氮氧傳感器的製作方法

2023-12-11 04:51:07 2

專利名稱：氮氧傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及氧傳感器技術領域，尤其是一種氮氧傳感器，適用於汽車尾氣、冶金行業氮氧化物氣體的測量等。
背景技術：
隨著汽車保有量的不斷增加，汽車尾氣排放物(HC、CO、NOx和PM等)對大氣的汙染越來越嚴重。其中氮氧化物(NOx)的排放尤為嚴重，它導致的光化學煙霧和酸雨已經給人類造成了巨大的危害。它甚至可以破壞臭氧層、引起溫室效應。目前氮氧化物的排放已經引起了全世界的普遍關注，並制定了越來越嚴格的汽車尾氣排放標準。而歐5和歐6的實現需要對氮氧化物的排放進行實時在線檢測，而氮氧傳感器就是該在線檢測系統的核心部件之一。目前已報導的氮氧傳感器都是片式結構的，這種結構一般是通過流延成型技術獲得氧化鋯基片，通過切割和打孔加工成所需的形狀，再通過絲網印刷和層壓共燒技術將氧化鋯基體和加熱電路、金屬鉬電極、多孔擴散障礙層和氧化鋁絕緣層集成一體，從而形成第一測量腔、第二測量腔和參比空氣通道，並包含加熱器，擴散障礙層。通過第一測量腔上層氧化鋯基片兩側設置的內外電極形成第一泵氧單元，通過第二測量腔下層氧化鋯基片兩側設置的內外電極形成第二泵氧單元，通過第一測量腔下層氧化鋯基片兩側設置的檢測電極和參比空氣電極形成氧濃度檢測單元。參比空氣電極和第二泵氧單元外電極都設置在參比空氣通道中，與外界新鮮空氣充分接觸。底部兩層氧化鋯基片中間集成了加熱器，並由氧化鋁絕緣層將加熱迴路跟氧化鋯基片絕緣開來。第一測量腔經過第一擴散障礙層與外界被檢測氣體相通，第二測量腔經過第二擴散障礙層與第一測量腔內的氣氛相通。在工作時，通過外部閉環控制器在第一泵氧單元內外電極端施加泵電壓產生一定的泵電流(後稱第一泵電流)，使得第一測量腔內的氧氛被抽出，並經過氧濃度檢測單元的測量，將第一測量腔內的氧濃度控制到一個恆定的低水平。與此同時，在第二泵氧單元內外電極端施加一個恆定的泵電壓將第二測量腔內的氧氛抽出，形成第二泵氧單元泵電流(後稱第二泵電流)，通過這個泵電流就可以得到被檢測氣體中的氮氧化物濃度。該氮氧傳感器為了獲得較高的測量精度，工作時需要將傳感和測量部位的溫度一直維持在850° C左右；與此同時為了獲得更快的啟動時間以滿足高排放法規的要求，其集成的加熱電路必須具有足夠高的加熱功率。這樣以來，由於片式結構本身的不對稱和不規則引起自身抗熱振性能下降，會導致其穩定性和使用壽命下降。此外，該片式氮氧傳感器需要6層以上氧化鋯基片集合而成，而其加熱器只能設置在底部，因此多層氧化鋯之間的溫度梯度很大，導致溫度控制難度增加並影響了測量精度和結構穩定性。而且其製造工藝的複雜度大幅提高，生產效率和成品率較難控制
實用新型內容
[0007]為了克服現有的片式氮氧傳感器的不足，本實用新型提供了一種氮氧傳感器。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是:一種氮氧傳感器，它包括內部帶有臺階的U型氧化鋯管、外部氧化鋯薄層和加熱棒，所述內部U型氧化鋯管和外部氧化鋯薄層之間設置了第一測量腔、第二測量腔和參比空氣腔，所述的第一測量腔經過第一擴散障礙層與外界測量氣氛相通，第二測量腔經過第二擴散障礙層與第一測量腔內的氣氛相通，所述的參比空氣腔由隔離層封閉起來與外界氣氛隔離，內設參比空氣電極。所述的第一測量腔的外層氧化鋯兩側設置泵氧電極，形成了第一泵氧單元，所述的第二測量腔的內部U型氧化鋯管兩側設置泵氧電極，形成第二泵氧單元，所述的第一測量腔內部電極與參比空氣腔內的參比空氣電極之間形成氧濃度測量單元。所述的內部U型氧化鋯管和外部氧化鋯薄層之間直接接觸部分由氧化鋁絕緣薄層隔離開來，以確保兩個泵氧單元信號無幹擾。所述的U型氧化鋯管和加熱棒之間形成了參比空氣通道，以確保第二測量腔第二泵氧單元正電極接觸的氣氛穩定。根據本實用新型的另外一個實施例，參比空氣電極也可以靈活地設置在U型氧化鋯管內部，這樣一來就無需設置參比空氣腔。本實用新型的氮氧傳感器，在U型氧化鋯管的臺階上設置3個電極觸點以方便U型氧化鋯管外側電極4個電極的信號連接，具體如下:由於內部U型氧化鋯管和外部氧化鋯薄層之間絕緣，其第一泵氧單元的負電極和第二泵氧單元的負電極可以共線連接到第一電極觸點上，第一泵氧單元正電極與第二電極觸點連接，參比空氣電極連接到第三電極觸點上。U型氧化鋯管內側僅有一個第二泵氧單元正電極，可以通過敞口端設置單一觸點與信號線連接。4個電極觸點分別與4根信號線相連，再加上加熱器控制迴路需2根引線，就形成了帶有6根導線的管式氮氧傳感器。根據本實用新型的另外一個實施例，在U型氧化鋯管的臺階上設置3個電極觸點以方便U型氧化鋯管外側電極3個電極的信號連接，具體如下:第一泵氧單元的負電極連接到第一電極觸點上，第二泵氧單元的負電極連接到第二電極觸點上，第一泵氧單元正電極與第三電極觸點連接。由於第一泵氧單元的負電極和第二泵氧單元的負電極不用共線連接，內部U型氧化鋯管和外部氧化鋯薄層之間無需採取絕緣措施，可以直接結合。U型氧化鋯管內側有第二泵氧單元正電極和參比空氣電極，可以通過在敞口端分開設置2個電極觸點與信號線連接。5個電極觸點分別與5根信號線相連，再加上加熱器控制迴路需2根引線，就形成了帶有7根導線的管式氮氧傳感器。本實用新型所列的傳感器結構和製作方法不限於製作氮氧傳感器，也可以用來製作管式電流型氧傳感器、管式雙電池型寬域氧傳感器等以氧化鋯為主材料的管式傳感器件。本實用新型的有益效果是，用本實用新型製備出的氮氧傳感器結構簡單、工藝難度小；而且感應主體僅由兩層管式氧化鋯功能層構件，且內置加熱棒，使得整個感應主體溫度均勻，有效地提高了測量精度；此外管式結構大幅提高了成品的抗熱振性能，可延長產品的使用壽命，提高產品的使用穩定性。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。[0015]

圖1是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型另一實施例的結構示意圖；圖1A是圖1中感應主體放大示意圖；圖2A是圖2中感應主體放大示意圖；圖1B是圖1中U型氧化鋯管外側電極觸點設置示意圖；圖2B是圖2中U型氧化鋯管外側電極觸點設置示意圖；圖1C是圖1中U型氧化鋯管內側電極觸點設置示意圖；圖2C是圖2中U型氧化鋯管內側電極觸點設置示意圖。圖中1.內部U型氧化鋯管，2.外部氧化鋯薄層，3.加熱棒，4.第一測量腔，5第二測量腔，6參比空氣腔，7第一擴散障礙層，8第二擴散障礙層，9隔離層，10第一泵氧單元負電極，11第一泵氧單元正電極，12第二泵氧單元負電極，13第二泵氧單元正電極，14參比空氣電極，15氧化鋁絕緣層，16參比空氣通道，17外側第一電極觸點，18外側第二電極觸點，19外側第三電極觸點，20內側電極觸點，21內側第二電極觸點。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施俐，對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式
僅用於解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
`[0025]如圖1A所示，一種氮氧傳感器，它包括內部帶有臺階的U型氧化鋯管1、外部氧化鋯薄層2和氧化鋁陶瓷加熱棒3，內部U型氧化鋯管I和外部氧化鋯薄層2作為固體電解質，其材料為摻雜Γ6Π101氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)，兩層之間設置了第一測量腔4、第二測量腔5和參比空氣腔6。第一測量腔4經過第一擴散障礙層7與外界測量氣氛相通，第二測量腔5經過第二擴散障礙層8與第一測量腔4內的氣氛相通，參比空氣腔6由隔離層9封閉起來與外界氣氛隔離，內設參比空氣電極14 ;擴散障礙層為多孔氧化鋁材料，隔離層為緻密氧化鋁材料。第一測量腔4的外層氧化鋯兩側設置泵氧電極，即第一泵氧單元負電極10和第一泵氧單元正電極11，形成了第一泵氧單元，第二測量腔5的內層氧化鋯兩側設置泵氧電極，即第二泵氧單元負電極12和第二泵氧單元正電極13，形成第二泵氧單元，第一測量腔4內的電極10與參比空氣電極14之間形成氧濃度測量單元。內部U型氧化鋯管I和外部氧化鋯薄層2之間直接接觸部分由氧化鋁絕緣薄層15隔離開來，以確保兩個泵氧單元信號無幹擾。U型氧化鋯管I和加熱棒3之間形成了參比空氣通道16，以確保第二泵氧單元外電極13接觸的氣氛穩定。第一泵氧單元負電極10材料由貴金屬鉬和金組成。第二泵氧單元負電極12材料由貴金屬鉬和銠組成。泵氧單元正電極11、13和參比空氣電極14材料為貴金屬鉬。如圖1B所示，在U型氧化鋯管的臺階上設置3個電極觸點以方便U型氧化鋯管外側電極4個電極的信號連接。由於內部U型氧化鋯管I和外部氧化鋯薄層2之間絕緣，其第一泵氧單元負電極10和第二泵氧單元負電極12可以共線連接到第一電極觸點17上；第一泵氧單元正電極11與第三電極觸點19連接，參比空氣電極14連接到第二電極觸點18上。U型氧化鋯管內側I僅有一個第二泵氧單元正電極13，可以通過敞口端設置單一電極觸點20與信號線連接，如圖1C所示。電極觸點17、18、19、20分別與4根信號線相連，再加上加熱器控制迴路需2根引線，就形成了帶有6根導線的管式氮氧傳感器。該氮氧傳感器在工作時，含有氮氧化物(NOx)的測量氣體通過第一擴散障礙層7擴散到第一測量腔4內。由外部閉環控制器在第一泵氧單元正電極11和第一泵氧單元負電極10之間施加泵電壓將第一測量腔4內的氧抽出，並利用電極10和參比空氣電極14之間形成的氧濃度測量單元檢測第一測量腔4內的氧濃度Vs，調整泵電壓使其維持在很低的水平，並形成了第一泵電流Ipl。因為第一擴散障礙層的極限電流特性，通過第一泵電流Ipl，就可以獲得測量氣體中的氧含量，也即空燃比值。由於第一測量腔4內的電極10材料為鉬和金，其催化活性很低，儘管其內部的氧濃度很低，也可確保氮氧化物不會被分解。與此同時，第一測量腔內4的氣氛會通過第二擴散障礙層8擴散到第二測量腔5內，由於第二測量腔5內的電極12為催化活性很高的銠和鉬組成，可迅速將氮氧化物分解，釋放出氧，這時通過外部閉環控制器在第二泵氧單元電極13和12之間施加恆定的泵電壓將第二測量腔5內的氧氣抽出，形成第二泵電流Ip2，根據這個泵電流，就可以獲得測量氣體內的氮氧化物濃度。具體製作方法如下:將摻雜4~6mo1氧化釔的氧化鋯粉末添加5°/Γ25%的粘結劑製備成胚體料或漿料，通過模壓成型方法或者注射成型方法製備成帶有臺階的U型氧化鋯管，經脫脂後形成素胚管體；將鉬電極漿料精確塗覆在氧化鋯素胚管體兩側以形成第二泵氧單元，同時將第二泵氧電極引線和觸點都塗覆完成。製備多孔氧化鋁漿料，用提拉法塗覆在氧化鋯素胚管體頂部，以形成第一擴散障礙層；再將該漿料精確塗覆在兩個測量腔中間的位置，以形成第二擴散障礙層；製備緻密氧化鋁漿料，用提拉法塗覆在參比空氣腔體以下的鋯管素胚表面，以便和後序塗覆的氧化鋯漿料絕緣開來；再將該漿料精確塗覆在第二測量腔和參比空氣腔中間，以形成隔離層將參比空氣腔體隔絕。將石墨粉、PVB、松油醇和柔軟劑混合充分，製備出一種高溫燒結後可完全揮發的漿料，精確塗覆在第一測量腔、第二測量腔和參比空氣腔體的位置上，以便燒結後自動形成空腔。再在第一測量腔和參比空氣腔體的位置精確塗覆鉬電極漿料，以便形成第一泵氧單元負電極和參比空氣電極，並分別將兩個電極引線和觸點都塗敷完成。待上述工序完成並烘乾後，製備一種摻雜Γ6Π101氧化釔的氧化鋯漿料，使其固含量與製備內部U型氧化鋯管體漿料的固含量一致或者接近。並將塗覆有各種功能漿料層的氧化鋯素胚浸泡在該漿料中並均勻提拉，得到厚度均勻且完全封閉的外部氧化鋯薄壁塗層。待外部氧化鋯薄壁塗層烘乾後，將鉬電極漿料精確塗覆在第一測量腔體外側位置，以形成第一泵氧單元正電極，並將其電極引線和觸點塗敷完成。將以上工序獲得的素胚體放入高溫爐內，在135(Γ1600度之間共燒I飛個小時，可以製備出頂部完全封閉的帶有各種功能腔體和測量單元的U型氧化鋯管體。將其外部氧化鋯薄層磨開至一定位置，打開第一擴散障礙層，就最終形成了該實用新型所述的帶有6根弓I線管式氮氧傳感器感應主體。作為本實用新型的另一實施例，其參比空氣電極14也可以靈活地設置在U型氧化鋯管I內部，這樣一來就無需設置參比空氣腔，如圖2Α所示。這樣一來在U型氧化鋯管I外側只剩下3個電極，可以分別同U型氧化鋯管的臺階上設置3個電極觸點連接起來。具體如圖2B如下:第一泵氧單元的負電極10連接到觸點17上，第二泵氧單元的負電極12連接到觸點18上，第一泵氧單元正電極11與觸點19連接。由於第一泵氧單元的負電極10和第二泵氧單元的負電極12不用共線連接，內部U型氧化鋯管I和外部氧化鋯薄層2之間無需採取絕緣措施，可以直接結合。U型氧化鋯管I內側有第二泵氧單元正電極13和參比空氣電極14，可以通過在敞口端分開設置兩個觸點20、21與信號線連接，如圖2C所示。電極觸點17、18、19、20、21分別與5根信號線相連，再加上加熱器控制迴路需2根引線，就形成了帶有7根導線的管式氮氧傳感器。該實施例工作原理與前述實施例相同，但製作方法有所調整，具體如下:將摻雜Γ6πιο1氧化釔的氧化鋯粉末添加5°/Γ25%的粘結劑製備成胚體料或漿料，通過模壓成型方法或者注射成型方法製備成帶有臺階的U型氧化鋯管，經脫脂後形成素胚管體；將鉬電極漿料精確塗覆在氧化鋯素胚管體第一測量腔和第二測量腔位置的兩側以形成氧濃度測量單元和第二泵氧單元，同時將參比空氣電極、第一測量腔內氧濃度測量單元電極和第二泵氧電極引線以及觸點都塗覆完成。製備多孔氧化鋁漿料，用提拉法塗覆在氧化鋯素胚管體頂部，以形成第一擴散障礙層；再將該漿料精確塗覆在兩個測量腔中間的位置，以形成第二擴散障礙層。將石墨粉、PVB、松油醇和柔軟劑混合充分，製備出一種高溫燒結後可完全揮發的漿料，精確塗覆在第一測量腔、第二測量腔和參比空氣腔體的位置上，以便燒結後自動形成空腔。再在第一測量腔的位置精確塗覆鉬電極漿料，以便形成第一泵氧單元負電極，並將該電極引線與第一測量腔內氧濃度測量單元電極觸點連接在一起。待上述工序完成並烘乾後，製備一種摻雜Γ6Π101氧化釔的氧化鋯漿料，使其固含量與製備內部U型氧化鋯管體漿料的固含量一致或者接近。並將塗覆有各種功能漿料層的氧化鋯素胚浸泡在該漿料中並均勻提拉，得到厚度均勻且完全封閉的外部氧化鋯薄壁塗層。待外部氧化鋯薄壁塗層烘乾後，將鉬電極漿料精確塗覆在第一測量腔體外側位置，以形成第一泵氧單元正電極，並將其電極弓I線和觸點塗敷完成。
將以上工序獲得的素胚體放入高溫爐內，在135(Γ1600度之間共燒I飛個小時，可以製備出頂部完全封閉的帶有各種功能腔體和測量單元的U型氧化鋯管體，將其外部氧化鋯薄層磨開至一定位置，打開第一擴散障礙層，就最終形成了該實用新型所述的帶有7根引線管式氮氧傳感器感應主體。由以上步驟製備出的氮氧傳感器結構簡單、工藝難度小；而且感應主體僅由兩層管式氧化鋯功能層構件，且內置加熱棒，使得整個感應主體溫度均勻，有效地提高了測量精度；此外管式結構大幅提高了成品的抗熱振性能，可延長產品的使用壽命，提高產品的使用穩定性。
權利要求1.種氮氧傳感器，其特徵是，它包括內部帶有臺階的U型氧化鋯管(I)、外部氧化鋯薄層(2)、加熱棒(3)，所述內部U型氧化鋯管(I)和外部氧化鋯薄層(2)之間設置了第一測量腔(4)、第二測量腔(5)和參比空氣腔(6)，所述的第一測量腔(4)經過第一擴散障礙層(7)與外界測量氣氛相通，第二測量腔(5)經過第二擴散障礙層(8)與第一測量腔(4)內的氣氛相通，所述的參比空氣腔(6)由隔離層(9)封閉起來與外界氣氛隔離，內設參比空氣電極(14)，所述的第一測量腔(4)的外部氧化鋯薄層(2)兩側分別設置第一泵氧單元負電極(10)和第二泵氧單元正電極(11)，形成了第一泵氧單元，所述的第二測量腔(5)的內部U型氧化鋯管(I)兩側分別設置第二泵氧單元負電極(12 )和第二泵氧單元正電極(13 )，形成第二泵氧單元，所述的第一測量腔(4)內部電極第一泵氧單元負電極(10)與參比空氣腔(6)內的參比空氣電極(14)之間形成氧濃度測量單元，所述的內部U型氧化鋯管(I)和外部氧化鋯薄層(2)之間直接接觸部分由氧化鋁絕緣薄層(15)隔離開來，所述的U型氧化鋯管(I)和加熱棒(3)之間形成了參比空氣通道(16)。
2.據權利要求1所述的氮氧傳感器，其特徵在於，參比空氣電極(14)也可以設置在U型氧化鋯管(I)內部。
3.據權利要求1所述的氮氧傳感器，其特徵在於，在U型氧化鋯管的臺階上設置電極觸點，包括外側第一電極觸點(17)、外側第二電極觸點(18)和外側第三電極觸點(19)，以方便U型氧化鋯管(I)外側電極，包括第一泵氧單元負電極(10)、第一泵氧單元正電極(11)、第二泵氧單元負電極(12)和參比空氣電極(14)的信號連接，具體如下:由於內部U型氧化鋯管(I)和外部氧化鋯薄層(2)之間絕緣，其第一泵氧單元的負電極(10)和第二泵氧單元的負電極(12)可以共線連接到外側第一電極觸點(17)上，第一泵氧單元正電極(11)與外側第三電極觸點(19)連接，參比空氣電極(14)連接到外側第二電極觸點(18)上，U型氧化鋯管(I)內側僅有一個第二泵氧單元正電極(13)，可以通過敞口端設置單一內側電極觸點(20)與信號線連接，外側第一電極觸點(17)、外側第二電極觸點、(18)外側第三電極觸點(19)和內側電極觸點(20)分別與4根信號線相連，再加上加熱器控制迴路需2根引線，就形成了帶有6根導線的管式氮氧傳感器。
4.據權利要求1所述的氮氧傳感器，其特徵在於，在U型氧化鋯管的臺階上設置電極觸點，包括外側第一電極觸點(17)、外側第二電極觸點(18)和外側第三電極觸點(19)，以方便U型氧化鋯管(I)外側電極，包括第一泵氧單元負電極(10 )、第一泵氧單元正電極(11)和第二泵氧單元負電極(12)的信號連接，具體如下:第一泵氧單元的負電極(10)連接到外側第一電極觸點(17)上，第二泵氧單元的負電極(12)連接到外側第二電極觸點(18)上，第一泵氧單元正電極(11)與外側第三電極觸點(19)連接，由於第一泵氧單元的負電極(10)和第二泵氧單元的負電極(12)不用共線連接，內部U型氧化鋯管(I)和外部氧化鋯薄層(2)之間無需採取絕緣措施，可以直接結合，U型氧化鋯管(I)內側有第二泵氧單元正電極(13)和參比空氣電極(14)，可以通過在敞口端分開設置兩個觸點內側電極觸點(20)、內側第二電極觸點(21)與信號線連接，外側第一電極觸點(17)、外側第二電極觸點、(18)外側第三電極觸點(19)、內側電極觸點(20)和內側第二電極觸點(21)分別與5根信號線相連，再加上加熱器控制迴路需2根引線，就形成了帶有7根導線的管式氮氧傳感器。
專利摘要本實用新型涉及氧傳感器技術領域，尤其是一種氮氧傳感器。它包括一個帶有臺階的U型感應主體和內部單獨設置的棒狀加熱器。感應主體部分主要由內部帶有臺階的U型氧化鋯管和外部氧化鋯薄層組成，兩層氧化鋯管體之間設置了第一測量腔、第二測量腔和參比空氣腔；第一測量腔經過第一擴散障礙層與外界測量氣氛相通，第二測量腔經過第二擴散障礙層與第一測量腔內的氣氛相通，參比空氣腔與外界完全隔絕形成獨立腔體，內設參比空氣電極。本實用新型提供的氮氧傳感器可以同時檢測尾氣中的空燃比和氮氧化物含量，其結構簡單，工作狀態下溫度分布均勻，而且測量精度高、穩定性好，具有很強抗熱振性能，使用壽命長。
文檔編號G01N27/407GK202928983SQ20122052751
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者馮江濤, 楊世養, 黨桂彬 申請人:常州聯德電子有限公司