CN113075277A - 氮氧化物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氮氧化物传感器，其包括第一固体电解质层、第二固体电解质层以及第三固体电解质层，第二固体电解质层朝向第三固体电解质层的一侧设有公共电极，第二固体电解质层朝向第一固体电解质层的一侧设有主泵电极、辅助泵电极以及测量泵电极，第一固体电解质层背离第二固体电解质层的一侧设有参比电极，第三固体电解质层上朝向第二固体电解质层的一侧设置加热器。本发明中的氮氧化物传感器缩短了主泵电极、辅助泵电极、测量泵电极、公共外电极与加热器之间的距离，提升了氮氧化物传感器的加热效率，降低了工作状态下功耗，同时还能有延长氮氧化物传感器的使用寿命。

Description

氮氧化物传感器

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种氮氧化物传感器。

背景技术

现有氮氧化物传感器是汽车尾气监测与排放控制系统的重要部件，主要用于实时准确测量汽车尾气中的氮氧化物浓度。现有的氮氧化物传感器公共电极和加热电极分别处于敏感元件厚度方向的上下两端，导致敏感元件的加热效率偏低，而为保证氮氧化物传感器的高泵氧能力，这就要求敏感元件必须采用相对较高的加热功率，在加热功率较高时不仅增加了传感器的功耗，而且也在一定程度上会影响敏感元件的使用寿命。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种氮氧化物传感器，旨在解决现有技术中氮氧化物传感器功耗高和使用寿命短的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的氮氧化物传感器包括依次层叠设置的第一固体电解质层、第二固体电解质层以及第三固体电解质层，所述氮氧化物传感器还包括主泵电池、辅助泵电池以及测量泵电池，所述第二固体电解质层朝向所述第三固体电解质层的一侧设有公共电极，所述第二固体电解质层朝向所述第一固体电解质层的一侧设有主泵电极、辅助泵电极以及测量泵电极，所述第一固体电解质层背离所述第二固体电解质层的一侧设有参比电极，所述主泵电池包括所述公共电极和所述主泵电极，所述辅助泵电池包括所述公共电极和所述辅助泵电极，所述测量泵电池包括所述公共电极与所述测量泵电极，所述第三固体电解质层上朝向所述第二固体电解质层的一侧设置加热器，所述加热器用于加热所述主泵电极、所述辅助泵电极、所述测量泵电极以及所述公共电极。

可选的，所述氮氧化物传感器还包括第四固体电解质层，所述第四固体电解质层设置于所述第三固体电解质层背离所述加热器的一侧，所述第四固体电解质层背离所述加热器的一侧设有公共电极引脚、正加热电极引脚、负加热电极引脚以及测温线引脚；所述第二固体电解质层上设置有与所述公共电极连接的公共电极引线，所述第三固体电解质层上设置有与所述加热器连接的加热器正极引线、加热器负极引线以及加热器测温线；所述公共电极引脚、所述正加热电极引脚、所述负加热电极引脚以及所述测温线引脚分别对应与所述公共电极引线、所述加热器正极引线、所述加热器负极引线以及所述加热器测温线连接。

可选的，所述氮氧化物传感器还包括第五固体电解质层，所述第一固体电解质层层叠设置于所述第五固体电解质层和所述第二固体电解质层之间，所述第五固体电解质层远离所述第二固体电解质层的一侧设有主泵电极引脚、辅助泵电极引脚、参比电极引脚以及测量泵电极引脚，所述主泵电极引脚、所述辅助泵电极引脚、所述参比电极引脚以及所述测量泵电极引脚分别对应与所述主泵电极、所述辅助泵电极、所述参比电极以及所述测量泵电极连接。

可选的，所述氮氧化物传感器还包括层叠设置于所述第二固体电解质层和所述第三固体电解质层之间的第六固体电解质层，所述第五固体电解质层的朝向所述第一固体电解质层的一侧设有参比气道，所述第一固体电解质层朝向所述第二固体电解质层的一侧设有泵电极扩散障，所述第六固体电解质层朝向所述第二固体电解质层的一侧设有公共电极气体通道，所述第五固体电解质层开设有空气导孔，所述参比气道与所述空气导孔连通，所述公共电极气体通道和所述泵电极扩散障均用于供待测气氛通过。

可选的，所述氮氧化物传感器还包括第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层设置于所述第六固体电解质层朝向所述加热器的一侧，所述第二绝缘层设置于所述第三固体电解质层朝向所述第六固体电解质层的一侧，所述加热器设置于所述第二绝缘层。

可选的，所述第一固体电解质层、所述第二固体电解质层、所述第三固体电解质层、所述第四固体电解质层、所述第五固体电解质层以及所述第六固体电解质层均为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷。

可选的，所述参比电极的外表面覆盖有第一保护层，所述主泵电极、所述辅助泵电极和所述测量泵电极的外表面覆盖有第二保护层，所述公共电极的外表面覆盖有第三保护层，所述第一保护层、所述第二保护层以及所述第三保护层为多孔氧化锆层或多孔氧化铝层。

可选的，所述主泵电极和所述辅助泵电极均为多孔金铂合金电极，所述测量泵电极为多孔铂铑合金电极，所述公共电极和所述参比电极均为多孔铂电极。

可选的，所述加热器为铂加热电路，厚度为5μm～50μm。

可选的，所述公共电极和所述加热器之间的间距为50μm～500μm。

本发明的技术方案中，参比电极和加热器分别对应位于氮氧化物传感器两侧的最外侧，并在此基础上使公共电极处于主泵电极、辅助泵电极、测量泵电极与加热器的中间位置，相比现有技术中的氮氧化物传感器，缩短了主泵电极、辅助泵电极、测量泵电极、公共电极与加热器之间的距离，可提升氮氧化物传感器的加热效率、加快氮氧化物传感器的冷启动速度，无需采用加热功率较高的加热器就能保证氮氧化物传感器的高泵氧能力，使得本发明中的氮氧化物传感器降低了工作状态下功耗，同时还能有延长氮氧化物传感器的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例氮氧化物传感器的分解示意图；

图2为本发明一实施例氮氧化物传感器的截面示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种氮氧化物传感器。

如图1至图2所示，在本发明一实施例中，氮氧化物传感器100包括依次层叠设置的第一固体电解质层1、第二固体电解质层2以及第三固体电解质层3，氮氧化物传感器100还包括主泵电池、辅助泵电池以及测量泵电池(图未示)，第二固体电解质层2朝向第三固体电解质层3的一侧设有公共电极21，第二固体电解质层2朝向第一固体电解质层1的一侧设有主泵电极25、辅助泵电极23以及测量泵电极27，第一固体电解质层1背离第二固体电解质层2的一侧设有参比电极11，主泵电池包括公共电极21和主泵电极25，辅助泵电池包括公共电极21和辅助泵电极23，测量泵电池包括公共电极21与测量泵电极27，第三固体电解质层3上朝向第二固体电解质层2的一侧设置加热器32，加热器32用于加热主泵电极25、辅助泵电极23、测量泵电极27以及公共电极21。

本实施例中的参比电极11和加热器32分别对应位于氮氧化物传感器100两侧的最外侧，并在此基础上使公共电极21处于主泵电极25、辅助泵电极23、测量泵电极27与加热器32的中间位置，相比现有技术中的氮氧化物传感器100，缩短了主泵电极25、辅助泵电极23、测量泵电极27、公共电极21与加热器32之间的距离，可提升氮氧化物传感器100的加热效率、加快氮氧化物传感器100的冷启动速度，无需采用加热功率较高的加热器32就能保证氮氧化物传感器100的高泵氧能力，使得本实施例中的氮氧化物传感器100降低了工作状态下功耗，同时还能有延长氮氧化物传感器100的使用寿命。

在一实施例中，氮氧化物传感器100还包括第四固体电解质层4，第四固体电解质层4设置于第三固体电解质层3背离加热器32的一侧，第四固体电解质层4背离加热器32的一侧设有公共电极引脚10、正加热电极引脚60、负加热电极引脚70以及测温线引脚80；第二固体电解质层2上设置有与公共电极21连接的公共电极引线22，第三固体电解质层3上设置有与加热器32连接的加热器正极引线33、加热器负极引线34以及加热器测温线35；公共电极引脚10、正加热电极引脚60、负加热电极引脚70以及测温线引脚80分别对应与公共电极引线22、加热器正极引线33、加热器负极引线34以及加热器测温线35连接。

本实施例中的公共电极21位于第二固体电解质层2上的左端，热器正极引线、加热器负极引线34以及加热器测温线35均延左右方向延伸，且公共电极引脚10、正加热电极引脚60、负加热电极引脚70以及测温线引脚80均设置于第四固体电解质层4上远离公共电极21的一端，即右端，且公共电极引脚10、正加热电极引脚60、负加热电极引脚70以及测温线引脚80并排间隔排列，以避免各个引线之间出现干扰，且第三固体电解质层3和第四固体电解质层4为方便引线穿过，均开设有四个并排设置的过线孔组160，四个过线孔组160与公共电极引脚10、正加热电极引脚60、负加热电极引脚70以及测温线引脚80分别对应，以便氮氧化物传感器100的组装。本实施例中将加热器32靠近公共电极21设置，接将加热器32和公共电极21的引脚集中于第四固体电解质层4，进一步提高了氮氧化物传感器100的结构紧凑性，可提高加热器32的加热效率。

在另一实施例中，氮氧化物传感器100还包括第五固体电解质层5，第一固体电解质层1层叠设置于第五固体电解质层5和第二固体电解质层2之间，第五固体电解质层5远离第二固体电解质层2的一侧设有主泵电极引脚20、辅助泵电极引脚30、参比电极引脚50以及测量泵电极引脚40，主泵电极引脚20、辅助泵电极引脚30、参比电极引脚50以及测量泵电极引脚40分别对应与主泵电极25、辅助泵电极23、参比电极11以及测量泵电极27连接。本实施例中的第五固体电解质层5位于氮氧化物传感器100的最上层，且通过第五固体电解质层5将主泵电极25、辅助泵电极23、参比电极11以及测量泵电极27的引脚集中，以避免主泵电极25、辅助泵电极23、参比电极11以及测量泵电极27设置最上层或者公共电极21外置的情况，第五固体电解质层5对应主泵电极引脚20、辅助泵电极引脚30、参比电极引脚50以及测量泵电极引脚40开设有过线孔组160，以便于主泵电极25、辅助泵电极23、参比电极11以及测量泵电极27的连接，且本身实施例中外置的第四固体电解质层4和第五固体电解质层5相配合，可对主泵电池、辅助泵电池以及测量泵电池保温，以保证加热效率。

并且，本实施例中的主泵电极25上设置有主泵电极引线26，主泵电极引线26通过过线孔组160与主泵电极引脚20连接，辅助泵电极23上设置有辅助泵电极引线24，辅助泵电极引线24通过过线孔组160与辅助泵电极引脚30连接，参比电极11上设置有参比电极引线12，参比电极引线12通过过线孔组160与参比电极引脚50连接，且本实施例中公共电极引线22、主泵电极引线26、辅助泵电极引线24、参比电极引线12以及测量泵电极引线28均可采用致密铂(Pt)，且公共电极引线22、主泵电极引线26、辅助泵电极引线24、参比电极引线12以及测量泵电极引线28的厚度为5μm～50μm。

在一实施例中，氮氧化物传感器100还包括层叠设置于第二固体电解质层2和第三固体电解质层3之间的第六固体电解质层6，第五固体电解质层5的朝向第一固体电解质层1的一侧设有参比气道90，第一固体电解质层1朝向第二固体电解质层2的一侧设有泵电极扩散障110，第六固体电解质层6朝向第二固体电解质层2的一侧设有公共电极气体通道120，第五固体电解质层5开设有空气导孔51，参比气道90与空气导孔51连通，公共电极气体通道120和泵电极扩散障110均用于供待测气氛通过。

如图1所示，位于最上侧的第五固体电解质层5上的四个过线孔组160并排设置于第五固体电解质层5的右端，空气导孔51开设于第五固体电解质层5上靠近过线孔组160的位置，可方便空气导孔51将空气引入参比气道90内，且泵电极扩散障110位于第五固体电解质层5和第一固体电解质层1之间，位于次外层，可快速将待测气氛导入，且公共电极气体通道120对应公共电极21设置，配合空气导孔51、参比气道90以及泵电极扩散障110，可有效提高氮氧化物传感器100的测试效率。

在另一实施例中，氮氧化物传感器100还包括第一绝缘层61和第二绝缘层31，第一绝缘层61设置于第六固体电解质层6朝向加热器32的一侧，第二绝缘层31设置于第三固体电解质层3朝向第六固体电解质层6的一侧，加热器32设置于第二绝缘层31。本实施例中的加热器32上下两侧分别对应覆盖有第一绝缘层61和第二绝缘层31，防止高温工作过程中对加热器32施加的电流击穿氮氧化物传感器100，而造成氮氧化物传感器100失效的情况。

如图1所示，第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4、第五固体电解质层5以及第六固体电解质层6均为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷，且氧化锆粉体主要由不同粒径等级的钇稳定氧化锆颗粒以及助烧剂组成，且第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4、第五固体电解质层5以及第六固体电解质层6的厚度为10μm～400μm，本实施例中的第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第三固体电解质层3、第四固体电解质层4、第五固体电解质层5以及第六固体电解质层6更有益于氧离子的传输，提高了氮氧化物传感器100的测试效率。

在一实施例中，参比电极11的外表面覆盖有第一保护层130，主泵电极25、辅助泵电极23和测量泵电极27的外表面覆盖有第二保护层140，公共电极21的外表面覆盖有第三保护层150，第一保护层130、第二保护层140以及第三保护层150为多孔氧化锆层或多孔氧化铝层。本实施例中第一保护层130、第二保护层140以及第三保护层150的材质可相同或不同，通过第一保护层130、第二保护层140以及第三保护层150对参比电极11、主泵电极25、辅助泵电极23、测量泵电极27以及公共电极21进行防护，可防止参比电极11、主泵电极25、辅助泵电极23、测量泵电极27以及公共电极21因意外而损伤的情况，可提高氮氧化物传感器100的使用寿命。

如图1和图2所示，主泵电极25和辅助泵电极23均为多孔金铂合金(Pt-Au)电极，测量泵电极27为多孔铂铑合金(Pt-Rh)电极，可防止过度反应，公共电极21和参比电极11均为多孔铂(Pt)电极，可提高反应效率，通过铂和铂合金的配合调节氮氧化物的反应效率，保证氮氧化物传感器100的测试稳定性和测试精确性。本实施例中，加热器32为Pt加热电路，厚度为5μm～50μm。具体地，公共电极21和加热器32之间的间距为50μm～500μm，在另一实施例中，公共电极21和加热器32之间的间距为100μm～200μm，在保证结构强度的同时还能保证加热器32的加热效率，可有效将氮氧化物传感器100的冷启动时间缩短30s～50s，大大缩短了氮氧化物传感器100的测试周期，具体可通过调整第六固体电解质层6的厚度来将公共电极21和加热器32之间的间距调节至100μm～200μm。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种氮氧化物传感器，其特征在于，所述氮氧化物传感器包括依次层叠设置的第一固体电解质层、第二固体电解质层以及第三固体电解质层，所述氮氧化物传感器还包括主泵电池、辅助泵电池以及测量泵电池，所述第二固体电解质层朝向所述第三固体电解质层的一侧设有公共电极，所述第二固体电解质层朝向所述第一固体电解质层的一侧设有主泵电极、辅助泵电极以及测量泵电极，所述第一固体电解质层背离所述第二固体电解质层的一侧设有参比电极，所述主泵电池包括所述公共电极和所述主泵电极，所述辅助泵电池包括所述公共电极和所述辅助泵电极，所述测量泵电池包括所述公共电极与所述测量泵电极，所述第三固体电解质层上朝向所述第二固体电解质层的一侧设置加热器，所述加热器用于加热所述主泵电极、所述辅助泵电极、所述测量泵电极以及所述公共电极。

2.如权利要求1所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述氮氧化物传感器还包括第四固体电解质层，所述第四固体电解质层设置于所述第三固体电解质层背离所述加热器的一侧，所述第四固体电解质层背离所述加热器的一侧设有公共电极引脚、正加热电极引脚、负加热电极引脚以及测温线引脚；

所述第二固体电解质层上设置有与所述公共电极连接的公共电极引线，所述第三固体电解质层上设置有与所述加热器连接的加热器正极引线、加热器负极引线以及加热器测温线；

所述公共电极引脚、所述正加热电极引脚、所述负加热电极引脚以及所述测温线引脚分别对应与所述公共电极引线、所述加热器正极引线、所述加热器负极引线以及所述加热器测温线连接。

3.如权利要求2所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述氮氧化物传感器还包括第五固体电解质层，所述第一固体电解质层层叠设置于所述第五固体电解质层和所述第二固体电解质层之间，所述第五固体电解质层远离所述第二固体电解质层的一侧设有主泵电极引脚、辅助泵电极引脚、参比电极引脚以及测量泵电极引脚，所述主泵电极引脚、所述辅助泵电极引脚、所述参比电极引脚以及所述测量泵电极引脚分别对应与所述主泵电极、所述辅助泵电极、所述参比电极以及所述测量泵电极连接。

4.如权利要求3所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述氮氧化物传感器还包括层叠设置于所述第二固体电解质层和所述第三固体电解质层之间的第六固体电解质层，所述第五固体电解质层的朝向所述第一固体电解质层的一侧设有参比气道，所述第一固体电解质层朝向所述第二固体电解质层的一侧设有泵电极扩散障，所述第六固体电解质层朝向所述第二固体电解质层的一侧设有公共电极气体通道，所述第五固体电解质层开设有空气导孔，所述参比气道与所述空气导孔连通，所述公共电极气体通道和所述泵电极扩散障均用于供待测气氛通过。

5.如权利要求4所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述氮氧化物传感器还包括第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层设置于所述第六固体电解质层朝向所述加热器的一侧，所述第二绝缘层设置于所述第三固体电解质层朝向所述第六固体电解质层的一侧，所述加热器设置于所述第二绝缘层。

6.如权利要求5所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述第一固体电解质层、所述第二固体电解质层、所述第三固体电解质层、所述第四固体电解质层、所述第五固体电解质层以及所述第六固体电解质层均为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷。

7.如权利要求1至6中任一项所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述参比电极的外表面覆盖有第一保护层，所述主泵电极、所述辅助泵电极和所述测量泵电极的外表面覆盖有第二保护层，所述公共电极的外表面覆盖有第三保护层，所述第一保护层、所述第二保护层以及所述第三保护层为多孔氧化锆层或多孔氧化铝层。

8.如权利要求1至6中任一项所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述主泵电极和所述辅助泵电极均为多孔金铂合金电极，所述测量泵电极为多孔铂铑合金电极，所述公共电极和所述参比电极均为多孔铂电极。

9.如权利要求1至6中任一项所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述加热器为铂加热电路，厚度为5μm～50μm。

10.如权利要求1至6中任一项所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述公共电极和所述加热器之间的间距为50μm～500μm。

Images