CN202041489U

CN202041489U - 氧传感器

Info

Publication number: CN202041489U
Application number: CN2010206012423U
Authority: CN
Inventors: A·卡米勒里; H·阿巴斯; I·帕森斯; M·马克埃克恩; S·莫哈麦德
Original assignee: Sinda Automobile Products Ltd
Current assignee: Sinda Automobile Products Ltd
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: CN102297880A

Abstract

本实用新型涉及氧传感器。本实用新型解决了能够满足小发动机的尺寸和性能指标然而还能够经济地生产的氧传感器的技术问题。氧传感器包括：具有传感端和连接端的氧传感元件，多个端子连接器，包围所述氧传感元件的保护罩，容纳拉长的管状陶瓷绝缘体以及多个端子的与保护罩耦接的外部外壳，与所述外部外壳的一端耦接的碟形端元件，以及形成于所述外部外壳的外表面上的用于耦接至排气管的多个螺纹。本实用新型的一个实施例的有益效果在于满足了小发动机的尺寸和性能指标而且还能够经济地生产的氧传感器，并且能够避免传感器破裂和过早失效。

Description

氧传感器

技术领域

本实用新型一般地涉及用于空气-燃料(air to fuel)测量的传感器，并且特别地涉及用于生产加热式氧传感器的改进装置。

背景技术

在现代汽油发动机中的氧传感器被用来确定发动机废气的燃料-空气混合比。结合发动机控制计算机来使用，这种“反馈”回路被用来不断地调整燃料-空气混合达化学计量平衡，使废气排放最小化。

在使用空气/燃料比氧传感器的汽车燃料控制系统中，混合气体中的实际空气/燃料比通过检测废气中的氧气和未燃气体(CO、H₂、HC)的浓度来测量，并且空气/燃料比(以下简写为A/F)的信息指示被反馈到燃料流量控制电路(或程序)，该燃料流量控制电路(或程序)进而控制燃料流量使得混合气体维持目标A/F。混合气体中的汽油燃料被完全燃烧的A/F称为化学计量A/F。

在各种环境条件下的以及负荷变化很大的行进中的汽车，因此A/F必须根据行进条件和负荷在很宽的范围内适当地控制。例如，A/F必须被控制以对于轻负荷控制到贫乏(lean)A/F，对于重负荷及低温控制到富余(rich)A/F以及对于激活了三路催化剂(3-way catalyzer)的区域则为化学计量A/F。在题目为“加热式二氧化钛氧传感器”的美国专利No.4,535,316中描述了一种这类电阻型传感器。

二氧化钛是具有数量取决于温度T以及在包围着半导体的气体环境中的氧气分压(PO2)的晶格缺陷的半导体材料。晶格在贫乏的排气条件下保持近乎完整，而在富余的条件下则有大量的氧空位和二氧化钛离子空隙。在半导体之内的这些晶格缺陷是将电子释放进入导带从而减小电阻的施主。半导体的电阻R_T能够通过下列方程来测量：

R_T ∝[PO2(废)]ⁿexp(E/KT)

其中E是活化能，以及K是波尔兹曼(Boltzmann)常数，以及n在感兴趣的温度范围内近似等于1/4。

如同通过该比例所看出的，对氧气的参考分压没有依赖性。当在350～800℃的温度范围内于富余的与贫乏的操作之间切换时，3～5个数量级幅度的电阻变化是典型的。

在操作中，当将二氧化钛元件R_T放置到具有在TiO₂元件与地线之间插入的Rc和补偿电阻器的分压器电路之内时，横跨Rc测得的输出电压Vo由下列方程给出：

Vo＝[Rc/(R_T+R_C)]Vin

其中Vin是输入电压。补偿电阻Rc被理想地选择为在二氧化钛元件的富余的与贫乏的电阻值之间的对数刻度的中间(Rc＝[R_T(富余)R_T(贫乏)]1/2)。这允许输出信号由贫乏废气时的近乎零变到富余废气时的近乎(输入电压的)满值，从而模拟ZrO₂传感器的开关特性。

虽然在选择Rc的值方面有一些灵活性，但是如果所选择的电阻保持在TiO₂元件的富余限度之上至少一个数量级幅度并且在其贫乏限度之下则能够维持好的传感器开关。但是，由于TiO2元件的电阻随温度变化，要找出使传感器功能保持完全处于废气的典型的200℃～850℃的操作温度范围上的一个固定电阻值是不可能的。

二氧化钛传感元件的温度依赖性能够通过利用能跟踪二氧化钛膜的变化电阻的可变电阻器或者通过将二氧化钛元件维持于固定的温度(这将允许使用固定值的电阻器)来补偿。

当使用可变电阻器时，可变电阻器是与二氧化钛传感元件的温度电阻变化相匹配的并且位于废气中的负温度系数的热敏电阻。为了使用固定值的电阻器，有必要将二氧化钛传感元件加热到期望由废气产生的最高温度。由于固定电阻器不需要位于废气流中，因而可以使用市场上可购得的低成本的厚膜电阻器。

此类传感器已经被使用于较大的发动机(例如，汽车)内。据信，由于生产难度以及我们不能简单地“按比例”缩小汽车传感器来使用于较小的发动机的事实，因而用于较小的发动机的相似传感器还没有得以开发。如果此类汽车传感器被简单地按比例缩小到在较小的发动机中使用的较小尺寸，则会有传感器破裂和过早失效。

而且，在小排量汽油发动机(例如摩托车所使用的那些发动机)中使用的氧传感器需要与在较大的汽车发动机中使用的那些发动机不同的性能特点。在此类性能特点当中有更快的每分钟转数(“RPM”)上升和下降时间、快速的发动机温度变化，以及在单轴中更高的发动机振动水平。另外，此类传感器应当被理想地布置使其更接近小发动机。

因此，所需要的是能够满足小发动机的尺寸和性能指标然而还能够经济地生产的氧传感器。

实用新型内容

本实用新型解决了能够满足小发动机的尺寸和性能指标然而还能够经济地生产的氧传感器的技术问题。

本实用新型请求保护一种氧传感器，其特征在于包括：

具有传感端和连接端的氧传感元件，其中所述连接端具有多个相对的焊垫对，

具有封闭端和开口端的拉长的管状陶瓷绝缘体，其中沟槽被形成于所述封闭端之内并且被定尺寸使得所述氧传感元件的所述传感端穿过所述沟槽以及所述连接端的至少一部分安装于所述开口端之内，

多个端子连接器，其中所述多个端子连接器中的每个端子连接器具有与所述氧传感元件上的相对的焊垫对耦接的连接节段以及与接线耦接的拉长的节段，

包围所述氧传感元件的保护罩，

容纳所述拉长的管状陶瓷绝缘体以及所述多个端子的与所述保护罩耦接的外部外壳，

与所述外部外壳的一端耦接的碟形端元件，其中所述碟形端具有多个开口以允许与所述多个端子连接器耦接的所述接线穿过，以及

形成于所述外部外壳的外表面上的用于耦接至排气管的多个螺纹。

根据本实用新型的上述氧传感器的一个实施例，其特征在于所述氧传感元件还包括：

绝缘陶瓷基板，具有加热器侧面和传感器侧面，其中所述连接端的宽度对于预定的距离是不变的，然后所述宽度逐渐缩小使得所述连接端的所述宽度比所述传感端的所述宽度宽，

其中所述加热器侧面包括：

印制于所述陶瓷基板的所述加热器侧面的厚膜导电带，所述厚膜形成了从所述连接端延伸至所述传感端并且返回到所述连接端的连续的回路，所述回路从所述连接端到邻近所述传感端的预定位置具有基本上不变的宽度，所述回路宽度在所述预定位置被减小以形成电阻加热元件图形，其中所述回路的所述厚膜具有随温度增加的电阻，

与所述回路电连接的用于电连接至电压源的第一加热器焊垫端子，

与所述回路电连接的用于电连接至地线的第二加热器焊垫端子，

其中所述电阻器侧面包括：

在所述基板的所述传感器侧面上邻近于所述传感元件的所述传感端印制以形成可变电阻器的二氧化钛传感图形，

电连接至电压源的第一传感器焊垫端子，

电连接至电子控制单元的第二传感器焊垫端子，

用于电连接至地线的第三传感器焊垫端子，

在与所述第一传感器焊垫端子电连接的所述传感器侧面上印制的第一固定电阻器，

印制于所述传感器侧面上使所述第一固定电阻器与所述二氧化钛传感图形连接的导电厚膜的第一条带，

印制于所述传感器侧面上使所述二氧化钛传感图形与所述第二传感器焊垫连接的导电厚膜的第二条带，

印制于所述传感器侧面上基本上平行于所述第二条带的一部分排布的并且电连接至所述第三传感器焊垫端子的导电厚膜的第三条带，

在所述传感器侧面上邻近于所述连接端印制使得所述第二固定电阻器电连接至所述第二条带和所述第三条带的第二固定电阻器，

施加于所述二氧化钛膜的铝硼硅酸盐玻璃涂层，所述玻璃材料在不影响所述输入信号的生成的情况下具有足够的孔隙率以允许废气流到所述导电路径，以及

施加于导电材料的所述第一、第二和第三条带的铝硅酸盐玻璃釉涂层。

本实用新型的一个实施例的有益效果在于满足了小发动机的尺寸和性能指标而且还能够经济地生产的氧传感器，并且能够避免传感器破裂和过早失效。

响应于这些及其他问题，在一种实施例中，有以满足小汽油发动机的性能和布局标准的这样一种方式来小型化而设计的传感器。这种小型化比简单地按比例缩小用于汽车发动机的较大传感器要求更高。如果简单地按比例缩小此类汽车传感器，则会有传感器破裂和过早失效。

例如，在生产传感器的一种方法中，包括：将导电层施加于非导电基板材料的加热器一侧上以形成加热回路；将第一复盖层(overcoat)施加于加热回路；将第二复盖层施加于加热回路；固化(cure)导电层；将传感器图形印制于基板材料的传感器一侧上以形成至少两个传感器电极和连接图形；将二氧化钛(titania)层印制于定位于基板材料的传感端上的连接图形上；形成用于加热回路的连接；印制用于加热回路连接的钎焊焊垫(brazing pad)；形成用于传感器电极的连接以及形成第三电极；印制用于传感器连接的钎焊焊垫；将密封(seal)施加于传感器电极；将多孔密封施加于传感器电极；将多孔密封施加于加热器回路；形成传感器电极之间的电阻层以建立两个固定电阻器；将第一覆釉层(over glaze layer)施加于电阻层；调整所述两个固定电阻器的电阻值；将第二覆釉层施加于电阻层；对基板材料进行激光划片(laser scribing)；将基板材料切单(singulate)成预定数量的行；将催化剂施加于基板材料的传感端；以及将基板材料的行切单成个体传感器元件。

另外，对于每个个体传感元件，以上方法还能够包括：将熔剂(flux)施加于钎焊焊垫；布置邻近于钎焊焊垫的预制片；使熔剂干燥以将熔剂粘附于预制片；定位预组装的接线束(wire harness)使其紧接于(next to)预制片；将接线束钎焊于钎焊焊垫以使接线束耦接至传感元件。

这些及其他特征，以及优点，从结合附图进行的下列详细描述中将得以更清楚地理解。重要的是要注意这些附图并非意指代表本实用新型的唯一方面。

附图说明

图1是结合了本实用新型的各种特征的氧传感器的等角示图。

图2是示出往复式内燃机的示例性实施例所装配的氧传感器的示意图。

图3示出了能够在图1的传感器中使用的传感元件的加热器一侧。

图4示出了能够在图1的传感器中使用的传感元件的传感器一侧。

图5a是图3和4的传感元件的电路图。

图5b是示出贫乏的及富余的排气条件的传感元件在857℃的温度下的输出电压的图表，

附图标记5001表示：V_富余V_贫乏Vs V_电池温度＝857℃；

附图标记5002表示：V_富余的曲线；

附图标记5003表示：V_贫乏的曲线。

图5c是示出贫乏的及富余的排气条件的传感元件在536℃的温度下的输出电压的图表，

附图标记5004表示：V_富余V_贫乏Vs V_电池温度＝536℃；

附图标记5005表示：V_富余的曲线；

附图标记5006表示：V_贫乏的曲线。

图6是显示加热器一侧的传感元件的等角图。

图7是传感元件在组装期间的等角图。

图8a是显示邻近于引线的端子的等角图。

图8b是端子和引线的顶视图。

图8c示出了被焊接到端子以形成端子-接线组件的引线。

图8d是耦接至三个端子-接线组件的传感元件的顶视图。

图8e是显示这三个端子组件如何在传感元件的连接端附接于传感器的等角详图。

图9示出了在组装期间的传感器。

图10示出了在组装期间的传感器。

图11a是示出传感元件的加热器一侧的组装传感器剖切的顶剖视图。

图11b是示出传感器元件的加热器一侧的组装传感器剖切的等角剖视图。

图12a是示出传感元件的传感器一侧的组装传感器剖切的顶剖视图。

图12b是示出传感元件的传感器一侧的组装传感器剖切的等角剖视图。

图13a和13b示出了包含传感元件的材料层。

图14a、14b和14c示出了制作传感元件和传感器的过程。

具体实施方式

众所周知的元件在没有详细描述的情况下给出以免使本实用新型因非必要的细节而变模糊。就大部分而言，对获得本实用新型的全面理解所不必要的细节已经被省略，因为此类细节为本领域技术人员所熟知。与在此所描述的控制电路或机制相关的细节被省略了，因为此类控制电路为本领域技术人员所熟知。

现在参考图1，在图1中有结合了本实用新型的各种特征的氧传感器100的等角图。如所示出的，氧传感器100包括护罩102以保护传感元件(在图1中没有示出)。护罩102具有多个开口104以允许气体通过护罩。护罩102被耦接至金属容器或外壳106。容器106具有螺纹108以耦接至排气管(没有示出)的开口。传感器100被设计以与排气管耦接使得传感端110突入排气管的内部而连接端112自排气管的外部向外伸展。金属垫圈114建立传感器100与排气管之间的密封。多根接线116自连接端112伸出。如同将在下文解释的，多根接线116与电压源、电子地线(electronic ground)及电子控制元件(没有示出)电联通。

传感器已经改变尺寸为更小以使用于较小的发动机。例如，在某些实施例中传感器100的总长度能够小至49.2mm。直径可以在12.70mm的范围内。在某些实施例中，护罩102突出的长度可以在10.56mm的范围内。

现在参考图2，在图2中提供了往复式内燃机202的示例性实施例。排气管204耦接至发动机202的歧管206。排气管204被设计来将废气从发动机202传送到周围的环境。一部分传感器100突入排气管204内并且被设计以检测废气中的氧含量。如同下文将更详细地解释的，电压源210给传感器100供电。传感器100进而将输入信号供应给电子控制单元212。电子控制单元212通过控制使发动机202操作所供应的空气-燃气比来对输入信号作出反应。

正确的空气-燃料比能够有助于维持并且使废气排放最小化。在某些实施例中，传感器100并不依赖于废气温度并且从而，可以位于管道204中远离排气歧管的有最小湍流(例如较低的雷诺数)的任意点。

图3示出了能够使用于传感器100(图1)中的传感元件300的加热器一侧。传感元件300由扁平的基板302，优选为氧化铝(alumina)形成。基板302具有第一或连接端304以及第二或传感端306。如所示出的，基板的宽度在连接端306是较宽的。在某些实施例中，基板302的宽度沿着其长度保持不变直到位置307。从位置307到位置309，基板的宽度逐渐减小到较小的宽度。因而，基板302的宽度在传感端306处减小。而且，在生产过程期间，诸如角落311的角落被开槽或被倒角。基板302逐渐变小的外形以及倒角的角落在传感器的生产及操作期间减小热应力。由此，显著地延长了传感元件300的寿命。

导电材料(例如铂)的带条308被印制于表面310上作为厚膜。带条308形成连续的回路312从连接端304伸展到传感端306并且返回到连接端304。带条308具有基本上不变的宽度直到它向着基板的传感端306达到位置313。在位置313，带条308的宽度被减小以形成电阻加热元件图形314。在加热元件图形314中的导电材料具有电阻的高的正温度系数，例如对于铂为值3.8×10^-3/℃。

焊垫318被电连接至回路312并且被设计以电连接至电压源(没有示出)。焊垫316被设计以电连接至电子地线(没有示出)。因此，导电回路312形成了电流从电压源流到电子地线的路径。电阻对电流流过回路312产生热能。电阻对电流在回路312内的流动随温度增加并且因此，随着废气温度增加，在图形区314内产生的能量相应地减小从而维持传感膜的温度。另外，在传感端306上的带条厚度的减小降低了由于废气温度增加而在第二端306产生的热能，从而使基板温度302保持于基本上固定的水平。

虚设的焊垫317没有被电连接，但是被提供以在组装和操作期间给传感元件300增加厚度及结构支持。

图形314被设计使得基本上大部分的热能产生于基板302的传感端306。在某些实施例中，图形314被选择使得通过回路312的14伏特的联通产生作为在发动机操作期间的预期温度范围的650℃～900℃的温度带。

图4示出了能够使用于图1的传感器100中的传感元件300的第二或传感器一侧402。

包含导电金属厚膜的三个导电条带404、406和408的电极被施加于基板302的传感器表面402。金属膜优选地具有耐高温性(例如铂)。

第一导电金属条带404横贯基板302从基板的连接端304到印制于基板的传感端306附近的图形410的大部分长度。条带404将图形410电连接至第一固定电阻器412。第一固定电阻器412位于基板302的连接端304附近并且还电连接至焊垫414。焊垫414被设计以与电压源(没有示出)电联通。第一固定电阻器412降低了由电压源供应给图形410端的电压。

第二导电金属条带406横贯基板从基板302的连接端304到与第一条带404基本上平行但是没有接触第一条带的图形410的大部分长度。第二条带406的一端电连接至适合于电连接至发动机电子控制单元(没有示出)的焊垫416。

第二电阻器420位于基板的连接端304附近使得第二电阻器的一侧电连接至第二条带406。第二电阻器420的另一侧也电连接至第三导电金属条带480。

第三导电金属条带408从第二电阻器420的一侧横贯到紧接基板302的连接端304定位的焊垫418。焊垫418被设计以电连接至电子地线。条带404、406和408彼此决不接触。

细颗粒二氧化钛膜(没有示出)被施加于图形410之上以形成在第一与第二条带之间的可变电阻路径。二氧化钛膜是多孔的并且在暴露于废气时具有随废气中的氧气比例变化而改变的电阻。二氧化钛膜因此形成了在第一与第二条带之间的可变电阻路径。电流流过二氧化钛膜的电阻与废气中的氧含量有关并且取决于温度。但是温度依赖性基本上由在基板的相反侧面上的图形的电阻加热所取消。

如同将在下文参考图5解释的，当废气是富余的，则二氧化钛电阻是低的并且电流是相对高的，导致了在所述第二条带406与第三条带408之间测得的横跨第二电阻器420的相对高的电压降。在贫乏空气-燃料条件下，二氧化钛电阻是相对高的，从而降低了在第二条带406与第三条带408之间的电压降。横跨第二电阻器420的电压降被传导通过第二条带406和焊垫416作为用于操作控制到发动机的输入空气-燃料比的电子控制单元的输入信号。

在某些操作条件之下或在操作时间的外延时期之后，可预见存在于废气的碳能够被沉积于铝基板的未加热区上。如果出现足够的碳堆积，则电短路可能在条带404、406和408之间发生，这从而会给电子控制单元(在图4中没有示出)提供不正确的输入信号。为了防止短路，可以施加非多孔的电介质涂层(例如硅酸铝玻璃釉)以覆盖二氧化钛膜与电阻器412和420之间的电极引线。同样将相似的玻璃釉施加于基板 302的加热器一侧上的加热器回路312上(参见图3)。

玻璃釉有助于在经受汽车废气时保护加热元件并延长其寿命。这些釉料涂层可以作为浆体使用厚膜印制技术来施加，其中该浆体在高温焙烧(firing)后形成非多孔的电介质层。

另外，然后能够将多孔的复盖层施加于基板302的两侧以另加保护由图形314(图3)所形成的加热元件以及在图形410之上的二氧化钛膜。该多孔层防止由废气中的颗粒所致的厚膜磨损并且还防止废气中的污染物直接沉积于二氧化钛膜表面上。复盖层具有足够的孔隙率以为了适当的传感性能允许废气到达图形410的区域。一个这样的多孔复盖层可以通过使铝颗粒在具有硼硅酸盐玻璃的基质内结合于一起来制成并且铝颗粒可以使用厚膜印制技术来施加。

另外，对于某些应用而言提高二氧化钛膜的响应时间可能是有利的。这能够通过将催化剂(例如铂)施加于传感膜中的二氧化钛颗粒的表面上来完成。

虽然固定电阻器412和420作为完整地附着于基板302来示出，但是可以预见到这些电阻器能够是远离基板的并且所引起的用于电子控制的操作信号保持可操作。

传感元件300的电路图500在图5a中示出。参考元件也已经在图3和4中讨论了。因此，以下讨论应当参看图3、4和5a：如同之前所讨论的，存在着电压源210。电压源210典型为12伏的电池电源。但是，考虑到存在交流发动机充电系统，电压可以在11～16伏之间变化或者是为车辆制造所需的任何电压。电流通过引线或接线502传导到焊垫318和414。焊垫318与促使热能产生于传感元件300的加热器一侧的图形314中的加热器回路312(同样参见图3)连接。典型地，图形区314中的温度当传感器300位于具有200～850℃的温度的排气管(没有示出)内的废气流中时被维持于650～900℃。

电连接至焊垫414的电阻器412是使得所供应的电流具有小于10毫安的值的这样的值。该电流是使得二氧化钛膜506中的热能产生为最小的。另外，电阻器412和420被选择使得在二氧化钛膜506中作为信号产生的总电压典型地在0～900毫伏之间变化。流过二氧化钛厚膜506的电流在废气中的氧含量接近贫乏值(即逼近空气的氧含量)时接近零(0.3ma)，同时通过焊垫416到引线508传导至电子控制单元(没有示出)的结果信号电压同样接近零。

引线510电连接至焊垫316和418以至电子地线512。

流过二氧化钛膜506的电流在废气中的氧含量接近零(富余，即，10-12到10-18个大气压)时接近4-6ma。在富余的排气条件下以及具有额定的14V功率输入，供应给电子控制单元的电压信号典型为900毫伏。图5b是示出贫乏的和富余的排气条件在857℃的温度下的输出电压的图表。图5c是示出贫乏的和富余的排气条件在536℃的温度下的输出电压的图表。

组装传感器：

现在将讨论组装传感器100的方式。图6是示出传感元件的加热器一侧以及三个焊垫316、317和318传感元件300的等角图。相反的焊垫418、416和414是在传感元件300的另一侧上并且没有在该视图中示出。现在可以将熔剂施加于传感元件300的连接端304以及于焊垫之上。熔剂可以是硼酸、石油馏分、氟硼酸钾和氟化钾的组合物。在布置了熔剂之后，钎焊预制件(brazing preform)702被定位于传感元件的连接端304周围，如图7所示。预制件702材料是银铜镉锌合金。使基板变干使得熔剂干燥于钎焊预制件(blaze preform)。

图8a、8b和8c示出了为将传感元件(在图8中没有示出)的两个相对焊垫(例如焊垫316和418)电连接到接线或引线(例如引线502)而设计的端子800的细节。图8a是示出与引线502邻近的端子800的等角图。图8b是端子800和引线502的顶视图。图8c示出了焊接于端子800以形成端子接线组件804的引线502。

如所示的，端子800包括由铜铍条带形成的夹子。条带被自身上弯曲以形成包含三节段的夹子。连接节段806被设计以容纳传感元件(没有示出)的两个相对焊垫。拉长节段808被设计以经由焊接工艺将引线或接线连接到端子800。在连接节段806与拉长节段808之间，存在着中间节段810。定位于中间节段810的外部面上的是保持夹812。中间节段810的轻微偏置允许保持夹812在组装期间将端子800保持于陶瓷隔离器(没有示出)之内的位置上。

图8d是与三个端子-接线组件耦接的传感元件300的顶视图。但是，由于观看角度，因而只有两个端子-接线组件804和814是可见的。图8e是示出端子组件804、814和816如何在连接端304附接于传感器300的等角详图。因而，端子-接线组件804使焊垫316和焊垫418(没有示出)耦接至接线510。端子-引线组件814使焊垫317和焊垫416(没有示出)耦接至引线508以及端子-接线组件816使焊垫318和焊垫414(没有示出)耦接至引线502。

端子-接线组件被钎焊于传感元件的焊垫。焊接是金属接合工艺由此填隙(filler)金属或合金被加热到450℃以上的熔化温度并且通过毛细作用分布于两个或多个紧贴的部件之间。在焊接预制件内的填隙金属当受到适合的大气或熔剂保护时被促使稍微于其熔化温度之上。然后，填隙金属与基础金属的薄层互相作用(通称浸湿)并且然后被迅速冷却以形成密封接合。根据定义，钎焊合金的熔化温度低于材料接合的熔化温度。传感器组件然后可以被清洗以使传感器组件准备与其余传感器元件组装。

端子-接线组件804、814和816然后被定位于如图9所示的陶瓷隔离器外壳902之内。一旦接线组件被定位于陶瓷隔离器外壳902之内，保持夹(例如保持夹812)就将接线组件保持于原位。引线502、508和510通过陶瓷隔离器外壳902的后部以及通过聚四氟乙烯(Teflon)端板904。

如图10所示，长颈陶瓷绝缘体1002为大部分传感器元件300提供了支撑和外壳。长颈外壳1002由氧化铝陶瓷组合物形成。在长颈外壳1002的传感端内的开口1004允许传感元件300的传感端306突出到长颈外壳之外，如图10所示。陶瓷隔离器902为一部分端子-接线组件804、814和816(在图10中没有示出)提供了支撑和外壳。

现在将参考图11a、11b、12a和12b。图11a是显示传感元件300 的加热器一侧的组装传感器100剖切的顶剖视图。图11b是显示传感元件300的加热器一侧的传感器100剖切的等角剖视图。同样地，图12a是显示传感元件300的传感器一侧的组装传感器100剖切的顶剖视图。图12b是显示传感元件300的传感器一侧的组装传感器100剖切的等角剖视图。

组装的传感器100具有通过螺纹108附接于管道(没有示出)的镀镍钢外壳106。在安装时，金属垫圈114建立了传感器100与排气管204之间的密封(图2)。将外壳106的连接端卷曲于聚四氟乙烯端板904周围以密封端板以防湿气。护罩102被附接于外壳106以保护传感元件300免受破坏。传感元件300被定位于长颈陶瓷绝缘体1002之内。传感元件300的连接端由定位于陶瓷隔离器外壳902之内的钎焊的铜铍端子组件804、814和816保持到位。腔1008被灌入陶瓷接合剂(ceramic cement)以进一步将端子组件保持于陶瓷隔离器外壳902之内。聚四氟乙烯端板904在多根引线116从传感器100接合剂中引出时保护了它们。

加热护罩102具有足够数量的开口104使得所采样的在传感器100周围的废气流基本上是即时的。因为图形410区的温度被维持于650～900℃之间，所以在传感器操作中的唯一变量是与废气中的氧含量有关的流过图形区410上的二氧化钛膜的电流的阻抗。因而，传感器100可直接用来给电子控制单元212(图2)提供输入信号以获得有助于满足各种洁净空气要求的所期望的空气-燃料比。

制作传感元件：

如之前所描述的，生产能够满足较小发动机所需的物理尺寸限制的传感元件需要新工艺(new and processes)。在图14a、14b和14c中示出了一种用于制作传感元件300的这类工艺。还将参考示出包含传感元件300的材料层的图13a和13b。

工艺1400开始于步骤1402，步骤1402表示工艺的开始以及由基板1316所表示的非导电基板材料(例如氧化铝(alumna))的获取。在步骤1404中，为工艺准备基板1316。基板1316在预定的温度下焙烧预定的时间以使玻璃自氧化铝(alumna)退火以降低基板内的应力并提高产出率。焙烧还将杂质和碎屑从基板材料中烧掉。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的温度是855℃。

在步骤1406中，将导电层1317施加于基板1302的加热器一侧。为了完成该步骤，铂导体层1317使用丝网印制技术根据预定的图形来施加。预定的图形可以是如同在上文参考图3描述的回路312和图形314的描述那样。在施加了铂之后，在预定的时间内以及预定的温度下干燥铂。在某些实施例中，预定时间为7～9分钟以及预定的温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃。基板材料然后峰值在预定的温度下(peaking at a predetermined temperature)焙烧预定的时间以设置铂导体层1317。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性的实施例中，预定时间是35分钟以及预定的峰值温度是855℃。

在步骤1408中，第一复盖层(overcoat layer)1318被形成。在该示例性的实施例中，复盖层1318可以是非多孔的电介质涂层(例如硅酸铝玻璃釉)。层1318使用厚膜技术来印制。然后允许层1318在预定的温度下干燥预定的时间。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以固化层1318。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性的实施例中，预定的温度是35分钟以及预定的峰值温度是855℃。

在步骤1410中，第二复盖层1319被形成。在该示例性的实例中，复盖层1319可以是非多孔的电介质涂层(例如硅酸铝玻璃釉)。层1319使用厚膜技术来印制。然后允许层1319在预定的温度下干燥预定的时间。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度范围是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以固化层1318。在某些实施例中，预定时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是855℃。

在步骤1412中，基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以固化导电层(铂导体层1317)。在某些实施例中，预定的时间为61～75分钟以及预定的温度为1284～1568℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是68小时以及预定的温度是1426℃。

在步骤1414中，基板材料1316翻转到基板的传感器一侧用于以将另外的层施加于传感器表面一侧上。

在步骤1416中，将传感器图形层1324施加于基板材料1302的传感器一侧。为了完成该步骤，铂墨层1324根据预定的图形使用丝网印制技术来施加。预定的图形可以是如同形成在上文参考图4所描述的图形410以及条带404和406的描述那样。在施加了铂墨之后，在预定的时间内以及预定的温度下干燥铂墨。在某些实施例中，预定的时间为2.5～4.5分钟以及预定的温度为80～120℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是3.5分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以设置传感器图形层1324。在某些实施例中，预定的时间为51～63小时以及预定的温度为1125～1375℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是57小时以及峰值温度是1250℃。

在步骤1418中，二氧化钛传感器层1325被施加于基板1316的传感端。如上文所描述的，二氧化钛层1325充当到传感器的导体以形成与含氧量成正比的电阻。二氧化钛传感器材料由二氧化钛粉末和四氯化钛(Tetanium Tetracloride)形成。在施加了二氧化钛传感器层1325之后，在预定的时间内以及预定的温度下干燥它。在某些实施例中，预定的温度为7～9分钟以及预定的温度为80～120℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下干燥预定的时间以设置二氧化钛传感器层1325。在某些实施例中，预定的时间为47到57小时以及预定的温度为 990～1210℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是52小时以及峰值温度是1100℃。

在步骤1420中，电极密封层1329被形成。在该示例性的实例中，密封层1329可以是非多孔的电介质涂层(例如浆体形式的氧化铝粉末)。层1329使用厚膜技术来印制。然后允许层1329在预定的温度下干燥预定的时间。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度为100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以固化密封层1329。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是855℃。

在步骤1422中，第一多孔密封层1330被形成。在该示例性的实例中，第一多孔密封层1330可以由氧化铝颗粒及硼硅酸盐玻璃的基质(matrix)制成。层1330使用厚膜技术来印制。然后允许层1330在预定的温度下干燥预定的时间。在某些实施例中，预定时间为7～9分钟以及预定温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度为100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以固化第一多孔密封层1330。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为828～1012℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是920℃。

在步骤1424中，第二多孔密封层1331被形成。在该示例性的实例中，第二多孔密封层1331可以由氧化铝颗粒和硼硅酸盐玻璃的基质制成。第二多孔密封层1331使用厚膜技术来印制。然后允许层1331在预定的温度下干燥预定的时间。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度范围是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度焙烧预定的时间以固化第二多孔密封层1331。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为828～1012℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是920℃。

在步骤1426中，基板材料1316转回到基板的加热器一侧以将另加的层施加于加热器表面一侧上。

在步骤1428中，形成加热导体连接以提供铂导体层1317与焊接焊垫1321之间的支撑及电连接。为了完成该步骤，根据预定的图形使用丝网印制技术将银铂导电墨层1320施加于基板以及一部分导体层1317之上。预定的图形可以是如图13所示的三个条带。在施加了银铂导电墨层1320之后，在预定的时间内以及预定的温度下干燥它。在某些实施例中，预定的时间为6～7分钟以及预定的温度为80～120℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以设置银铂层1320。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性的实施例中，预定的时间为35分钟以及预定的峰值温度为855℃。

在步骤1430中，钎焊焊垫1321被形成于银层1320之上。为了完成该步骤，银铂导电墨作为层1321来施加。根据预定的图形使用丝网印制技术将银铂导电墨施加于一部分导体层1320之上。预定的图形1321可以是如图13所示的三个条带。在施加了银铂导电墨之后，在预定的时间内以及预定的温度下干燥它。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～120℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以设置钎焊焊垫1321。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是855℃。

在步骤1432中，基板材料1316转回到基板的传感器一侧以将另加的层施加于传感器表面一侧上。

在步骤1434中，形成传感器连接以提供铂导体层1324与钎焊焊垫1328之间的支撑及电连接。为了完成该步骤，根据预定的图形使用丝网印制技术将第一层银铂导电墨1326施加于基板和一部分引线层1324之上。预定的图形可以是如图13b所示的三个条带。在施加了银铂导电墨之后，在预定的时间内以及预定的温度下干燥它。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～120℃。在该示例性的实施例中，预定的时间为8分钟以及预定的温度100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下干燥预定的时间以设置银层1320。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是855℃。

根据预定的图形使用丝网印制技术将另外层的银铂导电墨1327施加于层1326之上以给钎焊焊垫1328提供所期望的厚度及支撑。预定图形可以是如图13b所示的三个条带。在施加了银铂导电墨之后，在预定的时间内以及预定的温度下干燥它。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～120℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下干燥预定的时间以设置银层1320。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是855℃。

在步骤1436中，钎焊焊垫1328被形成于一部分银铂层1327之上。为了完成该步骤，银铂导电墨作为层1328来施加。根据预定的图形使用丝网印制技术将银铂导电墨施加于层1327的一部分之上。预定的图形1321可以是如图13所示的三个条带。在施加了银铂导电墨之后，在预定的时间内以及预定的温度下干燥它。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～120℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下干燥预定的时间以设置钎焊焊垫1321。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为769～941℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是855℃。

在步骤1438中，基板材料1316转回到基板的加热器一侧以将另加的层施加于加热器表面一侧上。

在步骤1440中，第一多孔密封层1322被形成于基板的加热器一侧。在该示例性的实施例中，第一多孔密封层1322可以由氧化铝颗粒及硼硅酸盐玻璃的基质制成。层1322使用厚膜技术来印制。然后允许层1322在预定的温度下干燥预定的时间。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下干燥预定的时间以固化第一多孔密封层1322。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为828～1012℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是920℃。

在步骤1442中，第二多孔密封层1323被形成于基板材料1316的加热器一侧。在该示例性的实例中，第二多孔密封层1323可以由氧化铝颗粒和硼硅酸盐玻璃的基质制成。第二多孔密封层1323使用厚膜技术来印制。然后允许层1323在预定的温度下干燥预定的时间。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以固化第二多孔密封层1323。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为828～1012℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及预定的峰值温度是920℃。

在步骤1444中，基板材料1316转回到基板的传感器一侧以将另加的层施加于传感器表面一侧上。

在步骤1446中，电阻层被印制以形成在上文参考图4所描述的两个电阻器。为了完成该步骤，金属膜电阻层作为层1332来施加以将两个电阻器形成于电极引线与传感器连接器层1326和1327之间的电极引线上。金属膜根据如图13所示的预定图形来施加。在施加了金属膜之后，在预定的时间内以及预定的温度下干燥它。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～120℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下固化预定的时间以设置钎焊焊垫1321。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为779～951℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及峰值的温度是865℃。

在步骤1448中，第一覆釉层1333被形成。在该示例性的实例中，复盖层1333可以是非多孔的电介质涂层(例如铝硅酸盐玻璃釉)。层1333使用厚膜技术来印制。然后允许层1333在预定的温度下干燥预定的时间。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是8分钟以及预定的温度是100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以固化第一覆釉层1333。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为500～600℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及峰值温度为550℃。

在步骤1450中，电阻层1332中的两个电阻器的电阻值被调整。电阻器的值首先用激光设备来测量以确定电阻值。如果电阻器的值在预定的电阻值以上，那么就使用激光微调(laser trimming)工艺将电阻器往下微调至预定值。

一旦电阻器值处于可接受的范围之内，则在步骤1452中形成第二覆釉层1334。在该示例性的实例中，复盖层1334可以是非多孔的电介质涂层(例如铝硅酸盐玻璃釉)。层1334使用厚膜技术来印制。然后允许层1334在预定的温度下干燥预定的时间。在某些实施例中，预定的时间为7～9分钟以及预定的温度为80～100℃。在该示例性的实施例中，预定的时间为8分钟以及预定的温度为100℃±20。基板材料然后峰值在预定的温度下焙烧预定的时间以固化第二覆釉层1334。在某些实施例中，预定的时间为31～39分钟以及预定的温度为500～600℃。在该示例性的实施例中，预定的时间是35分钟以及峰值温度550℃。

在该点，基板材料可以形成于个体传感元件之内。在步骤1454中，基板材料被激光划片或切割。在步骤1456中，然后将基板材料切单成行以便于处理。在一种实施例中，材料被切单成20行。

现在可以将催化剂施加于行的传感端(步骤1458)。催化剂可以是二氧化钛四氯化物或氨(Titania Tetracloride or Ammonia)。催化剂与废气流中的碳氢化合物反应并且从而，提高二氧化钛膜传感器的响应时间以改变氧浓度。在某些实施例中，催化剂可以作为滴注溶液来施加。在施加了催化剂之后，催化剂能够在室温下干燥。

在催化剂已经干燥之后，在步骤1460中，然后可以将基板材料的行切单成个体传感元件或电路，例如以上所描述的传感元件300。

以上已经出于说明及描述的目的提供了关于本实用新型的实施例的描述。这并非意指穷尽了本实用新型的所有形式或者将本实用新型限定于所公开的精确形式。许多结合、修改和改变根据以上的教导是可能的。已经互换了元素的没有描述的实施例仍然处于本实用新型的范围之内。意欲本实用新型的范围并不限定于该详细描述，而是限定于附于此的权利要求书。

Claims

1.一种氧传感器，其特征在于包括：