CN110389161A - 气体传感器 - Google Patents

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R·J·索兰斯基
A·I·科瓦卢比亚斯
D·拉米雷斯
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Abstract

气体传感器(10)包括感测元件(44)，所述感测元件(44)具有电化学电池(138)和参比气体通道(152)，所述参比气体通道(152)与参比电极(134)流体连通。气体传感器(10)的护罩(86)由金属材料制成，护罩(86)是中空的，使得腔室(119)位于护罩(86)内，并且使得护罩(86)具有内表面(86a)和外表面(86b)，电化学电池(138)位于腔室(119)外部，并且参比气体通道(152)与腔室(119)流体连通，参比气体通道(152)提供从腔室(119)到参比电极(134)的流体连通。护罩(86)具有参比气体孔径(86c)，该参比气体孔径(86c)从外表面(86b)延伸通过金属材料到内表面(86a)，使得参比气体孔径(86c)允许参比气体流入腔室(119)，同时防止液态水进入腔室(119)。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及气体传感器，更具体地，涉及具有感测元件的气体传感器，该感测元件具有暴露于待感测的气体的感测电极和暴露于被用作参比气体的大气的参比电极。
背景技术
多年来，汽车工业已经在汽车中使用废气传感器来感测废气的成分，即废气中的氧浓度。例如，传感器用于确定废气含量以用于改变和优化燃烧的空气燃料比。
一种类型的传感器在多孔电极之间使用离子导电固体电解质。对于氧气，固体电解质传感器用于测量未知气体样本和已知气体样本之间的氧气活度差异。在使用用于汽车废气的传感器时，未知气体是废气，并且已知气体(即参比气体)可以是大气，因为空气中的氧含量相对恒定且易于获取。这种类型的传感器基于以电位式模式操作的电化学原电池，以检测汽车引擎的废气中存在的氧的相对量。当该原电池的相对表面暴露于不同的氧分压时，根据能斯特方程在电极之间产生电动势(“emf”)。
利用能斯特原理，化学能转化为电动势。基于该原理的气体传感器通常由离子导电固体电解质材料、具有暴露于废气的多孔保护覆盖层的多孔电极(“废气电极”)、和暴露于已知气体的分压的多孔电极(“参比电极”)组成。通常用于汽车应用的传感器使用以电位式模式操作的、基于氧化钇稳定的氧化锆的具有多孔铂电极的电化学原电池，以检测存在于汽车引擎的排气中的特定气体(诸如，例如氧气)的相对量。此外，典型的传感器具有附连的陶瓷加热器，以帮助保持传感器的离子导电性。当该原电池的相对表面暴露于不同的氧分压时，根据能斯特方程，在氧化锆壁的相对表面上的电极之间产生电动势：
其中：
E＝电动势；
R＝通用气体常数；
F＝法拉第常数；并且
T＝气体的绝对温度
由于富燃料和贫燃料排气条件之间的氧分压差异很大，电动势(emf)在化学计量点处急剧变化，从而产生这些传感器的特性切换行为。因此，这些电位式氧传感器定性地指示引擎是正在运行富燃料条件还是贫燃料条件，而不需要量化排气混合物的实际空气-燃料比。
例如，具有固体氧化物电解质(诸如氧化锆)的氧传感器测量未知气体和已知的参比气体之间的氧活度差异。通常，已知的参比气体是大气，而未知气体含有氧气，其中氧气的平衡水平待确定。通常，传感器具有内置的参比气体通道，该参比气体通道将参比电极连接到环境空气。由于氧传感器通常安装在车辆上的可能在使用中周期性地暴露于水(例如，从处于潮湿环境中的道路上溅起的水)的位置中，因此必须采取措施来防止水到达感测元件，因为水可能导致不期望的操作。提供空气的一种典型方式是提供穿过护罩的通路(该护罩限定腔室，参比气体通道与该腔室流体连通)，并在通路上施加透气膜，该透气膜允许空气从中通过，同时防止水从中穿过。Matsuo等人的美国专利No.6,395,159中示出了透气膜的一个示例，其中透气膜被示为由多孔纤维结构制成的过滤器53。虽然使用透气膜是有效的，但由于透气膜必须提供的特性，因而透气膜是气体传感器的昂贵元件。
需要的是最小化或消除如上所述的一个或多个缺点的气体传感器。
发明内容
简而言之，提供了一种气体传感器，其包括：具有电化学电池的感测元件，该电化学电池包括设置在感测电极和参比电极之间的固体电解质层，该感测元件还具有与参比电极流体连通的参比气体通道；以及由金属材料制成的护罩，该护罩是中空的，使得腔室位于该护罩内，并且使得该护罩具有内表面和外表面，感测电极和参比电极位于腔室外部并且参比气体通道与腔室流体连通，该参比气体通道提供从腔室到参比电极的流体连通，该护罩具有从外表面延伸通过金属材料到内表面的参比气体孔径，使得参比气体孔径被配置成允许参比气体流入腔室中，同时防止液态水进入腔室。
在阅读本发明的优选实施例的下列详细描述后，本发明进一步的特征和优势将更清楚地表现，这些优选实施例仅作为非限制性示例且参考附图给出。
附图说明
将参照附图进一步描述本发明，其中：
图1是根据本发明的气体传感器的轴向横截面图；
图2是在将玻璃保持器凸焊到壳体之前的根据本发明的气体传感器的玻璃保持器和壳体的放大的轴向横截面图；
图3是图2的变型；
图4是示出了根据本发明的气体传感器的一部分以及用于形成气体传感器中玻璃密封件的玻璃预制件的放大的轴向横截面图；
图5是在将上罩凸焊到壳体之前的根据本发明的气体传感器的上罩和壳体的放大的轴向横截面图；
图6是图5的变型；
图7是根据本发明的气体传感器的感测元件的分解等距示意图；
图8是图7的感测元件的示意性横截面图；
图9和图10是分别来自图1的示出了参比气体孔径的圆圈IX和X的放大图；以及
图11是图9和图10的参比气体孔径中的一个的正视图。
具体实施方式
根据本发明的优选实施例并参考图1，示出了气体传感器10，其通常包括感测子组件12和电线束子组件14。气体传感器10被布置成感测排气流11中的废气种类的浓度，仅作为非限制性示例，气体传感器10被布置成感测内燃机(未示出)的排气管道(未示出)中的废气的氧浓度水平。
感测子组件12包括金属壳体16，金属壳体16可以由例如400系列不锈钢制成并且金属壳体16沿着壳体轴线18从壳体第一端20延伸到壳体第二端22，壳体第一端20远离电线束子组件14，壳体第二端22靠近电线束子组件14。
壳体孔径24从壳体第一端20轴向延伸通过壳体16到壳体第二端22，使得壳体孔径24以壳体轴线18为中心。壳体孔径24包括壳体孔径第一部分26和壳体孔径第二部分28，壳体孔径第一部分26从壳体第一端20部分地延伸到壳体16中，壳体孔径第二部分28从壳体孔径第一部分26延伸到壳体第二端22。壳体孔径第一部分26的直径大于壳体孔径第二部分28，因此，壳体肩部30被限定在壳体孔径第一部分26与壳体孔径第二部分28相遇的地方，使得壳体肩部30基本垂直于壳体轴线18。
壳体凸缘32从壳体16径向地向外延伸。壳体凸缘32可以帮助将气体传感器10安装到排气管道，并且还可以帮助将电线束子组件14附连到壳体16，如稍后将更详细描述的。壳体16的在壳体第一端20和壳体凸缘32之间的外周界可设置有外螺纹34，外螺纹34可用于与排气管道的对应内螺纹(未示出)配合，以用于将气体传感器10安装到排气管道。壳体凸缘32的外周界可以是六边的形状(hex-shape)，以便于在外螺纹34与排气管道的内螺纹配合时被用于旋转壳体16的工具的啮合。靠近壳体第二端22的壳体凸缘32的侧面限定壳体附连表面38，壳体附连表面38位于基本垂直于壳体轴线18的平面中。壳体延伸部40可以远离壳体凸缘32轴向地延伸到壳第二端22。壳体延伸部40是圆柱形的并且以壳体轴线18为中心，藉此限定外径42。
感测子组件12还包括陶瓷感测元件44，该陶瓷感测元件44沿着感测元件轴线46从感测元件感测端48延伸到感测元件终端50。如图1中所示，感测元件轴线46与壳体轴线18重合；然而，由于制造公差和变化，感测元件轴线46可与壳体轴线18不重合。感测元件44可以是任何横截面形状(如垂直于感测元件轴线46进行剖面)，然而，优选地可以是矩形的横截面形状。感测元件感测端48在使用中暴露于被感测的气体，同时感测元件终端50与被感测的气体流体隔离，如将在后面更详细描述的。感测元件终端50可以与感测元件感测端48流体隔离，以便使感测元件终端50暴露于空气参比区。感测元件44在感测元件44的第一轴向位置处刚性地固定到壳体16，如将在下面的段落中更详细描述的。
为了将感测元件终端50与感测元件感测端48流体隔离并将感测元件44刚性地固定到壳体16，感测子组件12包括金属玻璃保持器52和玻璃密封件54。玻璃保持器52是圆柱形的并且从玻璃保持器第一端56轴向延伸到玻璃保持器第二端58。玻璃保持器孔径60轴向延伸通过玻璃保持器52，并包括玻璃保持器孔径第一部分62和玻璃保持器孔径第二部分64，该玻璃保持器孔径第一部分62从玻璃保持器第一端56部分延伸到玻璃保持器52中，该玻璃保持器孔径第二部分64从玻璃保持器孔径第一部分62延伸到玻璃保持器第二端58。玻璃保持器孔径第一部分62的横截面积(如垂直于壳体轴线18进行剖面)大于玻璃保持器孔径第二部分64的横截面积(如垂直于壳体轴线18进行剖面)，因此，玻璃保持器肩部65被限定在玻璃保持器孔径第一部分62与玻璃保持器孔径第二部分64相遇的地方。玻璃保持器孔径第一部分62可以是圆柱形的，而玻璃保持器孔径第二部分64可以成形为与感测元件44的横截面形状相匹配。玻璃保持器孔径第二部分64被尺寸设计成足够接近地围绕感测元件44，以适应玻璃密封件54的形成，如将在后面更详细描述的。
玻璃保持器52可被尺寸设计成在滑动配合界面中配合在壳体孔径第一部分26内，使得玻璃保持器52可以基本上不受抑制地插入壳体孔径第一部分26中，同时基本上防止玻璃保持器52在壳体孔径第一部分26内的径向移动。为了防止气体在金属玻璃保持器52和壳体孔径第一部分26之间迁移通过壳体孔径第一部分26，玻璃保持器52冶金地密封到壳体16。如图中所示，玻璃保持器52在玻璃保持器52和壳体肩部30之间的轴向界面处被冶金地密封到壳体16。在优选实施例中，玻璃保持器52通过焊接(甚至更优选地通过凸焊)冶金地密封到壳体16，如将在下面的段落中更详细描述的。
现在参考图2和图3，为了便于将玻璃保持器52凸焊到壳体16，玻璃保持器52或壳体16包括突出部。如图2中所示，玻璃保持器52(在被凸焊到壳体16之前示出的)设置有突出部66，该突出部66是环形的并且该突出部66到达点68。如图2中所示的，突出部66可被限定在玻璃保持器第二端58处。由于突出部66和玻璃保持器孔径第一部分62形成在玻璃保持器52的相对侧上，因此这种布置可特别有助于通过粉末金属工艺或金属注射模制来制造玻璃保持器52，其中粉末金属在模具中成形并随后烧结以便将金属颗粒结合在一起。然而，如果期望从固体坯料通过机加工来制作玻璃保持器52，则可以将突出部66移动到玻璃保持器第一端56，这允许突出部66形成在玻璃保持器52的与玻璃保持器孔径第一部分62相同的一侧上，当从固体胚料机加工玻璃保持器52时，这可能是更期望的。如果突出部66形成在玻璃保持器52的与玻璃保持器孔径第一部分62相同的一侧上，则玻璃保持器52需要在壳体孔径第一部分26上取向，使得玻璃保持器第一端56面向壳体肩部30。替代地，如图3中所示，从玻璃保持器52中省略了突出部66，并且壳体肩部30设置有突出部70，该突出部70为环形并且该突出部70到达点72。
为了完成玻璃保持器52和壳体16之间的凸焊，将第一焊接电极74应用于壳体16，而将第二焊接电极76应用于玻璃保持器52，并且将突出部66放置成与壳体肩部30接触(图2)或使突出部70与玻璃保持器52接触(图3)。接下来，电流在第一焊接电极74和第二焊接电极76之间通过，从而使电流通过壳体16和玻璃保持器52。在电流通过壳体16和玻璃保持器52的同时，压缩力被施加到突出部66或突出部70。可以通过第一焊接电极74和第二焊接电极76中的一个或两个将压缩力施加到突出部66或突出部70，如箭头F1所示。电流在突出部66或突出部70处产生热量，并且压缩力使突出部66或突出部70塌陷，藉此将玻璃保持器52冶金地密封到壳体16。突出部66或突出部70可以塌陷原始高度的约80％(在壳体轴线18的方向上)。
现在参见图1和图4，为了形成玻璃密封件54，提供玻璃预制件78，该玻璃预制件78包括延伸通过其的玻璃预制件孔径80。玻璃预制件78被尺寸设计成适合被接纳在玻璃保持器孔径第一部分62内，并且玻璃预制件孔径80被尺寸设计成接纳通过其中的感测元件44。优选地，将感测元件44被插入玻璃预制件孔径80中，然后将玻璃预制件78设置在玻璃保持器孔径第一部分62中，使得感测元件44延伸通过玻璃保持器孔径第二部分64，然而，现在应当理解感测元件44可以首先被设置在玻璃保持器孔径第二部分64内，然后玻璃预制件78可以接下来被设置在玻璃保持器孔径第一部分62内，使得感测元件44延伸通过玻璃预制件孔径80。在感测元件44被定位在相对于壳体16的期望的轴向位置处之后，玻璃预制件78被加热到足够高的温度，以允许玻璃预制件78变成熔融玻璃并流动并顺应感测元件44、玻璃保持器孔径第一部分62和玻璃保持器肩部65。仅作为非限制性示例，可以通过径向围绕壳体16的感应加热线圈(未示出)来加热玻璃预制件78。应该注意的是，感测元件44和玻璃保持器孔径第二部分64之间的间隙足够小，以便在加热玻璃预制件78以允许它流动时防止玻璃预制件78在感测元件44和玻璃保持器孔径第二部分64之间逸出。在使熔融玻璃冷却，从而形成玻璃密封件54之后，玻璃密封件54与玻璃保持器52以及感测元件44形成气密密封。将玻璃密封件54的材料选择成与玻璃密封件54在使用中将暴露的高温环境相容。玻璃密封件54优选地具有小于玻璃保持器52的热膨胀系数的热膨胀系数。
再次参见图1，感测子组件12还包括下罩82，该下罩82保护感测元件44在气体传感器10安装到排气管道期间免受损坏，并且保护感测元件44在操作期间免受由于废气中可能存在的高废气速度和颗粒而造成的损坏。下罩82由金属制成，优选地由不锈钢制成，并且可以例如通过深拉制成。下罩82包括通过其中的多个下罩百叶窗84，以便允许待感测的气体被传递到感测元件感测端48。下罩82可以例如通过卷边或焊接附连到壳体第一端20。
电线束子组件14包括：上罩86；多个电端子88，每个电端子88具有从其延伸的对应导线90，并提供感测元件44和电子设备之间的电通信，如将在后面更详细描述的；连接器主体92；保持器94；密封构件96。
上罩86由金属材料制成，并且仅出于示例可以由400系列不锈钢制成。上罩86沿着上罩轴线98从靠近壳体16的上罩第一端100延伸到远离壳体16的上罩第二端102。上罩86是管状的，藉此限定了围绕上罩轴线98的内表面86a和围绕上罩轴线98的外表面86b。
上罩孔径104从上罩第一端100轴向延伸通过上罩86到上罩第二端102，使得上罩孔径104以上罩轴线98为中心。上罩孔径104包括上罩孔径第一部分106和上罩孔径第二部分108，上罩孔径第一部分106从上罩第一端100部分地延伸到上罩86中，上罩孔径第二部分108从上孔径孔第一部分106延伸到上罩第二端102。上罩孔径第一部分106的直径大于上罩孔径104，因此上罩肩部110被限定在上罩孔径第一部分106与上罩孔径104相遇的地方。上罩孔径第一部分106限定了径向围绕壳延伸部40的内径112，使得内径112大于外径42，其重要性将在后面变得显而易见。
上罩凸缘114在上罩第一端100处从上罩86径向地向外延伸。上罩凸缘114的面向壳体16的一侧限定上罩附连表面116，该上罩附连表面116基本垂直于上罩轴线98。上罩凸缘114用于将电线束子组件14附连到壳体16，如将在后面更详细描述的。
连接器主体92由电绝缘材料(例如陶瓷)制成，并包括连接器主体孔径118，连接器主体孔径118在与上罩轴线98相同的总体方向上延伸通过连接器主体92。连接器主体92被配置成保持电端子88，使得电端子88延伸到连接器主体孔径118中。
保持器94可以由金属制成并径向围绕连接器主体92。保持器94夹紧连接器主体92的外周界，并且具有当保持器94和连接器主体92被插入上罩孔径第一部分106中时弹性变形直到保持器94到达上罩肩部110的特征。因此，保持器94防止连接器主体92在上罩86内的移动。应当注意，保持器94可以以这样的方式保持连接器主体92：连接器主体孔径118和电端子88可以不以壳体轴线18或上罩轴线98为中心。
密封构件96优选地由弹性材料制成并且设置在上罩孔径第二部分108内。因此，腔室119在上罩86内轴向地形成在密封构件96和壳体第二端22之间，如图1中最佳示出的。导线90穿过密封构件96，使得每根导线90利用密封构件96来单独密封。上罩86可以围绕密封构件96径向卷曲，从而允许密封构件96防止水和其他污染物的侵入进入上罩86。上罩86包括一个或多个上罩参比气体孔径86c(在图9和图10中最佳地示出)，该上罩参比气体孔径86c沿着参比气体孔径轴线86d从外表面86b延伸通过上罩86的金属材料到达内表面86a。上罩参比气体孔径86c提供参比气体(优选地是大气)到腔室119的入口，以由感测元件44使用，如将在后面与上罩参比气体孔径86c的综合描述一起更详细描述的。应当注意，为了清楚起见，图中所示的上罩参比气体径86c可能在比例上被放大。
感测元件终端50被接纳在连接器主体孔径118内，使得感测元件终端50弹性地移动电端子88，以便提供与感测元件44上的配合端子(未示出)的可靠电接触。以这种方式，感测元件44在感测元件44的第二轴向位置处由上罩86侧向地支撑，该第二轴向位置在轴向上远离感测元件44被刚性地固定到壳体16的轴向位置。
由于制造公差和变化，壳体轴线18、感测元件轴线46和上罩轴线98可能不总是彼此重合。因此，如果上罩86以同心关系被固定到壳体16，使得壳体轴线18与上罩轴线98重合，则应力可被侧向地置于感测元件44上。为了最小化或消除感测元件44上的侧向应力，使用上罩附连表面116和壳体附连表面38将上罩86附连到壳16。由于上罩附连表面116基本上垂直于上罩轴线98，并且壳体附连表面38基本上垂直于壳体轴线18，因此上罩轴线98和壳体轴线18之间的未对准被调解(accommodate)，同时仍然允许上罩附连表面116和壳体附连表面38接合在一起，如以下描述的。如前所述，上罩孔径第一部分106的内径112大于壳体延伸部40的外径42。该关系调解了上罩轴线98和壳体轴线18之间的无法避免的不对准。当然，由上罩孔径第一部分106的内径112与壳体延伸部40的外径42之间的尺寸差异来确定上罩轴线98和壳体轴线18之间的可允许的未对准的幅度。因此，上罩孔径第一部分106的内径112与壳体延伸部40的外径42之间的尺寸差异优选地被设计成适应上罩轴线98和壳体轴线18之间的未对准的最大量，该未对准的最大量将是允许将感测元件44插入到连接器主体孔径118中同时不向感测元件44施加侧向应力或向感测元件44施加可接受的幅度的侧向应力所不可避免的。
现在参见图5和图6，现在将描述用于将上罩86附连到壳体16的方法。在将上罩86附连到壳体16之前；感测元件44已经刚性地固定到壳体16，如上所述。同样在将上罩86附连到壳体16之前，电端子88、导线90、连接器主体92、保持器94和密封构件96被定位在上罩86内，如上所述。接下来，将感测元件终端50插入连接器主体孔径118中，从而弹性地移动电端子88并在电端子88和感测元件44之间形成电接触。感测元件终端50被插入连接器主体孔径118中，直到上罩附连表面116接触壳体附连表面38。允许由感测元件44和电端子88确定上罩轴线98和壳体轴线18的相对位置，从而防止上罩86(现在侧向地支撑感测元件44)将过大的侧向应力施加到感测元件44。在感测元件44和电端子88确定上罩轴线98和壳体轴线18的相对位置之后，上罩86在上罩附连表面116和壳体附连表面38之间形成的界面处例如通过冶金接合被附连到壳体16。凸焊可用于在上罩附连表面116和外壳附连表面38之间形成的界面处将上罩86附连到壳体16的优选实施例中。如图5中所示，由环形突出部120进一步限定上罩附连表面116，该环形突出部120从上罩凸缘114朝向壳体附连表面38轴向延伸并且到达点122。替代地，如图6中所示，从上罩凸缘114省略突出部120，并且由环形突出部124进一步限定壳体附连表面38，该环形突出部124从壳体凸缘32朝向上罩86轴向延伸并且到达点126。
为了完成上罩86和壳体16之间的凸焊，将第三焊接电极128应用于壳体16，而将第四焊接电极130应用于上罩86，并且将突出部120放置成与壳体附连表面38接触(图5)或使突出部124与上罩附连表面116接触(图6)。接下来，电流在第三焊接电极128和第四焊接电极130之间通过，因此电流通过壳体16和上罩86。在电流通过壳体16和上罩86的同时，压缩力被施加到突出部120或突出部124。可以通过第三焊接电极128和第四焊接电极130中的一个或两个将压缩力施加到突出部120或突出部124，如箭头F2所示。电流在突出部120或突出部124处产生热量，并且压缩力使突出部120或突出部124塌陷，藉此将上罩86冶金地接合到壳体16。突出部120或突出部124可以塌陷原始高度的约80％(在上罩轴线98的方向上)。
现在将具体参见图7和图8更详细地描述感测元件44。感测元件44包括感测电极132和参比电极134，使得第一固体电解质层136设置在感测电极132和参比电极134之间，并且使得参比电极134与第一固体电解质层136的一侧接触，同时参比电极134设置成与第一固体电解质层136的与第一固体电解质层136的第一侧(参比电极134与其接触)相对的另一侧接触。感测电极132、参比电极134和第一固体电解质层136一起限定电化学电池138。感测电极132包括感测电极引线132a，该感测电极引线132a与感测电极132电通信，并且感测电极引线132a是经由一个相应的电端子88和一个相应的导线90到电压计140(仅在图1中示出)的第一输入，而参比电极134类似地包括参比电极引线134a，该参比电极引线134a与参比电极134电通信，并且该参比电极引线134a是经由一个相应的电端子88和一个相应的电线90到电压计140的第二输入。
感测元件44还包括在感测电极132的与第一固体电解质层136相对的一侧上的第一保护绝缘层142。第一保护绝缘层142包括致密部分142a和多孔部分142b，使得多孔部分142b实现感测电极132和排气流11之间的流体连通，从而允许感测电极132暴露于排气流11。
感测元件44还包括设置成与电化学电池138热连通的加热器144，以便将电化学电池138保持在期望的操作温度，仅作为非限制性示例，期望的操作温度可以在约600℃至约800℃的范围内。加热器144设置在第二保护绝缘层146和第三保护绝缘层148之间，并与第二保护绝缘层146和第三保护绝缘层148接触，使得第二保护绝缘层146位于加热器144的面向参比电极134的一侧上，并且使得第三保护绝缘层148位于加热器144的背离参比电极134的一侧上。加热器144包括正加热器引线144a，该正加热器引线144a与加热器144电连通，并且该正加热器引线144a经由一个相应的电端子88和一个相应的电线90被电连接到电源150的正端子，并且加热器144还包括负加热器引线144b，该负加热器引线144b电加热器144电连通，并且该负加热器引线144b经由一个相应的电端子88和一个相应的导线90被电连接到电源150的负端子。仅作为非限制性示例，加热器144可包括铂、氧化铝、钯等，以及包含至少一种前述金属的混合物和合金或者任何其它常规加热器。仅作为非限制性示例，加热器144可以通过将材料丝网印刷到第三保护绝缘层148上而被形成至约5微米至约50微米的厚度，其中可以与加热器144同时地形成正加热器引线144a和负加热器引线144b。
参比气体通道152被限定在第一固体电解质层136和第二保护绝缘层146之间，使得参比气体通道152通过端口154接收参比气体，端口154与腔室119流体连通，并且如图所示，端口154可以在腔室119内。此外，参比气体通道152由第一固体电解质层136和第二保护绝缘层146部分地限定。参比气体是大气，在本文中所使用的大气是在地球大气中发现的具有所理解的基本恒定的约21％的氧气浓度的空气。参比气体通道152延伸到参比电极134，从而为参比电极134提供恒定的新鲜空气供应，并因此还为参比电极134提供恒定浓度的氧气。
仅作为非限制性示例，第一保护绝缘层142、第二保护绝缘层146和第三保护绝缘层148包括诸如氧化铝等之类的介电材料，并且仅作为非限制性示例，可以使用陶瓷流延成型方法、等离子喷涂沉积技术、丝网印刷和模板印刷来形成第一保护绝缘层142、第二保护绝缘层146和第三保护绝缘层148。第一保护绝缘层142、第二保护绝缘层146和第三保护绝缘层148的厚度可以在约50微米和约200微米之间，并提供以下特性中的一个或多个：保护感测元件44的各种元件免受磨损、振动等，到感测元件44的物理强度，物理地分离感测元件44的各种元件，以及在感测元件44的各个元件之间提供电隔离。
第一固体电解质层136可以由能够允许氧离子的电化学转移同时抑制废气的物理通路的任何材料制成，其具有大约单位1(unity)的离子/总电导率比，并且与将使用气体传感器10的环境(例如，高达约1000℃)相容。用于第一固体电解质层136的可能材料可包括通常用作传感器电解质的任何材料，仅作为非限制性示例，传感器电解质包括氧化锆，该氧化锆可任选地用钙、钡、钇、镁、铝、镧、铯、钆等以及包含至少一种前述物质的组合来稳定。例如，第一固体电解质层136可以是铝和钇稳定的氧化锆。可以经由许多常规工艺来形成第一固体电解质层136，例如，模压、辊压(roll compaction)、模板印刷、丝网印刷、流延成型技术等，并且第一固体电解质层136具有约25微米至约500微米的厚度
如现在应该显而易见的是，在图中极大地放大了各层和各通道的厚度，以便提供清晰度。此外，应该注意，图7未示出由临时(fugitive)材料形成的参比气体通道152，在感测元件44的各层的堆积期间施加该临时材料，例如碳材料(诸如炭黑)，其中临时材料随后在感测元件44的烧制过程期间被烧坏。
感测电极132和参比电极134可包括能够使氧电离的任何催化剂，包括但不限于：金属，诸如铂、钯、锇、铑、铱、金和钌；金属氧化物，诸如氧化锆、氧化钇、氧化铈、氧化钙、氧化铝等；其他材料，诸如硅等；以及包含前述催化剂中的至少一种的混合物和合金。可以使用常规技术来形成感测电极132和参比电极134，该常规技术包括溅射、化学气相沉积或丝网印刷等。如果采用共烧工艺来形成气体传感器10，则由于简单、经济和与共烧工艺的兼容性，优选将电极丝网印刷到合适的带上。
如前所述，上罩参比气体孔径86c提供入口以用于空气进入腔室119，以供感测元件44使用。除了允许空气进入腔室119之外，上罩参比气体孔径86c还起到防止液态水进入腔室119的作用，因为水可能损害感测元件44的功能。因此，上罩参比气体孔径86c被尺寸设计成防止液态水从其通过。液态水通过上罩参比气体孔径86c的能力取决于液态水的表面张力和上罩86外部区域与腔室119之间的压差。取决于气体传感器10的应用，上罩参比气体孔86c的尺寸要求可以是不同的，以便适应上罩86外部区域与腔室119之间的、对于气体传感器10的特定应用所预期经历的不同压差。例如，被设计成用于主要在道路上使用的车辆中的气体传感器10可具有比被设计成用于可经受越野使用的车辆中的气体传感器10较不严格的针对水侵入腔室119中的要求，越野使用包括可能是通过涉水溪流而遇到的高水位冲击或水浸。然而，发明人已经发现，针对最不严格的应用，为了防止水进入腔室119中上罩参比气体孔径86c的直径小于或等于约1100μm(微米)，并且针对更严格的应用，为了防止水进入腔室119中上罩参比气体孔径86c的直径优选地小于或等于约275μm。由于上罩参比气体孔径86c在实施例中是圆形的，因此上罩参比气体孔径86c在垂直于参比气体孔径轴线86d的方向上具有最大宽度W，该最大宽度W等于上罩参比气体孔径86c的直径。虽然上罩参比气体孔径86c在本文中被示出为当由垂直于参比气体孔径轴线86d的平面切割时具有圆形的横截面形状，但应该理解，可预期其他横截面形状。当利用不同的横截面形状时，上罩参比气体孔径86c的垂直于参比气体孔径轴线86d的最大宽度小于或等于约1100μm，并且优选地小于或等于约275μm。还可以根据上罩参比气体孔径86c在给定条件下防止液态水通过上罩参比气体孔径86c的能力来表征上罩参比气体孔径86c的尺寸。例如，上罩参比气体孔径86c被尺寸设计成当液态水经受100Pa或更低的压力时防止液态水通过上罩参比气体孔径86c，以用于最不严格的应用，并且被尺寸设计成当液态水经受1000Pa或更低的压力时防止液态水通过上罩参比气体孔径86c，以用于更严格的应用。压力可能是由于加压喷射水而导致的，可能是由在与气体传感器10相关联的内燃机停止操作之后由于气体传感器10的冷却而导致的腔室119内产生的真空引起的，或者可能是由由于完全浸没在液态水中而导致的头部压力(即基于上罩参比气体孔径86c被定位的水内的深度的压力)引起的。
虽然图中在直径上相对的两个上罩参比气体孔径86c是可见的，但应该理解，需要选择上罩参比气体孔径86c的数量以提供足够的空气流进入腔室119中，以支持感测元件44的操作。本领域普通技术人员将能够基于支持感测元件44的操作所需的流速和每个上罩参比气体孔径86c能够提供的流速来确定支持感测元件44的操作所需的上罩参比气体孔径86c的数量。此外，上罩参比气体孔径86c的数量可以增加到高于支持感测元件44的操作所需的最小数量，以便在一个或多个上罩参比气体孔径86c变得阻塞(例如，在气体传感器10的使用寿命期间有异物)的情况下提供额外的流通能力。虽然上罩参比气体孔径86c已经显示为围绕上罩86的圆周等距地间隔，但是应该理解，也可以预期不等的间距。
可以优选地使用激光器(未示出)在上罩86中形成上罩参比气体孔径86c。利用足够的功率使激光器脉动，以使上罩86的金属熔化，并引导加压气体，以便移动熔融金属，从而形成每个上罩参比气体孔径86c。发明人已经发现，在4ms(毫秒)的时间段内以恒定速率使激光器从0瓦脉动到2.00×107瓦并且回到0瓦并且继续该脉动达总共40ms足以形成上罩参比气体孔径86c。在使用激光形成上罩参比气体孔径86c之后，可能需要使上罩86经受腐蚀抑制过程，其可包括使上罩86经受抗耐腐蚀浴，以便防止上罩参比气体孔径86c处的腐蚀(其可导致上罩参比气体孔径86c的堵塞)。抗腐蚀浴的一个示例是去离子水与SurTec 089和SurTec 138的组合，两者均可从美国俄亥俄州Brunswick的SurTec公司获得。SurTec 089和SurTec 138是具有一定抗腐蚀性能的碱性清洁剂，其中按体积计5％的SurTec 089和按体积计0.5％的SurTec 138与去离子水结合以产生抗腐蚀浴。
为了进一步降低液态水进入上罩参比气体孔径86c的可能性，上罩86可在围绕上罩参比气体孔径86c的区域中包括疏水涂层。合适的疏水涂层的示例可包括可从美国密歇根州Midland的Dow公司购得的Dow Corning 3-1965保形涂层。还可商购其他合适的疏水涂层。不受理论束缚，发明人认为在上罩参比气体参比孔径86c周围的区域中提供疏水涂层可有助于减少对上罩86的水润湿，并且还增加液态水的表面张力，从而降低水穿透上罩参比气体孔径86c的倾向。此外，作为使用疏水涂层的替代方案，可以在围绕上罩参比气体孔径参比孔径86c的区域中提供由激光施加的微米级和纳米级结构的图案，以便产生疏水效果。
在操作中，感测元件感测端48暴露于待感测的气体，在该非限制性示例中，该待感测的气体是内燃机的排气流11。从电源150向加热器144供应电能(例如，以13.5V)，从而使加热器144产生热量，该热量被传递到电化学电池138。感测电极132暴露于排气流11，同时参比电极134暴露于通过上罩参比气体孔径86c、腔室119和参比气体通道152提供的大气。当电化学电池138通过来自加热器144和排气流11中的一个或多个的热量充分加热时，例如加热到大于或等于约600℃的温度时，离子氧能够流过第一固体电解质层136，并且根据能斯特方程产生电动势，该电动势基于供应给感测电极132的氧浓度(这取决于排气流11中的氧浓度)而变化。因此，电压计140可用于监测感测电极132和参比电极134之间的电压，以便确定排气流11中的氧浓度，仅作为非限制性示例，该排气流11中的氧浓度对于控制和诊断产生排气流11的内燃机是有用的，或者对于控制或诊断被设置用于在排气流11被释放到大气之前净化排气流11的设备是有用的。
具有如本文所述的上罩参比气体孔径86c的气体传感器10允许空气被可靠地供应到腔室119以供感测元件44使用，同时防止水被供应到腔室119而无需昂贵的透气膜。
尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在受如此限制，而是仅受所附权利要求书中给出的范围限制。

Claims (16)

1.一种气体传感器(10)，包括：
感测元件(44)，所述感测元件(44)具有电化学电池(138)，所述电化学电池(138)包括设置在感测电极(132)和参比电极(134)之间的固体电解质层(136)，所述感测元件(44)还具有与所述参比电极(134)流体连通的参比气体通道(152)；
由金属材料制成的护罩(86)，所述护罩(86)是中空的，使得腔室(119)位于所述护罩(86)内，并且使得所述护罩(86)具有内表面(86a)和外表面(86b)，所述感测电极(132)和所述参比电极(134)位于所述腔室(119)的外部，并且所述参比气体通道(152)与所述腔室(119)流体连通，所述参比气体通道(152)提供从所述腔室(119)到所述参比电极(134)的流体连通，所述护罩(86)具有参比气体孔径(86c)，所述参比气体孔径(86c)从所述外表面(86b)延伸通过所述金属材料到所述内表面(86a)，使得所述参比气体孔径(86c)被配置成允许参比气体流入所述腔室(119)中，同时防止液态水进入所述腔室(119)。
2.如权利要求1所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体通道(152)位于所述腔室(119)内。
3.如权利要求1所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)的直径小于或等于1100μm。
4.如权利要求3所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)的直径小于或等于275μm。
5.如权利要求1所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)沿轴线(86d)延伸穿过所述金属材料，并且所述参比气体孔径(86c)在垂直于所述轴线(86d)的方向上具有小于或等于1100μm的最大宽度。
6.如权利要求5所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述最大宽度小于或等于275μm。
7.如权利要求1所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)被配置成当液态水经受1000Pa或更低的压力时防止液态水进入所述腔室(119)。
8.如权利要求1所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)是从所述外表面(86b)延伸通过所述金属材料到所述内表面(86a)的多个参比气体孔径(86c)中的一个，使得所述多个参比气体孔径(86c)中的每一个被配置成允许参比气体流入所述腔室(119)中，同时防止液态水进入所述腔室(119)。
9.一种气体传感器(10)，包括：
感测元件(44)，所述感测元件(44)具有电化学电池(138)，所述电化学电池(138)包括设置在感测电极(132)和参比电极(134)之间的固体电解质层(136)，所述感测元件(44)还具有与所述参比电极(134)流体连通的参比气体通道(152)；
腔室(119)，使得所述感测电极(132)和所述参比电极(134)位于所述腔室(119)的外部，并且所述参比气体通道(152)与所述腔室(119)流体连通，所述参比气体通道(152)提供从所述腔室(119)到所述参比电极(134)的流体连通；以及
由金属材料制成的护罩(86)，所述护罩(86)具有内表面(86a)和外表面(86b)，所述护罩(86)还具有从所述外表面(86b)延伸通过所述金属材料到所述内表面(86a)的参比气体孔径(86c)，使得所述参比气体孔径(86c)被配置成允许参比气体流入所述腔室(119)中，同时防止液态水进入所述腔室(119)。
10.如权利要求9所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体通道(152)位于所述腔室(119)内。
11.如权利要求9所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)的直径小于或等于1100μm。
12.如权利要求11所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)的直径小于或等于275μm。
13.如权利要求12所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)沿轴线(86d)延伸穿过所述金属材料，并且所述参比气体孔径(86c)在垂直于所述轴线(86d)的方向上具有小于或等于1100μm的最大宽度。
14.如权利要求13所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述最大宽度小于或等于275μm。
15.如权利要求9所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)被配置成当液态水经受1000Pa或更低的压力时防止液态水进入所述腔室(119)。
16.如权利要求9所述的气体传感器(10)，其特征在于，所述参比气体孔径(86c)是从所述外表面(86b)延伸通过所述金属材料到所述内表面(86a)的多个参比气体孔径(86c)中的一个，使得所述多个参比气体孔径(86c)中的每一个被配置成允许参比气体流入所述腔室(119)中，同时防止液态水进入所述腔室(119)。
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