一种电化学气体传感器芯片的制作方法

本发明涉及气体传感器芯片领域，具体属于一种电化学气体传感器芯片。

背景技术：

内燃机是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。目前，人们为了节省燃料优选使用稀薄燃烧混合物作为内燃机的燃料，此时为了满足内燃机废气达标排放的要求，内燃机需要配备三元催化器。但是由于三元催化器不能提供足够量的还原物质，用于处理氮氧化物nox，为此人们采用吸收物质(催化剂)存储过量的氮氧化物nox，在短时间内将燃烧气设置为浓燃烧，直到储存的氮氧化物nox已完全被co(一氧化碳)等尾气还原，再进入新的存储阶段。为了能够对这类浓/稀交替的气体进行成功执行控制，需要两个气体传感器，一个为氮氧化物nox传感器，它能够检测储存阶段结束时氮氧化物nox的增加变化；另一个为氧气传感器，它能够测量确定氧气的浓度变化，该氧气传感器要能够测量分析在再生阶段结束时，从三元催化器中产生的氧气含量特别低时，其浓燃烧废气中氧气的变化。

随着国内对环境气体达标排放的要求不断变化，关于此类气体传感器的研究逐渐增加。如：公开号为cn1186238a专利中描述的氮的氧化物的传感器，该传感器包括两个用于测量气体的腔室，每个腔室在一个平面传导氧离子陶瓷基材的不同层平面上都有一个泵单元。两个泵单元均包括沉积在固体电解质上的两个电极。待测气体通过第一扩散孔流入第一测量气体室，在此第一泵室通过将氧气泵入和泵出来设置恒定的低氧气分压。借助于同样位于第一测量气体室中的浓缩池(能斯特池)的电压(电动势)，通过泵室的泵电压来调节第一测量气体室中的氧分压；在第二个测量气体室中，确定测量气体中的nox浓度(nox测量气体中所含的氧，在第二泵单元的电极表面上能够被分解)，由此产生的氧气与仍残留在测量气体中的氧气一起被抽出。为了确定测量废气流中的氧气浓度还需要增加一个氧气传感器，这种缺点是需要两个单独的气体传感器(一个是氮氧化合物气体传感器，另一个是氧气传感器)，这样就增加了整体使用成本。为此，本发明提供了一种电化学气体传感器芯片，由此芯片制作的传感器，能够只使用一个，同时达到两个单独气体传感器的使用要求，确保整体使用成本不增加。

技术实现要素：

本发明提供一种电化学气体传感器芯片，通过对片状气体传感器芯片整体及其中第一外部电极层、固体电解质层、扩散障碍层一、扩散障碍层二、第一内部电极层、第二内部电极层、第三内部电极层、第二外部电极层、电阻加热器层、进气口、第一测量气体室、第二测量气体室和参比气体通道的整体研发设计，解决了上述背景技术中提到的问题。同时，本发明能够测量含氮氧化物气体中氧气浓度，还能够测量该芯片中存在氧气浓度，解决了测量内燃机废气流中氧气浓度时，需要增加氧气传感器的问题，只使用一个由本发明芯片制作的传感器，能够同时达到两个单独气体传感器的使用要求，节省成本，使用效果好，性能优良，适合在生产制造化学气体传感器时推广使用。

为实现上述目的本发明采用的技术方案如下：

一种电化学气体传感器芯片，整体为片状气体传感器芯片，该气体传感器芯片右侧端部为梯形斜界面，包括第一外部电极层、固体电解质层、扩散障碍层一、扩散障碍层二、第一内部电极层、第二内部电极层、第三内部电极层、第二外部电极层、电阻加热器层、进气口、第一测量气体室、第二测量气体室和参比气体通道，第一外部电极层和第二外部电极层能够直接暴露在气体中，扩散障碍层二、第一内部电极层、第二内部电极层、第三内部电极层、第一测量气体室、第二测量气体室和电阻加热器层都位于固体电解质层内部，进气口位于最外层固体电解质层的上面，进气口内侧上部安装有扩散障碍层一，参比气体通道位于第二外部电极层所在的固体电解质层，与内部嵌装有电阻加热器层的固体电解质层之间的空间内，参考气体通道与外部气体直接连通。

优选地，所述固体电解质层从上到下依次有固体电解质层一、固体电解质层二、固体电解质层三、固体电解质层四、固体电解质层五、固体电解质层六、固体电解质层七和固体电解质层八，所述固体电解质层由含钇稳定氧化锆纳米粉体制作而成；

所述固体电解质层一、固体电解质层二、固体电解质层三、固体电解质层四、固体电解质层五、固体电解质层六、固体电解质层七和固体电解质层八，都由圣戈班5y-zro2粉体、pvb粘结剂和溶剂丁酮，混合后经过球磨96小时，然后脱泡流延制作成生胚固体电解质层一、固体电解质层二、固体电解质层三、固体电解质层四、固体电解质层五、固体电解质层六、固体电解质层七和固体电解质层八，固体电解质层一、固体电解质层二、固体电解质层三、固体电解质层四、固体电解质层五、固体电解质层六、固体电解质层七和固体电解质层八生胚从上到下依次叠合粘结后，烧结制成，所述烧结温度为1500℃。

优选地，所述固体电解质层为能够导电氧离子的固体电解质层，所述固体电解质层一的上部外面印刷有第一外部电极层，固体电解质层一的上面有进气口，固体电解质层一的下部印刷有第二内部电极层，所述固体电解质层三的上面印刷有第一内部电极层，固体电解质层三的下面印刷有第三内部电极层，所述固体电解质层五的上面印刷有第三内部电极层，固体电解质层五的下面印刷有第二外部电极层，所述固体电解质层三上有进气口，固体电解质层五上有凹槽口，所述扩散障碍层二嵌装烧结在固体电解质层三上有进气口下方，与固体电解质层五上凹槽口之间的固体电解质层四内部，所述扩散障碍层二位于固体电解质层三下面的第三内部电极层和固体电解质层五上面的第三内部电极层内侧，靠近固体电解质层三上进气口和固体电解质层五上凹槽口之间的区域内，所述扩散障碍层二将固体电解质层三上进气口和固体电解质层五上凹槽口，与固体电解质层三下面的第三内部电极层和固体电解质层五上面的第三内部电极层隔开，所述扩散障碍层二共有两块，都位于固体电解质层三下面、固体电解质层五上面及固体电解质层四之间的区域内；

所述固体电解质层七和固体电解质层八之间嵌装有电阻加热器层，电阻加热器层能够用于加热传感器芯片，使其达到要求的工作温度,所述固体电解质层五的下面、固体电解质层五下面的第二外部电极层、固体电解质层六的右侧和固体电解质层七的上面，四者之间的区域为参考气体通道。

优选地，所述固体电解质层一下面、固体电解质层二中间、固体电解质层三上面和中间、两块扩散障碍层二之间及固体电解质层五上面的空间，共同组成第一测量气体室。

优选地，所述固体电解质层三下面、固体电解质层四中间、两块扩散障碍层二外侧及固体电解质层五上面的空间，共同组成第二测量气体室。

优选地，所述圣戈班5y-zro2粉体由法国圣戈班公司生产，pvb粘结剂由洛阳硕然化工产品有限公司生产，溶剂丁酮由江苏嘉松化工有限公司生产。

优选地，所述位于最外层固体电解质层上面的进气口，该进气口能够在固体电解质层一正中心的位置，或者该进气口能够在固体电解质层一上面靠近左侧面一边的位置，或者该进气口能够在固体电解质层一上面靠近右侧面一边的位置，所述进气口上下纵向穿过固体电解质层一、固体电解质层二、固体电解质层三和固体电解质层四，进气口的底部位于固体电解质层五上凹槽口区域。

优选地，所述第一内部电极层和第二内部电极层位于第一测量气体室内，第三内部电极层位于第二测量气体室内。

优选地，所述第一内部电极层和第二内部电极层位于进入进气口流动气体的上游，第一内部电极层和第二内部电极层对氮氧化物没有催化活性，所述第三内部电极层能够催化分解氮氧化物，制作第三内部电极层材料能够为铑或铂或铑铂合金。

与已有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过对片状气体传感器芯片整体及其中第一外部电极层、固体电解质层、扩散障碍层一、扩散障碍层二、第一内部电极层、第二内部电极层、第三内部电极层、第二外部电极层、电阻加热器层、进气口、第一测量气体室、第二测量气体室和参比气体通道的研发设计组合，制造出了一种电化学气体传感器芯片。只使用一个由本发明芯片制作的传感器，能够同时达到两个单独气体传感器的使用要求，解决了背景技术中提到的内燃机配件问题，为了确定测量其废气流中的氧气浓度还需要增加一个氧气传感器，需要两个单独的气体传感器(一个是氮氧化合物气体传感器，另一个是氧气传感器)，这样就增加了整体使用成本的缺陷。

本发明能够测量含氮氧化物nox气体中氧气浓度，还能够测量该芯片中存在的氧气浓度，解决了测量内燃机废气流中的氧气浓度时，需要增加氧气传感器的问题，节省成本，使用效果好，性能优良，在内燃机使用稀薄气体运行时，能够用作控制氮氧化物nox的吸附催化剂，也能够作为氮氧化物nox传感器芯片，还能够作为氧气传感器芯片使用，适合在生产制造化学气体传感器时推广使用。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明整体垂直固体电解质层一上面进气口水平面，纵向剖切面示意图。

备注说明：1为固体电解质层一；2为固体电解质层二；3为固体电解质层三；4为固体电解质层四；5为固体电解质层五；6为固体电解质层六；7为固体电解质层七；8为固体电解质层八；9为进气口；d1为第一内部电极层；d2为第一外部电极层；d3为第二内部电极层；d5为第三内部电极层；d6为第二外部电极层；d7为电阻加热器层；c1为第一测量气体室；c2为第二测量气体室；c3为参比气体通道；k1为扩散障碍层一；k2为扩散障碍层二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

下面结合实施例和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

参见附图：一种电化学气体传感器芯片，整体为片状气体传感器芯片，该气体传感器芯片右侧端部为梯形斜界面，包括第一外部电极层d2、固体电解质层、扩散障碍层一k1、扩散障碍层二k2、第一内部电极层d1、第二内部电极层d3、第三内部电极层d5、第二外部电极层d6、电阻加热器层d7、进气口9、第一测量气体室c1、第二测量气体室c2和参比气体通道c3，第一外部电极层d2和第二外部电极层d6能够直接暴露在气体中，扩散障碍层二k2、第一内部电极层d1、第二内部电极层d3、第三内部电极层d5、第一测量气体室c1、第二测量气体室c2和电阻加热器层d7都位于固体电解质层内部，进气口9位于最外层固体电解质层的上面，进气口9内侧上部安装有扩散障碍层一k1，参比气体通道c3位于第二外部电极层d6所在的固体电解质层，与内部嵌装有电阻加热器层d7的固体电解质层之间的空间内，参考气体通道c3与外部气体直接连通。

优选地，所述固体电解质层从上到下依次有固体电解质层一1、固体电解质层二2、固体电解质层三3、固体电解质层四4、固体电解质层五5、固体电解质层六6、固体电解质层七7和固体电解质层八8，所述固体电解质层由含钇稳定氧化锆纳米粉体制作而成；

所述固体电解质层一1、固体电解质层二2、固体电解质层三3、固体电解质层四4、固体电解质层五5、固体电解质层六7、固体电解质层七7和固体电解质层八8，都由圣戈班5y-zro2粉体、pvb粘结剂和溶剂丁酮，混合后经过球磨96小时，然后脱泡流延制作成生胚固体电解质层一1、固体电解质层二2、固体电解质层三3、固体电解质层四4、固体电解质层五5、固体电解质层六6、固体电解质层七7和固体电解质层八8，固体电解质层一1、固体电解质层二2、固体电解质层三3、固体电解质层四4、固体电解质层五5、固体电解质层六6、固体电解质层七7和固体电解质层八8生胚从上到下依次叠合粘结后，烧结制成，所述烧结温度为1500℃。

优选地，所述固体电解质层为能够导电氧离子的固体电解质层，所述固体电解质层一1的上部外面印刷有第一外部电极层d2，固体电解质层一1的上面有进气口9，固体电解质层一1的下部印刷有第二内部电极层d3，所述固体电解质层三3的上面印刷有第一内部电极层d1，固体电解质层三3的下面印刷有第三内部电极层d5，所述固体电解质层五5的上面印刷有第三内部电极层d5，固体电解质层五5的下面印刷有第二外部电极层d6，所述固体电解质层三3上有进气口9，固体电解质层五5上有凹槽口，所述扩散障碍层二k2嵌装烧结在固体电解质层三3上有进气口9的下方，与固体电解质层五5上凹槽口之间的固体电解质层四4内部，所述扩散障碍层二k2位于固体电解质层三3下面的第三内部电极层d5和固体电解质层五5上面的第三内部电极层d5内侧，靠近固体电解质层三3上进气口9和固体电解质层五5上凹槽口之间的区域内，所述扩散障碍层二k2将固体电解质层三3上进气口9和固体电解质层五5上凹槽口，与固体电解质层三3下面的第三内部电极层d5和固体电解质层五5上面的第三内部电极层d5隔开，所述扩散障碍层二k2共有两块，都位于固体电解质层三3下面、固体电解质层五5上面及固体电解质层四4之间的区域内；

所述固体电解质层七7和固体电解质层八8之间嵌装有电阻加热器层d7，电阻加热器层d7能够用于加热传感器芯片，使其达到要求的工作温度,所述固体电解质层五5的下面、固体电解质层五5下面的第二外部电极层d6、固体电解质层六6的右侧和固体电解质层七7的上面，四者之间的区域为参考气体通道c3。

优选地，所述固体电解质层一1下面、固体电解质层二2中间、固体电解质层三3上面和中间、两块扩散障碍层二k2之间及固体电解质层五5上面的空间，共同组成第一测量气体室c1。

优选地，所述固体电解质层三3下面、固体电解质层四4中间、两块扩散障碍层二k2外侧及固体电解质层五5上面的空间，共同组成第二测量气体室c2。

优选地，所述圣戈班5y-zro2粉体由法国圣戈班公司生产，pvb粘结剂由洛阳硕然化工产品有限公司生产，溶剂丁酮由江苏嘉松化工有限公司生产。

优选地，所述位于最外层固体电解质层上面的进气口9，该进气口9能够在固体电解质层一1正中心的位置，或者该进气口9能够在固体电解质层一1上面靠近左侧面一边的位置，或者该进气口9能够在固体电解质层一1上面靠近右侧面一边的位置，所述进气口9上下纵向穿过固体电解质层一1、固体电解质层二2、固体电解质层三3和固体电解质层四4，进气口9的底部位于固体电解质层五5上凹槽口区域。

优选地，所述第一内部电极层d1和第二内部电极层d3位于第一测量气体室c1内，第三内部电极层d5位于第二测量气体室c2内。

优选地，所述第一内部电极层d1和第二内部电极层d3位于进入进气口9流动气体的上游，第一内部电极层d1和第二内部电极层d3对氮氧化物没有催化活性，所述第三内部电极层d5能够催化分解氮氧化物，制作第三内部电极层d5材料能够为铑或铂或铑铂合金。

使用由本发明电化学气体传感器芯片制作的传感器，安装在内燃机配件的相应位置，使用时：

1)作为内燃机浓/稀交替燃烧气体执行控制传感器，用于控制氮氧化物nox吸附催化剂；

当内燃机使用稀薄混合燃烧气体运行时，此时过量的氮氧化物nox在三元催化器上没法完全分解，氮氧化物nox就会被吸附催化剂暂时存储起来，并在浓燃烧时首先被分解掉；

将由本发明电化学气体传感器芯片制作的传感器，安装布置在氮氧化物nox吸收催化剂的下游，在混合气体稀薄燃烧时，该传感器能够作为氮氧化物nox传感器；随着氮氧化物nox的吸附催化剂，其存储容量耗尽，该传感器能够检测到氮氧化物nox浓度，明显增加，达到恢复浓燃烧阶段；在该阶段，该传感器控制将λ(废气空气比)值<1的浓废气混合物，供应给氮氧化物nox吸附催化剂，由氮氧化物nox能够在吸附催化剂发生还原反应，废气以λ值约为1时，离开催化转化器；在浓燃烧阶段，在氮氧化物nox被转化完全后，上述该气体传感器能够作为λ值的测试传感器，当测试到λ值降低时，会启动稀薄燃烧阶段(如上述稀薄燃烧阶段的工作过程)，能够循环使用。

2)作为氮氧化合物nox气体传感器使用；

作为氮氧化合物nox传感器时，第一外部电极层d2和第一内部电极层d1能够作为第一泵单元的泵电极；第二内部电极层d3连接到附加的第二外部电极层d6能够作为参比电极，以形成浓度电池；泵电压施加于第一内部电极层d1和第一外部电极层d2之间，通过它们将第一测量气体室c1中的氧气泵入或泵出；在这种情况下，施加在第一内部电极层d1和第一外部电极层d2的泵电压能够进行自控调节，以确保在第二内部电极层d3和第二外部电极层d6之间建立恒定的电压值；

当测量氮氧化合物nox气体时设置为恒定氧分压，通过固体电解质层一1上面的进气口9进入的气体，通过扩散障碍层二k2到达第二测量气体室c2；此时位于第二测量气体室c2内部的第三内部电极层d5，与第二内部电极层d3连接到附加的第二外部电极层d6能够作为参比电极一起使用能够作为另一个泵单元，此时第三内部电极层d5充当氮氧化合物nox气体的敏感电极；

按照反应式：nox->1/2n2+x/2o2进行分解nox；能够使用泵电流表示游离氧和nox催化分解而排出的氧气之和。

3)作为氧气传感器使用；

当用作氧气传感器使用时，能够作为确定氧气浓度的空燃比氧传感器。此时，这种传感器是通过将泵单元与浓度(电)池组合而实现的，具体包括：第一内部电极层d1和第一外部电极层d2的第一泵单元，能够确保氧气通过固体电解质层一1上面进气口9传输进出第一测量气体室c1，直到浓度(电)池达到预定的电位，第二内部电极层d3和第二外部电极层d6构成浓度(电)池；为了设置预定电位，通过测量在第一内部电极层d1和第一外部电极层d2之间流动的泵电流，用以作为表示氧气浓度测量信号的变化。

只使用一个由本发明一种电化学气体传感器芯片制作的传感器，安装在内燃机配件的相应位置，能够同时达到两个单独气体传感器的使用要求，解决了背景技术中提到的内燃机配件问题，为了确定测量其废气流中的氧气浓度还需要增加一个氧气传感器，需要两个单独的气体传感器(一个是氮氧化合物气体传感器，另一个是氧气传感器)，这样就增加了整体使用成本的缺陷。

本发明能够测量含氮氧化物nox气体中氧气浓度，还能够测量该芯片中存在的氧气浓度，解决了测量内燃机废气流中的氧气浓度时，需要增加氧气传感器的问题，节省成本，使用效果好，性能优良，在内燃机使用稀薄气体运行时，能够用作控制氮氧化物nox的吸附催化剂，也能够作为氮氧化物nox传感器芯片，还能够作为氧气传感器芯片使用，适合在生产制造化学气体传感器时推广使用。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。