錐形雙電池寬域氧傳感器及其制作方法技術

本發(fā)明專利技術涉及氧傳感器技術領域，尤其是一種錐形雙電池寬域氧傳感器及其制作方法。它包括錐形氧化鋯管和錐形加熱棒，錐形氧化鋯管內表面設置參比空氣電極；錐形氧化鋯管外表面依次設置測量電極、混合腔和擴散層；由錐形氧化鋯管內外表面設置的參比空氣電極和測量電極一起形成濃差電池單元；在此基礎上，設置致密氧化鋯涂層將內部封閉起來，并留出擴散孔；致密氧化鋯涂層外表面設置泵電池外電極，與包裹在致密氧化鋯涂層內的測量電極一起形成泵電池單元；致密氧化鋯涂層外表面設置多孔外電極保護層。本發(fā)明專利技術可有效提高傳感器加熱效率且同時顯著縮小了同類產品的體積。

Conical dual cell wide field oxygen sensor and manufacturing method thereof

The invention relates to the technical field of oxygen sensors, in particular to a conical double cell wide field oxygen sensor and a manufacturing method thereof. It includes a tapered zirconia tube and a conical heating rod, tapered zirconia tube is arranged on the inner surface of the reference air electrode; tapered zirconia tube outer surface are arranged in a measuring electrode, a mixing chamber and a diffusion layer; ratio of air electrode and measuring electrode together to form a concentration cell unit is composed of a conical zirconia tube arranged in the inside and outside surface of ginseng; on the basis of setting the dense zirconia coating inside the closed, and set aside the diffusion hole; compact zirconia coating is arranged on the outer surface of the pump cell outer electrode, and wrapped in a dense zirconia coating within the measuring electrode together to form a single pump battery element; compact zirconia coating is arranged on the outer surface of the outer protective layer of porous electrode. The invention can effectively improve the heating efficiency of the sensor and reduce the volume of the same product at the same time.

【技術實現步驟摘要】
錐形雙電池寬域氧傳感器及其制作方法
本專利技術涉及氧傳感器
，尤其是一種錐形雙電池寬域氧傳感器及其制作方法。
技術介紹
隨著汽車尾氣排放法規(guī)和發(fā)動機控制技術的日益提高，傳統(tǒng)的濃差型氧傳感器在測量精度和測量范圍上都無法滿足發(fā)動機控制系統(tǒng)的要求，因此基于極限電流原理的雙電池型寬域氧傳感器應運而生。目前已有的雙電池型寬域氧傳感器都是片式結構的。專利201010616977.8公開了一種管式雙電池型寬域氧傳感器及其制作方法。它包括內氧化鋯管、外氧化鋯管、加熱棒和閉環(huán)控制器，內氧化鋯管的外表面和外氧化鋯管的內表面相互吻合，內氧化鋯管和外氧化鋯管疊加后在其頂端留有擴散腔，內氧化鋯管的內表面設有參比氣體通道，參比氣體通道設置鉑電極形成參比電極，內氧化鋯管的外表面設置測量電極，且與外氧化鋯管的內表面相切形成泵電池管的內電極，外氧化鋯管的外表面設置泵電池管外電極，外氧化鋯管的頂部開有小孔，并設有填充擴散層的擴散障礙孔，外氧化鋯管的外層設置多孔外電極保護層。該專利公開的這種直筒狀雙電池寬域氧傳感器由兩個氧化鋯管體疊加而成，雖然在結構上比片式雙電池寬域氧傳感器簡單，且抗熱振性能有明顯提高，但雙直筒管體疊加限制了其尺寸無法進一步縮小；而且要做到雙管體尺寸高度吻合，工藝難度比較高，制造成品率難控制；除此之外，該專利公開的這種直筒狀雙電池寬域氧傳感器感應功能區(qū)集中在頂部半球處，而加熱棒的發(fā)熱區(qū)集中在頂部半球下方，造成加熱棒發(fā)熱溫度無法完全有效作用到感應部位，熱效率損失大，如圖1所示。另外，美國專利US4712419公開了一種空燃比傳感器，其與上文所述的管式傳感器外形相似，為直筒管式，此外其加熱器外置，不但熱效率損失大，而且傳感器整體難以封裝。
技術實現思路
為了克服現有傳感器傳熱效率的不足，本專利技術提供了一種錐形雙電池寬域氧傳感器及其制作方法。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：一種錐形雙電池寬域氧傳感器，包括氧化鋯管和加熱棒，所述氧化鋯管和加熱棒均為錐形，所述錐形氧化鋯管內表面設置參比空氣電極，所述錐形氧化鋯管外表面依次設置測量電極、混合腔和擴散層；由錐形氧化鋯管內外表面設置的參比空氣電極和測量電極一起形成濃差電池單元；在此基礎上，設置致密氧化鋯涂層將內部封閉起來，并留出擴散孔；所述致密氧化鋯涂層外表面設置泵電池外電極，與包裹在致密氧化鋯涂層內的測量電極一起形成泵電池單元；所述致密氧化鋯涂層外表面設置多孔外電極保護層。本方案將基管和加熱棒均改進為錐形，可有效提高傳感器整體的加熱效率根據本專利技術的另一個實施例，進一步包括帶濃差電池單元、泵電池單元、混合腔、擴散層、擴散孔和多孔外電極保護層組成功能感應區(qū)，錐形加熱棒頭部為發(fā)熱區(qū)，功能感應區(qū)布置于發(fā)熱區(qū)徑向方向上，兩者高度重合，形成更好的配合。本方案改進了感應功能區(qū)與在加熱區(qū)周圍的位置，使兩者的布置更為恰當，可以進一步提高加熱效率。根據本專利技術的另一個實施例，進一步包括所述錐形氧化鋯管，在不影響下端封裝尺寸和強度的前提下，管體內徑≤2.6mm。根據本專利技術的另一個實施例，進一步包括所述帶濃差電池單元、泵電池單元、混合腔、擴散層、擴散孔和多孔外電極保護層的錐形雙電池寬域氧傳感器功能感應區(qū)整體外徑縮小至4.2mm以內。感應區(qū)單元整體重新布置，使得結構更為緊湊，可以使得整體外徑進一步減小，實現體積的小化。一種錐形雙電池寬域氧傳感器的制作方法，包括以下步驟：（1）將納米a-Al2O3按0.3-2%的質量比例跟5mol%氧化釔穩(wěn)定微米氧化鋯粉末充分球磨，混合均勻烘干后添加5%～25%的粘結劑制備成注射成型所需喂料，通過注射成型方法制備成帶有臺階的錐形管體，經脫脂后形成氧化鋯素胚管體；（2）將鉑電極漿料精確涂覆在錐形氧化鋯素胚管體內外兩側以形成參比空氣電極和測量電極，與氧化鋯管體構成濃差電池單元；（3）將石墨粉、PVB、松油醇和柔軟劑混合充分，制備出一種高溫燒結后可完全揮發(fā)的漿料，精確涂覆在測量電極上端，以便燒結后自動形成混合空腔；（4）制備多孔氧化鋁或者氧化鋯漿料，用提拉法涂覆在混合空腔上部，以形成擴散層；（5）待上述工序完成并烘干后，制備一種摻雜4~6mo%l氧化釔的氧化鋯漿料，使其固含量與制備錐型氧化鋯管體漿料的固含量一致或者接近，并將涂覆有各種功能漿料層的錐形氧化鋯素胚浸泡在該漿料中并均勻提拉，得到厚度均勻且完全封閉的致密氧化鋯薄壁涂層，在此過程中，管體頂部留出直徑0.5~2mm的擴散孔；（6）待外部致密氧化鋯薄壁涂層烘干后，在其外表面印刷特殊多孔結構附著層，并精確涂敷納米鉑電極漿料，以便燒結后形成帶有納米結構催化鉑電極的泵氧電池電極；（7）用提拉法將制備好的多孔保護層流體漿料提拉在外電極的表面，待上述表面漿料烘干后放入高溫爐內，在1350~1600度之間共燒1~5個小時，最終可制備出帶濃差電池、泵氧電池、混合空腔、擴散層、擴散孔和多孔保護層的錐形雙電池寬域氧傳感器感應單元；（8）制備頂端發(fā)熱區(qū)直徑小于2.3mm的錐形氧化鋁陶瓷加熱棒，并與上述錐形雙電池寬域氧傳感器感應單元進行匹配和組裝，便可形成本專利技術錐形雙電池寬域氧傳感器。本制作方案也進行改進，添加了納米a-Al2O3和鉑電極漿料，前者可以對傳感器基體進行二次增強，后者可以增強反應活性。根據本專利技術的另一個實施例，進一步包括所述采用提拉涂敷方法制備外層致密氧化鋯薄層，該層的厚度控制在0.25mm以內，且該涂層與錐形管體完全結合為一體。這樣，本方案制成的傳感器基管不再具有兩層厚外殼結構，相當于僅有一層結構外殼，但其各方面要求均能與兩層殼相當，且可實現傳感器的進一步縮小化，便攜化。本專利技術的有益效果是，（1）因本專利技術采用錐形結構管體，在不影響下端封裝尺寸和強度的前提下，可以將管體內徑縮小至2.6mm以內。而專利201010616977.8公開的方法做出的直筒管體內徑最小也要2.8mm。（2）本專利技術采用提拉涂敷方法制備外層致密氧化鋯薄層，可以將該層的厚度控制在0.25mm以內，而且該涂層可以與錐形管體完全結合為一體。而專利201010616977.8公開的雙層管體疊加的方法，其管體厚度無法縮小至0.4mm以內，且內外管體表面無法100%吻合。本專利技術制備出的感應區(qū)整體外徑可以縮小至4.2mm，而專利201010616977.8公開方法做出的感應區(qū)整體外徑要達到6mm以上。（3）本專利技術將感應功能區(qū)位置設置到與加熱棒發(fā)熱區(qū)位置重合，使得加熱棒發(fā)熱效率得到最大程度發(fā)揮。而專利201010616977.8公開的這種直筒狀雙電池寬域氧傳感器感應功能區(qū)集中在頂部半球處，而加熱棒的發(fā)熱區(qū)集中在頂部半球下方，造成加熱棒發(fā)熱溫度無法完全有效作用到感應部位，熱效率損失大。（4）由本專利技術帶來的整體體積大幅縮小以及功能區(qū)和發(fā)熱區(qū)位置高度重合，使得這種錐形雙電池寬域氧傳感器冷啟動速度大幅提高，冷啟動時間減少至10秒以內；此外本專利技術制備方法更簡單、成品率高、穩(wěn)定性好。（5）本專利技術在錐形氧化鋯管體材料上采用納米氧化鋁顆粒作為彌散增強相，對氧化鋯基體進行二次增強，使得基體抗彎強度由之前的300Mpa提高至450Mpa以上，作用明顯。（6）本專利技術的泵電池外電極采用納米結構催化鉑電極，催化反應活性大幅提高，在同樣面積和同樣溫度情況下，泵氧電池內阻比原來降低一半，且電極抗中毒本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種錐形雙電池寬域氧傳感器，包括氧化鋯管和加熱棒，其特征是，所述氧化鋯管和加熱棒均為錐形，所述錐形氧化鋯管（1）內表面設置參比空氣電極（11），所述錐形氧化鋯管（1）外表面依次設置測量電極（12）、混合腔（41）和擴散層（4）；由錐形氧化鋯管（1）內外表面設置的參比空氣電極（11）和測量電極（12）一起形成濃差電池單元；在此基礎上，設置致密氧化鋯涂層（3）將內部封閉起來，并留出擴散孔（42）；所述致密氧化鋯涂層（3）外表面設置泵電池外電極（31），與包裹在致密氧化鋯涂層（3）內的測量電極（12）一起形成泵電池單元；所述致密氧化鋯涂層（3）外表面設置多孔外電極保護層（5）。

【技術特征摘要】
1.一種錐形雙電池寬域氧傳感器，包括氧化鋯管和加熱棒，其特征是，所述氧化鋯管和加熱棒均為錐形，所述錐形氧化鋯管（1）內表面設置參比空氣電極（11），所述錐形氧化鋯管（1）外表面依次設置測量電極（12）、混合腔（41）和擴散層（4）；由錐形氧化鋯管（1）內外表面設置的參比空氣電極（11）和測量電極（12）一起形成濃差電池單元；在此基礎上，設置致密氧化鋯涂層（3）將內部封閉起來，并留出擴散孔（42）；所述致密氧化鋯涂層（3）外表面設置泵電池外電極（31），與包裹在致密氧化鋯涂層（3）內的測量電極（12）一起形成泵電池單元；所述致密氧化鋯涂層（3）外表面設置多孔外電極保護層（5）。2.根據權利要求1所述的錐形雙電池寬域氧傳感器，其特征是，所述濃差電池單元、泵電池單元、混合腔（41）、擴散層（4）、擴散孔（42）和多孔外電極保護層（5）組成功能感應區(qū)（6），錐形加熱棒（2）頭部為發(fā)熱區(qū)（7），功能感應區(qū)（6）布置于發(fā)熱區(qū)（7）徑向方向上，兩者高度重合，形成更好的配合。3.根據權利要求1所述的錐形雙電池寬域氧傳感器，其特征是，所述錐形氧化鋯管（1），在不影響下端封裝尺寸和強度的前提下，管體內徑≤2.6mm。4.根據權利要求2所述的錐形雙電池寬域氧傳感器，其特征是，帶濃差電池單元、泵電池單元、混合腔（41）、擴散層（4）、擴散孔（42）和多孔外電極保護層（5）的錐形雙電池寬域氧傳感器功能感應區(qū)（6）整體外徑縮小至4.2mm以內。5.一種如權利要求1所述的錐形雙電池寬域氧傳感器的制作方法，其特征是，包括以下步驟：（1）將納米a-Al2O3按0.3-2%的質量比例跟5mol%氧化釔穩(wěn)定微米氧化鋯粉末充分球磨，混合均勻烘干后添加5%...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：馮江濤，楊世養(yǎng)，黨桂彬，
申請(專利權)人：常州聯德電子有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32