专利名称：一种氧传感器的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种气体传感器的制造方法，尤其是涉及一种固体电解质氧化锆界限电流式氧传感器的制造方法。
氧浓度的测量和控制在各种产业领域都有着重要的作用，目前应用的氧传感器按其原理划分有浓差电池式氧传感器、伽伐尼电池式氧传感器和界限电流式氧传感等几种。界限电流式氧传感器以其测试精度高，响应速度快，使用寿命长以及使用过程中不需基准气体等特点处于90年代国际先进水平。因为界限电流式氧传感器的制造方法独特，目前世界上仅有2～3家企业能进行生产。已有的界限电流式氧传感器的制造方法，主要是采用一种方法限制气体的流量，通过测试此限定量气体中氧浓度的大小达到测试环境中氧浓度大小的目的。
专利号为CN85101228A的日本专利公开了一种氧浓度测量装置的制造方法。在该制造过程中，主要讲述了该氧浓度测量装置中扩散室的制造方法，对扩散孔的制作采用了钻孔的方案，没有制作加热器。在氧浓度一定时，扩散孔的直径和长度的不同会使氧传感器的输出电流的大小不同，扩散孔的直径一般在几十微米左右，采用钻孔方式很难保证扩散孔的直径能保持一致，从而影响生产出来的氧传感器的互换性。制作该氧浓度测量装置的材料是固体电解质氧化锆，它在被加热到450℃以上时是氧离子的导体。在所述氧浓度测量的制造方法中没有制作加热器，意味着该氧浓度测量装置必须工作在450℃以上，这无疑会影响采用该方法制造出的氧浓度测量装置的应用范围。
本发明的目的在于提供一种能制造出性能稳定，互换性好，可自身加热的氧传感器的制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术措施来实现先用模具成形制作氧化锆薄片1，在薄片上制作一个扩散孔2，然后在薄片两侧印刷第一电极3，第二电极4。用氧化锆帽形盖件5覆盖所述第二电极4，在第二电极4与氧化锆帽形盖件5之间形成扩散室6，最后在盖件外侧平面粘接一个厚膜加热器。本发明中的扩散孔制造方法是先将氧化锆粉放入模具中，在该氧化锆粉末中放置一根低熔点材料制作直径约为100μm左右的细丝，将氧化锆粉末压制成氧化锆薄片，然后将氧化锆薄片置于高温炉中烧结，取出冷却，由于低熔点材料制作的细丝挥发及热胀冷缩原理，可在该薄片上形成一个扩散孔；本发明中加热器的制造方法是先将氧化锆粉放入模具并压成基片，将该基片在高温烧结炉中烧结后取出，然后采用厚膜微电子工艺技术在基片上印制铂厚膜电阻器，放在高温炉中烧结，取出冷却。
采用本发明制造出的氧传感器，其工作原理如
图1所示。气体通过固体电解质氧化锆薄片1上的扩散孔2进入扩散室6，在所述氧化锆薄片1上有印刷的两个电极分别电极3、电极4，扩散室处于电极4与帽形氧化锆盖件5之间。在电极3和电极4间施加一电压V，其中电极4为阴极，电极3为阳极，这时，在电极3和电极4上产生如下电化学反应阴极(电极4)阳极(电极3)
此反应在电路上表现为有一电流I产生，且此电流I随V的变化呈如图2所示趋势。当将电压V加在V1～V2之间时，电流I为一饱和恒定值I1，此电流是气体中的氧分子在电极5上电解生成的氧离子通过电路时所形成的，根据Ficks扩散法则，电流值I与氧浓度间的理论关系式为I=4FDSPRTLln(1-Po2P)----(1)]]>式中F—法拉第常数；S—扩散孔截面积；D—氧气扩散系数； P—气体总压强；R—气体常数； T—绝对温度；L—扩散孔长度；
—氧分压。
通过测电流值I的大小即可得出氧浓度的大小。
从(1)式中也可看出，当氧浓度(即氧分压)一定时，输出电流I受扩散孔的截面积和扩散孔长度的影响，如果制作的扩散孔不一样，相同氧浓度下氧传感器输出的电流值大小也不一样，这样的氧传感器是很难具有互换性的。前面我们提到，扩散孔主要起到限制气体流量的作用，那么采用多大的孔径(即截面积)能既满足气体扩散需要又能起到限制作用呢？实验数据是50～70μm，这样小的孔径在工业中并不一定容易实现，采用激光打孔能满足其小但不能保证每次一致，但经过研究发现，由于物体的热胀冷缩原因，当我们的氧化锆粉成分一致(即胀缩系数相同时)，选择相同的低熔点材料细丝能制作出50～70μm间大小一致的扩散孔。
在本发明中由于采用了模具压制氧化锆粉末形成薄片和在压制过程中放入了低熔点材料制作的细丝，在满足氧化锆粉末成分一定，所用细丝粗细一定的情况下，模具压制可保证氧化锆薄片的厚度一致，实际—就保证了扩散孔的长度一致，从而保证了该氧传感器制造方法所制造出的氧传感器具有很好的互换性，同时，由于该制造方法中还有关于加热器的制作，所以按本发明制造出的氧传感器不但可适用于450℃以上环境，还可以适用于450℃以下环境，拓宽了产品的使用范围。
下面利用附图能更充分地说明本发明。
图1是氧传感器的工作原理2是氧传感器的电流—电压特性3～图4是扩散孔和氧化锆薄片的形成5是电极的形成6是扩散室的形成7是加热器的形成8是加热器的粘接3至图8整个过程表示了本发明的一个实施例1、用钢模将氧化锆粉末(成份为8％molY2O3+ZrO2)压制成薄片1，在薄片1的中央放置有一根直径为100μm的铝丝或铜丝10(如图3所示)，在高温炉中烧结，烧结温度为1400℃～1600℃，保温4～8小时，经常温冷却在薄片1中央形成一个扩散孔2(如图4所示)。
2、如图5所示，在薄片1两侧印刷铂电极3、铂电极4，电极不能将扩散孔2堵塞。
3、如图6所示，将氧化锆帽形盖件5用玻璃釉质9与薄片1粘接并覆盖电极4，在电极4与该氧化锆帽形盖件5之间形成扩散室6。
4、用钢模将氧化锆粉压制成基片7，放在高温烧结炉中烧结，烧结温度为1400℃～1600℃，保温4～8小时，经常温冷却后采用厚膜微电子工艺技术在基片上印制铂厚膜电阻器8，将所述具有厚膜电阻器的基片放在高温烧结炉中烧结，烧结温度为1000～1100℃，保温2～4小时，形成如图7所示加热器，将所述加热器用玻璃釉质9与氧化锆帽形盖件5外侧平面粘接，形成如图8所示氧传感器。
从前面的说明可以理解，根据本发明，通过使用在制作氧化锆薄片时预置低熔点材料细丝从而获得直径一致的扩散孔，从而制造出互换性好的氧传感器，另外，由于本发明设计了一个加热器的制作工艺，所以利用该氧传感器制造方法可获得使用环境温度范围更广泛的氧传感器。
权利要求
1.一种氧传感器的制造方法，先制作氧化锆薄片1，在薄片上制作一个扩散孔2，然后在薄片两侧印刷第一电极3，第二电极4。用氧化锆帽形盖件5覆盖所述第二电极4，在第二电极4与氧化锆帽形盖件5之间形成扩散室6，最后在盖件外侧平面粘接一个厚膜加热器，其特征在于A.本发明中的扩散孔制造方法是先将氧化锆粉放入模具中，在该氧化锆粉末中放置一根低熔点材料制作的细丝10，将氧化锆粉末压制成氧化锆薄片，然后将氧化锆薄片置于高温炉中烧结，取出冷却，由于低熔点材料制作的细丝挥发及热胀冷缩原理，在该薄片上形成一个扩散孔；B.本发明中加热器的制造方法是先将氧化锆粉放入模具并压成基片，将该基片在高温烧结炉中烧结后取出，然后采用厚膜微电子工艺技术在基片上印制铂厚膜电阻器，放在高温炉中烧结，取出冷却。
2.如权利要求1所述一种氧传感器的制造方法，其特征在于其中所述的印刷电极是铂浆料。
3.如权利要求1所述一种氧传感器的制造方法，其特征在于其中所述的制作扩散孔时所采用模具为钢模。
4.如权利要求1所述一种氧传感器的制造方法，其特征在于其中所述的制作扩散孔时采用的低熔点材料细丝为铜丝，铜线直径为90～110μm。
5.如权利要求1所述一种氧传感器制作方法，其特征在于其中所述的氧化锆薄片在高温烧结炉中的烧结温度为1400℃～1600℃，保温4～8小时。
6.如权利要求1所述一种氧传感器制造方法，其特征在于其中所述的制作加热器时所采用模具为钢模。
7.如权利要求1所述一种氧传感器制作方法，其特征在于其中所述的制作加热器时，氧化锆基片在高温烧结炉中的烧结温度为1400℃～1600℃，保温4～8小时。
8.如权利要求1所述一种氧传感器制作方法，其特征在于其中所述的制作加热器时，印制的厚膜电阻器烧结温度为1000℃～1100℃，保温时间2～4小时。
全文摘要
一种氧传感器的制造方法,采用模压成形和预置烧结工艺技术制作氧化锆薄片并在薄片上形成一个扩散孔,在该氧化锆薄片两侧印刷两个电极,其中一个电极处于一个扩散室中,采用厚膜微电子工艺技术制作一个加热器为该氧传感器加热。通过该方法制得的氧传感器,由于保持了扩散孔的一致性,所以传感器互换性好;由于制作了加热器,并使传感器与加热器一体化,从而提高了热效率,所以该方法制造的氧传感器使用温度范围更加广泛。
文档编号H01M4/48GK1241822SQ9812184
公开日2000年1月19日 申请日期1998年11月13日 优先权日1998年11月13日
发明者张益康, 杨邦朝 申请人:康达(成都)电子有限公司