本申请涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种气体传感器及其陶瓷芯片。
背景技术：
目前，应用于高温环境下的气体传感器陶瓷芯片主要以氧化锆作为基体。其工作原理是根据氧化锆电解质在高温下的氧离子导电特性，通过能斯特电池与电解池的双向工作机制。高温的主要来源是内置在氧化锆基体内的加热器。加热器的主要组成为导电线路与绝缘隔离层。绝缘隔离层的主要材料为非导电的材料，例如氧化铝。
一般的气体传感器在工况下，会伴随冷热循环。加热器处于非常严苛的热效应环境中。尤其是绝缘隔离层的氧化铝的热膨胀系数与基体的氧化锆、加热导电线路不匹配，会直接带来的陶瓷结构的崩塌与失效，导致传感器不能正常工作。另外，加热器在传感器启动的瞬间，温度急剧上升。传感器的绝缘隔离层的热量急剧增涨，如果不能有效的传递热量，也会引起结构的崩塌。
绝缘隔离层的分布于加热器的导电线路的上、下两面。绝缘隔离层的上、下两面的结构相对于陶瓷芯片是非对称的。上方绝缘隔离层对应的是陶瓷芯片的空腔导气槽，而下方绝缘隔离层对应的是陶瓷芯片的氧化锆基体层。这样的非对称结构也会直接导致在加热启动瞬间，上、下两面的绝缘隔离层所面对的热量也不同，绝缘隔离层的结构极易失效。
以上的热效应会直接导致传感器陶瓷芯片的寿命缩短。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本申请的发明构思及技术方案，其并不必然属于本申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现要素：
本申请提出一种气体传感器及其陶瓷芯片，可改进陶瓷芯片的整个加热器对热效应的耐受能力，从而提高加热器的寿命。
在第一方面，本申请提供一种气体传感器陶瓷芯片，包括加热器，所述加热器包括上、中、下三层，分别为上绝缘隔离层、加热导电线路和下绝缘隔离层；
所述上绝缘隔离层和所述下绝缘隔离层的主要成分均为氧化铝；
所述上绝缘隔离层和所述下绝缘隔离层均为具有孔洞的结构；
所述上绝缘隔离层的孔洞与所述下绝缘隔离层的孔洞不同；
所述上绝缘隔离层的上方为所述气体传感器陶瓷芯片的空腔导气槽；
所述下绝缘隔离层的下方为所述气体传感器陶瓷芯片的氧化锆基体层。
在一些优选的实施方式中，所述上绝缘隔离层的孔隙率比所述下绝缘隔离层的孔隙率大5％至15％。
在一些优选的实施方式中，所述上绝缘隔离层和所述下绝缘隔离层均包括不同粒径的氧化铝颗粒。
在第二方面，本申请还提供一种气体传感器，包括上述气体传感器陶瓷芯片。
与现有技术相比，本申请的有益效果有：
上绝缘隔离层和下绝缘隔离层为有孔洞的结构，且上、下绝缘隔离层为非对称的布局，能够有效地提升陶瓷芯片的加热器的抗热效应能力，从而提高加热器的寿命。
附图说明
图1为本申请实施例的气体传感器陶瓷芯片加热器的制作方法的流程示意图；
图2为本申请实施例的气体传感器陶瓷芯片的结构示意图；
图3适应性地示出本申请实施例的气体传感器陶瓷芯片的绝缘隔离层的正面结构；
图4(a)为本申请实施例的一种孔洞结构的示意图；
图4(b)为本申请实施例的一种孔洞结构的微观图；
图5为本申请实施例的热效应对比图。
具体实施方式
为了使本申请实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合图1至图5及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
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申请实施例和简化描述，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申请的限制。
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。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本实施例提供一种气体传感器陶瓷芯片，包括加热器。本实施例的加热器包括上、中、下三层。参考图2和图3，这三层分别为上绝缘隔离层1、加热导电线路2和下绝缘隔离层3。
上绝缘隔离层1和下绝缘隔离层3的主要成分均为氧化铝。
上绝缘隔离层1和下绝缘隔离层3均为具有孔洞的结构。这些孔洞可用于热传递。可选择具有孔洞的膜片或者板材作为上绝缘隔离层1和下绝缘隔离层3；有孔洞的膜片或者板材可通过激光加工形成；还可以通过本实施例后述的制作方法来形成上绝缘隔离层1和下绝缘隔离层3。
上绝缘隔离层1的孔洞与下绝缘隔离层3的孔洞不同。具体表现为两层的孔的大小不同、孔隙率不同或者孔的分布不同。
上绝缘隔离层1的上方为气体传感器陶瓷芯片的空腔导气槽，或者说上绝缘隔离层1对应的是陶瓷芯片的空腔导气槽。下绝缘隔离层3的下方为气体传感器陶瓷芯片的氧化锆基体层，或者说下绝缘隔离层3对应的是陶瓷芯片的氧化锆基体层4。这样，就在气体传感器陶瓷芯片中形成一种非对称的结构。
上绝缘隔离层1与下绝缘隔离层3也是非对称的，可理解为将不同的氧化铝结构层应用于上绝缘隔离层1和下绝缘隔离层3。根据热传递能力的不同，可将上绝缘隔离层1的孔隙率调整到较高的水平，比下绝缘隔离层3大约高出5％至15％。
在本实施例中，上绝缘隔离层1和下绝缘隔离层3为有孔洞的结构，且上、下绝缘隔离层为非对称的布局，能够有效地提升陶瓷芯片的加热器的抗热效应能力，从而提高加热器的寿命。
本实施例还提供一种气体传感器，包括本实施例上述的气体传感器陶瓷芯片。
本实施例提供一种气体传感器陶瓷芯片的绝缘浆料，包括成孔剂和氧化铝颗粒。
在本实施例中，参考图4(a)和图4(b)，氧化铝颗粒包括不同粒径氧化铝(al2o3)的混合，包括两种或者多种粉体混合。具体的，氧化铝颗粒包括主体氧化铝颗粒和配合氧化铝颗粒。主体氧化铝颗粒的粒径范围是1-2μm。配合氧化铝颗粒的粒径范围是300-500nm或者5-10μm。
不同粒径的氧化铝颗粒的配合方式可以多样化。一般控制主体氧化铝颗粒的体积分数在70％左右，配合氧化铝颗粒的成分可以根据实际设计进行调整。
成孔剂的成分可以为石墨、炭黑、硝酸铵或淀粉等牺牲材料或者说逃跑材料，这些材料在高温下可挥发形成一定的孔洞结构。
成孔剂的质量分数在10％-40％之间。氧化铝颗粒是绝缘浆料的主要成分，具体的质量分数可根据需要来选择，比如剩余的均是氧化铝颗粒。
在其它实施例中，绝缘浆料还可包括质量百分比为0％-3％或者说质量百分比在3％以内的添加剂，优选为2％-3％。添加剂的主要成分为氧化硅、氧化镁、氧化铝的混合物；或者说是氧化硅、氧化镁和氧化铝中的至少两者。主体氧化铝颗粒在添加剂的作用下，烧结能力能够得到有效提升，同时可形成孔洞结构。
本实施例中的绝缘浆料通过对成分进行调整形成的孔洞能够有效提升绝缘层在气体传感器陶瓷芯片的氧化锆基体上的匹配，不同粒径的氧化铝混合烧结可以形成多样的孔洞结构，可提升抗热效应的能力。
本实施例提供一种气体传感器陶瓷芯片加热器的制作方法。该方法使用上层绝缘浆料和下层绝缘浆料。上层绝缘浆料和下层绝缘浆料均为本实施例上述的绝缘浆料。其中，上层绝缘浆料可形成的孔洞的结构与下层绝缘浆料可形成的孔洞的结构不同。参考图1，本实施例的制作方法包括步骤s1至步骤s3。
步骤s1、分别将上层绝缘浆料和下层绝缘浆料混合形成上层浆料和下层浆料。
步骤s2、分别将上层浆料和下层浆料印刷到加热导电线路的上层和下层，得到待处理加热器。
步骤s3、对待处理加热器进行后续处理，得到一体化结构的加热器。其中，后续处理的一种形式为对待处理加热器进行层压、切割和烧结。
上绝缘隔离层1的孔洞与下绝缘隔离层3的孔洞不同，可通过对形成上绝缘隔离层1的浆料和下绝缘隔离层3的浆料中的成分比例进行调整，具体可使得上层浆料和下层浆料的主体氧化铝颗粒的粒径不同。
对于本实施例的制作方法得到的加热器，上绝缘隔离层1和下绝缘隔离层3均包括不同粒径的氧化铝颗粒，具体包括主体氧化铝颗粒和配合氧化铝颗粒。主体氧化铝颗粒的粒径范围是1-2μm。配合氧化铝颗粒的粒径范围是300-500nm或者5-10μm。
下面通过实验例和对比例对本实施例进行说明。
有三种绝缘浆料，分别为绝缘浆料a1、绝缘浆料a2和绝缘浆料a3。
绝缘浆料a1：氧化铝粒径大约在1-2um,球磨到粒径分布的d50大约为500nm,添加成孔剂石墨30％，混合形成浆料。
绝缘浆料a2：氧化铝粒径大约在1-2um,球磨到粒径分布的d50大约为500nm,添加成孔剂石墨20％，混合形成浆料。
绝缘浆料a3：氧化铝粒径大约在1-2um,球磨到粒径分布的d50大约为500nm,不添加成孔剂石墨。
实验例1
将绝缘浆料a1印刷到加热导电线路的上层，将绝缘浆料a2印刷到加热导电线路的下层。经过后续一系列的层压、切割和烧结工艺，形成加热器的一体化结构,标记样品为samples-a，如图4所示。
作为对比，制备了另外两种样品，分别为samples-b和samples-c。
对比例1
samples-b是绝缘浆料a2形成的上、下层对称绝缘结构。
对比例2
samples-c是绝缘浆料a3形成的对称绝缘结构。
将三种样品分成两组，以对比热冲击与冷热循环特性。
热冲击的方法为从室温启动到950℃，启动时间不超过5秒，保温1秒，自然降温到室温，循环该过程。
冷热循环方法为从室温启动到900℃，启动时间不超过10秒，保温10秒，风冷降温到室温，保温10秒，循环该过程。
对功能寿命直接进行比较，对比实验结果如图5所示。对于热冲击，samples-a、samples-b和samples-c的有效次数分别为：600、500和200。对于热循环，samples-a、samples-b和samples-c的有效次数分别为：1200、950和600。samples-a的结果明显优异于samples-b，samples-b明显优于samples-c。可以看到，有孔洞结构的样品对热冲击更具有耐受能力，有孔洞且非对称的结构对热冲击与冷热循环都有更好的耐受能力。
根据上述可知，本实施例可提升气体传感器陶瓷芯片的加热器对热效应的耐受能力，使其匹配热膨胀，可提高热传递，能够有效提高加热器的寿命。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，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申请的保护范围。
1.一种气体传感器陶瓷芯片，其特征在于：包括加热器，所述加热器包括上、中、下三层，分别为上绝缘隔离层、加热导电线路和下绝缘隔离层；
所述上绝缘隔离层和所述下绝缘隔离层的主要成分均为氧化铝；
所述上绝缘隔离层和所述下绝缘隔离层均为具有孔洞的结构；
所述上绝缘隔离层的孔洞与所述下绝缘隔离层的孔洞不同；
所述上绝缘隔离层的上方为所述气体传感器陶瓷芯片的空腔导气槽；
所述下绝缘隔离层的下方为所述气体传感器陶瓷芯片的氧化锆基体层。
2.根据权利要求1所述的气体传感器陶瓷芯片，其特征在于：所述上绝缘隔离层的孔隙率比所述下绝缘隔离层的孔隙率大5％至15％。
3.根据权利要求1所述的气体传感器陶瓷芯片，其特征在于：所述上绝缘隔离层和所述下绝缘隔离层均包括不同粒径的氧化铝颗粒。
4.一种气体传感器，其特征在于：包括根据权利要求1至3任一项所述气体传感器陶瓷芯片。
技术总结