CN109001284A - 一种氮氧化物传感器陶瓷芯片 - Google Patents

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Abstract

一种氮氧化物传感器陶瓷芯片，第一层膜片上设表面覆盖保护层的氧泵正极，氧泵正极和第一层膜片上设有采集腔，第二层膜片上设第二通孔～第四通孔，第二通孔内设第一扩散障，第一扩散障将第二通孔分成第一测量室和缓冲腔，第一测量室内设主氧泵负极，第二通孔与第三通孔间设第二扩散障，第三通孔为第二测量室内设辅助泵负极，第三通孔与第四通孔间设第三扩散障，第四通孔为第三测量室内设表面覆盖保护层的测量电极，第三层膜片上设有参比通道，参比通道内设表面覆盖保护层的参比电极，第四层膜片与第五层膜片之间设包裹在加热电极绝缘层内的加热电极，加热电极外引线穿过第五层膜片位于第五层膜片下表面，第五层膜片设有填充加热电极绝缘层浆料的应力释放孔。

Description

一种氮氧化物传感器陶瓷芯片
技术领域
本发明属于测量或测试技术领域，具体涉及到一种氮氧化物传感器陶瓷芯片。
背景技术
近年来随着我国汽车保有量的不断增加，汽车尾气排放已成为空气污染的主要来源之一。尾气中的有害成分主要有一氧化碳(CO)、不完全燃烧的碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOX)以及微粒物质等，这些污染物的排放对人类的健康和生存环境已经造成了严重的威胁。针对这种现状，国家制定了越来越严格的法规来控制尾气的排放，国Ⅴ排放标准也于2017年7月1日起在全国范围内实施，与国Ⅳ标准相比NOX的排放限制从3.5g/kwh变到了2g/kwh，下降了42.9％。为了达到降低NOX排放量的目的，必须对尾气中NOX的浓度进行检测，才能采取相应的减排措施。氮氧化物传感器是安装在汽车排气管上用于对尾气中NOX的浓度进行实时监测的重要元件，同时也可用于火电厂、热力设备、轮船等运行时对排放物中NOX浓度的监测。
氮氧化物传感器的核心是陶瓷芯片，它由多层YSZ(Y2O3stabilized ZrO2加入氧化钇稳定剂的氧化锆)单晶膜片组成，其工作原理是基于高温下YSZ固体电解质的离子导电性。陶瓷芯片结构上通常会设置三腔室，分别为采集腔、第一测量室和第二测量室，每个腔室之间通过多孔的扩散障隔开，第一测量室内设置有主氧泵负极，第二测量室设置有辅助泵负极和测量电极，在陶瓷芯片表面设置有氧泵正极，氧泵正极分别与主氧泵负极、辅助泵负极和测量电极以及它们之间的YSZ构成三个氧泵电池：主氧泵、辅助泵和测量泵。在三个腔室下方设置有参比通道，密封有作为参比气体的空气，参比通道内的参比电极与分别与主氧泵负极、辅助泵负极和测量电极构成三个能斯特电池。陶瓷芯片内部还设置有加热电极，用于为陶瓷芯片加热使其达到工作温度。工作时：给加热电极施加一定的电压使陶瓷芯片达到工作温度，尾气通过采集腔、扩散障进入第一测量室，给主氧泵施加一定的电压，将尾气中的大部分O2泵出，使第一测量室的O2浓度降低，通过主氧泵负极与参比电极之间的能斯特电势来表征第一测量室的O2浓度。在低O2浓度下，NO与NO2之间的化学平衡被破坏，在高温下发生反应：2NO2→2NO+O2，于是尾气中的NO2转化为NO和O2并进入第二测量室；对辅助泵施加一定的电压，用于除去多余的O2，使第二测量室的O2浓度进一步降低，通过辅助泵负极与参比电极之间的能斯特电势来表征第二测量室的O2浓度。在测量电极的催化作用下发生反应2NO→N2+O2，NO分解成N2和O2，O2从测量泵泵出，在O2泵出的过程中将产生极限电流，其大小与NO分解产生的O2的浓度唯一对应，从而就确定了NOX的浓度。
传统的氮氧化物传感器陶瓷芯片其采集腔、第一测量室通常为长方形结构，位于陶瓷芯片端部，这样降低了腔室的强度，且在等静压与共烧时容易引起应力的集中，从而使陶瓷芯片出现腔室塌陷、微裂纹等现象。其次，传统的氮氧化物传感器陶瓷芯片其辅助泵负极和测量电极位于同一腔室内，且间隔很小，由于测量电极表面覆盖有多孔保护层，NO分解的O2会有少量通过测量电极多孔保护层进入第二测量室内部而被辅助泵负极泵出，从而使辅助泵的泵电流增大，则第二测量室的O2浓度无法得到准确控制，进而影响NOX的测量精度。再次，由于氮氧化物传感器陶瓷芯片的工作温度在800℃左右，且伴随汽车的发动与停止，处于环境温度与800℃左右高温之间的变换状态，如此高且频繁的温度变化将使陶瓷芯片的内应力增大，内应力无处释放将使其产生裂纹。传统的氮氧化物传感器陶瓷芯片通常在加热电极头部设置应力释放孔，其与参比通道相通，然而加热电极及其表面的Al2O3绝缘层在高温及冷却的过程中会有少量的气体或水蒸气释放出来通过应力释放孔进入参比通道，从而使参比气体的成分发生改变，则用能斯特电势来表征的两个测量室的O2浓度就不准确了。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有氮氧化物传感器陶瓷芯片的不足，提供一种设计合理、灵敏度高、使用寿命长的氮氧化物传感器陶瓷芯片。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：芯片本体自上而下由第一层膜片、第二层膜片、第三层膜片、第四层膜片、第五层膜片叠压构成，第一层膜片的上表面设置有表面覆盖有保护层的氧泵正极，覆盖有保护层的氧泵正极和第一层膜片上加工有第一通孔为采集腔a，位于采集腔a下方第二层膜片上加工有第二通孔、第三通孔、第四通孔，第二通孔内设置有第一扩散障，第一扩散障将第二通孔分隔成第一测量室b和缓冲腔c，缓冲腔c位于采集腔a的正下方，第一测量室b内第一层膜片底部和第三层膜片上表面设置有主氧泵负极，第二通孔与第三通孔之间设置有第二扩散障，第三通孔为第二测量室d，第二测量室d内第一层膜片底部和第三层膜片上表面设置有辅助泵负极，第三通孔与第四通孔之间设置有第三扩散障，第四通孔为第三测量室f，第三测量室f内第一层膜片底部和第三层膜片上表面设置有表面覆盖有保护层的测量电极，第三层膜片上加工有第五通孔与第二层膜片和第四层膜片形成半封闭的参比通道h，参比通道h内第二层膜片下表面设置有表面覆盖有保护层的参比电极，第四层膜片与第五层膜片之间设置有加热电极绝缘层和加热电极，加热电极包裹在加热电极绝缘层内，加热电极外引线穿过第五层膜片位于第五层膜片下表面，第五层膜片加工有应力释放孔g，应力释放孔g内填充有加热电极绝缘层用浆料。
作为一种优选的技术方案，所述的第一通孔和第二通孔均为圆孔，第一通孔的直径小于第二通孔的直径，第三通孔和第四通孔均为矩形孔。
作为一种优选的技术方案，所述的第一扩散障为环形结构，第一扩散障将第二通孔分隔成内部为缓冲腔c、外部为第一测量室b，所述缓冲腔c的直径大于第一通孔的直径。
作为一种优选的技术方案，所述的加热电极绝缘层7的材质为Al2O3绝缘浆料。
本发明的有益效果如下：
1、采集腔a、缓冲腔c、第一测量室b都采用圆形结构，能有效改善应力集中现象，提高本发明的强度，从而避免出现腔室塌陷和微裂纹，尾气通过采集腔a、缓冲腔c和第一扩散障进入第一测量室b，快速变化的气流通过缓冲腔c和第一扩散障变得平稳，进而有利于提高测量精度；
2、辅助泵负极和测量电极位于不同的腔室内，能确保NO分解的O2全部被测量泵泵出，则测量泵产生的极限电流唯一代表了NOX的浓度；
3、应力释放孔g位于第五层膜片上与本发明外部相通，从而保证了参比通道h的密封性，使得参比气体的成分不受影响，应力释放孔g采用Al2O3绝缘浆料进行填充，保证了加热电极的绝缘性，且制备工艺简单。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中第二层膜片2的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
在图1、2中，本实施例的一种氮氧化物传感器陶瓷芯片由第一层膜片1、第二层膜片2、第四层膜片3、第五层膜片4、加热电极外引线5、参比电极6、加热电极绝缘层7、加热电极8、测量电极9、第三层膜片10、主氧泵负极11、第一扩散障12、氧泵正极13、第二扩散障14、辅助泵负极15、第三扩散障16连接构成。
芯片本体自上而下由第一层膜片1、第二层膜片2、第三层膜片10、第四层膜片3、第五层膜片4重叠构成，第一层膜片1～第四层膜片3均为YSZ单晶膜片，第一层膜片1的上表面加工有表面覆盖有保护层的氧泵正极13，氧泵正极13和第一层膜片1上加工有第一通孔为采集腔a，第一通孔为圆孔，位于采集腔a下方第二层膜片2上加工有第二通孔、第三通孔、第四通孔，第二通孔为圆孔，第二通孔内安装有第一扩散障12，第一扩散障12为环形结构，第一扩散障12将第二通孔分隔成第一测量室b和缓冲腔c，缓冲腔c位于采集腔a的正下方，缓冲腔c的直径大于采集腔a的直径，第一测量室b内第一层膜片1底部和第三层膜片2上表面加工有主氧泵负极11，第三通孔为矩形孔，第二通孔与第三通孔之间安装有第二扩散障14，第三通孔为第二测量室d，第二测量室d内第一层膜片1底部和第三层膜片2上表面加工有辅助泵负极15，第四通孔为矩形孔，第三通孔与第四通孔之间安装有第三扩散障16，第四通孔为第三测量室f，第三测量室f内第一层膜片1底部和第三层膜片2上表面加工有表面覆盖有保护层的测量电极9，第三层膜片10上加工有第五通孔与第二层膜片2和第四层膜片3形成半封闭的参比通道h，参比通道h内第二层膜片2下表面加工有表面覆盖有保护层的参比电极6，第四层膜片3与第五层膜片4之间加工有加热电极绝缘层7和加热电极8，加热电极8包裹在加热电极绝缘层7内，加热电极8外引线5穿过第五层膜片4位于第五层膜片4下表面，第五层膜片4加工有应力释放孔g，应力释放孔g保证参比通道h的密封性，使得参比气体的成分不受影响，应力释放孔g内填充有加热电极绝缘层7，加热电极绝缘层7为Al2O3绝缘浆料，第一扩散障12、第二扩散障14、第三扩散障16为具有孔隙率的氧化铝层。
本发明的工作原理如下：
第一层膜片1、主氧泵负极11、氧泵正极13构成主氧泵电池，第二层膜片2、氧泵正极13、辅助泵负极15构成辅助氧泵电池，第三层膜片10、氧泵正极13、测量电极9构成测量氧泵电池，三个氧泵电池用于O2的泵出或泵入，参比电极6分别与主氧泵负极11、辅助泵负极15、测量电极9构成三个能斯特电池，通过能斯特电势来检测三个测量室内的O2浓度。
工作时，对加热电极8施加一定的电压使本发明达到工作温度，尾气通过采集腔a、缓冲腔c和第一扩散障12进入第一测量室b，对主氧泵电池施加一定的电压，将尾气中的大部分O2泵出，使第一测量室b的O2浓度降低，通过主氧泵负极11与参比电极6之间的能斯特电势来表征第一测量室的O2浓度。在低的O2浓度下，NO与NO2之间的化学平衡被破坏，在高温下发生反应：2NO2→2NO+O2，于是尾气中的NO2转化为NO和O2并通过第二扩散障14进入第二测量室d；对辅助氧泵电池施加一定的电压，用于除去多余的O2，使第二测量室d的O2浓度进一步降低，通过辅助泵负极15与参比电极6之间的能斯特电势来表征第二测量室d的O2浓度。经过第一测量室b和第二测量室d后尾气中只剩下了NO，NO通过第三扩散障16进入第三测量室f，在测量电极9的催化作用下发生反应2NO→N2+O2，NO分解成N2和O2，O2从测量氧泵电池泵出，在O2泵出的过程中将产生极限电流，其大小与NO分解产生的O2的浓度唯一对应，从而就确定了NOX的浓度。

Claims (4)

1.一种氮氧化物传感器陶瓷芯片，芯片本体自上而下由第一层膜片(1)、第二层膜片(2)、第三层膜片((10)、第四层膜片(3)、第五层膜片(4)叠压构成，其特征在于：第一层膜片(1)的上表面设置有表面覆盖有保护层的氧泵正极(13)，覆盖有保护层的氧泵正极(13)和第一层膜片(1)上加工有第一通孔为采集腔(a)，位于采集腔(a)下方第二层膜片(2)上加工有第二通孔、第三通孔、第四通孔，第二通孔内设置有第一扩散障(12)，第一扩散障(12)将第二通孔分隔成第一测量室(b)和缓冲腔(c)，缓冲腔(c)位于采集腔(a)的正下方，第一测量室(b)内第一层膜片(1)底部和第三层膜片(10)上表面设置有主氧泵负极(11)，第二通孔与第三通孔之间设置有第二扩散障(14)，第三通孔为第二测量室(d)，第二测量室(d)内第一层膜片(1)底部和第三层膜片(10)上表面设置有辅助泵负极(15)，第三通孔与第四通孔之间设置有第三扩散障(16)，第四通孔为第三测量室(f)，第三测量室(f)内第一层膜片(1)底部和第三层膜片(10)上表面设置有表面覆盖有保护层的测量电极(9)，第三层膜片(10)上加工有第五通孔与第二层膜片(2)和第四层膜片(3)形成半封闭的参比通道(h)，参比通道(h)内第二层膜片(2)下表面设置有表面覆盖有保护层的参比电极(6)，第四层膜片(3)与第五层膜片(4)之间设置有加热电极绝缘层(7)和加热电极(8)，加热电极(8)包裹在加热电极绝缘层(7)内，加热电极外引线(5)穿过第五层膜片(4)位于第五层膜片(4)下表面，第五层膜片(4)加工有应力释放孔(g)，应力释放孔(g)内填充有加热电极绝缘层用浆料。
2.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器陶瓷芯片，其特征在于：所述的第一通孔和第二通孔均为圆孔，第一通孔的直径小于第二通孔的直径，第三通孔和第四通孔均为矩形孔。
3.根据权利要求2所述的氮氧化物传感器陶瓷芯片，其特征在于：所述的第一扩散障(12)为环形结构，第一扩散障(12)将第二通孔分隔成内部为缓冲腔(c)、外部为第一测量室(b)，所述缓冲腔(c)的直径大于第一通孔的直径。
4.根据权利要求1所述的氮氧化物传感器陶瓷芯片，其特征在于：所述的加热电极绝缘层(7)的材质为Al2O3绝缘浆料。
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Patentee before: CHUANGLIAN ELECTRONIC COMPONENT (Group) Co.,Ltd.

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