CN1865970A - 片状式氧传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于控制汽车发动机中空燃比的片状式氧传感器的制造方法。它是由将加钇氧化锆陶瓷粉调成浆料通过轧膜成光洁平整的薄板，再由冲压机冲压成薄片。将薄片通过冲孔机，冲割机把薄片加工成传感片、风管片和加热片。在传感器片上涂上电极，在加热片上印刷加热电阻，然后用定位、热压工艺把三层压合成片状式氧传感器整体，最后在1500℃的温度下烧结而成。此方法控制了半成品的成型精度，从而控制了成品的尺寸精度、密度和机械强度，本发明工艺流程简单，易于控制，成本降低，一次性成品合格率高。

Description

片状式氧传感器的制造方法

一、技术领域：

本发明涉及一种氧传感器的制造方法，特别是公开一种片状式氧传感器的制造方法，应用于汽车发动机中，控制空燃比的尾气排放。

二、背景技术：

随着汽车工业技术的发展和人们对汽车尾气排放对环境影响的重视，人们利用三元催化转换器(TWC)用来将发动机由于燃料的不完全燃烧产生对环境有害的气体转化成无害的气体。但是高效的三元催化转换器要求将化学计量空燃比(A/F)控制在很窄的范围(14.6±0.2)。这就需要用氧传感器来监控汽车排放废气以控制发动机的空燃比。目前汽车上采用的氧传感器有离子传导性浓差电池式氧化锆(ZrO₂)氧传感器和电子传导性半导体电阻式氧化钛(TiO₂)氧传感器两种。而氧化锆式氧传感器可分为加热型氧传感器和非加热型氧传感器。加热型氧传感器主要以试管状和平面状产品出现。目前市面上所生产的大部分都是试管状传感器带加热棒组装而成的氧传感器。但这类氧传感器有个缺点，就是加热棒和传感器不是成一整体而是组装成的，因此在工作过程中热效率不是很高，所以这类氧传感器使用的温度范围不是很广泛。基于这种情况，有些单位先后研制带加热器的平面状氧传感器。平面状氧传感器和试管状氧传感器工作原理是一样的，是根据在高温下氧化锆固体电介质氧浓差电池的原理而制得的，在高温下，当固体电介质两侧存在氧浓差时，高氧势一侧的氧就会以O^2-状态进入固体空位中，破坏了晶格的电中性。由于晶格趋于保持电中性，迫使O^2-离子通过空位和缺陷向低氧势侧迁移从而形成离子导电，在电介质两侧产生浓差电势。在电介质界面上发生电解反应：

阴极：       氧势由高向低移动

阳极：        在低氧势区反应

在固体电解质两侧涂覆多孔铂电极，一侧作为测量电极，一侧作为参比电极。将带有多孔铂电极的固体电解质置于已启动的发动机排气管侧，这时周围空气与排放气体的含氧量产生浓度差，而金属铂除了起电极作用外，还起催化作用。即在固体电解质两侧发生如下反应：

氧气分压较高的一侧：

                    

                    

氧气分压较低的一侧：

                    

                    

由于金属铂还起催化作用，因此在排气管内发生：

                    

靠这种作用，浓混合气燃烧所排放的废气与催化铂接触时，因为废气中残存的低浓度氧气与一氧化碳大致全部参与化学反应，铂表面的O²浓度为0，CO浓度也减少，所以，氧浓度之差变得非常大，由此而产生了1V左右的电动势。

当稀薄混合气燃烧时，因为排放气体中存在有高浓度的O₂和低浓度的CO，即使CO与O₂进行化学反应，还是有多余的O₂存在，氧浓差很小，所以，几乎不会产生电压。

如果固体电介质内纯离子导电的条件得到满足，即固体电解质产生的电池电动势与氧气分压的关系可由Nernst方程表示，因而只要测得电池电动势，就知道汽车尾气中氧气的分压。即电池电动势(E)可表示为：

               E＝(RT/4F)ln(PO₂(空气)/PO₂(尾气))

式中：R为气体常数8.314J/(mol.K)；T为工作温度(K)；F为法拉第常数9.648×10⁴C/mol。

平面状的氧传感器亦称片式氧传感器，主要是把传感器片、风管片、加热片制成封闭式一体。

片式氧传感器通常的制造方法是：

1.基片成型：将陶瓷粉放入已设计好的模具中压制成传感器薄片、风管薄片和加热器基片。

2.坯片烧结：将坯片置于高温炉中烧结，取出冷却。

3.被电极：在已烧制好的传感器薄片两面涂覆铂电极，用作外电极和内电极并通过电极连接孔将内电极引至外电极同一面电极引出端，放入烘箱内低温烘干，再在外电极表面涂覆多孔氧化铝保护层烘干待用。在加热器薄片一面涂覆铂电阻浆料并通过小孔把加热器两条引线引至另一面同引线引出端，并涂覆氧化铝绝缘层，低温烘干。

4.烧制电极：把已被铂电极烧结片放入高温炉中烧结电极，取出冷却。

5.整体结合：把制作好的烧结片，将其粘合成一整体并在三片结合处涂覆上密封胶，再放入高温炉中烧结密封。

采用这种制造方法有以下几点不足之处：

(1)在坯片成型中由于要压制的坯片比较薄、比较脆，操作起来比较麻烦，稍微有点不慎，坯片就容易发生缺损、断裂。

(2)在整体结合中由于是将已烧结成并金属化的坯片粘合成一整体并需具有良好的密封性是比较困难的，而且其耐震性和耐热冲击性都相对较差。如果再进行一次重烧结，尽管有可能能很好的烧结成一整体但成本也就相应地提高了。

三、发明内容：

本发明的目的是改变现有技术中片状式氧传感器制造方法的缺点，提供一种工艺流程简单易于控制、成本低、成品率高的制造方法。

本发明是这样实现的：一种片状式氧传感器的制造方法，氧传感器结构包括传感器片、风管片和加热器片，其制作工艺步骤包括：A、调制浆料，即将传感器片、风管片和加热器片的基材加钇氧化锆陶瓷粉料搅拌成糊状浆料；B、轧膜，在轧膜机上将浆料轧制成软薄板状膜片；C、冲片，用冲压机冲压成传感器片、风管片和加热器片形状的坯片；D、坯片成型；E、坯片金属化处理；F、整体制作；G、排粘烧结，其特征在于：采用轧膜、冲压工艺将传感器片、风管片和加热器片制作成型，再将三片坯片粘合制作成一整体，然后烧结。所述调制浆料时在加钇氧化锆陶瓷粉料中加入20％聚乙烯醇粘合剂，混合搅拌均匀。所述整体制作过程为：在风管片两面涂覆硅橡胶，把加热器片和传感器片加盖在风管片上，然后在定位模具中定位、对齐、压平，再在三层粘接处涂覆聚氨酯胶，结束后整片放入油压机内，压力保持5Kg/cm²，温度保持80℃下平压半小时，取出即可放入烧结炉中烧结。所述胚片成型，传感器片用冲孔机在薄片的一端冲出一个电极连接孔，风管片用冲割机在薄片中间冲成一端敞开一端封闭的凹槽状支撑体，加热器片用冲孔机在薄片一端冲出两个电极连接孔。所述片式氧传感器整体烧结，正烧之前先进行排粘，排粘升温速率控制在1.0℃/min～1.5℃/min，烧结温度控制在1500℃～1700℃。

采用普通制造方法，工艺流程比较复杂，成本比较高，而且流程操作不便控制，一次性成成品合格率比较低。而采用本发明制作方法工艺流程较简单易于控制，具有以下几个优点：

1、本发明是把陶瓷粉调制成浆料，轧膜出来后是一块软质薄板。由于其柔展性，所以在制作加工过程中根本不用过于担心对坯片的损伤或断裂；

2、本发明是采用整体烧结法，坯片在高温烧结下能很好地融合成一整体，其密封性能好，一次性合格率高；

3、本发明只采用一次性烧结法，降低制造成本。

四、附图说明：

图1是本发明成型坯片结构简图；

图2是本发明片状式氧传感器整体图；

图3是本发明片状式氧传感器制作工艺流程图；

图4是本发明片状式氧传感器整体烧结升温曲线图。

在图中：1、传感器片；2、风管片；3、加热片；4、多孔保护层；5、外电极；6、内电极。

五、具体实施方式：

本发明采用三层整体烧结法，具体操作为：

1.调成浆料：在加钇氧化锆陶瓷粉料中加入20％聚乙烯醇粘合剂并搅拌成糊胶状，静置1～2小时。

2.轧膜：轧膜之前先把轧膜厚度设置好，设置好之后，不要再随意调设，以免轧膜厚度不均匀。把胶状物缓慢地倒入轧膜机两棍之间轧膜。在开始轧膜时，由于陶瓷粉调制成浆料，故轧膜速度比较缓慢。为了加快轧膜速度，可对轧膜棍进行加热，但加热温度不宜过高，一般控制在30℃为宜。这样边轧膜边加热，待糊状物开始不完全粘接在轧膜棍上，并以片状形式粘合在一起时，停止加热。把轧膜棍上零碎的片状薄片全部集中揉捏成几何形状不规则的厚板，再放入轧膜机上轧膜，这时轧膜出来的薄片即是软薄板状。为了使其密度和机械强度提高，要将软薄板反复折叠再轧膜，反复进行多次操作，待薄板表面光滑、平整、无气泡、无孔洞即可。取出薄板用两片干净、平整的玻璃压制静置在阴凉潮湿处1.5～2.5小时。

3.冲片：取出薄片用冲压机冲压成尺寸精确、统一的薄片。而传感器片、风管片，加热片在薄片基础上进行加工。

4.坯片成型：传感器片是用冲孔机在薄片的一端冲出一个电极连接孔；风管片是用冲割机在薄片中间冲成一端敞开一端封闭的凹槽状支撑体；加热片是用冲孔机在薄片一端冲出两个电极连接孔。加工好的薄片图形如图1所示。

5.坯片金属化：在传感器薄片两面涂覆铂电极，用作外电极和内电极并通过电极连接孔将内电极引至外电极同一面电极端，放入烘箱内低温烘干，再在外电极表面涂覆多孔氧化铝保护层烘干待用。在加热器薄片一面涂覆氧化铝隔热层，低温烘干，再涂覆铂电阻浆料并通过连接孔把加热器两条引线引至另一面引线引出端，低温烘干。由于芯片结构的原因，加热器与传感元件的距离很近，且风管片所用材料是加钇氧化锆。传感器在高温工作过程中，加热器的电流可能窜至传感元件上，从而对传感器的电性能产生一定的影响，所以要涂覆氧化铝绝缘层。

6.整体制作：根据制作工艺流程图3，在风管片两面涂覆有机低熔胶，把加热器片和传感器片加盖在风管片上；放入外型和尺寸已设计好的定位模具中定位、压平、对齐；再在三层粘接处外围涂覆密封聚氨酯胶烘干。结束后整片放入油压机内，压力保持在5Kg/cm²温度保持在80℃下平压半个小时，取出即可放入烧结炉中烧结，整体图如图2所示。这样烧结出来的即是传感器与加热器一体化的片状式氧传感器，待冷却取出后，即可测试组装。

7.排粘烧结：在烧结过程中，烧结曲线一定要严格设置好，前段升温速率不宜过快，如果升温偏快，传感器易变形，一般以1.0℃/min～1.5℃/min为宜。烧结温度最高点也不宜超过1700℃。因为烧结时，电极与氧化锆陶瓷共同烧结。如果烧结温度过高会对传感器的电极的催化性能产生影响。其烧结过程曲线图如图4所示。

本发明片状式氧传感器的性能测试：

(一)传感器电性能测试：

1、用万用表、秒表或示波器对实验片进行测试测试方法如下：

开启模拟发动机，打开阀门使燃烧气体和空气进入燃烧室，对燃烧室进行点火，让其燃烧。过了90s后，用温度探测器探测排气口温度。当温度显示“350”时，用万用表测氧传感器信号输出端电压；调节阀门2使空气进入量减少，用万用表测氧传感器信号输出端电压；调节阀门3使燃烧气体进入量减少，用万用表测氧传感器信号输出端电压；反复进行多次，测试结果和参比数据、绝缘性能和内阻值的测试数据如表1。按同样操作方法用示波器检测两支片状式氧传感器，测试结果良好。

                                表1

2、用秒表、温度探测器和万用表对加热器进行测试，测试方法如下：

先用万用表测试加热器的常温电阻值，然后把加热器两引线端接通在12V直流电源上，用温度探测器探测加热器发热温度，直至温度探测器显示屏数字不再升高，用秒表记下所用时间。断开电源冷却至常温，用万用表检测加热器的阻值。反复进行多次，测试结果如表2。

                                表2

(二)传感器的机械性能测试：

通过对传感器的冲击强度试验；尾气密封程度试验；防水试验；振动试验，测试结果均合格。

(三)传感器的温度性能测试：

通过对传感器的高温存放试验；低温存放试验；热循环冲击试验；热循环试验；测试结果均合格。

七、测试结果分析和结论：

通过对测试结果数据进行分析和讨论，采用这种新的制造方法对氧传感器的各种性能不产生任何影响。而且在制造过程中工艺流程比较简单，流程操作易于控制，一次性成品合格率高，相应的把制造成本降低。

Claims (5)

1.一种片状式氧传感器的制造方法，氧传感器结构包括传感器片、风管片和加热器片，其制作工艺步骤包括：A、调制浆料，即将传感器片、风管片和加热器片的基材加钇氧化锆陶瓷粉料搅拌成浆料；B、轧膜，在轧膜机上将浆料轧制成软质薄板；C、冲片，用冲压机将软质薄板冲压成传感器片、风管片和加热器片形状的胚片；D、胚片成型；E、胚片金属化处理；F、整体制作；G、排粘烧结，其特征在于：采用轧膜、冲压工艺将传感器片、风管片和加热器片制作成型，再将三片坯片粘合制作成一整体，然后烧结。

2.根据权利要求1所述的片式氧传感器的制造方法，其特征在于：所述调制浆料时在加钇氧化锆陶瓷粉料中加入20％聚乙烯醇粘合剂，混合搅拌均匀。

3.根据权利要求1所述的片式氧传感器的制造方法，其特征在于所述整体制作过程为：在风管片两面涂覆硅橡胶，把加热器片和传感器片加盖在风管片上，然后在定位模具中定位、对齐、压平，再在三层粘接处涂覆聚氨酯胶，结束后整片放入油压机内，在压力保持5Kg/cm²，温度保持80℃下平压半小时，取出即可放入烧结炉中烧结。

4.根据权利要求1所述的片式氧传感器的制造方法，其特征在于：所述胚片成型，传感器片用冲孔机在薄片的一端冲出一个电极连接孔，风管片用冲割机在薄片中间冲成一端敞开一端封闭的凹槽状支撑体，加热器片用冲孔机在薄片一端冲出两个电极连接孔。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的片式氧传感器的制造方法，其特征在于：所述片式氧传感器整体烧结，正烧之前先进行排粘，排粘升温速率控制在1.0℃/min～1.5℃/min，烧结温度控制在1500℃～1700℃。

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