CN113075278B - 氮氧化物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氮氧化物传感器，其包括的第一结构层的厚度与第二结构层的厚度相同，且第一结构层和第二结构层相对固体电解质层组呈对称布置；第一固体电解质层朝向第一结构层的一侧设有公共电极，第一固体电解质层朝向第二固体电解质层的一侧设有第一主泵电极和第一辅助泵电极，第二固体电解质层朝向第一固体电解质层的一侧设有第二主泵电极、第二辅助泵电极以及测量泵电极，第二固体电解质层朝向第三固体电解质层的一侧设有参比电极，第三固体电解质层朝向第二结构层的一侧设有加热器。本发明氮氧化物传感器降低了氮氧化物传感器工作状态下的功耗，能延长氮氧化物传感器的使用寿命，同时提高了烧成合格率。

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

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。目前，汽车市场广泛应用的NOX传感器由日本NGK公司制造，该传感器由氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷组成，其一般包含四个腔室(参见专利文件：US09631999B2，US09927413B2，EP0878709A2)，分别是待测气氛缓冲室、第一腔室、第二腔室和第三腔室。对于现有的氮氧化物传感器(专利文件：US09631999B2，US09927413B2，EP0878709A2)，，由于这些腔室和工作电极等结构的存在，氮氧化物传感器呈现一种非常不对称的结构，导致氮氧化物传感器在高温烧成收缩过程中容易出现弯曲、分层、开裂等各种问题，降低了氮氧化物传感器的生产合格率。此外，现有的泵氧电池与加热器在空间上相距较远，导致氮氧化物传感器的加热效率偏低，而为了保证主泵电池、辅助泵电池和测量泵电池的高泵氧能力，这就要求氮氧化物传感器必须采用相对较高的加热功率，这不仅增加了氮氧化物传感器的功耗，而且在一定程度上会影响氮氧化物传感器的使用寿命。

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生产合格率低和使用寿命短的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的所述氮氧化物传感器包括依次烧结而成的第一结构层、固体电解质层组以及第二结构层，所述第一结构层的厚度与所述第二结构层的厚度相同，且所述第一结构层和所述第二结构层相对所述固体电解质层组呈对称布置；所述固体电解质层组包括依次烧结而成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，所述第一固体电解质层朝向所述第一结构层的一侧设有公共电极，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第一主泵电极和第一辅助泵电极，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第二主泵电极、第二辅助泵电极以及测量泵电极，且所述第二主泵电极和所述第二辅助泵电极分别对应所述第一主泵电极和所述第一辅助泵电极的位置设置，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参比电极，所述第三固体电解质层朝向所述第二结构层的一侧设有加热器，所述加热器用于加热所述公共电极、所述第一主泵电极、所述第一辅助泵电极、所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极、所述测量泵电极以及所述参比电极。

可选的，所述公共电极朝向所述第一结构层的一侧覆盖有第一保护层，所述第一保护层朝向所述第一结构层的一侧设有公共电极气体通道；所述第一主泵电极和所述第一辅助泵电极朝向所述第二固体电解质层的一侧覆盖有第二保护层，所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极和所述测量泵电极朝向所述第一固体电解质层的一侧覆盖有第三保护层，所述第二保护层所述第三保护层之间设有泵电极扩散障，所述泵电极扩散障和所述公共电极气体通道均用于供待测气氛通过。

可选的，所述参比电极朝向所述第三固体电解质层的一侧覆盖有第四保护层，所述第一保护层、所述第二保护层、所述第三保护层以及所述第四保护层为多孔氧化锆层或多孔氧化铝层。

可选的，所述第二结构层背离所述加热器的一侧设有参比电极引脚、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有与所述参比电极连接的参比电极引线，所述第三固体电解质层上设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；所述参比电极引脚、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参比电极引线、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。

可选的，所述第一结构层远离所述第一固体电解质层的一侧设有主泵电极引脚、辅助泵电极引脚、公共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、所述公共电极引脚以及所述测量泵电极引脚分别对应与所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极、所述公共电极以及所述测量泵电极连接。

可选的，所述第一结构层由至少两个第一子结构层依次烧结而成；所述第二结构层由至少两个第二子结构层依次烧结而成。

可选的，所述第一主泵电极、所述第一辅助泵电极、所述第二主泵电极、所述第二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三固体电解质层朝向所述第二结构层的一侧，所述加热器设于所述第一绝缘层朝向所述第二结构层的一侧，所述第二绝缘层设于所述加热器背离所述第一绝缘层的一侧。

可选的，所述第三固体电解质层的朝向所述第二固体电解质层的一侧设有用于供空气通过的参比气道，且所述参比气道对应所述参比电极的位置设置，所述参比气道与空气相连通。

可选的，所述第一结构层、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以及所述第二结构层均为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷。

本发明的技术方案中，将固体电解质层组置于第一结构层和第二结构层之间的中心位置，同时使第一结构层的厚度和第二结构层的厚度相同，使第一结构层和第二结构层相对固体电解质层组形成完全对称结构，并具体通过公共电极、第一主泵电极、第一辅助泵电极、第二主泵电极、第二辅助泵电极、测量泵电极、参比电极与加热器之间的配合，保证了多个电极相对第二固体电解质层的对称分布，且缩短了主泵电池、辅助泵电池、测量泵电池与加热器之间的距离，提升了氮氧化物传感器的加热效率，加快了氮氧化物传感器的冷启动速度。本发明中的氮氧化物传感器降低了氮氧化物传感器工作状态下的功耗，能延长氮氧化物传感器的使用寿命；同时，对称结构设计也可以减小氮氧化物传感器在烧结过程中因收缩不均一而产生的应力，降低多层固体电解质层出现弯曲、分层、开裂等问题的风险，提高氮氧化物传感器的烧成合格率。

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包括依次烧结而成的第一结构层1、固体电解质层组以及第二结构层5，第一结构层1的厚度与第二结构层5的厚度相同，且第一结构层1和第二结构层5相对固体电解质层组呈对称布置；固体电解质层组包括依次烧结而成的第一固体电解质层2、第二固体电解质层3以及第三固体电解质层4，第一固体电解质层2朝向第一结构层1的一侧设有公共电极6，第一固体电解质层2朝向第二固体电解质层3的一侧设有第一主泵电极7和第一辅助泵电极8，第二固体电解质层3朝向第一固体电解质层2的一侧设有第二主泵电极9、第二辅助泵电极10以及测量泵电极11，且第二主泵电极9和第二辅助泵电极10分别对应第一主泵电极7和第一辅助泵电极8的位置设置，第二固体电解质层3朝向第三固体电解质层4的一侧设有参比电极12，第三固体电解质层4朝向第二结构层5的一侧设有加热器13，加热器13用于加热公共电极6、第一主泵电极7、第一辅助泵电极8、第二主泵电极9、第二辅助泵电极10、测量泵电极11以及参比电极12。

本实施例中氮氧化物传感器100的主泵电池由第一主泵电极7、第二主泵电极9以及公共电极6形成，辅助泵电池由第一辅助泵电极8、第二辅助泵电极10以及公共电极6形成，测量泵电池由测量泵电极11和公共电极6形成。本实施例中的加热器13为铂(Pt)加热电路，且加热器13的厚度为5μm～50μm。

本实施例中将固体电解质层组置于第一结构层1和第二结构层5之间的中间位置，同时使第一结构层1的厚度和第二结构层5的厚度相同，使第一结构层1和第二结构层5相对固体电解质层组形成完全对称结构，并具体通过公共电极6、第一主泵电极7、第一辅助泵电极8、第二主泵电极9、第二辅助泵电极10、测量泵电极11、参比电极12与加热器13之间的配合，保证了多个电极相对第二固体电解质层3的对称分布，且缩短了主泵电池、辅助泵电池、测量泵电池与加热器13之间的距离，提升了氮氧化物传感器100的加热效率，加快了氮氧化物传感器100的冷启动速度。本实施例中的氮氧化物传感器100降低了氮氧化物传感器100工作状态下的功耗，能延长氮氧化物传感器100的使用寿命；同时，对称结构设计也可以减小氮氧化物传感器100在烧结过程中因收缩不均一而产生的应力，降低多层固体电解质层出现弯曲、分层、开裂等问题的风险，提高氮氧化物传感器100的烧成合格率。

具体地，公共电极6朝向第一结构层1的一侧覆盖有第一保护层14，第一保护层14朝向第一结构层1的一侧设有公共电极气体通道15；第一主泵电极7和第一辅助泵电极8朝向第二固体电解质层3的一侧覆盖有第二保护层16，第二主泵电极9、第二辅助泵电极10和测量泵电极11朝向第一固体电解质层2的一侧覆盖有第三保护层17，第二保护层16第三保护层17之间设有泵电极扩散障18，泵电极扩散障18和公共电极气体通道15均用于供待测气氛通过。本实施例中通过第一保护层14、第二保护层16和第三保护层17对公共电极6、第一主泵电极7、第一辅助泵电极8、第二主泵电极9、第二辅助泵电极10以及测量泵电极11进行防护，其利用保护层的结构对应设置泵电极扩散障18和公共电极气体通道15，以提高氮氧化物传感器100的结构紧凑性，缩小氮氧化物传感器100的体积，提高了加热器13的加热效率。

并且，本实施例中的参比电极12朝向第三固体电解质层4的一侧覆盖有第四保护层19，第一保护层14、第二保护层16、第三保护层17以及第四保护层19为多孔氧化锆层或多孔氧化铝层，，第一保护层14、第二保护层16、第三保护层17以及第四保护层19可材质相同或材质不同。多孔氧化锆层或多孔氧化铝层的第一保护层14、第二保护层16和第三保护层17可对公共电极6、第一主泵电极7、第一辅助泵电极8、第二主泵电极9、第二辅助泵电极10以及测量泵电极11进行有效防护。且第一保护层14的厚度、第二保护层16的厚度、第三保护层17的厚度以及第四保护层19的厚度均为10μm～100μm。

本实施例氮氧化物传感器100中，第二结构层5背离加热器13的一侧设有参比电极引脚20、正加热电极引脚21、负加热电极引脚22以及测温线引脚23；第二固体电解质层3上设有与参比电极12连接的参比电极引线28，第三固体电解质层4上设有与加热器13连接的加热器正极引线29、加热器负极引线30以及加热器测温线31；参比电极引脚20、正加热电极引脚21、负加热电极引脚22以及测温线引脚23分别对应与参比电极引线28、加热器正极引线29、加热器负极引线30以及加热器测温线31。

本实施例中的参比电极12设置于第二固体电解质层3的左端，参比电极引脚20、正加热电极引脚21、负加热电极引脚22以及测温线引脚23设置于第二结构层5的右端，且参比电极引脚20、正加热电极引脚21、负加热电极引脚22以及测温线引脚23沿第二结构层5的宽度方向并排间隔设置，第二结构层5开设有四个过线孔组39，且四个过线孔组39分别与参比电极引脚20、正加热电极引脚21、负加热电极引脚22以及测温线引脚23对应设置，以分别供参比电极引线28、加热器正极引线29、加热器负极引线30以及加热器测温线31穿过，方便连接并简化结构，第三固体电解质层4对应参比电极引脚20的位置开设有一个过线孔组39，以供参比电极引线28穿过。

如图1所示，第一结构层1远离第一固体电解质层2的一侧设有主泵电极引脚24、辅助泵电极引脚25、公共电极引脚26以及测量泵电极引脚27，主泵电极引脚24、辅助泵电极引脚25、公共电极引脚26以及测量泵电极引脚27分别对应与第二主泵电极9、第二辅助泵电极10、公共电极6以及测量泵电极11连接。本实施例中的第二主泵电极9连接有主泵电极引线32，辅助泵电极连接有辅助泵电极引线33，公共电极6连接有公共电极引线34，测量泵电极11连接有测量泵电极引线35，第一结构层1和第一固体电解质层2均开设有四个过线孔组39，且四个过线孔组39分别与主泵电极引脚24、辅助泵电极引脚25、公共电极引脚26以及测量泵电极引脚27对应设置，以分别供主泵电极引线32、辅助泵电极引线33、公共电极引线34以及测量泵电极引线35穿过，方便连接。

第二固体电解质层3开设有三个过线孔组39，三个过线孔组39分别与主泵电极引脚24、辅助泵电极引脚25以及测量泵电极引脚27对应设置，以分别供主泵电极引脚24引线、辅助泵电极引线33以及测量泵电极引线35穿过，方便连接且提高氮氧化物传感器100的结构紧凑性。并且，本实施例中的公共电极引线34、参比电极引线28、主泵电极引线32、辅助泵电极引线33和测量泵电极引线35都是致密Pt，且公共电极引线34的厚度、参比电极引线28的厚度、主泵电极引线32的厚度、辅助泵电极引线33的厚度和测量泵电极引线35的厚度均为5μm～50μm，可在减小氮氧化物传感器100厚度的同时提高各个电极和引脚之间的连接稳定性。

本实施例中，第一结构层1由至少两个第一子结构层36依次烧结而成，第二结构层5由至少两个第二子结构层37依次烧结而成。如图1所示，在一实施例中，第一结构层1由三个第一子结构层36依次烧结而成，第二结构层5由三个第二子结构层37依次烧结而成，使固体电解质层组的上下两侧均有三层结构，能保证氮氧化物传感器100结构强度的同时还能避免氮氧化物传感器100过厚而加热效率低，同时还能进一步减小烧结过程中因收缩不均一而产生的应力。需要说明的是，第一主泵电极7、第一辅助泵电极8、第二主泵电极9、第二辅助泵电极10均为多孔金铂合金电极，测量泵电极11为多孔铂铑合金电极，公共电极6和参比电极12均为多孔铂电极，且第一主泵电极7的厚度、第一辅助泵电极8的厚度、第二主泵电极9的厚度、第二辅助泵电极10的厚度、测量泵电极11的厚度、公共电极6的厚度以及参比电极12的厚度均为5μm～50μm。

本实施例中，氮氧化物传感器100还包括第一绝缘层40和第二绝缘层41，第一绝缘层40设置于第三固体电解质层4朝向第二结构层5的一侧，加热器13设于第一绝缘层40朝向第二结构层5的一侧，第二绝缘层41设于加热器13背离第一绝缘层40的一侧。本实施例中的加热器13上下两侧分别对应覆盖有第一绝缘层40和第二绝缘层41，防止高温工作过程中对加热器13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。本实施例中，第三固体电解质层4的朝向第二固体电解质层3的一侧设有用于供空气通过的参比气道38，且参比气道38对应参比电极12的位置设置。本实施例中通过参比气道38与空气连通，且设于第三固体电解质层4的参比气道38可避免第三固体电解质层4上下两侧产生不对称，进一步均匀氮氧化物传感器100结构。

本实施例的第一结构层1、第一固体电解质层2、第二固体电解质层3、第三固体电解质层4以及第二结构层5均为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷，且氧化锆陶瓷的厚度为10μm～400μm。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，本实施例中的第一结构层1、第一固体电解质层2、第二固体电解质层3、第三固体电解质层4以及第二结构层5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。

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 (9)

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烧结而成的第一结构层、固体电解质层组以及第二结构层，所述第一结构层的厚度与所述第二结构层的厚度相同，且所述第一结构层和所述第二结构层相对所述固体电解质层组呈对称布置；所述固体电解质层组包括依次烧结而成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，所述第一固体电解质层朝向所述第一结构层的一侧设有公共电极，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第一主泵电极和第一辅助泵电极，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第二主泵电极、第二辅助泵电极以及测量泵电极，且所述第二主泵电极和所述第二辅助泵电极分别对应所述第一主泵电极和所述第一辅助泵电极的位置设置，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参比电极，所述第三固体电解质层朝向所述第二结构层的一侧设有加热器，所述加热器用于加热所述公共电极、所述第一主泵电极、所述第一辅助泵电极、所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极、所述测量泵电极以及所述参比电极；

所述第一结构层由至少两个第一子结构层依次烧结而成；所述第二结构层由至少两个第二子结构层依次烧结而成。

2.如权利要求1所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述公共电极朝向所述第一结构层的一侧覆盖有第一保护层，所述第一保护层朝向所述第一结构层的一侧设有公共电极气体通道；所述第一主泵电极和所述第一辅助泵电极朝向所述第二固体电解质层的一侧覆盖有第二保护层，所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极和所述测量泵电极朝向所述第一固体电解质层的一侧覆盖有第三保护层，所述第二保护层所述第三保护层之间设有泵电极扩散障，所述泵电极扩散障和所述公共电极气体通道均用于供待测气氛通过。

3.如权利要求2所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述参比电极朝向所述第三固体电解质层的一侧覆盖有第四保护层，所述第一保护层、所述第二保护层、所述第三保护层以及所述第四保护层为多孔氧化锆层或多孔氧化铝层。

4.如权利要求1所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述第二结构层背离所述加热器的一侧设有参比电极引脚、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有与所述参比电极连接的参比电极引线，所述第三固体电解质层上设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；所述参比电极引脚、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参比电极引线、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。

5.如权利要求4所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述第一结构层远离所述第一固体电解质层的一侧设有主泵电极引脚、辅助泵电极引脚、公共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、所述公共电极引脚以及所述测量泵电极引脚分别对应与所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极、所述公共电极以及所述测量泵电极连接。

6.如权利要求1至5中任一项所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述第一主泵电极、所述第一辅助泵电极、所述第二主泵电极、所述第二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。

7.如权利要求1至5中任一项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三固体电解质层朝向所述第二结构层的一侧，所述加热器设于所述第一绝缘层朝向所述第二结构层的一侧，所述第二绝缘层设于所述加热器背离所述第一绝缘层的一侧。

8.如权利要求1至5中任一项所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述第三固体电解质层的朝向所述第二固体电解质层的一侧设有用于供空气通过的参比气道，且所述参比气道对应所述参比电极的位置设置。

9.如权利要求1至5中任一项所述的氮氧化物传感器，其特征在于，所述第一结构层、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以及所述第二结构层均为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷。

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