专利名称：一种氧传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种氧传感器，尤其涉及一种车用理论空燃比氧传感器。
背景技术：
在发动机控制系统中，氧传感器、三元催化与电子控制供油系统为一套，即所谓的三元系统，此系统是现代发动机控制的核心。现在使用最多的车用氧传感器是检测理论空燃比型氧传感器，它用于发动机的电喷控制系统中，使其保持在理论空燃比附近工作，从而使三元催化处于最佳的工作区间。
目前广泛使用的氧传感器是浓差型氧化锆氧传感器，主要采用管式结构，该氧传感器内部由陶瓷感测头、电极垫片、压缩弹簧及信号导线等元件所组构而成。其中，陶瓷感测头可采用冷均压成型或射出成型两种方式制出。但存在以下缺点以冷均压成型制出而言，机器设备成本昂贵，成型速度慢，模具成本与附属周边设备维修保养不易且成本高，以及成型出的制品会产生毛边，产品工艺上需多一道车毛边的二次加工程序。而以射出成型而言，其所制出陶瓷感测头成本高，且需在氧化锆中加入许多有机添加物以增加其结合性，所以在成型后陶瓷感测头再进行高温烧结时，会因其有机物燃烧残留较大空隙且产生收缩现象，使陶瓷感测头整体组织致密度不足，相对于所成型的整体结构强度就会稍嫌不足，严重的甚至会产生龟裂现象，所制出品质良好率低。故陶瓷感测头的制造是目前无法大量生产，而造成产品单价居高不下，也是目前产业上的技术瓶颈。
中国专利申请号CN00120637.0公开了一种管状氧传感器及其制造方法。氧传感器的一端开口，一端封闭的管状陶瓷氧敏感元件的内外表面有带导电连线的多孔参比电极和测量电极。测量电极的极面上依次设置有氧化锆多孔保护层和氧化铝多孔保护层。在灵敏度和激活速度上已经取得了较大的进步。但是，随着人们对环保意识的提高，意识到汽车排放污染物对大气层的破化，人们对氧传感器的成本、灵敏度和激活速度提出了更高的要求。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种成本低、灵敏度高、激活快的氧传感器。
本实用新型进一步要解决的技术问题是提供一种氧传感器，其对氧传感器主体机械强度要求低。
本实用新型次进一步要解决的技术问题是提供一种工作寿命长的氧传感器。
为了解决以上技术问题，本实用新型的技术方案是一种氧传感器，包括敏感元件，还包括加热体和高温电极，敏感元件为片状结构，加热体内部设置有空腔并在其一表面设置有与空腔相连的小孔，敏感元件一面通过小孔与环境大气相接触，另一面与汽车尾气相连，敏感元件与加热体为一体结构；高温电极与敏感元件的两侧电极相连，用以输出敏感元件的信号。
敏感元件的上表面面积小于加热体的上表面面积。
所述片状敏感元件的上表面为圆形、椭圆形或方形。
所述圆形片状敏感元件的厚度小于1毫米，直径为8.5毫米。
所述片状敏感元件的内外表面有参比电极和测量电极，参比电极通过小孔与环境大气相接触，测量电极与汽车尾气相接触。
所述测量电极的厚度为5-25微米，孔隙率为40-60％；参比电极的厚度为5-50微米，孔隙率为30-60％。
所述测量电极和参考电极为多孔金属电极或氧化物电极。
在加热体印有高温电极的一侧设有保护层或覆盖有绝缘片。
所述加热体为片状结构。
所述片状加热体的上表面为方形、台形或锥形。
所述测量电极的表面设置有保护层。
本实用新型的技术效果是(1)氧传感器成本低、灵敏度高、激活快。其原理是这样的，本实用新型氧传感器为片式氧传感器，用氧化铝陶瓷基片印刷电阻浆料、叠片，高温共烧制备具有内部腔体结构的片状陶瓷加热体，用模压法或流延法制备敏感元件，从而成本低廉，产品一致性高，装配简单，且敏感元件与加热体由高温密封材料连为一体结构，加热体的热量直接传导到敏感元件上，热效率高，尤其在高温状态下，用老式筒形传感器一半的耗电量就可以加热传感元件。此外，敏感元件的厚度小于1毫米，直径为8.5毫米，相对于氧化锆陶瓷管来说质量小、厚度薄，即氧传感器的总容量较小，可缩短发动机启动后至氧传感器激活的等待时间。图3是本实用新型氧传感器与管式氧传感器升温激活时间的对比关系图，从图中也可以看出，氧传感器激活的等待时间明显比管式氧传感器短。
(2)对氧传感器主体的机械强度要求低。敏感元件的面积小、厚度薄，所以对主体的机械强度要求低。
(3)工作寿命长。氧传感器在加热体印有高温电极的一侧设有保护层或覆盖有绝缘片，该保护层和绝缘片覆盖在加热体印有高温电极的一侧，能保护电极免受高温高速气流的冲击，延长了高温电极的使用寿命，同时也起到保护信号输出电极与金属封装本体的绝缘性能，且在测量电极表面也设置有陶瓷保护层，也延长了氧传感器的使用寿命。
下面参照附图结合实例对本实用新型作进一步详细的说明图1本实用新型氧传感器的结构示意图；图2敏感元件结构示意图；图3本实用新型氧传感器与管式氧传感器升温激活时间的对比关系图。
具体实施方式图1是本实用新型氧传感器的结构示意图。该氧传感器由敏感元件1、加热体2、绝缘片3和高温电极4组成。加热体2内部设有空腔并在其一侧设置有与空腔相连的小孔5，，敏感元件1一面通过小孔与加热体2上的小孔5相接触，用于与大气环境相连，另一面与汽车尾气接触，用于采集环境大气和汽车尾气的参数，敏感元件1与加热体2间的接缝采用热膨胀系数和与敏感元件1与加热体2材料相匹配的高温材料密封连为一体结构，可以使用微晶玻璃密封；高温电极4为两条，分别与敏感元件1的两侧电极相连，用以输出敏感元件的信号，绝缘片3覆盖在陶瓷加热体2印有高温电极4的一侧。
图2是本实用新型敏感元件结构示意图。敏感元件1为片状结构且在其内外表面有参比电极7和测量电极6，敏感元件1的参比电极7与加热体2上的小孔5相接触，用于与大气环境相连，测量电极6与汽车尾气接触，因为该侧电极长期工作在高温高速尾气环境中，为了延长其使用寿命，在测量电极6表面制备有多孔陶瓷保护涂层。
在本实用新型的一个优选实施例中，敏感元件1为氧化钴圆形敏感元件，其直径为8.5毫米，厚度小于1毫米；在氧化钴圆形敏感元件的内外表面设有参比电极7和测量电极6，其中测量电极6的厚度为5-25微米，孔隙率为40-60％；参比电极7的厚度为5-50微米，孔隙率为30-60％，参比电极7和测量电极6为多孔铂电极，且在测量电极6表面设置有陶瓷保护层，材料为ZrO2-CaO-MgO-Al2O3；加热体2为陶瓷加热体；绝缘片3为氧化铝陶瓷垫片。
在本实用新型氧传感器的另一个优选实施例中，参比电极7和测量电极6为多孔金属氧化物电极。
在本实用新型的第三个优选实施例中，采用多孔陶瓷涂层覆盖在陶瓷加热体2印有高温电极4的一侧，同时也起到保护信号输出电极与金属封装本体的绝缘性能。
氧传感器的具体制备方法如下具有内部腔体结构的片状加热体2可以由三层、四层或更多层陶瓷基片印刷电阻浆料高温共烧而成，其内部腔体结构居中，形状为长方体，宽和高分别是3mm和1mm，空腔结构距加热体封闭的前端的距离为1.5mm，在一侧的表面上有一圆孔5与空腔结构相连，圆孔5的圆心距封闭的加热体2前端3mm。片式加热体2前端的宽度小于10mm，可以是方形，台形，锥形或者其它前端宽度小而后端宽度大的形式。圆形敏感元件1用模压法制备氧化锆，制备时，稳定剂Y2O3的摩尔含量为5％～9％，烧结助剂摩尔含量为0.2％～1.0％。用铂浆将氧化钴圆形敏感元件1粘结在陶瓷加热体的适当位置上烘烤，烘烤温度为100～200℃，时间为15～120分钟，烘烤完毕后进行电极烧结，烧结温度为500～1000℃，时间为15～120分钟。然后用合适的高温密封材料将圆片四周封闭，从而敏感元件1与加热体2形成一体结构，以保证高温密封的效果，防止尾气渗入参比气体中。氧化锆圆形敏感元件1的信号通过印制在片状陶瓷加热体上的一组高温电极引出。
当然氧传感器还可以用如下方法制造带空腔结构的片式陶瓷加热体2制备同上，用流延法制备钇稳定氧化锆陶瓷基片，基片的厚度为25～50微米，通过丝网印刷的方法在钇稳定的氧化锆基片一侧印刷多孔铂电极，进行烘烤，烘烤温度为100～200℃，时间为15～120分钟，接着在另一侧印刷多孔铂电极，同样的条件进行烘烤，烘烤完毕后进行电极烧结，烧结温度为500～1000℃，时间为15～120分钟，然后在一侧的电极上印刷多孔陶瓷保护层，材料为ZrO2-CaO-MgO-Al2O3，干燥温度为100～200℃，时间为15～120分钟，然后进行高温烧结，烧结温度为1000～1200℃，烧结时间为120分钟，最后通过激光切割或者电弧切割将整片的氧化锆陶瓷基片分割成所需形状和大小的氧化锆敏感元件1，本氧传感器制造方法中氧化锆敏感元件1的为边长5mm的正方形，通过铂电极浆将氧化锆敏感元件1贴装在带空腔结构的陶瓷加热体2，氧化锆敏感元件1的中心正对陶瓷加热体2上的小孔5，参比电极7通过贴装用的铂浆与一条高温电极相导通，用铂浆将测量电极6与另一条高温电极导通，最后用高温密封材料将氧化锆敏感元件1与陶瓷加热体2的接缝四周密封，以防止尾气渗入参比气体中。
图3本实用新型氧传感器与管式氧传感器升温激活时间的对比关系图。图中曲线1为片式氧传感器升温与激活时间的关系曲线，其靠近横轴，曲线2为管式氧传感器升温与激活时间的关系曲线，远离横轴。该图结果由发动机台架试验获得，其中，排气温度为350℃，λ＝0.97。从图中可以看出，氧传感器激活的等待时间明显比管式氧传感器短。氧化锆敏感元件尺寸相对于氧化锆陶瓷管来说质量小、厚度薄，所以升温激活时间短，而且对氧传感器主体的机械强度要求低，同时氧传感器正常工作消耗的功率也小，管式结构的氧传感器的陶瓷加热体冷态电阻为2.1Ω，而片式结构氧传感器所用陶瓷加热体的冷态电阻为4Ω。
本实用新型的特点是，加热器的热量通过加热体2直接传导到敏感元件1上，所以热效率很高。尤其高温状态下，用老式筒形传感器一半的耗电量就可以加热敏感元件。另外，因为氧传感器的总容量比较小，所以可缩短发动机启动后至氧传感器激活的等待时间。当然敏感元件1还可以采取椭圆形、方形结构或其它适用形状。这样的变换均落在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种氧传感器，包括敏感元件(1)，其特征在于还包括加热体(2)和高温电极(4)，敏感元件(1)是片状结构，加热体(2)内部设置有空腔且在其一表面设有与空腔相连的小孔(5)，该敏感元件(1)一面通过小孔(5)与环境大气相接触，另一面与汽车尾气相连，敏感元件(1)与加热体(2)为一体结构；高温电极(4)与敏感元件(1)的两侧电极相连。
2.按照权利要求1所述的氧传感器，其特征在于所述片状敏感元件(1)的上表面面积小于加热体(2)的上表面面积。
3.按照权利要求2所述的氧传感器，其特征在于所述片状敏感元件(1)的上表面为圆形、椭圆形或方形。
4.按照权利要求3所述的氧传感器，其特征在于所述圆形片状敏感元件(1)的厚度小于1毫米，直径为8.5毫米。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的氧传感器，其特征在于在所述片状敏感元件(1)的内外表面设有测量电极(6)和参比电极(7)，参比电极(7)通过小孔(5)与环境大气相接触，测量电极(6)与汽车尾气相接触。
6.按照权利要求5所述的氧传感器，其特征在于所述测量电极(6)和参比电极(7)为多孔金属电极或氧化物电极。
7.按照权利要求6所述的氧传感器，其特征在于所述测量电极(6)的厚度为5-25微米，孔隙率为40-60％；所述参比电极(7)的厚度为5-50微米，孔隙率为30-60％。
8.按照权利要求5所述的氧传感器，其特征在于所述测量电极(6)的表面设有保护层(8)。
9.按照权利要求1至4中任一项所述的氧传感器，其特征在于所述加热体(2)为片状结构。
10.按照权利要求9所述的氧传感器，其特征在于所述片状加热体(2)的上表面为方形、台形或锥形。
11.按照权利要求1至4中任一项所述的氧传感器，其特征在于在加热体(2)印有高温电极(4)的一侧设有保护层或覆盖有绝缘片(3)。
专利摘要本实用新型公开了一种氧传感器，包括敏感元件，还包括加热体和高温电极，敏感元件是片状结构，加热体内部设置有空腔并在其一表面设置有与空腔相连的小孔，敏感元件一面通过小孔与环境大气相接触，另一面与汽车尾气相连，敏感元件与加热体为一体结构；高温电极与敏感元件的两侧电极相连，用以输出敏感元件的信号，所述片状敏感元件的内外表面有参比电极和测量电极，参比电极通过小孔与环境大气相接触，测量电极与汽车尾气相接触。该氧传感器成本低、灵敏度高、激活快、对氧传感器主体的机械强度要求低且使用寿命长。
文档编号G01N27/30GK2754099SQ20042010546
公开日2006年1月25日 申请日期2004年12月1日 优先权日2004年12月1日
发明者李春波, 聂坚, 成宏伟 申请人:比亚迪股份有限公司