专利名称：用于气体传感器的均匀温度加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加热装置，尤其涉及一种用于陶瓷多层结构的平板式气体传感器的均匀温度加热器。
背景技术：
车载尾气气体传感器通常在传感单元的多层陶瓷结构中配备有一个电阻加热器。加热器的功能是，汽车发动机一启动，加热器就把传感单元快速地加热到工作温度，并且在后续工作中，使传感单元保持一致的温度状态。在传感单元的传感功能区域保持一致且均匀的温度至关重要，只有在稳定的温度环境下，气体传感器才能够在不同的发动机工况下一直提供稳定的信号输出。
参见图1，在传统的典型陶瓷结构平板式气体传感器中，包括加热器电阻3及连接加热器电阻3两端的加热器导线4，加热器电阻3设置于传感单元末端5，加热器导线4延伸至传感单元安装端6，加热器电阻3附近形成电阻加热区域7。电阻加热器的加热单元是用盘卷成蛇形状的金属条做为加热元件。设计加热器时，一定要很好地控制材料的电阻和电阻值的热变系数，只有这样，通电后的加热器才能释放出设计的热量，并把气体传感器加热到准确的温度。加热器的工作温度需要在600°C到700°C之间。由于气体传感器制备和工作时温度很高，加热器材料通常采用钼金或鈀等贵重金属。这些金属材料还经常参入具有绝缘性的陶瓷粉料，以准确地调整和控制电阻性能。加热器电阻丝图形通常是用丝网印刷工艺把钼金或鈀粉制成的浆料印在氧化铝基片(green tape)上。在丝网印刷过程中，加热器电阻丝图形的形状和厚度一定要控制得非常好，这样，烧结后加热器电路里的电阻值才能够满足设计要求。其后的工艺步骤是把多层陶瓷基片(green tape)层压成传感单元结构。制备传感单元的最后加工程序是1400°C到1500°C的烧结过程。在烧结过程中，印刷好的加热器电阻丝图形中金属颗粒被烧结在一起，形成一个连续的电路。图I所示传统加热器是均匀宽度和均匀分布的蛇形电阻丝回路。这种均匀加热器电阻图形是为了简化设计，也为了防止出现那些严重缩短加热器寿命的“超热点”。电路通电后，热量在加热器电阻图形区域内被均匀地释放出来。问题是，在放热区域内，传感单元散热却是不均匀的。放热量和散热量的差异就在传感区域内产生一个温度梯度。图2所示的是在传感单元长度方向中心线上的温度分布曲线。加热器中心线与传感单元中心线相重叠。温度从传感单元末端起开始测量。该曲线清楚地显示了温度梯度的量值。在放热区域内温度的变化高达近300摄氏度。由于温度环境影响电极的工作状态，这样大的温度梯度将对气体传感器的性能稳定性造成负面影响。不少气体传感单元的设计只好把电极感应和测量区域限制在温度梯度最小的区域。这就大大降低了传感单元中部件配置的灵活性，无法优化传感单元的总体设计。更困难的是，某些高级气体传感器需要有多个电化学单元在几乎相同的温度下工作，它们的电极组也就需要更大的感应和测量区域。采用传统的加热器设计将无法满足这些气体传感器的需要。计算机辅助热分析模型能够非常准确地预测气体传感单元工作时的温度分布和热流动路径。对传统典型配置的传感单元的热分析结果表明，传感单元散热的主要路径是延着传感单元长度方向的热传导。气体传感器的传感单元通常被安装在陶瓷衬套内，然后和衬套一起被固定在气体传感器的金属壳体上。陶瓷衬套和金属壳体在传感器工作时的温度要比传感单元加热区域的温度低的多，因此，他们相当于散热流动路径上的“吸热黑洞”。从加热器放热区域到这个“吸热黑洞”的散热就造成图2所示的温度梯度。总而言之，传感单元末端(传感端)比安装端(壳体端)的散热要小得多，因此就产生了图2所示的温度分布结果。
发明内容
本发明的目的在于克服传统平板式气体传感器加热器的上述缺陷，提供一种用于气体传感器的均匀温度加热器，其温度的均匀分布能够提高气体传感器的性能。本发明由蛇形电阻丝及分别连接于蛇形电阻丝两端的加热器导线构成，其特征在于在加热器电阻图形区域内，加热器能够非均匀地产生热量，也就是说加热器单位面积放 热量不同。本发明所述的加热器电阻图形区域即蛇形电阻丝区域沿传感器长度方向形成两个蛇形电阻区域，分别为在电阻图形区域中离传感单元末端最远、且跨过整个宽度方向的区域部分的第一电阻区域以及电阻图形区域里剩余的区域部分的第二电阻区域。本发明所述第一电阻区域内加热器单位面积放热量与第二电阻区域内加热器单位面积放热量不同。本发明构成中的第一电阻区域内与第二电阻区域内的电阻图形设计和/或电阻丝材料和/或电阻丝几何参数各不相同。本发明所述第一电阻区域所覆盖的面积将占整个加热器电阻区域的15%到40%，其余为第二电阻区域面积。本发明加热器在第一电阻区域里的发热量占总发热量的70%到90%，其余为加热器在第二电阻区域的发热量。本明该加热器的独特电阻匹配设计使其在气体传感单元的传感区域内产生一个均匀温度区。通过对加热器电阻图形进行非均匀设计，在指定区域内，加热器发热量与从这一区域散热量基本相当，从而在该区域获得基本均匀的温度分布。
图I :为传统典型的陶瓷结构平板式气体传感器加热器构造的详情平面 图2 :为传统加热器中心线长度方向实测温度的分布曲线；
图3:为本发明电阻区域定义示意 图4 :为本发明加热器实施例的平面图，图中显示了整个电阻放热区域被划分成两个部分。每个电阻区域内的发热量经严格控制，以实现均匀温度场。图5 :为本发明应用实例加热器工作时加热区域温度分布的热分析结果。图6 :为本发明加热器中心线长度方向温度分布的热分析结果。加热器中心线与传感单元中心线相重叠。温度从传感单元末端量起。
具体实施例方式以下结合实施例并对照附图对本发明进行详细说明。
实施例图3为本发明实施例具体设计的平面图，显示了该加热器的电阻图形设计。本实施例的电阻区域分成两个部分，即图4中的电阻区域I和电阻区域2。本实施例的设计參数如下
总电阻区域面积3. 3mm宽x 6. 38 mm长 =21. 05 mm2 ；电阻区域I的面积3. 3mm宽 x I. 79 mm长=5. 91mm2 ；
电阻区域I的面积=28% of总放热面积；
电阻区域I的电阻=40 πιΩ/sq. @ 13. 5 Mm厚；
电阻区域I电阻丝宽度=.14 mm ;
电阻区域I电阻丝长度=21. 21mm ；
电阻区域I厚度=12. 8lMm ；
电阻区域I方块总数=L/W = 151. 5 sq ；
电阻区域I总电阻= 5.75 Ω i 20oC & 12. 8lMm厚；
电阻区域2的电阻=20 πιΩ/sq. @ 13. 5 Mm厚；
电阻区域2电阻丝宽度=.38 mm ;
电阻区域2电阻丝长度=20. 27mm ；
电阻区域2厚度=19. 19Mm ；
电阻区域2方块总数=L/W = 53. 3 sq ；
电阻区域2总电阻= 0.75 Ω i 20oC & 12. 8lMm厚；
钼金电阻值的热系数=3700ppm/oC ；
电阻区域I电阻O 700oC = 20. 22 Ω ；
电阻区域2电阻@ 700oC = 2. 63Ω ；
总电阻 @ 700oC = 22. 85Ω ；
给定电流=· 52 A ;
加热器总功率@ 700oC = 6. 17W ；
电阻区域I功率O 700oC = 5. 47W ；
电阻区域I放热量占加热器总放热量比例=88.7%。本实施例的电阻区域的总宽度为3. 3毫米，总长度为6. 38毫米。其中电阻区域I的长度为I. 79毫米。因此，电阻区域I占有总电阻区域面积的28%。 本实施例的电阻图形是用丝网印刷工艺把钼金为基体的浆料印刷在氧化铝基片(green tape)载体上。电阻区域I的钼金浆料烧结后的电阻厚度是13. 5微米，其烧结后的电阻值是40 πιΩ/sq。电阻区域2的钼金浆料烧结后的电阻厚度也是13. 5微米，其烧结后的电阻值是20 πιΩ/sq。
本实施例电阻区域I内加热器蛇形电阻丝的宽度不变为O. 14毫米。厚度为12. 81微米。电阻区域I内蛇形电阻丝的总长度是21. 21毫米。因此，电阻区域I的电阻图形共有151. 5 sq.，在20°C，电阻区域I内总电阻为5. 57欧姆。
本实施例电阻图形区域2内的电阻丝宽度是O. 30毫米，厚度为19. 19微米。电阻区域2内电阻图形的总长度是20. 27毫米。因此，电阻区域2内电阻图形包括53. 3 sq.,在20°C，电阻区域2内总电阻为O. 75欧姆。钼金材料电阻值的热变系数是3700 ppm/°C。两个电阻区域内工作温度要求都是700°C,因此，电阻区域I工作时的电阻为20. 22欧姆，而电阻区域2工作时的电阻为2. 63欧姆，加热器工作时总电阻也就是22. 85欧姆。已知电阻和给定电流之后，即可计算出每个电阻区域内发热量的瓦数。例如给定电流是0.52安培，电阻区域I内的发热量将是5. 47瓦，而加热器总发热量为6. 17瓦。在本实施例中，电阻区域I的发热量为加热器总发热量的88. 7%，电阻区域I的面积是加热器总电阻区域面积的28%。图5显示了带有此加热器应用例证的气体传感单元内温度分布图。该温度分布是用计算机辅助热分析模型计算出来的。该分析结果证明，用本发明设计出的加热器，传感单元加热区域的温度十分均匀。
图6为沿传感单元长度方向中心线的温度变化曲线图。该曲线证明，按本发明设计的加热器在加热区域内的温度梯度大大地少于传统加热器设计。本实施例的加热器电阻图形区域内，加热器能够非均匀地产生热量，也就是说加热器单位面积放热量不同。非均匀放热的实现方式包括但不限于在加热器电阻图形区域内选择不同的电阻材料，选择不同的电阻丝几何參数(例如不同的电阻丝宽度、厚度等)，选择不同的图形设计，或者这些方式的某种组合。
权利要求
1.一种用于气体传感器的均匀温度加热器，由加热器电阻图形区域的蛇形电阻丝及分别连接于蛇形电阻丝两端的加热器导线构成，其特征在于在加热器电阻图形区域内，加热器能够非均匀地产生热量，也就是说加热器单位面积放热量不同。
2.根据权利要求I所述的用于气体传感器的均匀温度加热器，其特征在于加热器电阻图形区域即蛇形电阻丝区域沿传感器长度方向形成两个蛇形电阻区域，分别为在电阻图形区域中离传感单元末端最远、且跨过整个宽度方向的区域部分的第一电阻区域以及电阻图形区域里剩余的区域部分的第二电阻区域。
3.根据权利要求2所述的用于气体传感器的均匀温度加热器，其特征在于第一电阻区域内加热器单位面积放热量与第二电阻区域内加热器单位面积放热量不同。
4.根据权利要求2或3所述的用于气体传感器的均匀温度加热器，其特征在于构成第一电阻区域内与第二电阻区域内的电阻图形设计和/或电阻丝材料和/或电阻丝几何参数各不相同。
5.根据权利要求2或3所述的用于气体传感器的均匀温度加热器，其特征在于第一电阻区域所覆盖的面积将占整个加热器电阻区域的15%到40%，其余为第二电阻区域面积。
6.根据权利要求2或3所述的用于气体传感器的均匀温度加热器，其特征在于加热器在第一电阻区域里的发热量占总发热量的70%到90%，其余为加热器在第二电阻区域的发热量。
全文摘要
本发明公开了一种用于气体传感器的均匀温度加热器，由蛇形电阻丝及分别连接于蛇形电阻丝两端的加热器导线构成，蛇形电阻丝沿传感器长度方向形成两个蛇形电阻区域，分别为在电阻区域中离传感单元末端最远、且跨过整个宽度方向的区域部分的第一电阻区域以及电阻区域里剩余的区域部分的第二电阻区域。使其在气体传感单元的传感区域内产生一个均匀温度区。通过对加热器电阻图形进行非均匀设计，在指定区域内，加热器发热量与从这一区域散热量基本相当，从而在该区域获得基本均匀的温度分布。
文档编号H05B3/02GK102685939SQ20121019182
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者陈兴举 申请人:陈兴举