專利名稱：氧傳感器以及包含該氧傳感器的內(nèi)燃機和運輸設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧傳感器，具體地涉及具有氧化物半導(dǎo)體層的電阻型氧傳感器。此外，本發(fā)明還涉及包含這種氧傳感器的內(nèi)燃機和運輸設(shè)備。
背景技術(shù)：
從環(huán)境問題和能源問題的觀點看，人們希望提高內(nèi)燃機的運行里程，并減少包含在從內(nèi)燃機排出的排氣中的受規(guī)制物質(zhì)(例如NOx)的排放量。為了滿足這些需求，必須根據(jù)燃燒狀態(tài)適當?shù)乜刂迫剂虾涂諝庵g的比率，從而始終在最佳條件下進行燃料燃燒?？諝馀c燃料的比率被稱作“空燃比”(A/F)。在采用三元催化劑的情況下，最佳空燃比為理論空燃比?！袄碚摽杖急取笔鞘箍諝夂腿剂险贸浞秩紵目杖急?。
當燃料在理論空燃比下燃燒時，在排氣中包含一定量的氧。當空燃比小于理論空燃比(即燃料濃度較高)時，與在理論空燃比下相比，排氣中的氧含量減少。另一方面，當空燃比大于理論空燃比(即燃料濃度較低)時，排氣中的氧含量增加。因此，通過測量排氣中的氧含量或氧濃度，可估計空燃比相對于理論空燃比的偏差程度。這使得可調(diào)節(jié)空燃比并控制燃料燃燒在最佳條件下進行。
作為用于測量排氣中氧濃度的氧傳感器，已知如日本專利特開No.8-114571所公開的包括固體電解質(zhì)的氧傳感器和如日本專利特開No.5-18921所公開的電阻型氧傳感器。
包括固體電解質(zhì)的氧傳感器通過將基準電極和測量電極之間的氧分壓之差作為電動勢進行測量而測量氧濃度。因此，在這種類型的氧傳感器中，必須將測量電極和基準電極分別暴露在排氣和空氣中。這使氧傳感器本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，也使可用于將氧傳感器附裝在排氣管上的任意結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也使得難以減小氧傳感器的尺寸。
另一方面，電阻型氧傳感器檢測設(shè)置成與排氣接觸的氧化物半導(dǎo)體層的電阻率的變化。當排氣中的氧分壓變化時，氧化物半導(dǎo)體層中的氧空位濃度發(fā)生波動，由此引起氧化物半導(dǎo)體層的電阻率的變化。因此，通過檢測電阻率的這種變化可測量氧濃度。由于電阻型氧傳感器不需要基準電極，所以可簡化氧傳感器本身的結(jié)構(gòu)。此外，可用于將氧傳感器附裝在排氣管上的結(jié)構(gòu)也可得到簡化。
作為用于電阻型氧傳感器的氧化物半導(dǎo)體，就耐久性和穩(wěn)定性而言氧化鈰被認為是有使用前景的。如在日本專利特開No.2003-149189中所公開，通過確保包含在氧化物半導(dǎo)體層中的氧化鈰微粒具有200nm或更小的平均粒度，可改善采用氧化鈰的電阻型氧傳感器的反應(yīng)性/靈敏性。
如在日本專利特開No.2004-93547中所公開，可在包含鈰的氧化物中添加鋯，由此可提高氧化物半導(dǎo)體層的電子傳導(dǎo)率。這增大了氧傳感器的輸出的氧分壓依存性，由此使得檢測精度提高。
但是，由于近年來對環(huán)境問題的關(guān)注程度增加，人們希望以更高的精度來檢測氧濃度。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題而作出本發(fā)明，其目的是提高采用含鈰氧化物的電阻型氧傳感器的檢測精度。
根據(jù)本發(fā)明的氧傳感器是電阻型氧傳感器，包括氧化物半導(dǎo)體層；和用于檢測所述氧化物半導(dǎo)體層的電阻率的檢測電極，其中，所述氧化物半導(dǎo)體層包括由含鈰氧化物形成的氧化物半導(dǎo)體粒子；并且所述氧化物半導(dǎo)體粒子具有在小于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第一尖峰/峰值以及在大于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第二尖峰的粒度分布。由此可實現(xiàn)上述目的。
在一優(yōu)選實施例中，所述第一尖峰處在等于或小于0.8μm的粒度范圍內(nèi)。
在一優(yōu)選實施例中，所述第一尖峰處在等于或小于0.4μm的粒度范圍內(nèi)。
在一優(yōu)選實施例中，所述第二尖峰處在等于或大于1.5μm的粒度范圍內(nèi)。
在一優(yōu)選實施例中，所述第二尖峰處在等于或大于2.0μm的粒度范圍內(nèi)。
在一優(yōu)選實施例中，形成所述氧化物半導(dǎo)體粒子的所述氧化物還包含鋯。
根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機包括具有上述結(jié)構(gòu)的氧傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的運輸設(shè)備包括具有上述結(jié)構(gòu)的內(nèi)燃機。
根據(jù)本發(fā)明的氧傳感器是包括氧化物半導(dǎo)體層的電阻型氧傳感器，所述氧化物半導(dǎo)體層包括由含鈰氧化物形成的氧化物半導(dǎo)體粒子。在根據(jù)本發(fā)明的氧傳感器中，包括在氧化物半導(dǎo)體層中的氧化物半導(dǎo)體粒子具有在小于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第一尖峰以及在大于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第二尖峰的粒度分布。結(jié)果，當處在氧分壓低的氣氛中(即富燃料側(cè))時氧化物半導(dǎo)體層的電阻率減小，從而傳感器輸出具有更大的氧分壓依存性。由此提高了檢測精度。
從下面參照附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細說明中可更清楚地看到本發(fā)明的其它特征、要素、過程、步驟、特性和優(yōu)點。


圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例的氧傳感器10的分解透視圖。
圖2是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例的氧傳感器10的剖視圖。
圖3是示出當氧化物半導(dǎo)體粒子的粒度分布變化時lambda/拉姆達值(λ)和傳感器輸出(氧化物半導(dǎo)體層的電阻率)之間的關(guān)系的曲線圖，其中縱軸是對數(shù)坐標軸。
圖4是示出當氧化物半導(dǎo)體粒子的粒度分布變化時lambda(λ)和傳感器輸出(氧化物半導(dǎo)體層的電阻率)之間的關(guān)系的曲線圖，其中縱軸是對數(shù)坐標軸。
圖5是示出示例1以及比較示例1和3中的氧化物半導(dǎo)體粒子的粒度分布的曲線圖。
圖6是示出示例1和3以及比較示例3中的氧化物半導(dǎo)體粒子的粒度分布的曲線圖。
圖7是示出示例5和6中的氧化物半導(dǎo)體粒子的粒度分布的曲線圖。
圖8是示出示例7和8中的氧化物半導(dǎo)體粒子的粒度分布的曲線圖。
圖9是示出關(guān)于示例1和2以及比較示例1和3的每一個的氧化物半導(dǎo)體層表面的顯微照片和氧化物半導(dǎo)體層表面的三維構(gòu)型的圖示。
圖10A和10B是示意性地示出用于將氧傳感器10附裝在排氣管上的結(jié)構(gòu)的透視圖，其中圖10A示出未裝上保護罩，而圖10B示出裝上了保護罩。
圖11是示意性地示出用于將氧傳感器10附裝在排氣管上的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖12是示意性地示出包含氧傳感器10的例示性摩托車的圖示。
圖13是示意性地示出圖12所示的摩托車中的發(fā)動機的控制系統(tǒng)的圖示。
圖14是示出用于氧傳感器10的例示性控制流程的流程圖。
具體實施例方式
下面將參照

本發(fā)明的優(yōu)選實施例。應(yīng)當指出本發(fā)明不限于以下實施例。
首先參照圖1和2對根據(jù)本實施例的氧傳感器10的結(jié)構(gòu)進行說明。圖1和2分別是示意性地示出氧傳感器10的分解透視圖和剖視圖。如圖1和2所示，氧傳感器10是具有氧化物半導(dǎo)體層11和用于檢測氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率的檢測電極12的電阻型氧傳感器。
氧化物半導(dǎo)體層11和檢測電極12由基板13支承?；?3由絕緣體例如氧化鋁或氧化鎂形成?；?3具有彼此相對的主面13a和背面13b，氧化物半導(dǎo)體層11和檢測電極12設(shè)置在主面13a上。
如圖2中局部放大所示，氧化物半導(dǎo)體層11包括由含鈰氧化物形成的氧化物半導(dǎo)體粒子11a。具有多孔結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體層11根據(jù)氣氛中的氧分壓而釋放或吸收氧。這導(dǎo)致氧化物半導(dǎo)體層11中的氧濃度的變化，進而導(dǎo)致氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率的變化。通過用檢測電極12測量電阻率的這種變化，可檢測氧濃度。
氧化物半導(dǎo)體層11可通過例如使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)涂布含有氧化物半導(dǎo)體粉末的泥漿并隨后焙燒該泥漿而形成。可例如使用氧化鈰或氧化鈰和氧化鋯的復(fù)合物作為形成氧化物半導(dǎo)體粒子11a的氧化物。通過使用除鈰之外還包含鋯的氧化物，如在前面提到的日本專利特開No.2004-93547中所述，可獲得提高的檢測精度。典型的氧化物半導(dǎo)體層11主要包括氧化鈰(即不少于50mol％的氧化鈰)。
雖然未在圖中示出，但在氧化物半導(dǎo)體層11上設(shè)有催化劑層。催化劑層包括催化金屬和用于保持該催化金屬的載體。由于催化金屬的催化作用，除待檢測氣體(即氧氣)以外的至少一種物質(zhì)被分解。具體地，可能對氧化物半導(dǎo)體層11的氧檢測產(chǎn)生不利影響的任意氣體或微粒(例如未完全燃燒的碳氫化合物，碳和氮氧化物)被分解，防止了這些氣體或微粒附著在氧化物半導(dǎo)體層11上?？衫缡褂勉K作為催化金屬。作為載體適于使用陶瓷材料。
檢測電極12由導(dǎo)電材料形成，例如金屬材料，如鉑、鉑銠合金或金。優(yōu)選地，檢測電極12成形為梳齒形狀以便能夠有效地測量氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率變化。
在基板13的背面13b側(cè)設(shè)有用于升高氧化物半導(dǎo)體層11的溫度的加熱器14。在本實施例中，加熱器14是利用電阻損耗進行加熱的電阻加熱型加熱裝置。當在從加熱器14伸出的電極14a上加載電壓時，在以預(yù)定形狀形成的加熱元件中有電流流過，由此加熱元件發(fā)熱。熱量經(jīng)由基板13傳導(dǎo)到氧化物半導(dǎo)體層11。加熱元件常常由金屬材料形成。通過用加熱器14升高氧化物半導(dǎo)體層11的溫度，氧化物半導(dǎo)體層11可在內(nèi)燃機起動時快速地被活性化。
本實施例的氧化物半導(dǎo)體層11中的氧化物半導(dǎo)體粒子11a具有分別在(多個)預(yù)定范圍內(nèi)存在多個尖峰的粒度分布。具體地，氧化物半導(dǎo)體粒子11a的粒度分布具有處在小于1μm的粒度范圍內(nèi)的第一尖峰和處在大于1μm的粒度范圍內(nèi)的第二尖峰。由于氧化物半導(dǎo)體粒子11a具有這種粒度分布，所以可獲得良好的檢測精度。其原因?qū)⒄f明如下。
為了提高電阻型氧傳感器的檢測精度，本發(fā)明人進行了各種研究并發(fā)現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象，即通過使由含鈰氧化物形成的氧化物半導(dǎo)體粒子具有上述粒度分布，氧化物半導(dǎo)體層的電阻率會減小。傳統(tǒng)上已知，如在日本專利特開No.2003-149189中所述，通過對氧化物半導(dǎo)體粒子規(guī)定非常小的平均粒度，例如200nm或更小，可改善氧傳感器的反應(yīng)性。另一方面，根據(jù)本實施例，已確保氧化物半導(dǎo)體粒子11a的粒度分布具有多個尖峰，使得尖峰不僅存在于小于1μm的粒度范圍內(nèi)，而且還有意地存在于大于1μm的粒度范圍內(nèi)。
表1和圖3示出針對實際的試驗型氧傳感器10對氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率(即傳感器輸出)進行測量的結(jié)果，其中使氧化物半導(dǎo)體粒子11a的粒度分布發(fā)生變化。在此處所示的示例中，制備了兩種分別包含中值粒徑(D50)為0.15μm和1.5μm的氧化鈰-氧化鋯粉末的泥漿(“泥漿I”和“泥漿II”)，并改變泥漿I和泥漿II之間的混合比率，由此改變總體的粒度分布。泥漿I和泥漿II包含作為溶劑的α-萜品醇和作為有機粘合劑的乙基纖維素型樹脂。氧化物半導(dǎo)體層11在焙燒后具有10μm的厚度。應(yīng)當指出，圖3中的橫軸上所示的lambda(λ)是表征實際空燃比與理論空燃比的偏差程度的值，其由如下公式表示λ＝(供給的空氣量)/(理論上所需的空氣量)。當λ＝1時(即曲線圖的中央)，空燃比等于理論空燃比。另一方面，當λ＜1時(即曲線圖的左側(cè))，供給的空氣量不足，因此混合物濃稠(“濃”)。當λ＞1時(即曲線圖的右側(cè))，供給的空氣量過剩，因此混合物稀薄(“稀”)。


Ex.示例CE.比較示例參照圖3，比較示例1(其中只使用泥漿I)和比較示例2(其中只使用泥漿II)之間的對比示出氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率隨氧化鈰-氧化鋯粉末粒度的減小而減小。此外，在比較示例3(其中使用包含中值粒徑(D50)為2μm的氧化鈰-氧化鋯粉末的泥漿)中，氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率從比較示例1和比較示例2的電阻率進一步增大，并且濃區(qū)域內(nèi)的電阻率和稀區(qū)域內(nèi)的電阻率之間的差異(gap)與比較示例1和2相比減小。為了適當?shù)貦z測出氧濃度，優(yōu)選具有電阻率差異的兩個或多個數(shù)量級。因此，對于比較示例3而言難以適當?shù)貦z測氧濃度。
另一方面，對于使用了泥漿I和泥漿II兩者的示例1、2和3，盡管與比較示例1相比使用了平均粒度更大的氧化鈰-氧化鋯粉末，但是氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率與比較示例1相比減小，其中濃區(qū)域內(nèi)的電阻率有特別大的減小。
表2和圖4示出實際的試驗型氧傳感器10中的傳感器輸出測量的其它結(jié)果。


如從表2可見，在上述示例(示例4至8)中，通過在使泥漿I和泥漿II之間的混合比率保持恒定的同時改變包含在泥漿I和泥漿II中的相應(yīng)氧化鈰-氧化鋯粉末的粒度而改變粒度分布。如從圖4可見，示例4至8(其中使用泥漿I和泥漿II兩者)中的氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率也減小，其中濃區(qū)域內(nèi)的電阻率有特別大的減小。
圖5至8示出示例1、3和5至8以及比較示例1和3中的氧化物半導(dǎo)體粒子11a的粒度分布。圖5至8的粒度分布示出通過使用激光衍射/散射型粒度分布分析儀LA-920(由HORIBA，Ltd.制造)測量的按體積基準的分布。應(yīng)當指出此處所示的粒度分布是在焙燒泥漿前獲得的；但是，焙燒幾乎不引起任何顆粒生長，粒度分布在焙燒后不會有大的變化。
如圖5所示，比較示例1示出0.15μm(150nm)的粒度附近的尖峰，而比較示例3示出1.5μm的粒度附近的尖峰。另一方面，示例1示出分別在0.25μm的粒度附近和2.5μm的粒度附近的第一尖峰和第二尖峰；即，一個尖峰處在小于1μm的粒度范圍內(nèi)，而另一個尖峰處在大于1μm的粒度范圍內(nèi)。此外，如圖6至8所示，示例3和5至8也示出處在小于1μm的粒度范圍內(nèi)的一個尖峰和處在大于1μm的粒度范圍內(nèi)的另一個尖峰。由于氧化物半導(dǎo)體粒子11a具有這樣的粒度分布，所以濃區(qū)域內(nèi)的氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率大大減小，同樣如圖3和4所示。結(jié)果，傳感器輸出具有大的氧分壓依存性，由此提高了檢測精度。
在氧化物半導(dǎo)體粒子11a具有上述粒度分布時氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率減小的可能原因是，通過混合粒度較小的粉末和粒度較大的粉末，泥漿的流動性有所提高，使得通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)形成膜更加容易，由此可形成更致密的氧化物半導(dǎo)體層11。
表1和表2也示出通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)形成的氧化物半導(dǎo)體層11的表面上的凹凸程度的評價結(jié)果，其用“印刷性”來表示。具體地，使用超深輪廓測量顯微鏡(由KEYENCE CORPORATION制造的VK-8550)來觀察通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)形成的膜(氧化物半導(dǎo)體層11)。那些網(wǎng)孔痕跡留在膜上由此產(chǎn)生包括島狀斑點的裂斷膜的示例用“×”表示，而那些產(chǎn)生連續(xù)膜的示例用“○”表示。如表1和2所示，在只使用了泥漿I(包含小粒度粉末)的比較示例1中印刷性低，而在組合使用了泥漿I和泥漿II的示例1至8中印刷性高。
圖9示出關(guān)于示例1和2以及比較示例1和3的每一個的氧化物半導(dǎo)體層11的表面的顯微照片和氧化物半導(dǎo)體層11的表面的三維構(gòu)型(通過由KEYENCE CORPORATION制造的超深輪廓測量顯微鏡VK-8550來測量)。如圖9所示，在比較示例1中，在氧化物半導(dǎo)體層11的表面上存在顯著的凹凸不平，表明印刷性低。另一方面，在示例1和2中，在氧化物半導(dǎo)體層11的表面上不存在顯著的凹凸不平，表明印刷性高。應(yīng)當指出，在比較示例3中在氧化物半導(dǎo)體層11的表面上也不存在顯著的凹凸不平，因此比較示例3示出不那么低的印刷性。但是，還如表1所示，比較示例3的氧化物半導(dǎo)體層11具有高的電阻率和小的電阻率差異，這會妨礙適當?shù)貦z測氧濃度。
應(yīng)當指出，在本實施例中，在氧化物半導(dǎo)體層11中是有意包含粗糙的(即具有大的粒度)氧化物半導(dǎo)體粒子11a的，這會使具有多孔結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體層11的表面積有一些減?。坏?，這不會延緩氧傳感器10的反應(yīng)時間。這可能是由于反應(yīng)時間并非像依賴設(shè)置在氧化物半導(dǎo)體層11上的催化劑層的厚度和/或孔隙度(即反應(yīng)時間“受制于(bottlenecked)”催化劑層)那樣如此多地依賴氧化物半導(dǎo)體層11的表面積。表3示出關(guān)于示例1和比較示例3的催化劑層的厚度和反應(yīng)時間。如此處所用，反應(yīng)時間是指自周圍氣體從濃狀態(tài)(其中燃料濃度高于理論空燃比)轉(zhuǎn)變成稀狀態(tài)(其中氧濃度高于理論空燃比)或從稀狀態(tài)轉(zhuǎn)變成濃狀態(tài)開始直到氧化物半導(dǎo)體層11的電阻率相應(yīng)發(fā)生變化為止所逝去的時間段。如表3所示，假定催化劑層的厚度相同，則反應(yīng)時間基本相同。


此外，盡管本實施例闡述了通過印刷技術(shù)形成氧化物半導(dǎo)體層11的情況，但是氧化物半導(dǎo)體層11也可通過除印刷技術(shù)之外的任意其它技術(shù)形成。即使在使用其它技術(shù)例如浸漬技術(shù)涂布泥漿的情況下，也可如本實施例中那樣通過混合兩種具有不同粉末粒度的泥漿來提高泥漿的流動性，由此可形成致密的氧化物半導(dǎo)體層11(即提高了氧化物半導(dǎo)體層11的成形性)。因此，可獲得類似的效果。
應(yīng)當理解，氧化物半導(dǎo)體層11的優(yōu)選粒度分布不限于在圖5至8中例示出的那些，只要在小于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第一尖峰并且在大于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第二尖峰即可。
從提高檢測精度的觀點來說，第一尖峰優(yōu)選處在等于或小于0.8μm的粒度范圍內(nèi)(例如像在示例1、3和5至8中那樣)，并且更優(yōu)選地處在等于或小于0.4μm的粒度范圍內(nèi)(例如像在示例1、3、5和6中那樣)。從充分提高泥漿的流動性以改善印刷性(成形性)的觀點來說，第二尖峰優(yōu)選處在等于或大于1.5μm的粒度范圍內(nèi)(例如像在示例1、3和5至8中那樣)，并且更優(yōu)選地處在等于或大于2.0μm的粒度范圍內(nèi)(例如像在示例1、3、5、7和8中那樣)。
應(yīng)當指出，如果氧化物半導(dǎo)體粒子11a的粒度過小，則粒子之間的結(jié)合力變大并且泥漿的流動性降低，由此使得成形困難。如果氧化物半導(dǎo)體粒子11a的粒度過大，則在熱處理期間在粒子之間可能無法發(fā)生充分的燒結(jié)，由此導(dǎo)致膜的機械強度降低并使粒子分離。因此，第一尖峰優(yōu)選處在等于或大于0.05μm的粒度范圍內(nèi)，并且第二尖峰優(yōu)選處在等于或小于10μm的粒度范圍內(nèi)。
此外，從提高檢測精度的觀點和印刷性(成形性)的觀點來看，第一尖峰所存在處的粒度S1和第二尖峰所存在處的粒度S2之間的差S2-S1優(yōu)選等于或大于2μm，或者S2和S1之間的比率S2/S1優(yōu)選等于或大于7。
本實施例的氧傳感器10例如可用以下方式制造。
首先，提供基板13?；?3具有絕緣表面，并優(yōu)選具有耐熱性，使得它在后面的過程中進行的熱處理的溫度下或在使用氧傳感器10的溫度下基本不發(fā)生變形等。在上述示例中，使用氧化鋁作為基板13的材料。
然后，在基板13的主面13a上形成檢測電極12。檢測電極12由可導(dǎo)電的并具有與基板13類似的耐熱性的材料制成。作為用于形成電極12的方法，例如可采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)。在所述示例中，在通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在主面13a上涂布了鉑糊漿之后進行焙燒，由此形成檢測電極12。
然后，形成氧化物半導(dǎo)體層11以覆蓋檢測電極12。具體地，首先制備兩種包含氧化物半導(dǎo)體粒子11a的泥漿，使得包含在一種泥漿中的氧化物半導(dǎo)體粒子11a的粒度與包含在另一種泥漿中的氧化物半導(dǎo)體粒子11a的粒度不同。
然后，在以預(yù)定比率混合這些泥漿后，將它們涂布在基板13的主面13a上以覆蓋檢測電極12，隨后進行焙燒，由此形成具有多孔結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體層11。作為涂布泥漿的方法，可采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)或浸漬技術(shù)。
在上述示例中，氧化鈰-氧化鋯粉末被用作氧化物半導(dǎo)體粒子11a。氧化鈰-氧化鋯粉末是主成分為鈰并且添加有20mol％的鋯的復(fù)合氧化物粉末(用化學(xué)式Ce0.8Zr0.2O2-δ表示)。
除了如上所述在基板13的主面13a上形成檢測電極12和氧化物半導(dǎo)體層11之外，還在基板13的背面13b上形成加熱器14。作為加熱器14的材料，也可使用金屬材料，例如鉑或鎢。此外，也可使用非金屬材料，例如可使用氧化物導(dǎo)體如氧化錸。作為用于形成加熱器14的方法，適于使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)。氧傳感器10可用上述方式制造出來。
下面，參照圖10A和10B以及圖11，對用于將氧傳感器10實際附裝在內(nèi)燃機的排氣管上的結(jié)構(gòu)進行說明。
如圖10A和11所示，氧傳感器10在其基端由第一殼體20保持。第一殼體20例如是由陶瓷材料制成的陶瓷引導(dǎo)件。此外，帶有氧傳感器10的第一殼體20由第二殼體21保持就位。第二殼體21例如是由不銹鋼制成的金屬殼體。第二殼體21的表面具有螺紋，并且第二殼體21通過與所述螺紋部接合的螺母22附裝在排氣管上。
在實際應(yīng)用中，如圖10B所示，一保護罩25設(shè)置成蓋住氧傳感器10。氧傳感器10的檢測結(jié)果經(jīng)由檢測線24輸出到控制裝置。第一殼體20的內(nèi)部通過使用填充物(例如滑石粉)23以氣密方式密封。
下面對包含根據(jù)本實施例的氧傳感器10并采用內(nèi)燃機作為驅(qū)動源的車輛進行說明。圖12示意性地示出包含氧傳感器10的摩托車300。
如圖12所示，摩托車300包括車體框架301和發(fā)動機(內(nèi)燃機)100。在車體框架301的前端設(shè)有頭管302。前叉303在頭管302上附裝成能夠在左右方向上擺動。在前叉303的下端，前輪304被支承成能夠轉(zhuǎn)動。方向把305附裝在頭管302的上端。
座軌306在車體框架301后端的上部附裝成朝后方延伸。在車體框架301上方設(shè)有燃料箱307，在座軌306上設(shè)有主車座308a和串列車座308b。此外，在車體框架301的后端附裝有朝后方延伸的后臂309。在后臂309的后端，后輪310被支承成能夠轉(zhuǎn)動。
發(fā)動機100保持在車體框架301的中部。在發(fā)動機100的前方設(shè)有散熱器311。發(fā)動機100的排氣口連接有排氣管312。如下面將要詳細說明，在排氣管上設(shè)有氧傳感器10、三元系催化劑104和消音器106(按照與發(fā)動機100的距離增加的順序)。氧傳感器10的頂端暴露在排氣管312內(nèi)的供排氣通過的通路中。這樣，氧傳感器10檢測排氣內(nèi)的氧。氧傳感器10具有附裝在其上的如圖1所示的加熱器14等。隨著在發(fā)動機100起動時加熱器14使氧化物半導(dǎo)體層11的溫度升高(例如在5秒鐘內(nèi)升高到700℃)，氧化物半導(dǎo)體層11的檢測靈敏度提高。
發(fā)動機100上連接有變速器315。在變速器315的輸出軸316上附裝有驅(qū)動鏈輪317。驅(qū)動鏈輪317經(jīng)由鏈條318連接到后輪310的后輪鏈輪319。
圖13示出發(fā)動機100的控制系統(tǒng)的主要組成元件。在發(fā)動機100的氣缸101上設(shè)有進氣門110、排氣門106和火花塞108。另外還設(shè)有用于測量冷卻發(fā)動機的冷卻水的水溫的水溫傳感器116。進氣門110連接至具有空氣進口的進氣歧管122。在進氣歧管122上設(shè)有空氣流量計112、用于節(jié)氣門的節(jié)氣門傳感器114和燃料噴射器111。
空氣流量計112、節(jié)氣門傳感器114、燃料噴射器111、水溫傳感器116、火花塞108和氧傳感器10連接至作為控制部分的計算機118。表示摩托車300的速度的車速信號120也輸入至計算機118。
當騎乘者使用自動起動電機(未示出)起動發(fā)動機100時，計算機118基于從空氣流量計112、節(jié)氣門傳感器114和水溫傳感器116獲得的檢測信號和車速信號120計算最佳燃料量，并基于計算結(jié)果向燃料噴射器111輸出控制信號。從燃料噴射器111噴射的燃料與從進氣歧管122供給的空氣混合，并經(jīng)由根據(jù)適當?shù)恼龝r開啟或關(guān)閉的進氣門110噴射到氣缸101中。噴射到氣缸101中的燃料燃燒變成排氣，該排氣經(jīng)由排氣門106導(dǎo)入排氣管312。
氧傳感器10檢測排氣中的氧，并向計算機118輸出檢測信號。基于來自氧傳感器10的信號，計算機118確定空燃比與理想空燃比的偏差量。然后，相對于從由空氣流量計112和節(jié)氣門傳感器114獲得的信號而已知的空氣量將從燃料噴射器111噴射的燃料量控制成達到理想空燃比。這樣，包括氧傳感器10和與氧傳感器10相連的計算機(控制部分)118的空燃比控制器適當?shù)乜刂苾?nèi)燃機的空燃比。
圖14示出用于氧傳感器10的加熱器14的控制流程。當發(fā)動機100起動并且主開關(guān)置于ON(打開)狀態(tài)(步驟S1)時，加熱器14開始通電(步驟S2)。然后，檢測加熱器14的溫度(步驟S3)，并且確定加熱器14的溫度是否低于一設(shè)定溫度(步驟S4)。對加熱器14溫度的檢測可通過利用加熱器14的電阻值根據(jù)溫度而變化這一事實并檢測加熱器14中流過的電流來進行。如果加熱器14的溫度低于設(shè)定溫度，則加熱器14繼續(xù)通電(步驟S2)。另一方面，如果加熱器14的溫度等于或高于設(shè)定溫度，則加熱器14的通電停止一定長的時間(步驟S5)，并且在使加熱器14重新開始通電后(步驟S2)，檢測加熱器14的溫度(步驟S3)。通過這樣的控制流程，加熱器14的溫度得以保持恒定。
在包含本實施例的氧傳感器10的摩托車300中，在發(fā)動機100起動后，排氣中的氧濃度及其變化能以良好的檢測精度被檢測出來。這保證了即使在起動時燃料和空氣也以適當?shù)目杖急缺换旌?，并且允許燃料在最佳條件下燃燒，由此可降低排氣中的受規(guī)制物質(zhì)(例如NOx)的濃度。還可獲得提高的運行里程。
盡管以摩托車為例進行了闡述，但是本發(fā)明也適用于其它任何運輸設(shè)備，例如四輪汽車。此外，內(nèi)燃機不限于汽油機，而是也可為柴油機。
根據(jù)本發(fā)明，采用含鈰氧化物的電阻型氧傳感器的檢測精度可得到提高。
根據(jù)本發(fā)明的氧傳感器具有很高的檢測精度，并因此適合用在各種運輸設(shè)備如轎車、公共汽車、卡車、輕便摩托車、拖拉機、飛機、機動船、土木工程用車輛等的內(nèi)燃機中。
盡管針對優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然能以多種方式對所公開的本發(fā)明進行修改，并且可采用除上文中詳細所述的實施例以外的其它多種實施例。因此，處在本發(fā)明的真正精神和范圍內(nèi)的本發(fā)明所有變型由所附權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種電阻型氧傳感器，包括氧化物半導(dǎo)體層；以及用于檢測所述氧化物半導(dǎo)體層的電阻率的檢測電極，其中，所述氧化物半導(dǎo)體層包括由含鈰氧化物形成的氧化物半導(dǎo)體粒子；并且所述氧化物半導(dǎo)體粒子具有在小于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第一尖峰以及在大于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第二尖峰的粒度分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其特征在于，所述第一尖峰處在等于或小于0.8μm的粒度范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其特征在于，所述第一尖峰處在等于或小于0.4μm的粒度范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其特征在于，所述第二尖峰處在等于或大于1.5μm的粒度范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其特征在于，所述第二尖峰處在等于或大于2.0μm的粒度范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其特征在于，形成所述氧化物半導(dǎo)體粒子的所述氧化物還包含鋯。
7.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器的內(nèi)燃機。
8.一種包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機的運輸設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及氧傳感器以及包含該氧傳感器的內(nèi)燃機和運輸設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的氧傳感器為電阻型氧傳感器，包括氧化物半導(dǎo)體層；和用于檢測所述氧化物半導(dǎo)體層的電阻率的檢測電極。所述氧化物半導(dǎo)體層包括由含鈰氧化物形成的氧化物半導(dǎo)體粒子。所述氧化物半導(dǎo)體粒子具有在小于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第一尖峰以及在大于1μm的粒度范圍內(nèi)存在第二尖峰的粒度分布。
文檔編號G01N27/12GK101093208SQ20071011255
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者近藤光央 申請人:雅馬哈發(fā)動機株式會社