專利名稱：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)：
隨著汽車尾氣排放法規(guī)和發(fā)動機(jī)控制技術(shù)的日益提高，傳統(tǒng)的濃差型氧傳感器在 測量精度和測量范圍上都無法滿足發(fā)動機(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)一般是通過流延成型技術(shù)獲得氧化鋯基片，通過切割和打孔加工成所需的形狀，再通過 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 相對穩(wěn)定的極限電流大小。在工作狀態(tài)下，通過閉環(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時為0，而在空 燃比小于1時輸出負(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)動機(jī)稀薄燃燒控制、柴油發(fā)動機(jī)和CNG發(fā)動 機(jī)控制、工業(yè)燃燒控制以及尾氣精確測量等。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量精度，需要將傳 感和測量部位的溫度一直維持在70(T800° C之間；與此同時為了獲得更快的啟動時間以 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，由于 片式結(jié)構(gòu)本身的不對稱和不規(guī)則引起自身抗熱振性能下降，會導(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 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個小時，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 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孔后分開，在135(Γ1600度之間燒結(jié)廣5個小時；
(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個小時，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，同時在上述兩個燒結(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以內(nèi)的冷啟動要求；同時其輸出 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)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。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)外兩個氧化鋯管芯構(gòu)成，而加熱棒3 與其分開設(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該孔隙擴(kuò)散到擴(kuò)散腔43中形成極限電流。通過調(diào)整開孔孔徑以及 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，同時確保擴(kuò)散障礙孔4不被尾氣中的雜物堵塞影響信號輸出特 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設(shè)置，大大降低了制作的工藝 難度；另外其本身是管狀對稱結(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。可以使用可高溫共燒的鉬電極漿料直接涂敷或印刷在兩個鋯 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個小時，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孔后分開在135(Γ1600度之間燒結(jié)廣5個小 時，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 小時，形成所需的功能電極層，然后用中溫玻璃釉料在70(Γ1250度下將兩個管體融接在一 起，同時在上述兩個燒結(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以內(nèi)的冷啟動要求；同時其輸出電流特性穩(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 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 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個小時，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 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孔后分開，在135(Γ1600度之間燒結(jié)廣5個小時；(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個小時，形成所需的功能電極層；(4)然后用中溫玻璃釉料在70(Γ1250度下將兩個管體融接在一起，同時在上述兩個燒 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F01N11/00GK102140954SQ20101061697
公開日2011年8月3日 申請日期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) 申請人:常州聯(lián)德電子有限公司