CN108225995A - 一种尾气颗粒物检测传感器片芯及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尾气颗粒物检测传感器片芯，由多层长方形基片构成，从第一基片到第八基片从上至下依次叠加。一般的，所述的基片主要成分为氧化锆的氧离子导体材料。所述的第一基片与第二基片之间设置加热电级。加热电级具有加热和测温两种功能。加热电级材料为Pt。所述的第五基片包含尾气出口通道，所述第七基片包含尾气进气通道，所述第六基片包含气流导通孔，所述的气流导通孔导通尾气进气通道和尾气出气通道。尾气进气通道内设置氧泵电池、第一氧敏电池和催化电级，尾气出气通道内设置第二氧敏电池。第三基片上设置空气参比腔室，参比腔室内设置参比电级。该方法不受颗粒物沉积的影响，准确度高，测量实时性好。

Description

一种尾气颗粒物检测传感器片芯及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种尾气颗粒物检测传感器片芯及其检测方法，属于机动车辆尾气排放检测领域。

背景技术

颗粒物汽车尾气中主要污染物之一，成分复杂且具有较强的吸附能力，可以吸附各种病原微生物、致癌物苯并笓和金属粉尘，因此颗粒物随呼吸进入人体肺部以后，会导致各种呼吸疾病、激发恶性肿瘤和刺激人体皮肤和眼结膜。因此对尾气中颗粒物浓度的检测就显得十分重要。

现有颗粒物传感器的测量方法为设置两个交叉的工作电级，如中国专利200680023255.3所述，通过测量两个交叉电级之间的电阻值或者电容值来测量颗粒物的浓度，测试原理如图1所示。在测量过程中，颗粒物不断在电级表面沉积，传感器的输出信号是颗粒物沉积的结果。当颗粒物沉积到一定程度以后，利用燃烧将聚集的颗粒物除去，但燃烧的速率受到尾气中氧气的限制，时间长，且无法去除已经结合到传感器电级上的碳颗粒，导致传感器输出的零点偏离。此外当沉积颗粒物为大颗粒时，大颗粒覆盖电级，当小颗粒再沉积时，将不会在引起电信号的变化，导致传感器灵敏度下降。为解决颗粒物燃烧除去的问题，中国专利201180007319.1提供了一种充分移除已经结合到电级上的碳的方法，在承接工作电级基片的背面增加了氧泵电级，在工作电级和氧泵电级之间施加电压，形成一氧泵电池，将氧离子泵入工作电级，完成颗粒物的燃烧。为解决大粒径的颗粒物堆积在颗粒物传感器的电极之间时，电极导电性突变的问题，中国专利CN103782162A公开了一种通过增加一个绝缘体和在绝缘体的主表面上相互隔开间隔的配置的一对电极的方式，抑制大颗粒的颗粒物向电极之间附着，从而抑制偏差。但传感器的电参数量依然是瞬时颗粒物浓度与长时间沉积的叠加，起不到测量瞬时颗粒物浓度的作用，分辨精度也不高，满足不了控制排放的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尾气颗粒物检测传感器片芯及其检测方法，克服现有颗粒物传感器由于沉积物影响引起的测量精度差和不能瞬时检测，其检测传感器片芯不受颗粒物沉积的影响，准确度高，测量实时性好。

本发明技术方案是这样实现的：一种尾气颗粒物检测传感器片芯，由多层长方形基片构成，其特征在于：从第一基片到第八基片从上至下依次叠加，基片的主要成分为氧化锆的氧离子导体材料，其中第一基片与第二基片之间设置加热电级，加热电级具有加热和测温两种功能，加热电级材料为Pt；第五基片包含尾气出口通道，第七基片包含尾气进气通道，第六基片包含气流导通孔，气流导通孔导通尾气进气通道和尾气出气通道，尾气进气通道内设置氧泵电池、第一氧敏电池和催化电级，尾气出气通道内设置第二氧敏电池；第三基片上设置空气参比腔室，参比腔室内设置参比电级。

所述的氧泵电池由设置在第一基片上下表面的氧泵外电级和氧泵内电级组成，所述第一氧敏电池由设置在第六基片下表面的第一氧敏电级和设置在第四基片上表面的参比电级组成；所述第二氧敏电池由设置在第四基片下表面的第二氧敏电级和参比电级组成，第一氧敏电级和第二氧敏电级以及参比电级材料均为Pt。

所述的催化电级由设置在第八基片上表面的第一催化电级和设置在第六基片下表面的第二催化电级组成。

所述的氧泵外电级与氧泵内电级上下对应设置，且氧泵内电级设置在尾气进气通道接近尾气进入端，氧泵内电级材料为贵金属Pt。

所述的第一氧敏电级设置在尾气进气通道接近尾气进入端，且与氧泵内电级相对应。

所述的催化电级为Pt电级，且第一催化电级与第二催化电级的长度布满或大致布满尾气进气通道的后半部分。

一种尾气颗粒物检测传感器片芯的颗粒物浓度检测方法，包括以下步骤：

（a）给加热电级施加电压，使得传感器芯片尾气进气通道内达到大于600℃的温度；

（b）待测的尾气进入尾气进气通道；

（c）氧泵电池将外部环境内的氧气泵入尾气进气通道内；

（d）第一氧敏电池测量尾气进气通道内前半部分氧气的含量，即颗粒物与氧气发生反应之前氧气的含量；

（e）尾气到达尾气进气通道后半部分时，尾气中的颗粒物在催化电级的作用下，迅速与氧气发生反应；

（f）尾气气流继续前行的过程中，由于气流导通孔，颗粒物向下沉积，保证颗粒物与氧气反应完全；

（g）反应后的尾气进入尾气出气通道时，第二氧敏电池检测剩余氧气的浓度，该信号被预设成一固定值，该值优选在50~600mV之间，其反馈控制E1，以保证氧泵电池泵入的氧气足够将颗粒物氧化；

（h）第一氧敏电池减去第二氧敏电池测量到的氧气的含量，得到尾气中颗粒物与氧气反应用去的氧量；根据其相关的函数关系，计算出颗粒物的浓度。

本发明的积极效果是解决了现有颗粒物传感器由于颗粒物沉积引起的测量精度差和不能瞬时检测的问题，根据颗粒物燃烧前后，氧气浓度的变化得出颗粒物浓度，不受颗粒物沉积的影响，准确度高，可对尾气中颗粒物进行实时测量。

附图说明

图1为本发明的尾气颗粒物检测片芯实施例1的截面图。

图2为本发明的尾气颗粒物检测片芯的分解结构示意图。

其中：1-第一基片；2-第二基片；3-第三基片；4-第四基片；5-第五基片；6-第六基片；7-第七基片；8-第八基片；20-尾气进气通道；21-气流导通孔；22-尾气出口通道；23-参比腔室；30-氧泵电池；30a-氧泵外电级；30b-氧泵内电级；31-第一氧敏电池；31a-第一氧敏电级；32-催化电级；32a-第二催化电级；32b-第一催化电级；33-参比电级；34-第二氧敏电池；34a-第二氧敏电级。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明，在下述的具体实施例描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为深刻的理解。

实施例1

图1所示，一种尾气颗粒物检测传感器片芯，由多层长方形基片构成，其特征在于：从第一基片1到第八基片8从上至下依次叠加，基片材料为氧离子导体氧化锆，所述的第一基片1与第二基片2之间设置加热电级35。加热电级35具备加热和测温功能，材料为Pt。所述的第五基片5包含尾气出口通道22，所述第七基片包含尾气进气通道20，所述第六基片包含气流导通孔（21），所述的气流导通孔21导通尾气进气通道20和尾气出气通道22。尾气进气通道20内设置氧泵电池30、第一氧敏电池31和催化电级32，氧泵电池30由设置在第一基片上下表面的氧泵外电级30a和氧泵内电级30b组成。氧泵外电级30a与氧泵内电级30b上下对应设置，且氧泵内电级30b设置在尾气进气通道20接近尾气进入端。第一氧敏电池31由设置在第六基片下表面的第一氧敏电级31a和设置在第四基片上表面的参比电级33组成。第一氧敏电级31a设置在尾气进气通道20接近尾气进入端，且与氧泵内电级30b相对应。氧泵外电级30a、氧泵内电级30b、第一氧敏电级31a、参比电级33材料均为Pt。催化电级32由设置在第八基片上表面的第一催化电级32b和设置在第六基片下表面的第二催化电级32a组成。催化电级32为Pt电级，且第一催化电级32b与第二催化电级32a的长度布满或大致布满尾气进气通道20的后半部分。尾气出气通道22内设置第二氧敏电池34。第二氧敏电池34由设置在第4基片下表面的第二氧敏电级34a和参比电级33组成。第三基片3上设置空气参比腔室23，参比腔室23内设置参比电级33。第二氧敏电级34a和参比电级电级33材料均为Pt电级。图2为本发明的尾气颗粒物检测片芯的分解结构示意图；本发明对颗粒物浓度的检测方法，给加热电级35施加电压，使得传感器芯片尾气进气通道20内达到600℃的温度。待测尾气进入尾气进气通道20，氧泵电池30将外部环境内的氧气泵入尾气进气通道20内，位于尾气进气通道20内靠近进气端的第一氧敏电池31测量进气通道20内氧气的浓度，即与颗粒物发生反应前的氧气浓度，第一氧敏电池31输出信号V1。颗粒物随尾气气流进入尾气进气通道20的后半部分时，颗粒物由于在催化电级32的作用下，迅速与氧气发生反应。反应后剩余的颗粒物继续随尾气进入气流导通孔21，由于该导通孔向上导通，导致颗粒物因重力的作用向下沉积，剩余的颗粒物沉积下来继续与氧气反应，保证颗粒物与氧气反应完全。反应后的尾气进入尾气出气通道22时，第二氧敏电池34检测剩余氧气的浓度，第二氧敏电池34输出信号V2，该信号被预设成一固定值，该值优选在450mV，其反馈控制E1，以保证氧泵电池33泵入的氧气足够将颗粒物氧化；将第一氧敏电池31减去第二氧敏电池34测量到的氧气的含量，得到尾气中颗粒物与氧气反应用去的氧量；根据其相关的函数关系，计算出颗粒物的浓度。

实施例2

本实施例中，除了反应后的尾气进入尾气出气通道22时，第二氧敏电池34检测剩余氧气的浓度，第二氧敏电池34输出信号V2，该信号被预设成一固定值，该值优选在500mV以外，其它部分和实施例1完全一致。

Claims (7)

1.一种尾气颗粒物检测传感器片芯，由多层长方形基片构成，从第一基片到第八基片从上至下依次叠加；一般的，所述的基片主要成分为氧化锆的氧离子导体材料；所述的第一基片与第二基片之间设置加热电级；加热电级具有加热和测温两种功能；加热电级材料为Pt；所述的第五基片包含尾气出口通道，所述第七基片包含尾气进气通道，所述第六基片包含气流导通孔，所述的气流导通孔导通尾气进气通道和尾气出气通道；尾气进气通道内设置氧泵电池、第一氧敏电池和催化电级，尾气出气通道内设置第二氧敏电池；第三基片上设置空气参比腔室，参比腔室内设置参比电级。

2.根据权利要求1中所述的一种尾气颗粒物检测传感器片芯，其特征在于所述的氧泵电池由设置在第一基片上下表面的氧泵外电级和氧泵内电级组成，所述第一氧敏电池由设置在第六基片下表面的第一氧敏电级和设置在第四基片上表面的参比电级组成；所述第二氧敏电池由设置在第四基片下表面的第二氧敏电级和参比电级组成，第一氧敏电级和第二氧敏电级以及参比电级材料均为Pt。

3.根据权利要求1中所述的一种尾气颗粒物检测传感器片芯，其特征在于所述的催化电级由设置在第八基片上表面的第一催化电级和设置在第六基片下表面的第二催化电级组成。

4.根据权利要求2中所述的一种尾气颗粒物检测传感器片芯，其特征在于所述的氧泵外电级与氧泵内电级上下对应设置，且氧泵内电级设置在尾气进气通道接近尾气进入端，氧泵内电级材料为贵金属Pt。

5.根据权利要求2中所述的一种尾气颗粒物检测传感器片芯，其特征在于所述的第一氧敏电级设置在尾气进气通道接近尾气进入端，且与氧泵内电级相对应。

6.根据权利要求1中所述的一种尾气颗粒物检测传感器片芯，其特征在于所述的催化电级为Pt电级，且第一催化电级与第二催化电级的长度布满或大致布满尾气进气通道的后半部分。

7.一种尾气颗粒物检测传感器片芯的颗粒物浓度检测方法，包括以下步骤：

（a）给加热电级施加电压，使得传感器芯片尾气进气通道内达到大于600℃的温度；

（b）待测的尾气进入尾气进气通道；

（c）氧泵电池将外部环境内的氧气泵入尾气进气通道内；

（d）第一氧敏电池测量尾气进气通道内前半部分氧气的含量，即颗粒物与氧气发生反应之前氧气的含量；

（e）尾气到达尾气进气通道后半部分时，尾气中的颗粒物在催化电级的作用下，迅速与氧气发生反应；

（f）尾气气流继续前行的过程中，由于气流导通孔，颗粒物向下沉积，保证颗粒物与氧气反应完全；

（g）反应后的尾气进入尾气出气通道时，第二氧敏电池检测剩余氧气的浓度，该信号被预设成一固定值，该值优选在50~600mV之间，其反馈控制E1，以保证氧泵电池泵入的氧气足够将颗粒物氧化；

（h）第一氧敏电池减去第二氧敏电池测量到的氧气的含量，得到尾气中颗粒物与氧气反应用去的氧量；根据其相关的函数关系，计算出颗粒物的浓度。