CN103257170B - 一种轻便型管式宽域氧传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻便型管式宽域氧传感器及其制作方法，它包括U型氧化锆管，U型氧化锆管的内壁上设置有泵电池内电极以及测量电池内电极，氧化锆管的外壁上设置有泵电池外电极以及测量电池外电极，U型氧化锆管的侧壁上开设有连通泵电池内电极和泵电池外电极的小孔，小孔内填充Al2O3多孔扩散障。本发明的有益效果是：采用注塑工艺一次成型所需的U型氧化锆管，然后在U型氧化锆管生坯上印刷电极、涂层等，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，并具有结构简单、使用方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻便型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U型氧化锆管、外U型氧化锆管和加热棒，内U型氧化锆管的外表面和外U型氧化锆管的内表面相互吻合，内U型氧化锆管和外U型氧化锆管叠加后在其顶端留有扩散腔，内U型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U型氧化锆管的外表面设置测量电极，且与外U型氧化锆管的内表面相切形成泵电池的内电极，外U型氧化锆管的外表面设置泵电池外电极，外U型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U型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U型氧化锆管结合部会留下难以密封的缝隙，且内外U型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轻便型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：一种轻便型管式宽域氧传感器，它包括U型氧化锆管，U型氧化锆管的内壁上设置有泵电池内电极以及测量电池内电极，氧化锆管的外壁上设置有泵电池外电极以及测量电池外电极，U型氧化锆管的侧壁上开设有连通泵电池内电极和泵电池外电极的小孔，小孔内填充Al2O3多孔扩散障，U型氧化锆管上端设置有隔板，隔板位于测量电池内电极的上方，隔板与U型氧化锆管的内壁形成测试腔，泵电池外电极的外表面覆盖有多孔保护层，泵电池内电极和泵电池外电极形成泵电池，测量电池内电极和测量电池外电极形成测量电池。
一种轻便型管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑U型氧化锆管：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U型氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、U型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U型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：在小孔内侧用微笔直写技术印刷泵电池内电极，在U型氧化锆管内壁上印刷测量电池内电极，然后在小孔内填充Al2O3多孔扩散障，最后在小孔外侧印刷泵电池外电极以及在U型氧化锆管外壁上印刷测量电池外电极；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法在泵电池外电极的外表面印刷多孔保护层；
（6）、完成上述各步后，将加工的U型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U型氧化锆管，然后在U型氧化锆管生坯上印刷电极、涂层等，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，并具有结构简单、使用方便的特点。
附图说明
图1为本发明的第一种结构示意图；
图2为图1中A-A向的剖面示意图；
图3为本发明U型氧化锆管的结构示意图；
图4为本发明的第二种结构示意图；
图5为本发明的第三种结构示意图；
图6为本发明的第四种结构示意图；
图7为本发明的第五种结构示意图。
其中，1-U型氧化锆管，2-泵电池内电极，3-测量电池内电极，4-泵电池外电极，5-测量电池外电极，6-小孔，7-多孔保护层，8-Al2O3多孔扩散障，9-测试腔，10-隔板。
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、图2，一种轻便型管式宽域氧传感器，它包括U型氧化锆管1，U型氧化锆管1的内壁上设置有泵电池内电极2以及测量电池内电极3，氧化锆管1的外壁上设置有泵电池外电极4以及测量电池外电极5，U型氧化锆管1的侧壁上开设有连通泵电池内电极2和泵电池外电极4的小孔6，小孔6内填充Al2O3多孔扩散障8，U型氧化锆管1上端设置有隔板10，隔板10位于测量电池内电极3的上方，隔板10与U型氧化锆管1的内壁形成测试腔9，泵电池外电极4的外表面覆盖有多孔保护层7，泵电池内电极2和泵电池外电极4形成泵电池，测量电池内电极3和测量电池外电极5形成测量电池，其中，测量电池外电极5和测量电池内电极3同一侧且位于隔板10的上方。
所述的多孔保护层7为MgAl2O4保护层。
如图4，本发明的第二种结构，即将测量电池外电极5安装在隔板10的上表面位置，其它的布置形式如第一种结构。
如图5，本发明的第三种结构，即将测量电池外电极5移到测量电池内电极3对面的斜上方位置，其它的布置形式如第一种结构。
如图6，本发明的第四种结构，即将泵电池内电极2和泵电池外电极4移到U型氧化锆管1的底端位置，其它的布置形式如第一种结构
如图7，本发明的第五种结构，即将测量电池内电极3变成螺旋状，增加其感应面积，其它的布置形式如第四种结构。
本管式宽域氧传感器的工作原理如下：当一个测试周期开始时ECU测试测量电池内电极3和测量电池外电极5之间的电压，如果该电压低于0.5V，说明燃油为稀燃烧，ECU输出喷油指令的信号动作多喷油，同时泵电池将测试腔9内的氧气泵出，使测试腔9内氧气浓度达到理论空燃比的浓度；如果该电压高于0.5V，说明燃油为浓燃烧，ECU输出喷油指令的信号动作少喷油，同时泵电池向测试腔9内泵入氧气，使C内氧气浓度达到理论空燃比的浓度；如果该电压等于0.5V，说明处于理论空燃比，泵电池不动作。稀燃烧和浓燃烧时泵电池形成泵电流Ip，泵电流正负是浓稀的表现，大小是其浓稀程度的表现，所以通过Ip的大小和方向的计算ECU可以获取精确的喷油指令。
实施例1
一种轻便型管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑U型氧化锆管：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U型氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、U型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U型氧化锆管上钻一个直径为100微米的小孔；
（4）、印刷电极：在小孔6内侧用微笔直写技术印刷泵电池内电极2，在U型氧化锆管内壁上印刷测量电池内电极3，然后在小孔6内填充Al2O3多孔扩散障8，最后在小孔6外侧印刷泵电池外电极4以及在U型氧化锆管外壁上印刷测量电池外电极5；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法在泵电池外电极4的外表面印刷多孔保护层7；
（6）、完成上述各步后，将加工的U型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
一种轻便型管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑U型氧化锆管：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U型氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、U型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U型氧化锆管上钻一个直径为200微米的小孔；
（4）、印刷电极：在小孔6内侧用微笔直写技术印刷泵电池内电极2，在U型氧化锆管内壁上印刷测量电池内电极3，然后在小孔6内填充Al2O3多孔扩散障8，最后在小孔6外侧印刷泵电池外电极4以及在U型氧化锆管外壁上印刷测量电池外电极5；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法在泵电池外电极4的外表面印刷多孔保护层7；
（6）、完成上述各步后，将加工的U型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
一种轻便型管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑U型氧化锆管：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U型氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、U型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U型氧化锆管上钻一个直径为300微米的小孔；
（4）、印刷电极：在小孔6内侧用微笔直写技术印刷泵电池内电极2，在U型氧化锆管内壁上印刷测量电池内电极3，然后在小孔6内填充Al2O3多孔扩散障8，最后在小孔6外侧印刷泵电池外电极4以及在U型氧化锆管外壁上印刷测量电池外电极5；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法在泵电池外电极4的外表面印刷多孔保护层7；
（6）、完成上述各步后，将加工的U型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
一种轻便型管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑U型氧化锆管：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U型氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、U型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U型氧化锆管上钻一个直径为150微米的小孔；
（4）、印刷电极：在小孔6内侧用微笔直写技术印刷泵电池内电极2，在U型氧化锆管内壁上印刷测量电池内电极3，然后在小孔6内填充Al2O3多孔扩散障8，最后在小孔6外侧印刷泵电池外电极4以及在U型氧化锆管外壁上印刷测量电池外电极5；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法在泵电池外电极4的外表面印刷多孔保护层7；
（6）、完成上述各步后，将加工的U型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
一种轻便型管式宽域氧传感器的制作方法，它包含以下步骤：
（1）、注塑U型氧化锆管：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U型氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、U型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U型氧化锆管上钻一个直径为250微米的小孔；
（4）、印刷电极：在小孔6内侧用微笔直写技术印刷泵电池内电极2，在U型氧化锆管内壁上印刷测量电池内电极3，然后在小孔6内填充Al2O3多孔扩散障8，最后在小孔6外侧印刷泵电池外电极4以及在U型氧化锆管外壁上印刷测量电池外电极5；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法在泵电池外电极4的外表面印刷多孔保护层7；
（6）、完成上述各步后，将加工的U型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 (3)
1.一种轻便型管式宽域氧传感器，其特征在于：它包括U型氧化锆管（1），U型氧化锆管（1）的内壁上设置有泵电池内电极（2）以及测量电池内电极（3），氧化锆管（1）的外壁上设置有泵电池外电极（4）以及测量电池外电极（5），U型氧化锆管（1）的侧壁上开设有连通泵电池内电极（2）和泵电池外电极（4）的小孔（6），小孔（6）内填充Al2O3多孔扩散障（8），U型氧化锆管（1）上端设置有隔板（10），隔板（10）位于测量电池内电极（3）的上方，隔板（10）与U型氧化锆管（1）的内壁形成测试腔（9），泵电池外电极（4）的外表面覆盖有多孔保护层（7），泵电池内电极（2）和泵电池外电极（4）形成泵电池，测量电池内电极（3）和测量电池外电极（5）形成测量电池。
2.根据权利要求1所述的轻便型管式宽域氧传感器，其特征在于：所述的多孔保护层（7）为MgAl2O4保护层。
3.一种轻便型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U型氧化锆管：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U型氧化锆管生坯，所述的晶粒生长控制为Al2O3；
（2）、U型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U型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：在小孔（6）内侧用微笔直写技术印刷泵电池内电极（2），在U型氧化锆管内壁上印刷测量电池内电极（3），然后在小孔（6）内填充Al2O3多孔扩散障（8），最后在小孔（6）外侧印刷泵电池外电极（4）以及在U型氧化锆管外壁上印刷测量电池外电极（5）；
（5）、涂层：待各电极印刷完成后，用喷涂法在泵电池外电极（4）的外表面印刷多孔保护层（7）；
（6）、完成上述各步后，将加工的U型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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