CN101251509B - 一种车用氧化锆氧传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于汽车电喷发动机控制系统中的氧化锆氧传感器，它有一端封闭而另一端为敞口的管形氧化锆固体电解质，该管形氧化锆固体电解质的内表面设有参比电极而外表面设有带内凹区的测量电极，内凹区对应的管形氧化锆固体电解质的部位为厚度较小的氧敏感部位；测量电极外周包覆有多孔陶瓷保护层，该多孔陶瓷保护层位于一端设有法兰的钢质护套中且该陶瓷保护层与所述钢质护套之间有间隙，钢质护套上开有多个通气小孔；管形氧化锆固体电解质的内腔中有陶瓷电加热元件。具有响应快速、灵敏度高、使用寿命长的特点。

Description

一种车用氧化锆氧传感器 
技术领域
本发明涉及汽车电喷发动机控制系统中的氧传感器。 
背景技术
汽车氧传感器是电喷发动机控制系统中的关键部件，对于提高汽车燃烧效率、降低污染排放量和三元催化起着重要的作用。目前车用浓差型氧化锆氧传感器主要有套管式和平板式两种类型；其中，套管式氧化锆氧传感器固体电解质较厚，一般为0.5～2mm左右，这种传感器使用寿命较长，可运行10万公里以上，但传感器响应时间较长，约100ms以上；平板式氧化锆氧传感器的结构形式包括片状(＜2000μm)、厚膜(＜100μm)和薄膜(＜10μm)，性能随着电解质厚度的降低表现更优，目前产品普遍采用片状和厚膜结构，但薄膜型氧化锆氧传感器由于响应快、灵敏度高、特性好、工作温度低将成为未来的发展趋势。然而，薄膜结构由于电流窜漏窜、各层材料的热膨胀系数和收缩率的匹配是难以解决的问题，这些因素限制了片式传感器的推广。 
氧化锆氧传感器的响应与氧在电极上的吸附或催化、电极界面的扩散、氧化锆固体电解质内部氧空穴的输送等有关，只有两电极之间的固体电解质才是氧空穴传导的真正氧敏感部位，该段距离的薄膜化，可降低氧敏感部位中氧空穴的迁移路程，使固体电解质内阻降低，响应快速，灵敏度提高。此外，薄膜化的固体电解质使热传导更迅速，升温更快，从而利于发动机冷启动时内置加热器的热量传输，使启动速度加快。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种车用氧化锆氧传感器，它将套管式固体电解质的局部薄膜化，由此化解平板式薄膜氧化锆氧传感器的电流窜漏窜、各层材料的热膨胀系数和收缩率的匹配问题，具有响应快速、灵敏度高、使用寿命长的特点。 
本发明的技术方案是，所述车用氧化锆氧传感器有一端封闭而另一端敞口的管形氧化锆固体电解质，该管形氧化锆固体电解质的内表面设有参比电极而外表面设有测量电极，所述管形氧化锆固体电解质含有位于内外电极之间的薄膜氧敏感部位；所述测量电极外周包覆有多孔陶瓷保护层，而所述多孔陶瓷保护层位于与法兰相连的钢质护套中且该陶瓷保护层与所述钢质护套之间留有间隙，所述钢质护套上开有多个通气小孔；所述管形氧化锆固体电解质的内腔中置有陶瓷电加热元件。 
以下对本发明做出进一步说明。 
参见图1，本发明所述车用氧化锆氧传感器有一端封闭而另一端为敞口的管形氧化锆固体电解质4，该管形氧化锆固体电解质4的内表面设有参比电极5而外表面设有带内凹区7的测量电极3，所述内凹区7对应的管形氧化锆固体电解质4的部位为厚度较小的氧敏感部位8；所述测量电极3外周包覆有多孔陶瓷保护层2，而所述多孔陶瓷保护层2位于一端设有法兰11的钢质护套1中且该陶瓷保护层2与所述钢质护套1之间留有间隙，所述钢质护套1上开有多个通气小孔12；所述管形氧化锆固体电解质4的内腔10中置有陶瓷电加热元件6。 
本发明为浓差型氧化锆氧传感器，并为套管式结构；其中氧化锆固体电解质4、参比电极5和测量电极3构成了氧化锆氧传感器。 
所述钢质护套1可为圆柱形、锥形、多角形或其它形状，钢质护套1上的通气小孔12也可以是狭缝结构。 
所述氧化锆固体电解质4也可用其它能传导氧的固体电解质代替，其形状可以是开口式U形或锥形、圆柱形、半圆柱形、方形、长方形、菱形及其它形状，最佳为U形。该固体电解质中的氧敏感部位8为一个或一个以上； 
所述氧化锆固体电解质4的平均厚度≤2mm，最佳平均厚度为0.5mm；长度可为3mm～50mm，最佳为15mm；直径为1mm～10mm，最佳为3mm。所述氧敏感部位8的厚度小于等于100μm，最佳厚度为10μm。该氧敏感部位8的形状可为圆形、方形、菱形、条形，也可以是其它形状，面积≤5mm2，最佳面积为1mm2。 
所述陶瓷电加热元件6的形状可为圆棒、三角柱、多角状、条状，还可以是其它形状，最佳为圆棒状。 
由以上可知，本发明为一种车用氧化锆氧传感器，它将套管式固体电解质的局部薄膜化，由此化解了平版式薄膜氧化锆氧传感器的电流窜漏窜、各层材料的热膨胀系数和收缩率的匹配问题，具有响应快速、灵敏度高、使用寿命长的特点。 
附图说明
图1是本发明一种实施例结构示意图。在图中： 
1-钢质护套，          2-多孔陶瓷保护层，     3-测量电极， 
4-氧化锆固体电解质，  5-参比电极，           6-陶瓷电加热元件， 
7-内凹区，            8-氧敏感部位，         9-待测汽车尾气， 
10-内腔，             11-法兰，              12-通气小孔， 
13-参比空气。 
具体实施方式
参见图1，本发明所述车用氧化锆氧传感器有一端封闭而另一端为敞口的管形氧化锆固体电解质4，该管形氧化锆固体电解质4的内表面设有参比电极5而外表面设有带内凹区7的测量电极3，所述内凹区7对应的管形氧化锆固体电解质4的部位为厚度较小的氧敏感部位8；所述测量电极3外周包覆有多孔陶瓷保护层2，而所述多孔陶瓷保护层2位于一端设有法兰11的钢质护套1中且该陶瓷保护层2与所述钢质护套1之间留有间隙，所述钢质护套1上开有多个通气小孔12；所述参比电极5的内腔10中置有陶瓷电加热元件6。 
本发明具体实施时，将固体电解质4所需的相关氧化锆粉末，通过通用成型方法，获得带氧敏感部位8的U型氧化锆固体电解质4的素坯，此素坯在1550℃下烧结3小时后，得到带敏感部位8的U型氧化锆固体电解质烧结体4，在此烧结体4的氧敏感部位8的内外表面及其周围涂覆铂浆以制作参比电极5和测量电极3，将多孔陶瓷保护层2涂覆到测量电极3的上层，得到氧化锆氧传感器。将所得氧化锆氧传感器封装在穿有小孔12的钢质护套1内，靠法兰11固定。 
待测汽车尾气9通过钢质护套1中的通气小孔12与氧化锆氧传感器接触。圆棒式陶瓷电加热元件6插在U型管氧化锆固体电解质4所围成的内腔10内，施加电压，所散发的热量供氧化锆氧传感器中氧空穴传导用。内腔10内充参比空气13。 
传感器中固体电解质的氧敏感部位8形状为圆形，由外往内凹陷，平均厚度为10μm。在敏感部位8的周围，外层涂覆铂浆得到测量电极3，内层涂覆铂浆得到参比电极5，在测量电极3的外层，涂覆多孔陶瓷保护层2。 
本发明可达到小于50ms的响应时间，测量精度为±0.5％，大于传统氧化锆氧传感器(套管式、平式和厚膜式氧化锆氧传感器)的100ms以上的响应时间和±1％的测量精度，使用寿命达10万公里以上。 

Claims (1)

1.一种车用氧化锆氧传感器，其特征是，它有一端封闭而另一端为敞口的管形氧化锆固体电解质(4)，该管形氧化锆固体电解质(4)的内表面设有参比电极(5)而外表面设有带内凹区(7)的测量电极(3)，所述内凹区(7)对应的管形氧化锆固体电解质(4)的部位为氧敏感部位(8)；所述测量电极(3)外周包覆有多孔陶瓷保护层(2)，而所述多孔陶瓷保护层(2)位于一端设有法兰(11)的钢质护套(1)中且该陶瓷保护层(2)与所述钢质护套(1)之间留有间隙，所述钢质护套(1)上开有多个通气小孔(12)；所述管形氧化锆固体电解质的内腔(10)中置有陶瓷电加热元件(6)。
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