電流型氧傳感器的製作方法

2023-05-31 23:16:51

專利名稱：電流型氧傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種傳感器，具體地說，是指一種用於測量汽車尾氣中氧氣濃度的電流型氧傳感器。
背景技術：
汽車氧傳感器通過檢測尾氣中氧氣濃度，由電控系統的反饋控制，實現調節汽車燃燒系統空氣燃料比。這對於提高燃料利用率，降低汙染氣體的排放具有重要的意義。傳統的電壓型氧傳感器為管式結構，檢測範圍窄，僅能檢測理論空燃比附近的氧氣濃度。而且由於結構上的原因，啟動速度慢。
目前，在使用中的電流型氧傳感器有小孔擴散與多孔陶瓷擴散層兩種形式。由於長時間在工作環境中，存在小孔易堵塞，多孔陶瓷空隙大小會發生改變等問題，不能滿足實際使用需要，而且生產工藝複雜，成本高。

發明內容
本實用新型的目的是提出一種具有緻密擴散層、氣敏性能好的電流型氧傳感器。該傳感器具有寬範圍檢測功能，同時製造加工工藝簡單、成本低廉。
本實用新型的一種電流型氧傳感器，由電解質層、擴散層、封裝層和正、負極集電層構成，電解質層與擴散層通過共壓成型後燒結在一起，正極集電層採用絲網印刷在電解質層的中心表面，負極集電層採用絲網印刷在擴散層的中心表面，封裝層包覆在除正、負集電層邊緣以外的電解質層和擴散層上。所述的電解質層由YSZ陶瓷材料構成，所述的擴散層由LSM+YSZ複合陶瓷材料構成，封裝層由玻璃材料構成。
所述的電流型氧傳感器，其電解質層燒結厚度為0.5～1.5mm，擴散層燒結厚度為0.5～2mm，封裝層封裝厚度0.1～0.10mm。
所述的電流型氧傳感器，其擴散層中LSM材料為La1-xSrxMnO3(X＝0.2～0.4)，其擴散層中YSZ材料的含量為10～40％。
本實用新型電流型氧傳感器具有高溫400～700℃下工作信號穩定、可檢測氧氣濃度範圍為1～30％(總壓為一個大氣壓)，響應時間小於3秒，以及響應快速等優點。另外，由於其工藝簡單，很容易實現工業化大規模生產。


圖1是本實用新型電流型氧傳感器剖視圖。
圖2是本實用新型電流型氧傳感器的V-I工作特性曲線圖。
圖3是本實用新型電流型氧傳感器極限電流對氧氣濃度的線性關係圖。
圖4是本實用新型電流型氧傳感器響應時間曲線圖。
圖中1.負極集電層 2.擴散層 3.封裝層 4.電解質層 5.正極集電層具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。
本實用新型是一種電流型氧傳感器，由電解質層4、擴散層2、封裝層3和正、負極集電層構成，電解質層4與擴散層2通過共壓成型後燒結在一起，正極集電層5採用絲網印刷在電解質層4的中心表面，負極集電層1採用絲網印刷在擴散層2的中心表面，封裝層3包覆在除正、負集電層邊緣以外的電解質層4和擴散層2上。電解質層4由YSZ陶瓷材料構成，所述的擴散層2由LSM+YSZ複合陶瓷材料構成，封裝層3是玻璃材料。YSZ是Y2O3穩定的ZrO2的縮寫，LSM是La1-xSrxMnO3(X＝0.2～0.4)的縮寫。
本實用新型的電流型氧傳感器採用共壓成型後燒結加工工藝進行製造。先將混合均勻的擴散層2的LSM+YSZ粉體均勻放入模具，並輕輕壓出平面，再把電解質層4的YSZ粉體放入模具，進行共壓成型(成型選用769YP-15A型壓機)。成型後的坯體放入矽碳棒箱式高溫爐中在1350℃～1450℃燒結，保溫1～3小時(升溫過程由日本SHIMADEN公司的FP21可編程智能儀表、高精度PID調節)。燒結完成，隨爐冷卻後，將燒結傳感器陶瓷體取出，並在擴散層2的中心表面採用絲網印刷上多孔鉑材料的負極集電層1，在電解質層4的中心表面採用絲網印刷上多孔鉑材料的正極集電層5；最後，在溫度1000℃下包覆封裝層3玻璃材料(封裝層3隻包覆在除正、負集電層以外的電解質層4、擴散層2上)。在加工過程中通過合理調節擴散層中YSZ材料的用量及成型、燒結工藝可以實現兩層燒結後接合緊密的電流型氧傳感器。
在上述加工工藝中，擴散層2材料中YSZ的含量為10～40％。若加工製造一直徑為10mm的電流型氧傳感器，其擴散層2厚度可以為0.5～2mm，電解質層4厚度可以為0.5～1.5mm。正、負集電層採用200目絲網印刷得到，厚度可以為20μm，其中負極集電層1直徑為4mm，正極集電層5直徑為8mm。為了防止氧滲漏，傳感器邊緣塗覆了一玻璃材質的封裝層3，擴散層2表面開口部分直徑為6mm。
本實用新型電流型氧傳感器的工作原理擴散層2(LSM+YSZ複合陶瓷)是一種混合導體。它既是電流型氧傳感器的陰極又是擴散阻擋層。首先，LSM+YSZ複合陶瓷是良好的電子導體。作為陰極，它與電解質層4、正極集電層5構成了氧泵。在一定外加電壓下，氧離子在電解質層4內能夠快速擴散。另外，擴散層2又具有一定氧離子導電性，環境中的氧吸附到它的表面後電離成為氧離子，氧離子在氧位差的驅動下，向電解質層4擴散。一定工作溫度下，氧在擴散層2的LSM材料中的擴散係數為常數。當加在電流型氧傳感器兩端的電壓超過1V時，陰極上氧原子得到電子的反應快於擴散過來的氧，電流就不再隨電壓增大明顯增加，出現了電流平臺。平臺電流值又叫做極限電流(Limiting Current)。圖2所示為600℃氧傳感器的V-I工作特性曲線，圖中可以看出在電壓為0.5～0.7V時出現電流平臺。一定氧氣濃度範圍內(此氧氣濃度與工作溫度相關)，極限電流值與環境中的氧氣濃度成正比，如圖3所示600℃氧傳感器極限電流對氧氣濃度的線性關係。根據氧傳感器極限電流值可以實時監測汽車尾氣中氧氣的濃度大小，所以汽車電控系統就能夠及時調節發動機空燃比，達到提高燃料利用率，降低汙染氣體排放的目的。
本實用新型電流型氧傳感器在實際工作中需要有專用的發熱體加熱到400～700℃，並在其兩個電極間施加0.5～1V外加電壓，通過檢測迴路中的電流信號的大小就可以得到周圍環境中的氧氣濃度。圖4所示為600℃，平臺電壓下，氧氣濃度由0變為20％，傳感器電流信號的變化。能夠看出這種電流型氧傳感器的響應速度很快。
權利要求1.一種電流型氧傳感器，由電解質層、擴散層、封裝層和正、負極集電層構成，其特徵在於電解質層(4)與擴散層(2)通過共壓成型後燒結在一起，正極集電層(5)採用絲網印刷在電解質層(4)的中心表面，負極集電層(1)採用絲網印刷在擴散層(2)的中心表面，封裝層(3)包覆在除正、負集電層邊緣以外的電解質層(4)和擴散層(2)上。
2.根據權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特徵在於所述的電解質層(4)由YSZ陶瓷材料構成，所述的擴散層(2)由LSM+YSZ複合陶瓷材料構成，封裝層(3)由玻璃材料構成。
3.根據權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特徵在於所述的電解質層(4)燒結厚度為0.5～1.5mm，所述的擴散層(2)燒結厚度為0.5～2mm，所述的封裝層(3)封裝厚度0.1～0.10mm。
4.根據權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特徵在於所述的擴散層(2)中LSM材料為La1-XSrXMnO3(X＝0.2～0.4)。
5.根據權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特徵在於所述的擴散層(2)中YSZ材料的含量為10～40％。
6.根據權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特徵在於所述的電解質層(4)中心表面的正極集電層(5)的直徑為S～8mm；所述的擴散層(2)中心表面的負極集電層(1)的直徑2～4mm，正、負集電層為鉑材料。
專利摘要本實用新型公開了一種電流型氧傳感器，由電解質層、擴散層、封裝層和正、負極集電層構成，電解質層與擴散層通過共壓成型後燒結在一起，正極集電層採用絲網印刷在電解質層的中心表面，負極集電層採用絲網印刷在擴散層的中心表面，封裝層包覆在除正、負集電層邊緣以外的電解質層和擴散層上。本實用新型氧傳感器工作溫度範圍為400～700℃，工作時外加電壓0.5～1V，可檢測氧氣濃度範圍為1～30％，響應時間小於3秒，適用於汽車尾氣中氧氣濃度的測量。
文檔編號H01L49/00GK2779397SQ20052000535
公開日2006年5月10日 申請日期2005年3月7日 優先權日2005年3月7日
發明者張躍, 石興, 田蒔, 王樹彬 申請人:北京航空航天大學