CN100501138C - 一种电流型汽车尾气传感器的制造方法 - Google Patents

一种电流型汽车尾气传感器的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无机非金属材料领域，特别涉及一种测量汽车尾气用的氧传感器。本发明采用烧结的稳定氧化锆陶瓷作为固体电解质，具有钙钛矿结构的掺杂LnMO3陶瓷混合导体作为扩散型透氧材料，用多孔贵金属薄膜将其连接，以高温密封材料封闭连接边界，于固体电解质和混合导体外的表面引出电极，从而构成片式极限电流型汽车尾气传感器。这种传感器能在很宽的氧分压范围(0-21%)工作，使汽车发动机实现贫油燃烧，同时达到节能和环保双重目的。既可用于汽车运行监测，也可用于汽车台架试验。它还具有体积小、灵敏度高、性能稳定、工作可靠等系列优点。

Description

一种电流型汽车尾气传感器的制造方法
技术领域：
本发明属于无机非金属材料和化学传感器领域，特别涉及一种测量汽车尾气用的氧传感器。
背景技术：
目前，汽车尾气已经成为大气的主要污染源，利用尾气传感器控制空燃比，使燃料充分燃烧，就可有效地减少有害成分，尤其是CO和HC的排放。汽车尾气传感器具有既可减少污染，又可节约能源的双重功效。
汽车尾气传感器按照工作原理分类，主要包括浓差电池电动势型、电阻型和极限电流型三种。电阻型的因其敏感性差，目前还处于研究阶段，并未投入使用。当前使用较广的是浓差电池电动势型氧传感器，但它只能使燃烧控制在理论空燃比附近，而且制作复杂，价格较高。由于能源日益短缺，人们开始对稀薄燃气的燃烧控制感兴趣，而极限电流型氧传感器能在很宽的空燃比范围工作，且灵敏度高，已成为汽车尾气传感器的新一代替代产品。
极限电流型氧传感器已研制出小孔扩散和多孔扩散两种类型。小孔扩散型传感器在长时间使用时容易造成小孔堵塞，从而影响测试性能和工作稳定性；多孔扩散型传感器由于长时间使用时会造成孔隙率变化，也会影响测试性能。因此，这两种极限电流型氧传感器的使用受到了限制。
1998年由Garzon Ferando等人提出了一种致密扩散层极限电流型氧传感器。采用混合导体材料作为氧的致密扩散障碍层的极限电流型氧传感器，避免了小孔堵塞和孔隙率变化的问题，大大提高了传感器的测试性能。然而他们制作传感器采用的是“YSZ流延成型—LSM丝网印刷复合—共同烧结”工艺(YSZ是“氧化钇稳定的氧化锆”的简称，LSM是致密烧结体LaSrMnO3的缩写)。由于存在两种材料烧结收缩率不匹配，容易产生烧结裂纹和界面开裂，两种材料的结合不严密，发生氧渗漏；在长期的高温工作条件下，两种材料的直接接触界面容易发生反应，产生导电性能不良的新相；混合导体的透氧速率与氧泵抽氧能力不匹配等等原因，致使他们的传感器工作特性并不理想。
本发明的目的是要解决两种材料烧结收缩率不匹配，容易产生烧结裂纹和界面开裂，导致两种材料的结合不严密，发生氧渗漏；在长期的高温工作条件下，两种材料的直接接触界面容易发生反应，产生导电性能不良的新相等问题。
一种电流型汽车尾气传感器的制造方法，传感器包括负电极1、LSM层2、YSZ层4、正电极6，其特征在于LSM层2和YSZ层4是通过多孔Pt层5粘接在一起的，LSM层2和YSZ层4外侧面涂有多孔铂层5，再焊上电极引线，两陶瓷片间的接缝采用由市场购得的热膨胀系数与LSM和YSZ两种材料相匹配的高温密封材料3封闭。
LSM是透氧材料，是Ln1-XSrXMO3体系材料中的一种。Ln1-XSrXMO3体系材料都可用作透氧材料，其中Ln不仅指稀土元素La，还包括其他稀土元素，M不仅包括Mn，还包括Cr、Co、Ni、Fe等，式中X＝0～0.4；LSM层厚度为0.05-3.0mm。YSZ层是氧离子传导的固体电解质陶瓷片，用作氧泵的固体电解质，YSZ层厚度为0.05-3.0mm。
传感器的工作温度为300—1000℃，由特制的加热装置加热至工作温度；工作时的外加直流电压范围为0—3.0V。
传感器的工作原理如图1所示，按图示的极性加一外电源时，固体电解质YSZ和混合导体LSM界面处的氧便会被这一氧泵抽至正极(YSZ的外表面)，界面处的氧分压则急速降低，与环境形成氧位差。由于LSM是氧离子与电子的混合导体，环境中的氧便会在氧位差的推动下，从负极(LSM的外表面)获得电子，以离子的形态向LSM—YSZ界面扩散，在界面处放出电子，重新变为氧气。多孔界面处的氧又将继续被氧泵抽出。氧穿过LSM时，在其两边发生了得失电子的反应，LSM的两个表面本应产生电荷积累，形成电场，最终阻止氧扩散过程的继续。然而，LSM同时又是一种良好的电子导体，以至LSM两边积累的电荷发生短路，使电场消失，氧通过LSM的扩散过程便得以继续，不会停止。如此一来，氧通过LSM的扩散和通过YSZ被抽出就组成了一个完整的氧迁移过程。若增大外电压，则泵氧速度加快。但在一定温度下，氧在LSM中的扩散系数为一定值，通过扩散向LSM—YSZ界面的供氧速度主要取决于环境的氧分压。环境氧分压一定时，氧通过LSM的扩散速度就一定。当氧通过LSM的扩散成为整个氧迁移过程的限速环节时，即使再增大外电压，泵氧电流也不会再增大，这时的电流即为极限电流。显然，极限电流的大小与环境的氧分压直接有关，这便是极限电流型氧传感器测定环境氧分压的工作原理。
汽车尾气的氧分压取决于进入发动机的燃气空燃比，找出传感器极限电流与燃气空燃比的关系，就可以通过计算机系统，利用尾气传感器得到的信息，自动调整和控制燃气的空燃比。
本发明的汽车尾气传感器是一种氧传感器，它的氧测量范围宽、敏感性高、稳定性好、体积小、结构简单、价格低廉、便于批量生产。
附图说明：
图1为氧传感器结构示意图。
图2是Ferando等人制作的传感器的工作特性I-V曲线。
图3则是用本发明工艺制作的传感器的工作特性I-V曲线。
图2和图3对比可以明显看出，由本发明工艺组装的传感器可在全氧范围(直至空气的含氧浓度)下工作，拥有更平直稳定的极限电流平台，能在更低的外电压下达到极限电流。
具体实施方式：
实例给出的是如图3所示具有优良工作特性的传感器，是以Y2O3—ZrO2做氧离子固体电解质，La0.8Sr0.2MnO3做扩散透氧层，用多孔铂层连接两种陶瓷材料，并采用市场购得的高温密封材料封闭接缝，由本发明的工艺制得。

Claims (3)

1.一种电流型汽车尾气传感器的制造方法，传感器包括负电极(1)、LSM层(2)、YSZ层(4)、正电极(6)，其特征在于LSM层(2)和YSZ层(4)是通过多孔Pt层(5)粘接在一起的，两陶瓷片间的接缝采用热膨胀系数与LSM和YSZ两种材料相匹配的高温密封材料(3)封闭，LSM层厚度为0.05-3.0mm；用YSZ氧离子导体陶瓷片作氧泵的固体电解质，YSZ层厚度为0.05-3.0mm。
2.如权利要求1所述的电流型汽车尾气传感器的制造方法，其特征在于用Ln1-xSrxMO3代替LSM作透氧层，其中Ln不仅包括稀土元素La，还包括稀土元素Pr、Nd、Sm、Gd、Yb和Y，M为Mn、Cr、Co、Ni或Fe；式中x＝0～0.4。
3.如权利要求1或2所述的电流型汽车尾气传感器的制造方法，其特征在于传感器的工作温度为300～1000℃，由特制的加热装置加热至工作温度；工作时的外加直流电压范围为0～3.0V。
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