專利名稱：電流型氧傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，具體地說，是指一種用于測量汽車尾氣中氧氣濃度的電流型氧傳感器。
背景技術：
汽車氧傳感器通過檢測尾氣中氧氣濃度，由電控系統(tǒng)的反饋控制，實現(xiàn)調節(jié)汽車燃燒系統(tǒng)空氣燃料比。這對于提高燃料利用率，降低污染氣體的排放具有重要的意義。傳統(tǒng)的電壓型氧傳感器為管式結構，檢測范圍窄，僅能檢測理論空燃比附近的氧氣濃度。而且由于結構上的原因，啟動速度慢。
目前，在使用中的電流型氧傳感器有小孔擴散與多孔陶瓷擴散層兩種形式。由于長時間在工作環(huán)境中，存在小孔易堵塞，多孔陶瓷空隙大小會發(fā)生改變等問題，不能滿足實際使用需要，而且生產(chǎn)工藝復雜，成本高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種具有致密擴散層、氣敏性能好的電流型氧傳感器。該傳感器具有寬范圍檢測功能，同時制造加工工藝簡單、成本低廉。
本發(fā)明的一種電流型氧傳感器，由電解質層、擴散層、封裝層和正、負極集電層構成，電解質層與擴散層通過共壓成型后燒結在一起，正極集電層采用絲網(wǎng)印刷在電解質層的中心表面，負極集電層采用絲網(wǎng)印刷在擴散層的中心表面，封裝層包覆在除正、負集電層邊緣以外的電解質層和擴散層上。所述的電解質層由YSZ陶瓷材料構成，所述的擴散層由LSM+YSZ復合陶瓷材料構成，封裝層由玻璃材料構成。
所述的電流型氧傳感器，其電解質層燒結厚度為0.5～1.5mm，擴散層燒結厚度為0.5～2mm，封裝層封裝厚度0.1～0.10mm。
所述的電流型氧傳感器，其擴散層中LSM材料為La1-xSrxMnO3(X＝0.2～0.4)，其擴散層中YSZ材料的含量為10～40％。
本發(fā)明電流型氧傳感器具有高溫400～700℃下工作信號穩(wěn)定、可檢測氧氣濃度范圍為1～30％(總壓為一個大氣壓)，響應時間小于3秒，以及響應快速等優(yōu)點。另外，由于其工藝簡單，很容易實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明電流型氧傳感器剖視圖。
圖2是本發(fā)明電流型氧傳感器的V-I工作特性曲線圖。
圖3是本發(fā)明電流型氧傳感器極限電流對氧氣濃度的線性關系圖。
圖4是本發(fā)明電流型氧傳感器響應時間曲線圖。
圖中1.負極集電層 2.擴散層 3.封裝層 4.電解質層 5.正極集電層具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明是一種電流型氧傳感器，由電解質層4、擴散層2、封裝層3和正、負極集電層構成，電解質層4與擴散層2通過共壓成型后燒結在一起，正極集電層5采用絲網(wǎng)印刷在電解質層4的中心表面，負極集電層1采用絲網(wǎng)印刷在擴散層2的中心表面，封裝層3包覆在除正、負集電層邊緣以外的電解質層4和擴散層2上。電解質層4由YSZ陶瓷材料構成，所述的擴散層2由LSM+YSZ復合陶瓷材料構成，封裝層3是玻璃材料。YSZ是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2的縮寫，LSM是La1-xSrxMnO3(X＝0.2～0.4)的縮寫。
本發(fā)明的電流型氧傳感器采用共壓成型后燒結加工工藝進行制造。先將混合均勻的擴散層2的LSM+YSZ粉體均勻放入模具，并輕輕壓出平面，再把電解質層4的YSZ粉體放入模具，進行共壓成型(成型選用769YP-15A型壓機)。成型后的坯體放入硅碳棒箱式高溫爐中在1350℃～1450℃燒結，保溫1～3小時(升溫過程由日本SHIMADEN公司的FP21可編程智能儀表、高精度PID調節(jié))。燒結完成，隨爐冷卻后，將燒結傳感器陶瓷體取出，并在擴散層2的中心表面采用絲網(wǎng)印刷上多孔鉑材料的負極集電層1，在電解質層4的中心表面采用絲網(wǎng)印刷上多孔鉑材料的正極集電層5；最后，在溫度1000℃下包覆封裝層3玻璃材料(封裝層3只包覆在除正、負集電層以外的電解質層4、擴散層2上)。在加工過程中通過合理調節(jié)擴散層中YSZ材料的用量及成型、燒結工藝可以實現(xiàn)兩層燒結后接合緊密的電流型氧傳感器。
在上述加工工藝中，擴散層2材料中YSZ的含量為10～40％。若加工制造一直徑為10mm的電流型氧傳感器，其擴散層2厚度可以為0.5～2mm，電解質層4厚度可以為0.5～1.5mm。正、負集電層采用200目絲網(wǎng)印刷得到，厚度可以為20μm，其中負極集電層1直徑為4mm，正極集電層5直徑為8mm。為了防止氧滲漏，傳感器邊緣涂覆了一玻璃材質的封裝層3，擴散層2表面開口部分直徑為6mm。
本發(fā)明電流型氧傳感器的工作原理擴散層2(LSM+YSZ復合陶瓷)是一種混合導體。它既是電流型氧傳感器的陰極又是擴散阻擋層。首先，LSM+YSZ復合陶瓷是良好的電子導體。作為陰極，它與電解質層4、正極集電層5構成了氧泵。在一定外加電壓下，氧離子在電解質層4內能夠快速擴散。另外，擴散層2又具有一定氧離子導電性，環(huán)境中的氧吸附到它的表面后電離成為氧離子，氧離子在氧位差的驅動下，向電解質層4擴散。一定工作溫度下，氧在擴散層2的LSM材料中的擴散系數(shù)為常數(shù)。當加在電流型氧傳感器兩端的電壓超過1V時，陰極上氧原子得到電子的反應快于擴散過來的氧，電流就不再隨電壓增大明顯增加，出現(xiàn)了電流平臺。平臺電流值又叫做極限電流(Limiting Current)。圖2所示為600℃氧傳感器的V-I工作特性曲線，圖中可以看出在電壓為0.5～0.7V時出現(xiàn)電流平臺。一定氧氣濃度范圍內(此氧氣濃度與工作溫度相關)，極限電流值與環(huán)境中的氧氣濃度成正比，如圖3所示600℃氧傳感器極限電流對氧氣濃度的線性關系。根據(jù)氧傳感器極限電流值可以實時監(jiān)測汽車尾氣中氧氣的濃度大小，所以汽車電控系統(tǒng)就能夠及時調節(jié)發(fā)動機空燃比，達到提高燃料利用率，降低污染氣體排放的目的。
本發(fā)明電流型氧傳感器在實際工作中需要有專用的發(fā)熱體加熱到400～700℃，并在其兩個電極間施加0.5～1V外加電壓，通過檢測回路中的電流信號的大小就可以得到周圍環(huán)境中的氧氣濃度。圖4所示為600℃，平臺電壓下，氧氣濃度由0變?yōu)?0％，傳感器電流信號的變化。能夠看出這種電流型氧傳感器的響應速度很快。
權利要求
1.一種電流型氧傳感器，由電解質層、擴散層、封裝層和正、負極集電層構成，其特征在于電解質層(4)與擴散層(2)通過共壓成型后燒結在一起，正極集電層(5)采用絲網(wǎng)印刷在電解質層(4)的中心表面，負極集電層(1)采用絲網(wǎng)印刷在擴散層(2)的中心表面，封裝層(3)包覆在除正、負集電層邊緣以外的電解質層(4)和擴散層(2)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的電解質層(4)由YSZ陶瓷材料構成，所述的擴散層(2)由LSM+YSZ復合陶瓷材料構成，封裝層(3)由玻璃材料構成。
3.根據(jù)權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的電解質層(4)燒結厚度為0.5～1.5mm，所述的擴散層(2)燒結厚度為0.5～2mm，所述的封裝層(3)封裝厚度0.1～0.10mm。
4.根據(jù)權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的擴散層(2)中LSM材料為La1-xSrxMnO3(X＝0.2～0.4)。
5.根據(jù)權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的擴散層(2)中YSZ材料的含量為10～40％。
6.根據(jù)權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于所述的電解質層(4)中心表面的正極集電層(5)的直徑為5～8mm；所述的擴散層(2)中心表面的負極集電層(1)的直徑2～4mm，正、負集電層為鉑材料。
7.根據(jù)權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于氧傳感器工作溫度范圍為400～700℃，工作時外加電壓0.5～1V，可檢測氧氣濃度范圍為1～30％，響應時間小于3秒。
8.根據(jù)權利要求1所述的電流型氧傳感器，其特征在于適用于汽車尾氣中氧氣濃度的測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電流型氧傳感器，由電解質層、擴散層、封裝層和正、負極集電層構成，電解質層與擴散層通過共壓成型后燒結在一起，正極集電層采用絲網(wǎng)印刷在電解質層的中心表面，負極集電層采用絲網(wǎng)印刷在擴散層的中心表面，封裝層包覆在除正、負集電層邊緣以外的電解質層和擴散層上。本發(fā)明氧傳感器工作溫度范圍為400～700℃，工作時外加電壓0.5～1V，可檢測氧氣濃度范圍為1～30％，響應時間小于3秒，適用于汽車尾氣中氧氣濃度的測量。
文檔編號H01L49/00GK1645128SQ20051005130
公開日2005年7月27日 申請日期2005年3月7日 優(yōu)先權日2005年3月7日
發(fā)明者張躍, 石興, 田蒔, 王樹彬 申請人:北京航空航天大學