CN100434905C - 单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器及其制备方法，包括一圆柱状、一端封闭且内部为空腔结构的中空管以及与中空管为一体的凸起的圆环，中空管的内、外壁之间开设有信号线孔，在圆环上，沿中空管的外壁处开设有两个电极过线孔；中空管封闭端面上设置有与信号线相连接的弧形电极、敏感膜、催化膜和保护膜；在中空管封闭端的侧壁圆周上印刷有多孔加热膜，且在中空管的侧壁上还印刷有与多孔加热膜相连接的经过电极过线孔的加热电极；在封闭端头和圆环之间的基体表面涂敷有隔热保护膜；所制备的样品具有传热速度快，抗振动，使用中对信号能有效保护，结构简单，长寿命，响应速度快的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种空/燃比控制用氧传感器及其制备方法，特别涉及一种单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器及其制备方法。
背景技术
现有的金属氧化物薄、厚膜片式氧传感器，作为空/燃比控制用氧量与电信号的转换，和市场上率先使用的ZrO2浓差型电池相比，具有抗铅中毒，响应速度快，结构简单等优点。但其采用片式多层印刷工艺或多片组合叠加结构，容易引起电极间电导劣化，导致转换信号易受环境气氛影响，适应温度变化速度低；并且加热功率线引出端容易随着温度的升高而劣化，从而导致整个器件性能下降。加上存在抗振动能力差，气体密封较难，不易装配，价格昂贵等一系列问题，致使该类器件难于发挥其优点，使空/燃比控制水平的进一步提高受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低成本，耐振动，转换信号受环境气氛影响小，适应温度变化速度高，响应速度快，安装方便的单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器包括基体，该基体为一圆柱状、一端封闭且内部为空腔结构的中空管以及与中空管为一体的凸起的圆环，中空管的内、外壁之间开设有信号线孔，在圆环上，沿中空管的外壁处开设有两个电极过线孔；中空管封闭端面上设置有与信号线相连接的弧形电极、敏感膜、催化膜和保护膜；在中空管封闭端的侧壁圆周上印刷有多孔加热膜，且在中空管的侧壁上还印刷有与多孔加热膜相连接的经过电极过线孔的加热电极；在封闭端头和圆环之间的基体表面涂敷有隔热保护膜；所说的中空管1封闭端的厚度为0.5-1.2mm，中空管的壁厚为0.5mm-1.5mm。
本发明的制备方法为：首先将质量百分比为90％～99％的氧化铝陶瓷粉制成浆料，采用注浆法用陶瓷工艺制成陶瓷基体；在宏星C-7001号铂浆中按铂浆质量加入0～10％的粒度小于2微米的金红石型TiO2，用稀释剂调节浆料使其粘度达到印刷要求，然后在55℃～65℃下搅拌10～20分钟，冷却至15～25℃作为加热膜浆料；将基体经亚微米均匀抛光使其表面达到七级光滑度，用超声波清洗，用厚度为3mm的不锈钢板制成印刷模板，模板的印刷面两端宽度比例为1.1∶1.3，并将模板印刷面进行亚毫米级纹路处理，印刷时，首先在该模板的印刷面浸渍加热膜浆料，再在中空管封闭端的侧壁圆周上滚动印刷多孔加热膜，然后以5～30转/分的转速陈放流平，再在250℃～300℃的红外干燥箱中以5～30转/分的转速转动烘干；用宏星C-7001号铂浆浸渍基体的信号线孔，并在基体封闭端的端面上印刷铂浆形成弧形电极，红外烘干后印刷敏感浆料形成敏感膜，红外烘干后在1200℃～1350℃焙烧1-3小时；对敏感膜用质量百分比为4％的PdCl2溶液进行涂敷，红外烘干后在820℃～850℃下焙烧1～4小时形成催化膜；再用锐钛矿型TiO2浆料涂敷柱体端面，红外烘干后820℃下焙烧1～2小时形成保护膜；在基体的侧壁上印刷经过多孔加热膜电极过线孔的加热电极浆料，红外烘干后在830℃下焙烧10-30分钟形成多孔加热膜电极；再在基体的封闭端至圆环之间的表面涂敷隔热保护膜浆料，红外烘干后在820℃下焙烧20分钟形成隔热保护膜。
本发明的稀释剂为乙基纤维素水溶液，松油醇或者聚乙烯醇水溶液；敏感浆料为掺Pt的TiO2型敏感浆料，Pd晶界扩散TiO2型敏感浆料或Ti(1-0.075)Sn(0.070)Nb(0.005)厚膜浆料；加热电极浆料为铂银浆料、银浆或铂浆、金浆；隔热保护膜材料为宏星I-4385浆料。
按照本发明的制备方法制得的传感器具有传热速度快，抗振动，使用中对信号能有效保护，结构简单，长寿命，响应速度快，价格低廉。采用宽温窄阻型金属氧化物半导体厚膜敏感材料，特殊的加热膜，使传感器能在100℃～700℃的温度范围内，响应速度在(40～250毫秒)之间，并具有耐快速温度循环冲击的优点。
附图说明
图1是本发明的基体结构示意图；
图2是本发明基体封闭端面的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，2，本发明的汽车空/燃比控制用氧传感器包括基体，该基体包括一圆柱状、一端封闭且内部为空腔结构的中空管1以及与中空管1为一体的凸起的圆环2，中空管1封闭端的厚度为0.5-1.2mm，管壁厚为0.5mm～1.5mm，中空管1的内、外壁之间开设有信号线孔3，在圆环2上，沿中空管1的外壁处开设有两个电极过线孔4；中空管1封闭端面上设置有与信号线相连接的弧形电极7、敏感膜8、催化膜9和保护膜10；在中空管1封闭端的侧壁圆周上印刷有多孔加热膜5，且在中空管1的侧壁上还印刷有与多孔加热膜5相连接的经过电极过线孔4的加热电极6；在封闭端头和圆环之间的基体表面涂敷有隔热保护模11。
根据以上的结构，申请人给出了以下几种具体的制备实例：
实施例1：首先将质量百分比为90％的氧化铝陶瓷粉制成浆料，采用注浆法用陶瓷工艺制成陶瓷基体，端头厚度为1mm；用4％的乙基纤维素水溶液调节宏星C-7001号铂浆使其粘度达到印刷要求，然后在60℃下搅拌15分钟，冷却至20℃作为加热膜浆料；将基体经亚微米均匀抛光使基体达到七级光滑度，用超声波清洗；用厚度为3mm的不锈钢板制成印刷模板，模板的印刷面两端宽度比例为1.1∶1.3，并将模板印刷面进行亚毫米级纹路处理，印刷时，首先在该模板的印刷面浸渍加热膜浆料，再在中空管1封闭端的侧壁圆周上滚动印刷多孔加热膜5，然后以30转/分的转速陈放流平，再在250℃的红外干燥箱中以30转/分的转速转动烘干；用宏星C-7001号铂浆浸渍基体的信号线孔3，并在基体封闭端的端面上印刷铂浆形成弧形电极7，红外烘干后然后印刷Ti(1-0.075)Sn(0.070)Nb(0.005)厚膜浆料形成敏感膜8，红外烘干后在1200℃焙烧3小时；对敏感膜8用4％的PdCl2溶液进行涂敷，红外烘干后在800℃下焙烧4小时形成催化膜9；再用锐钛矿型TiO2浆料涂敷柱体端面，红外烘干后820℃下焙烧2小时形成保护膜10；在基体的侧壁上印刷经过多孔加热膜电极过线孔4的铂银浆料，红外烘干后在850℃下焙烧30分钟形成多孔加热膜电极6。在基体的封闭端至圆环之间的表面涂敷隔热保护膜浆料，红外烘干后在820℃下焙烧20分钟形成隔热保护膜11。本实施例制备的传感器常温电阻为3.5～5欧姆，通电加热20秒后，端面温度为400℃。在内燃机气体温度为150℃～600℃，20秒启动，空/燃比0.98～1.02。
实施例2：首先将质量百分比为95％的氧化铝陶瓷粉制成浆料，采用注浆法用陶瓷工艺制成陶瓷基体，端头厚度为1mm；在宏星C-7001号铂浆中按铂浆质量百分比10％加入粒度小于2微米的金红石型TiO2，用4％的乙基纤维素水溶液调节浆料使其粘度达到印刷要求，然后在55℃下搅拌20分钟，冷却至25℃作为加热膜浆料；将基体经亚微米均匀抛光使基体达到七级光滑度，用超声波清洗；用厚度为3mm的不锈钢板制成印刷模板，模板的印刷面两端宽度比例为1.1∶1.3，并将模板印刷面进行亚毫米级纹路处理，印刷时，首先在该模板的印刷面浸渍加热膜浆料，再在中空管1封闭端的侧壁圆周上滚动印刷多孔加热膜5，然后以5转/分的转速陈放流平，再在300℃的红外干燥箱中以5转/分的转速转动烘干；用宏星C-7001号铂浆浸渍基体的信号线孔3，并在基体封闭端的端面上印刷铂浆形成弧形电极7，红外烘干后印刷掺Pt的TiO2型敏感浆料形成敏感膜8，红外烘干后在1350℃焙烧1小时；对敏感膜8用4％的PdCl2溶液进行涂敷，红外烘干后在850℃下焙烧1小时形成催化膜9；再用锐钛矿型TiO2浆料涂敷柱体端面，红外烘干后820℃下焙烧1小时形成保护膜10；在基体的侧壁上印刷经过多孔加热膜电极过线孔4的银浆，红外烘干后在850℃下焙烧10分钟形成多孔加热膜电极6。在基体的封闭端至圆环之间的表面涂敷隔热保护膜浆料，红外烘干后在820℃下焙烧20分钟形成隔热保护膜11。本实施例制备的传感器常温电阻5欧姆，通电加热20秒后，端面温度为500℃。在内燃机气体温度为150℃～700℃，20秒启动，空/燃比0.98～1.02。
实施例3：首先将质量百分比为99％的氧化铝陶瓷粉制成浆料，采用注浆法用陶瓷工艺制成陶瓷基体，端头厚度为1mm；在宏星C-7001号铂浆中按铂浆质量百分比5％加入粒度小于2微米的金红石型TiO2，用5％的聚乙烯醇水溶液调节浆料使其粘度达到印刷要求，然后在65℃下搅拌10分钟，冷却至15℃作为加热膜浆料；将基体经亚微米均匀抛光使基体达到七级光滑度，用超声波清洗，用厚度为3mm的不锈钢板制成印刷模板，模板的印刷面两端宽度比例为1.1∶1.3，并将模板印刷面进行亚毫米级纹路处理，印刷时，首先在该模板的印刷面浸渍加热膜浆料，再在中空管1封闭端的侧壁圆周上滚动印刷多孔加热膜5，然后以20转/分的转速陈放流平，再在280℃的红外干燥箱中以20转/分的转速转动烘干；用宏星C-7001号铂浆浸渍基体的信号线孔3，并在基体封闭端的端面上印刷铂浆形成弧形电极7，红外烘干后印刷Pd晶界扩散TiO2型敏感浆料形成敏感膜8，红外烘干后在1200℃焙烧4小时；对敏感膜8用4％的PdCl2溶液进行涂敷，红外烘干后在820℃下焙烧2小时形成催化膜9；再用锐钛矿型TiO2浆料涂敷柱体端面，红外烘干后820℃下焙烧1.5小时形成保护膜10；在基体的侧壁上印刷经过多孔加热膜电极过线孔4的铂浆，红外烘干后在850℃下焙烧20分钟形成多孔加热膜电极6。在基体的封闭端至圆环之间的表面涂敷隔热保护膜浆料，红外烘干后在820℃下焙烧20分钟形成隔热保护膜11。本实施例制备的传感器阻值为4～6欧姆之间，通电加热20秒后，端面温度为550℃。在内燃机气体温度为150℃～700℃，20秒启动，空/燃比0.98～1.02。
实施例4：首先将质量百分比为99％的氧化铝陶瓷粉制成浆料，采用注浆法用陶瓷工艺制成陶瓷基体，端头厚度为0.5mm；在宏星C-7001号铂浆中按铂浆质量百分比3％加入粒度小于2微米的金红石型TiO2，用4％的乙基纤维素水溶液调节浆料使其粘度达到印刷要求，然后在55℃下搅拌20分钟，冷却至25℃作为加热膜浆料；将基体经亚微米均匀抛光使基体达到七级光滑度，用超声波清洗；用厚度为3mm的不锈钢板制成印刷模板，模板的印刷面两端宽度比例为1.1∶1.3，并将模板印刷面进行亚毫米级纹路处理，印刷时，首先在该模板的印刷面浸渍加热膜浆料，再在中空管1封闭端的侧壁圆周上滚动印刷多孔加热膜5，然后以15转/分的转速陈放流平，再在260℃的红外干燥箱中以15转/分的转速转动烘干；用宏星C-7001号铂浆浸渍基体的信号线孔3，并在基体封闭端的端面上印刷铂浆形成弧形电极7，红外烘干后印刷掺Pt的TiO2型敏感浆料形成敏感膜8，红外烘干后在1250℃内焙烧1.5小时；对敏感膜8用4％的PdCl2溶液进行涂敷，红外烘干后在840℃下焙烧2.5小时形成催化膜9；再用锐钛矿型TiO2浆料涂敷柱体端面，红外烘干后820℃下焙烧1.3小时形成保护膜10；在基体的侧壁上印刷经过多孔加热膜电极过线孔4的金浆，红外烘干后在850℃下焙烧15分钟形成多孔加热膜电极6。在基体的封闭端至圆环之间的表面涂敷隔热保护膜浆料，红外烘干后在820℃下焙烧20分钟形成隔热保护膜11。本实施例制备的传感器阻值为3.5～5欧姆之间，通电加热20秒后，端面温度为600℃。在内燃机气体温度为150℃～700℃，20秒启动，空/燃比0.98～1.02。
实施例5：首先将质量百分比为99％的氧化铝陶瓷粉制成浆料，采用注浆法用陶瓷工艺制成陶瓷基体，端头厚度0.8mm；在宏星C-7001号铂浆中按铂浆质量百分比8％加入粒度小于2微米的金红石型TiO2，用4％的乙基纤维素水溶液调节浆料使其粘度达到印刷要求，然后在63℃下搅拌15分钟，冷却至22℃作为加热膜浆料；将基体经亚微米均匀抛光使基体达到七级光滑度，用超声波清洗；用厚度为3mm的不锈钢板制成印刷模板，模板的印刷面两端宽度比例为1.1∶1.3，并将模板印刷面进行亚毫米级纹路处理，印刷时，首先在该模板的印刷面浸渍加热膜浆料，再在中空管1封闭端的侧壁圆周上滚动印刷多孔加热膜5，然后以25转/分的转速陈放流平，再在290℃的红外干燥箱中以25转/分的转速转动烘干；用宏星C-7001号铂浆浸渍基体的信号线孔3，并在基体封闭端的端面上印刷铂浆形成弧形电极7，红外烘干后印刷Pd晶界扩散TiO2型敏感浆料形成敏感膜8，红外烘干后在1250℃内焙烧2.5小时；对敏感膜8用4％的PdCl2溶液进行涂敷，红外烘干后在820℃下焙烧4小时形成催化膜9；再用锐钛矿型TiO2浆料涂敷柱体端面，红外烘干后820℃下焙烧1.6小时形成保护膜10；在基体的侧壁上印刷经过多孔加热膜电极过线孔4的金浆，红外烘干后在850℃下焙烧22分钟形成多孔加热膜电极6。在基体的封闭端至圆环之间的表面涂敷隔热保护膜浆料，红外烘干后在820℃下焙烧20分钟形成隔热保护膜11。本实施例制备的传感器阻值为3.5～5欧姆之间，通电加热20秒后，端面温度为550℃。在内燃机气体温度为150℃～700℃，20秒启动，空/燃比0.98～1.02
实施例6：首先将质量百分比为99％的氧化铝陶瓷粉制成浆料，采用注浆法用陶瓷工艺制成陶瓷基体，端头厚度为1.2mm；在宏星C-7001号铂浆中按铂浆质量百分比2％加入粒度小于2微米的金红石型TiO2，用5％的聚乙烯醇水溶液调节浆料使其粘度达到印刷要求，然后在60℃下搅拌18分钟，冷却至24℃作为加热膜浆料；将基体经亚微米均匀抛光使基体达到七级光滑度，用超声波清洗；用厚度为3mm的不锈钢板制成印刷模板，模板的印刷面两端宽度比例为1.1∶1.3，并将模板印刷面进行亚毫米级纹路处理，印刷时，首先在该模板的印刷面浸渍加热膜浆料，再在中空管1封闭端的侧壁圆周上滚动印刷多孔加热膜5，然后以10转/分的转速陈放流平，再在270℃的红外干燥箱中以10转/分的转速转动烘干；用宏星C-7001号铂浆浸渍基体的信号线孔3，并在基体封闭端的端面上印刷铂浆形成弧形电极7，红外烘干后印刷Ti(1-0.075)Sn(0.070)Nb(0.005)厚膜浆料形成敏感膜8，红外烘干后在1300℃内焙烧2小时；对敏感膜8用4％的PdCl2溶液进行涂敷，红外烘干后在830℃下焙烧2.5小时形成催化膜9；再用锐钛矿型TiO2浆料涂敷柱体端面，红外烘干后820℃下焙烧1.8小时形成保护膜10；在基体的侧壁上印刷经过多孔加热膜电极过线孔4的银浆，红外烘干后在850℃下焙烧30分钟形成多孔加热膜电极6。在基体的封闭端至圆环之间的表面涂敷隔热保护膜浆料，红外烘干后在820℃下焙烧20分钟形成隔热保护膜11。本实施例制备的传感器阻值为3.5～5欧姆之间，通电加热20秒后，端面温度为500℃。在内燃机气体温度为150℃～600℃，20秒启动，空/燃比0.98～1.02
Claims (7)
1、单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器，其特征在于：包括基体，该基体为一圆柱状、一端封闭且内部为空腔结构的中空管(1)以及与中空管(1)为一体的凸起的圆环(2)，中空管(1)的内、外壁之间开设有信号线孔(3)，在圆环(2)上，沿中空管(1)的外壁处开设有两个电极过线孔(4)；中空管(1)封闭端面上设置有与信号线相连接的弧形电极(7)、敏感膜(8)、催化膜(9)和保护膜(10)；在中空管(1)封闭端的侧壁圆周上印刷有多孔加热膜(5)，且在中空管(1)的侧壁上还印刷有与多孔加热膜(5)相连接的经过电极过线孔(4)的加热电极(6)；在封闭端头和圆环之间的基体表面涂敷有隔热保护膜(11)。
2、根据权利要求1所述的单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器，其特征在于：所说的中空管(1)封闭端头的厚度为0.5-1.2mm，中空管的壁厚为0.5mm-1.5mm。
3、一种权利要求1所述的单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器的制备方法，其特征在于：
1)首先将质量百分比为90％～99％的氧化铝陶瓷粉制成浆料，采用注浆法用陶瓷工艺制成陶瓷基体；
2)在宏星C-7001号铂浆中按铂浆质量加入0～10％的粒度小于2微米的金红石型TiO2，用稀释剂调节浆料使其粘度达到印刷要求，然后在55℃～65℃下搅拌10～20分钟，冷却至15～25℃作为加热膜浆料；
3)将基体经亚微米均匀抛光使其表面达到七级光滑度，用超声波清洗，用厚度为3mm的不锈钢板制成印刷模板，模板的印刷面两端宽度比例为1.1∶1.3，并将模板印刷面进行亚毫米级纹路处理，印刷时，首先在该模板的印刷面浸渍加热膜浆料，再在中空管(1)封闭端的侧壁圆周上滚动印刷多孔加热膜(5)，然后以5～30转/分的转速陈放流平，再在250℃～300℃的红外干燥箱中以5～30转/分的转速转动烘干；
4)用宏星C-7001号铂浆浸渍基体的信号线孔(3)，并在基体封闭端的端面上印刷铂浆形成弧形电极(7)，红外烘干后印刷敏感浆料形成敏感膜(8)，红外烘干后在1200℃～1350℃焙烧1-3小时；
5)在步骤4完成后，对敏感膜(8)用质量百分比为4％的PdCl2溶液进行涂敷，红外烘干后在820℃～850℃下焙烧1～4小时形成催化膜(9)；
6)再用锐钛矿型TiO2浆料涂敷柱体端面，红外烘干后820℃下焙烧1～2小时形成保护膜(10)；
7)在基体的侧壁上印刷经过电极过线孔(4)的加热电极浆料，红外烘干后在830℃下焙烧10-30分钟形成加热电极(6)；
8)经第7步处理后的基体，在基体的封闭端至圆环之间的表面涂敷隔热保护膜浆料，红外烘干后在820℃下焙烧20分钟形成隔热保护膜(11)。
4、根据权利要求3所述的单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器的制备方法，其特征在于：所说的稀释剂为乙基纤维素水溶液，松油醇或者聚乙烯醇水溶液。
5、根据权利要求3所述的单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器的制备方法，其特征在于：所说的敏感浆料为掺Pt的TiO2型敏感浆料，Pd晶界扩散TiO2型敏感浆料或Ti(1-0.075)Sn(0.070)Nb(0.005)厚膜浆料。
6、根据权利要求3所述的单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器的制备方法，其特征在于：所说的加热电极浆料为铂银浆料、银浆或铂浆、金浆。
7、根据权利要求3所述的单体集成式汽车空/燃比控制用氧传感器的制备方法，其特征在于：所说的隔热保护膜材料为宏星I-4385浆料。
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| Title |
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| An yttria-doped ceria-based oxygen sensor with solid-statereference. B. Elyassi, N. Rajabbeigi, A. Khodadadi.Sensors and Actuators B,Vol.103 No.1-2. 2004 |
| An yttria-doped ceria-based oxygen sensor with solid-statereference. B. Elyassi, N. Rajabbeigi, A. Khodadadi.Sensors and Actuators B,Vol.103 No.1-2. 2004 * |
| Postmortem characterization of one yttriastabilizedzirconia()YSZ)-based oxygen sensor. C.M.S. Rodrigues, J.A. Labrincha, F.M.B. Marques.Solid State Ionics,Vol.136-137 No.S1. 2000 |
| Postmortem characterization of one yttriastabilizedzirconia()YSZ)-based oxygen sensor. C.M.S. Rodrigues, J.A. Labrincha, F.M.B. Marques.Solid State Ionics,Vol.136-137 No.S1. 2000 * |
| 氧传感器及其在汽车中的应用. 何锐，刘光葵，孙尧卿.传感器技术，第18卷第3期. 1999 |
| 氧传感器及其在汽车中的应用. 何锐，刘光葵，孙尧卿.传感器技术，第18卷第3期. 1999 * |
| 汽车空/燃比控制用的TiO2系厚膜氧传感器. 武明堂，袁战恒，姚熹.传感技术学报，第4期. 1993 |
| 汽车空/燃比控制用的TiO2系厚膜氧传感器. 武明堂，袁战恒，姚熹.传感技术学报，第4期. 1993 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1885016A (zh) | 2006-12-27 |
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