專利名稱：一種氧傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
汽車氧傳感器是安裝在發(fā)動機尾氣管位置，三元催化之前。其作用是通過監(jiān)測排 氣中氧離子的含量來獲得混合氣的空燃比信號，并將空燃比信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎氚l(fā)動機 汽車中央控制單元(ECU)。ECU根據(jù)氧傳感器信號對噴油時間進行修正，實現(xiàn)空燃比反饋控 制，從而將過量空氣系數(shù)λ控制在0.98-1. 02之間，即將空燃比A/F控制在約14.7 1，使 發(fā)動機得到最佳濃度的混合氣，從而降低有害氣體排放量和節(jié)約燃油，以達到燃油經(jīng)濟性 和三元催化廢氣轉(zhuǎn)化效率的最大化。以氧化鋯為固體電解質(zhì)材料的氧傳感器為例，最初的^O2式氧傳感器是非加熱 型的氧傳感器，因為氧傳感器需要350°C以上的溫度才能工作，并當(dāng)ECU判斷輸出電壓超過 600毫伏或低于300毫伏時，即進行空燃比的反饋控制。在600°C以上響應(yīng)時間最快。所以 其需要靠尾氣的溫度來逐漸升溫，這個過程通常需要幾分鐘。為了解決啟動時間慢的問題， 后來面市了加熱型的汽車氧傳感器，其啟動時間可縮短至60秒以內(nèi)。節(jié)省了啟動時間，也 就提高了氧傳感器的作用起效時間，能夠更加優(yōu)化燃油經(jīng)濟性和環(huán)保性。為了進一步縮短 啟動時間，后來又面市了片式氧傳感器，在所述片式氧傳感器中，加熱器被直接集成至片式 氧敏芯片上，即位于絕緣層之間，啟動時間最短可以縮短至15秒。但是，實際上片式氧傳感 器真正穩(wěn)定運行的時間是在20秒以后。這20秒仍然有減少的空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的氧傳感器的作用起效時間較長，不能達到燃油經(jīng)濟性 和三元催化廢氣轉(zhuǎn)化效率的最大化，提供一種作用起效時間較短、能夠達到燃油經(jīng)濟性和 三元催化廢氣轉(zhuǎn)化效率的最大化的氧傳感器及其制備方法。本發(fā)明提供了一種氧傳感器，該氧傳感器包括層疊的多層結(jié)構(gòu)層，其中，所述層疊 的多層結(jié)構(gòu)層依次包括第一結(jié)構(gòu)層、第二結(jié)構(gòu)層和第三結(jié)構(gòu)層；第一結(jié)構(gòu)層包括固體電解質(zhì)基體層和附著在固體電解質(zhì)基體層兩側(cè)的鉬電極層 以及附著在一側(cè)鉬電極層表面的外電極保護層；第二結(jié)構(gòu)層為具有空氣通道的參比空氣基體層；第三結(jié)構(gòu)層依次包括層疊的第一絕緣層、熱電偶層、第二絕緣層、加熱層、第三絕 緣層和加熱器基體層；第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層的未附著外電極保護層的鉬電極一側(cè)與具有 空氣通道的參比空氣基體層的一側(cè)貼合，該具有空氣通道的參比空氣基體層的另一側(cè)與第 三結(jié)構(gòu)層中的第一絕緣層貼合。本發(fā)明提供了一種氧傳感器的制備方法，其中，所述氧傳感器包括層疊的多層結(jié) 構(gòu)層，所述層疊的多層結(jié)構(gòu)層依次包括第一結(jié)構(gòu)層、第二結(jié)構(gòu)層和第三結(jié)構(gòu)層；
第一結(jié)構(gòu)層的制備方法包括在固體電解質(zhì)基體層的兩側(cè)形成鉬電極層，并在一側(cè) 鉬電極層表面附著外電極保護層；第二結(jié)構(gòu)層為具有空氣通道的參比空氣基體層；第三結(jié)構(gòu)層的制備方法包括依次在加熱器基體層表面形成第三絕緣層、加熱層、 第二絕緣層、熱電偶層和第一絕緣層；形成熱電偶層的方法包括將形成熱電偶層的漿料印 刷在第二絕緣層表面；第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層的未附著外電極保護層的鉬電極一側(cè)與具有 空氣通道的參比空氣基體層的一側(cè)貼合，該具有空氣通道的參比空氣基體層的另一側(cè)與第 三結(jié)構(gòu)層中的第一絕緣層貼合，將該層疊的多層結(jié)構(gòu)層進行壓膜并在惰性氣氛中燒結(jié)。本發(fā)明提供的氧傳感器極大地提高了氧傳感器的快速響應(yīng)能力，降低了汽車啟動 時的尾氣排放，并提高了燃油經(jīng)濟性。
具體實施例方式按照本發(fā)明，所述氧傳感器包括層疊的多層結(jié)構(gòu)層，其中，所述層疊的多層結(jié)構(gòu)層 依次包括第一結(jié)構(gòu)層、第二結(jié)構(gòu)層和第三結(jié)構(gòu)層；第一結(jié)構(gòu)層包括固體電解質(zhì)基體層和附著在固體電解質(zhì)基體層兩側(cè)的鉬電極層 以及附著在一側(cè)鉬電極層表面的外電極保護層；第二結(jié)構(gòu)層為具有空氣通道的參比空氣基體層；第三結(jié)構(gòu)層依次包括層疊的第一絕緣層、熱電偶層、第二絕緣層、加熱層、第三絕 緣層和加熱器基體層；第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層的未附著外電極保護層的鉬電極一側(cè)與具有 空氣通道的參比空氣基體層的一側(cè)貼合，該具有空氣通道的參比空氣基體層的另一側(cè)與第 三結(jié)構(gòu)層中的第一絕緣層貼合。根據(jù)氧傳感器輸出電壓的原理(能斯特方程)
「 η Γ RT , Po2"E =-In ——
4 尸 Po/式中，R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度；F為法拉第常數(shù)；Po211和Po21分別為參比內(nèi)電 極和外電極上的氧氣分壓值?？杖急确答伩刂七^程的基本原理如下當(dāng)供給發(fā)動機的可燃混合氣體較濃(即空 燃比A/F小于14. 7或過量空氣系數(shù)λ小于1)時，排氣中氧離子含量較少、一氧化碳濃度 較大。在固體電解質(zhì)基體層外表面的鉬電極的催化作用下，氧離子幾乎全部與一氧化碳氧 化反應(yīng)生成二氧化碳氣體，使外表面上氧離子濃度為0。由于固體電解質(zhì)基體層的另一側(cè)表 面的鉬電極與參比空氣通道相通，氧離子濃度很大，因此固體電解質(zhì)基體層內(nèi)、外表面之間 氧離子濃度差較大，兩個電極之間電位差較高，約0.9伏特；此時，ECU接受到氧傳感器的信 號高于氧傳感器輸出電壓的平均值，ECU則需要發(fā)出指令使空燃比反饋修正系數(shù)Kaf聚降一 個Pk值，使噴油時間縮短，噴油量減少，然后逐漸減小修正系數(shù)，使混合氣逐漸變稀，空燃比 逐漸增大；當(dāng)供給發(fā)動機的可燃混合氣體較稀(即空燃比A/F大于14. 7或過量空氣系數(shù)λ 大于1)時，排氣中氧離子含量較多、一氧化碳濃度較小。即使一氧化碳全部與氧離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在固體電解質(zhì)基體層外表面還是有多余氧離子存在。因此，固體電解質(zhì)基體層 內(nèi)、外表面之間氧離子濃度差較小，兩個電極之間電位差較小，約0. 1伏特；此時，ECU接受 到氧傳感器的信號低于氧傳感器輸出電壓的平均值，ECU則需要發(fā)出指令使空燃比反饋修 正系數(shù)Kaf聚升一個Pk值，使噴油時間增長，噴油量增加，然后逐漸增大修正系數(shù)，使混合氣 逐漸變濃，空燃比逐漸減小。即實現(xiàn)發(fā)動機空燃比反饋控制。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，由于氧傳感器中基體材料二氧化鋯的特性，即，在低溫 (3500C以下)時其電導(dǎo)率較低，致使各種測試的數(shù)據(jù)在傳輸上存在滯后性，需要等到氧傳 感器芯片在350°C以上時，氧傳感器才開始啟動，并當(dāng)ECU判斷輸出電壓超過600毫伏或低 于300毫伏時，即進行空燃比的反饋控制，而導(dǎo)致啟動時間延長。而實際上，在芯片溫度還 沒有達到350°C時，發(fā)動機尾氣空燃比就有可能已經(jīng)達到了 14. 7 1的理想空燃比附近，也 就是說，待氧傳感器啟動時，其實時溫度早已經(jīng)達到或超過350°C，而其輸出電壓會在低于 600毫伏或高于300毫伏時就達到了需要控制空燃比的時機，只是受限于與氧傳感器芯片 的一定溫度下電導(dǎo)率的限制。而按照本發(fā)明，在所述氧傳感器的第三結(jié)構(gòu)層中植入熱電偶 層后，熱電偶能夠靈敏感應(yīng)并反饋實時溫度，從而減弱滯后現(xiàn)象，縮短了響應(yīng)時間。例如，根 據(jù)能斯特方程，由熱電偶感應(yīng)的實際溫度和輸出電壓即可推算出真實的發(fā)動機廢氣中的氧 分壓，然后將發(fā)動機廢氣中的氧分壓與理論的氧分壓進行對比，可以得知與之相對應(yīng)的空 燃比，如果其接近理論氧分壓，即可以通過事先設(shè)定的降低了的電壓反饋標準值(即比300 毫伏還要低的標準值)，命令ECU系統(tǒng)的開始氧傳感器相關(guān)的空燃比閉環(huán)循環(huán)控制過程，而 提供了一種在無需等到氧傳感器芯片升溫至350°C以上，就可以實現(xiàn)氧傳感器的啟動工作。 而本發(fā)明的啟動時間較傳統(tǒng)的氧傳感器啟動時間快很多，真正的啟動時間可以提高至5秒 以內(nèi)，使其穩(wěn)定啟動時間縮短至10秒以內(nèi)，比目前20秒達到穩(wěn)定波形的時間提前了 10秒。 另外氧傳感器的響應(yīng)時間跟溫度也有關(guān)系，在600°C以上其響應(yīng)最快，因為這個溫度其電導(dǎo) 率較高，也就是達到指定控制電壓的時間較快。而在低溫(350°C以下)時其電導(dǎo)率較低，達 到指定控制電壓的時間較慢，此時，按照本發(fā)明，通過熱電偶實時感應(yīng)的溫度即可計算出理 論的發(fā)動機廢氣中氧分壓，而由此得知空燃比，并根據(jù)與理想空燃比最接近的數(shù)值計算得 出控制電壓的修正值，通過降低控制電壓的標準(即控制感應(yīng)電壓的修正值)就可以提高 其響應(yīng)時間，而無需等到600°C以上就可使氧傳感器的響應(yīng)反饋變快。啟動時間和穩(wěn)定波形 所需時間的縮短，極大的提高了氧傳感器的快速響應(yīng)能力，降低了汽車啟動時的尾氣排放， 并提高了燃油經(jīng)濟性。按照本發(fā)明，所述第三結(jié)構(gòu)層中的熱電偶層優(yōu)選包括鎳鉻層和鎳硅層，所述熱電 偶層的厚度可以為0. 03-0. 07毫米。本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的是，熱電偶是雙金屬材料，其原理為采用兩種不同的金屬， 由于溫度的變化，在兩個不同金屬絲的兩端產(chǎn)生電勢差。因此，本發(fā)明中所述熱電偶層中的 鎳鉻層和鎳硅層均形成于第三結(jié)構(gòu)層中的第二絕緣層的表面，位于同一層上，各自的面積 均小于第二絕緣層的表面積，且鎳鉻層與鎳硅層有一點相接觸，即可以形成一個感應(yīng)溫度 的熱電偶，通常可以為V字形。所述第三結(jié)構(gòu)層中的第一絕緣層、第二絕緣層和第三絕緣層可以為本領(lǐng)域所公知 的各種絕緣層，如，均可以為氧化鋁絕緣層；每層絕緣層的厚度可以為0. 015-0. 04毫米。所述第三結(jié)構(gòu)層中的加熱層能夠起到加熱固體電解質(zhì)基體層的作用，以使其達到電導(dǎo)率要求。所述加熱層也可以為本領(lǐng)域所公知的各種加熱層，如鎢層，所述加熱層的厚度 一般可以為0. 02-0. 08毫米。所述第一結(jié)構(gòu)層中附著在固體電解質(zhì)層兩側(cè)的鉬電極層沒有特別限定，可以為本 領(lǐng)域公知的各種氧傳感器的鉬電極；所述鉬電極層的厚度可以為0. 03-0. 04毫米。附著在一側(cè)鉬電極表面的外電極保護層可以為本領(lǐng)域常規(guī)的各種外電極保護層， 例如，所述外電極保護層可以含有氧化鋁、鎂鋁尖晶石和二氧化硅(其中，以該保護層的總 重量為基準，所述氧化鋁的含量可以為36-50重量％，鎂鋁尖晶石的含量可以為27-45重 量％，二氧化硅的含量為11-25重量％ )；該外電極保護層的總厚度可以為0. 1-0. 2毫米。第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層的厚度可以為常規(guī)的固體電解質(zhì)基體層的厚 度，例如，可以為0. 6-0. 8毫米。所述第二結(jié)構(gòu)層為常規(guī)的具有空氣通道的參比空氣基體層，空氣通道只要能夠保 證使空氣進入并和與參比空氣基體層一側(cè)貼合的鉬電極接觸即可；所述具有空氣通道的參 比空氣基體層中空氣通道的縱向深度可以為40-57毫米，寬度可以為0. 3-0. 6毫米，高度可 以為0. 3-0. 6毫米。該具有空氣通道的參比空氣基體層的厚度一般可以為0. 3-0. 6毫米。第三結(jié)構(gòu)層中的加熱器基體層的厚度一般可以為0. 6-0. 8毫米。按照本發(fā)明，所述第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層、作為第二結(jié)構(gòu)層的具有空 氣通道的參比空氣基體層以及第三結(jié)構(gòu)層中的加熱器基體層可以為各種常規(guī)的固體電解 質(zhì)基體，如二氧化鋯(ZrO2)、氧化釷(ThO2)、氧化鉍(Bi2O3)、氧化鈰(CeO2)等。優(yōu)選情況下， 第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層、作為第二結(jié)構(gòu)層的具有空氣通道的參比空氣基體層以 及第三結(jié)構(gòu)層中的加熱器基體層為二氧化鋯層。按照本發(fā)明所述的氧傳感器的制備方法，其中，第三結(jié)構(gòu)層的制備方法包括依次 在加熱器基體層表面形成第三絕緣層、加熱層、第二絕緣層、熱電偶層和第一絕緣層；形成 熱電偶層的方法包括將形成熱電偶層的漿料印刷在第二絕緣層表面；使形成依次層疊的第 一絕緣層、熱電偶層、第二絕緣層、加熱層、第三絕緣層和固體電解質(zhì)層。如依次將形成絕 緣層的漿料、形成加熱層的漿料和形成熱電偶層的漿料按照上述層疊的順序?qū)盈B印刷在固 體電解質(zhì)層表面。形成熱電偶層的方法優(yōu)選包括分別將含有鎳鉻合金(顆粒直徑可以為10-25微 米)的漿料和含有鎳硅合金(顆粒直徑可以為10-25微米)的漿料印刷在第二絕緣層表面 形成鎳鉻漿料層和鎳硅漿料層，含有鎳鉻合金的漿料和含有鎳硅合金的漿料的用量使熱電 偶層的厚度為0. 03-0. 07毫米。一般情況下，印刷的形成熱電偶層的漿料層的厚度可以為 0. 04-0. 09毫米。形成熱電偶層的漿料的制備方法可以采用本領(lǐng)域各種常規(guī)的制備方法， 如，將鎳鉻或鎳硅合金與有機溶劑(如，松油醇)和粘結(jié)劑(如，乙基纖維素)混合成漿料， 其中，以漿料的總重量為基準，鎳鉻合金或鎳硅合金的含量可以為80-85重量％，有機溶劑 的含量可以為10-18重量％，粘結(jié)劑的含量可以為1-5重量％。其中，鎳鉻合金中的鎳占90重量％，鉻占10重量％ ；鎳硅合金中的鎳占97%，硅 占3重量％。形成絕緣層的漿料和形成加熱層的漿料的制備方法可以按照本領(lǐng)域技術(shù)人員公 知的方法進行，如，將形成絕緣層的漿料以及將形成加熱層的漿料分別印刷在所需的結(jié)構(gòu)
層表面。
形成絕緣層的漿料的制備方法可以采用本領(lǐng)域各種常規(guī)的制備方法，例如，將氧 化鋁(顆粒直徑可以為2-5微米)與有機溶劑(如，酒精和/或松油醇)和粘結(jié)劑(如， PVB(聚乙烯醇縮丁醛樹脂))混合成漿料，其中，以漿料的總重量為基準，氧化鋁的含量可 以為82-87重量％，有機溶劑的含量可以為8-15重量％，粘結(jié)劑的含量可以為1-5重量％。 漿料的用量只要滿足使每層絕緣層的厚度優(yōu)選為每層絕緣層的厚度為0. 015-0. 04毫米即 可，一般情況下，印刷的形成絕緣層的漿料層的厚度可以為0. 02-0. 05毫米。形成加熱層的漿料的制備方法可以采用本領(lǐng)域各種常規(guī)的制備方法，例如，如，將 鎢粉末(顆粒直徑可以為3-10微米)與有機溶劑(如，松油醇)和粘結(jié)劑(如，乙基纖維 素)混合成漿料，其中，以漿料的總重量為基準，鎢粉的含量可以為81-85重量％，有機溶劑 的含量可以為14-17重量％，粘結(jié)劑的含量可以為0.5-2重量％。漿料的用量只要滿足使 加熱層的厚度優(yōu)選為0. 02-0. 08毫米即可，優(yōu)選情況下，印刷形成加熱層的漿料層的厚度 可以為0. 026-0. 1毫米。所述第一結(jié)構(gòu)層的制備方法包括在固體電解質(zhì)基體層的兩側(cè)形成 鉬電極層，并在一側(cè)鉬電極層表面附著外電極保護層。所述在固體電解質(zhì)基體層兩側(cè)形成鉬電極的方法可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的 各種常規(guī)的方法，如將鉬電極漿料印刷在固體電解質(zhì)基體層的兩側(cè)，漿料的用量只要使 得鉬電極層的厚度優(yōu)選為0. 03-0. 04毫米即可，一般情況下，漿料印刷層的厚度可以為 0. 04-0. 05毫米。形成鉬電極的漿料的制備方法可以包括將鉬粉(顆粒直徑可以為5-15微 米)與有機溶劑(如松油醇)和粘結(jié)劑(如，乙基纖維素)混合成漿料，其中，以漿料的總 重量為基準，鉬粉的含量可以為80-85重量％，有機溶劑的含量可以為10-18重量％，粘結(jié) 劑的含量可以為1-5重量％。附著于鉬電極層表面的外電極保護層可以按照常規(guī)的方法制備得到，例如，通過 將形成外電極保護層的漿料印刷在鉬電極層表面，漿料的用量只要使得外電極保護層的總 厚度優(yōu)選為0. 1-0. 15毫米即可，優(yōu)選情況下，印刷的形成鉬電極層的漿料層的厚度可以為 0. 12-0. 2 毫米。按照本發(fā)明，形成外電極保護層的漿料可以含有氧化鋁(顆粒直徑可以為2-5微 米)、鎂鋁尖晶石(顆粒直徑可以為2-5微米)、二氧化硅(顆粒直徑可以為2-5微米)、粘 結(jié)劑(如PVB)、造孔劑(如，淀粉)和溶劑(如松油醇和/或酒精)；以形成第一層保護層 的漿料中氧化鋁、鎂鋁尖晶石、二氧化硅、粘結(jié)劑、造孔劑和溶劑的總量為基準，氧化鋁的含 量為35-45重量％，鎂鋁尖晶石的含量為25-40重量％，二氧化硅的含量為10-20重量％， 粘結(jié)劑的含量可以為1-5重量％，造孔劑的含量可以為2-5重量％，溶劑的含量可以為8-20 重量％。按照本發(fā)明，所述壓膜的條件可以為常規(guī)的條件，包括壓力可以為3-8兆帕 ’溫度 可以為40-80°C;燒結(jié)的條件可以為常規(guī)的條件，包括燒結(jié)的溫度可以為1350-1650°C，燒結(jié) 的時間可以為1-5小時。所述惰性氣氛可以選自氮氣、氨氣分解氣和元素周期表中零族氣體中的一種或幾 種。下面將通過具體實施例對本發(fā)明進行進一步的詳細描述。下述實施例1中各漿料的制備方法如下 絕緣層漿料的制備方法包括將氧化鋁(顆粒直徑為3微米左右)與酒精、松油醇和PVB混合成漿料，其中，以漿料的總重量為基準，氧化鋁的含量為85重量％，酒精的含量 為3重量％，松油醇的含量為10重量％，PVB的含量為2重量％。加熱層漿料的制備方法包括將鎢粉末(顆粒直徑為5微米左右)與松油醇和乙 基纖維素等混合成漿料，其中，以漿料的總重量為基準，鎢粉的含量為83重量％，松油醇的 含量為16重量％，乙基纖維素的含量為1重量％。鎳鉻漿料層的制備方法包括將鎳鉻合金粉(合金中鎳占90重量％，鉻占10重 量％，合金顆粒直徑為20微米左右)與松油醇和乙基纖維素混合成漿料，其中，以漿料的總 重量為基準，鎳鉻合金粉的含量為85重量％，松油醇的含量為14重量％，乙基纖維素的含
量為1%。鎳硅漿料層的制備方法包括將鎳硅合金粉(合金中鎳占97重量％，硅占3重 量％，合金顆粒直徑為20微米左右)與松油醇和乙基纖維素混合成漿料，其中，以漿料的總 重量為基準，鎳硅合金粉的含量為85重量％，松油醇的含量為14重量％，乙基纖維素的含
量為1重量％。鉬電極漿料的制備方法包括將鉬粉(顆粒直徑為10微米左右)與松油醇和乙基 纖維素混合成漿料，其中，以漿料的總重量為基準，鉬粉的含量為85重量％，松油醇的含量 為14重量％，乙基纖維素質(zhì)量為1重量％。外電極保護層的制備方法包括將氧化鋁(顆粒直徑為3微米左右)、鎂鋁尖晶石 (顆粒直徑為3微米左右)、二氧化硅(顆粒直徑為2微米左右)、PVB、淀粉與松油醇混合 成漿料，其中，以漿料的總重量為基準，氧化鋁的含量為38重量％，美鋁尖晶石的含量為30 重量％，二氧化硅的含量為17重量％，淀粉的含量為3重量％，松油醇的含量為10重量％， PVB的含量為2重量％。實施例1本實施例用于說明氧傳感器的制備將厚度為0. 7毫米的氧化鋯生坯片材料雙面印刷形成鉬電極的漿料層(厚度 0. 046毫米)，并在一側(cè)鉬電極漿料層表面印刷形成外電極保護層的漿料層(厚度0. 16毫 米)；形成第一結(jié)構(gòu)層；將另一片厚度為0. 7毫米的氧化鋯生坯上依次印刷形成第三絕緣層的氧化鋁漿 料層(厚度0.046毫米)、形成加熱層的鎢加熱電極漿料層(厚度0.06毫米)、形成第二絕 緣層的氧化鋁漿料層(厚度0. 046毫米)、形成熱電偶層的鎳鉻漿料層(厚度0. 065毫米) 和鎳硅漿料層(厚度0. 065毫米)(并使鎳鉻漿料層的一端與鎳硅漿料層的一端接觸)、形 成第一絕緣層的氧化鋁隔離層(厚度0. 046毫米)；形成第三結(jié)構(gòu)層；將第一結(jié)構(gòu)層、表面具有空氣通道(縱向深度為50毫米，寬度為0. 6毫米，高度為 0. 6毫米)的氧化鋯片(厚度0. 6毫米)和第三結(jié)構(gòu)層貼合在一起(第一結(jié)構(gòu)層中的氧化 鋯基體層的未附著外電極保護層的鉬電極一側(cè)與具有空氣通道的氧化鋯片的一側(cè)貼合，該 具有空氣通道的氧化鋯片的另一側(cè)與第三結(jié)構(gòu)層中的第一絕緣層貼合)，并打通熱電偶、加 熱電極以及固體電解質(zhì)二氧化鋯內(nèi)鉬電極與外部的通孔，并灌注與各層相應(yīng)的電極漿料， 在壓力、80°C溫度下進行模壓，然后在上述需要連接電極的位置印刷相應(yīng)的接線電極 漿料，最后將整體在1500°C的氨分解氣氣氛下燒結(jié)3小時，制得氧傳感器氧敏元件。(測得 第一結(jié)構(gòu)層中的鉬電極層厚度為0. 035毫米，外電極保護層厚度為0. 12毫米；第三結(jié)構(gòu)層中，每層絕緣層的厚度為0. 023毫米，加熱層厚度為0. 045毫米，電偶層厚度為0. 05毫米)將氧傳感器氧敏元件通過密封陶瓷封入六角螺母基座中，然后安裝內(nèi)部支撐陶瓷 和五金件，接上六個引線電極和線束接插件，最后進行金屬外殼的封裝。將氧傳感器成品螺母端接入發(fā)動機廢氣管，將接插件與汽車總線接插口連接，其 中感應(yīng)電極和熱電偶感應(yīng)溫度電極信號都接入ECU軟件系統(tǒng)，加熱電極通過控制電路間接 與ECU連接。將該氧傳感器接入發(fā)動機ECU系統(tǒng)，啟動發(fā)動機，ECU同時檢測熱電偶感應(yīng)溫 度值和感應(yīng)電壓值，并進行計算得到實際的氧分壓，然后不斷的與理論氧分壓進行對比。當(dāng) 計算值跟理論氧分壓相當(dāng)時，即可以開始對氧傳感器進行閉環(huán)控制，而此時對應(yīng)的溫度值 僅為210°C，輸出電壓為170mV。此時啟動的響應(yīng)時間僅為5秒，達到穩(wěn)定波形的穩(wěn)定響應(yīng) 時間為9秒；比一般片式氧傳感器提前了 3-10秒。啟動時間和穩(wěn)定波形所需時間的縮短， 極大的提高了氧傳感器的快速響應(yīng)能力，降低了汽車啟動時的尾氣排放，并提高了燃油經(jīng) 濟性。
權(quán)利要求
1.一種氧傳感器，該氧傳感器包括層疊的多層結(jié)構(gòu)層，其特征在于，所述層疊的多層結(jié) 構(gòu)層依次包括第一結(jié)構(gòu)層、第二結(jié)構(gòu)層和第三結(jié)構(gòu)層；第一結(jié)構(gòu)層包括固體電解質(zhì)基體層和附著在固體電解質(zhì)基體層兩側(cè)的鉬電極層以及 附著在一側(cè)鉬電極層表面的外電極保護層；第二結(jié)構(gòu)層為具有空氣通道的參比空氣基體層；第三結(jié)構(gòu)層依次包括層疊的第一絕緣層、熱電偶層、第二絕緣層、加熱層、第三絕緣層 和加熱器基體層；第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層的未附著外電極保護層的鉬電極一側(cè)與具有空氣 通道的參比空氣基體層的一側(cè)貼合，該具有空氣通道的參比空氣基體層的另一側(cè)與第三結(jié) 構(gòu)層中的第一絕緣層貼合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其中，所述第三結(jié)構(gòu)層中的熱電偶層包括鎳鉻層 和鎳硅層，熱電偶層的厚度為0. 03-0. 07毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氧傳感器，其中，所述第三結(jié)構(gòu)層中的第一絕緣層、第二 絕緣層和第三絕緣層均為氧化鋁層；每層絕緣層的厚度為0. 015-0. 04毫米；所述加熱層為 鎢層，所述加熱層的厚度為0. 02-0. 08毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其中，所述第一結(jié)構(gòu)層中附著在固體電解質(zhì)層兩 側(cè)的鉬電極層的厚度為0. 03-0. 04毫米；附著在一側(cè)鉬電極表面的外電極保護層含有氧化 鋁、鎂鋁尖晶石和二氧化硅，所述外電極保護層的厚度為0. 1-0. 2毫米；具有空氣通道的參 比空氣基體層中空氣通道的縱向深度為40-57毫米，寬度為0. 3-0. 6毫米，高度為0. 3-0. 6 毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧傳感器，其中，所述第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層為 二氧化鋯層，該固體電解質(zhì)基體層的厚度為0. 6-0. 8毫米；具有空氣通道的參比空氣基體 層為二氧化鋯層，該具有空氣通道的參比空氣基體層的厚度為0. 3-0. 6毫米；第三結(jié)構(gòu)層 中的加熱器基體層為二氧化鋯層，該加熱器基體層的厚度為0. 6-0. 8毫米。
6.權(quán)利要求1所述氧傳感器的制備方法，其特征在于，該氧傳感器包括層疊的多層結(jié) 構(gòu)層，所述層疊的多層結(jié)構(gòu)層依次包括第一結(jié)構(gòu)層、第二結(jié)構(gòu)層和第三結(jié)構(gòu)層；第一結(jié)構(gòu)層的制備方法包括在固體電解質(zhì)基體層的兩側(cè)形成鉬電極層，并在一側(cè)鉬電 極層表面附著外電極保護層；第二結(jié)構(gòu)層為具有空氣通道的參比空氣基體層；第三結(jié)構(gòu)層的制備方法包括依次在加熱器基體層表面形成第三絕緣層、加熱層、第二 絕緣層、熱電偶層和第一絕緣層；形成熱電偶層的方法包括將形成熱電偶層的漿料印刷在 第二絕緣層表面；第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層的未附著外電極保護層的鉬電極一側(cè)與具有空氣 通道的參比空氣基體層的一側(cè)貼合，該具有空氣通道的參比空氣基體層的另一側(cè)與第三結(jié) 構(gòu)層中的第一絕緣層貼合，將該層疊的多層結(jié)構(gòu)層進行壓膜并在惰性氣氛中燒結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，形成熱電偶層的方法包括分別將含有鎳鉻合金 的漿料和含有鎳硅合金的漿料印刷在第二絕緣層表面形成鎳鉻漿料層和鎳硅漿料層，含有 鎳鉻合金的漿料和含有鎳硅合金的漿料的用量使熱電偶層的厚度為0. 03-0. 07毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，所述第三結(jié)構(gòu)層中的第一絕緣層、第二絕緣層和第三絕緣層均為氧化鋁層；每層絕緣層的厚度為0. 015-0. 04毫米；所述加熱層為鎢 層，所述加熱層的厚度為0. 02-0. 08毫米。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一結(jié)構(gòu)層中附著在固體電解質(zhì)層兩側(cè)的 鉬電極層的厚度為0. 03-0. 04毫米；附著在一側(cè)鉬電極表面的外電極保護層含有氧化鋁、 鎂鋁尖晶石和二氧化硅，所述外電極保護層的厚度為0. 1-0. 2毫米；具有空氣通道的參比 空氣基體層中空氣通道的縱向深度為40-57毫米，寬度為0. 3-0. 6毫米，高度為0. 3-0. 6毫 米。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層為二氧 化鋯層，該固體電解質(zhì)基體層的厚度為0. 6-0. 8毫米；具有空氣通道的參比空氣基體層的 厚度為0. 3-0. 6毫米；第三結(jié)構(gòu)層中的加熱器基體層的厚度為0. 6-0. 8毫米。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，壓膜的條件包括壓力為3-8兆帕；溫度為 40-80°C;燒結(jié)的條件包括燒結(jié)的溫度為1350-1650°C，燒結(jié)的時間為1_5小時；所述惰性氣 氛選自氮氣、氨氣分解氣和元素周期表中零族氣體中的一種或幾種。
全文摘要
一種氧傳感器及其制備方法，該氧傳感器包括層疊的多層結(jié)構(gòu)層，其中，所述層疊的多層結(jié)構(gòu)層依次包括第一結(jié)構(gòu)層、第二結(jié)構(gòu)層和第三結(jié)構(gòu)層；第一結(jié)構(gòu)層包括固體電解質(zhì)基體層和附著在固體電解質(zhì)基體層兩側(cè)的鉑電極層以及附著在一側(cè)鉑電極層表面的外電極保護層；第二結(jié)構(gòu)層為具有空氣通道的參比空氣基體層；第三結(jié)構(gòu)層依次包括層疊的第一絕緣層、熱電偶層、第二絕緣層、加熱層、第三絕緣層和加熱器基體層；第一結(jié)構(gòu)層中的固體電解質(zhì)基體層的未附著外電極保護層的鉑電極一側(cè)與具有空氣通道的參比空氣基體層的一側(cè)貼合，該具有空氣通道的參比空氣基體層的另一側(cè)與第三結(jié)構(gòu)層中的第一絕緣層貼合。本發(fā)明的氧傳感器極大地提高了氧傳感器的快速響應(yīng)能力，降低了汽車啟動時的尾氣排放，并提高了燃油經(jīng)濟性。
文檔編號G01N27/409GK102109489SQ20091025256
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
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