CN100348972C

CN100348972C - 电流型氧传感器

Info

Publication number: CN100348972C
Application number: CNB2005100513018A
Authority: CN
Inventors: 张跃; 石兴; 田莳; 王树彬
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: CN1645128A

Abstract

本发明公开了一种电流型氧传感器，由电解质层、扩散层、封装层和正、负极集电层构成，电解质层与扩散层通过共压成型后烧结在一起，正极集电层采用丝网印刷在电解质层的中心表面，负极集电层采用丝网印刷在扩散层的中心表面，封装层包覆在除正、负集电层边缘以外的电解质层和扩散层上。本发明氧传感器工作温度范围为400～700℃，工作时外加电压0.5～1V，可检测氧气浓度范围为1～30%，响应时间小于3秒，适用于汽车尾气中氧气浓度的测量。

Description

电流型氧传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体地说，是指一种用于测量汽车尾气中氧气浓度的电流型氧传感器。

背景技术

汽车氧传感器通过检测尾气中氧气浓度，由电控系统的反馈控制，实现调节汽车燃烧系统空气燃料比。这对于提高燃料利用率，降低污染气体的排放具有重要的意义。传统的电压型氧传感器为管式结构，检测范围窄，仅能检测理论空燃比附近的氧气浓度。而且由于结构上的原因，启动速度慢。

目前，在使用中的电流型氧传感器有小孔扩散与多孔陶瓷扩散层两种形式。由于长时间在工作环境中，存在小孔易堵塞，多孔陶瓷空隙大小会发生改变等问题，不能满足实际使用需要，而且生产工艺复杂，成本高。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有致密扩散层、气敏性能好的电流型氧传感器。该传感器具有宽范围检测功能，同时制造加工工艺简单、成本低廉。

本发明的一种电流型氧传感器，由电解质层、扩散层、封装层和正、负极集电层构成，电解质层与扩散层通过共压成型后烧结在一起，正极集电层采用丝网印刷在电解质层的中心表面，负极集电层采用丝网印刷在扩散层的中心表面，封装层包覆在除正、负集电层边缘以外的电解质层和扩散层上。所述的电解质层由YSZ陶瓷材料构成，所述的扩散层由LSM+YSZ复合陶瓷材料构成，封装层由玻璃材料构成。

所述的电流型氧传感器，其电解质层烧结厚度为0.5～1.5mm，扩散层烧结厚度为0.5～2mm，封装层封装厚度0.1～0.10mm。

所述的电流型氧传感器，其扩散层中LSM材料为La_1-xSr_xMnO₃(X＝0.2～0.4)，其扩散层中YSZ材料的含量为10～40％。

本发明电流型氧传感器具有高温400～700℃下工作信号稳定、可检测氧气浓度范围为1～30％(总压为一个大气压)，响应时间小于3秒，以及响应快速等优点。另外，由于其工艺简单，很容易实现工业化大规模生产。

附图说明

图1是本发明电流型氧传感器剖视图。

图2是本发明电流型氧传感器的V-I工作特性曲线图。

图3是本发明电流型氧传感器极限电流对氧气浓度的线性关系图。

图4是本发明电流型氧传感器响应时间曲线图。

图中：1.负极集电层 2.扩散层 3.封装层 4.电解质层 5.正极集电层

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种电流型氧传感器，由电解质层4、扩散层2、封装层3和正、负极集电层构成，电解质层4与扩散层2通过共压成型后烧结在一起，正极集电层5采用丝网印刷在电解质层4的中心表面，负极集电层1采用丝网印刷在扩散层2的中心表面，封装层3包覆在除正、负集电层边缘以外的电解质层4和扩散层2上。电解质层4由YSZ陶瓷材料构成，所述的扩散层2由LSM+YSZ复合陶瓷材料构成，封装层3是玻璃材料。YSZ是Y₂O₃稳定的ZrO₂的缩写，LSM是La_1-xSr_xMnO₃(X＝0.2～0.4)的缩写。

本发明的电流型氧传感器采用共压成型后烧结加工工艺进行制造。先将混合均匀的扩散层2的LSM+YSZ粉体均匀放入模具，并轻轻压出平面，再把电解质层4的YSZ粉体放入模具，进行共压成型(成型选用769YP-15A型压机)。成型后的坯体放入硅碳棒箱式高温炉中在1350℃～1450℃烧结，保温1～3小时(升温过程由日本SHIMADEN公司的FP21可编程智能仪表、高精度PID调节)。烧结完成，随炉冷却后，将烧结传感器陶瓷体取出，并在扩散层2的中心表面采用丝网印刷上多孔铂材料的负极集电层1，在电解质层4的中心表面采用丝网印刷上多孔铂材料的正极集电层5；最后，在温度1000℃下包覆封装层3玻璃材料(封装层3只包覆在除正、负集电层以外的电解质层4、扩散层2上)。在加工过程中通过合理调节扩散层中YSZ材料的用量及成型、烧结工艺可以实现两层烧结后接合紧密的电流型氧传感器。

在上述加工工艺中，扩散层2材料中YSZ的含量为10～40％。若加工制造一直径为10mm的电流型氧传感器，其扩散层2厚度可以为0.5～2mm，电解质层4厚度可以为0.5～1.5mm。正、负集电层采用200目丝网印刷得到，厚度可以为20μm，其中负极集电层1直径为4mm，正极集电层5直径为8mm。为了防止氧渗漏，传感器边缘涂覆了一玻璃材质的封装层3，扩散层2表面开口部分直径为6mm。

本发明电流型氧传感器的工作原理：扩散层2(LSM+YSZ复合陶瓷)是一种混合导体。它既是电流型氧传感器的阴极又是扩散阻挡层。首先，LSM+YSZ复合陶瓷是良好的电子导体。作为阴极，它与电解质层4、正极集电层5构成了氧泵。在一定外加电压下，氧离子在电解质层4内能够快速扩散。另外，扩散层2又具有一定氧离子导电性，环境中的氧吸附到它的表面后电离成为氧离子，氧离子在氧位差的驱动下，向电解质层4扩散。一定工作温度下，氧在扩散层2的LSM材料中的扩散系数为常数。当加在电流型氧传感器两端的电压超过1V时，阴极上氧原子得到电子的反应快于扩散过来的氧，电流就不再随电压增大明显增加，出现了电流平台。平台电流值又叫做极限电流(Limiting Current)。图2所示为600℃氧传感器的V-I工作特性曲线，图中可以看出在电压为0.5～0.7V时出现电流平台。一定氧气浓度范围内(此氧气浓度与工作温度相关)，极限电流值与环境中的氧气浓度成正比，如图3所示600℃氧传感器极限电流对氧气浓度的线性关系。根据氧传感器极限电流值可以实时监测汽车尾气中氧气的浓度大小，所以汽车电控系统就能够及时调节发动机空燃比，达到提高燃料利用率，降低污染气体排放的目的。

本发明电流型氧传感器在实际工作中需要有专用的发热体加热到400～700℃，并在其两个电极间施加0.5～1V外加电压，通过检测回路中的电流信号的大小就可以得到周围环境中的氧气浓度。图4所示为600℃，平台电压下，氧气浓度由0变为20％，传感器电流信号的变化。能够看出这种电流型氧传感器的响应速度很快。

Claims

1、一种电流型氧传感器，由电解质层、扩散层、封装层和正、负极集电层构成，其特征在于：电解质层(4)与扩散层(2)通过共压成型后烧结在一起，正极集电层(5)采用丝网印刷在电解质层(4)的中心表面，负极集电层(1)采用丝网印刷在扩散层(2)的中心表面，封装层(3)包覆在除正、负集电层边缘以外的电解质层(4)和扩散层(2)上；电解质层(4)由YSZ陶瓷材料构成，扩散层(2)由LSM+YSZ复合陶瓷材料构成，其中YSZ材料的含量为10～40％，封装层(3)由玻璃材料构成；电解质层(4)烧结厚度为0.5～1.5mm，扩散层(2)烧结厚度为0.5～2mm，封装层(3)封装厚度0.1～0.10mm。

2、根据权利要求1所述的电流型氧传感器，其特征在于：所述的电解质层(4)中心表面的正极集电层(5)的直径为5～8mm；所述的扩散层(2)中心表面的负极集电层(1)的直径2～4mm，正、负集电层为铂材料。

3、根据权利要求1所述的电流型氧传感器，其特征在于：氧传感器工作温度范围为400～700℃，工作时外加电压0.5～1V，可检测氧气浓度范围为1～30％，响应时间小于3秒。