專(zhuān)利名稱(chēng)：管式雙電池型寬域氧傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種管式雙電池型寬域氧傳感器及其制作 方法。
背景技術(shù)：
隨著汽車(chē)尾氣排放法規(guī)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的日益提高，傳統(tǒng)的濃差型氧傳感器在 測(cè)量精度和測(cè)量范圍上都無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的要求，因此基于極限電流原理的雙電 池型寬域氧傳感器應(yīng)運(yùn)而生。目前已有的雙電池型寬域氧傳感器都是片式結(jié)構(gòu)的，這種結(jié) 構(gòu)一般是通過(guò)流延成型技術(shù)獲得氧化鋯基片，通過(guò)切割和打孔加工成所需的形狀，再通過(guò) 絲網(wǎng)印刷和層壓共燒技術(shù)將氧化鋯基體和加熱電路、金屬鉬電極、多孔保護(hù)層和擴(kuò)散障礙 層集成一體，從而形成濃差電池管和極限電流泵電池管的雙電池結(jié)構(gòu)，并包含加熱器，擴(kuò)散 障礙層和多孔保護(hù)層。通過(guò)調(diào)整擴(kuò)散障礙層的厚度以及形成的空隙大小和密度，可以獲得 相對(duì)穩(wěn)定的極限電流大小。在工作狀態(tài)下，通過(guò)閉環(huán)控制器在泵電池管內(nèi)外電極端施加泵電壓產(chǎn)生一定的泵 電流，使得濃差電池管的測(cè)量電極參比電極兩端產(chǎn)生450mV左右的電壓，而該泵電流的輸 出特性在空燃比大于1也即稀薄燃燒階段是線性的正電流，在空燃比等于1時(shí)為0，而在空 燃比小于1時(shí)輸出負(fù)電流，這樣該氧傳感器就可以在很寬的空燃比范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，從而 使得其除了實(shí)現(xiàn)λ=1的控制外，還可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒控制、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和CNG發(fā)動(dòng) 機(jī)控制、工業(yè)燃燒控制以及尾氣精確測(cè)量等。該片式雙電池型寬域氧傳感器為了在低泵電壓下獲得較高的測(cè)量精度，需要將傳 感和測(cè)量部位的溫度一直維持在70(T800° C之間；與此同時(shí)為了獲得更快的啟動(dòng)時(shí)間以 滿足高排放法規(guī)的要求，其集成的加熱電路必須具有足夠高的加熱功率。這樣以來(lái)，由于 片式結(jié)構(gòu)本身的不對(duì)稱(chēng)和不規(guī)則引起自身抗熱振性能下降，會(huì)導(dǎo)致其穩(wěn)定性和使用壽命下 降。此外，同傳統(tǒng)的濃差型傳感器僅需2到3層結(jié)構(gòu)相比，該雙電池型寬域氧傳感器需要集 成5層甚至更多的功能層，從而導(dǎo)致其制造工藝的復(fù)雜度大幅提高，生產(chǎn)效率和成品率較 難控制。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的氧傳感器制造工藝復(fù)雜的不足，本發(fā)明提供了一種管式雙電池型 寬域氧傳感器及其制作方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種管式雙電池型寬域氧傳感器， 它包括內(nèi)氧化鋯管、外氧化鋯管、加熱棒和閉環(huán)控制器，所述內(nèi)氧化鋯管的外表面和外氧化 鋯管的內(nèi)表面相互吻合，所述內(nèi)氧化鋯管和外氧化鋯管疊加后在其頂端留有擴(kuò)散腔，所述 內(nèi)氧化鋯管的內(nèi)表面設(shè)有參比氣體通道，所述參比氣體通道設(shè)置鉬電極形成參比電極，所 述內(nèi)氧化鋯管的外表面設(shè)置測(cè)量電極，且與外氧化鋯管的內(nèi)表面相切形成泵電池管的內(nèi)電 極，所述外氧化鋯管的外表面設(shè)置泵電池管外電極，所述外氧化鋯管的頂部開(kāi)有小孔，并設(shè)有填充擴(kuò)散層的擴(kuò)散障礙孔，所述外氧化鋯管的外層設(shè)置多孔外電極保護(hù)層。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步包括所述內(nèi)氧化鋯管作為濃差電池管，所述 外氧化鋯管作為極限電流泵電池管。一種管式雙電池型寬域氧傳感器的制作方法，包括以下步驟
(1)將摻雜5mol氧化釔的氧化鋯粉末添加59Γ25%的粘結(jié)劑制備成胚體料或漿料，通過(guò) 模壓成型方法或者注射成型方法制備成內(nèi)氧化鋯管素胚和外氧化鋯管素胚，經(jīng)脫脂后形成 素胚管體；
(2)通過(guò)模具控制素胚管體的外型，使得內(nèi)氧化鋯管的外表面和外氧化鋯管的內(nèi)表面 能充分吻合；
(3)使用可高溫共燒的鉬電極漿料直接涂敷或印刷在內(nèi)氧化鋯管胚體和外氧化鋯管胚 體的內(nèi)外表面，以便燒結(jié)后形成濃差電池管的參比電極和測(cè)量電極以及泵電池管的內(nèi)電極 和外電極；
(4)然后在外氧化鋯管素胚的頂部加工開(kāi)孔，并在孔內(nèi)注入擴(kuò)散層流體漿料；
(5)再將內(nèi)氧化鋯管素胚和外氧化鋯管素胚充分疊加在一起，且頂部能夠留出0.2^3mm 的間隙，之后再用提拉法將制備好的多孔保護(hù)層流體漿料提拉在外電極的表面；
(6)將上述表面漿料烘干后放入高溫爐內(nèi)，在135(Γ1600度之間共燒廣5個(gè)小時(shí)，最終 可制備出管式雙電池型寬域氧傳感器。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步包括以下步驟
(1)將摻雜5mol氧化釔的氧化鋯粉末添加59Γ25%的粘結(jié)劑制備成胚體料或漿料，通過(guò) 模壓成型方法或者注射成型方法制備成內(nèi)氧化鋯管素胚和外氧化鋯管素胚，經(jīng)脫脂后形成 素胚管體；
(2)將脫脂后的素坯管體先加工開(kāi)孔后分開(kāi)，在135(Γ1600度之間燒結(jié)廣5個(gè)小時(shí)；
(3)然后使用低溫鉬電極漿料涂敷在燒結(jié)后的內(nèi)氧化鋯管胚體和外氧化鋯管胚體的內(nèi) 外表面，在90(Γ1250度燒結(jié)0. 5^3個(gè)小時(shí)，形成所需的功能電極層；
(4)然后用中溫玻璃釉料在70(Γ1250度下將內(nèi)氧化鋯管胚體和外氧化鋯管胚體融接 在一起，同時(shí)在上述兩個(gè)燒結(jié)階段完成頂部擴(kuò)散孔內(nèi)擴(kuò)散層漿料的注入和燒結(jié)；
(5)最后再用等離子或熱噴涂方式將保護(hù)層噴涂在最外層表面，最終可制備出管式雙 電池型寬域氧傳感器。本發(fā)明的有益效果是，用本發(fā)明制備出的管式雙電池型寬域氧傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 工藝難度小，在內(nèi)置加熱棒的緊密配合下可完全實(shí)現(xiàn)15s以?xún)?nèi)的冷啟動(dòng)要求；同時(shí)其輸出 電流特性穩(wěn)定；此外管式結(jié)構(gòu)大幅提高了成品的抗熱振性能，可延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，提高 產(chǎn)品的使用穩(wěn)定性。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的放大示意圖3是本發(fā)明泵電流輸出特性曲線示意圖。圖中1.內(nèi)氧化鋯管，11.測(cè)量電極，12.參比電極，13.參比氣體通道，2.內(nèi)氧化鋯管，21.內(nèi)電極，22.外電極，3.加熱棒，4.擴(kuò)散障礙孔，43.擴(kuò)散腔，5.外電極保護(hù) 層，6.閉環(huán)控制器。
具體實(shí)施例方式一種管式雙電池型寬域氧傳感器，包括內(nèi)氧化鋯管1、測(cè)量電極11、參比電極12、 參比氣體通道13、內(nèi)氧化鋯管2、內(nèi)電極21、外電極22、加熱棒3、擴(kuò)散障礙孔4、擴(kuò)散腔43、 外電極保護(hù)層5和閉環(huán)控制器6。如圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，一種管式雙電池型寬域氧傳感器包括內(nèi)氧化鋯管 1、內(nèi)氧化鋯管2、加熱棒3和閉環(huán)控制器6，所述內(nèi)氧化鋯管1的外表面和外氧化鋯管2的 內(nèi)表面相互吻合，所述內(nèi)氧化鋯管1和外氧化鋯管2疊加后在其頂端留有擴(kuò)散腔43，所述內(nèi) 氧化鋯管1的內(nèi)表面設(shè)有參比氣體通道13，所述參比氣體通道13設(shè)置鉬電極形成參比電 極12，所述內(nèi)氧化鋯管1的外表面設(shè)置測(cè)量電極11，且與外氧化鋯管2的內(nèi)表面相切形成 泵電池管的內(nèi)電極21，所述外氧化鋯管2的外表面設(shè)置泵電池管外電極22，所述外氧化鋯 管2的頂部開(kāi)有小孔，并設(shè)有填充擴(kuò)散層的擴(kuò)散障礙孔4，所述外氧化鋯管2的外層設(shè)置多 孔外電極保護(hù)層5。所述內(nèi)氧化鋯管1作為濃差電池管，所述外氧化鋯管2作為極限電流泵 電池管。如圖2是本發(fā)明的放大示意圖，該傳感器由內(nèi)外兩個(gè)氧化鋯管芯構(gòu)成，而加熱棒3 與其分開(kāi)設(shè)置。內(nèi)氧化鋯管1做為濃差電池管，外氧化鋯管2做為極限電流泵電池管用。且 內(nèi)部濃差電池管1的外表面和外部泵電池管2的內(nèi)表面要相互吻合，以利于共燒或高溫粘 接。另外兩個(gè)管體疊加后要能夠在其頂端留出0. Γ2. 5mm的間隙做為極限電流泵電池的擴(kuò) 散腔43。內(nèi)氧化鋯管1的內(nèi)表面通過(guò)參比氣體通道13同參比空氣接觸，設(shè)置鉬電極以形成 參比電極12 ；在內(nèi)氧化鋯管1外表面設(shè)置測(cè)量電極11，且與外氧化鋯管2的內(nèi)表面電極層 相切又形成泵電池管的內(nèi)電極21 ；在外氧化鋯管2的外表面設(shè)置泵電池管外電極22。外部 泵電池管2的頂部開(kāi)有小孔，并填充一定孔隙大小和孔隙率的擴(kuò)散層形成擴(kuò)散障礙孔4，尾 氣中的氧分子就是通過(guò)該孔隙擴(kuò)散到擴(kuò)散腔43中形成極限電流。通過(guò)調(diào)整開(kāi)孔孔徑以及 擴(kuò)散層的孔隙率和大小，可獲得一定的極限電流值。外氧化鋯管2的最外層設(shè)置多孔保護(hù) 層以保護(hù)外電極不被污染，同時(shí)確保擴(kuò)散障礙孔4不被尾氣中的雜物堵塞影響信號(hào)輸出特 性。在工作中，由單獨(dú)設(shè)置的加熱棒3將雙電池鋯管頂端部位加熱并維持在70(Γ800 度之間，通過(guò)閉環(huán)控制器6在外部極限電流泵電池管2的外電極22和內(nèi)電極21兩端施加 泵電壓產(chǎn)生一定的泵電流，使得濃差電池管1的參比電極12和測(cè)量電極11之間產(chǎn)生450mV 左右的電壓。這樣獲得的泵電流在空燃比大于1的范圍內(nèi)是正電流，且隨著空燃比增大而 線性增大；在空燃比等于1時(shí)泵電流為0 ；在空燃比小于1的范圍內(nèi)泵電流是負(fù)值。由此該 傳感器同樣可以滿足全空燃比范圍內(nèi)的測(cè)量和控制。由于本發(fā)明的氧傳感器將加熱器和雙電池管芯分開(kāi)設(shè)置，大大降低了制作的工藝 難度；另外其本身是管狀對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，可大幅提高產(chǎn)品整體的抗熱振性能，為其使用壽命和穩(wěn) 定性提供了很好的保障。具體實(shí)施例
將摻雜5mol氧化釔的氧化鋯粉末添加59Γ25%的粘結(jié)劑制備成胚體料或漿料，通過(guò)模壓成型方法或者注射成型方法制備成內(nèi)氧化鋯管1和外氧化鋯管2胚體，經(jīng)脫脂后形成素 胚管體。通過(guò)模具控制素胚管體的外型，使得內(nèi)氧化鋯管1素胚的外表面和外氧化鋯管2 素胚的內(nèi)表面能充分吻合?？梢允褂每筛邷毓矡你f電極漿料直接涂敷或印刷在兩個(gè)鋯 管素胚的內(nèi)外表面，以便燒結(jié)后形成濃差電池管的參比電極12和測(cè)量電極11以及泵電 池的內(nèi)外電極；然后在外部大鋯管素胚的頂部加工開(kāi)孔，并在孔內(nèi)注入擴(kuò)散層流體漿料; 再將大小管體素胚充分疊加在一起，且頂部能夠留出0. 2^3mm的間隙，之后再用提拉法將 制備好的多孔保護(hù)層流體漿料提拉在外電極的表面；將表面漿料烘干后放入高溫爐內(nèi)，在 1350^1600度之間共燒廣5個(gè)小時(shí)，最終可制備出本發(fā)明的管式雙電池型寬域氧傳感器。也可以將脫脂后的素坯管體先加工開(kāi)孔后分開(kāi)在135(Γ1600度之間燒結(jié)廣5個(gè)小 時(shí)，然后使用低溫鉬電極漿料涂敷在燒結(jié)后的管體內(nèi)外表面，在90(Γ1250度燒結(jié)0. 5^3個(gè) 小時(shí)，形成所需的功能電極層，然后用中溫玻璃釉料在70(Γ1250度下將兩個(gè)管體融接在一 起，同時(shí)在上述兩個(gè)燒結(jié)階段完成頂部擴(kuò)散孔內(nèi)擴(kuò)散層漿料的注入和燒結(jié)。最后再用等離 子或熱噴涂方式將保護(hù)層噴涂在最外層表面。由以上步驟制備出的管式雙電池型寬域氧傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝難度小，在內(nèi)置 加熱棒的緊密配合下可完全實(shí)現(xiàn)15s以?xún)?nèi)的冷啟動(dòng)要求；同時(shí)其輸出電流特性穩(wěn)定，具體 樣品的泵電流輸出特性曲線見(jiàn)圖3 ；此外，管式結(jié)構(gòu)大幅提高了成品的抗熱振性能，可延長(zhǎng) 產(chǎn)品的使用壽命，提高產(chǎn)品的使用穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種管式雙電池型寬域氧傳感器，其特征是，它包括內(nèi)氧化鋯管(1)、外氧化鋯管 (2)、加熱棒(3)和閉環(huán)控制器(6)，所述內(nèi)氧化鋯管(1)的外表面和外氧化鋯管(2)的內(nèi)表 面相互吻合，所述內(nèi)氧化鋯管(1)和外氧化鋯管(2)疊加后在其頂端留有擴(kuò)散腔(43)，所述 內(nèi)氧化鋯管(1)的內(nèi)表面設(shè)有參比氣體通道(13)，所述參比氣體通道(13)設(shè)置鉬電極形成 參比電極(12)，所述內(nèi)氧化鋯管(1)的外表面設(shè)置測(cè)量電極(11)，且與外氧化鋯管(2)的內(nèi) 表面相切形成外氧化鋯管(2)的內(nèi)電極(21)，所述外氧化鋯管(2)的外表面設(shè)置外氧化鋯 管(2)的外電極(22)，所述外氧化鋯管(2)的頂部開(kāi)有小孔，并設(shè)有填充擴(kuò)散層的擴(kuò)散障礙 孔(4 )，所述外氧化鋯管(2 )的外層設(shè)置多孔外電極保護(hù)層(5 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管式雙電池型寬域氧傳感器，其特征是，所述內(nèi)氧化鋯管(1) 作為濃差電池管，所述外氧化鋯管(2)作為極限電流泵電池管。
3.一種管式雙電池型寬域氧傳感器的制作方法，其特征是，包括以下步驟(1)將摻雜5mol氧化釔的氧化鋯粉末添加59Γ25%的粘結(jié)劑制備成胚體料或漿料，通過(guò) 模壓成型方法或者注射成型方法制備成內(nèi)氧化鋯管素胚和外氧化鋯管素胚，經(jīng)脫脂后形成 素胚管體；(2)通過(guò)模具控制素胚管體的外型，使得內(nèi)氧化鋯管的外表面和外氧化鋯管的內(nèi)表面 能充分吻合；(3)使用可高溫共燒的鉬電極漿料直接涂敷或印刷在內(nèi)氧化鋯管胚體和外氧化鋯管胚 體的內(nèi)外表面，以便燒結(jié)后形成濃差電池管的參比電極和測(cè)量電極以及泵電池管的內(nèi)電極 和外電極；(4)然后在外氧化鋯管素胚的頂部加工開(kāi)孔，并在孔內(nèi)注入擴(kuò)散層流體漿料；(5)再將內(nèi)氧化鋯管素胚和外氧化鋯管素胚充分疊加在一起，且頂部能夠留出0.2^3mm 的間隙，之后再用提拉法將制備好的多孔保護(hù)層流體漿料提拉在外電極的表面；(6)將上述表面漿料烘干后放入高溫爐內(nèi)，在135(Γ1600度之間共燒廣5個(gè)小時(shí)，最終 可制備出管式雙電池型寬域氧傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的管式雙電池型寬域氧傳感器的制作方法，其特征是，包括以 下步驟(1)將摻雜5mol氧化釔的氧化鋯粉末添加59Γ25%的粘結(jié)劑制備成胚體料或漿料，通過(guò) 模壓成型方法或者注射成型方法制備成內(nèi)氧化鋯管素胚和外氧化鋯管素胚，經(jīng)脫脂后形成 素胚管體；(2)將脫脂后的素坯管體先加工開(kāi)孔后分開(kāi)，在135(Γ1600度之間燒結(jié)廣5個(gè)小時(shí)；(3)然后使用低溫鉬電極漿料涂敷在燒結(jié)后的內(nèi)氧化鋯管胚體和外氧化鋯管胚體的內(nèi) 外表面，在90(Γ1250度燒結(jié)0. 5^3個(gè)小時(shí)，形成所需的功能電極層；(4)然后用中溫玻璃釉料在70(Γ1250度下將兩個(gè)管體融接在一起，同時(shí)在上述兩個(gè)燒 結(jié)階段完成頂部擴(kuò)散孔內(nèi)擴(kuò)散層漿料的注入和燒結(jié)；(5)最后再用等離子或熱噴涂方式將保護(hù)層噴涂在最外層表面，最終可制備出管式雙 電池型寬域氧傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及氧傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種管式雙電池型寬域氧傳感器及其制作方法。它包括內(nèi)氧化鋯管、外氧化鋯管、加熱棒和閉環(huán)控制器，所述內(nèi)氧化鋯管的外表面和外氧化鋯管的內(nèi)表面相互吻合，所述內(nèi)氧化鋯管和外氧化鋯管疊加后在其頂端留有擴(kuò)散腔，所述內(nèi)氧化鋯管的內(nèi)表面設(shè)有參比氣體通道，所述參比氣體通道設(shè)置鉑電極形成參比電極，所述內(nèi)氧化鋯管的外表面設(shè)置測(cè)量電極，且與外氧化鋯管的內(nèi)表面相切形成泵電池的內(nèi)電極，所述外氧化鋯管的外表面設(shè)置泵電池外電極，所述外氧化鋯管的頂部開(kāi)有小孔，并設(shè)有填充擴(kuò)散層的擴(kuò)散障礙孔，所述外氧化鋯管的外層設(shè)置多孔外電極保護(hù)層。
文檔編號(hào)F01N11/00GK102140954SQ20101061697
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者黨桂彬, 馮江濤, 楊世養(yǎng) 申請(qǐng)人:常州聯(lián)德電子有限公司