CN102346166B

CN102346166B - 一种片式氧传感器

Info

Publication number: CN102346166B
Application number: CN 201010245146
Authority: CN
Inventors: 禹棣; 黄志彬; 向其军
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: CN102346166A

Abstract

本发明提供了一种片式氧传感器，所述片式氧传感包括加热体和加热体上部的测氧体；所述测氧体从下至上依次包括氧气还原电极、氧离子扩散层、氧气析出电极、氧气扩散层、电解质层和多孔保护层；氧离子扩散层的下表面上具有参比气引入孔，参比气引入孔与大气连通；其中，氧气还原电极用于将参比气引入孔中的氧气还原成氧离子；氧离子扩散层用于氧离子的渗透；氧气析出电极用于将氧离子氧化成氧气；氧气扩散层用于氧气的渗透。本发明提供的片式氧传感器，各层之间结合紧密，能更精确地测量参比气中的氧分压信号，因此本发明的片式氧传感器的抗热震性、密封性和灵敏度均较高。

Description

一种片式氧传感器

技术领域

本发明涉及一种片式氧传感器。

背景技术

汽车氧传感器是将燃烧后的气体情况实时反馈给发动机控制单元(ECU)的一个关键元件，而发动机电控喷射系统则依据氧传感器提供的信号精确控制空燃比。由于混合气的空燃比一旦偏离理论值，三元催化剂的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，检测排气中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而调整混合气的空燃比(A/F，空气与汽油的质量比)在理论值附近。现有的汽车氧传感器主要分为片式氧传感器和管式氧传感器，其中片式汽车氧传感新发展的一种氧传感器，它具有加热快、响应时间短等优点。

例如，CN101000320A公开了一种片式氧传感器，具有图1所示的多层叠层结构，从下至上依次包括加热器基体9、绝缘层6、加热电极15、绝缘层5、参比气基片8、内电极12、氧化锆基体2、外电极11和多孔保护层1。该片式氧传感器中参比气基片8上设有空气槽81，空气槽81内与大气接触，从而通过内电极12直接检测大气中的氧含量。但是该方法测得的氧含量信号不稳定，使得氧传感器的灵敏度较低；另外，该片式氧传感器中存在空气槽81，烧结时会变形产生分离翘曲现象，从而降低氧传感器的密封性差和抗热震性。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的片式氧传感器密封性差、抗热震性低和灵敏度低的技术问题。

本发明提供了一种片式氧传感器，所述片式氧传感包括加热体和加热体上部的测氧体；所述测氧体从下至上依次包括氧气还原电极、氧离子扩散层、氧气析出电极、氧气扩散层、电解质层和多孔保护层；氧离子扩散层的下表面具有参比气引入孔，参比气引入孔与大气连通；

其中，氧气还原电极用于将参比气引入孔中的氧气还原成氧离子；氧离子扩散层用于氧离子的渗透；氧气析出电极用于将氧离子氧化成氧气；氧气扩散层用于氧气的渗透。

本发明提供的片式氧传感器，通过引入氧气还原电极、氧离子扩散层、氧气析出电极和氧气扩散层的四层结构，替代现有技术中的参比气基片，四层之间结合力较强，并与上层的内电极、以及下层的绝缘层的结合力也较高，使得片式氧传感器各层之间结合紧密，从而提高片式氧传感器的密封性和抗热震性；另外，通过四层结构对大气中的氧的还原-析出过程，能更加精确的测出大气中的氧分压信号，从而提高式氧传感器的灵敏度。

附图说明

图1是现有技术提供的片式氧传感器的结构示意图。

图2是本发明实施例1的片式氧传感器的结构示意图。

图3是本发明实施例2的片式氧传感器的结构示意图。

具体实施方式

片式氧传感器用于汽车领域中，测量汽车排气中的氧含量。片式氧传感器与汽车排气接触的一端为头部，另一端为尾部。

本发明中，氧气还原电极的形状可为方块形，从片式氧传感器的头部延伸至参比气引入孔的正下方。优选情况下，为降低成本，氧气还原电极具有两个电极片，两电极片之间引线连接；其中一个电极片位于片式氧传感器头部的一端，另一个电极片位于参比气引入孔下方。为了提高氧离子在引线上的传输效率，引线140的宽度较大，例如可以为内电极的引线宽度的2倍。具体地，引线140的宽度为1-2mm。

氧离子扩散层上具有参比气引入孔，参比气引入孔位于氧离子扩散层上远离片式氧传感器头部的一端。一般情况下，为缩短氧气的传输路径，参比气引入孔不设置于氧气扩散层的尾部；而参比气引入孔太靠近头部，则会对汽车排气中的氧含量造成影响。

本发明中，氧气还原电极中含有铂、氧化锆和氧化铈；氧离子扩散层中含有氧化铈、氧化锆和氧化铝；氧气析出电极中含有铂、氧化锆和氧化铝；氧气扩散层中含有氧化铝、氧化镁、氧化钙。其中，铂用于还原氧气，产生氧离子；氧化铈有利于氧离子的传输。其它用于使各相邻的层之间部分同质，从而使各层之间具有较强的结合力。

本发明中，氧气还原电极的厚度为10-15um，氧离子扩散层的厚度为25-35um，氧气析出电极的厚度为5-10um，氧气扩散层的厚度为40-50um。

作为本领技术人员的公知常识，电解质层包括氧化锆敏感基体和内电极、外电极。其中内电极、外电极分别检测氧化锆敏感基体两侧的氧分压，并根据测量数据输出电压信号，从而控制喷油量的大小。外电极、内电极和多孔保护层的材料和厚度为本领域技术人员所公知，本发明中没有特殊要求。例如，外电极、内电极中均含有铂、氧化锆和氧化铝；多孔保护层中含有镁铝尖晶石、氧化锆、氧化铝、氧化镁。外电极、内电极的厚度均为5-15um，多孔保护层的厚度为50-80um。

作为本领域技术人员的公知常识，氧化锆敏感基体的材料主要为氧化锆。而氧化锆本身具有如下特性：在低温(350℃以下)时电导率较低。所以，现有技术中通过加热电极对氧传感器芯片进行加热，至氧传感器芯片温度达到350℃时，氧传感器才开始启动；因此会导致测试数据在传输上存在滞后性。

本发明的发明人意外发现，纳米氧化锆薄层具有低温度(300℃左右)下高电导率的特性。因此，将纳米氧化锆薄层用作氧化锆敏感基体，能有效降低片式氧传感器的反应温度，缩短其响应时间，进一步提高片式氧传感器的灵敏度。

因此，作为本发明的一种优选实施方式，本发明中氧化锆敏感基体采用纳米氧化锆薄层。但是采用纳米氧化锆薄层会降低氧化锆敏感基体的抗弯曲性，从而导致片式氧传感器在烧结时产生翘曲变形；因此，本发明中在外电极与多孔保护层之间还设有共烧平衡层，用于抑制片式氧传感器在烧结过程中产生翘曲分离现象。为保证汽车排气的传输速度，共烧平衡层上正对多孔保护层的位置具有微孔结构。

纳米氧化锆薄层的厚度为5-50μm，其中氧化锆的粒径为20-50nm。所述共烧平衡层中含有氧化铝、氧化镁和氧化钙，共烧平衡层的厚度为30-50um。

本发明中，所述加热体包括两个绝缘层和夹持于两绝缘层间的加热电极。两个绝缘层分别记为上绝缘层和下绝缘层，其中上绝缘层与氧气还原电极的下表面接触。

本发明中，对绝缘层、加热电极的材料和厚度均为本领域技术人员所公知。例如，上绝缘层、下绝缘层中均含有氧化铝、氧化镁和氧化钙；加热电极中含有铂、氧化锆和氧化铝。上绝缘层、下绝缘层的厚度均为20-40um，加热电极的厚度为5-10um。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

如图2所示，本发明提供了一种片式氧传感器，所述片式氧传感包括加热体和加热体上部的测氧体；所述测氧体从下至上依次包括氧气还原电极14、氧离子扩散层4、氧气析出电极13、氧气扩散层3、电解质层和多孔保护层1；氧离子扩散层4的下表面上具有参比气引入孔41，参比气引入孔41与大气连通。图2中，片式氧传感器的左端为头部，用于与汽车排气接触；右端为尾部，尾部一般与大气接触。

氧气还原电极14需延伸至参比气引入孔41的下方，并与参比气引入孔41中的氧气充分接触。所述氧气还原电极14具有图2所示结构：氧气还原电极14具有两个电极片141和142，两电极片之间通过引线140连接；其中电极片141位于片式氧传感器头部的一端，电极片142位于参比气引入孔41正下方。为保证参比气引入孔41中的氧气与氧气还原电极14充分接触，电极片142的面积稍大于参比气引入孔41的面积。

氧离子扩散层4位于氧气还原电极14的上方。氧离子扩散层4上具有参比气引入孔41，并且参比气引入孔41位于氧离子扩散层4上远离片式氧传感器头部的一端。氧气还原电极14的电极片142上产生的氧离子，通过引线140传输至电极片141，并通过氧离子扩散层4的头部，将氧离子传送给氧气析出电极13。氧离子从电极片142传输至电极片141过程中，也会有部分氧离子通过氧离子扩散层4直接渗透至氧气析出电极13；但是由于两个电极片141、142之间的引线140与电极片同质，所以大部分氧离子会通过引线140从电极片142传至电极片141。

氧气析出电极13位于氧离子扩散层4的上方。氧离子通过氧离子扩散层4渗透至氧气析出电极13，并在氧气析出电极13上发生氧化反应生成氧气，然后传输给氧气扩散层3。

氧气扩散层3位于氧气析出电极13之上，并与电解质层接触。具体地，氧气扩散层3与电解质层的内电极12接触。

如图2所示，所述电解质层包括氧化锆敏感基体2和位于分别位于氧化锆敏感基体2两个表面的内电极12、外电极11。内电极12位于氧气扩散层3上方，用于检测由氧气扩散层3渗透出的氧分压。外电极11位于氧化锆敏感基体2上方。所述外电极11上方还设有多孔保护层1，防止汽车排气中的粉尘颗粒或有毒气体造成外电极11中毒。

如图2所示，加热体包括上绝缘层5、下绝缘层6和夹持于两绝缘层之间的加热电极15。其中上绝缘层5的上表面与氧气还原电极14的接触。

本实施例的片式氧传感器通过氧气还原电极、氧离子扩散层、氧气析出电极和氧气扩散层的四层结构，对大气中的氧气进行提纯，从而使内电极检测的氧分压信号更加稳定，提高片式氧传感器的灵敏度。另外，四层结构中的各层之间结合紧密，并且该四层结构与上层的内电极、以及下层的绝缘层的结合力也较高，使得片式氧传感器各层之间结合紧密，从而提高片式氧传感器的密封性和抗热震性。

实施例2

本发明的片式氧传感器具有图3所示的优选实施方式。

如图3所示，所述氧化锆敏感基体2采用纳米氧化锆薄层。外电极11与多孔保护层1之间还设有共烧平衡层7。所述共烧平衡层7用于抑制片式氧传感器在共烧过程中产生翘曲分离等现象。共烧平衡层7上正对多孔保护层1的位置具有微孔71。汽车排气从多孔保护层1渗透至共烧平衡层7表面，然后穿过共烧平衡层7表的微孔71，到达外电极11表面。外电极11检测汽车排气中的氧含量，内电极12检测参比气中氧含量，通过氧含量浓度差产生电信号，并反馈给汽车ECU。

本实施例的片式氧传感器中氧化锆敏感基体采用纳米氧化锆薄层，纳米氧化锆温度达到300℃已具有高电导率，大大缩短片式氧传感器的响应时间，提高片式氧传感器的灵敏度。而共烧平衡层能增强片式氧传感器的抗弯强度，保证片式氧传感器的密封性和抗热震性。

Claims

1.一种片式氧传感器，所述片式氧传感包括加热体和加热体上部的测氧体；

其特征在于，所述测氧体从下至上依次包括氧气还原电极、氧离子扩散层、氧气析出电极、氧气扩散层、电解质层和多孔保护层；氧离子扩散层的下表面上具有参比气引入孔，参比气引入孔与大气连通；

其中，氧气还原电极用于将参比气引入孔中的氧气还原成氧离子；氧离子扩散层用于氧离子的渗透；氧气析出电极用于将氧离子氧化成氧气；氧气扩散层用于氧气的渗透；

片式氧传感器与汽车排气接触的一端为头部；所述参比气引入孔位于氧离子扩散层上远离片式氧传感器头部的一端；

所述氧气还原电极具有两个电极片，两电极片之间引线连接；其中一个电极片位于片式氧传感器头部的一端，另一个电极片位于参比气引入孔下方；

所述电解质层包括氧化锆感应基体和分别位于氧化锆感应基体上、下表面的外电极、内电极。

2.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，所述氧气还原电极中含有铂、氧化锆和氧化铈；氧离子扩散层中含有氧化铈、氧化锆和氧化铝；氧气析出电极中含有铂、氧化锆和氧化铝；氧气扩散层中含有氧化铝、氧化镁、氧化钙。

3.根据权利要求1或2所述的片式氧传感器，其特征在于，氧气还原电极的厚度为10-15um，氧离子扩散层的厚度为25-35um，氧气析出电极的厚度为5-10um，氧气扩散层的厚度为40-50um。

4.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，内电极的下表面与氧气扩散层接触；多孔保护层位于外电极上方，用于保护外电极。

5.根据权利要求4所述的片式氧传感器，其特征在于，所述外电极、内电极中均含有铂、氧化锆和氧化铝；多孔保护层中含有镁铝尖晶石、氧化锆、氧化铝、氧化镁。

6.根据权利要求4或5所述的片式氧传感器，其特征在于，外电极、内电极的厚度均为5-15um，多孔保护层的厚度为50-80um。

7.根据权利要求4所述的片式氧传感器，其特征在于，所述氧化锆感应基体为纳米氧化锆薄层；所述外电极与多孔保护层之间还含有共烧平衡层，共烧平衡层上正对多孔保护层的位置具有微孔结构；所述共烧平衡层用于抑制片式氧传感器烧结翘曲。

8.根据权利要求7所述的片式氧传感器，其特征在于，纳米氧化锆薄层的厚度为5-50μm，其中氧化锆的粒径为20-50nm；所述共烧平衡层中含有氧化铝、氧化镁和氧化钙，共烧平衡层的厚度为30-50um。

9.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，所述加热体包括两个绝缘层和夹持于两绝缘层间的加热电极；两个绝缘层分别记为上绝缘层和下绝缘层，其中上绝缘层与氧气还原电极的下表面接触。

10.根据权利要求9所述的片式氧传感器，其特征在于，所述上绝缘层、下绝缘层中均含有氧化铝、氧化镁和氧化钙；加热电极中含有铂、氧化锆和氧化铝。

11.根据权利要求9或10所述的片式氧传感器，其特征在于，上绝缘层、下绝缘层的厚度均为20-40um，加热电极的厚度为5-10um。