CN104422724A - 一种氧传感器探头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧传感器探头，属于发动机技术领域，由含有氧化锆的材料制成，其特征在于：包括一个锥形探测体和一个在大端方向的柱形延伸体，延伸体与探测体同轴布置，探测体和延伸体包含一个同轴布置的内腔，内腔在延伸体一端敞口，在探测体一端封闭，探测体的锥度以能够在探测体的内外表面上形成凸凹随机的粗糙度，从而改变探测体内外的比表面积的方式确定。本发明旨在解决现代氧传感器探头粗糙度低以及提高探头粗糙度成本过高的问题，在模具成型阶段通过改变探测体锥角来改变其表面粗糙度，以较低的制造成本使氧传感器探头获得较高的比表面积。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及发动机管理系统，尤其涉及一种燃油喷射闭环控制用氧传感器。
背景技术
氧传感器是实现发动机闭环控制的关键传感器。其中，氧传感器探头是氧传感器的核心部分。
氧传感器探头表面结构涉及到氧传感器的灵敏性和可靠性。目前市场应用最为广泛的氧传感器是以含铱氧化锆材料为电解质的，以铂等材料为电极的锆管型氧传感器。氧传感器的探头分为反应部分和电极引线部分。探头反应部分的基本结构是：包括氧化锆陶瓷机体，在机体的内外表面涂有空隙结构的内外铂电极，外电极外面有一层或者多层孔隙结构的保护层(通常为尖晶石材料)。铂电极涂层和外电极保护层与氧化锆机体材料之间需要有较好的结合力以耐机械和热冲击，铂电极涂层与氧化锆机体材料之间必须保证足够小的接触导电电阻。另外，较高的比表面积有利于提高探头的电化学反应速度。以上两点都与机体材料的表面粗糙度相关，一个质地均匀而又无规则的粗糙表面能够有效地提高外电极及其保护层与机体的结合，也有利于提高比表面积。电极引线部分要求电极与机体材料之间的结合力和抗机械和热冲击性，传感器引线与陶瓷机体之间的结合力将会极大地影响引线端子与内电极之间的导通性能。
氧传感器探头电解质(锆管)的成型通常有软膜等均压和硬模注射两种方法。现有的锆管设计在轴向的锥度考虑，仅仅是是为了出模方便。而这种设计在模具成型阶段都难以获得高比表面积的粗糙表面。美国专利US5160598公开了一种增加表面粗糙度的工艺，粗糙的表面需要成型后再次处理。在模具成型阶段生成粗糙表面的难度在于：在开模取出产品时，通常情况下表面会沿开模方向形成定向的纹路，从而破坏无定向性的随机表面纹理，从而不能够实现增大比表面积的理想效果，也不能起到强化电极与机体材料的结合力。现有的产品设计在模具成型阶段的几何特征如图11所示，其反应区的锥度较小，表面也比较光滑以有利于出模。
除了考虑反应区电极的活性和结合力以外，电极在引线区与机体材料的结合力是一个重要的课题。相对而言，电极引线区表面的光洁度较高，其结合力相对表面比较粗糙的反应区来说要低，现有的工艺在这两个区域的制作工艺上没有特别区分，从而有可能造成引线区的电极与机体之间的结合力不够高的问题。
发明内容
本发明针对现有的问题，之目的在于提供一种在模具成型阶段形成粗糙的内外表面的结构设计，以提高电极与陶瓷机体之间的结合力和提高反应区表面的比表面积，同时提供了一种可靠的电极引线烧结工艺。
本发明的目的通过以下技术方案实现，即，一种氧传感器探头，由含有氧化锆的材料制成，其特征在于：包括一个锥形探测体和一个在大端方向的柱形延伸体，延伸体与探测体同轴布置，探测体和延伸体包含一个同轴布置的内腔，内腔在延伸体一端敞口，在探测体一端封闭，探测体的锥度以能够在探测体的内外表面上形成凸凹随机的粗糙度，从而改变探测体内外的比表面积的方式确定。外表面涂覆有含铂(或含钯、铑等催化金属)的材料形成外电极，内腔表面涂覆有含铂(或含钯、铑等催化金属)的材料形成内电极。
氧传感器探头的机体材料通常是由含铱的氧化锆材料制成，毛坯需要借助模具成型，如果采用轴向开模的方式，锥形探测体的内外表面可以形成具有一定粗糙度的表面，锥度越大，可形成的粗糙度的选择性就越强，所形成的比表面积会越大，同时电极与所属表面的结合力也就越强，进而能够达到本发明之提高电极与陶瓷机体之间的结合力和提高反应区表面的比表面积的目的。
所述氧传感器探头，探测体和延伸体之内外表面之间可保持大致相等的壁厚。为了缩短氧传感器的起燃时间(light-offtime)，可以选择探测体之内外表面之间的壁厚与探测体横截面的大小成正比，这样既不减少探测体整体的结构强度，又能够使得其体积热容减小，壁厚减小，温升加速，从而缩短了其起燃时间。
上述方案中，延伸体之外表面包括一个环状凸台，用于封装限位和密封，或者外电极连接。
上述氧传感器探头，其制备方法包括以下步骤：
a.氧传感器探头预烧的步骤；
b.氧传感器探头共烧的步骤；
c.氧传感器探头后烧的步骤。
其中：
氧传感器探头后烧的温度和氧传感器探头预烧的温度低于氧传感器探头共烧的温度；
氧传感器探头预烧结束后和氧传感器探头共烧前，在延伸体内外表面涂覆含铂(或含钯、铑等催化金属)的材料以形成内外引线区电极；
氧传感器探头共烧结束后和氧传感器探头后烧前，在探测体内外表面涂覆含铂(或含钯、铑等催化金属)的材料以形成内外反应区电极。
本发明之氧传感器探头的另一种制备方法包括以下步骤：
a.氧传感器探头预烧的步骤；
b.氧传感器探头共烧的步骤；
c.氧传感器探头后烧的步骤。
其中：
氧传感器探头后烧的温度和氧传感器探头预烧的温度低于氧传感器探头共烧的温度；
氧传感器探头预烧结束后和氧传感器探头共烧前，在延伸体内外表面涂覆含铂(或含钯、铑等催化金属)的材料以形成内外引线区电极，在探测体内表面涂覆含铂(或含钯、铑等催化金属)的材料以形成内反应区电极；
氧传感器探头共烧结束后和氧传感器探头后烧前，在探测体外表面涂覆含铂(或含钯、铑等催化金属)的材料以形成外反应区电极。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述：
图1为本发明提供的氧传感器探头第一实施例之纵向剖视图；
图1a为本发明提供的氧传感器探头第一实施例之表面结构放大图；
图2为本发明提供的氧传感器探头第一实施例设计原理说明图之一；
图3a为本发明提供的氧传感器探头第一实施例设计原理说明图之二；
图3b为本发明提供的氧传感器探头第一实施例设计原理说明图之三；
图4a为本发明提供的氧传感器探头第一实施例之内电极制备方法示意图；
图4b为本发明提供的氧传感器探头第一实施例之内电极制备方法改进方案示意图；
图5a为本发明提供的氧传感器探头第二实施例之外电极制备方法示意图；
图5b为本发明提供的氧传感器探头第二实施例之外电极制备方法改进方案示意图；
图6为本发明的第一实施例应用于氧传感器之整体结构图；
图7为本发明的第一实施例应用于氧传感器之弹性衬套立体图；
图8为本发明的第一实施例应用于氧传感器之陶瓷引线支架立体图；
图9为本发明的第一实施例应用于氧传感器之金属外壳立体图；
图10为本发明的第一实施例应用于氧传感器之橡胶密封塞立体图；
图11为现有技术之氧传感器探头几何特征图。
具体实施方式
图1为本发明提供的氧传感器探头第一实施例之纵向剖视图
氧传感器探头1，包括一个锥形探测体11和一个在大端方向的截面较为一致的柱形延伸体12以及延伸体上的环状凸台12a。延伸体12与探测体11同轴布置，探测体11和延伸体12包含一个同轴布置的内腔，内腔在延伸体12一端敞口，在探测体11一端封闭，内腔表面涂覆有含铂(或含钯、铑等催化金属)的材料形成内电极13，环状凸台12a在柱形延伸体12的外表面，用于封装限位和密封，或者与外电极连接。如图1a所示，锥形探测体11外表面涂覆有含铂(或含钯、铑等催化金属)的材料形成外电极14，外电极14外面有至少一层外电极保护层14a(通常是尖晶石材料)。
探测体11是由含氧化钇的氧化锆陶瓷材料制成，其制造过程首先需要将氧化锆粉料用模压的方式成型，模压可以采用软模等均压的方式，也可以采用金属模高压注射的方式，然后再通过一些列的高温过程烧结形成氧传感器探头。
上述氧传感器探头之探测体11的壁厚是随其截面直径变化的，截面直径越小，壁厚越小，从而在保持等强度的前提下探测体11之体积尽可能的小，以获得较快的反应速度和较短的起燃时间(light-off time)。
图2为本发明提供的氧传感器探头第一实施例设计原理说明图之一
延伸体12内外表面之间保持大致相等的壁厚。探测体11内外表面之间的壁厚与探测体横截面的大小成正比，即，Db/Ds＝k*(tb/ts)。这样既不减少探测体整体的结构强度，又能够使得其体积热容减小，壁厚减小，温升加速，从而缩短了其起燃时间。
本实施例锥形探测体11之几何设计所要达到的另一个目的是在模压成型阶段生成较为均匀的粗糙表面。所述粗糙表面的生成机理可以通过图3a和图3b说明。图3a和图3b为图2所示锥形探测体11之内表面的局部放大图，其中，外表面的锥角为A，内表面的锥角为B。由于开模时探测体花纹表面会沿开模方向M形成定向的齿形纹路。在花纹齿高h一定的情况下，单位面积可以形成的齿数仅仅是锥角的函数，锥角越大，单位面积可以形成的花纹齿数越多，相反依然。
探测体11之外表面形成均匀粗糙纹路的机理与上述内表面形成均匀粗糙纹路的机理基本相似。
增加探测体11之内外表面粗糙度之目的有两个，一个是可以提高内电极13和外电极14与探测体11之间的附着力，另一个是可以增加探测体的比表面积。由于探测体11之外电极14和内电极13通常是在氧化锆陶瓷材料烧结后再次涂覆和烧结的，因此与陶瓷本体的表面结合力是一个突出的问题，其中解决方案之一是增加探测体11之表面粗糙度。
比表面积的大小与探测体11之电化学活性紧密相关。由于氧传感器的工作原理是基于NERNST原理的电化学过程，其中带负电荷的氧离子可以通过含钇氧化锆材料的氧离子空穴迁移，这个迁移的发生的前提是氧原子通过电极的空隙并在电极材料(铂、钯、铑等催化金属)的催化下获得电子，较大的比表面积给氧原子增加了接触催化材料并通过电极的空隙在氧化锆材料的氧离子空穴中迁移的机会，氧离子迁移的阻抗减小，因此活性增加，氧传感器的反应速度也增加，从而缩短了起燃时间(light-offtime)。
图4a为本发明提供的氧传感器探头第一实施例之内电极制备方法示意图。
如图，在探测体11内表面涂覆含铂的材料形成反应区内电极17，在延伸体12之内表面涂覆含铂的材料的引线区内电极18以及连接反应区内电极17和引线区内电极18之连接内电极18a，相对而言，连接内电极18a的环向宽度较窄以节省铂的用量，而引线区内电极18要保证一定的环形宽度以增加与引线端子的接触面积。
上述内电极，包括反应区内电极17，引线区内电极18和连接内电极18a，采用以下方法制备以获得与陶瓷机体材料较为牢固的结合力。
本实施例所述氧传感器探头完成模压后形成探头毛胚，第一步对探头毛胚进行去除有机材料的预烧，其温度控制在1000℃以下；第二步在预烧后的探头内表面涂覆铂材料并形成反应区内电极17，引线区内电极18和连接内电极18a；第三步将涂覆有铂内电极材料的毛胚进行共烧，共烧在1400-1600℃之间选择一个最佳温度。
按照以上制备步骤形成的反应区内电极17，引线区内电极18和连接内电极18a以一种金属陶瓷的形式存在，与陶瓷机体有很强的结合力。
图4b为本发明提供的氧传感器探头第一实施例之内电极制备方法改进方案示意图。
按照图4a所示的方法制备内电极尽管可以获得与陶瓷机体之间很强的附着力，但反应区内电极17因形成金属陶瓷时的高温条件的作用，晶粒会变粗大并吸附氧离子，使得其在一定程度上失去了化学活性。第一实施例之制备方法之改进方案，即，第二步在预烧后的探头内表面涂覆铂材料并形成引线区内电极18，第三步将涂覆有铂内电极材料的毛胚进行共烧，共烧在1400-1600℃之间选择一个最佳温度；第四步在完成共烧内电极的陶瓷机体的内表面涂覆铂材料形成改进型反应区内电极17a(以及外电极)，第五步将涂覆有改进型内电极17a的陶瓷机体放入高温环境进行后烧处理，后烧温度在1000-1200℃之间选择一个最佳温度。
由于上述改进型内电极17a形成的环境温度较低，因此仍然保持铂金属的活性，同时由于探测体11之内表面的比较粗糙，因此，改进型内电极17a与陶瓷机体之间的结合力也比较高。
图5a为本发明提供的氧传感器探头第二实施例之外电极制备方法示意图，本实施例之氧传感器探头包括锥形探测体11，柱形延伸体12以及环状凸台12a，所述外电极是指涂覆在探测体11之外表面的反应区外电极19和涂覆在延伸体外表面之引线区外电极20，本实施例之氧传感器探头之内电极可以按照与本发明提供的第一实施例图4a示意的方法制备，本实施例反应区外电极19和引线区外电极20可以与本发明提供的第一实施例图4b示意的制备方法中，与其反应区内电极17a同步完成。
图5b为本发明提供的氧传感器探头第二实施例之外电极制备方法改进方案示意图，在此改进方案中，反应区外电极19与引线区外电极20a分别采用与本发明提供的第一实施例图4b示意的制备方法中反应区内电极17a和引线区内电极18相同的步骤完成，即，反应区外电极19按照后烧的步骤完成，引线区外电极20a按照共烧的步骤完成。
图6为本发明的第一实施例应用于氧传感器之整体结构图
本实施例中氧传感器探头1装在金属外壳21内，金属外壳的立体图如图9所示。金属保护罩22安装在氧传感器探头1的前端，在氧传感器探头1的后端与金属外壳21之间沿轴向并列分布着第一填料24、第二填料26和不锈钢或陶瓷垫片26，其中第一填料与第二调料的体积压缩率相差两倍以上。在氧传感器探头1的后端敞口部分装配有引线端子27，电极引线32连接引线端子27，然后依次穿过陶瓷引线支架30、橡胶密封塞28和氧传感器后盖23延伸到氧传感器外部，其中陶瓷引线支架30立体图如图8所示。弹性村套31位于氧感器后盖23和陶瓷引线支架30之间，用于固定陶瓷引线支架30，其立体图如图7所示。为防止橡胶密封塞28在装配时在传感器后盖23和陶瓷引线支架30挤压力作用下而使其中心孔道发生变形，在中心孔道安装一根圆管28a，在圆管28a的末端和氧传感器后盖23之间安装去除空气中水分和固体颗粒物的过滤膜29，橡胶密封塞28的立体图如10所示。
本实施例之氧传感器的工作原理是基于NERNST原理的电化学过程，氧传感器探头1是含铱氧化锆材料的固态电解质，在其两侧面分别烧结有多孔铂(Pt)电极，大气通过氧传感器后盖中心孔经过滤膜29去除可能含有的水分和固体颗粒物进入参照气体室32，尾气通过金属保护罩进入待测气体室32a，在一定温度下，由于两侧氧浓度不同，参照气体室32氧浓度高，氧分子被吸附在内电极13上与电子(4e)结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到待测气体室，使外电极14带负电，即产生电势差。两侧气体氧浓度差越大，产生的电势差越大，通过测量氧传感器内外电极的的输出电压来确定氧浓度差，参照气体室的氧浓度已知，进而得到待测气体的氧浓度。
图11显示为现有技术之氧传感器探头几何特征图
现代技术之氧传感器探头其反应区的锥度S较小，表面也比较光滑，这样的设计有利于出模，但难以获得高比表面积的粗糙表面。
基于本发明精神实质的其它进一步的方案均属于本发明应属保护权利范围。
Claims (6)
1.一种氧传感器探头，由含有氧化锆的材料制成，其特征在于：包括一个锥形探测体和一个在大端方向的柱形延伸体，延伸体与探测体同轴布置，探测体和延伸体包含一个同轴布置的内腔，内腔在延伸体一端敞口，在探测体一端封闭，探测体的锥度以能够在探测体的内外表面上形成凸凹随机的粗糙度，从而改变探测体内外的比表面积的方式确定。
2.如权利要求1所述氧传感器探头，其特征在于，延伸体之内外表面之间保持大致相等的壁厚。
3.如权利要求2所述氧传感器探头，其特征在于，探测体之内外表面之间的壁厚与探测体横截面的大小成正比。
4.如权利要求3所述氧传感器探头，其特征在于，延伸体之外表面包括一个环状凸台。
5.如权利要求1-4之一项所述氧传感器探头，其制备方法包括以下步骤：
a.氧传感器探头预烧的步骤；
b.氧传感器探头共烧的步骤；
c.氧传感器探头后烧的步骤。
其中：
氧传感器探头后烧的温度和氧传感器探头预烧的温度低于氧传感器探头共烧的温度；
氧传感器探头预烧结束后和氧传感器探头共烧前，在延伸体内外表面涂覆含白金的材料以形成内外电极引线；
氧传感器探头共烧结束后和氧传感器探头后烧前，在探测体内外表面涂覆含白金的材料以形成内外电极。
6.如权利要求1-4之一项所述氧传感器探头，其制备方法包括以下步骤：
a.氧传感器探头预烧的步骤；
b.氧传感器探头共烧的步骤；
c.氧传感器探头后烧的步骤。
其中：
氧传感器探头后烧的温度和氧传感器探头预烧的温度低于氧传感器探头共烧的温度；
氧传感器探头预烧结束后和氧传感器探头共烧前，在延伸体内外表面涂覆含白金的材料以形成内外电极引线，在探测体内表面涂覆含白金的材料以形成内电极；
氧传感器探头共烧结束后和氧传感器探头后烧前，在探测体外表面涂覆含白金的材料以形成外电极。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110044990A (zh) * | 2019-03-31 | 2019-07-23 | 苏州工业园区传世汽车电子有限公司 | 一种氧传感器后处理方法 |
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- 2013-08-27 CN CN201310133684.8A patent/CN104422724A/zh active Pending
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