專利名稱：一種氧傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種氧傳感器，尤其涉及一種車用理論空燃比氧傳感器。
背景技術(shù)：
在發(fā)動機控制系統(tǒng)中，氧傳感器、三元催化與電子控制供油系統(tǒng)為一套，即所謂的三元系統(tǒng)，此系統(tǒng)是現(xiàn)代發(fā)動機控制的核心?，F(xiàn)在使用最多的車用氧傳感器是檢測理論空燃比型氧傳感器，它用于發(fā)動機的電噴控制系統(tǒng)中，使其保持在理論空燃比附近工作，從而使三元催化處于最佳的工作區(qū)間。
目前廣泛使用的氧傳感器是濃差型氧化鋯氧傳感器，主要采用管式結(jié)構(gòu)，該氧傳感器內(nèi)部由陶瓷感測頭、電極墊片、壓縮彈簧及信號導線等元件所組構(gòu)而成。其中，陶瓷感測頭可采用冷均壓成型或射出成型兩種方式制出。但存在以下缺點以冷均壓成型制出而言，機器設(shè)備成本昂貴，成型速度慢，模具成本與附屬周邊設(shè)備維修保養(yǎng)不易且成本高，以及成型出的制品會產(chǎn)生毛邊，產(chǎn)品工藝上需多一道車毛邊的二次加工程序。而以射出成型而言，其所制出陶瓷感測頭成本高，且需在氧化鋯中加入許多有機添加物以增加其結(jié)合性，所以在成型后陶瓷感測頭再進行高溫燒結(jié)時，會因其有機物燃燒殘留較大空隙且產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，使陶瓷感測頭整體組織致密度不足，相對于所成型的整體結(jié)構(gòu)強度就會稍嫌不足，嚴重的甚至會產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象，所制出品質(zhì)良好率低。故陶瓷感測頭的制造是目前無法大量生產(chǎn)，而造成產(chǎn)品單價居高不下，也是目前產(chǎn)業(yè)上的技術(shù)瓶頸。
中國專利申請?zhí)朇N00120637.0公開了一種管狀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的內(nèi)外表面有帶導電連線的多孔參比電極和測量電極。測量電極的極面上依次設(shè)置有氧化鋯多孔保護層和氧化鋁多孔保護層。在靈敏度和激活速度上已經(jīng)取得了較大的進步。但是，隨著人們對環(huán)保意識的提高，意識到汽車排放污染物對大氣層的破化，人們對氧傳感器的成本、靈敏度和激活速度提出了更高的要求。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低、靈敏度高、激活快的氧傳感器。
本實用新型進一步要解決的技術(shù)問題是提供一種氧傳感器，其對氧傳感器主體機械強度要求低。
本實用新型次進一步要解決的技術(shù)問題是提供一種工作壽命長的氧傳感器。
為了解決以上技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是一種氧傳感器，包括敏感元件，還包括加熱體和高溫電極，敏感元件為片狀結(jié)構(gòu)，加熱體內(nèi)部設(shè)置有空腔并在其一表面設(shè)置有與空腔相連的小孔，敏感元件一面通過小孔與環(huán)境大氣相接觸，另一面與汽車尾氣相連，敏感元件與加熱體為一體結(jié)構(gòu)；高溫電極與敏感元件的兩側(cè)電極相連，用以輸出敏感元件的信號。
敏感元件的上表面面積小于加熱體的上表面面積。
所述片狀敏感元件的上表面為圓形、橢圓形或方形。
所述圓形片狀敏感元件的厚度小于1毫米，直徑為8.5毫米。
所述片狀敏感元件的內(nèi)外表面有參比電極和測量電極，參比電極通過小孔與環(huán)境大氣相接觸，測量電極與汽車尾氣相接觸。
所述測量電極的厚度為5-25微米，孔隙率為40-60％；參比電極的厚度為5-50微米，孔隙率為30-60％。
所述測量電極和參考電極為多孔金屬電極或氧化物電極。
在加熱體印有高溫電極的一側(cè)設(shè)有保護層或覆蓋有絕緣片。
所述加熱體為片狀結(jié)構(gòu)。
所述片狀加熱體的上表面為方形、臺形或錐形。
所述測量電極的表面設(shè)置有保護層。
本實用新型的技術(shù)效果是(1)氧傳感器成本低、靈敏度高、激活快。其原理是這樣的，本實用新型氧傳感器為片式氧傳感器，用氧化鋁陶瓷基片印刷電阻漿料、疊片，高溫共燒制備具有內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)的片狀陶瓷加熱體，用模壓法或流延法制備敏感元件，從而成本低廉，產(chǎn)品一致性高，裝配簡單，且敏感元件與加熱體由高溫密封材料連為一體結(jié)構(gòu)，加熱體的熱量直接傳導到敏感元件上，熱效率高，尤其在高溫狀態(tài)下，用老式筒形傳感器一半的耗電量就可以加熱傳感元件。此外，敏感元件的厚度小于1毫米，直徑為8.5毫米，相對于氧化鋯陶瓷管來說質(zhì)量小、厚度薄，即氧傳感器的總?cè)萘枯^小，可縮短發(fā)動機啟動后至氧傳感器激活的等待時間。圖3是本實用新型氧傳感器與管式氧傳感器升溫激活時間的對比關(guān)系圖，從圖中也可以看出，氧傳感器激活的等待時間明顯比管式氧傳感器短。
(2)對氧傳感器主體的機械強度要求低。敏感元件的面積小、厚度薄，所以對主體的機械強度要求低。
(3)工作壽命長。氧傳感器在加熱體印有高溫電極的一側(cè)設(shè)有保護層或覆蓋有絕緣片，該保護層和絕緣片覆蓋在加熱體印有高溫電極的一側(cè)，能保護電極免受高溫高速氣流的沖擊，延長了高溫電極的使用壽命，同時也起到保護信號輸出電極與金屬封裝本體的絕緣性能，且在測量電極表面也設(shè)置有陶瓷保護層，也延長了氧傳感器的使用壽命。

下面參照附圖結(jié)合實例對本實用新型作進一步詳細的說明圖1本實用新型氧傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本實用新型氧傳感器與管式氧傳感器升溫激活時間的對比關(guān)系圖。
具體實施方式圖1是本實用新型氧傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該氧傳感器由敏感元件1、加熱體2、絕緣片3和高溫電極4組成。加熱體2內(nèi)部設(shè)有空腔并在其一側(cè)設(shè)置有與空腔相連的小孔5，，敏感元件1一面通過小孔與加熱體2上的小孔5相接觸，用于與大氣環(huán)境相連，另一面與汽車尾氣接觸，用于采集環(huán)境大氣和汽車尾氣的參數(shù)，敏感元件1與加熱體2間的接縫采用熱膨脹系數(shù)和與敏感元件1與加熱體2材料相匹配的高溫材料密封連為一體結(jié)構(gòu)，可以使用微晶玻璃密封；高溫電極4為兩條，分別與敏感元件1的兩側(cè)電極相連，用以輸出敏感元件的信號，絕緣片3覆蓋在陶瓷加熱體2印有高溫電極4的一側(cè)。
圖2是本實用新型敏感元件結(jié)構(gòu)示意圖。敏感元件1為片狀結(jié)構(gòu)且在其內(nèi)外表面有參比電極7和測量電極6，敏感元件1的參比電極7與加熱體2上的小孔5相接觸，用于與大氣環(huán)境相連，測量電極6與汽車尾氣接觸，因為該側(cè)電極長期工作在高溫高速尾氣環(huán)境中，為了延長其使用壽命，在測量電極6表面制備有多孔陶瓷保護涂層。
在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，敏感元件1為氧化鈷圓形敏感元件，其直徑為8.5毫米，厚度小于1毫米；在氧化鈷圓形敏感元件的內(nèi)外表面設(shè)有參比電極7和測量電極6，其中測量電極6的厚度為5-25微米，孔隙率為40-60％；參比電極7的厚度為5-50微米，孔隙率為30-60％，參比電極7和測量電極6為多孔鉑電極，且在測量電極6表面設(shè)置有陶瓷保護層，材料為ZrO2-CaO-MgO-Al2O3；加熱體2為陶瓷加熱體；絕緣片3為氧化鋁陶瓷墊片。
在本實用新型氧傳感器的另一個優(yōu)選實施例中，參比電極7和測量電極6為多孔金屬氧化物電極。
在本實用新型的第三個優(yōu)選實施例中，采用多孔陶瓷涂層覆蓋在陶瓷加熱體2印有高溫電極4的一側(cè)，同時也起到保護信號輸出電極與金屬封裝本體的絕緣性能。
氧傳感器的具體制備方法如下具有內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)的片狀加熱體2可以由三層、四層或更多層陶瓷基片印刷電阻漿料高溫共燒而成，其內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)居中，形狀為長方體，寬和高分別是3mm和1mm，空腔結(jié)構(gòu)距加熱體封閉的前端的距離為1.5mm，在一側(cè)的表面上有一圓孔5與空腔結(jié)構(gòu)相連，圓孔5的圓心距封閉的加熱體2前端3mm。片式加熱體2前端的寬度小于10mm，可以是方形，臺形，錐形或者其它前端寬度小而后端寬度大的形式。圓形敏感元件1用模壓法制備氧化鋯，制備時，穩(wěn)定劑Y2O3的摩爾含量為5％～9％，燒結(jié)助劑摩爾含量為0.2％～1.0％。用鉑漿將氧化鈷圓形敏感元件1粘結(jié)在陶瓷加熱體的適當位置上烘烤，烘烤溫度為100～200℃，時間為15～120分鐘，烘烤完畢后進行電極燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500～1000℃，時間為15～120分鐘。然后用合適的高溫密封材料將圓片四周封閉，從而敏感元件1與加熱體2形成一體結(jié)構(gòu)，以保證高溫密封的效果，防止尾氣滲入?yún)⒈葰怏w中。氧化鋯圓形敏感元件1的信號通過印制在片狀陶瓷加熱體上的一組高溫電極引出。
當然氧傳感器還可以用如下方法制造帶空腔結(jié)構(gòu)的片式陶瓷加熱體2制備同上，用流延法制備釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷基片，基片的厚度為25～50微米，通過絲網(wǎng)印刷的方法在釔穩(wěn)定的氧化鋯基片一側(cè)印刷多孔鉑電極，進行烘烤，烘烤溫度為100～200℃，時間為15～120分鐘，接著在另一側(cè)印刷多孔鉑電極，同樣的條件進行烘烤，烘烤完畢后進行電極燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500～1000℃，時間為15～120分鐘，然后在一側(cè)的電極上印刷多孔陶瓷保護層，材料為ZrO2-CaO-MgO-Al2O3，干燥溫度為100～200℃，時間為15～120分鐘，然后進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000～1200℃，燒結(jié)時間為120分鐘，最后通過激光切割或者電弧切割將整片的氧化鋯陶瓷基片分割成所需形狀和大小的氧化鋯敏感元件1，本氧傳感器制造方法中氧化鋯敏感元件1的為邊長5mm的正方形，通過鉑電極漿將氧化鋯敏感元件1貼裝在帶空腔結(jié)構(gòu)的陶瓷加熱體2，氧化鋯敏感元件1的中心正對陶瓷加熱體2上的小孔5，參比電極7通過貼裝用的鉑漿與一條高溫電極相導通，用鉑漿將測量電極6與另一條高溫電極導通，最后用高溫密封材料將氧化鋯敏感元件1與陶瓷加熱體2的接縫四周密封，以防止尾氣滲入?yún)⒈葰怏w中。
圖3本實用新型氧傳感器與管式氧傳感器升溫激活時間的對比關(guān)系圖。圖中曲線1為片式氧傳感器升溫與激活時間的關(guān)系曲線，其靠近橫軸，曲線2為管式氧傳感器升溫與激活時間的關(guān)系曲線，遠離橫軸。該圖結(jié)果由發(fā)動機臺架試驗獲得，其中，排氣溫度為350℃，λ＝0.97。從圖中可以看出，氧傳感器激活的等待時間明顯比管式氧傳感器短。氧化鋯敏感元件尺寸相對于氧化鋯陶瓷管來說質(zhì)量小、厚度薄，所以升溫激活時間短，而且對氧傳感器主體的機械強度要求低，同時氧傳感器正常工作消耗的功率也小，管式結(jié)構(gòu)的氧傳感器的陶瓷加熱體冷態(tài)電阻為2.1Ω，而片式結(jié)構(gòu)氧傳感器所用陶瓷加熱體的冷態(tài)電阻為4Ω。
本實用新型的特點是，加熱器的熱量通過加熱體2直接傳導到敏感元件1上，所以熱效率很高。尤其高溫狀態(tài)下，用老式筒形傳感器一半的耗電量就可以加熱敏感元件。另外，因為氧傳感器的總?cè)萘勘容^小，所以可縮短發(fā)動機啟動后至氧傳感器激活的等待時間。當然敏感元件1還可以采取橢圓形、方形結(jié)構(gòu)或其它適用形狀。這樣的變換均落在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種氧傳感器，包括敏感元件(1)，其特征在于還包括加熱體(2)和高溫電極(4)，敏感元件(1)是片狀結(jié)構(gòu)，加熱體(2)內(nèi)部設(shè)置有空腔且在其一表面設(shè)有與空腔相連的小孔(5)，該敏感元件(1)一面通過小孔(5)與環(huán)境大氣相接觸，另一面與汽車尾氣相連，敏感元件(1)與加熱體(2)為一體結(jié)構(gòu)；高溫電極(4)與敏感元件(1)的兩側(cè)電極相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其特征在于所述片狀敏感元件(1)的上表面面積小于加熱體(2)的上表面面積。
3.按照權(quán)利要求2所述的氧傳感器，其特征在于所述片狀敏感元件(1)的上表面為圓形、橢圓形或方形。
4.按照權(quán)利要求3所述的氧傳感器，其特征在于所述圓形片狀敏感元件(1)的厚度小于1毫米，直徑為8.5毫米。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的氧傳感器，其特征在于在所述片狀敏感元件(1)的內(nèi)外表面設(shè)有測量電極(6)和參比電極(7)，參比電極(7)通過小孔(5)與環(huán)境大氣相接觸，測量電極(6)與汽車尾氣相接觸。
6.按照權(quán)利要求5所述的氧傳感器，其特征在于所述測量電極(6)和參比電極(7)為多孔金屬電極或氧化物電極。
7.按照權(quán)利要求6所述的氧傳感器，其特征在于所述測量電極(6)的厚度為5-25微米，孔隙率為40-60％；所述參比電極(7)的厚度為5-50微米，孔隙率為30-60％。
8.按照權(quán)利要求5所述的氧傳感器，其特征在于所述測量電極(6)的表面設(shè)有保護層(8)。
9.按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的氧傳感器，其特征在于所述加熱體(2)為片狀結(jié)構(gòu)。
10.按照權(quán)利要求9所述的氧傳感器，其特征在于所述片狀加熱體(2)的上表面為方形、臺形或錐形。
11.按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的氧傳感器，其特征在于在加熱體(2)印有高溫電極(4)的一側(cè)設(shè)有保護層或覆蓋有絕緣片(3)。
專利摘要本實用新型公開了一種氧傳感器，包括敏感元件，還包括加熱體和高溫電極，敏感元件是片狀結(jié)構(gòu)，加熱體內(nèi)部設(shè)置有空腔并在其一表面設(shè)置有與空腔相連的小孔，敏感元件一面通過小孔與環(huán)境大氣相接觸，另一面與汽車尾氣相連，敏感元件與加熱體為一體結(jié)構(gòu)；高溫電極與敏感元件的兩側(cè)電極相連，用以輸出敏感元件的信號，所述片狀敏感元件的內(nèi)外表面有參比電極和測量電極，參比電極通過小孔與環(huán)境大氣相接觸，測量電極與汽車尾氣相接觸。該氧傳感器成本低、靈敏度高、激活快、對氧傳感器主體的機械強度要求低且使用壽命長。
文檔編號G01N27/30GK2754099SQ20042010546
公開日2006年1月25日 申請日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者李春波, 聶堅, 成宏偉 申請人:比亞迪股份有限公司