CN100405050C - 一种芯片及其含有这种芯片的双向串联片式氧传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量汽车尾气中氧气浓度的双向串联片式氧传感器的芯片，它包括有：一极限电流型氧传感器(1)、一浓差电池型氧传感器(2)、一发热体(3)、一密封腔(4)、一空腔(5)，所述的极限电流型氧传感器(1)、浓差电池型氧传感器(2)、发热体(3)、密封腔(4)经等静压成型后烧结为一体。本发明还涉及这种双向串联片式氧传感器。本发明的芯片由极限电流型氧传感器、浓差电池型氧传感器等构成，集ZrO2电解质、多孔膜、发热体和多孔铂电极于一体，结构紧凑坚实，缩小体积，微型化，减少功耗，发热体能使氧传感器迅速达到工作温度，响应快。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种氧传感器的芯片，尤其是涉及一种用于测量汽车尾气中氧气浓度的双向串联片式氧传感器的芯片；本发明还涉及这种双向串联片式氧传感器。
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，实现调节汽车发动机空燃比。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，其制作工艺是：首先成型并烧成ZrO2基电解质基体，再涂烧Pt电极，在其上面进行等离子溅射或化学浸渍，并烧多孔层；其次，制作发热体元件。把二者组装在一起成氧传感器，由于ZrO2基电解质基体、铂电极、多孔层等是经过多次烧成工艺，制成管状元件，把二部分元件组合成氧传感器，其工艺繁琐，，达到工作温度时间长。检测范围较窄，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，ZrO2基电解质基体与铂电极是接触传热，响应慢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：提供一种双向串联片式氧传感器的芯片，该芯片结构紧凑坚实，体积微型化，功耗少，传热响应快，本发明所要解决的另一个技术问题是包含该芯片的双向串联片式氧传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
一种双向串联片式氧传感器的芯片，它包括有：
一极限电流型氧传感器，其由极限电流型氧传感器氧化锆电解质膜片的两个表面上各印制一个铂电极，再在一个铂电极上覆盖多孔膜构成；
一浓差电池型氧传感器，其由浓差电池型氧化锆电解质膜片的两个表面上各印制一个铂电极构成；
一发热体，其附在浓差电池型氧传感器的铂电极外部；
一密封腔，其位于所述的极限电流型传感器和浓差电池型传感器之间的三边；
一空腔，其由所述的极限电流型氧传感器、浓差电池型氧传感器及密封腔围成；
所述的极限电流型氧传感器、浓差电池型氧传感器、发热体、密封腔经等静压成型后烧结为一体。
本发明的所要解决的另一个问题技术所采用的技术方案：
一种双向串联片式氧传感器，它包括：
一上述的芯片；
一保护罩，其安装在所述的芯片的前端；
一后支撑体，其支撑在所述的芯片后端；
一前支撑体，其支撑在所述的保护罩和后支撑体之间；
一金属外壳，其经铆压位于前支撑体、后支撑体的外部；
一发热体引线，其连接所述芯片的发热体；
两信号线，其连接所述的芯片的铂电极。
所述的芯片的极限电流型氧传感器的铂电极和所述的浓差电池型氧传感器的铂电极之间双向串联于电子闭环控制电路。
本发明极限电流型氧传感器工作原理：利用ZrO2电解质氧泵的原理，当氧气通过多孔层，与Pt电极接触，电极处于负电位，氧气从多孔网状的铂电极产生电子交换，发生氧化还原反应，阴极上发生：O2+4e→2O2-，氧离子在电场作用下，在电解质中氧空位扩散传导，阳极上发生：2O2-→O2+4e。
上述传导过程，电流的大小(I)与电压(V)变化，电压上升，电流增大，电压上升到一定值时，由于多孔层透氧量的限制，电流处于饱和状态，即电压上升，而电流出现极限值，称之为极限电流。其表达式：
F--法拉第常数；
L--多孔膜中气孔的长度；
S--气孔的面积；
PO2--氧浓度差；
DO2--氧气的有效扩散系数。
多孔膜形成的气孔尺寸(S，L)适合电流-电压特性，透气量能够产生极限电流。
双向串联片式多层氧传感器的V-I特性测量电路中，汽车尾气的氧气经多孔膜，进入电解质，在电极电压的作用下，产生极限电流(IL)。而尾气氧浓度和参比气体氧浓度差，在电解质产生电动势。极限电流型氧传感器的多孔膜下的铂电极与浓差电池型氧化锆电解质膜片接触尾气的铂电极相连接。并把铂电极连接于电子闭环控制电路上。
本发明的有益效果：
1、由于本发明的双向串联氧传感氧传感器的芯片，由极限电流型氧传感器、浓差电池型氧传感器等构成，集ZrO2电解质、多孔膜、发热体和多孔铂电极于一体，结构紧凑坚实，缩小体积，微型化，减少功耗，发热体能使氧传感器迅速达到工作温度，响应快。
2、本发明的双向串联氧传感器能控制发动机A/F比，在λ＞1，即A/F比大，产生极限电流控制电子喷油系统。而λ＝1，即氧气浓度为0，则极限电流IL＝0，λ＜1，极限电流为负值，产生信号极微弱，会影响控制灵敏度。极限电流型氧传感器串联于浓差电池型氧传感器，连接电子控制闭环电路，浓差电动势补偿在λ＜1时微弱电流，浓差电池型氧化锆氧传感器克服λ＜1反馈控制信号弱的缺点。本发明的双向串联片式氧传感器在λ为0.6--1.6范围内极限电流与氧浓度成正比关系，工作温度300-900℃，测量电压在0.4-1.8V范围，可测量气体的氧浓度和用于汽车发动机电子控制喷油系统。
3、本发明双向串联氧传感器为片式多层结构，采用流延制膜技术，厚膜印刷技术，多层叠加、等静压等技术，适用片式多层元件现代生产线设备。
下面结合附图和具体实施例来详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明的双向串联片式氧传感器的芯片；
图2为本发明的双向串联片式氧传感器结构示意图；
图3为连结有电子闭环控制电路的双向串联片式多层氧传感器。
图中，1-极限电流型氧传感器，11-极限电流型氧传感器氧化锆电解质膜片，12-多孔膜，13-铂电极；2-浓差电池型氧传感器，21-信号线，22-浓差电池型氧化锆电解质膜片，23-铂电极；3-发热体；4-密封腔；5-空腔
具体实施方式
如图1所示，一种双向串联片式氧传感器的芯片，它包括有：
一极限电流型氧传感器1，其由极限电流型氧传感器氧化锆电解质膜片11的两个表面上各印制一个铂电极13，再在一个铂电极13上覆盖多孔膜12构成；
一浓差电池型氧传感器2，其由浓差电池型氧化锆电解质膜片22的两个表面上各印制一个铂电极23构成，
一发热体3，其附在浓差电池型氧传感器的铂电极23外部；
一密封腔4，其位于所述的极限电流型传感器1和浓差电池型传感器2之间的三边；
一空腔5，其由所述的极限电流型氧传感器1、浓差电池型氧传感器2及密封腔4围成；
所述的极限电流型氧传感器1、浓差电池型氧传感器2、发热体3、密封腔4经等静压成型后烧结为一体。
如图2所示，一种双向串联片式氧传感器，它包括：
一上述的芯片；
一电子闭环控制电路，其双串连所述的极限电流型氧传感器1的铂电极和所述的浓差电池型氧传感器2的铂电极；
一保护罩8，其安装在所述的芯片的前端；
一后支撑体7，其支撑在所述的芯片后端；
一前支撑体9，其支撑在所述的保护罩8和后支撑体7之间；
一金属外壳6，其经铆压位于前支撑体9、后支撑体7的外部；
一发热体引线31，其连接所述芯片的发热体3；
两信号线21，其连接所述的芯片的铂电极23。
如图3所示，所述的芯片的极限电流型氧传感器1的铂电极和所述的浓差电池型氧传感器2的铂电极之间双向串联于电子闭环控制电路。
汽车尾气的氧气经多孔膜，进入极限电流型氧传感器氧化锆电解质膜片，在电极电压的作用下，产生极限电流(IL)。而尾气氧浓度和参比气体氧浓度差，在浓差电池型氧化锆电解质膜片产生电动势。极限电流型氧传感器的电极与浓差电池型氧传感器接触尾气的电极相连接。把电极连接于电子闭环控制电路上。
这种双向串联氧传感器能控制发动机A/F比，在λ＞1，即A/F比大，产生极限电流控制电子喷油系统。而λ＝1，即氧气浓度为0，则极限电流IL＝0，λ＜1，极限电流为负值，产生信号极微弱，会影响控制灵敏度。极限电流型氧传感器串联于浓差电池型氧传感器，连接电子控制闭环电路，浓差电动势补偿在λ＜1时微弱电流，浓差电池型氧化锆氧传感器克服λ＜1反馈控制信号弱的缺点。本发明的双向串联片式氧传感器在λ为0.6--1.6范围内极限电流与氧浓度成正比关系。
这种氧传感器的电流信号正比于氧浓度，能控制内燃机平稳运行。
Claims (3)
1.一种双向串联片式氧传感器的芯片，其特征在于：它包括有：
一极限电流型氧传感器(1)，其由极限电流型氧传感器氧化锆电解质膜片(11)的两个表面上各印制一个铂电极(13)，再在一个铂电极(13)上覆盖多孔膜(12)构成；
一浓差电池型氧传感器(2)，其由浓差电池型氧化锆电解质膜片(22)的两个表面上各印制一个铂电极(23)构成，
一发热体(3)，其附在浓差电池型氧传感器的铂电极(23)外部；
一密封腔(4)，其位于所述的极限电流型传感器(1)和浓差电池型传感器(2)之间的三边；
一空腔(5)，其由所述的极限电流型氧传感器(10、浓差电池型氧传感器(2)及密封腔(4)围成；
所述的极限电流型氧传感器(1)、浓差电池型氧传感器(2)、发热体(3)、密封腔(4)经等静压成型后烧结为一体。
2.一种双向串联片式氧传感器，其特征在于，它包括：
一权利要求1所述的芯片；
一保护罩(8)，其安装在所述的芯片的前端；
一后支撑体(7)，其支撑在所述的芯片后端；
一前支撑体(9)，其支撑在所述的保护罩(8)和后支撑体(7)之间；
一金属外壳(6)，其经铆压位于前支撑体(9)、后支撑体(7)的外部；
一发热体引线(31)，其连接所述芯片的发热体(3)；
两信号线(21)，其连接所述的芯片的铂电极(23)。
3.根据权利要求2所述的双向串联片式氧传感器，其特征在于，所述的芯片的极限电流型氧传感器(1)的铂电极和所述的浓差电池型氧传感器(2)的铂电极之间双向串联于电子闭环控制电路。
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