專利名稱：氧傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型與用于控制內(nèi)燃機燃燒排放的氧傳感器有關(guān)。
近年來，用于汽車內(nèi)燃機燃燒尾氣中測定氧濃度來控制內(nèi)燃機燃燒的氧傳感器(探測器或檢測器)已廣泛被利用。用來控制內(nèi)燃機的空氣進(jìn)量與燃油進(jìn)量的定量配比，使燃燒達(dá)到盡可能地充分，盡可能地少排放出有害氣體。內(nèi)燃機上使用的氧傳感器要求很快的響應(yīng)和長的工作壽命。兩者缺一不可，這也是世界各地的研究者關(guān)注并致力解決的問題。在一端開口，一端封口的陶瓷管上，內(nèi)、外制作電極的氧傳感器的應(yīng)用較為廣泛。用于內(nèi)燃機為提高其靈敏度的工作是在近幾年內(nèi)是有所進(jìn)展并取得了較好的成就(如CN1121177A)。另外在提供良好的耐用性即長期工作壽命方面。也取得了較大的進(jìn)步(CN1217790A)。
隨著內(nèi)燃機的改進(jìn)，世界各國對汽車排放污染物對大氣環(huán)境破壞性的逐步認(rèn)識和深化，相繼出臺了許多政策性和法規(guī)性文件限制汽車的污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)。也就要求對內(nèi)燃機的燃燒控制提到了一個新的高度，相應(yīng)的需求也就隨之而生。要使汽車排放污染物盡可能地少，用于控制的氧傳感器起到關(guān)鍵性的檢測功能，要求具有較高的靈敏度，也應(yīng)具有較持久的工作壽命。
本實用新型的目的是提供一種靈敏度高，工作壽命長的氧傳感器及其制造方法。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的本實用新型氧傳感器包括一端開口，一端封閉的管狀陶瓷氧敏感元件4，該敏感元件內(nèi)外表面有參比電極5和測量電極2，在參比電極5和測量電極2為多孔金屬電極，測量電極2極面外設(shè)置有氧化鋯多孔保護(hù)層3，保護(hù)層3外設(shè)置有氧化鋁多孔保護(hù)層1。
本實用新型測量電極2的厚度為5-15μm，孔隙率為40-60％。
本實用新型參比電極5的厚度為2-50μm，孔隙率為30-60％。
本實用新型參比電極5的平均孔徑為0.1-20.μm。
本實用新型測量電極2的平均孔徑為0.1-10μm。
本實用新型保護(hù)層3的孔隙率為10-15％，保護(hù)層1的孔隙率為15-60％。
本實用新型保護(hù)層3為ZrO2·MgO,ZrO2·Y2O3,ZrO2·Al2O3·Y2O3,ZrO2·CaO混合粉末層，粉末顆粒直徑為1-80μm，保護(hù)層3的厚度為30-100μm。
本實用新型保護(hù)層1為α-Al2O3、γ-Al2O3、MgO混合粉末層，粉末顆粒直徑為5-100μm，保護(hù)層1的厚度為200-450μm。
本實用新型保護(hù)層1外表面的不平整度為5-200μm。
本實用新型主要關(guān)注的重點是內(nèi)參比電極與外測量電極之間的差異，制作的手段不同滿足使用各自的最佳性能要求。外測量電極是處于極低氧濃度的測定環(huán)境內(nèi)，應(yīng)具有較靈敏的活性和較強的催化能力，確保取得最佳性能，設(shè)置的是5～15μm厚，孔隙率為40～60％，孔徑為0.1～100μm的金屬活性層。參比電極是處于較為穩(wěn)定的較高濃度的環(huán)境上，較之測量極不需要靈敏度高。其設(shè)計的孔隙率為30～60％，孔徑為0.1～20μm的金屬層。為保證其長期高溫下的耐熱性，長期工作有效性，對孔徑的要求也提出了不同，測量電極和參比電極的差別確保不同環(huán)境條件下組合成具有更加有效的測量和極高靈敏度的氧傳感器。正如上所述，另本實用新型還關(guān)注到的是傳感器敏感元件外測量電極上面設(shè)置的保護(hù)層的作用。內(nèi)層采用ZrO2·Y2O3、ZrO2·MgO、ZrO2·Y2O3·Al2O3、ZrO2·CaO粉末層，基于對耐熱性考慮，能有較接近的膨脹系數(shù)，通過多種粉末層組成的內(nèi)層，同時還有作為外層材料梯形過渡之功能。較致密的結(jié)構(gòu)，更具有好的結(jié)合力，外層設(shè)置的γ-Al2O3、α-Al2O3、MgO較為疏松的粉末層，保護(hù)層設(shè)置為兩層有效地阻擋異物進(jìn)入電極層(外測量極電極層)上，和有效地防護(hù)異物，特別是由K、Na、Pb形成的氧化物對電極孔隙的阻塞作用能得到持久有效的防護(hù)。能夠有效地阻擋異物的浸入或阻塞氣體通路孔兩者的組合保證了較強的抗熱性能及耐久性和工作的穩(wěn)定性。
本實用新型具有如下顯著進(jìn)步氧傳感器的響應(yīng)時間得到了顯著地提高，由文獻(xiàn)報道可查證的＜100ms，提高到＜30ms。提高了氧傳感器適用的各種汽車內(nèi)燃機的燃燒控制，其壽命由文獻(xiàn)可查證的10萬公里提高到30萬公里的行駛使用壽命。
如下是本實用新型的附圖

圖1為氧傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為氧傳感器參比電極的放大示意圖。
圖3為氧傳感器測量電極的放大示意圖。
圖4為氧傳感器內(nèi)層保護(hù)層的放大示意圖。
圖5為氧傳感器保護(hù)外層的放大示意圖。
如下是本實用新型的實施側(cè)本實用新型提出了一種氧傳感器包含一端開口，一端封口的氧敏元件4。氧敏元件的內(nèi)、外壁根據(jù)使用性能要求設(shè)置了參比電極多孔金屬層，測量電極多孔金屬層。在外測量電極表面設(shè)置了內(nèi)層為ZrO2·Y2O3、ZrO2·MgO、ZrO2·Y2O3·Al2O3、ZrO2·CaO多種陶瓷粉層和外層為γ-Al2O3、α-Al2O3、MgO的多種陶瓷粉末。其中氧敏感元件參比電極金屬層是一層厚為2～50μm，孔隙率為30～60％，孔徑為0.1～20μm的多孔電極層。外測量電極金屬層是一層0.5～15μm，孔隙率為40～60％，孔徑為0.1～10μm的多孔電極層。內(nèi)、外電極的差別確保在不同的環(huán)境條件下組合成具有更加有效的測量與之極高的靈敏度。在外測量極上設(shè)置的內(nèi)層為ZrO2·Y2O3、ZrO2·MgO、ZrO2·Y2O3·Al2O3、ZrO2·CaO的粉末層厚度為30～100μm，孔隙率為10～50％，顆粒的直徑為1～80μm的內(nèi)層3阻擋層，外層1為γ-Al2O3、α-Al2O3、MgO的粉末層厚度為200～450μm，孔隙率為15～60％，顆粒直徑為50～100μm的外層阻擋層。
本實用新型介紹了該氧傳感器的制造方法，可以通過以下技術(shù)措施來實現(xiàn)。
用10～38％HF溶液浸泡敏感元件4～24h，用水清洗元件后干燥處理。用0.01～5μm的金屬粉與造孔劑、有機分散劑組合，混合比為1～20％，球磨12～72h，取出金屬漿料粉。用涂覆、噴涂或印刷的方法將其設(shè)置敏感元件內(nèi)測。80～250℃干燥10min～4h，然后在800～1350℃燒結(jié)1～24h。得到內(nèi)測參比電極，用0.01～1μm的金屬粉末與造孔劑，分散劑按4～30％的重量百分比配料混合，球磨12～96h，取出金屬漿料粉，用涂覆、噴涂或印刷的方法將其設(shè)置在敏感元件外測，80～250℃干燥10min～4h，然后在800～1200℃燒結(jié)0.5～12h，得到外測量電極。用1～80μm的ZrO2·Y2O3、ZrO2·MgO、ZrO2·Y2O3·Al2O3、ZrO2·CaO粉末進(jìn)行球磨24～120h后，用浸漬和噴涂，在敏感元件上形成孔隙率為10～50％的厚度為30～100μm的多孔陶瓷層，在浸漬和噴涂前對敏感元件進(jìn)行機械粗化，使得表面粗糙度為0.1～10μm。制作內(nèi)層陶瓷多孔層3進(jìn)行熱處理后，用5～10μm的γ-Al2O3、α-Al2O3和MgO粉末進(jìn)行機械混合12h，用浸漬或噴涂的方法制作在內(nèi)層陶瓷層3表面形成厚200～450μm，孔隙率為15～60％的多孔陶瓷層1，且具備有5～200μm的表面不平整度。
權(quán)利要求1.一種氧傳感器，包括一端開口，一端封閉的管狀陶瓷氧敏感元件(4)，該敏感元件內(nèi)外表面分別有參比電極(5)和測量電極(2)，其特征在于參比電極(5)和測量電極(2)為多孔金屬電極，測量電極(2)外設(shè)置有氧化鋯多孔保護(hù)層(3)，保護(hù)層(3)外設(shè)置有氧化鋁多孔保護(hù)層(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其特征在于測量電極(2)的厚度為5-15μm，孔隙率為40-60％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其特征在于參比電極(5)的厚度為2-50μm，孔隙率為30-60％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的氧傳感器，其特征在于參比電極(5)的平均孔徑為0.1-20.μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧傳感器，其特征在于測量電極(2)的平均孔徑為0.1-10μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其特征在于保護(hù)層(3)的孔隙率為10-15％，保護(hù)層(1)的孔隙率為15-60％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的氧傳感器，其特征在于保護(hù)層(3)為ZrO2·MgO,ZrO2·Y2O3,ZrO2·Al2O3·Y2O3,ZrO2·CaO混合粉末層，粉末顆粒直徑為1-80μm，保護(hù)層(3)的厚度為30-100μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的氧傳感器，其特征在于保護(hù)層(1)為α-Al2O3、γ-Al2O3、MgO混合粉末層，粉末顆粒直徑為5-100μm，保護(hù)層(1)的厚度為200-450μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氧傳感器，其特征在于保護(hù)層(1)外表面的不平整度為5-200μm。
專利摘要本實用新型為一種氧傳感器及其制造方法。氧傳感器的一端開口,一端封閉的管狀陶瓷氧敏感元件4的內(nèi)外表面有帶導(dǎo)電連線的多孔參比電極5和測量電極2。測量電極2的極面上依次設(shè)要有氧化鋯多孔保護(hù)層3和氧化鋁多孔保護(hù)層1。其制造方法為將金屬粉,造孔劑和有機分散劑混合研磨,調(diào)節(jié)粘度,用涂覆或印刷或噴涂方法將混合物設(shè)置在元件4的內(nèi)、外壁制成電極和保護(hù)層?？墒寡鮽鞲衅鞯捻憫?yīng)時間顯著提高。延長其使用壽命。
文檔編號G01N27/409GK2456166SQ0025997
公開日2001年10月24日 申請日期2000年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月28日
發(fā)明者張益康, 張益燦, 楊邦朝, 謝四平, 張海航, 曾宗權(quán) 申請人:康達(dá)(成都)電子有限公司