一种NOx浓度测量芯片和气体传感器的制作方法

一种nox浓度测量芯片和气体传感器
技术领域
1.本发明涉及气体浓度测量技术，特别是涉及一种nox浓度测量芯片和气体传感器。


背景技术：

2.氮氧化合物,氨气等是常见的污染大气的气体化合物，大量来自于柴油车尾气，锅炉燃烧尾气。为了控制与减小氮氧化合物的排放，全球各个国家出台了严格的政策法规。目前，氮氧化合物常见的处理方法是选择性还原催化，即利用具有较强的还原性物质中和氮氧化合物，从而形成没有污染的中性化合物，例如水、氮气等。为了更高效率的使用催化还原装置，节约成本，也避免造成二次污染，该装置必须配备氮氧化合物传感器检测氮氧化合物的浓度值，以确定还原性物质的使用量。当尾气中的氮氧化合物的浓度检测值达到阈值，选择性还原装置释放还原性物质，中和氮氧化合物，从而到达降低排放的目的。因此，类似能够检测氮氧化合物浓度的气体传感器有着非常重要的作用，而传感器中的陶瓷芯片是核心部件。
3.cn207516302u公开了一种气体传感器的陶瓷芯片，包括从上至下依次层叠的第一氧离子导体层、绝缘层与第二氧离子导体层，所述第一氧离子导体层具有位于所述绝缘层上方的第一腔体，所述第二氧离子导体层具有位于所述绝缘层下方的第二腔体，所述第一腔体的氧离子导体的外侧和内侧上分别涂覆有外主泵电极和内主泵电极；所述绝缘层上涂覆有加热器电极；所述第二腔体的氧离子导体的内侧上涂覆测量电极和辅助泵电极，所述第二腔体的氧离子导体的外侧上涂覆参考电极；所述第一腔体内的第一腔室与所述第二腔体内的第二腔室通过所述绝缘层上的穿孔狭缝连通，所述第一腔室与所述芯片外侧之间设置有气体通道的第一扩散障，所述绝缘层上的穿孔狭缝作为气体通道的第二扩散障，所述第二腔室与所述测量电极之间设置有气体通道的第三扩散障。该气体传感器的陶瓷芯片，通过绝缘层与气道腔体位置结构的设计，以及加热器电极等位置结构的设计，实现了离子导电基体的绝缘分离，使各个泵单元分离，在工作过程中无相互的影响，各个工作电极的电信号绝缘，从而在芯片测量过程中降低了信号之间的干扰，提高了电信信号采集的精度，提高了气体浓度测试精度。同时，这种芯片的腔体结构呈现上下立体结构，这种更加立体的结构减小了腔体的水平长度，避免了水平方向纵深过长，有利于加热器集中在较小的区域，提高产品的温度分布均匀性，降低了热效应对芯片寿命的影响，提高了陶瓷芯片的稳定性与寿命。然而，如何进一步提高芯片的测量精度，现有技术仍然面临挑战。
4.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于弥补现有技术的不足，提供一种nox浓度测量芯片和气体传感器，测量的实时性和准确性好。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种nox浓度测量芯片，包括陶瓷体以及设置在所述陶瓷体上的pm主氧泵、氧监测泵、nox测量泵及加热丝，所述pm主氧泵包括外电极和pm电极，所述氧监测泵包括pa电极和pr电极，所述nox测量泵包括ps电极和所述pr电极，所述pm电极和所述pa电极位于第一腔体内，所述第一腔体具有用于被测气体进气的进气狭缝，所述ps电极位于第二腔体内，所述第一腔体与所述第二腔体通过中间狭缝相连，所述pr电极位于空气道内并与大气相通，各电极和所述加热丝通过导线与测量控制电路连接；其中，被测气体通过所述进气狭缝进入所述第一腔体，所述pm电极将被测气体中的氧分子电离为氧离子，在所述pm主氧泵的泵电压的作用下，氧离子移动到所述外电极并还原为氧分子，所述pm主氧泵形成可用以监测被测气体的氧气浓度的电流im；其中，所述氧监测泵的所述pr电极与pa电极间形成电压差vr；其中，被测气体通过所述中间狭缝扩散到所述第二腔体中，所述ps电极将nox中的氧电离为氧离子，在所述nox测量泵的泵电压作用下，氧离子移动到所述pr电极并还原为氧分子，所述nox测量泵产生电流is；所述测量控制电路通过获取电流is监测被测气体中的nox浓度。
8.进一步地，所述陶瓷体包括第一y-zro2陶瓷层、第二y-zro2陶瓷层以及第一al2o3陶瓷层，所述外电极和所述pm电极分别设置在所述第一y-zro2陶瓷层的外侧和内侧，所述第一al2o3陶瓷层设置在所述第一y-zro2陶瓷层与所述第二y-zro2陶瓷层之间，所述第一腔体和所述第二腔体设置在所述第一al2o3陶瓷层上，所述pa电极和所述ps电极设置在所述第一al2o3陶瓷层与所述第二y-zro2陶瓷层之间，所述pr电极设置在所述第二y-zro2陶瓷层的另一侧。
9.进一步地，还包括第二al2o3陶瓷层，所述空气道设置在所述第二al2o3陶瓷层，多孔氧化铝陶瓷填充所述空气道，并将所述pr电极覆盖。
10.进一步地，还包括第三al2o3陶瓷层和第四al2o3陶瓷层，所述第三al2o3陶瓷层和第四al2o3陶瓷层设置在所述空气道的下方，所述加热丝设置在所述第三al2o3陶瓷层和所述第四al2o3陶瓷层之间。
11.进一步地，所述pm电极和所述pa电极采用pt-au为主的贵金属催化材料。
12.进一步地，所述ps电极采用pt-rh为主的催化材料。
13.进一步地，所述外电极和所述pr电极采用pt为主的催化材料。
14.进一步地，所述外电极的表面覆盖多孔氧化铝陶瓷。
15.进一步地，控制所述pm主氧泵的泵电压的大小和极性，以使所述pr电极与pa电极间的电压差vr保持在目标值；控制所述nox测量泵的泵电压大于所述pr电极与pa电极间的电压差vr。
16.一种气体传感器，包括前述任一实施例所述的nox浓度测量芯片。
17.本发明具有如下有益效果：
18.根据本发明的nox浓度测量芯片，在所述陶瓷体上设置所述pm主氧泵、所述氧监测泵和所述nox测量泵，被测气体通过所述进气狭缝进入所述第一腔体，所述pm电极将被测气体中的氧分子电离为氧离子，在所述pm主氧泵的泵电压的作用下，氧离子移动到所述外电极并还原为氧分子，所述pm主氧泵形成电流im；所述氧监测泵的所述pr电极与pa电极间形成电压差vr；被测气体通过所述中间狭缝扩散到所述第二腔体中，所述ps电极将nox中的氧电离为氧离子，在所述nox测量泵的泵电压作用下，氧离子移动到所述pr电极并还原为氧分子，所述nox测量泵产生电流is，在中间狭缝不变的情况下，is极限电流与被测气体中nox的
浓度成正比，可以表征被测气体中的nox浓度，因此，测量控制电路通过获取电流is即可监测被测气体中的nox浓度。本发明测量的实时性和准确性好，由于所述氧监测泵和所述pm主氧泵处在同一腔体(第一腔体)内，气体扩散较为迅速，所述氧监测泵的所述pr电极与pa电极间的电压差vr能实时反映pm主氧泵是否在合理的状态，测量控制电路可依据电压差vr的偏移量及时调整泵电压vpm大小，使vr保持在目标值，这样测量的实时性和准确性能得到保证，特别在汽车发动机这种氧气浓度经常快速变化的场合(相比之下，传统方式无法保证控制的实时性，动态准确性也就无法保证)。此外，相比于立体结构，本发明中的第一腔体和第二腔体采用平面结构，制造工艺更简单，制造的良品率容易保证。
19.本发明nox浓度的测量精度高，此外，测量控制电路还可以通过获取所述pm主氧泵产生的电流im来监测被测气体的氧气浓度，由此，通过本发明的nox浓度测量芯片能够至少同时准确测量出被测气体中的nox浓度与氧气浓度，提高了气体浓度传感器的性能，扩展了其测量用途。
20.在优选的芯片结构中，所述第一al2o3陶瓷层设置在所述第一y-zro2陶瓷层与所述第二y-zro2陶瓷层之间，所述第一腔体和所述第二腔体设置在所述第一al2o3陶瓷层，通过这种结构避免或减小所述pm主氧泵、所述氧监测泵和所述nox测量泵之间电特性的影响，改变pm主氧泵的泵电压也不会影响所述氧监测泵和所述nox测量泵的性能。
21.在优选的实施例中，控制所述nox测量泵的泵电压大于所述pr电极与pa电极间的电压差vr，对改善测量值的稳定性有益。
附图说明
22.图1为本发明一种实施例的nox浓度测量芯片的结构示意图。
23.图2为本发明一种实施例的nox浓度测量芯片的外电极导线连接示意图。
24.图3为本发明一种实施例的nox浓度测量芯片的电路原理图。
具体实施方式
25.以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
26.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
27.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
陶瓷层5和第四al2o3陶瓷层6设置在所述空气道18的下方，所述加热丝19设置在所述第三al2o3陶瓷层5和所述第四al2o3陶瓷层6之间。
36.在一些优选的实施例中，所述pm电极12和所述pa电极13采用pt-au为主的贵金属催化材料。所述ps电极15采用pt-rh为主的催化材料。在优选的实施例中，所述外电极11和所述pr电极14采用pt为主的催化材料。较佳的实施例中，在所述外电极11的表面还覆盖有多孔氧化铝陶瓷。
37.在优选的实施例中，控制所述pm主氧泵的泵电压的大小和极性，以使所述pr电极14与pa电极13间的电压差vr保持在目标值；控制所述nox测量泵的泵电压大于所述pr电极14与pa电极13间的电压差vr。这对改善测量值的稳定性是有益的。
38.本发明实施例还提供一种气体传感器，包括前述任一实施例所述的nox浓度测量芯片。
39.以下进一步描述本发明具体实施例。
40.一种用于nox、氧气等气体浓度测量的陶瓷芯片及传感器，该陶瓷芯片由y-zro2、al2o3陶瓷及印刷在陶瓷体上的电极等层叠烧结而成。
41.芯片结构包括由外电极11和pm电极12组成的pm主氧泵、pa电极13和pr电极14组成的氧监测泵、ps电极15和pr电极14组成的nox测量泵、及加热丝19等；pm电极12和pa电极13位于第一腔体10内，ps电极15位于第二腔体20内；pr电极14位于空气道18内，通过芯片尾端通道口与大气相通。各电极和加热丝19通过导线23联到芯片尾端的芯片pin脚(pad)24上，与测量控制电路连接，组成气体浓度传感器。
42.传感器工作时，给加热丝19通电发热，芯片温度升到750～900
°
之间并恒定，此温度范围下y-zro2陶瓷体具有良好的氧离子导通能力，与附在陶瓷体上的氧催化电极形成能斯特电池，在外部电压控制下实现氧离子的移动。
43.工作时，被测气体通过芯片前端的进气狭缝16扩散到第一腔体10，pm电极12将氧分子电离为氧离子，在pm主氧泵的泵电压vpm的作用下，氧离子穿过y-zro2陶瓷体被移到外电极11，失去电子后还原为氧分子；此过程中pm主氧泵电路会形成电流im，im极限电流大小与氧气浓度成正比，可以通过测量电流im来测量出氧气浓度；进气狭缝16的大小决定了分子的扩散速率，通过设置进气狭缝16的大小可以设计im的测量范围。
44.氧监测泵可测量pa电极13位置的氧气浓度。由于pr电极14端的氧浓度为固定的大气氧浓度(20.6％)，依据能斯特电池原理，pr电极14与pa电极13间的电压差vr可表征氧气浓度。经pm主氧泵抽氧后，pa电极13处的游离氧分子在很低的ppm下。
45.被测气体通过中间狭缝17扩散到第二腔体20中，ps电极15对nox敏感，将nox中的氧电离为氧离子，在nox测量泵的泵电压vps作用下，氧离子穿过y-zro2陶瓷体移动到pr电极14，失去电子后还原为氧分子，nox测量泵在此过程中产生电流is。在中间狭缝17固定的情况下，is极限电流与气体中nox的浓度成正比，因此可以通过测量is极限电流准确测出被测气体中的nox浓度。
46.pm电极12和pa电极13选用pt-au为主的贵金属催化材料，对氧分子敏感但对nox不敏感，减少对nox测量的影响。
47.ps电极15用pt-rh为主的催化材料，对nox有很好的催化能力；外电极11和pr电极14是pt为主的催化材料，对氧分子和nox分子都有催化电离能力。外电极11表面覆盖多孔氧
化铝陶瓷，以保护外电极11；pr电极14表面和空气道18中填充多孔氧化铝陶瓷，便于芯片成型。
48.芯片结构中，第一y-zro2陶瓷层1和第二y-zro2陶瓷层3间有一层al2o3陶瓷2，由于al2o3是绝缘材料，所以pm主氧泵和氧监测泵、nox测量泵之间不会有电特性的影响，当改变pm主氧泵的泵电压vpm时不会影响监测泵、测量泵的性能。
49.pr电极14与pa电极13间的电压差vr优选控制在420mv左右，当电压差vr偏移目标值时，调节pm主氧泵的泵电压vpm的大小和极性，使电压差vr保持在目标值。
50.控制所述nox测量泵的泵电压vps略大于所述pr电极14与pa电极13间的电压差vr，vps优选取450mv左右，vps取值略大于vr对测量值的稳定性有益。
51.加热丝19的主材料是pt，pt具有良好的电阻/温度特性，可同时作为测温元件，调节加热电压使加热丝19电阻保持在目标值，可以进一步提高测量的精度。
52.本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
53.以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。