专利名称：排气传感器的制造方法
技术领域：
本发明涉及排气传感器。
背景技术：
排气传感器在汽车行业中是众所周知的，它们用于检测内燃机产生的排气流中的氧气、一氧化碳或碳氢化合物的含量。化学计量式或“能斯特”型氧气传感器(一种广泛使用的排气传感器)测量排气中的氧气与大气中的氧气之间的局部压力差值。通过确定排气中的氧气量，氧气传感器使得内燃机控制单元能够调节空气/燃料混合物并且实现最佳内燃机性能。汽车行业中还已知并广泛使用基于不同原理的其它类型的排气传感器。
现有多种传统方法用来向大致杯状传感元件的内表面施加电极材料。许多这样的现有方法中所使用的昂贵电极材料量要比产生传感元件内部电极实际需要的电极材料量大。使用过量的电极材料导致排气传感器的制造成本高。此外，一些现有技术的电极材料施加方法要求传感元件和施加电极材料的装置之间同时作相对平移和旋转运动。这些方法复杂，并且要求采用能够作平移和旋转运动的设备和部件。采用这些方法，在控制电极材料的厚度、尺寸和位置方面也会有困难。
发明内容
本发明提供了改进的排气传感器制造方法，更具体地讲，提供了一种改进的向传感元件的内表面施加电极材料以形成内部或基准电极的至少一部分的方法。利用本发明的方法，可以极大地降低或消除施加过量的电极材料，并且不再需要传感元件和施加电极材料的装置之间作相对旋转和/或平移运动。本发明的方法可以在传感元件的内表面上产生均匀且良好控制的电极材料层。
在一个实施例中，本发明提供了一种排气传感器制造方法。所述方法包括提供传感元件，其具有开口端、封闭端以及在开口端和封闭端之间限定出内腔的内表面。所述方法还包括利用超声喷涂装置雾化电极材料，以便在传感元件的内表面上沉积一层电极材料。
在另一个实施例中，本发明提供了一种排气传感器制造方法。所述方法包括提供传感元件，其具有开口端、封闭端以及在开口端和封闭端之间限定出内腔的内表面，将喷嘴插入内腔中，向喷嘴供应电极材料，以及在喷嘴和传感元件之间基本上没有任何相对旋转的状态下，雾化电极材料，以围绕着喷嘴以大致360度的角度在传感元件的内表面上沉积一层电极材料。
在另一个实施例中，本发明提供了一种排气传感器制造方法。所述方法包括提供传感元件，其具有开口端、封闭端以及在开口端和封闭端之间限定出内腔的内表面，将喷嘴插入内腔中，向喷嘴供应电极材料，以及在喷嘴和传感元件之间基本上没有任何相对运动的状态下，雾化电极材料，以大致围绕着喷嘴末端形成电极材料雾，并且使所述雾沉积在传感元件的内表面上以形成内部电极。
通过结合附图所作的详细描述，本发明的其它方面可以显现出来。
图1是采用了本发明的排气传感器的剖视图。
图2是图1中的排气传感器的传感元件的放大剖视图。
图3是用于向图2中的传感元件施加电极材料时所用的超声喷涂装置和支承夹具的俯视图。
图4是沿着图3中的线4-4所作的放大剖视图。
图5是传感元件的剖视图，示出了向传感元件的内表面施加导电引线。
在详细解释本发明的实施方式之前，应当指出，本发明的应用并不局限于下面的详细描述以及附图中所展示的详细结构和元件配置。本发明能够以其它实施例实施，并且能够以各式各样的方式实施。另外，可以理解，这里使用的措词和术语只是用于说明的目的，不应理解为构成限制。使用“包含”、“包括”、“具有”指的是囊括了所列举的项目及其等价物，同时还涵盖了可能包括附加项目。除非另加规定和限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”、“结合”涵盖了直接和间接安装、连接、支撑、结合。此外，“连接”、“结合”并不局限于物理或机械连接或结合。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的排气传感器10。传感器10被显示为安装在汽车或其它由内燃机提供动力的车辆的排气导管12上。所示出的传感器10是圆角壳体、不加热的单线式传感器，然而，本领域的技术人员可以理解，传感器10可以被改型为加热、多线式的传感器。除了施加内部电极的方法以及由此施加的内部电极将在下面描述以外，所示出的传感器10的总体结构详细描述于2004年4月22日出版的美国专利申请公开文献No.2004/0074284中，该文献中的全部内容在此引作参考。可以理解，本发明可以应用于其它包括杯状或套管式传感元件的排气传感器设计，如后面详细描述。本发明还可以被构造成适合于其它应用，其中可以向大致管状基体的内表面施加基本均匀和良好控制的材料层。
传感器10包含壳体14，与壳体14a相连的套筒18，以及穿过环管26而从套筒18伸出的引线22。绝缘衬套30容纳在套筒18中，并且具有一个通孔，用于容纳触针34并且将其电绝缘。
传感器10还包含陶瓷的杯状或套管形传感元件38，传感元件的类型是公知的，并且由诸如稳定ZrO2，由CaO和/或Y2O3稳定的ZrO2，Al2O3，Mg尖晶石，镁橄榄石等材料制成。传感元件38被限定在壳体14中，并且如图2和5所示，包含开口端42、封闭端46、外表面50和内表面54。内表面54限定了延伸于开口端42和封闭端46之间的内腔58。
如最佳显示于图1和2，由导电性和催化活性电极材料，例如铂或其它类似的导电性和催化活性材料(例如，Pd和Rh)制成的外部或排气电极62安置在外表面50上。排气电极62的引线部分66沿着外表面50向传感元件38的开口端42延伸，以便电接触壳体14a的通孔70，从而通过壳体14将排气电极62接地。排气电极62与排气流(如图1中的箭头74所示)连通，这一点可被本领域技术人员所理解。
由导电性和催化活性电极材料，例如铂或其它类似的导电性和催化活性材料(例如，Pd和Rh)制成的内部或基准电极78在内腔58中安置在传感元件38的内表面54上。基准电极78的引线部分82沿着内表面54向传感元件38的开口端42延伸，并且沿着限定了传感元件38的开口端42的端面86离开内腔58(见图2和5)。引线部分82被构造成电接触容纳在传感器衬套30中的触针34。基准电极78与内腔58中的基准空气连通，这一点同样可被本领域技术人员所理解。
传感器10还包含管90，其大致上包围并且保护传感元件38的伸入到排气流74中的端部。所示出的管90由不锈钢或其它耐热合金制成，并且被紧固在壳体14上。管90允许排气进入，以使空气与传感元件38连通，同时又保护传感元件38不会遇到容纳于排气流74中的碎屑和颗粒。
下面参照图3-5详细描述将基准电极78施加到传感元件38的内表面54上的方法。图3示出了超声喷涂装置94，其被用于将基准电极78的至少一部分施加到传感元件38的内表面54上。所示出的超声喷涂装置94包含框架或支架98，其支撑着移动托架102。所示出的托架102可以竖直(如图3中的箭头106所示)和水平(进出图3所在纸面)移动。超声喷嘴组件110安装在托架102上，并且包含喷嘴或末端112。通过输入装置114，使用者可以控制托架102的运动和喷嘴组件110的操作。
喷嘴组件110电连接着宽带超声波发生器118。当然，任何适宜的超声喷嘴组件和超声波发生器可被使用，所示出的喷嘴组件110和宽带超声波发生器118可以购自纽约Milton的Sono-TekCorporation，即型号为8600-6015的带MicroSpray喷嘴的喷嘴组件，以及零件号为06-05108的宽带(20-120kHz)超声波发生器。电极材料以膏或浆的形式储存在储存容器122中，并且通过导管126提供给喷嘴组件110。在所示出的实施例中，浆料或膏料含有陶瓷和悬浮在液体介质(基于水或溶剂，并且带有辅助添加剂例如分散剂、粘合剂类等等)中的直径小于大约6微米的金属颗粒。在所示出的实施例中，固态陶瓷和金属颗粒构成浆料或膏料总重量的大约百分之三十至大约百分之七十，剩下的比例部分由液体成分构成。所示出的实施例中使用的浆料或膏料的粘度在大约50至大约1000mPas之间。
图3和4中还示出了夹具130，用于支撑一个或多个传感元件38。本领域技术人员可以理解，任何适宜的夹具可被使用，以支撑和限定传感元件38。为了将电极材料供应到传感元件38的内表面54上，喷嘴112插入到传感元件38的内腔58中，如图4所示。随着电极材料被提供到喷嘴112，宽带超声波发生器118向喷嘴组件110供应能量，以使得离开喷嘴112的电极材料被雾化成精细雾(如图4中的附图标记126所示)，所述雾在喷嘴112的周围以基本上360度的角度沉积在传感元件38的内表面54上。换言之，雾126沿所有方向从喷嘴112向外移动，从而基本上喷涂在传感元件38的封闭端46的整个内表面54上，而在施加雾化电极材料126的过程中基本上不需要在喷嘴112和传感元件38之间进行任何相对运动(例如，旋转或平移)。电极材料126雾化形成的雾可在内表面54上提供一种基本均匀和良好控制的电极材料层。
利用超声喷涂装置94施加内部电极78的至少一部分，可以显著降低沉积在传感元件38的内腔58上的昂贵电极材料多余用量。在包含二十五次采样运转的试验中，超声喷涂装置94所用的平均电极材料膏为23.7mg，平均标准偏差为1.02。对于现有技术的“充填—抽取(fill&extract)”和“滴落—吹制(drip&blow)”方法，同样进行了二十五次采样运转。利用现有技术的“充填—抽取”方法，每次运转平均使用36.0mg的膏，平均标准偏差为8.0。利用现有技术的“滴落—吹制”方法，每次运转平均使用60.0mg的膏，平均标准偏差为10.0。
使用所述用于本发明方法的超声喷涂装置94，可以极大地减少靠近传感元件38的封闭端46施加内部电极78一部分所需的昂贵电极材料的量。此外，内部电极78可以被精确地构造尺寸和定位，电极材料的厚度可以被精确地控制。另外，所沉积的雾化形成的雾126可以导致良好的电极同质性，并且超声波振动还可以使得膏料或浆料在施加之前维持良好散布的悬浮状态。此外，施加内部电极78不需要采用气压。这就消除了现有技术中与使用气压有关的额外的过量喷涂问题。
此外，本发明的方法在施加电极材料126时基本上消除了传感元件38和喷嘴112之间的任何相对运动(例如，旋转或平移)，这是因为电极材料126雾化形成的雾围绕着喷嘴112以360度的角度向外喷射。这与从相对于传感元件旋转和/或平移的喷嘴中刷涂或喷涂膏料而施加环形内部电极的现有技术不同。在对现有技术“环形电极”形成方法进行的二十五次采样运转中，每次运转平均使用35.4mg的膏，平均标准偏差为2.90。因此，本发明的方法通现有技术“环形电极”形成方法相比可以使用更少的电极材料，并且在施加电极材料的过程中消除了喷嘴112和传感元件38之间的复杂的机械式相对旋转和/或平移。
可以理解，超声喷涂装置94可被其它装置替代，所述其它装置可采用除超声波之外的技术，并且能够产生可被沉积的电极材料126雾化形成的雾从而以前述方式形成内部电极78。所述技术可以是目前存在的技术，也可以是尚待发展的技术。例如，利用气压产生电极材料126雾化形成的雾的喷射装置可以用来形成内部电极78，而不要求在施加过程中在利用气压喷射的喷嘴和传感元件38之间进行相对运动，或者至少不需要相对旋转。在另一个例子中，机械振动喷嘴可被用于电极材料126雾化形成的雾，而不需要在施加过程中在机械振动喷嘴和传感元件38至今进行旋转。
在利用超声喷涂装置94施加了内部电极78一部分后，喷嘴112被从内腔58中移出。接下来，通过如图5所示将一些电极材料在传感元件38的内表面54上滴落，内部电极78的引线部分82被形成。这一过程可在传感元件38保留在夹具130中时进行，或者，如图5所示，可以在传感元件38被移离夹具130之后进行。如前面所讨论，引线部分82提供了与超声喷涂装置94施加的内部电极78的其它部分之间的电连接。
在内部电极78和引线部分82被施加后，外部电极62和引线部分66可以通过任何适宜的技术施加到外表面50上。接下来，传感元件38在大约500℃至大约1,500℃的温度下被烧结，以使电极材料结合在传感元件的陶瓷基体上，从而分别形成金属陶瓷型内外电极78和62。所产生的电极78、62具有大量的三相边界，因此活性高且对污染物的抵抗力强。烧结金属陶瓷电极78、62中的金属与氧化物陶瓷的重量比为大约10∶1至大约3∶2。金属陶瓷电极78、62的层厚可以为大约2至大约30微米。在烧结后，传感元件38即作好准备可以安装到排气传感器10中。
本发明的各个特点和优点在权利要求中确定。
权利要求
1.一种排气传感器制造方法，所述方法包括提供传感元件，其具有开口端、封闭端以及在开口端和封闭端之间限定出内腔的内表面；利用超声喷涂装置雾化电极材料，以便在传感元件的内表面上沉积一层电极材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，超声喷涂装置包括喷嘴，并且所述方法还包括将喷嘴插入内腔中。
3.如权利要求2所述的方法，还包括向喷嘴供应膏料和浆料之一形式的电极材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在传感元件和超声喷涂装置之间基本上没有任何相对旋转的状态下，所述电极材料层围绕着传感元件的内表面以大约360度的角度沉积。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所沉积的电极材料层限定出内部电极，并且所述方法还包括在所述内表面上形成导电引线，其电接触所述内部电极并且向着传感元件的开口端延伸。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，形成导电引线的步骤包括使电极材料沿着传感元件的内表面滴落并且接触到内部电极。
7.如权利要求1所述的方法，还包括烧结传感元件。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，提供传感元件的步骤包括提供陶瓷材料制成的传感元件，并且在烧结传感元件的步骤中电极材料结合在陶瓷传感元件上以形成金属陶瓷型内部电极。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，传感元件还包括外表面，所述方法还包括向传感元件的外表面施加外部电极。
10.一种排气传感器制造方法，所述方法包括提供传感元件，其具有开口端、封闭端以及在开口端和封闭端之间限定出内腔的内表面；将喷嘴插入内腔中；向喷嘴供应电极材料；在喷嘴和传感元件之间基本上没有任何相对旋转的状态下，雾化电极材料，以围绕着喷嘴以大致360度的角度在传感元件的内表面上沉积一层电极材料。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，喷嘴是超声喷涂装置的一部分。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，向喷嘴供应电极材料的步骤包括向喷嘴供应膏料和浆料之一形式的电极材料。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，雾化电极材料的步骤产生基本上围绕着喷嘴末端的电极材料雾。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所沉积的电极材料层限定出内部电极，并且所述方法还包括在所述内表面上形成导电引线，其电接触所述内部电极并且向着传感元件的开口端延伸。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，形成导电引线的步骤包括使电极材料沿着传感元件的内表面滴落并且接触到内部电极。
16.如权利要求10所述的方法，还包括烧结传感元件。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，提供传感元件的步骤包括提供陶瓷材料制成的传感元件，并且在烧结传感元件的步骤中电极材料结合在陶瓷传感元件上以形成金属陶瓷型内部电极。
18.一种排气传感器制造方法，所述方法包括提供陶瓷传感元件，其具有开口端、封闭端以及在开口端和封闭端之间限定出内腔的内表面；将喷嘴插入内腔中；向喷嘴供应电极材料；在喷嘴和传感元件之间基本上没有任何相对运动的状态下，雾化电极材料，以大致围绕着喷嘴末端形成电极材料雾，并且使所述雾沉积在传感元件的内表面上以形成内部电极。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，喷嘴是超声喷涂装置的一部分。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，向喷嘴供应电极材料的步骤包括向喷嘴供应膏料和浆料之一形式的电极材料。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，电极材料雾化形成的雾围绕着喷嘴以大致360度的角度沉积在传感元件的内表面上。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所沉积的电极材料层限定出内部电极，并且所述方法还包括在所述内表面上形成导电引线，其电接触所述内部电极并且向着传感元件的开口端延伸。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，形成导电引线的步骤包括使电极材料沿着传感元件的内表面滴落并且接触到内部电极。
24.如权利要求18所述的方法，还包括烧结传感元件。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，提供传感元件的步骤包括提供陶瓷材料制成的传感元件，并且在烧结传感元件的步骤中电极材料结合在陶瓷传感元件上以形成金属陶瓷型内部电极。
全文摘要
一种排气传感器制造方法包括提供传感元件，其具有开口端、封闭端以及在开口端和封闭端之间限定出内腔的内表面。所述方法还包括将喷嘴插入内腔中，向喷嘴供应电极材料，以及在喷嘴和传感元件之间基本上没有任何相对运动的状态下雾化电极材料以大致围绕着喷嘴末端形成电极材料雾，并使其沉积在传感元件的内表面上以形成内部电极。
文档编号G01N27/407GK1847839SQ200610075320
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月12日 优先权日2005年4月12日
发明者韦斯利·保罗·李, 迈克尔·戴尔·伯克, 约翰·埃弗里特·戴, 延斯·斯特凡·施奈德 申请人:罗伯特·博世有限公司