一种氮氧化物传感器

1.本发明涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种氮氧化物传感器。


背景技术：

2.氮氧化物传感器是汽车尾气监测与排放控制系统的重要部件，主要用于实时准确测量汽车尾气中的氮氧化物浓度。目前，汽车市场广泛应用的氮氧化物传感器由日本ngk公司制造(专利文件：us09631999b2，us09927413b2，ep0878709a2)，该传感器由氧化钇稳定氧化锆(ysz)陶瓷组成，pt加热器置于ysz陶瓷基体之间。为了避免ysz陶瓷基体在高温和12伏加热电压下的短路现象，必须在pt加热器与ysz陶瓷基体之间增加纯氧化铝绝缘层，包括pt加热器引脚的过孔内壁，这就增加了制备技术难度，降低了传感器的合格率，而且绝缘缺陷也直接影响氮氧化物传感器的使用寿命。此外，ysz陶瓷的热导率较低，热膨胀系数较大，抗热震性能较差，为了防止氮氧化物传感器因为热冲击而机械失效，一般在冷启动时避免使用过高的加热功率，这就导致氮氧化物传感器的冷启动时间较长。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提出一种氮氧化物传感器，旨在解决现有技术存在的绝缘失效、抗热震性能差和启动慢等问题。
4.为实现上述目的，本发明提出的氮氧化物传感器包括依次层叠设置和共烧结而成的第一固体电解质层、第二固体电解质层、第一绝缘层和第二绝缘层；所述第一绝缘层和所述第二绝缘层均为氧化铝陶瓷；所述第一固体电解质层背离所述第二固体电解质层的一侧设有公共电极，所述第一固体电解质层朝向所述第二固体电解质层的一侧设有第一主泵电极和第一辅助泵电极，所述第二固体电解质层朝向所述第一固体电解质层的一侧设有第二主泵电极、第二辅助泵电极以及测量泵电极，所述第二主泵电极和所述第二辅助泵电极分别对应所述第一主泵电极和所述第一辅助泵电极的位置设置，所述第一主泵电极与所述第二主泵电极相连通，所述第一辅助泵电极与所述第二辅助泵电极相连通，所述第二固体电解质层朝向所述第一绝缘层的一侧设有参比电极，所述第二绝缘层朝向所述第一绝缘层的一侧设有加热器，所述加热器用于加热所述公共电极、所述第一主泵电极、所述第一辅助泵电极、所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极、所述测量泵电极以及所述参比电极。
5.可选地，所述第二固体电解质层朝向所述第一绝缘层的一侧设有与所述参比电极连接的参比电极引线，所述第二绝缘层朝向所述第一绝缘层的一侧设有与所述加热器连接的加热器正极引线、加热器负极引线以及加热器测温线。
6.可选地，所述第二绝缘层背离所述加热器的一侧设有参比电极引脚、正加热电极引脚、负加热电极引脚以及测温线引脚；所述参比电极引脚、所述正加热电极引脚、所述负加热电极引脚以及所述测温线引脚分别对应与所述参比电极引线、所述加热器正极引线、所述加热器负极引线以及所述加热器测温线连接。
7.可选地，所述氮氧化物传感器还包括主泵电极引脚、辅助泵电极引脚、公共电极引
脚以及测量泵电极引脚，所述主泵电极引脚、所述辅助泵电极引脚、所述公共电极引脚以及所述测量泵电极引脚分别对应与所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极、所述公共电极以及所述测量泵电极连接；
8.其中，所述主泵电极引脚、所述辅助泵电极引脚、所述公共电极引脚以及所述测量泵电极引脚设置于所述第一固体电解质层背离所述第二固体电解质层的一侧；或者，
9.所述氮氧化物传感器还包括设置于第一固体电解质层背离所述第二固体电解质层的一侧的辅助结构层，所述主泵电极引脚、所述辅助泵电极引脚、所述公共电极引脚以及所述测量泵电极引脚设置于所述辅助结构层背离所述第一固体电解质层的一侧。
10.可选地，所述辅助结构层朝向所述第一固体电解质层的一侧有公共电极气体通道，所述辅助结构层上设有公共电极通气孔，且所述公共电极气体通道和所述公共电极通气孔均对应所述公共电极的位置设置，所述公共电极气体通道供待测气氛通过，所述公共电极通气孔与待测气氛相连通。
11.可选地，所述辅助结构层为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷或者氧化铝陶瓷或者它们的复合物。
12.可选地，所述第一绝缘层朝向所述第二固体电解质层的一侧设有用于供空气通过的参比气道，且所述参比气道对应所述参比电极的位置设置，所述参比气道与空气相连通。
13.可选地，所述公共电极背离所述第一固体电解质层的一侧覆盖有第一保护层；所述第一主泵电极和所述第一辅助泵电极朝向所述第二固体电解质层的一侧覆盖有第二保护层，所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极和所述测量泵电极朝向所述第一固体电解质层的一侧覆盖有第三保护层，所述第二保护层所述第三保护层之间设有泵电极扩散障，所述泵电极扩散障用于供待测气氛通过。
14.可选地，所述参比电极朝向所述第一绝缘层的一侧覆盖有第四保护层，所述第一保护层、所述第二保护层、所述第三保护层以及所述第四保护层均为多孔氧化锆层或多孔氧化铝层。
15.可选地，所述第一固体电解质层和所述第二固体电解质层均为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷。
16.本发明的技术方案中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层为氧化铝陶瓷，可以避免pt加热器在ysz对称层内过孔时产生的需要在其内壁上配置氧化铝绝缘层的问题，绝缘效果好，降低了制备难度，提高了传感器的合格率，所述第一固体电解质层、所述第二固体电解质层、所述第一绝缘层和所述第二绝缘层依次层叠设置和共烧结，且将所述公共电极、所述第一主泵电极、所述第一辅助泵电极、所述第二主泵电极、所述第二辅助泵电极、所述测量泵电极、所述参比电极、所述加热器依托所述第一固体电解质层、所述第二固体电解质层、所述第一绝缘层和所述第二绝缘层设置，结构整体性较好，抗震性能好，同时，所述氮氧化物传感器结构紧凑，提高了加热器的加热效率，避免了冷启动时间过长，所述氮氧化物传感器的主泵电极由所述第一主泵电极和所述第二主泵电极形成，所述氮氧化物传感器的辅助泵电极由所述第一辅助泵电极和所述第二辅助泵电极形成，使所述氮氧化物传感器的主泵电极和所述辅助泵电极对应的腔室内，氧分压较为一致，提高测量精度，因此，本技术方案，解决了所述氮氧化物传感器的绝缘问题，同时，抗震性能好、启动快、测量精度高。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
18.图1为本发明提供的氮氧化物传感器的第一实施例装配示意图；
19.图2为图1中氮氧化物传感器的截面示意图；
20.图3为本发明提供的氮氧化物传感器的第二实施例装配示意图；
21.图4为图3中氮氧化物传感器的截面示意图。
22.附图标号说明：
[0023][0024][0025]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0026]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0028]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0029]
氮氧化物传感器是汽车尾气监测与排放控制系统的重要部件，主要用于实时准确测量汽车尾气中的氮氧化物浓度。目前，汽车市场广泛应用的氮氧化物传感器由日本ngk公司制造(专利文件：us09631999b2，us09927413b2，ep0878709a2)，该传感器由氧化钇稳定氧化锆(ysz)陶瓷组成，pt加热器置于ysz陶瓷基体之间。为了避免ysz陶瓷基体在高温和12伏加热电压下的短路现象，必须在pt加热器与ysz陶瓷基体之间增加纯氧化铝绝缘层，包括pt加热器引脚的过孔内壁，这就增加了制备技术难度，降低了传感器的合格率，而且绝缘缺陷也直接影响氮氧化物传感器的使用寿命。
[0030]
鉴于此，本发明提供氮氧化物传感器，旨在解决现有技术存在的绝缘失效、制备难度高、传感器合格率低的问题。
[0031]
图1至图4为本发明提供的氮氧化物传感器100的实施例。
[0032]
本发明提出的氮氧化物传感器100包括依次层叠设置和共烧结而成的第一固体电解质层1、第二固体电解质层2、第一绝缘层3和第二绝缘层4；所述第一绝缘层3和所述第二绝缘层4均为氧化铝陶瓷；所述第一固体电解质层1背离所述第二固体电解质层2的一侧设有公共电极25，所述第一固体电解质层1朝向所述第二固体电解质层2的一侧设有第一主泵电极21和第一辅助泵电极22，所述第二固体电解质层2朝向所述第一固体电解质层1的一侧设有第二主泵电极14、第二辅助泵电极15以及测量泵电极16，所述第二主泵电极14和所述第二辅助泵电极15分别对应所述第一主泵电极21和所述第一辅助泵电极22的位置设置，所述第一主泵电极21与所述第二主泵电极14相连通，所述第一辅助泵电极22与所述第二辅助泵电极15相连通，所述第二固体电解质层2朝向所述第一绝缘层3的一侧设有参比电极11，所述第二绝缘层4朝向所述第一绝缘层3的一侧设有加热器6，所述加热器6用于加热所述公共电极25、所述第一主泵电极21、所述第一辅助泵电极22、所述第二主泵电极14、所述第二辅助泵电极15、所述测量泵电极16以及所述参比电极11。
[0033]
需要说明的是，所述氮氧化物传感器100包括主泵电池、辅助泵电池、测量泵电池、第一能斯特电池、第二能斯特电池以及第三能斯特电池(图未示)，所述主泵电池包括所述公共电极25、所述第一主泵电极21和第二主泵电极14，所述辅助泵电池包括所述公共电极
25、所述第一辅助泵电极22和第二辅助泵电极15，所述测量泵电包括所述公共电极25和所述测量泵电极16，所述第一能斯特电池包括所述参比电极11、所述第一主泵电极21和第二主泵电极14，所述第二能斯特电池包括所述参比电极11、所述第一辅助泵电极22和第二辅助泵电极15，所述第三能斯特电池包括所述测量泵电极16和所述参比电极11，在此，不再一一赘述。
[0034]
本发明的技术方案中，所述第一绝缘层3和所述第二绝缘层4为氧化铝陶瓷，可以避免pt加热器6在ysz对称层内过孔时产生的需要在其内壁上配置氧化铝绝缘层的问题，绝缘效果好，降低了制备难度，提高了传感器的合格率，所述第一固体电解质层1、所述第二固体电解质层2、所述第一绝缘层3和所述第二绝缘层4依次层叠设置和共烧结，且将所述公共电极25、所述第一主泵电极21、所述第一辅助泵电极22、所述第二主泵电极14、所述第二辅助泵电极15、所述测量泵电极16、所述参比电极11、所述加热器6依托所述第一固体电解质层1、所述第二固体电解质层2、所述第一绝缘层3和所述第二绝缘层4设置，结构整体性较好，抗震性能好，同时，所述氮氧化物传感器100结构紧凑，提高了加热器6的加热效率，避免了热启动时间过长，所述氮氧化物传感器100的主泵电极由所述第一主泵电极21和所述第二主泵电极14形成，所述氮氧化物传感器100的辅助泵电极由所述第一辅助泵电极22和所述第二辅助泵电极15形成，使所述氮氧化物传感器100的主泵电极和所述辅助泵电极对应的腔室内，氧分压较为一致，提高测量精度，因此，本技术方案，解决了所述氮氧化物传感器100的绝缘问题，同时，抗震性能好、启动快、测量精度高。
[0035]
进一步地，所述第二固体电解质层2朝向所述第一绝缘层3的一侧设有与所述参比电极11连接的参比电极引线12，所述第二绝缘层4朝向所述第一绝缘层3的一侧设有与所述加热器6连接的加热器正极引线7、加热器负极引线8以及加热器测温线9，便于所述参比电极11、所述加热器6的连接。
[0036]
进一步地，所述第二绝缘层4背离所述加热器6的一侧设有参比电极引脚37、正加热电极引脚36、负加热电极引脚35以及测温线引脚34；所述参比电极引脚37、所述正加热电极引脚36、所述负加热电极引脚35以及所述测温线引脚34分别对应与所述参比电极引线12、所述加热器正极引线7、所述加热器负极引线8以及所述加热器测温线9连接。具体地，所述参比电极11设置于所述第二固体电解质层2的左端，所述参比电极引脚37、所述正加热电极引脚36、所述负加热电极引脚35以及所述测温线引脚34设置于所述第二绝缘层4的右端，且所述参比电极引脚37、所述正加热电极引脚36、所述负加热电极引脚35以及所述测温线引脚34沿所述第二绝缘层4宽度方向并排间隔设置，所述第二绝缘层4开设有四个过线孔组160，且四个过线孔组160分别与所述参比电极引脚37、所述正加热电极引脚36、所述负加热电极引脚35以及所述测温线引脚34对应设置，以分别供所述参比电极引线12、所述加热器正极引线7、所述加热器负极引线8以及所述加热器测温线9穿过，方便连接并简化结构。所述第一绝缘层3对应所述参比电极引脚37的位置开设有一个过线孔组160，以供参比电极引线12穿过。
[0037]
进一步地，所述氮氧化物传感器100还包括主泵电极引脚33、辅助泵电极引脚32、公共电极引脚31以及测量泵电极引脚30，所述主泵电极引脚33、所述辅助泵电极引脚32、所述公共电极引脚31以及所述测量泵电极引脚30分别对应与所述第二主泵电极14、所述第二辅助泵电极15、所述公共电极25以及所述测量泵电极16连接；
[0038]
其中，在第一实施例中，如图1和图2所示，所述主泵电极引脚33、所述辅助泵电极引脚32、所述公共电极引脚31以及所述测量泵电极引脚30设置于所述第一固体电解质层1背离所述第二固体电解质层2的一侧，具体地，第一固体电解质层1开设有三个过线孔组160，且三个过线孔组160分别与主泵电极引脚33、辅助泵电极引脚32以及测量泵电极引脚30对应设置，以分别供主泵电极引线17、辅助泵电极引线18以及测量泵电极引线19穿过，方便连接。
[0039]
在第二实施例中，如图3和图4所示，所述氮氧化物传感器100还包括设置于第一固体电解质层1背离所述第二固体电解质层2的一侧的辅助结构层5，所述主泵电极引脚33、所述辅助泵电极引脚32、所述公共电极引脚31以及所述测量泵电极引脚30设置于所述辅助结构层5背离所述第一固体电解质层1的一侧，具体地，所述辅助结构层5开设有四个过线孔组160，且四个过线孔组160分别与所述主泵电极引脚33、所述辅助泵电极引脚32、所述公共电极引脚31以及所述测量泵电极引脚30对应设置，以分别供所述主泵电极引线17、所述辅助泵电极引线18、所述公共电极引线26以及所述测量泵电极引线19穿过，方便连接。
[0040]
进一步地，所述辅助结构层5朝向所述第一固体电解质层1的一侧有公共电极气体通道28，所述辅助结构层5上设有公共电极通气孔29，且所述公共电极气体通道28和所述公共电极通气孔29均对应所述公共电极25的位置设置，所述公共电极气体通道28供待测气氛通过，所述公共电极通气孔29与待测气氛相连通，待测气氛通过，保证检测效果。
[0041]
进一步地，所述辅助结构层5为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷或者氧化铝陶瓷或者它们的复合物，使所述辅助结构层5具有较好的机械强度和耐高温性，便于烧结和使用，降低所述氮氧化物传感器100的制备难度，提高所述氮氧化物传感器100的整体强度和使用效果。
[0042]
进一步地，所述第一绝缘层3朝向所述第二固体电解质层2的一侧设有用于供空气通过的参比气道10，且所述参比气道10对应所述参比电极11的位置设置，所述参比气道10与空气相连通，便于引入空气，保证测试效果。
[0043]
为了避免所述公共电极25、所述第一主泵电极21、所述第一辅助泵电极22、所述第二主泵电极14、所述第二辅助泵电极15和所述测量泵电极16的损坏，提高所述氮氧化物传感器100的使用寿命，本实施例中，所述公共电极25背离所述第一固体电解质层1的一侧覆盖有第一保护层27；所述第一主泵电极21和所述第一辅助泵电极22朝向所述第二固体电解质层2的一侧覆盖有第二保护层23，所述第二主泵电极14、所述第二辅助泵电极15和所述测量泵电极16朝向所述第一固体电解质层1的一侧覆盖有第三保护层20，所述第二保护层23所述第三保护层20之间设有泵电极扩散障24，所述泵电极扩散障24用于供待测气氛通过，在保护电极的同时，利用保护层的结构对应设置泵电极扩散障24，以提高氮氧化物传感器100的结构紧凑性，缩小氮氧化物传感器100的体积，提高了加热器6的加热效率。
[0044]
进一步地，所述参比电极11朝向所述第一绝缘层3的一侧覆盖有第四保护层13，对所述参比电极11进行保护，所述第一保护层27、所述第二保护层23、所述第三保护层20以及所述第四保护层13均为多孔氧化锆层或多孔氧化铝层。保护层的设置对电极提供保护，提高所述氮氧化物传感器100的使用寿命。
[0045]
一实施例中，所述第一保护层27、所述第二保护层23、所述第三保护层20以及所述第四保护层13的厚度均为10μm～100μm，如此设置，在确保其保护性能的同时，尽可能轻薄，
使所述氮氧化物传感器100整体更轻巧，结构更平整。
[0046]
进一步地，所述第一固体电解质层1和所述第二固体电解质层2均为3％mol～10％mol氧化钇稳定氧化锆陶瓷，所述第一固体电解质层1和所述第二固体电解质层2更有益于氧离子的传输，提高了所述氮氧化物传感器100的测试效率。
[0047]
一实施例中，所述加热器6为铂(pt)加热电路，且所述加热器6的厚度为5μm～50μm。铂(pt)加热电路耐高温，加热效率高，5μm～50μm的厚度较薄，保证工作性能的同时，使所述氮氧化物传感器100更轻巧和平整，进一步提高加热效率。
[0048]
一实施例中，所述参比电极引线12、所述公共电极引线26、所述主泵电极引线17、所述辅助泵电极引线18以及所述测量泵电极16都是致密pt，且所述参比电极引线12、所述公共电极引线26、所述主泵电极引线17、所述辅助泵电极引线18以及所述测量泵电极16呈扁平状，其厚度均为5μm～50μm，可在减小氮氧化物传感器100厚度的同时提高各个电极和引脚之间的连接稳定性。
[0049]
一实施例中，所述第一主泵电极21、所述第一辅助泵电极22、所述第二主泵电极14以及所述第二辅助泵电极15均为多孔金铂合金电极，所述测量泵电极16为多孔铂铑合金电极，所述公共电极25和所述参比电极11均为多孔铂电极。通过铂和铂合金的配合调节氮氧化物的反应效率，提高所述氮氧化物传感器100的测试精度。
[0050]
为了在减小氮氧化物传感器100厚度的同时保证各个电极的工作性能，所述第一主泵电极21、所述第一辅助泵电极22、所述第二主泵电极14、所述第二辅助泵电极15、所述参比电极11以及所述公共电极25的厚度均为5μm～50μm。
[0051]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。