[發明專利]一種新型管式傳感元件及其制備方法

在審

• 申請號: 201910098212.0
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN111505082A
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 楊玉海;郭杰烽;陳珍強
• 申請（專利權）人: 蘇州工業園區傳世汽車電子有限公司
• 主分類號: G01N27/407
• 分類號: G01N27/407;C23C18/08;C04B41/81;C04B41/50
• 代理公司: 蘇州簡理知識產權代理有限公司 32371
• 代理人: 朱亦倩

本發明公開了一種新型管式傳感元件及其制備方法，所述新型管式傳感元件包括管狀的陶瓷基底、設置在陶瓷基底外表面的外電極和設置在內腔體的壁上的內電極。本發明目的之一是提供一種低成本、高性能的新型管式傳感元件，所述傳感元件的外部催化電極部由新型陶瓷催化電極構成，因此本發明提供的傳感元件也具有成本低、催化性能優良的特點。本發明的另一目的在于提供一種新型管式傳感元件的制備方法，該方法制備的傳感元件工藝操作簡單，電極材料與陶瓷基體的結合性好，貴金屬用量少，而且催化活性好。尤其適用于氧傳感器技術領域。

技術領域

本發明涉及氧傳感器領域，具體涉及一種新型管式傳感元件及具制備方法。

背景技術

在車用發動機的控制系統中，保證發動機以最佳空燃比的混合氣進行工作是排放控制的一個關鍵技術，車用氧傳感器是用于控制發動機混合氣空燃比的一個關鍵部件，氧傳感器是將油氣混合燃燒后的氣體情況實時反饋給發動機控制單元(ECU)的一個關鍵元件，發動機電控噴射系統是依據氧傳感器提供的信號精確控制空燃比(A/F，空氣與汽油的質量比)。

三元催化器是安裝在汽車排氣系統中最重要的機外凈化裝置，它可將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉變為無害的二氧化碳、水和氮氣。但為了能有效地使用三元催化器，必須精確地控制空燃比，使它始終接近理論空燃比。因此，在使用三元催化轉換發動機上，氧傳感器是不可或缺的元件。當混合氣的空燃比偏離理論空燃比時，三元催化劑對CO、HC和NOX的凈化能力將急劇下降，在排氣管中安置的氧傳感器可以檢測出排氣中氧的濃度，向ECU發出反饋信號，ECU控制噴油器噴油量的增減，從而可以將混合氣的空燃比控制在理論值附近，使發動機工作在最佳的空氣燃油混合比即最佳空燃比的狀態，為發動機三元催化器的廢氣凈化創造條件。

氧傳感器是利用陶瓷敏感元件測量汽車排氣管道中的氧電勢，由化學平衡原理計算出對應的氧濃度，達到監測和控制燃燒空燃比，以保證產品質量及尾氣排放達標的測量元件。氧傳感器一般分為管式氧傳感器和片式氧傳感器，以管式二氧化鋯氧傳感器為例，解釋其工作原理：

管式氧化鋯氧傳感器由氧化鋯管(簡稱鋯管)、鉑電極和防護套管等組成，鋯管與鉑電極組成傳感元件(可以參考圖1)，鋯管是由含有少量釔的氧化鋯制成的固態電解質元件，在鋯管內外兩側涂覆一層鉑形成內外鉑電極。鋯管內側通大氣，外側與排氣接觸。在使用溫度下，氧氣在與鉑電極、氧化鋯形成的三相界面區發生得失電子的氧化還原反應，鋯管內的氧氣在鉑電極的催化下變成氧離子，鋯管外的氧離子在鉑電極的催化下變成氧分子，由于鋯管內外兩側的氧離子濃度有高低(一般內側即大氣中的氧濃度高，外側即廢氣中的氧濃度低)，從而內外側電極之間存在電勢差。外側電極由于暴露在廢氣中，氧離子濃度將根據實際工況的不同而變化，而內側電極為參考空氣，氧離子濃度是不變的。當發動機空燃比為稀時，廢氣中氧濃度相對較高，內外側電極間氧濃度差就小，即電勢差小，氧傳感器的輸出電壓信號接近0V。反之，當空燃比為濃時，廢氣中氧濃度也相對較低，內外側電極間氧濃度差就大，即電勢差就大，傳感器的輸出電壓接近1V。氧傳感器典型響應曲線見圖2，其中lambda是空氣過量系數，即實際空燃比與理論空燃比的比值，用來確定混合氣的稀濃程度的一個指數。

請繼續參考圖1，氧傳感器的傳感元件中的電極根據使用過程中的作用來看，包括催化電極部和引線電極部。催化電極部主要用于催化氧化還原反應，并產生電信號，引線電極部的主要作用是將產生的電信號導出。氧傳感器的傳感元件的電極制備，其中技術的關鍵點在于如何在陶瓷基體上設置一定厚度的電極(例如上面所述的鉑電極)，早期也有直接在陶瓷(陶瓷可以是上面提到的氧化鋯)基體上涂覆電極層的方法，但由于電極層極易剝落，現已不被采用。目前普遍被采用的技術方案為電極與固體電解質陶瓷的共燒技術和電極電鍍技術。電鍍電極技術參考發明專利申請公開說明書CN200310114168.7等，電鍍電極優點是所制備的電極層非常薄，用量少，具有較多的三相界面和良好的活性，有效解決了共燒電極貴金屬用量多的問題，但是電極材料與基體之間的結合可靠性比較差，容易剝落；而且電鍍工藝比較復雜，也容易污染環境。