4.5wt%的氧化鋁漿料，含鉑4.5wt%的氧化鋁漿料中:鉑的粒徑為0.01?0.5 μm，氧化鋁的粒徑小于0.5 μπι;
印刷加熱電阻的電阻絲、加熱電阻的電阻絲的引線、加熱電阻的電阻絲的引腳、氮氧化物濃差電池的活化電極的引線、氮氧化物濃差電池的活化電極的引腳、氮氧化物濃差電池的非活化電極的引線、氮氧化物濃差電池的非活化電極的引腳、STF氧敏電阻的端子、STF氧敏電阻的端子的引線和STF氧敏電阻的端子的引腳所采用的漿料為鉑漿，鉑漿中的鉑粒徑為 0.01 ?0.5 μ m ;
印刷STF氧敏電阻的過(guò)渡層所采用的漿料為20wt%的8%摩爾分?jǐn)?shù)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯和80wt%的STF混合漿料，80wt%的STF漿料中STF的粒徑小于0.5 μ m ;
印刷STF氧敏電阻的電阻層所采用的漿料為STF漿料，STF漿料中STF的粒徑小于0.5 μ m0
[0019]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果:
一、本發(fā)明中的氮氧化物傳感器芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。目前車用尾氣氮氧化物傳感器芯片是由六層氧化鋯基片疊合而成，由三個(gè)電化學(xué)氧泵、兩個(gè)腔室、一個(gè)參比空氣通道、一個(gè)加熱電阻、引線和八個(gè)引腳構(gòu)成，三個(gè)電化學(xué)氧泵分別是主泵、輔助泵和測(cè)量泵，主泵在第一腔室，輔助泵和測(cè)量泵在第二腔室，第一腔室和第二腔室中間以狹縫連結(jié)，總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上省去了三個(gè)電化學(xué)氧泵、兩個(gè)腔室、一個(gè)參比空氣通道和兩個(gè)引腳，極大地簡(jiǎn)化了氮氧化物傳感器芯片的結(jié)構(gòu)。
[0020]二、本發(fā)明的制備過(guò)程簡(jiǎn)單。現(xiàn)有氮氧化物傳感器芯片由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積小的原因，制作十分困難:需要在氧化鋯基片上沖切兩個(gè)腔室、一個(gè)狹縫和一個(gè)參比氣體通道；這兩個(gè)腔室、一個(gè)狹縫和一個(gè)參比氣體通道在六層氧化鋯基片的疊合、壓制和燒結(jié)過(guò)程中極易變形，變形嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致腔室、狹縫和參比氣體通道堵塞、開裂，致使氮氧化物傳感器芯片失效。而本發(fā)明由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需