极限电流型宽域氧传感器芯片及其制作方法

摘要

本发明涉及氧传感器集成芯片技术领域，尤其是一种工作原理为极限电流型的宽域氧传感器芯片及其制作方法。该氧传感器芯片仅用三层主基板来构建所需的泵电池单元、混合腔、扩散障碍层、参比空气通道和加热线路，其中混合腔和参比空气通道处在同一基体层上，而且参比空气通道采用折弯式设计，可大幅降低通道长度，在确保一定参比空气扩散能力的基础上，可以缩小通道的截面积，有助于缩小芯片的体积和增加芯片强度。本发明提供的极限电流型宽域氧传感器芯片制备工序简单、生产效率高、稳定性好。

说明书

技术领域

本本发明涉及车用氧传感器集成芯片技术领域，尤其是一种极限电流型宽域氧传感器芯片及其制作方法。

背景技术

随着汽车尾气排放法规和发动机控制技术的日益提高，传统的浓差型氧传感器在测量精度和测量范围上都无法满足发动机控制系统的要求，因此基于极限电流原理的宽域氧传感器应运而生。目前已有的极限电流型宽域氧传感器芯片有两种，一种是仅有泵电池单元的单电池宽域氧传感器芯片，如图1(a)、1(b)所示，另一种是带有泵电池单元和浓差电池单元的双电池宽域氧传感器芯片，如图1(c)、1(d)所示。这两种芯片都是在不同的基体层上分别设置所需的混合腔和参比空气通道，这就需要至少5层基板叠加才能完成，其理论上的厚度是普通的浓差型氧传感器芯片厚度的1.7倍，体积偏大。所以现有的极限电流型宽域氧传感器芯片虽然在测量精度上提高很多，但在加热速度方面没有普通浓差型氧传感器芯片快，冷启动时间长。

另外，现有的这两种宽域氧传感器芯片的参比空气通道都是直线型设置在同一基体层内并贯通到芯片的尾端，其通道长度几乎与芯片长度相当，这就导致要获得足够的参比空气扩散能力，必须加大参比空气通道的横截面积，特别是对于仅有泵电池单元的单电池宽域氧传感器来说，参比空气通道的空气扩散能力就决定了其在空燃比＜1范围内的检测能力。参比空气通道横截面积的增大会增加制造工艺难度，并降低芯片的抗弯强度。

此外，极限电流型氧传感器的测量精度和稳定性基本取决于扩散障碍层的气氛扩散速度的稳定性，现有的宽域氧传感器芯片因结构局限性，只能将扩散障碍层设置在中间感应基板的上面，远离加热区域的一侧，这使得扩散障碍层实际工作中温度较低、受尾气气流温度影响大，而且不利于尾气中未燃烧物质的分解，并影响尾气在该障碍层中的扩散速率，导致测量精度偏差。

发明内容

为了克服现有宽域氧传感器的不足，本发明提供了一种极限电流型宽域氧传感器芯片及其制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种极限电流型宽域氧传感器芯片，芯片由上层感应基板、中层骨架基板和底层闭合基板叠加构成了相互隔绝的混合腔和参比空气通道；上层感应基板通过在混合腔对应区域设置尾气侧电极，以及在参比空气通道对应区域设置参比空气侧电极，共同构成泵电池单元，泵电池单元的两个电极都处在加热区域内；参比空气通道通过上层感应基板上设置的通孔与外界空气相通；扩散障碍层设置在混合腔的下面，离发热区域距离很近，并对尾气向混合腔内的扩散形成一定的限制；加热线路直接集成在下层闭合基板的底面上。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述混合腔和参比空气通道构筑在同一骨架层上。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括泵电池单元的尾气侧电极和参比空气侧电极设置在同一平面上，且分别对应在混合腔和参比空气通道的位置，相互隔离，并都处在加热区域内。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括参比空气通道采用折弯式设计，通过在上层感应基板上开通孔实现与外界空气相通。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述通孔位置避开芯片中部装配的密封区。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述通孔设置于底层闭合基板上，或者上下基板都设置。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述上层感应基板为氧化锆固体电解质。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述扩散障碍层设置在混合腔的下面，更靠近加热线路的一面。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括在上层感应基板的外层表面设置催化反应电极，形成带极限电流泵电池单元和浓差电池单元的双电池宽域氧传感器芯片。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括混合腔内的催化反应电极，一方面作为测量电极与参比空气电极形成浓差电池单元，另一方面也作为泵电池内电极与外侧催化反应电极形成泵电池单元。

一种极限电流型宽域氧传感器芯片的制作方法，其步骤是，

一、首先，将5%摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）以70～86：6～12：4～9：4～9的质量比混合球磨制成浆体，然后通过流延工艺制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成带1个空气通孔和2个电极连接孔的上层感应基板坯体、带扩散腔方孔和参比空气通道方槽的中层骨架基板坯体，以及平整的底层闭合基板坯体；

二、将含有70%～90%铂粉的电极和导电浆料印刷在上层感应基板坯体的内表面，形成相互隔离的尾气侧电极、参比空气侧电极以及相关引线的印刷图案；再将铂导电浆料印刷在上层感应基板坯体的尾端外表面和2个电极连接孔，形成感应电极连接片并确保其与内表面的电极图案相连；

三、制备多孔氧化铝或者氧化锆浆料，用丝网印刷工艺印刷在底层闭合基板坯体上表面与混合腔对应位置处，印刷厚度50～200微米，以形成扩散障碍层；

四、将含有纯度达到97%以上的氧化铝粉末的绝缘浆料印刷在底层闭合基板坯体的下表面形成绝缘层，再将含有铂粉的导电浆料印刷在该绝缘层上，以形成加热线路图案，最后再印刷一层氧化铝绝缘层将加热线路覆盖起来，并露出尾端的加热线路连接片；

五、接下来，用含有氧化锆粉的粘合剂将上层感应基板坯体、中层骨架基板坯体，以及底层闭合基板精确对位层叠在一起，加热至40～60度同时压紧密实；

六、将层压成一体的生坯在低温下脱脂，然后在1300～1500度高温烧结1～3个小时，即可制备出该极限电流型宽域氧传感器芯片。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括极限电流型宽域氧传感器芯片的制作方法，第二步包括以下步骤：将含有70%～90%铂粉的电极和导电浆料印刷在上层感应基板坯体的内表面，形成相互隔离的测量电极（和泵电池内电极）、参比空气侧电极以及相关引线的印刷图案；将同样的铂电极和导电浆料印刷在上层感应基板坯体的外表面，形成泵电池外电极以及相关引线的印刷图案；再将铂导电浆料印刷在上层感应基板坯体的尾端外表面和2个电极连接孔，形成感应电极连接片并确保其与内表面的电极图案相连。

本发明的有益效果是，本发明提供的极限电流型宽域氧传感器芯片仅用三层主基板构建，厚度更薄，体积更小；而且该芯片采用折弯式参比空气通道，大幅缩短通道长度，减小通道横截面积，提高芯片抗弯强度并降低制造难度；最后该氧传感器芯片的扩散障碍层在实际使用中有更高更稳定的工作温度，有利于提高芯片的测量精度和稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1（a）是现有单电池宽域氧传感器芯片的剖面图；

图1（b）是图1（a）中A-A向剖视图；

图1（c）是现有双电池宽域氧传感器芯片的剖面图；

图1（d）是图1（c）中B-B向剖视图；

图中 101.感应基板，102A.混合腔骨架基板，102B. 混合腔闭合基板，103A.参比空气通道骨架基板，103B. 参比空气通道基板，111.尾气侧电极（在图1（c）中作为测量电极和泵电池内电极），112.参比空气侧电极，113.泵电池外电极，121.混合腔，122.参比空气通道，123.扩散障碍层，131.加热线路。

图2（a）本发明单电池宽域氧传感器芯片的剖面图；

图2（b）是图2（a）中C-C向剖视图；

图2（c）是本发明另一实施例双电池宽域氧传感器芯片的剖面图；

图2（d）是图2（c）中D-D向剖视图；

图3是本发明宽域氧传感器芯片的分解图；

图中 1.上层感应基板，2.中层骨架基板，3.底层闭合基板，11.尾气侧电极（在图2（c）中作为测量电极和泵电池内电极），12.参比空气侧电极，13.泵电池外电极，21.混合腔，22.参比空气通道，221.空气通孔，23.扩散障碍层，31.加热线路。

具体实施方式

如图2（a）、2（b）是本发明单电池极限电流型宽域氧传感器芯片的结构示意图，该芯片由上层感应基板1、中层骨架基板2和底层闭合基板3叠加构成了相互隔绝的混合腔21和参比空气通道22；上层感应基板1通过在混合腔21对应区域设置尾气侧电极11，以及在参比空气通道22 对应区域设置参比空气侧电极12，共同构成泵电池单元，泵电池单元的两个电极都处在加热区域内；参比空气通道22通过上层感应基板1上设置的通孔221与外界空气相通；扩散障碍层23设置在混合腔21的下面，并对尾气向混合腔21内的扩散形成一定的限制；加热线路31直接集成在下层闭合基板3的底面上。

包括以下步骤：

一、将5%摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）以70～86：6～12：4～9：4～9的质量比混合球磨制成浆体，然后通过流延工艺制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成带1个空气通孔和2个电极连接孔的上层感应基板1坯体、带扩散腔21方孔和参比空气通道22方槽的中层骨架基板2坯体，以及平整的底层闭合基板3坯体。

二、将含有70%~90%铂粉的电极和导电浆料印刷在上层感应基板1坯体的内表面，形成相互隔离的尾气侧电极11、参比空气侧电极12以及相关引线的印刷图案。再将铂导电浆料印刷在上层感应基板1坯体的尾端外表面和2个电极连接孔，形成感应电极连接片并确保其与内表面的电极图案相连。

三、制备多孔氧化铝或者氧化锆浆料，用丝网印刷工艺印刷在底层闭合基板(3)坯体上表面与混合腔对应位置处，印刷厚度50~200微米，以形成扩散障碍层(23)。

四、将含有纯度达到97%以上的氧化铝粉末的绝缘浆料印刷在底层闭合基板3坯体的下表面形成绝缘层，再将含有铂粉的导电浆料印刷在该绝缘层上，以形成加热线路31图案，最后再印刷一层氧化铝绝缘层将加热线路覆盖起来，并露出尾端的加热线路连接片。

五、用含有氧化锆粉的粘合剂将上层感应基板1坯体、中层骨架基板2坯体，以及底层闭合基板3精确对位层叠在一起，加热至40～60度同时压紧密实。

最后，将层压成一体的生坯在低温下脱脂，然后在1300~1500度高温烧结1～3个小时，即可制备出本专利的单电池极限电流型宽域氧传感器芯片。

如图2(b)、2（c）是本发明单电池极限电流型宽域氧传感器芯片的结构示意图，在上层感应基板1的外层表面设置催化反应电极13，该电极与对应混合腔21内的催化反应电极11形成极限电流泵电池单元，而混合腔内的催化反应电极11同时作为测量电极，又与参比空气侧的电极12形成了浓差电池单元，这就形成了双电池极限电流型宽域氧传感器芯片。

下面结合分解图3详细叙述本发明单电池极限电流型宽域氧传感器芯片的制作过程。

首先，将5%摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）以70～86：6～12：4～9：4～9的质量比混合球磨制成浆体，然后通过流延工艺制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成带1个空气通孔和2个电极连接孔的上层感应基板1坯体、带扩散腔21方孔和参比空气通道22方槽的中层骨架基板2坯体，以及平整的底层闭合基板3坯体。

其次，将含有70%~90%铂粉的电极和导电浆料印刷在上层感应基板1坯体的内表面，形成相互隔离的尾气侧电极11、参比空气侧电极12以及相关引线的印刷图案。再将铂导电浆料印刷在上层感应基板1坯体的尾端外表面和2个电极连接孔，形成感应电极连接片并确保其与内表面的电极图案相连。

再次，制备多孔氧化铝或者氧化锆浆料，用丝网印刷工艺印刷在底层闭合基板3坯体上表面与混合腔对应位置处，印刷厚度50~200微米，以形成扩散障碍层23。

接下来，将含有纯度达到97%以上的氧化铝粉末的绝缘浆料印刷在底层闭合基板3坯体的下表面形成绝缘层，再将含有铂粉的导电浆料印刷在该绝缘层上，以形成加热线路31图案，最后再印刷一层氧化铝绝缘层将加热线路覆盖起来，并露出尾端的加热线路连接片。

然后再用含有氧化锆粉的粘合剂将上层感应基板1坯体、中层骨架基板2坯体，以及底层闭合基板3精确对位层叠在一起，加热至40～60度同时压紧密实。

最后，将层压成一体的生坯在低温下脱脂，然后在1300～1500度高温烧结1～3个小时，即可制备出本专利的单电池极限电流型宽域氧传感器芯片。

本发明双电池极限电流型宽域氧传感器芯片的实施例如下：

首先，将5%摩尔氧化钇的氧化锆粉末同PVB、松油醇和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）以70～86：6～12：4～9：4～9的质量比混合球磨制成浆体，然后通过流延工艺制成氧化锆生坯带，再通过模具冲压成带1个空气通孔和2个电极连接孔的上层感应基板1坯体、带扩散腔21方孔和参比空气通道22方槽的中层骨架基板2坯体，以及平整的底层闭合基板3坯体。

其次，将含有70%~90%铂粉的电极和导电浆料印刷在上层感应基板坯体的内表面，形成相互隔离的测量电极（和泵电池内电极）、参比空气侧电极以及相关引线的印刷图案；将同样的铂电极和导电浆料印刷在上层感应基板坯体的外表面，形成泵电池外电极以及相关引线的印刷图案；再将铂导电浆料印刷在上层感应基板坯体的尾端外表面和2个电极连接孔，形成感应电极连接片并确保其与内表面的电极图案相连。

再次，制备多孔氧化铝或者氧化锆浆料，用丝网印刷工艺印刷在底层闭合基板3坯体上表面与混合腔对应位置处，印刷厚度50～200微米，以形成扩散障碍层23。

接下来，将含有纯度达到97%以上的氧化铝粉末的绝缘浆料印刷在底层闭合基板3坯体的下表面形成绝缘层，再将含有铂粉的导电浆料印刷在该绝缘层上，以形成加热线路31图案，最后再印刷一层氧化铝绝缘层将加热线路覆盖起来，并露出尾端的加热线路连接片。

然后再用含有氧化锆粉的粘合剂将上层感应基板1坯体、中层骨架基板2坯体，以及底层闭合基板3精确对位层叠在一起，加热至40～60度同时压紧密实。

最后，将层压成一体的生坯在低温下脱脂，然后在1300～1500度高温烧结1～3个小时，即可制备出本专利的单电池极限电流型宽域氧传感器芯片。

本发明提供的极限电流型宽域氧传感器芯片仅用三层主基板构建，厚度更薄，体积更小。而且该芯片采用折弯式参比空气通道，大幅缩短通道长度，减小通道横截面积，提高芯片抗弯强度并降低制造难度。最后该氧传感器芯片的扩散障碍层在实际使用中有更高更稳定的工作温度，有利于提高芯片的测量精度和稳定性。