一种极限电流型氧传感器的制作方法

本实用新型涉及氧传感器技术领域，具体为一种极限电流型氧传感器。

背景技术：

为严格限制汽车尾气中碳氢化合物、一氧化碳及氮氧化合物三种污染物的排放，常在汽车发动机上安装三元催化器，三元催化器是一种能同时净化汽车尾气中的碳氢化合物、一氧化碳及氮氧化合物三种污染物的催化器。由于三元催化器只能在理论空燃比附近很小的范围内工作，空燃比为汽车尾气中空气与燃料气体的质量比例，理论空燃比为14.7，目前理论空燃比的维持主要依靠氧传感器实现。

现有技术中常用的氧传感器包括极限电流型氧传感器，其陶瓷基板内设置有尾气腔与空气腔，尾气腔通过扩散孔与汽车排气管道连通，尾气腔内设置有泵电极，空气腔内设置有参比电极，汽车尾气通过扩散孔进入尾气腔内，氧气通过泵电极与参比电极实现在尾气腔与空气腔内的扩散，从而控制汽车尾气的空燃比维持在合理值。

目前，经研究将汽车尾气的空燃比控制在理论值附近时，燃料燃烧最充分，三元催化器的净化能力最强，排放的有害气体最少，当汽车尾气空燃比大于理论值时汽车尾气被称为稀薄气体，小于理论值时被称为过浓气体，在这两种状态下，泵电流方向相反，空燃比偏离合理值，将导致三元催化器的净化能力大大降低。但是现有技术中常用的氧传感器在汽车尾气出现过浓状态时存在无法准确测量实际空燃比的情况，其对空燃比的控制范围较窄，无法将空燃比准确修正到理论值，其主要原因是氧传感器中的空气腔结构存在进气不足的问题，当空腔进气不足时，极限电流在过浓气氛时变化趋缓，丧失与空燃比一一对应的关联性，如图6所示，图6中λ表示实际空燃比与理论空燃比的比值，氧传感器已无法准确表征尾气中空燃比的状态，为了增加空腔的进气量，现有技术中常采用增加空气腔的截面积的方式，但是空气腔的截面积增大易导致以下问题产生：（1）使整个装置的制造工艺难度的大幅增加；（2）在保持相对结构不变的条件下，则必须增加各陶瓷基片的厚度，造成成本的上升；（3）若陶瓷基片的厚度不变，只将空气腔变大，则会造成整体强度的下降，且在汽车行驶时，可能导致氧传感器因高速振动而断裂失效的问题出现。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的极限电流型氧传感器对空燃比的测量范围较窄，空气腔结构存在进气不足的问题，本实用新型提供了一种极限电流型氧传感器，其无需增大空气腔的截面积即可确保空气腔进气充足，可大大提高极限电流型氧传感器对空燃比的测量范围。

一种极限电流型氧传感器，其包括六层自下而上叠压的陶瓷基板，分别为第一生瓷层、第二生瓷层、第三生瓷层、第四生瓷层、第五生瓷层、第六生瓷层；所述第六生瓷层与第五生瓷层相连接的位置设置有加热器，所述加热器的外表面覆盖有绝缘层；所述第四生瓷层内开有空气腔，所述空气腔的一端穿过所述第四生瓷层的一端端面与外部空气连通，所述空气腔内安装有参比电极，所述参比电极的上表面固定于所述第三生瓷层的下表面；所述第二生瓷层内开有尾气腔，所述尾气腔内安装有泵电极，所述泵电极与所述参比电极通过电线连接，所述泵电极分别安装于所述第一生瓷层的下表面、第三生瓷层的上表面，所述第一生瓷层上开有扩散孔，所述扩散孔与所述尾气腔相连通，所述尾气腔内围绕所述扩散孔的位置填充有扩散层，其特征在于，所述第四生瓷层内所述空气腔两侧分别开有侧通孔，所述侧通孔的一端与所述空气腔连通，所述侧通孔的另一端与外部空气连通。

其进一步特征在于，将所述侧通孔替换为多孔通道，在所述第四生瓷层内所述空气腔两侧分别设置所述多孔通道，所述多孔通道包括若干个相互连通的气孔，所述多孔通道的一端与所述空气腔连通，所述多孔通道的另一端与外部空气连通，所述多孔通道由氧化铝制成；

所述多孔通道的气孔为圆形或正六边形；

所述绝缘层为氧化铝；

所述第六生瓷层的下表面固定安装有下表面电极，所述第六生瓷层内开有第一通孔，所述下表面电极穿过所述第一通孔与所述加热器固定连接，所述第一生瓷层的上表面固定安装有上表面电极，所述第一生瓷层内开有第二通孔，所述上表面电极穿过所述第二通孔与所述参比电极固定连接。

采用本实用新型的上述结构，在第四生瓷层内空气腔两侧分别开侧通孔，侧通孔将空气腔与外部空气连通，工作过程中，空气沿空气腔一端及两侧的侧通孔进入空气腔内，大大提高了空气腔的进气量，在参比电极与泵电极之间施加电压，氧气通过参比电极与泵电极实现在尾气腔与空气腔内的扩散，从而将汽车尾气排放的尾气空燃比控制在理论值附近，该方式相比于现有技术中的增大空气腔截面积的方式，只需在第四生瓷层侧端开通孔即可，制造工艺简单，且无需增加陶瓷基片的厚度，制造成本低，也无需将空气腔变大，避免了整体强度下降的问题出现；并且本装置还可在空气腔两侧设置多孔通道，通过多孔通道将空气腔与外部空气连通，多孔通道设置为相互连通的多气孔结构，大大提高了空气腔的进气量，从而实现了将空燃比控制在理论值附近，大大提高了对空燃比的控制精度；同时多孔通道对其上方和下方的陶瓷基片具有支撑作用，相比于现有技术中的增大空气腔截面积的方式，多孔通道的设置大大增强了本装置的结构强度，避免了氧传感器因高速振动而断裂失效的问题出现。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二的结构示意图；

图3为本实用新型主视图剖视的部分结构示意图；

图4为不同氧含量下的电流与电压的特性曲线；

图5为极限电流与空燃比的关系特性曲线；

图6为空气腔中空气进气足够和进气不足两种状态。

具体实施方式

实施例一，如图1、图3所示，一种极限电流型氧传感器，其包括六层自下而上叠压的陶瓷基板，分别为第一生瓷层1、第二生瓷层2、第三生瓷层3、第四生瓷层4、第五生瓷层5、第六生瓷层6；第六生瓷层6与第五生瓷层5相连接的位置设置有加热器7的外表面覆盖有绝缘层8，绝缘层8为氧化铝；

第四生瓷层4内开有空气腔9，空气腔9的一端穿过第四生瓷层4的一端端面与外部空气连通，空气腔9内安装有参比电极10，参比电极10的上表面烧结于第三生瓷层3的下表面；第二生瓷层2内开有尾气腔11，尾气腔11内安装有泵电极12，泵电极12与参比电极10通过外部电路19连接，外部电路19的作用是向泵电极12与参比电极10之间施加电压，控制泵电极12与参比电极10之间的电流流向，泵电极12分别固定烧结于第一生瓷层1的下表面、第三生瓷层3的上表面，第一生瓷层1上开有扩散孔13，扩散孔13与尾气腔11相连通，扩散孔13将尾气腔11分割成左右两个腔室，扩散孔13与尾气腔11左右两侧的腔室相连通的部位分别填充有扩散层14，扩散层14使汽车尾气均匀扩散至尾气腔11的左右两侧的腔室内，第四生瓷层4内空气腔9两侧分别开有侧通孔15，侧通孔15的一端与空气腔9连通，侧通孔15的另一端与外部空气连通；第六生瓷层6的上表面固定安装有表面电极16，第六生瓷层6内开有通孔，表面电极16穿过通孔与参比电极10固定连接；第六生瓷层6的下表面固定安装有下表面电极16，第六生瓷层6内开有第一通孔，下表面电极16穿过第一通孔与加热器7固定连接，第一生瓷层1的上表面固定安装有上表面电极20，第一生瓷层1内开有第二通孔，上表面电极20穿过第二通孔与参比电极10固定连接，上表面电极20与下表面电极16对称布置；本实施例中陶瓷基板的材质均为氧化锆。

实施例二，如图2、图3所示，如图1、图3所示，一种极限电流型氧传感器，其包括六层自下而上叠压的陶瓷基板，分别为第一生瓷层1、第二生瓷层2、第三生瓷层3、第四生瓷层4、第五生瓷层5、第六生瓷层6；第六生瓷层6与第五生瓷层5相连接的位置设置有加热器7的外表面覆盖有绝缘层8，绝缘层8为氧化铝；

第四生瓷层4内开有空气腔9，空气腔9的一端穿过第四生瓷层4的一端端面与外部空气连通，空气腔9内安装有参比电极10，参比电极10的上表面烧结于第三生瓷层3的下表面；第二生瓷层2内开有尾气腔11，尾气腔11内安装有泵电极12，泵电极12与参比电极10通过外部电路19连接，外部电路19的作用是向泵电极12与参比电极10之间施加电压，控制泵电极12与参比电极10之间的电流流向，泵电极12分别固定烧结于第一生瓷层1的下表面、第三生瓷层3的上表面，第一生瓷层1上开有扩散孔13，扩散孔13与尾气腔11相连通，扩散孔13将尾气腔11分割成左右两个腔室，扩散孔13与尾气腔11左右两侧的腔室相连通的部位分别填充有扩散层14，扩散层14使汽车尾气均匀扩散至尾气腔11的左右两侧的腔室内，第四生瓷层4内空气腔9两侧分别设置多孔通道18，多孔通道18包括若干个相互连通的气孔，多孔通道18的一端与空气腔9连通，多孔通道18的另一端与外部空气连通，多孔通道18由氧化铝制成，本实施中多孔通道的气孔为正六边形；第六生瓷层6的下表面固定安装有下表面电极16，第六生瓷层6内开有第一通孔，下表面电极16穿过第一通孔与加热器7固定连接，第一生瓷层1的上表面固定安装有上表面电极20，第一生瓷层1内开有第二通孔，上表面电极20穿过第二通孔与参比电极10固定连接，上表面电极20与下表面电极16对称布置；本实施例中陶瓷基板的材质均为氧化锆。

其具体工作原理如下所述：极限电流型氧传感器工作温度大约为650度。汽车尾气通过扩散孔13，再经过扩散层14进入到尾气腔11，此时只有很低浓度的氧气进入到尾气腔11，在泵电极12和参比电极10间施加电压，增大泵电极12和参比电极10间电压，则泵电流增大，由于尾气腔11内氧气很少，泵电压提高到一定程度，尾气腔11内氧气将消耗至接近为零，通过扩散孔13来不及补充，泵电流会趋向饱和，在电流电压关系曲线上形成台阶，台阶的电流数值称为极限电流。如图4所示，图4中中横轴表示电压值，竖轴表示电流值，不同的台阶即曲线表示不同的空燃比状态，图4中A表示空气，F表示燃料气体，A/F表示空燃比。

汽车尾气中空气与燃料气体的比例称为空燃比，经研究当空燃比等于14.7时，燃料燃烧最充分，三元催化器的净化能力最强，排放的有害尾气最少，所以氧传感器的作用是维持空燃比等于14.7的状态。当空燃比大于14.7时汽车尾气被称为稀薄气体，小于14.7时被称为过浓气体，在这两种状态下，泵电流方向相反，空燃比偏离合理值，三元催化器的净化能力大大降低，将不同空燃比下的饱和电流连起来绘成曲线，可得到极限电流和空燃比的关系曲线，如图5所示，图5中横轴表示空燃比，曲线表示空燃比随电流变化而变化，根据这个关系曲线，我们可以判断汽车需要给油还是进气。当汽车尾气处于过浓气体状态时，即空燃比小于14.7时，空气腔9内的氧气通过参比电极10向尾气腔11中的泵电极12扩散，与过浓气体中剩余的燃料气体反应，当燃料气体完全反应时，形成极限电流，电流的方向为由参比电极10流向泵电极12，实施例一中空气沿空气腔9一端及两侧的侧通孔15进入空气腔9内，向空气腔9补充空气，实施例二中空气沿空气腔9一端及两侧的多孔通道18进入空气腔9内，向空气腔9内补充空气，最终汽车控制系统通过极限电流的数值判断发动机中的进气增加量，使空燃比达到14.7的状态。