一种氮氧检测传感器芯片的制作方法

1.本发明涉及一种氮氧检测传感器芯片，属于气体传感器技术领域。


背景技术：

2.随着国家机动车污染物排放标准的更新，对于汽车尾气排放的有毒有害气体含量要求越来越严格。其中，氮氧化物作为主要污染物，排放标准更是严苛。传统车用电解质型氮氧化物气体传感器主要包括三个工作回路，如图1所示，三个回路互相关联，并相互影响，且电极材料涉及pt、ptau、ptrh等多种成分。工作回路的复杂性，电极材料成分的多样性，是传统传感器的主要难点和技术壁垒。
3.如图1所示，该类传感器工作时，需要同时施加e0、e1、e2工作电压，并测量ip0、ip1、ip2、v0、v1、v2、vref等参数。传感器工作时共用外电极和参比电极，施加电压互相关联，测试参数种类多，回路复杂，影响因素多变。因此，开发新型氮氧化物气体传感器，减少工作回路的相互影响，避免低催化活性金属电极的使用，是提升相关传感器应用的有效手段。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种氮氧检测传感器芯片，该传感器结构简单，制作简便，易于生产，并可有效避免au等元素在芯片制作中存在的测试电极污染问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种氮氧检测传感器芯片，该传感器芯片由四层基片叠压而成，从下至上依次包括第一层基片、第二层基片、第三层基片、第四层基片，四层基片材料均为氧化锆；
7.所述第一层基片为基底基片，表面印刷有蛇形加热电极；
8.在所述第二层基片底部印刷有绝缘层，绝缘层覆盖所述加热电极，在所述第二层基片顶部测试端印刷有电容电极( )；
9.所述第三层基片中依次包括第一扩散障、第一空腔、第二扩散障、第二空腔，用于形成气体扩散通道；
10.在所述第四层基片底部对应于第一空腔的位置印刷有电容电极(-)，在所述第四层基片底部对应于第二空腔位置印刷有测试电极(-)，在所述第四层基片顶部印刷测试电极( )，该测试电极( )顶部覆盖有多孔保护层。
11.在该传感器芯片中，包括电容回路和测试回路两个工作回路，芯片在工作时，两个工作回路分别施压，相对独立。
12.进一步地，所述第一层基片表面的加热电极在测试端形成加热核心区，加热电极材料为pt。
13.进一步地，所述第二层基片底部的绝缘层材料为致密氧化铝。
14.进一步地，所述第二层基片顶部电容电极( )设置在第一空腔底部，电极材料为pt。
15.进一步地，所述第三层基片的第一扩散障和第二扩散障材料均为氧化锆。
16.进一步地，所述第四层基片底部电容电极(-)与第四层基片之间印刷有电极绝缘层，电容电极(-)材料为pt，测试电极(-)材料为ptrh，电极绝缘层为致密氧化铝。
17.进一步地，所述第四层基片顶部测试电极( )材料为pt，保护层材料为多孔氧化铝。
18.本发明的优点在于：
19.1、本发明的氮氧检测传感器芯片包括电容回路和测试回路两个工作回路，极大简化了传统的三回路工作模式，结构简单，制作工艺相对简化。
20.2、本发明的氮氧检测传感器芯片，电极材料仅包括pt及ptrh，避免了贵金属au的使用，可减少芯片高温制备时au挥发带来的测试电极污染。
附图说明
21.图1为传统车用电解质型氮氧化物气体传感器芯片剖面结构示意图。
22.附图标记：
23.51第一扩散通道；52公共电极；53第一腔室；54第一泵氧负极；55第二扩散通道；56第二泵氧负极；57第二腔室；58扩散障；59测试电极；60空气通道；61加热层。
24.图2为本发明的氮氧检测传感器芯片的剖面结构示意图。
25.附图标记：
26.1第一层基片；2第二层基片；3第三层基片；4第四层基片；11加热电极；21绝缘层；22电容电极( )；31第一扩散障；32第二扩散障；33第一空腔；34第二空腔；41电容电极(-)；42电极绝缘层；43测试电极(-)；44测试电极( )；45保护层。
具体实施方式
27.下面结合附图和本发明的具体实施方式对本发明通作进一步说明。
28.如图2所示，本发明的氮氧检测传感器芯片由四层基片叠压而成，从下至上依次包括第一层基片1、第二层基片2、第三层基片3、第四层基片4，四层基片材料均为氧化锆；
29.第一层基片1为基底基片，为矩形体形状，其表面印刷有加热电极11，该加热电极11在测试端为蛇形，并通过加热引线导出，通过加热电极11而在测试端形成加热核心区；
30.在第二层基片2的底部印刷有绝缘层21，即绝缘层21设置在第一层基片1和第二层基片2之间，完全覆盖第二层基片2的底部，并且覆盖加热电极11。在第二层基片2的顶部测试端印刷有电容电极( )22，该电容电极( )22为矩形；
31.第三层基片3中主要包含扩散障和空腔，其中，在测试端一侧依次包括第一扩散障31、第一空腔32、第二扩散障33、第二空腔34，用于形成气体扩散通道。电容电极( )22位于第一空腔33底部。
32.在第四层基片4底部对应于第一空腔32的位置印刷有电容电极(-)41，在电容电极(-)41与第四层基片4之间印刷有电极绝缘层42。在第四层基片1底部对应于第二空腔34的位置印刷有测试电极(-)43，在第四层基片顶部印刷有矩形的测试电极( )44，该测试电极( )44顶部表面覆盖有多孔保护层45。
33.在本发明的氮氧传感器芯片中，包括由电容电极( )22和电容电极(-)41构成的电
容回路和由测试电极( )44和测试电极(-)43构成的测试回路两个工作回路，芯片在工作时，两个工作回路分别施压，相对独立，能够减少工作回路之间的相互影响。
34.实施例
35.在本实施例中，传感器芯片的结构如图2所示。本实施例中，加热电极11成分为pt；绝缘层21成分为致密氧化铝；电容电极( )22、电容电极(-)41成分为pt；电极绝缘层42材料为致密氧化铝；测试电极(-)43成分为ptrh合金，其中pt含量60-95％、rh含量5-40％；测试电极( )44成分为pt。第一层基片1、第二层基片2、第三层基片3、第四层基片4均为氧化锆陶瓷。
36.本发明测试过程及原理：
37.步骤1、通过加热电极11将测试区域加热至650-850℃，使第一空腔32、第二空腔34的部位升温。
38.步骤2、对电容电极( )22、电容电极(-)41通电，电压为10-100v，对测试电极(-)43和测试电极( )44通电，电压为0.3-1.0v，当空气经第一扩散障31进入第一空腔32，空气在高温、高压环境中电离，形成带电离子并聚集于电容电极表面，记录电容回路、测试回路的电压、电流信号变化，用以判断空气气氛中检测基线。
39.步骤3、随后在环境中通入nox，nox混合气体经过第一空腔32电离后进入第二空腔34，no等活化组分与测试电极(-)43反应形成特征检测电流，记录电容回路、测试回路的电压、电流信号变化，并扣除空气气氛检测基线，即可确定nox浓度对应的电学信号。
40.如需标定不同nox，需改变相关气体浓度，并根据测试回路电信号的变化，确定nox浓度-电信号关系。