專利名稱：電流型氧傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，具體地說，是指一種用于測(cè)量汽車尾氣中氧氣濃度的電流型氧傳感器。
背景技術(shù)：
汽車氧傳感器通過檢測(cè)尾氣中氧氣濃度，由電控系統(tǒng)的反饋控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)汽車燃燒系統(tǒng)空氣燃料比。這對(duì)于提高燃料利用率，降低污染氣體的排放具有重要的意義。傳統(tǒng)的電壓型氧傳感器為管式結(jié)構(gòu)，檢測(cè)范圍窄，僅能檢測(cè)理論空燃比附近的氧氣濃度。而且由于結(jié)構(gòu)上的原因，啟動(dòng)速度慢。
目前，在使用中的電流型氧傳感器有小孔擴(kuò)散與多孔陶瓷擴(kuò)散層兩種形式。由于長(zhǎng)時(shí)間在工作環(huán)境中，存在小孔易堵塞，多孔陶瓷空隙大小會(huì)發(fā)生改變等問題，不能滿足實(shí)際使用需要，而且生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種具有致密擴(kuò)散層、氣敏性能好的電流型氧傳感器。該傳感器具有寬范圍檢測(cè)功能，同時(shí)制造加工工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。
本發(fā)明的一種電流型氧傳感器，由電解質(zhì)層、擴(kuò)散層、封裝層和正、負(fù)極集電層構(gòu)成，電解質(zhì)層與擴(kuò)散層通過共壓成型后燒結(jié)在一起，正極集電層采用絲網(wǎng)印刷在電解質(zhì)層的中心表面，負(fù)極集電層采用絲網(wǎng)印刷在擴(kuò)散層的中心表面，封裝層包覆在除正、負(fù)集電層邊緣以外的電解質(zhì)層和擴(kuò)散層上。所述的電解質(zhì)層由YSZ陶瓷材料構(gòu)成，所述的擴(kuò)散層由LSM+YSZ復(fù)合陶瓷材料構(gòu)成，封裝層由玻璃材料構(gòu)成。
所述的電流型氧傳感器，其電解質(zhì)層燒結(jié)厚度為0.5～1.5mm，擴(kuò)散層燒結(jié)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(kuò)散層中LSM材料為L(zhǎng)a1-xSrxMnO3(X＝0.2～0.4)，其擴(kuò)散層中YSZ材料的含量為10～40％。
本發(fā)明電流型氧傳感器具有高溫400～700℃下工作信號(hào)穩(wěn)定、可檢測(cè)氧氣濃度范圍為1～30％(總壓為一個(gè)大氣壓)，響應(yīng)時(shí)間小于3秒，以及響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于其工藝簡(jiǎn)單，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明電流型氧傳感器剖視圖。
圖2是本發(fā)明電流型氧傳感器的V-I工作特性曲線圖。
圖3是本發(fā)明電流型氧傳感器極限電流對(duì)氧氣濃度的線性關(guān)系圖。
圖4是本發(fā)明電流型氧傳感器響應(yīng)時(shí)間曲線圖。
圖中1.負(fù)極集電層 2.擴(kuò)散層 3.封裝層 4.電解質(zhì)層 5.正極集電層具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明是一種電流型氧傳感器，由電解質(zhì)層4、擴(kuò)散層2、封裝層3和正、負(fù)極集電層構(gòu)成，電解質(zhì)層4與擴(kuò)散層2通過共壓成型后燒結(jié)在一起，正極集電層5采用絲網(wǎng)印刷在電解質(zhì)層4的中心表面，負(fù)極集電層1采用絲網(wǎng)印刷在擴(kuò)散層2的中心表面，封裝層3包覆在除正、負(fù)集電層邊緣以外的電解質(zhì)層4和擴(kuò)散層2上。電解質(zhì)層4由YSZ陶瓷材料構(gòu)成，所述的擴(kuò)散層2由LSM+YSZ復(fù)合陶瓷材料構(gòu)成，封裝層3是玻璃材料。YSZ是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2的縮寫，LSM是La1-xSrxMnO3(X＝0.2～0.4)的縮寫。
本發(fā)明的電流型氧傳感器采用共壓成型后燒結(jié)加工工藝進(jìn)行制造。先將混合均勻的擴(kuò)散層2的LSM+YSZ粉體均勻放入模具，并輕輕壓出平面，再把電解質(zhì)層4的YSZ粉體放入模具，進(jìn)行共壓成型(成型選用769YP-15A型壓機(jī))。成型后的坯體放入硅碳棒箱式高溫爐中在1350℃～1450℃燒結(jié)，保溫1～3小時(shí)(升溫過程由日本SHIMADEN公司的FP21可編程智能儀表、高精度PID調(diào)節(jié))。燒結(jié)完成，隨爐冷卻后，將燒結(jié)傳感器陶瓷體取出，并在擴(kuò)散層2的中心表面采用絲網(wǎng)印刷上多孔鉑材料的負(fù)極集電層1，在電解質(zhì)層4的中心表面采用絲網(wǎng)印刷上多孔鉑材料的正極集電層5；最后，在溫度1000℃下包覆封裝層3玻璃材料(封裝層3只包覆在除正、負(fù)集電層以外的電解質(zhì)層4、擴(kuò)散層2上)。在加工過程中通過合理調(diào)節(jié)擴(kuò)散層中YSZ材料的用量及成型、燒結(jié)工藝可以實(shí)現(xiàn)兩層燒結(jié)后接合緊密的電流型氧傳感器。
在上述加工工藝中，擴(kuò)散層2材料中YSZ的含量為10～40％。若加工制造一直徑為10mm的電流型氧傳感器，其擴(kuò)散層2厚度可以為0.5～2mm，電解質(zhì)層4厚度可以為0.5～1.5mm。正、負(fù)集電層采用200目絲網(wǎng)印刷得到，厚度可以為20μm，其中負(fù)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，傳感器邊緣涂覆了一玻璃材質(zhì)的封裝層3，擴(kuò)散層2表面開口部分直徑為6mm。
本發(fā)明電流型氧傳感器的工作原理擴(kuò)散層2(LSM+YSZ復(fù)合陶瓷)是一種混合導(dǎo)體。它既是電流型氧傳感器的陰極又是擴(kuò)散阻擋層。首先，LSM+YSZ復(fù)合陶瓷是良好的電子導(dǎo)體。作為陰極，它與電解質(zhì)層4、正極集電層5構(gòu)成了氧泵。在一定外加電壓下，氧離子在電解質(zhì)層4內(nèi)能夠快速擴(kuò)散。另外，擴(kuò)散層2又具有一定氧離子導(dǎo)電性，環(huán)境中的氧吸附到它的表面后電離成為氧離子，氧離子在氧位差的驅(qū)動(dòng)下，向電解質(zhì)層4擴(kuò)散。一定工作溫度下，氧在擴(kuò)散層2的LSM材料中的擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)。當(dāng)加在電流型氧傳感器兩端的電壓超過1V時(shí)，陰極上氧原子得到電子的反應(yīng)快于擴(kuò)散過來的氧，電流就不再隨電壓增大明顯增加，出現(xiàn)了電流平臺(tái)。平臺(tái)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(shí)出現(xiàn)電流平臺(tái)。一定氧氣濃度范圍內(nèi)(此氧氣濃度與工作溫度相關(guān))，極限電流值與環(huán)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(duì)氧氣濃度的線性關(guān)系。根據(jù)氧傳感器極限電流值可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車尾氣中氧氣的濃度大小，所以汽車電控系統(tǒng)就能夠及時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比，達(dá)到提高燃料利用率，降低污染氣體排放的目的。
本發(fā)明電流型氧傳感器在實(shí)際工作中需要有專用的發(fā)熱體加熱到400～700℃，并在其兩個(gè)電極間施加0.5～1V外加電壓，通過檢測(cè)回路中的電流信號(hào)的大小就可以得到周圍環(huán)境中的氧氣濃度。圖4所示為600℃，平臺(tái)電壓下，氧氣濃度由0變?yōu)?0％，傳感器電流信號(hào)的變化。能夠看出這種電流型氧傳感器的響應(yīng)速度很快。
權(quán)利要求
1.一種電流型氧傳感器，由電解質(zhì)層、擴(kuò)散層、封裝層和正、負(fù)極集電層構(gòu)成，其特征在于電解質(zhì)層(4)與擴(kuò)散層(2)通過共壓成型后燒結(jié)在一起，正極集電層(5)采用絲網(wǎng)印刷在電解質(zhì)層(4)的中心表面，負(fù)極集電層(1)采用絲網(wǎng)印刷在擴(kuò)散層(2)的中心表面，封裝層(3)包覆在除正、負(fù)集電層邊緣以外的電解質(zhì)層(4)和擴(kuò)散層(2)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的電解質(zhì)層(4)由YSZ陶瓷材料構(gòu)成，所述的擴(kuò)散層(2)由LSM+YSZ復(fù)合陶瓷材料構(gòu)成，封裝層(3)由玻璃材料構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的電解質(zhì)層(4)燒結(jié)厚度為0.5～1.5mm，所述的擴(kuò)散層(2)燒結(jié)厚度為0.5～2mm，所述的封裝層(3)封裝厚度0.1～0.10mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的擴(kuò)散層(2)中LSM材料為L(zhǎng)a1-xSrxMnO3(X＝0.2～0.4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的擴(kuò)散層(2)中YSZ材料的含量為10～40％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的電解質(zhì)層(4)中心表面的正極集電層(5)的直徑為5～8mm；所述的擴(kuò)散層(2)中心表面的負(fù)極集電層(1)的直徑2～4mm，正、負(fù)集電層為鉑材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于氧傳感器工作溫度范圍為400～700℃，工作時(shí)外加電壓0.5～1V，可檢測(cè)氧氣濃度范圍為1～30％，響應(yīng)時(shí)間小于3秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于適用于汽車尾氣中氧氣濃度的測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電流型氧傳感器，由電解質(zhì)層、擴(kuò)散層、封裝層和正、負(fù)極集電層構(gòu)成，電解質(zhì)層與擴(kuò)散層通過共壓成型后燒結(jié)在一起，正極集電層采用絲網(wǎng)印刷在電解質(zhì)層的中心表面，負(fù)極集電層采用絲網(wǎng)印刷在擴(kuò)散層的中心表面，封裝層包覆在除正、負(fù)集電層邊緣以外的電解質(zhì)層和擴(kuò)散層上。本發(fā)明氧傳感器工作溫度范圍為400～700℃，工作時(shí)外加電壓0.5～1V，可檢測(cè)氧氣濃度范圍為1～30％，響應(yīng)時(shí)間小于3秒，適用于汽車尾氣中氧氣濃度的測(cè)量。
文檔編號(hào)H01L49/00GK1645128SQ20051005130
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月7日
發(fā)明者張躍, 石興, 田蒔, 王樹彬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)