CN209559808U - 氧传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氧传感器，包括具有封装传感元的机械结构和电气连接结构，产生电信号的传感元，传感元包括层叠的多层结构层，层叠的多层结构层依次包括第一结构层、第二结构层和第三结构层；第一结构层为固体电解质基体层；第二结构层为附着在固体电解质基体层两侧的铂电极层，即内电极和外电极；第三结构层为附着外电极层表面的电极保护层。本实用新型提供一种氧传感器，其电极保护层至少包括二层保护层，其中与外电极直接接触的保护层不含有具有吸氧功能的材料，而在该保护层外，至少有一层含有吸氧功能材料的保护层，这样设置的传感器，可以改善氧传感器在lambda＝1位置进行空燃比控制的精度。

Description

氧传感器

技术领域

本实用新型涉及氧传感器技术领域，特别涉及一种氧传感器。

背景技术

气体传感器，如氧传感器是发动机管理系统中的重要部件，其安装在内燃机的排气系统中，用于感知废气中氧气的浓度，实现对污染物的排放控制。随着国家排放法规的日益严苛，要求发动机控制系统能够尽快进入闭环控制状态，并且将空燃比精确的控制在lambda＝1的附近波动。在传感器的自身信号特征上，比较理想的状态是传感器在不同工况下，从浓到稀和从稀到浓进行信号切换时，具有相同或类似的响应速度，这样便于在不同工况下，都可以将空燃比精确的控制在lambda＝1的附件。

氧传感器的电极活性与电极所能提供的三相界的多少正相关。当增加电极的用量后，由于可以提供更多的三相界，电极的活性也会极大的提高。对非加热型氧传感器，由于依靠废气加热传感元，使其处于能够工作的状态，当废气温度比较低时，传感器就不能给出有效信号。因而如何提高非加热型氧传感器的低温活性成为该类型氧传感器必须解决的问题。传统的做法是提高外电极的电极用量，这样外电极的活性会得到比较大的提高。在同样的废气温度条件下，在相同的加热时间内，具有较多外电极用量的氧传感器传感器，具有更快的电压上升速度。然而，如此设置的氧传感器带来了新的问题。

当外电极的用量比较大时，传感器对浓稀信号的切换速度具有严重的不对等性，如何解决该问题，成为扩展其应用的关键技术。

本实用新型公开了一种新型结构的氧传感器，其在具有较好的低温活性的基础上，同时浓到稀和稀到浓的切换速度类似。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种氧传感器。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种氧传感器，包括具有封装传感元的机械结构、电气连接结构和产生电信号的传感元，其特征在于，所述传感元包括层叠的多层结构层，所述层叠的多层结构层依次包括第一结构层、第二结构层和第三结构层。

第一结构层为固体电解质基体层；

第二结构层为附着在固体电解质基体层两侧的内电极和外电极，与空气接触的为内电极，与废气接触的为外电极；

第三结构层为附着在外电极表面的电极保护层。

本实用新型提供一种氧传感器，其电极保护层至少包括二层保护层，其中与外电极直接接触的保护层不含有具有吸氧功能的材料，而在该保护层外，至少有一层含有吸氧功能材料的保护层。这样设置的传感器，可以改善氧传感器在lambda＝1位置进行空燃比控制的精度。

一种氧传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)在固体电解质基体层的两侧的局部区域上形成电极，与空气接触的为内电极，与废气接触的为外电极；

2)通过涂敷法或提拉法在外电极外侧形成第一保护层。

3)通过等离子喷涂工艺或则涂敷法或提拉法形成第二保护层。第二保护层含有具有吸氧功能的材料；

4)采用壳体封装氧传感元，得到氧传感器。

优选的是，所述的氧传感器的制备方法，其中，第一保护层通过涂敷法或提拉法制备，所用的保护层的制备方法具体包括以下步骤：

1)浆料含有60％的固体氧化物，其中氧化锆占比40％，氧化铝占比60％。其余为16％为乙基纤维素，10％的松油醇，14％的酒精。

浆料配制完成后在行星球磨机上球磨24个小时，以得到均质的悬浮液；

2)通过涂敷法或提拉法制备，将保护层浆料均匀的涂敷在外电极外侧；

3)在1400℃～1550℃下煅烧2～6h，形成第一保护层；

优选的是，所述的氧传感器的制备方法，其中，所述具有吸氧功能的保护层的制备方法有两种。

方法一采用了将具有吸氧功能材料的盐添加到浆料中，通过高温烧结，分解得到具有吸氧功能的金属氧化物，如氧化铈，氧化镧等。方法二采用了将具有吸氧功能的金属氧化物加入到浆料中，通过烧结形成具有吸氧功能的保护层的方法。下面具体介绍一下这两种方法的制备工艺。

方法一，具体包括以下步骤：

1)在第一保护层上等离子喷涂镁铝尖晶石得到第二保护层；

2)制备含有吸氧功能材料的浆料A；

3)将含有吸氧功能材料的浆料通过提拉或毛刷涂抹，将浆料均匀涂敷在第二保护层上，形成第三保护层。

4)在800℃～900℃下煅烧2～6h，形成第三保护层；

其中，含有吸氧功能材料的浆料A的制备方法为：

质量百分比，5wt％～30wt％硝酸铈、12wt％～37wt％的酒精、28wt％乙基纤维素和30wt的松油醇。

方法二，具体包括以下步骤：

1)制备具有吸氧功能的浆料B；

2)将含有吸氧功能材料的浆料通过提拉或毛刷涂抹，将浆料均匀涂敷在第一保护层上，形成第二保护层。

3)在1000℃～1200℃下煅烧2～6h，形成第二保护层

其中，含有吸氧功能材料的浆料B的制备方法为：

质量百分比，28wt％～33wt％氧化铝、4wt％～7wt％氧化钇、0～8wt％氧化铈、9wt％氧化硅、3wt％氧化钙、2wt％氧化镁、18wt％乙基纤维素、3wt％改性鱼油、16wt％的松油醇和9wt％酒精。

浆料配制完成后在行星球磨机上球磨48个小时，以得到均质的悬浮液；

有益效果：

本实用新型提供一种氧传感器，其电极保护层至少包括二层保护层，其中与外电极直接接触的保护层不含有具有吸氧功能的材料，而在该保护层外，至少有一层含有吸氧功能材料的保护层，这样设置的传感器，可以改善氧传感器在lambda＝1位置进行空燃比控制的精度。

附图说明

图1为本实用新型中氧传感器的封装结构示意图；

图2为传统氧传感器传感元的第一保护层4，第二保护层5的结构示意图；

图3为本实用新型中采用方法一制备的氧传感器的第一保护层4，第二保护层5，第三保护层6的结构示意图；

图4为本实用新型中采用方法二制备的氧传感器的第一保护层4，第二保护层7的结构示意图；

图5为对比例1的开环测试电压波形图；

图6为实施例6的开环测试电压波形图；

图7为实施例7的开环测试电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1，本实用新型提供一种氧传感器，包括具有封装传感元的机械结构和电气连接结构，产生电信号的传感元。21为保护罩，22为六角座，23外密封圈，24保护套，25碟簧，26透气膜，27导线，28橡胶衬套，29橡胶环，30端子，31接触丝，32陶瓷衬套，33接触盘，34内密封圈，35传感元，保护套24被六点铆压与六角座22连接，并保持碟簧25处于压缩状态，这样可以确保内部的电气连接可靠，并能保证内密封圈34密封传感元35与六角座22之间的间隙。

参照图2，传感元包括层叠的多层结构层，层叠的多层结构层依次包括第一结构层、第二结构层和第三结构层；第一结构层为固体电解质基体层1；第二结构层为附着在固体电解质基体层两侧的铂电极层，即内电极2和外电极3；第三结构层为附着外电极层表面的电极保护层，电极保护层包括第一保护层4和第二保护层5，第一保护层4靠近外电极，不含有具有吸氧功能的材料，5为传统第二保护层，不含有氧功能材料的保护层。

参照图3，为方法一制备的保护层。包括三层保护层，其中第三保护层6，附着在第二保护层上，为含有吸氧功能的材料，具体制备方法包括以下步骤：

第一保护层通过涂敷法或提拉法制备，所用的保护层的制备方法具体包括以下步骤：

1)浆料含有60％的固体氧化物，其中氧化锆占比40％，氧化铝占比60％。其余为16％为乙基纤维素，10％的松油醇，14％的酒精。

浆料配制完成后在行星球磨机上球磨24个小时，以得到均质的悬浮液；

2)通过涂敷法或提拉法制备，将保护层浆料均匀的涂敷在外电极外侧；

3)在1400℃～1550℃下煅烧2～6h，形成第一保护层；

吸氧功能的保护层的制备方法有两种。

第二保护层，具体包括以下步骤：

5)在第一保护层上等离子喷涂镁铝尖晶石得到第二保护层；

第三保护层，具体包括以下步骤：

6)制备含有吸氧功能材料的浆料A；

7)将含有吸氧功能材料的浆料通过提拉或毛刷涂抹，将浆料均匀涂敷在第二保护层上，形成第三保护层。

8)在800℃～900℃下煅烧2～6h，形成第三保护层；

其中，含有吸氧功能材料的浆料A的制备方法为：

质量百分比，5wt％～30wt％硝酸铈、12wt％～37wt％的酒精、28wt％乙基纤维素和30wt的松油醇。

参照图4，为本实用新型中方法二制备得到的保护层，包括二层保护层，具体制备包含以下步骤：

其中第一保护层的制备与图3中第一保护层的制备方法相同。

第二保护层的制备具体包括以下步骤：

4)制备具有吸氧功能的浆料B；

5)将含有吸氧功能材料的浆料通过提拉或毛刷涂抹，将浆料均匀涂敷在第一保护层上，形成第二保护层。

6)在1000℃～1200℃下煅烧2～6h，形成第二保护层

其中，含有吸氧功能材料的浆料B的制备方法为：

质量百分比，所含28wt％～33wt％氧化铝、4wt％～7wt％氧化钇、0～8wt％氧化铈、9wt％氧化硅、3wt％氧化钙、2wt％氧化镁、18wt％乙基纤维素、3wt％改性鱼油、16wt％的松油醇和9wt％酒精。

浆料配制完成后在行星球磨机上球磨48个小时，以得到均质的悬浮液；

下面列出具体的实施例：

实施例1：

参考图3，传感元包括层叠的多层结构层，层叠的多层结构层依次包括第一结构层、第二结构层和第三结构层；第一结构层为固体电解质基体层1；第二结构层为附着在固体电解质基体层两侧的铂电极层，即内电极2和外电极3；第三结构层为附着外电极层表面的电极保护层，电极保护层包括第一保护层4和第二保护层5，第三保护层6，第一保护层4靠近外电极，不含有具有吸氧功能的材料，5为第二保护层，6为附着在第二保护层上的第三保护层，第三保护层为含有氧功能材料的保护层。

具体三层保护层的制备，包括以下步骤：

第一保护层通过涂敷法或提拉法制备，所用的保护层的制备方法具体包括以下步骤：

1)浆料含有60％的固体氧化物，其中氧化锆占比40％，氧化铝占比60％。其余为16％为乙基纤维素，10％的松油醇，14％的酒精。

浆料配制完成后在行星球磨机上球磨24个小时，以得到均质的悬浮液；

2)通过涂敷法或提拉法制备，将保护层浆料均匀的涂敷在外电极外侧；

3)在1400℃～1550℃下煅烧2～6h，形成第一保护层；

优选的是，所述的氧传感器的制备方法，其中，所述由于吸氧功能的保护层的制备方法有两种。

第二保护层，具体包括以下步骤：

1)第一保护层上等离子喷涂镁铝尖晶石得到第二保护层；

第三保护层，具体包括以下步骤：

1)制备含有吸氧功能材料的浆料A；

2)将含有吸氧功能材料的浆料通过提拉或毛刷涂抹，将浆料均匀涂敷在第二保护层上，形成厚度在1-5微米之间第三保护层。

3)在800℃～900℃下煅烧2～6h，形成第三保护层

浆料A1的制备方法为

质量百分比，硝酸铈5％，乙基纤维素28％，30％的松油醇，37％的酒精。

按照图1所示的结构封装完成。

实施例2：

制备工艺同实施例1，区别为浆料A2的制备方法为：

质量百分比，硝酸铈10％，乙基纤维素28％，30％的松油醇，32％的酒精。

实施例3：

制备工艺同实施例1，区别为浆料A3的制备方法为：

质量百分比，硝酸铈30％，乙基纤维素28％，30％的松油醇，12％的酒精。

对比例1：

制备工艺同实施例1，区别为该实施例中没有第三保护层。

对比评价的测试方法为开环测试。具体测试方法为给定0.5Hz浓稀切换的废气，即1秒钟lambda＝0.97浓的气氛，1秒钟lambda＝1.03稀的气氛，持续测试40秒钟。计算得到在此期间电压大于450mV的时间t1和电压小于450mV的时间t2，然后采用如下公式计算得到Δt。

Δt＝(t1-t2)/2

其中Δt越接近0，表明传感器越能准确反应废气的浓稀状态，也就越能在lambda＝1附近对空燃比进行准确控制。

图5为对比例1测试得到的波形图。

图6为实施例2测试得到的波形图。

图7为实施例3测试得到的波形图。

采用实施例和对比例的性能测试结果如表1所示：

表1：

	对比例1	实施例1	实施例2	实施例3
					硝酸铈百分比	0	5％	10％	30％
保护层厚度μm	1-5	1-5	1-5	1-5
					Δt秒	-10225	-3500	-1245	7400

实施例2取得了较好的信号波形，从测试结果来评估，可选的硝酸铈质量百分比在5-30％之间，优选的是10％。

实施例4：

直到第一保护层制备完成，所有制备工艺与实施例1相同。

第二保护层的制备具体包括以下步骤：

1)制备具有吸氧功能的浆料B；

2)将含有吸氧功能材料的浆料通过提拉或毛刷涂抹，将浆料均匀涂敷在第

一保护层上，形成厚度在200-300微米之间的第二保护层；

3)在1000℃～1200℃下煅烧2～6h，形成第二保护层。

其中，含有吸氧功能材料的浆料B的制备方法为：

质量百分比，所含氧化铝32％，氧化锆7％，氧化硅9％,氧化钙3％，氧化镁2％，氧化铈1％；乙基纤维素18％，改性鱼油3％，16％的松油醇，9％的酒精。

浆料配制完成后在行星球磨机上球磨48个小时，以得到均质的悬浮液；

实施例5：

调整浆料B中的氧化铈含量。

B2，固体氧化物的质量百分比为：所含氧化铝30％，氧化锆5％，氧化硅9％,氧化钙3％，氧化镁2％，氧化铈5％；

实施例6：

调整浆料B中的氧化铈含量。

B3，固体氧化物的质量百分比为：所含氧化铝28％，氧化锆4％，氧化硅9％,氧化钙3％，氧化镁2％，氧化铈8％；

对比例2：

调整浆料B中的氧化铈含量为0。

B4，固体氧化物的质量百分比为：所含氧化铝33％，氧化锆7％，氧化硅9％,氧化钙3％，氧化镁2％；

采用同样的评价指标，对具体实施例和对比例的性能测试结果如表2所示：

表2：

	对比例2	实施例4	实施例5	实施例6
					氧化铈百分比	0	1％	3％	8％
保护层厚度μm	200-300	200-300	200-300	200-300
					Δt秒	-11023	-2500	245	9403

实施例2取得了较好的信号波形，因此在该制备方法中氧化铈的质量百分比在1-8％之间，优选的是3％。

具有吸氧功能的材料包括但不限于氧化铈，氧化镧，金属陶瓷等。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种氧传感器，包括具有封装传感元的机械结构和电气连接结构，产生电信号的传感元，其特征在于，所述氧传感器的传感元包括层叠的多层结构层，所述层叠的多层结构层依次包括第一结构层、第二结构层和第三结构层；

第一结构层为固体电解质基体层；

第二结构层为附着在固体电解质基体层两侧的铂电极层，即内电极和外电极，与空气接触的为内电极，与废气接触的为外电极；

第三结构层为附着在外电极层表面的电极保护层，其保护层中含有吸氧功能的材料。

2.根据权利要求1所述的氧传感器，其特征在于，所述电极保护层至少包括二层保护层，其中与外电极直接接触的保护层不含有具有吸氧功能的材料，而在该保护层外，至少有一层含有吸氧功能的材料的保护层。

3.根据权利要求2所述的氧传感器，其特征在于，所述吸氧功能的材料包括氧化铈或氧化镧或二者的混合物。