一种片式宽域汽车氧传感器及其制备方法技术领域
本发明属于汽车氧传感器技术领域，特别涉及一种片式宽域汽车氧传感器及其制
备方法。
背景技术
稀薄燃烧技术可以提高燃油效率降低尾气污染物的排放，但稀燃烧容易造成发动
机熄火，且混合不合理会产生过量的NOx化合物，导致环境污染，宽域氧传感器可以精确监
测全范围汽车尾气中的准确氧含量，来反应发动机运行状况，然后发动机电脑才能根据其
实时状况进行调整，从而提高燃烧效率、降低污染排放量和检测三元催化运行状况。
宽域型氧传感器的核心部件是其敏感芯片，其一般是由加热电极、氧泵外电极、氧
泵内电极和参比电极组成，是通过多层印刷电路的五层致密氧化锆（ZrO2）质的基片叠合而
成，该芯片的制作方法是：通过流延成型方式制作氧化锆基片；对基片进行切片冲孔；把切
好的基片进行多层丝网印刷，制作各个功能层；再把五层基片叠合分切，最后进行烧结、上
釉等处理。
片式宽域型氧传感器由于其特殊性，各流延基片的厚度、各功能层的设置及各流
延基片和各功能层材质的选择等对氧化传感器的性能都有着重要的影响；因此在已知片式
宽域型传感器结构的基础上对氧化传感器的结构、流延基片厚度进行优化，以便获得更好
的性能参数是目前氧传感器行业的研究课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种片式宽域汽车氧传感器，该结构的氧传感器
通过增加各功能层中流延基片的层数及厚度、改单内反应电极为组合内反应电极及扩散障
碍层结构的调整，进而使得该结构的氧传感器性能更稳定，生产一致性更好；还提供了该片
式宽域汽车氧传感器的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种片式宽域汽车氧传感器，其创新
点在于：所述传感器包括保护层、信号层、空气参比通道层以及加热层由上至下依次叠合后
烧结而成；
所述信号层包括由上至下依次叠合的第一层流延基片、第二层流延基片、第三层流延
基片、第四层流延基片、第五层流延基片、第六层流延基片、第七层流延基片以及第八层流
延基片，在第一层流延基片的上表面、第四层流延基片的下表面以及第八层流延基片的下
表面分别设置一外反应电极、一内反应电极A和参比反应电极；在第五层流延基片的上表面
设置扩散障碍层，且扩散阻碍层为带有气孔的蜂窝状结构；所述扩散障碍层的上表面还叠
合一内反应电极B，内反应电极A与内反应电极B的头部相连；
所述外反应电极的上表面与下表面分别设置一上外反应电极绝缘层与下外反应电极
绝缘层，在外反应电极上的上外反应电极绝缘层上表面还叠合一保护层；所述内反应电极A
的上表面与下表面分别设置一上内反应电极绝缘层与下内反应电极绝缘层；所述参比反应
电极的上表面与下表面分别设置一上参比反应电极绝缘层与下参比反应电极绝缘层；且参
比反应电极引线A的一端与参比反应电极连接，另一端由下至上依次贯穿第八层流延基片、
第七层流延基片、第六层流延基片、第五层流延基片、第四层流延基片、第三层流延基片、第
二层流延基片以及第一层流延基片后的参比反应电极导出孔与外反应电极相连，形成参比
电极引出电极引脚；
空气参比通道层包括由上至下依次叠合的第九层流延基片、第十层流延基片以及第十
一层流延基片，第九层流延基片上表面设置有一端封闭的空气参比通道，形成参比通道层；
所述加热层包括由上至下依次叠合的第十二层流延基片、第十三层流延基片、第十四
层流延基片以及第十五层流延基片，在第十二层流延基片的上表面与第十五层流延基片的
下表面分别设置有一加热电极和一加热电极引脚；所述加热电极的上表面与下表面分别设
置两上加热电极绝缘层与两下加热电极绝缘层，所述加热电极与加热电极引脚通过一引线
B相连，该引线B的一端与加热电极相连，另一端由上至下依次贯穿第十二层流延基片、第十
三层流延基片、第十四层流延基片以及第十五层流延基片上的加热电极导出孔与加热电极
引脚相连，在第十五层流延基片下表面与加热电极引脚上表面之间还设置有加热电极引脚
绝缘层；
其中，所述第一层流延基片至第十五层流延基片的材质均为氧化锆，厚度均为115um；
外反应电极、内反应电极、内反应电极、参比反应电极采用多孔性催化能力强的铂电极；空
气参比通道选用115 um厚的炭黑流延膜带进行填充，烧结后挥发形成空腔；加热电极和加
热电极引脚的材质选用铂浆料及对应的各绝缘层的材质选用与不同铂电极匹配的氧化铝。
一种上述片式宽域汽车氧传感器的制备方法，其创新点在于：所
述制备方法具体步骤如下：
（1）制备多种流延浆料：
以5mol氧化钇稳定氧化锆为主要粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中氧化
锆粉体、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：1000:(300～500):(10～30):(50～80):
(20～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；
以碳粉为主要粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中碳粉、溶剂、分散剂、粘结
剂、增塑剂的质量比为：500:(300～500):(10～30):(50～80)：(30～40)，通过球磨法制成
稳定均匀的流延浆料；
以5mol氧化钇稳定氧化锆为主要粉体，以碳粉为造孔剂，加入溶剂、分散剂、粘结剂和
增塑剂，其中氧化锆粉体、碳粉、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：1000:（100～
150）：(300～500):(10～30):(50～80):(20～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；
（2）流延成型：
各种流延浆料在流延机上进行流延烘干定型，烘干温度为40～80℃，分别获得厚度为
115um的氧化锆流延生坯卷带和115um的炭黑流延膜带；
（3）去边分切：
将115um的氧化锆流延生坯卷带在自动裁片机上，裁成传感器上信号层的第一层流延
基片、第二层流延基片、第三层流延基片、第四层流延基片、第五层流延基片、第六层流延基
片、第七层流延基片和第八层流延基片，空气参比通道层的第九层流延基片、第十层流延基
片和第十一层流延基片，加热层的第十二层流延基片、第十三层流延基片、第十四层流延基
片和第十五层流延基片；将115um的炭黑流延膜带在自动裁片机上，裁成传感器上空气参比
通道层空气参比通道内的挥发片；
（4）冲孔：
在裁好的第一层流延基片、第二层流延基片、第三层流延基片、第四层流延基片、第五
层流延基片、第六层流延基片、第七层流延基片和第八层流延基片上冲出参比反应电极导
出孔；在第九层流延基片上冲出空气参比通道；在第十二层流延基片、第十三层流延基片、
第十四层流延基片和第十五层流延基片上冲出加热电极导出孔；
（5）丝网印刷：
在第一层流延基片上表面印刷氧化铝浆料,形成下外反应电极绝缘层，然后在下外反
应电极绝缘层上表面印刷Pt电极浆料，形成外反应电极，再在外反应电极上表面印刷氧化
铝浆料，形成上外反应电极绝缘层，最后在上外反应电极绝缘层印刷外电极保护层；
在第四层流延基片的下表面印刷氧化铝浆料,形成上内反应电极绝缘层，然后在上内
反应电极绝缘层下表面印刷Pt电极浆料，形成内反应电极A，最后在内反应电极A下表面印
刷氧化铝浆料，形成下内反应电极绝缘层；
在第五层流延基片的上表面印刷带有气孔的蜂窝状结构的扩散阻碍层，再在扩散阻碍
层的上表面印刷Pt电极浆料，形成内反应电极B；
在第八层流延基片的下表面印刷氧化铝浆料, 形成上参比反应电极绝缘层，然后在上
参比反应电极绝缘层下表面印刷Pt电极浆料，形成参比反应电极，最后在参比反应电极下
表面印刷氧化铝浆料，形成下参比反应电极绝缘层；
在第十二层流延基片上表面印刷两次氧化铝浆料,形成两下加热电极绝缘层，然后在
下加热电极绝缘层上表面印刷Pt电极浆料，形成加热电极，最后在加热电极上表面印刷两
次氧化铝浆料，形成两上加热电极绝缘层；
在第十五层流延基片的下表面印刷氧化铝浆料，形成加热引脚绝缘层，然后在引脚绝
缘层下表面印刷加热引脚；
其中每一次印刷都通过图形检测系统进行不良品的记录；
（6）叠片：
通过冲模对空气参比通道层进行挥发片填充，使挥发片完全填充第九层流延基片的空
气参比通道内；将所有印刷、填充好的第十五层流延基片至第一层流延基片由下至上进行
叠合，最后叠合上保护层形成氧传感器生坯；
（7）真空封塑：
在叠合后的氧传感器生坯下方垫上钢板，然后进行真空包装；
（8）温等静压：
对包装好的氧传感器生坯进行温水等静压压制，使所有流延基片叠合紧密，等静压温
度为80℃，时间为30～60min，形成一个稳定的整体，等静压完成后擦干包装外面的水，取出
氧传感器生坯；
（9）分切：
对压制好的氧传感器生坯进行加温切割，首先对氧传感器生坯进行预热处理，使PVB软
化，便于切割，切割时同时对氧传感器生坯和刀片进行加热，切割成规则、精确的传感器基
片；其中，切割预热温度为50～80℃，切割台板温度为60～80℃，切割刀口的温度为80℃；
（10）烧结：
把传感器基片按照顺序摆好在高温炉内，按照烧结程序进行烧结，烧结温度为1400～
1500℃，保温时间为2h。
进一步地，所述步骤（1）中的溶剂为无水乙醇和二甲苯，分散剂为改性鱼油，粘结
剂为聚乙烯醇缩丁醛，增塑剂为邻苯二甲酸丁苄酯。
本发明的优点在于：
（1）本发明的片式宽域汽车氧传感器，改传统的宽域氧传感器，从传感器头部中间开
孔，通过环形扩散障碍层进入反应室，再进行测试的情况，该设计受制于传感器的宽度，传
感器的宽度只有4.2mm，在这个宽度范围内，需要做扩散孔，扩散障，电极反应腔，还有氧化
锆需要一定的叠合区来密封，电极面积会很小，对电极的活性就要求很高，而且要求材料的
匹配性差异就非常小，对设备的精度要求也会大大提高，这也是国内该传感器迟迟没有研
发成功的原因；本专利将该结构改为从侧面进气，如果电极活性不够，我们可以延长电极长
度，单个内反应电极为两个内反应电极组合而成，即内反应电极A和内反应电极B 头部相
连，叠合形成一整体电极，这种组合结构，可以增加电极的反应面积，进而可增加电极的泵
氧能力；上、下加热电极绝缘层均由一层改为双层，可进一步保证加热电路完全包裹在加热
电极绝缘层内，与流延基片隔绝；此外，扩散阻碍层为带有气孔的蜂窝状结构，因而更有利
于气体的流动；通过这些调整，可使氧传感器整体的性能更加稳定，且生产一致性更好；
（2）本发明片式宽域氧传感器的制备方法，采用流延生坯带膜操作，大大降低了后续印
刷烘干带来的变形，为传感器的多层套印带来很大的帮助，而且膜片不易被污染，易于叠
合；分别制得厚度为115um的氧化锆流延生坯卷带和115um的炭黑流延膜带，确定了各流延
基片的厚度，实验得出115um厚的挥发片经过等静压变形后，挥发片平整地填充了空腔槽，
既可以保证参比空腔通道的形状，又没有导致流延生坯之间有厚度差，烧结后无残留，空腔
形状完好；且本发明的制备方法，严格控制各制备步骤的工艺参数，进而保证了最终产品性
能的稳定性；
（3）本发明片式宽域氧传感器的制备方法，采用改性鱼油为分散剂，改性鱼油中氧含量
增加，能够更好润湿颗粒表面；采用聚乙烯醇缩丁醛为粘合剂，具有高度的成膜性和良好的
粘结性能；采用邻苯二甲酸丁苄酯为增塑剂，与树脂相容性好，具有良好的耐污染性，塑化
速度快。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明片式宽域汽车氧传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发
明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例片式宽域汽车氧传感器，如图1所示，该传感器包括保护层、信号层、空气
参比通道层以及加热层由上至下依次叠合后烧结而成；
信号层包括由上至下依次叠合的第一层流延基片1、第二层流延基片2、第三层流延基
片3、第四层流延基片4、第五层流延基片5、第六层流延基片6、第七层流延基片7以及第八层
流延基片8，在第一层流延基片1的上表面、第四层流延基片4的下表面以及第八层流延基片
8的下表面分别设置一外反应电极18、一内反应电极21和参比反应电极26；在第五层流延基
片5的上表面设置扩散障碍层24，且扩散阻碍层24为带有气孔的蜂窝状结构；扩散障碍层24
的上表面还叠合一内反应电极23，内反应电极21与内反应电极23的头部相连。
外反应电极18的上表面与下表面分别设置一上外反应电极绝缘层17与下外反应
电极绝缘层19，在外反应电极上的上外反应电极绝缘层17上表面还叠合一保护层16；内反
应电极21的上表面与下表面分别设置一上内反应电极绝缘层20与下内反应电极绝缘层22；
参比反应电极26的上表面与下表面分别设置一上参比反应电极绝缘层25与下参比反应电
极绝缘层27；且参比反应电极引线A的一端与参比反应电极26连接，另一端由下至上依次贯
穿第八层流延基片8、第七层流延基片7、第六层流延基片6、第五层流延基片5、第四层流延
基片4、第三层流延基片3、第二层流延基片2以及第一层流延基片1后的参比反应电极导出
孔与外反应电极18相连，形成参比电极引出电极引脚。
空气参比通道层包括由上至下依次叠合的第九层流延基片9、第十层流延基片10
以及第十一层流延基片11，第九层流延基片9上表面设置有一端封闭的空气参比通道28，形
成参比通道层。
加热层包括由上至下依次叠合的第十二层流延基片12、第十三层流延基片13、第
十四层流延基片14以及第十五层流延基片15，在第十二层流延基片12的上表面与第十五层
流延基片15的下表面分别设置有一加热电极31和一加热电极引脚35；加热电极31的上表面
自上而下依次设置有上加热电极绝缘层29和上加热电极绝缘层30，加热电极31的下表面自
上而下依次设置有下加热电极绝缘层32和下加热电极绝缘层33，加热电极31与加热电极引
脚35通过一引线B相连，该引线B的一端与加热电极31相连，另一端由上至下依次贯穿第十
二层流延基片12、第十三层流延基片13、第十四层流延基片14以及第十五层流延基片15上
的加热电极导出孔与加热电极引脚35相连，在第十五层流延基片15下表面与加热电极引脚
35上表面之间还设置有加热电极引脚绝缘层34。
作为实施例，更具体的实施方式为第一层流延基片至第十五层流延基片的材质均
为氧化锆，厚度均为115um；外反应电极18、内反应电极21、内反应电极23、参比反应电极26
采用多孔性催化能力强的铂电极；空气参比通道28选用厚度为115 um的炭黑流延膜带进行
填充，烧结后挥发形成空腔；加热电极31和加热电极引脚35的材质选用铂浆料及对应的各
绝缘层的材质选用与不同铂电极匹配的氧化铝。
本实施例片式宽域汽车氧传感器的制备方法，该制备方法具体步骤如下：
（1）制备多种流延浆料：
以5mol氧化钇稳定氧化锆为主要粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中氧化
锆粉体、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：1000:(300～500):(10～30):(50～80):
(20～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；
以碳粉为主要粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，其中碳粉、溶剂、分散剂、粘结
剂、增塑剂的质量比为：500:(300～500):(10～30):(50～80)：(30～40)，通过球磨法制成
稳定均匀的流延浆料；
以5mol氧化钇稳定氧化锆为主要粉体，以碳粉为造孔剂，加入溶剂、分散剂、粘结剂和
增塑剂，其中氧化锆粉体、碳粉、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂的质量比为：1000:（100～
150）：(300～500):(10～30):(50～80):(20～40)，通过球磨法制成稳定均匀的流延浆料；
其中，溶剂为无水乙醇和二甲苯，分散剂为改性鱼油，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，增塑剂为
邻苯二甲酸丁苄酯；
（2）流延成型：
各种流延浆料在流延机上进行流延烘干定型，烘干温度为40～80℃，分别获得厚度为
115um的氧化锆流延生坯卷带和115um的炭黑流延膜带；
（3）去边分切：
将115um的氧化锆流延生坯卷带在自动裁片机上，裁成传感器上信号层的第一层流延
基片1、第二层流延基片2、第三层流延基片3、第四层流延基片4、第五层流延基片5、第六层
流延基片6、第七层流延基片7和第八层流延基片8，空气参比通道层的第九层流延基片9、第
十层流延基片10和第十一层流延基片11，加热层的第十二层流延基片12、第十三层流延基
片13、第十四层流延基片14和第十五层流延基片15；将115um的炭黑流延膜带在自动裁片机
上，裁成传感器上空气参比通道层空气参比通道内的挥发片；
（4）冲孔：
在裁好的第一层流延基片1、第二层流延基片2、第三层流延基片3、第四层流延基片4、
第五层流延基片5、第六层流延基片6、第七层流延基片7和第八层流延基片8上冲出参比反
应电极导出孔；在第九层流延基片9上冲出空气参比通道28；在第十二层流延基片12、第十
三层流延基片13、第十四层流延基片14和第十五层流延基片15上冲出加热电极导出孔；
（5）丝网印刷：
在第一层流延基片1上表面印刷氧化铝浆料,形成下外反应电极绝缘层19，然后在下外
反应电极绝缘层上表面印刷Pt电极浆料，形成外反应电极18，再在外反应电极上表面印刷
氧化铝浆料，形成上外反应电极绝缘层17，最后在上外反应电极绝缘层印刷外电极保护层
16；
在第四层流延基片4的下表面印刷氧化铝浆料,形成上内反应电极绝缘层20，然后在上
内反应电极绝缘层下表面印刷Pt电极浆料，形成内反应电极21，最后在内反应电极21下表
面印刷氧化铝浆料，形成下内反应电极绝缘层22；
在第五层流延基片5的上表面印刷带有气孔的蜂窝状结构的扩散阻碍层24，再在扩散
阻碍层24的上表面印刷Pt电极浆料，形成内反应电极23；
在第八层流延基片8的下表面印刷氧化铝浆料, 形成上参比反应电极绝缘层25，然后
在上参比反应电极绝缘层25下表面印刷Pt电极浆料，形成参比反应电极26，最后在参比反
应电极下表面印刷氧化铝浆料，形成下参比反应电极绝缘层27；
在第十二层流延基片12上表面印刷两次氧化铝浆料,形成两下加热电极绝缘层，然后
在下加热电极绝缘层30上表面印刷Pt电极浆料，形成加热电极31，最后在加热电极上表面
印刷两次氧化铝浆料，形成两上加热电极绝缘层；
在第十五层流延基片15的下表面印刷氧化铝浆料，形成加热引脚绝缘层34，然后在引
脚绝缘层下表面印刷加热引脚35；
其中每一次印刷都通过图形检测系统进行不良品的记录；
（6）叠片：
通过冲模对空气参比通道层进行挥发片填充，使挥发片完全填充第九层流延基片9的
空气参比通道28内；将所有印刷、填充好的第十五层流延基片至第一层流延基片由下至上
进行叠合，最后叠合上保护层形成氧传感器生坯；
（7）真空封塑：
在叠合后的氧传感器生坯下方垫上钢板，然后进行真空包装；
（8）温等静压：
对包装好的氧传感器生坯进行温水等静压压制，使所有流延基片叠合紧密，等静压温
度为80℃，时间为30～60min，形成一个稳定的整体，等静压完成后擦干包装外面的水，取出
氧传感器生坯；
（9）分切：
对压制好的氧传感器生坯进行加温切割，首先对氧传感器生坯进行预热处理，使PVB软
化，便于切割，切割时同时对氧传感器生坯和刀片进行加热，切割成规则、精确的传感器基
片；其中，切割预热温度为50～80℃，切割台板温度为60～80℃，切割刀口的温度为80℃；
（10）烧结：
把传感器基片按照顺序摆好在高温炉内，按照烧结程序进行烧结，烧结温度为1400～
1500℃，保温时间为2h。
本实施例氧传感器的各性能参数检测如下：
a传感器平整度检测：将传感器平放在高平整度的工作台上，用厚度测试仪，在传感器
的头部、中部、尾部分别取三个点进行测试，保护层区域和印刷线区域除外，厚度差小于
0.05mm；
b传感器泄漏测试：通过泄漏测试仪，给传感器的空气参比通道施加380KPa的压力，泄
漏量小于0.1ml/min；
c传感器强度测试：抽取几只氧传感器进行破坏性强度测试，氧传感器弯曲强度为
400MPa以上；
d传感器加热电阻测试：用万用表通过加热引脚测试加热电极的常温电阻值，测试结果如下表所示：编号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
8#
9#
10#
电阻值（Ω）
3.4
2.9
2.8
3.2
3
3.3
3.6
3.5
3.0
3.3
编号
11#
12#
13#
14#
15#
16#
17#
18#
19#
20#
电阻值（Ω）
2.8
2.9
3.3
3.5
3.2
3.1
3.6
3.9
3.4
2.9
由上表可知，本发明的氧传感器电阻分布均匀，合格率可达95%以上，加热电阻正负偏
差0.5Ω，国内很多厂家只能做到±1.5Ω甚至±2Ω；
e传感器绝缘性能测试：通过绝缘仪分别测试加热器对信号外电极端的绝缘电阻、加热
器对参比电极端的绝缘电阻、信号外电极端对参比电极端的绝缘电阻，测试结果如下表所
示：
由上表可知，本发明的氧传感器绝缘性能好；
f组装好宽域氧传感器芯片后，进行标准气氛标定：将组装好的传感器安装在氧传感器配气测试台上，进行测试，首先根据标准值，进行匹配电阻的标定，然后再配置不同气氛的标准气进行比对，显示值非常精确，偏差较小，不同λ值得实测数据如下表所示：测试项目
标准值
1#
2#
3#
4#
4#
5#
6#
起燃时间
≤25s
12.2
11.5
10.9
10
12.6
11.7
11.2
λ=0.8
λ=0.8±0.01
0.802
0.805
0.803
0.799
0.804
0.797
0.809
λ=1.0
λ=1.1±0.05
1.101
1.102
1.099
1.098
1.1
1.103
1.102
λ=1.7
λ=1.7±0.05
1.72
1.71
1.69
1.68
1.74
1.73
1.71
由上表可知，本发明制备的氧传感器满足汽车尾气氧传感器的各种使用要求，传感器
平整度好，强度高，空气参比通道形状规则，并且工艺过程控制非常好，产品合格率高，产品
性能更加稳定，生产一致性更佳。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技
术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明
本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些
变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及
其等效物界定。