一种保护性强的家电用空燃比传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器的技术领域，特别是指一种保护性强的家电用空燃比传感器及其制备方法。

背景技术

近几年，气体传感器发展十分迅速，除了在汽车领域得到广泛应用外，同时也在一些民生、国防、医学、食品安全等行业得到了广泛关注与认可，特别是检测氧含量的传感器。测量氧含量的气体传感器按输出特性主要分为窄域型和宽域型，窄域型是利用氧化锆固体电解质的能斯特原理，确认排气中的氧含量是浓还是稀，但不能做精确的判断。宽域型利用极限电流技术能够实现对氧含量的线性控制，精确判断排气中的氧含量具体值。在民用家电领域，对氧含量测定的精度要求较高，如家用烤箱，烤箱是一种密封的用来烘烤食物的电器，在烹饪过程中，内部的烘烤温度是最为重要的参数，另一个重要的参数是烤箱内部的湿度，为了保证烘烤食物的口感最佳，使得食物的营养价值最高，烤箱内部通常会采用精度较高的空燃比传感器，用于检测烤箱内的氧含量，通过氧含量和湿度的比例关系，推算出湿度值。空燃比传感器属于宽域型气体传感器，它是通过输出极限电流的大小来计算氧含量。

如图1及图2所示，现有家电用空燃比传感器10由多层陶瓷片叠合而成，由上而下依次为保护层1A、固体电解质层2A、扩散基体层3A、基体层4A及加热器基体层5A。在固体电解质层2A的上表面设有外电极61A、外电极引线、过孔，下表面设置有内电极62A、内电极引线，内电极62A通过内电极引线再到过孔实现与其中一个电极引脚相连，外电极61A通过外电极引线与另一个电极引脚相连，两电极引脚实现信号的对外输出，外电极61A的表面覆盖有一层多孔保护层11A，外电极引线的表面覆盖有一层保护层1A，扩散基体层3A上设置有多孔扩散障31A及气室32A；加热器基体层5A上表面设置有加热器7A、加热器引线，下表面设置有加热器引脚，加热器通过加热器引线与加热器引脚相连，从而实现外接电压的输入。

现有的家电用空燃比传感器氧气的传输路径为：直接从多孔扩散障31A传输到内电极62A，长时间使用后，被测气体中的微小尘埃、杂质8A会附着在多孔扩散障31A的位置处，使得控制进气量的多孔扩散障31A气孔率降低，极限电流出现下漂的现象，导致检测到的氧含量比实际偏低，影响湿度的测量准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种保护性强、测量精度高的家电用空燃比传感器。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种保护性强的家电用空燃比传感器，其由多层陶瓷片叠合而成，由上而下依次固体电解质层、扩散基体层、基体层及加热器基体层，扩散基体层上设置扩散缓冲室、多孔扩散障及气室，加热器基体层上表面设置有加热器、加热器引线，下表面设置有加热器引脚，加热器通过加热器引线与加热器引脚相连；传感器的电极端头外侧还包裹一层气孔率大于多孔扩散障的多孔材料层。

进一步，所述多孔扩散障的气孔率为10％～40％，多孔材料层的气孔率为50％～70％。

进一步，所述固体电解质层的上表面设置有外电极、外电极引线、过孔，下表面设置有内电极、内电极引线，内电极通过内电极引线再到过孔与其中一个电极引脚相连，外电极通过外电极引线与另一个电极引脚相连，外电极的上表面覆盖有多孔保护层，多孔保护层具有气孔，外电极引线的上表面覆盖有保护层。

进一步，所述固体电解质层为掺杂氧化钇的氧化锆材料，保护层、扩散基体层、基体层和加热器基体层均为氧化铝材料。

进一步，所述基体层具有多层。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种保护性强、测量精度高的家电用空燃比传感器的制备方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种保护性强的家电用空燃比传感器的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1)、流延片制备：将高纯氧化铝粉体中添加一定量的溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂在球磨罐中球磨混合制成均匀体系的浆料，经脱泡后用流延机制成厚度在100μm～300μm之间的氧化铝流延片，用作保护层、扩散基体层、基体层和加热器基体层，通过相同的方法制得6％摩尔氧化钇部分稳定的氧化锆流延片，用作固体电解质层；

步骤2)、覆盖外电极的多孔浆料制备：在氧化铝粉体中添加一定量的碳粉制备气孔率较大的多孔保护浆料，用于多孔保护层；

步骤3)、冲孔：采用机械冲孔的方式对加热器基体层流延片、固体电解质层流延片进行打孔处理；

步骤4)、丝印：采用丝网印刷技术在加热器基体层流延片上丝印加热器、加热器引线、加热器引脚，在固体电解质层流延片上丝印内外电极、电极引线、电极引脚；在扩散基体层上分别印刷碳浆和限制极限电流的扩散障浆料，形成扩散缓冲室和多孔扩散障；

步骤5)、层压：依次将加热器基体层流延片、多层基体层流延片、扩散基体层流延片、固体电解质层流延片、保护层流延片叠加在一起，经过等静压压合后切割形成素坯；

步骤6)、排胶烧结：将步骤5)制得的素坯置于高温烧结炉中，烧结出保护性强的家电用空燃比传感器。

进一步，步骤3)中，为保证连通，加热器基体层流延片、固体电解质层流延片分别打1～2个过孔，过孔的直径选择为0.2mm～0.3mm。

进一步，步骤6)中，排胶采用排胶炉，为防止排胶阶段素坯中的粘结剂、增塑剂等有机物急剧分解膨胀时使得内部应力增加，导致发生开裂和分层等结构缺陷，在排胶阶段采用较慢速率，从常温到500℃采用1.5℃/min以下的升温速率，且在增塑剂和粘结剂挥发剧烈的温度点进行保温，例如270℃保温2h～3h，整个排胶阶段时间大概40h～48h，烧结过程采用高温烧结炉，并在常压大气条件下进行，烧结温度为1400～1600℃，时间为1～3h。

采用上述结构后，本发明保护性强的家电用空燃比传感器在电极端头位置包裹气孔率大于多孔扩散障的多孔材料对被测气体中的微小尘埃、杂质进行过滤，使得多孔扩散障不会被堵塞使得极限电流输出稳定，从而保证湿度测试的准确性。并且在多孔扩散障之前增加扩散缓冲室做进一步的过滤，进一步提高过滤效果，相较于现有的空燃比传感器，本发明氧气的传输路径为：多孔材料层→扩散缓冲室→多孔扩散障→内电极，长期使用后，被测气体中的微小尘埃、杂质吸附、包裹在电极端头的多孔材料层上以及附着在扩散缓冲室内，不会堵塞控制极限电流的多孔扩散障，极限电流不会出现下漂的现象，从而保证湿度测试的准确性。

附图说明

图1为现有家电用空燃比传感器扩散位置截面图。

图2为图1中X处的放大图。

图3为本发明家电用空燃比传感器结构分解示意图。

图4为本发明家电用空燃比传感器扩散位置截面图。

图5为图4中Y处的放大图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图3至图5所示，本发明提供的保护性强的家电用空燃比传感器20由多层陶瓷片叠合而成，由上而下依次为保护层1、固体电解质层2、扩散基体层3、基体层4及加热器基体层5。其中，固体电解质层2为掺杂部分氧化钇的氧化锆材料(YSZ)，保护层1、扩散基体层3、基体层4和加热器基体层5均为氧化铝材料。在固体电解质层2的上表面通过丝网印刷设置有外电极21、外电极引线22、过孔23，下表面通过丝网印刷设置有内电极24、内电极引线25，内电极24通过内电极引线25再到过孔23实现与其中一个电极引脚26相连，外电极21通过外电极引线22与另一个电极引脚26相连，两电极引脚26可实现信号的对外输出，外电极21的上表面覆盖有一多孔保护层8，多孔保护层8具有气孔81，气孔81使得气体能够进入多孔保护层8并与外电极21接触，保护层1覆盖在外电极引线22的上表面但不覆盖电极引脚26；扩散基体层3上设置有扩散缓冲室31、多孔扩散障32及气室33，多孔扩散障32的气孔率在10％～40％之间；加热器基体层5上表面设置有加热器6、加热器引线61，下表面设置有加热器引脚62，加热器6通过加热器引线61与加热器引脚62相连，从而实现外接电压的输入。

如图4及图5所示，本发明在传感器电极端头外侧还包裹一层多孔材料层7，该多孔材料层7的气孔率大于多孔扩散障32的气孔率，约50％～70％。在电极端头位置包裹气孔率大于多孔扩散障32的多孔材料对被测气体中的微小尘埃、杂质进行过滤，并且在多孔扩散障之前增加扩散缓冲室31做进一步的过滤，使得多孔扩散障32不会被堵塞使得极限电流输出稳定，从而保证湿度测试的准确性。本发明氧气的传输路径为：多孔材料层7→扩散缓冲室31→多孔扩散障32→内电极24。本发明提供的家电用空燃比传感器在长期使用后，被测气体中的微小尘埃、杂质9吸附、包裹在电极端头的多孔材料层7上以及附着在扩散缓冲室31内，不会堵塞控制极限电流的多孔扩散障32，极限电流不会出现下漂的现象，从而保证湿度测试的准确性。

本发明还揭示了一种保护性强的家电用空燃比传感器的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1)、流延片制备：将高纯氧化铝粉体中添加一定量的溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂在球磨罐中球磨混合制成均匀体系的浆料，经脱泡后用流延机制成厚度在100μm～300μm之间的氧化铝流延片，用作保护层、扩散基体层、基体层和加热器基体层，通过相同的方法制得6％摩尔氧化钇部分稳定的氧化锆流延片，用作固体电解质层；

步骤2)、覆盖外电极的多孔浆料制备：在氧化铝粉体中添加一定量的碳粉制备气孔率较大的多孔保护浆料，用于多孔保护层；

步骤3)、冲孔：采用机械冲孔的方式对加热器基体层流延片、固体电解质层流延片进行打孔处理；

步骤4)、丝印：采用丝网印刷技术在加热器基体层流延片上丝印加热器、加热器引线、加热器引脚，在固体电解质层流延片上丝印内外电极、电极引线、电极引脚；在扩散基体层上分别印刷碳浆和限制极限电流的扩散障浆料，形成扩散缓冲室和多孔扩散障；

步骤5)、层压：依次将加热器基体层流延片、多层基体层流延片、扩散基体层流延片、固体电解质层流延片、保护层流延片叠加在一起，经过等静压压合后切割形成素坯；

步骤6)、排胶烧结：将步骤5)制得的素坯置于高温烧结炉中，烧结出保护性强的家电用空燃比传感器。

进一步，步骤3)中，为保证连通，加热器基体层流延片、固体电解质层流延片分别打1～2个过孔，过孔的直径选择为0.2mm～0.3mm。

进一步，步骤6)中，排胶采用排胶炉，为防止排胶阶段素坯中的粘结剂、增塑剂等有机物急剧分解膨胀时使得内部应力增加，导致发生开裂和分层等结构缺陷，在排胶阶段采用较慢速率，从常温到500℃采用1.5℃/min以下的升温速率，且在增塑剂和粘结剂挥发剧烈的温度点进行保温，例如270℃保温2h～3h，整个排胶阶段时间大概40h～48h，烧结过程采用高温烧结炉，并在常压大气条件下进行，烧结温度为1400～1600℃，时间为1～3h。

上述实施例和图示并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。