CN103257162A - 一种管式宽域氧传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管式宽域氧传感器及其制作方法，它包括氧化锆管，氧化锆管中设置有气体测试腔,氧化锆管上端的内壁上设置有测试泵内电极、参比电池内电极以及测量电池内电极，氧化锆管上端的外壁上设置有测试泵外电极以及公用外电极。本发明的有益效果是：采用注塑工艺一次成型所需的氧化锆管，然后在氧化锆管生坯上印刷电极、引线、保护层、多孔层、电极覆盖层等各层，然后经一步烧结形成管式宽域氧传感器，提高了传感器的加热效率和启动速度，减少了使用成本，同时了增加宽域氧传感器的精确性。

Description

一种管式宽域氧传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种管式宽域氧传感器及其制作方法，属于汽车氧传感器技术领域。
背景技术
随着对汽车尾气排放要求的不断提高，传统的开关型氧传感器已不能满足高排放标准的要求，取而代之的是控制精度更高的线性宽域氧传感器。
宽域氧传感器（Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor，简称UEGO）能够提供准确的空燃比反馈信号给ECU，从而ECU精确地控制喷油时间，使气缸内混和气浓度始终保持理论空燃比值。宽域氧传感器的使用提高了ECU的控制精度，最大限度地发挥了三元催化器的作用，更加有效地降低了有害气体的排放。宽域氧传感器及其控制器的研究与开发，与当今汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合，具有一定的现实和长远意义。
目前的宽域氧传感器专利主要集中于多层叠压和共烧工艺，其主要技术要点为，首先通过浆料工艺制作固体电解质5Y-ZrO2生坯和导电浆料；然后通过丝网印刷工艺将电极和引线印刷于固体电解质生坯的表面；接着将印刷好的固体电解质生坯叠压在一起；最后置于烧结炉中焙烧成成品。多层叠压和共烧工艺可以获得迅速响应的宽域氧传感器，然而不足之处是这种工艺良率不高，浆料工艺对后续产品质量的影响非常大，在叠压和焙烧过程会产生大量的次品。
专利CN102140954涉及一种管式双电池型宽域氧传感器。它包括内氧化锆管、外氧化锆管和加热棒，内氧化锆管的外表面和外氧化锆管的内表面相互吻合，内氧化锆管和外氧化锆管叠加后在其顶端留有扩散腔，内氧化锆管的内表面设有参比气体通道，参比气体通道设置铂电极形成参比电极，内氧化锆管的外表面设置测量电极，且与外氧化锆管的内表面相切形成泵电池的内电极，外氧化锆管的外表面设置泵电池外电极，外氧化锆管的顶部开有小孔，并设有填充扩散层的扩散障碍孔，外氧化锆管的外层设置多孔外电极保护层。该专利所披露的技术特征显示，在内外氧化锆管结合部会留下难以密封的缝隙，且内外氧化锆管的热膨胀率不完全相同会使裂缝扩大，结果空气进入腔室和尾气相混合，使氧传感器的输出严重偏离正常值。另外，在该专利中，加热电极被插入管中提供氧离子导通所必需的温度，加热电极与管之间存在一定的间隙，间隙中是空气，空气是热的不良导体，所以这种方案的加热效率较低，启动速度较慢，为了达到足够的加热效率，往往需要采取大功率的加热电压，这也是不经济的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管式宽域氧传感器及其制作方法，能提高传感器的加热效率和启动速度，减少使用成本，同时增加宽域氧传感器的精确性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种管式宽域氧传感器，它包括氧化锆管，氧化锆管中设置有气体测试腔,氧化锆管上端的内壁上设置有测试泵内电极、参比电池内电极以及测量电池内电极，氧化锆管上端的外壁上设置有测试泵外电极以及公用外电极，测试泵内电极和测量电池内电极相隔180°分布，参比电池内电极和测量电池内电极同侧且位于测量电池内电极的下方，氧化锆管下端的设置有与氧化锆管紧密接触的加热电极，测试泵外电极和测试泵内电极形成测试泵电池，公用外电极和参比电池内电极形成参比电池，公用外电极和测量电池内电极形成测量电池，氧化锆管的内壁上设置有位于公用外电极和参比电池内电极之间且连通公用外电极和参比电池内电极的扩散微孔，其中，测试泵外电极的外表面覆盖有多孔保护层A，测试泵内电极、测量电池内电极以及参比电池内电极的外表面均覆盖有多孔保护层B,公用外电极的外表面覆盖有无孔保护层,加热电极外表面以及加热电极与氧化锆管之间覆盖有绝缘层。
所述的多孔保护层A为MgAl2O4保护层。
所述的多孔保护层B由纳米Al2O3浆料烧制而成。
所述的无孔保护层由Al2O3和SiO2的混合烧结物烧制而成。
所述的绝缘层为Al2O3绝缘层。
一种管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑氧化锆管：按质量百分比为ZrO265-75%、晶粒生长控制5-12%和注塑流动剂15-25%进行固体电解质配料，然后注塑一次成型得到氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3，注塑流动剂才采用有机树脂；
（2）、氧化锆管生坯用冷水冷却下来以后，在三氯乙烯溶剂中萃取2-5小时，萃取温度为60-100℃；
（3）、待萃取完成后，在氧化锆管上钻一个直径为100-300微米的扩散微孔；
（4）、印刷电极：在扩散微孔内外侧用微笔直写技术印刷公用外电极、参比电池内电极以及测量电池内电极，在参比电池内电极相对180°的位置印刷测试泵外电极和测试泵内电极；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法依次在测试泵外电极的外表面印刷多孔保护层A，在测试泵内电极、测量电池内电极以及参比电池内电极的外表面印刷多孔保护层B,在公用外电极的外表面印刷无孔保护层;
（6）、印刷加热电极：氧化锆管下端先喷涂一层Al2O3绝缘层，然后印刷加热电极，再喷涂一层Al2O浆料；
（7）、完成上述各步后，将加工的氧化锆管生坯置于马弗炉中以不低于1200℃高温焙烧2-5小时后成型。
本发明的有益效果在于：采用注塑工艺一次成型所需的氧化锆管，然后在氧化锆管生坯上印刷电极、引线、保护层、多孔层、电极覆盖层等各层，然后经一步烧结形成管式宽域氧传感器，提高了传感器的加热效率和启动速度，减少了使用成本，同时了增加宽域氧传感器的精确性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1-氧化锆管，2-测试泵电池，3-参比电池，4-测量电池，5-加热电极，6-扩散微孔，7-多孔保护层A，8-多孔保护层B，9-无孔保护层，10-绝缘层，11-气体测试腔，21-测试泵外电极，22-测试泵内电极，31-公用外电极，32-参比电池内电极，42-测量电池内电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1，一种管式宽域氧传感器，它包括氧化锆管1，氧化锆管1中设置有气体测试腔11,氧化锆管1上端的内壁上设置有测试泵内电极22、参比电池内电极32以及测量电池内电极42，氧化锆管1上端的外壁上设置有测试泵外电极21以及公用外电极31，测试泵内电极22和测量电池内电极42相隔180°分布，参比电池内电极32和测量电池内电极42同侧且位于测量电池内电极42的下方，氧化锆管1下端的设置有与氧化锆管1紧密接触的加热电极5，测试泵外电极21和测试泵内电极22形成测试泵电池2，公用外电极31和参比电池内电极32形成参比电池3，公用外电极31和测量电池内电极42形成测量电池4，氧化锆管1的内壁上设置有位于公用外电极31和参比电池内电极32之间且连通公用外电极31和参比电池内电极32的扩散微孔6，其中，测试泵外电极21的外表面覆盖有多孔保护层A7，测试泵内电极22、测量电池内电极42以及参比电池内电极32的外表面均覆盖有多孔保护层B8,公用外电极31的外表面覆盖有无孔保护层9,加热电极5外表面以及加热电极5与氧化锆管1之间覆盖有绝缘层10。
测试泵电池2负责将氧气从尾气泵入或泵出氧化锆管1的气体测试腔11，参比电池3上设置无孔保护层9，以便在参比电池的外电极与覆盖物之间的空间内形成恒定的氧分压作为测量电池的参比氧，同时，扩散微孔6将公用外电极31与无孔保护层9之间的空间内的氧气导入气体测试腔11；测量电池4具有独立的内电极，外电极与参比电池的外电极公用；加热电极5直接在氧化锆管上加热，所以具备非常高的加热速率，可以迅速使传感器启动，多孔保护层A7和多孔保护层B8的孔隙率和孔径受到严格的控制，根据实际使用需要调整。
本管式宽域氧传感器的工作原理如下：汽车尾气可以直接进入气体测试腔11，在多孔保护层B的作用下分别扩散至测试泵内电极22、测量电池内电极42以及参比电池内电极32的附近。在公用外电极31和参比电池内电极32之间加上一个450mv恒压，该电压将参比电池内电极32附近的O2泵到公用外电极31附近，当ECU检测到公用外电极31附近的O2分压达到合适的要求时就会启动测量电池内电极42和公用外电极31形成测量电池4，测量电池4以公用外电极31附近的O2为参照，测量参比电池内电极32和测量电池内电极42附近的的O2浓度，测试输出为电压值，符合能斯特方程，系统测试值与测量参比电池内电极32和公用外电极31之间的450mv恒压对比。如果发现测试值小于450mv，说明为浓燃烧，ECU就会指令启动测试泵电池2向气体测试腔11泵入O2；如果发现测试值大于450mv，说明为稀燃烧，ECU就会指令启动测试泵电池2向外泵出O2。泵氧的外加电流Ip体现了尾气浓度的变化，所以可以作为指导ECU输出喷油指令的信号。
所述的多孔保护层A7为MgAl2O4保护层。
所述的多孔保护层B8由纳米Al2O3浆料烧制而成。
所述的无孔保护层9由Al2O3和SiO2的混合烧结物烧制而成。
所述的绝缘层10为Al2O3绝缘层。
实施例1
一种管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑氧化锆管：按质量百分比为ZrO265%、晶粒生长控制12%和注塑流动剂23%进行配料，然后注塑一次成型得到氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、氧化锆管生坯用冷水冷却下来以后，在三氯乙烯溶剂中萃取2小时，萃取温度为100℃；
（3）、待萃取完成后，在氧化锆管上钻一个直径为100微米的扩散微孔；
（4）、印刷电极：在扩散微孔内外侧用微笔直写技术印刷公用外电极31、参比电池内电极32以及测量电池内电极42，在参比电池内电极32相对180°的位置印刷测试泵外电极21和测试泵内电极22；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法依次在测试泵外电极21的外表面印刷多孔保护层A7，在测试泵内电极22、测量电池内电极42以及参比电池内电极32的外表面印刷多孔保护层B8,在公用外电极31的外表面印刷无孔保护层9;
（6）、印刷加热电极：氧化锆管下端先喷涂一层Al2O3绝缘层，然后印刷加热电极5，再喷涂一层Al2O浆料；
（7）、完成上述各步后，将加工的氧化锆管生坯置于马弗炉中以1200℃高温焙烧5小时后成型。
实施例2
一种管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑氧化锆管：按质量百分比为ZrO270%、晶粒生长控制10%和注塑流动剂20%进行配料，然后注塑一次成型得到氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、氧化锆管生坯用冷水冷却下来以后，在三氯乙烯溶剂中萃取3小时，萃取温度为80℃；
（3）、待萃取完成后，在氧化锆管上钻一个直径为200微米的扩散微孔；
（4）、印刷电极：在扩散微孔内外侧用微笔直写技术印刷公用外电极31、参比电池内电极32以及测量电池内电极42，在参比电池内电极32相对180°的位置印刷测试泵外电极21和测试泵内电极22；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法依次在测试泵外电极21的外表面印刷多孔保护层A7，在测试泵内电极22、测量电池内电极42以及参比电池内电极32的外表面印刷多孔保护层B8,在公用外电极31的外表面印刷无孔保护层9;
（6）、印刷加热电极：氧化锆管下端先喷涂一层Al2O3绝缘层，然后印刷加热电极5，再喷涂一层Al2O浆料；
（7）、完成上述各步后，将加工的氧化锆管生坯置于马弗炉中以1400℃高温焙烧3小时后成型。
实施例3
一种管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑氧化锆管：按质量百分比为ZrO275%、晶粒生长控制5%和注塑流动剂20%进行配料，然后注塑一次成型得到氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、氧化锆管生坯用冷水冷却下来以后，在三氯乙烯溶剂中萃取5小时，萃取温度为60℃；
（3）、待萃取完成后，在氧化锆管上钻一个直径为300微米的扩散微孔；
（4）、印刷电极：在扩散微孔内外侧用微笔直写技术印刷公用外电极31、参比电池内电极32以及测量电池内电极42，在参比电池内电极32相对180°的位置印刷测试泵外电极21和测试泵内电极22；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法依次在测试泵外电极21的外表面印刷多孔保护层A7，在测试泵内电极22、测量电池内电极42以及参比电池内电极32的外表面印刷多孔保护层B8,在公用外电极31的外表面印刷无孔保护层9;
（6）、印刷加热电极：氧化锆管下端先喷涂一层Al2O3绝缘层，然后印刷加热电极5，再喷涂一层Al2O浆料；
（7）、完成上述各步后，将加工的氧化锆管生坯置于马弗炉中以1300℃高温焙烧4小时后成型。
实施例4
一种管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑氧化锆管：按质量百分比为ZrO267%、晶粒生长控制8%和注塑流动剂25%进行配料，然后注塑一次成型得到氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、氧化锆管生坯用冷水冷却下来以后，在三氯乙烯溶剂中萃取4小时，萃取温度为70℃；
（3）、待萃取完成后，在氧化锆管上钻一个直径为150微米的扩散微孔；
（4）、印刷电极：在扩散微孔内外侧用微笔直写技术印刷公用外电极31、参比电池内电极32以及测量电池内电极42，在参比电池内电极32相对180°的位置印刷测试泵外电极21和测试泵内电极22；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法依次在测试泵外电极21的外表面印刷多孔保护层A7，在测试泵内电极22、测量电池内电极42以及参比电池内电极32的外表面印刷多孔保护层B8,在公用外电极31的外表面印刷无孔保护层9;
（6）、印刷加热电极：氧化锆管下端先喷涂一层Al2O3绝缘层，然后印刷加热电极5，再喷涂一层Al2O浆料；
（7）、完成上述各步后，将加工的氧化锆管生坯置于马弗炉中以1500℃高温焙烧2小时后成型。
实施例5
一种管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑氧化锆管：按质量百分比为ZrO273%、晶粒生长控制12%和注塑流动剂15%进行配料，然后注塑一次成型得到氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、氧化锆管生坯用冷水冷却下来以后，在三氯乙烯溶剂中萃取4.5小时，萃取温度为90℃；
（3）、待萃取完成后，在氧化锆管上钻一个直径为250微米的扩散微孔；
（4）、印刷电极：在扩散微孔内外侧用微笔直写技术印刷公用外电极31、参比电池内电极32以及测量电池内电极42，在参比电池内电极32相对180°的位置印刷测试泵外电极21和测试泵内电极22；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法依次在测试泵外电极21的外表面印刷多孔保护层A7，在测试泵内电极22、测量电池内电极42以及参比电池内电极32的外表面印刷多孔保护层B8,在公用外电极31的外表面印刷无孔保护层9;
（6）、印刷加热电极：氧化锆管下端先喷涂一层Al2O3绝缘层，然后印刷加热电极5，再喷涂一层Al2O浆料；
（7）、完成上述各步后，将加工的氧化锆管生坯置于马弗炉中以1400℃高温焙烧4小时后成型。

Claims (6)

1.一种管式宽域氧传感器，它包括氧化锆管（1），其特征在于：氧化锆管（1）中设置有气体测试腔（11）,氧化锆管（1）上端的内壁上设置有测试泵内电极（22）、参比电池内电极（32）以及测量电池内电极（42），氧化锆管（1）上端的外壁上设置有测试泵外电极（21）以及公用外电极（31），测试泵内电极（22）和测量电池内电极（42）相隔180°分布，参比电池内电极（32）和测量电池内电极（42）同侧且位于测量电池内电极（42）的下方，氧化锆管（1）下端的设置有与氧化锆管（1）紧密接触的加热电极（5），测试泵外电极（21）和测试泵内电极（22）形成测试泵电池（2），公用外电极（31）和参比电池内电极（32）形成参比电池（3），公用外电极（31）和测量电池内电极（42）形成测量电池（4），氧化锆管（1）的内壁上设置有位于公用外电极（31）和参比电池内电极（32）之间且连通公用外电极（31）和参比电池内电极（32）的扩散微孔（6），其中，测试泵外电极（21）的外表面覆盖有多孔保护层A（7），测试泵内电极（22）、测量电池内电极（42）以及参比电池内电极（32）的外表面均覆盖有多孔保护层B（8）,公用外电极（31）的外表面覆盖有无孔保护层（9）,加热电极（5）外表面以及加热电极（5）与氧化锆管（1）之间覆盖有绝缘层（10）。
2.根据权利要求1所述的管式宽域氧传感器，其特征在于：所述的多孔保护层A（7）为MgAl2O4保护层。
3.根据权利要求1所述的管式宽域氧传感器，其特征在于：所述的多孔保护层B（8）由纳米Al2O3浆料烧制而成。
4.根据权利要求1所述的管式宽域氧传感器，其特征在于：所述的无孔保护层（9）由Al2O3和SiO2的混合烧结物烧制而成。
5.根据权利要求1所述的管式宽域氧传感器，其特征在于：所述的绝缘层（10）为Al2O3绝缘层。
6.一种管式宽域氧传感器的制作方法，其特征在于：它包含以下步骤：
（1）、注塑氧化锆管：按质量百分比为ZrO265-75%、晶粒生长控制5-12%和注塑流动剂15-25%进行配料，然后注塑一次成型得到氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、氧化锆管生坯用冷水冷却下来以后，在三氯乙烯溶剂中萃取2-5小时，萃取温度为60-100℃；
（3）、待萃取完成后，在氧化锆管上钻一个直径为100-300微米的扩散微孔；
（4）、印刷电极：在扩散微孔内外侧用微笔直写技术印刷公用外电极（31）、参比电池内电极（32）以及测量电池内电极（42），在参比电池内电极（32）相对180°的位置印刷测试泵外电极（21）和测试泵内电极（22）；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法依次在测试泵外电极（21）的外表面印刷多孔保护层A（7），在测试泵内电极（22）、测量电池内电极（42）以及参比电池内电极（32）的外表面印刷多孔保护层B（8）,在公用外电极（31）的外表面印刷无孔保护层（9）;
（6）、印刷加热电极：氧化锆管下端先喷涂一层Al2O3绝缘层，然后印刷加热电极（5），再喷涂一层Al2O浆料；
（7）、完成上述各步后，将加工的氧化锆管生坯置于马弗炉中以不低于1200℃高温焙烧2-5小时后成型。
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