CN102411018B

CN102411018B - 一种片式氧传感器

Info

Publication number: CN102411018B
Application number: CN201010289133.7A
Authority: CN
Inventors: 郭聪; 陈福平; 李华; 向其军
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: CN102411018A

Abstract

本发明提供了一种片式氧传感器，所述片式氧传感从下至上依次包括加热层、参比气层和传感层；传感层包括氧化锆敏感基体和分别位于氧化锆敏感基体上、下表面的测试电极、参比电极；测试电极包括电极片、引线和引脚；其中，测试电极的引线、引脚与氧化锆敏感基体之间具有纳米隔绝层，用于防止测试电极的引线、引脚与氧化锆敏感基体直接接触。本发明的片式氧传感器，通过隔绝层消除杂波，较大地提高了灵敏度。

Description

一种片式氧传感器

技术领域

本发明属于汽车氧传感器领域，尤其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，检测尾气中氧的浓度，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。

现有技术中的片式氧传感器，一般为多层叠层结构，下方为加热体，上方为测氧体，测氧体从下至上包括参比气基片、参比电极、氧化锆基体、测试电极和多孔保护层。片式氧传感器的头部与汽车尾气接触，测试电极的电极片测量汽车尾气中的氧含量，通过引线和引脚将数据传送至片式氧传感器的尾部，并反馈给ECU。由于引线、引脚与电极片同质，在复杂的尾气环境中，容易产生杂波，从而影响测试信号的准确性，从而降低片式氧传感器的灵敏度。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的测试电极引线、引脚产生杂波，降低片式氧传感器灵敏度的技术问题。

本发明提供了一种片式氧传感器，所述片式氧传感从下至上依次包括加热层、参比气层和传感层；传感层包括氧化锆敏感基体和分别位于氧化锆敏感基体上、下表面的测试电极、参比电极；测试电极包括电极片、引线和引脚；

其中，测试电极的引线、引脚与氧化锆敏感基体之间具有纳米隔绝层，用于防止测试电极的引线、引脚与氧化锆敏感基体直接接触。

本发明的片式氧传感器，通过在测试电极的引脚、引线下设置一层纳米隔绝层，能有效防止纳米隔绝层两侧带电颗粒的定向移动，从而可消除杂波影响，修正信号并增强信号的稳定性，从而提高片式氧传感器的灵敏度。

具体实施方式

本发明的片式氧传感器，在测试电极的引脚、引线下设置一层纳米隔绝层，位于氧化锆敏感基体表面，所述纳米隔绝层致密度非常高，内部载流子少，防止了测试电极引线、引脚与氧化锆敏感基体直接接触，从而有效阻止纳米隔绝层两侧的带电颗粒的定向移动，从而可消除杂波影响，修正信号并增强信号的稳定性。优选情况下，所述纳米隔绝层中含有纳米氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化钛和氧化铬。

所述纳米氧化铝的粒径为30-50nm，比表面积为5-10m²/g。纳米级的氧化铝由于粒径小，在与氧化锆基体共烧结时能够形成成熟致密的晶粒组织。本发明的纳米隔绝层中含有的掺杂氧化物：氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化钛和氧化铬，共烧时形成玻璃相，填充于缝隙和闭孔之间，保证纳米隔绝层的致密度；另外，氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化钛和氧化铬保证纳米隔绝层的强度，并加强纳米隔绝层与氧化锆敏感基体之间的结合。

以隔绝层的总质量为基准，纳米氧化铝的含量为90-96wt%，氧化硅的含量为1.5-3wt%，氧化镁的含量为1-2.5wt%，氧化钙的含量为0.2-1wt%，氧化钛的含量为1-3wt%，氧化铬的含量为0.3-2wt%。

本发明中，纳米隔绝层的厚度不需太大，否则会导致片式氧传感器因热膨胀系数的差异而产生弯曲变形。优选情况下，纳米隔绝层的厚度为5-12μm。所述纳米隔绝层的厚度通过电子扫描电镜检测。

作为本领域技术人员的公知常识，传感层的上方还设有多孔保护层，多孔保护层覆盖于测试电极的电极片上方，用于防止测试电极中毒。所述多孔保护层的材料为本领域技术人员所公知，一般采用铝尖晶石微粉，该铝尖晶石微粉为本领域的技术人员公知的用于制备氧传感器的多孔保护层的材料，可商购。

测试电极的引线如果直接暴露于汽车尾气中，易受到汽车尾气的侵蚀，引起片式氧传感器内阻变化，降低测试电极引线传输信号的效率；而片式片传感器在封装时，测试电极的引线与密封陶瓷件直接接触，易被密封陶瓷件夹断或夹坏。因此，作为本发明的一种优选实施方式，测试电极的引线上方还设有一层氧化锆层。该氧化锆层，一方面可阻挡汽车尾气直接侵蚀测试电极引线；另一方面，增加片式氧传感器的机械强度和耐磨性，防止其在封装过程中被密封陶瓷件夹断，增加了片式氧传感器的抗热震性。所述氧化锆层的厚度为4-10μm；氧化锆层中ZrO₂的含量为92-97wt%。所述氧化锆层的厚度通过电子扫描电镜检测。

本发明中，对加热层、参比气层和传感层的厚度没有特殊限定，在本领域技术人员的常用范围内即可。例如，加热层的厚度为110-200μm，参比气层的厚度为110-180μm，氧化锆敏感基体的厚度为110-180μm。

所述传感层的氧化锆敏感基体、测试电极和参比电极的材料为本领域技术人员所公知。例如，氧化锆敏感基体采用氧化锆薄片，测试电极和参比电极均采用铂电极。

本发明中，纳米隔绝层位于氧化锆敏感基体和测试电极之间，因此制备方法可在现有的制备传感层的方法上作适当改进，具体可包括以下步骤：

先采用现有技术中的方法在氧化锆流延片的一面印刷参比电极，另一面印刷纳米隔绝层浆料，其图案完全衬托住即将印刷的测试电极的引线、引脚即可；然后，在干燥好的纳米隔绝层的上方继续印刷测试电极的引线、引脚，在氧化锆敏感基体上未印刷纳米隔绝层区域印刷测试电极的电极片，且保证引线与电极片导通，即可形成完整的测试电极。其中，纳米隔绝层浆料为含有纳米氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化钛、氧化铬以及粘结剂、溶剂的有机浆料；所述粘结剂、溶剂与测试电极浆料所采用的粘结剂、溶剂相同即可。最后，在测试电极的电极片上继续印刷多孔保护层浆料，干燥即可形成多孔保护层。

优选情况下，在测试电极的引线表面继续印刷氧化锆浆料，覆盖住测试电极引线，即可在测试电极的引线上形成氧化锆层。所述氧化锆浆料为含有氧化锆、粘结剂和溶剂的有机浆料；所述粘结剂、溶剂也采用与测试电极浆料中相同的粘结剂、溶剂。

所述参比气层的结构为本领域技术人员所公知，具体地，参比气层上设有参比气通道，参比电极位于参比气通道中，与大气连通。所述参比气层通过在氧化锆流延片上切割参比气通道得到，切割的方式可为激光切割或冲切。

加热层的结构和材料为本领域技术所公知，具体地，加热层包括加热器基体和加热器基体上的绝缘层，绝缘层内夹持有加热电极。加热器基体为氧化锆流延基片，使得加热层能与上层的参比气层、传感层同质，从而实现紧密结合；氧化锆还能保证加热层的机械强度，防止片式氧传感器共烧时产生翘曲分层现象。绝缘层为本领域技术人员常见的氧化铝层，加热电极为铂电极。加热层的制备方法为在氧化锆流延片上依次印刷绝缘层浆料、铂电极和绝缘层浆料，干燥后即可得到。

以下结合实施例对本发明做进一步解释说明。

实施例1

在氧化锆流延片的一面印刷参比电极，另一面印刷纳米隔绝层，其图案完全衬托住即将印刷的测试电极引线引脚即可；干燥后，在纳米隔绝层上继续印刷测试电极的引线、引脚，在氧化锆敏感基体上未印刷纳米隔绝层区域印刷测试电极的电极片，且保证引线与电极片导通，形成完整的测试电极；干燥后，在测试电极的电极片上方继续印刷多孔保护层，在测试电极的引线上方印刷氧化锆层（氧化锆层中ZrO₂含量为97wt%），得到第一片层；纳米隔绝层中，纳米氧化铝（平均粒径为40nm，比表面积为8m²/g）的含量为92wt%，氧化硅的含量为2wt%，氧化镁的含量2wt%，氧化钙的含量为0.5wt%，氧化钛的含量为2wt%，氧化铬的含量为1.5wt%。

氧化锆流延片上切割参比气通道，制备参比气层，作为第二片层；在氧化锆流延片上依次印刷绝缘层、铂电极和绝缘层，干燥后得到加热层，作为第三片层；将第三片层、第二片层、第一片层按从下至上的顺序叠层压合，其中第三片层的绝缘层向上，第一片层的多孔保护层向上；排胶烧结后，得到本实施例的片式氧传感器样品，记为A1。

实施例2

采用与实施例1相同的方法制备片式氧传感器样品A2，不同之处在于：

纳米隔绝层中，纳米氧化铝（平均粒径为30nm，比表面积为10m²/g）的含量为90wt%，氧化硅的含量为3wt%，氧化镁的含量2wt%，氧化钙的含量为1wt%，氧化钛的含量为2wt%，氧化铬的含量为2wt%。

实施例3

采用与实施例1相同的方法制备片式氧传感器样品A3，不同之处在于：

纳米隔绝层中，纳米氧化铝（平均粒径为50nm，比表面积为5m²/g）的含量为96wt%，氧化硅的含量为1wt%，氧化镁的含量2wt%，氧化钛的含量为1wt%。

实施例4

采用与实施例1相同的方法制备片式氧传感器样品A4，不同之处在于：在氧化锆流延片一面印刷参比电极，另一面印刷纳米隔绝层；在纳米隔绝层上印刷测试电极的引线、引脚，在氧化锆敏感基体上未印刷纳米隔绝层区域印刷测试电极的电极片，且保证引线与电极片导通，形成完整的测试电极；在测试电极的电极片上继续印刷多孔保护层；得到第一片层。

对比例1

在氧化锆流延片一面印刷参比电极，另一面印刷测试电极；在测试电极的电极片上继续印刷多孔保护层，得到第一片层；氧化锆流延片上切割参比气通道，制备参比气层，作为第二片层；在氧化锆流延片上依次印刷绝缘层、铂电极和绝缘层，干燥后得到加热层，作为第三片层；将第三片层、第二片层、第一片层按从下至上的顺序叠放，其中第三片层的绝缘层向上，第一片层的多孔保护层向上；叠层排胶烧结后，得到本对比例的片式氧传感器样品，记为DA1。

性能测试：

1、灵敏度测试：采用汽车行业标准QC/T803.1-2008公开的方法测试A1-A4和DA1的响应时间。测试结果如表1所示。

2、抗热震性测试：将片式氧传感器样品A1-A4和DA1升温至700℃，保温30min，然后放入水中急剧冷却，检测多孔保护层是否出现裂纹或者脱落；若未脱落，记为1次；重复试验操作，样品破坏即停止；若重复实验40次样品仍完好，停止实验。重复实验，记录实验次数。测试结果如表1所示。

表1

Figure 2010102891337100002DEST_PATH_IMAGE001

。

从表4的测试结果可以看出，本发明实施例的片式氧传感器A1-A4的响应时间在10ms以内（300-600mv），而DA1的响应时间为20.7ms（300-600mv），说明本发明的片式氧传感器的灵敏度较高。

A1-A3与A4的测试结果比较，说明采用本发明的优选实施方式，即在测试电极的引线上方还设有氧化锆层时，能提高片式氧传感器的抗热震性，延长片式氧传感器的使用寿命。

Claims

1.一种片式氧传感器，所述片式氧传感器从下至上依次包括加热层、参比气层和传感层；传感层包括氧化锆敏感基体和分别位于氧化锆敏感基体上、下表面的测试电极、参比电极；测试电极包括电极片、引线和引脚；

其特征在于，测试电极的引线、引脚与氧化锆敏感基体之间具有纳米隔绝层，用于防止测试电极的引线、引脚与氧化锆敏感基体直接接触；所述纳米隔绝层中含有纳米氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化钛和氧化铬。

2.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，所述纳米氧化铝的平均粒径为30-50nm，比表面积为5-10m²/g。

3.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，以隔绝层的总质量为基准，纳米氧化铝的含量为90-96wt%，氧化硅的含量为1.5-3wt%，氧化镁的含量为1-2.5wt%，氧化钙的含量为0.2-1wt%，氧化钛的含量为1-3wt%，氧化铬的含量为0.3-2wt%。

4.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，纳米隔绝层的厚度为5-12μm。

5.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，传感层上方还设有多孔保护层，多孔保护层覆盖于测试电极的电极片上方。

6.根据权利要求5所述的片式氧传感器，其特征在于，测试电极的引线上方具有氧化锆层，氧化锆层的厚度为4-10μm；氧化锆层中ZrO₂的含量为92-97%。

7.根据权利要求1所述的片式氧传感器，其特征在于，加热层的厚度为110-200μm，参比气层的厚度为110-180μm，氧化锆敏感基体的厚度为110-180μm。

8.根据权利要求1或7所述的片式氧传感器，其特征在于，参比气层上设有参比气通道；参比电极位于参比气通道中，且与大气连通。

9.根据权利要求1或7所述的片式氧传感器，其特征在于，加热层包括加热器基体和加热器基体上的绝缘层，绝缘层内夹持有加热电极。