[發(fā)明專利]一種氮氧傳感器及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210391055.0
• 申請日: 2012-10-16
• 公開（公告）號: CN102890109A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馮江濤;楊世養(yǎng);黨桂彬
• 申請（專利權(quán)）人: 常州聯(lián)德電子有限公司
• 主分類號: G01N27/407
• 分類號: G01N27/407
• 代理公司: 常州市夏成專利事務(wù)所(普通合伙) 32233
• 代理人: 姜佩娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氧傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種氮氧傳感器及其制作方法，適用于汽車尾氣、冶金行業(yè)氮氧化物氣體的測量等。

背景技術(shù)

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）對大氣的污染越來越嚴(yán)重。其中氮氧化物(NOx)的排放尤為嚴(yán)重，它導(dǎo)致的光化學(xué)煙霧和酸雨已經(jīng)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(yīng)。目前氮氧化物的排放已經(jīng)引起了全世界的普遍關(guān)注，并制定了越來越嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。而歐5和歐6的實(shí)現(xiàn)需要對氮氧化物的排放進(jìn)行實(shí)時在線檢測，而氮氧傳感器就是該在線檢測系統(tǒng)的核心部件之一。

目前已報道的氮氧傳感器都是片式結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)一般是通過流延成型技術(shù)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(wǎng)印刷和層壓共燒技術(shù)將氧化鋯基體和加熱電路、金屬鉑電極、多孔擴(kuò)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，并包含加熱器，擴(kuò)散障礙層。通過第一測量腔上層氧化鋯基片兩側(cè)設(shè)置的內(nèi)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(cè)設(shè)置的內(nèi)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(cè)設(shè)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(shè)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，并由氧化鋁絕緣層將加熱回路跟氧化鋯基片絕緣開來。

第一測量腔經(jīng)過第一擴(kuò)散障礙層與外界被檢測氣體相通，第二測量腔經(jīng)過第二擴(kuò)散障礙層與第一測量腔內(nèi)的氣氛相通。在工作時，通過外部閉環(huán)控制器在第一泵氧單元內(nèi)外電極端施加泵電壓產(chǎn)生一定的泵電流（后稱第一泵電流），使得第一測量腔內(nèi)的氧氛被抽出，并經(jīng)過氧濃度檢測單元的測量，將第一測量腔內(nèi)的氧濃度控制到一個恒定的低水平。與此同時，在第二泵氧單元內(nèi)外電極端施加一個恒定的泵電壓將第二測量腔內(nèi)的氧氛抽出，形成第二泵氧單元泵電流（后稱第二泵電流），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(guī)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，由于片式結(jié)構(gòu)本身的不對稱和不規(guī)則引起自身抗熱振性能下降，會導(dǎo)致其穩(wěn)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(shè)置在底部，因此多層氧化鋯之間的溫度梯度很大，導(dǎo)致溫度控制難度增加并影響了測量精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。而且其制造工藝的復(fù)雜度大幅提高，生產(chǎn)效率和成品率較難控制。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有的片式氮氧傳感器的不足，本發(fā)明提供了一種氮氧傳感器及其制作方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種氮氧傳感器，它包括內(nèi)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(nèi)部U型氧化鋯管和外部氧化鋯薄層之間設(shè)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(jīng)過第一擴(kuò)散障礙層與外界測量氣氛相通，第二測量腔經(jīng)過第二擴(kuò)散障礙層與第一測量腔內(nèi)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(nèi)設(shè)參比空氣電極。所述的第一測量腔的外層氧化鋯兩側(cè)設(shè)置泵氧電極，形成了第一泵氧單元，所述的第二測量腔的內(nèi)部U型氧化鋯管兩側(cè)設(shè)置泵氧電極，形成第二泵氧單元，所述的第一測量腔內(nèi)部電極與參比空氣腔內(nèi)的參比空氣電極之間形成氧濃度測量單元。所述的內(nèi)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干擾。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(wěn)定。

根據(jù)本發(fā)明的另外一個實(shí)施例，參比空氣電極也可以靈活地設(shè)置在U型氧化鋯管內(nèi)部，這樣一來就無需設(shè)置參比空氣腔。

本發(fā)明的氮氧傳感器，在U型氧化鋯管的臺階上設(shè)置3個電極觸點(diǎn)以方便U型氧化鋯管外側(cè)電極4個電極的信號連接，具體如下：由于內(nèi)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(fù)電極和第二泵氧單元的負(fù)電極可以共線連接到第一電極觸點(diǎn)上，第一泵氧單元正電極與第二電極觸點(diǎn)連接，參比空氣電極連接到第三電極觸點(diǎn)上。U型氧化鋯管內(nèi)側(cè)僅有一個第二泵氧單元正電極，可以通過敞口端設(shè)置單一觸點(diǎn)與信號線連接。4個電極觸點(diǎn)分別與4根信號線相連，再加上加熱器控制回路需2根引線，就形成了帶有6根導(dǎo)線的管式氮氧傳感器。