CN108490058A - 一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气体传感器领域内的一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，包括六层长方形固体电解质基片，由下往上依次为第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片以及第六基片；第五基片的一侧加工有进气腔体，第四基片上与进气腔体相向的一侧加工有参考气体腔体，进气腔体内由进气口至底部依次设置有第一扩散障碍部、第二扩散障碍部以及第三扩散障碍部，第一扩散障碍部与第二扩散障碍部之间形成第一缓冲空间，第二扩散障碍部与第三扩散障碍部之间形成第一腔室，第三扩散障碍部与底部之间形成第二腔室，结构上可以避免烧结时非活化电极中金的挥发对活化电极的污染，且无需分步烧结，只需将六层基片叠合后一次烧结成型即可。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别涉及一种氮氧化物传感器。
背景技术
用空气作氧化剂来源燃烧燃料所产生的废气，通常含有少量但却值得注意的各种氮氧化物(NO、NO2 等)，统称为NOx。NOx 不仅能破坏臭氧层，转化成酸雨，且在阳光下易与碳氢化合物或挥发性有机物作用，产生光化学烟雾，引起呼吸道疾病，严重威胁人类的生存与健康，因此是不受欢迎的。
随着社会的发展，机动车辆的数量越来越多，而机动车辆的尾气中包括多种排放物，例如氮氧化物、颗粒物等。为了保护环境，减少机动车辆有害物的排放，通过使用诸如催化转换器的排气系统组件控制排放。当然，还需要多种气体传感器，包括NOx 传感器，用于检测排气中的氮氧化物的含量。
现有技术中公开了一种氮氧化物传感器，其公开号为：CN204188562U，，由多层长方形基片构成，加热体设置在其中一层基片上；其余各层中，具有三层相邻的基片形成沿基片长度方向依次设置的气体入口、第一腔室和第二腔室，第一腔室内设置有氧泵，第二腔室内设置有氧测量泵，第一腔室和第二腔室之间设置有扩散障碍部。在应用电流时, 加热体的加热温度根据加热体电阻值进行控制，因此, 有必要准确地获得加热器的电阻值, 以精确地控制加热温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，可精确控制加热温度，提高检测精度。
本发明的目的是这样实现的：一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，其特征在于，包括六层长方形固体电解质基片，由下往上依次为第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片以及第六基片；
第五基片的一侧加工有进气腔体，所述第四基片上与进气腔体相向的一侧加工有参考气体腔体，所述进气腔体内由进气口至底部依次设置有第一扩散障碍部、第二扩散障碍部以及第三扩散障碍部，第一扩散障碍部与第二扩散障碍部之间形成第一缓冲空间，第二扩散障碍部与第三扩散障碍部之间形成第一腔室，所述第三扩散障碍部与底部之间形成第二腔室；
所述第一腔体处设置有主氧泵单元，所述主氧泵单元包括第一内部电极和第一外部电极，所述第一内部电极设置在第一腔室内，且贴合在第六基片底面，所述第一外部电极对应设置在第六基片的顶面上，所述第二腔体处设置有辅助氧泵单元和测量泵单元，所述辅助氧泵单元包括贴合在第六基片基面的第二内部电极以及第一外部电极，所述测量泵单元包括测量电极、第四至第六基片、第一外部电极和参考电极，所述测量电极贴合在第四基片的顶面，且靠近进气腔体的底部，所述参考电极对应设置在测量电机的下方，且设置在第四基片与第三基片之间；
所述第二基片与第三基片之间设置有加热体，加热体的外周包覆有绝缘层，所述加热体包括一个蜿蜒形状的电阻丝以及两根连接在电阻丝两端的引线。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明结构上可以避免烧结时非活化电极中金的挥发对活化电极的污染，且无需分步烧结，只需将六层基片叠合后一次烧结成型即可。
作为本发明的进一步限定，所述测量电极后端连接有测量电极引线，所述测量电极引线设置在第四基片和第五基片之间，所述参考电极后端连接有参考电极引线，所述参考电极引线设置在第三基片和第四基片之间，所述第二内部电极后端连接有泵电极引线，泵电极引线设置在第无基片和第六基片之间，所述参考电极和参考电极引线外周包覆有空气感应层，空气感应层延伸至参考气体腔体内，所述空气感应层为多孔氧化铝，所述测量电极引线、参考电极引线、泵电极引线结构尺寸相同。引线设置使得接线更加方便，且使得引线对加热器电阻的影响更小。
为了使得加热器电阻值获得精度更高，进一步提高测量精度，所述蜿蜒形状电阻丝以及两根连接在电阻丝两端的引线沿基片宽度方向垂直中心线对称分布，所述测量电极引线、参考电极引线、泵电极引线沿所述垂直中心线对称设置。
作为本发明的进一步限定，所述第一内部电极的长度布满或大致布满第一腔室的长度方向，第二内部电极的长度布满或大致布满第二腔室的长度方向。
作为本发明的进一步限定，所述第一内部电极和第一外部电极均为多孔金属陶瓷电极，且为长方形结构，所述测量电极和参考电极均为多孔金属陶瓷电极，且为椭圆形结构。
作为本发明的进一步限定，所述测量电极的外周包覆有第四扩散障碍部。
作为本发明的进一步限定，所述第四扩散障碍部为氧化铝制成的薄膜。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明中加热体结构示意图。
图3为沿图1中A-A向剖视图。
具体实施方式
如图1-3所示的一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，包括六层长方形固体电解质基片，由下往上依次为第一基片1、第二基片2、第三基片3、第四基片4、第五基片5以及第六基片6；
第五基片5的一侧加工有进气腔体，第四基片4上与进气腔体相向的一侧加工有参考气体腔体43，进气腔体内由进气口10至底部依次设置有第一扩散障碍部11、第二扩散障碍部13以及第三扩散障碍部30，第一扩散障碍部11与第二扩散障碍部13之间形成第一缓冲空间12，第二扩散障碍部13与第三扩散障碍部30之间形成第一腔室20，第三扩散障碍部30与底部之间形成第二腔室40；
第一腔体处设置有主氧泵21单元，主氧泵21单元包括第一内部电极22和第一外部电极23，第一内部电极22设置在第一腔室20内，且贴合在第六基片6底面，第一外部电极23对应设置在第六基片6的顶面上，第二腔体处设置有辅助氧泵50单元和测量泵41单元，辅助氧泵50单元包括贴合在第六基片6基面的第二内部电极51以及第一外部电极23，测量泵41单元包括测量电极44、第四至第六基片6、第一外部电极23和参考电极42，测量电极44贴合在第四基片4的顶面，且靠近进气腔体的底部，参考电极42对应设置在测量电机的下方，且设置在第四基片4与第三基片3之间；
第二基片2与第三基片3之间设置有加热体60，加热体60的外周包覆有绝缘层，加热体60包括一个蜿蜒形状的电阻丝62以及两根连接在电阻丝62两端的引线61；
测量电极44后端连接有测量电极引线47，测量电极引线47设置在第四基片4和第五基片5之间，参考电极42后端连接有参考电极引线46，参考电极引线46设置在第三基片3和第四基片4之间，第二内部电极51后端连接有泵电极引线52，泵电极引线52设置在第无基片和第六基片6之间，参考电极42和参考电极引线46外周包覆有空气感应层48，空气感应层48延伸至参考气体腔体43内，空气感应层48为多孔氧化铝，测量电极引线47、参考电极引线46、泵电极引线52结构尺寸相同；蜿蜒形状电阻丝62以及两根连接在电阻丝62两端的引线沿基片宽度方向垂直中心线对称分布；参考电极引线46沿垂直中心线对称设置；
第一内部电极22的长度布满或大致布满第一腔室20的长度方向，第二内部电极51的长度布满或大致布满第二腔室40的长度方向；
第一内部电极22和第一外部电极23均为多孔金属陶瓷电极，且为长方形结构，测量电极44和参考电极42均为多孔金属陶瓷电极，且为椭圆形结构；
测量电极44的外周包覆有第四扩散障碍部45；
第四扩散障碍部45为氧化铝制成的薄膜。
第五基片5上的进气口10起采集尾气样品的作用，采集到的尾气样品经过第一扩散障碍部11进入到第一缓冲空间12中，尾气在第一缓冲空间12中得到缓冲和稳定化处理；第一缓冲空间12中的气体又经过第二扩散障碍部13进入第一腔室20中，第一腔室20被称为控制区域，在此区域实现引排功能；第一腔室20中的气体再经过第三扩散障碍部30进入第二腔室40中，第二腔室40被称为测量区域，在此区域实现测氧功能；以上所述的三层扩散障碍部的材质完全相同，均为多孔质的氧化锆。
控制区域也就是第一腔室20中通过以下方法实现引排功能：第一外部电极23、第一内部电极22以及第六基片6构成主氧泵21单元，氮氧化物传感器工作过程中，主氧泵21两极施加一个直流可调电源，将控制区域即第一腔室20中的氧气泵到外面或是将外面的氧气泵到控制区域即第一腔室20中，以此来使控制区域即第一腔室20中的氧分压固定在某一个特定的值。
主氧泵21的第一内部电极22和第一外部电极23的材质都是多孔的金属陶瓷；其中第一内部电极22必须是对氮氧化物不敏感的非活化电极，即不具备分解氮氧化物的能力，可采用贵金属铂、氧化锆和其它低催化活性，例如金或其他有类似功能的材料的金属陶瓷来制作。
测量区域部分的工作原理：第一外部电极23、第六基片6以及第二内部电极51构成辅助氧泵50，氮氧化物传感器工作过程中，在辅助氧泵50的两极施加直流可调电压直至使测量区域即第二腔体中的氧气浓度固定在一个恒定的极低的值，在此低氧浓度下氮氧化物发生分解反应氮氧化物分解成氮气和氧气。
辅助氧泵50的第二内部电极51与主氧泵21的第一内部电极22的材质一样，均为对氮氧化物不敏感的非活化电极材料。
测量电极44、第四至第六基片6以及第一外部电极23构成测量泵41；在辅助氧泵50的作用下，测量区域即第二腔体中的氧气浓度极低，在此低氧浓度下，发生反应，氮氧化物分解成氮气和氧气，测量泵41的两极施加可调直流电压，调节电压的大小，通过测量极限电流从而得到对应尾气中氮氧化物分解产生的氧气的浓度，进而可以反映出尾气中氮氧化物气体的浓度。
测量泵41的测量电极44必须是能使氮氧化物分解的活化电极，可采用贵金属铂、氧化锆其他强活性材料，例如铑或其他有类似功能的金属的金属陶瓷来制作；同时测量电极44上覆盖有一层多孔氧化铝质的膜层，用来防止测量区域即第二腔体中辅助氧泵50的第二内部电极51中的惰性金属如金脱落到测量电极44 上，从而保证了测量电极44的催化活性不受影响；因此无需将非活化电极和活化电极分开烧结，只需一次烧结即可完成，从而简化了制作过程，降低了制作难度。
氮氧化物传感器芯片还设有参考电极42，其表面覆盖一层多孔氧化铝层；同时第四基片4中设有参考气体腔体43，参考气体腔体43与大气相通，第三基片3上开有小孔49，将参考气体腔体43与空气感应层48贯通，从而保证参考电极42始终与参比空气接触。
第一腔室20和第二腔体中的氧浓度通过参考电极42来测量，具体方法为：将控制区域即第一腔室20表面的第一内部电极22与参考电极42用导线连接，测定两电极之间的电压，即可反映出控制区域即第一腔室20中的氧浓度，该值也反映出发动机的空燃比；将测量区域即第二腔体表面的第二内部电极51与参考电极42用导线连接，测定两电极之间的电压，即可反映出测量区域即第二腔体中的氧浓度，可依据此值来判断测量区域即第二腔体中的氧浓度是否已经达到足以令氮氧化物气体发生分解反应所需的浓度。
如图2所示，加热体60的作用是给整个氮氧化物传感器加热，使其在短时间内达到工作温度（即固体电解质具有较高的电导率），第二基片2与第三基片3表面之间印刷加热电极，加热电极的上下表面均覆盖一层致密氧化铝质绝缘层。由于氮氧化物传感器的主要工作部位在头部，为使其温度能迅速的上升到最佳工作温度，加热电极的头部图案设计较细的蜿蜒状，且上侧头部62a和下侧头部62b沿基片宽度方向垂直中心线轴对称，上引线61a、下引线61b也呈轴对称，辅助测量电极63起测定传感器工作温度的作用；第三基片3上还设有压力扩散小孔49，该小孔49穿透第三基片3，加热体60通过压力扩散小孔49与参考气体腔体43相连，来缓解加热过程中加热层内部不断增加的内应力。
将蜿蜒形状电阻丝62以及两根连接在电阻丝62两端的引线61沿基片宽度方向垂直中心线对称分布；参考电极引线46沿垂直中心线对称设置，避免了在氮氧化物传感器在制造过程中受压不均衡而导致的电阻丝62两端的引线61变形的问题，从而影响电阻丝62两端引线61的阻值，从而影响加热体60控制的精度，进一步影响检测精度，通过对称设置解决了该问题，提高了控制精度。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，其特征在于，包括六层长方形固体电解质基片，由下往上依次为第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片以及第六基片；
第五基片的一侧加工有进气腔体，所述第四基片上与进气腔体相向的一侧加工有参考气体腔体，所述进气腔体内由进气口至底部依次设置有第一扩散障碍部、第二扩散障碍部以及第三扩散障碍部，第一扩散障碍部与第二扩散障碍部之间形成第一缓冲空间，第二扩散障碍部与第三扩散障碍部之间形成第一腔室，所述第三扩散障碍部与底部之间形成第二腔室；
所述第一腔体处设置有主氧泵单元，所述主氧泵单元包括第一内部电极和第一外部电极，所述第一内部电极设置在第一腔室内，且贴合在第六基片底面，所述第一外部电极对应设置在第六基片的顶面上，所述第二腔体处设置有辅助氧泵单元和测量泵单元，所述辅助氧泵单元包括贴合在第六基片基面的第二内部电极以及第一外部电极，所述测量泵单元包括测量电极、第四至第六基片、第一外部电极和参考电极，所述测量电极贴合在第四基片的顶面，且靠近进气腔体的底部，所述参考电极对应设置在测量电机的下方，且设置在第四基片与第三基片之间；
所述第二基片与第三基片之间设置有加热体，加热体的外周包覆有绝缘层，所述加热体包括一个蜿蜒形状的电阻丝以及两根连接在电阻丝两端的引线。
2.根据权利要求1所述的一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，其特征在于，所述测量电极后端连接有测量电极引线，所述测量电极引线设置在第四基片和第五基片之间，所述参考电极后端连接有参考电极引线，所述参考电极引线设置在第三基片和第四基片之间，所述第二内部电极后端连接有泵电极引线，泵电极引线设置在第无基片和第六基片之间，所述参考电极和参考电极引线外周包覆有空气感应层，空气感应层延伸至参考气体腔体内，所述空气感应层为多孔氧化铝，所述测量电极引线、参考电极引线、泵电极引线结构尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，其特征在于，所述蜿蜒形状电阻丝以及两根连接在电阻丝两端的引线沿基片宽度方向垂直中心线对称分布。
4.根据权利要求3所述的一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，其特征在于，所述参考电极引线沿所述垂直中心线对称设置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，其特征在于，所述第一内部电极的长度布满或大致布满第一腔室的长度方向，第二内部电极的长度布满或大致布满第二腔室的长度方向。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，其特征在于，所述第一内部电极和第一外部电极均为多孔金属陶瓷电极，且为长方形结构，所述测量电极和参考电极均为多孔金属陶瓷电极，且为椭圆形结构。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，其特征在于，所述测量电极的外周包覆有第四扩散障碍部。
8.根据权利要求7所述的一种面向汽车节能环保的氮氧化物传感器，其特征在于，所述第四扩散障碍部为氧化铝制成的薄膜。
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