CN105823813A - 一种测量氧浓度的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量氧分子浓度的传感器，它包括氧化锆基体，两个铂材料泵电流电极及一个参考电极；氧化锆基体的材料为氧化钇稳定氧化锆，二个铂材料泵电流电极均位于氧化锆基体上。本发明公开的氧传感器，含有多个尾气扩散通道，在尾气通过尾气扩散通道进入传感器后，然后再通过多孔陶瓷制成的扩散障，与一个铂泵电极相遇。气体的扩散机理同时适用于尾气扩散通道和一层具有一定孔隙率、孔隙大小的陶瓷层。扩散机理是构成测量氧浓度的传感器的工作原理的基础。参考电极位于氧化锆基体的另一面，用于与空气接触。一个泵电极与参考电极电连接。本发明的平面型氧传感器，用于测量混合可燃气体中氧气含量。传感器的工作温度范围在700-800℃。

Description

一种测量氧浓度的传感器

技术领域

本发明涉及氧传感器，一种能耐久的车用片式测量氧分子浓度的传感器。

背景技术

日益提高的发动机控制技术，对氧传感器的测量精度、测量范围的要求越来越高，传统的浓差型氧传感器难以符合进一步节能减排的需求。测量氧浓度的传感器由于可以精确的测量尾气中的氧浓度，可以满足进一步节能减排的需求。

但是现有的测量氧浓度的传感器的寿命由于其工作机理是建立在气体中氧分子在扩散障中的有效“扩散”的原理上，任何影响气体中氧分子的“扩散”，都会导致氧传感器“失效”。

任何影响“扩散”电流大小的因素，都是传感器失效的可能原因。由于尾气系统是充满了发动机排出物质，包括水，未燃烧的碳氢化合物和不同大小的颗粒，积碳，这些物质非常容易堵塞尾气入口，或者扩散障，从而导致传感器的失效。传感器的过早的失效是汽车制造商与氧传感器制造商始终未解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题主要在于：提高测量氧分子浓度传感器的使用寿命。测量氧浓度的传感器是建立在“扩散”原理上。基于扩散机理的传感器的主要功能失效模式为：

1.尾气气体在进入传感器时在入口被堵塞

2.尾气气体在进入扩散障后在扩散障中被堵塞

所以任何一个单一气体入口的传感器，都有被堵塞风险。例如，以一圆形进气孔为气体入口的设计，堵住的风险与孔直径成反比，与孔的深度成正比；对于扩散障，其被堵塞的风险，主要与孔隙大小成反比。由于进气通道或者扩散孔较为狭窄，导致其很容易因为积碳等原因发生堵塞，最终导致产品过早发生失效。

本发明公开了一种测量氧分子浓度的传感器，采用特殊的结构设计，通过引入多个尾气扩散通道，减低通道被堵塞的几率，大大提高了传感器的寿命。

为了解决以上问题，本发明提出了一种测量氧浓度的传感器，主要由多个尾气扩散通道、扩散障、气体混合空腔、外泵电极、内泵电极、保护层、氧化锆电解质、空气通道、参比电极、加热器单元组成。传感器还包括标定电阻和输出电阻。

发动气尾气通过多个尾气扩散通道入口(2a),(2b),(2c)、进入扩散障结构(3)，进入混合空腔(4),在外泵电极（5）和外泵电极（6）之间的泵电压下(15)，产生泵电流(19)，泵电流的大小与从入口进入扩散障的气体中的氧分子浓度成正比。考虑到扩散障在制造中的不一致性会导致泵电流(19)大小的不一致性，一个可调的并联电阻，或称标定电阻（12）被使用来调节系统测到的泵电流Ip2(18)，以使在输出电阻（13）上的电压Voutput为合适的值，以符合标定技术范围的需求。加热器(11)用于把电池(1)加热到800度C左右的工作温度范围内。

其中，尾气扩散通道、扩散障结构经特殊设计，以提高传感器的使用寿命：

1.含多个进气通道：以避免由于一个进气通道被堵塞引起的传感器过早的失效的可能。

2.含多个扩散障通道：缓解扩散通道容易被堵塞的现象，以显著的提高了传感器的寿命。

3.可变电阻：在阻值标定后，仍然可以根据传感器泵电流的变化被再次调节，在线改变阻值，以对应当扩散障被逐渐堵塞时泵电池的总泵电流减小而引起的传感器过早失效。

附图说明

图1为本发明测量氧浓度氧传感器的剖面图结构示意图。

Claims (13)

1.一种测量氧分子浓度的传感器，其测量单元（1）包括，多个尾气扩散通道(2a)、(2b)、(2c)，扩散障(3)，气体混合空腔(4)，外泵电极(5)，内泵电极(6)，保护层（7），氧化锆电解质（8）；浓差参比电池单元包括参比空气通道（9），参比电极（10），加热器单元（11）。

2.传感器还包括标定电阻（12）和输出电阻（13）。

3.根据权利要求1所述的氧传感器，其氧化锆电解质是氧化钇稳定的氧化锆，为三氧化二钇含量为5-12mol%的氧化锆陶瓷材料制成。

4.根据权利要求1所述的氧传感器，其尾气扩散通道是由多处开口、多个朝向的中空结构2a、2b、2c构成，或由2a、2b、2c构成的任何形式的组合。

5.根据权利要求1所述的传感器，其扩散障由氧化铝、氧化钇稳定氧化锆或者由氧化铝和氧化钇稳定氧化锆的复合材料组成。

6.根据权利要求1所述的传感器，其扩散障可以在气体进入传感器后的任何位置，可以在气体通道的上方、下方或者后方。

7.根据权利要求1所述的传感器，其气体混合空腔是由一个空间结构构成，在扩散障与泵电极之间，并不限于在扩散障的上方。

8.根据权利要求1所述的氧传感器，其外泵电极由金属铂，或者铂合金，或者铂和氧化铝、氧化锆的混合体制成。

9.根据权利要求1所述的氧传感器，内泵电极由金属铂，或者铂合金，或者铂和氧化铝、氧化锆的混合体制成。

10.根据权利要求1所述的氧传感器，参比电极由金属铂，或者铂合金，或者铂和氧化铝、氧化锆的混合体制成。

11.根据权利要求1所述的氧传感器，其加热器单元由加热层和设置在加热层内的加热电阻构成，加热电阻与加热层之间是绝缘的；加热器单元与氧化锆基体之间有供参比电极与空气连接的通道。

12.根据权利要求1所述的氧传感器多孔陶瓷保护层由氧化钇稳定氧化锆，或者氧化铝和氧化钇稳定氧化锆的复合材料，或者其他同氧化钇稳定氧化锆匹配的氧化物的复合材料组成。

13.根据权利要求1所述的氧传感器，其标定电阻是在标定电阻值后仍是可变电阻。