CN202083663U - 一种片式宽域汽车氧传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种片式宽域汽车氧传感器，由五层基片自上而下依次叠压而成，第一层基片上设有氧泵外电极、第一电极、电极保护层和扩散孔；第二层基片上设有环形空腔、环形扩散障碍层、扩散孔和连接导线；第三层基片设有第二电极，第一电极和第二电极通过连接导线连接成氧泵内电极；第三层基片与第四层基片之间设置有参比电极，参比电极上覆盖有微孔扩散层，参比气体通道与微孔扩散层连通，第四层基片与第五层基片之间设置有加热电极，加热电极的上下各有一层绝缘层，加热电极通过小孔导电引到传感器的表面。本实用新型中第四层基片是没有任何空腔的，保证加热电极受力均匀，参比通道的形成实现气体的通畅，大大提高传感器强度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种片式宽域汽车氧传感器，尤其涉及一种以氧化钇稳定二氧化锆为电解质的片式宽域汽车氧传感器，应用于汽车电喷系统尾气排放控制领域。
背景技术
稀薄燃烧发动机有燃烧效率高，改善排放等优点，满足人们节能减排的要求，但其空燃比大于18(理论空燃比为14.7)，传统的片式氧传感器只能检测空燃比在理论空燃比附近的情况，不能对其进行有效的检测，宽域汽车氧传感器可精确得测量λ值(0.65≤λ≤∞)。尾气通过扩散小孔进入扩散室，氧化锆参比电池感知尾气的浓度后产生Us，根据尾气浓度的不同，富燃料的浓混合气将产生高于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个正方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵入扩散室内进行化学分解反应，在废气中产生水和一氧化碳及一些氧化物，附着在泵氧元的表面。在化学反应中将过多的碳氢化合物分解，从而降低了废气的浓度，使扩散室恢复到Us电压为0.45V的尾气含氧浓度的平衡状态。相反，富氧的稀混合气将产生低于参考电压UsRef的Us，传感器控制器将产生一个反方向的泵电流Ip，该泵电流Ip将氧气泵出扩散室。此时的泵电流Ip反应了尾气的浓度，传感器控制器将泵电流Ip转换成输出电压Uout通过改变泵电流的极性(电流流动方向)与大小就可以达到平衡扩散室里的尾气含氧量，如何将这个变化的泵电流去控制发动机的ECU对喷油器喷油时间的调整是至关重要的，在控制环路中有一块DSP(数字信号处理器)电路，该电路有二路输出，一路将变化的泵电流信号通过放大数模转换成线性电压，此电压从0V～5V连续变化，去控制发动机ECU的空燃比调整。另一路输出脉宽调制信号去控制COM场效应开关晶体管的导通与截止时间，给加热器提供电流，加热氧传感器。
宽域型氧传感器的核心部件是其敏感芯片，它由加热电极、氧泵外电极、氧泵内电极和参比电极组成，是通过多层印刷电路的五层致密氧化锆(ZrO2)质的基片叠合而成，，该芯片的制作方法是：通过流延成型方式制作氧化锆基片；对基片进行切片冲孔；把切好的基片进行多层丝网印刷，制作各个功能层；再把五层基片叠合分切，最后进行烧结、上釉等处理。
在专利号为：201010238039.9的发明内容为，氧泵基体层和反应基体层是氧化钇稳定的氧化锆基片；多层陶瓷气体交换层和上下加热基体层是由氧化铝+氧化镁+氧化钡按一定的比例复合制成的基片，各层先通过印刷电极后叠压并以烧结方式成为一体，该结构加热电极的上方的基片是由两个部分拼凑而成在，在叠压过程中，加热电极的受力是不均匀的，会造成电阻丝变形，在加热过程中增加热应力，导致加热电极烧断，从而影响传感器寿命；参比通道气室比较大，在传感器中形成一个大的空腔，会降低传感器工作区域的强度，使传感器失效。
传统的宽域氧传感器有一个大的参比通道的气体空腔，导致发热区应力大，使传感器容易断裂而失效。
发明内容
本实用新型的目的为了克服上述现有技术存在的问题，而提供一种片式宽域汽车氧传感器，用微孔局部代替了空腔，能有效的提高传感器强度，从而提高传感器的寿命。
本实用新型的技术方案如下：
一种片式宽域汽车氧传感器，由五层基片自上而下依次叠压而成，第一层基片上设有一个氧泵外电极、一个氧泵内电极的第一电极、电极保护层和一个通到第二层基片的扩散孔；第二层基片上设有一个环形空腔、一个环形扩散障碍层、一个扩散孔和氧泵内电极的连接导线；第三层基片设有氧泵内电极的第二电极，氧泵内电极的第一电极和氧泵内电极的第二电极通过连接导线连接成氧泵内电极；第三层基片与第四层基片之间设置有参比电极，参比电极上覆盖有微孔扩散层，参比气体通道与微孔扩散层连通，第四层基片与第五层基片之间设置有加热电极，加热电极的上下各有一层绝缘层，加热电极通过小孔导电引到传感器的表面。
五层基片的材质均为氧化锆，氧泵外电极、氧泵内电极和参比电极的材质均为贵金属铂与氧化锆陶瓷形成的多孔材料，加热电极是由贵金属Pt制成，加热电极上下的绝缘层材质为致密氧化铝质。
传统的宽域氧传感器是在第四层上做了一个大的参比通道空腔，在与第五层的加热电极叠合的过程中，叠合压力很大，容易造成加热电极受压不均匀而局部变形；而且大的空腔会大大降低片的强度，造成使用过程中的断裂。
本实用新型中第四层基片是没有任何空腔的，可以保证加热电极受力均匀。参比通道的形成是通过在第三层上开一个狭窄的参比通道(避开了加热电极)与第四层上的多孔层连接上，实现气体的通畅，大大提高了传感器强度。
附图说明
图1是本实用新型沿长度方向的剖面图。
图2是图1中环形扩散障碍层的俯视图。
图3是图1中第三层基片和加热电极的俯视图。
图4是本实用新型沿宽度方向的剖面图。
图5是本实用的泵电流Ip与O2浓度的对应关系。
图6是本实用新型的泵电流Ip与λ的对应关系。
具体实施方式
结合附图对本实用新型作进一步的描述。
如图1所示，本实用新型由五层基片自上而下依次叠压而成，五层基片(1，2，3，4，5)的材质均为氧化锆，第一层基片1上设有一个电极保护层6、一个氧泵外电极7、一个氧泵内电极的第一电极11和一个通到第二层基片2的扩散孔10；第二层基片2上设有一个环形空腔8、一个环形扩散障碍层9、一个扩散孔10和氧泵内电极的连接导线，第三层基片3设有氧泵内电极的第二电极12，氧泵内电极的第一电极11和氧泵内电极的第二电极12通过连接导线连接成氧泵内电极，氧泵内电极是为了增加工作电极的面积；第三层基片3与第四层基片4之间设置有参比电极14，参比电极14上覆盖有微孔扩散层13，参比气体通道15与微孔扩散层13连通，第四层基片4与第五层基片5之间设置有加热电极17，加热电极17的上下各有一层绝缘层16，加热电极通过小孔19导电引到传感器的表面18。
电极保护层6的材料为多孔的氧化铝。
环形扩散障碍层9的材料为多孔的氧化铝。
氧泵外电极7、氧泵内电极的第一电极11、氧泵内电极的第二电极12和参比电极14的材料为贵金属铂与氧化锆陶瓷形成的多孔材料。
微孔扩散层13的材料为多孔的氧化铝。
加热电极17的材料为贵金属铂
加热电极17上下的绝缘层16材质为致密氧化铝质。
宽域氧传感器的工作原理为：扩散孔10起采集尾气样品的作用，采集到的尾气样品经过环形扩散障碍层9进入到环形空腔8中，根据尾气浓度的不同，氧泵内电极的第二电极12与参比电极14之间将产生一个能斯特电动势。
构成宽域型氧传感器的组件有两个部分：
一部分是感应室，由第三层基片3、氧泵内电极的第一电极11、氧泵内电极的第二电极12和参比电极14组成，它的一面与气体通道15的大气接触，而另一面是测试用的环形空腔8，通过扩散孔10与排气接触，和普通的氧化锆氧传感器一样，由于感应室两侧的氧含量不同而产生一个电动势，发动机控制单元要把感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在0.45V，这个电压只是电脑的参考标准值。
另一部分是传感器的关键部件泵氧元，由第一层基片1、氧泵外电极、氧泵内电极的第一电极11、氧泵内电极的第二电极12组成，泵氧元一边是尾气，另一边是与测试用的环形空腔8相连。泵氧元就是利用氧化锆传感器的反作用原理，将电压施加与氧化锆组件上，这样会造成氧离子的移动，如果混合气太浓，那么排气的含氧量下降，此时从扩散孔10溢出的氧较多，感应室的电压升高。为达到平衡发动机控制单元增加控制电流使泵氧元增加泵氧效率，使测试用的环形空腔的氧含量增加，这样可以调节感应室的电压恢复到0.45V；相反混合器太稀，则排气中的氧含量增加，这时氧要从扩散孔10进入测试用的环形空腔8，感应室电压降低，此时泵氧元向外排出氧来平衡测试用的环形空腔中的含氧量，使感应室的电压维持在0.45V。总而言之，加在泵氧元上的电压可以保证当测试用的环形空腔内的氧多时，排出氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔内的氧多时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。该泵氧元的电流就反应了排气中的剩余氧气含量系数。
图2为环形扩散障碍层9的俯视图。待测气体在扩散孔10内稳定化，经过环形扩散障碍层9(见图1)进入环形空腔8，传感器控制目标是使环形空腔8中的空燃比为理论空燃比14.7。
图3为第三层基片3和加热电极17的俯视图。第三层基片3上的气体通道15是为了保证传感器与空气相通，与微孔扩散层13构成参比通道；加热电极17采用前细后粗的目的是为了提高加热速率并满足芯片工作时的热分布要求。
图4为本实用新型沿宽度方向的剖面图，传感器工作过程中通过调节氧泵外电极7和氧泵内电极的第一电极11之间施加的电压大小及电压方向，使氧泵内电极的第一电极11和参比电极14间的能斯特电动势控制为450mV，氧泵外电极7和氧泵内电极的第一电极11之间的电流值即是氧浓度值的体现。
图5是本实用新型的泵电流Ip与O2浓度的对应关系，在标准气室中，分别配置不同浓度的N2与O2的混合气体，其中O2浓度为0到20％，可以看出泵电流Ip与O2浓度呈线性关系。
图6是本实用新型的泵电流Ip与λ的对应关系。将图6的横坐标转换成λ换算关系为：
从图中可以看出泵电流Ip与λ之间有很好的一一对应关系。
Claims (5)
1.一种片式宽域汽车氧传感器，由五层基片自上而下依次叠压而成，其特征在于：第一层基片上设有一个氧泵外电极、一个氧泵内电极的第一电极、电极保护层和一个通到第二层基片的扩散孔；第二层基片上设有一个环形空腔、一个环形扩散障碍层、一个扩散孔和氧泵内电极的连接导线；第三层基片设有氧泵内电极的第二电极，氧泵内电极的第一电极和氧泵内电极的第二电极通过连接导线连接成氧泵内电极；第三层基片与第四层基片之间设置有参比电极，参比电极上覆盖有微孔扩散层，参比气体通道与微孔扩散层连通，第四层基片与第五层基片之间设置有加热电极，加热电极的上下各有一层绝缘层，加热电极通过小孔导电引到传感器的表面。
2.根据权利要求1所述的片式宽域汽车氧传感器，其特征在于：所述的五层基片的材质均为氧化锆。
3.根据权利要求1所述的片式宽域汽车氧传感器，其特征在于：所述的氧泵外电极、氧泵内电极和参比电极的材质均为贵金属铂与氧化锆陶瓷形成的多孔材料。
4.根据权利要求1所述的片式宽域汽车氧传感器，其特征在于：所述的加热电极是由贵金属Pt制成。
5.根据权利要求1所述的片式宽域汽车氧传感器，其特征在于：所述的加热电极上下的绝缘层材质为致密氧化铝质。
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Assignee: Zhenjiang Nernst Automotive Technology Co., Ltd. Assignor: Xie Guangyuan Contract record no.: 2012320001001 Denomination of utility model: Chip type wide-area automobile oxygen sensor Granted publication date: 20111221 License type: Exclusive License Record date: 20121109 |
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Assignee: Zhenjiang Nernst Automotive Technology Co., Ltd. Assignor: Xie Guangyuan Contract record no.: 2012320001001 Date of cancellation: 20130304 |
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Assignee: Zhejiang Fineworld Automobile Cpmponents Co., Ltd. Assignor: Xie Guangyuan Contract record no.: 2013320000058 Denomination of utility model: A kind of chip type wide-area automobile oxygen sensor and preparation method thereof Granted publication date: 20111221 License type: Exclusive License Record date: 20130305 |
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Owner name: ZHENJIANG BOWEI AUTO TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: XIE GUANGYUAN Effective date: 20140717 |
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