專利名稱：用于氣液混合環(huán)境的受熱傳感器元件的制作方法
用于氣液混合環(huán)境的受熱傳感器元件
背景技術(shù)：
一些高溫氣體傳感器包括陶瓷襯底元件，該陶瓷襯底元件鍍有作為高溫?zé)嵩吹慕饘賹?dǎo)電體(通常是鉬)。這些傳感器被該導(dǎo)電體加熱到比管道中的氣體溫度高的溫度，并且所述傳感器的受熱區(qū)域暴露于氣流中。這些傳感器(包括氧氣傳感器、氮氧化物傳感器、質(zhì)量流量傳感器及其他的專用傳感器)例如用在重型柴油機(jī)的進(jìn)氣管道和排氣管道中。在內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣管道和排氣管道中，氣流中可能意外地存在有液體。例如，在起動期間或由于冷卻劑的問題而可能存在由冷凝的濕氣形成的水、由于燃料噴射器的問題而泄漏的發(fā)動機(jī)燃料、由于發(fā)動機(jī)密封或渦輪增壓器的問題而泄漏的發(fā)動機(jī)機(jī)油，或者由于氣缸密封或排氣再循環(huán)冷卻器的問題而泄漏的冷卻劑。在目前的柴油機(jī)排氣處理系統(tǒng)中，將液體在如下區(qū)域有意地注入到排氣系統(tǒng)中，高溫氣體傳感器作為該處理系統(tǒng)的一部分用在該區(qū)域處。很多情況下，在發(fā)動機(jī)的常規(guī)使用期間定期注入液體，例如，注入尿素以用于減少NOx的選擇性催化還原系統(tǒng)，以及，注入碳?xì)浠衔锶剂弦杂糜诩訜岵裼臀⒘＿^濾器系統(tǒng)。如果氣流中存在有液體，那么，受熱的陶瓷襯底元件可能存在問題。當(dāng)液滴接觸該受熱的元件時，位于 接觸區(qū)域處的陶瓷襯底被立即冷卻到該液體的溫度，并且該溫差導(dǎo)致此材料中產(chǎn)生應(yīng)力。陶瓷材料呈晶體狀且具有脆性，該溫差可以導(dǎo)致陶瓷破裂，這最終導(dǎo)致所述襯底元件和加熱導(dǎo)體的故障。例如，受熱襯底元件可能運(yùn)行在700°C。如果水滴(它是最高為100°C的液體)落到該元件上，該元件的局部區(qū)域?qū)⒈焕鋮s到100°c。該液體接觸區(qū)域的邊界兩側(cè)的溫差約為600 0C，從而在該陶瓷襯底中產(chǎn)生溫差應(yīng)力。典型地，用于該受熱襯底傳感器的控制系統(tǒng)檢測溫度的降低并通過向加熱器供應(yīng)更多的電力來進(jìn)行響應(yīng)。然而，增加額外的電力會增大該冷點(diǎn)與加熱器的其余部分之間的溫度不均衡，從而會使溫差應(yīng)力擴(kuò)大。陶瓷襯底中的裂縫可能在所述金屬電加熱器導(dǎo)體中產(chǎn)生應(yīng)變。該導(dǎo)體的處于應(yīng)變下的部分的電阻可能會增大，這可能導(dǎo)致在該加熱器導(dǎo)體中產(chǎn)生溫度過熱點(diǎn)，從而會使金屬融化并使加熱器電路斷開。因此，解決傳感器中的液體接觸熱應(yīng)力故障的問題是非常重要的。此問題的一種解決方案是對受熱傳感器進(jìn)行軟件控制。美國專利N0.7，084，378公開了一種算法，用于控制加熱周期來防止傳感器本體的故障。然而，該軟件僅在檢測到溫度變化之后才能作出響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及如下傳感器的改進(jìn):該傳感器包括鍍有金屬(鉬)導(dǎo)體的陶瓷加熱器襯底。本發(fā)明提出了在陶瓷襯底上的高溫加熱器的兩個相反側(cè)通過電鍍或其他方式來提供被動式導(dǎo)熱層。該導(dǎo)熱層是比陶瓷更好的傳熱導(dǎo)體，優(yōu)選為金屬材料。該導(dǎo)熱層被視為用來吸收和分散熱能的熱阻尼器，以防止陶瓷襯底的過快加熱而導(dǎo)致該襯底破裂?！氨粍邮健笔侵?除了與陶瓷襯底接觸之外，該金屬層不具有電連接且沒有熱源或散熱器連接。該被動式金屬層也被認(rèn)為能夠通過將該襯底的更大區(qū)域上的熱量傳遞到液體接觸區(qū)域來減輕與傳感器襯底接觸的濕氣或液體的冷卻效應(yīng)。該被動式金屬層被認(rèn)為能夠縱向地分散該陶瓷襯底的熱量，這有助于防止部位過熱而進(jìn)入故障模式。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該陶瓷襯底形成有末端和基部，該末端上布置有加熱元件，該末端是橫截面較窄、較小的區(qū)域，而所述基部是橫截面較寬、較大的區(qū)域。所述鍍層從該末端延伸到所述基部的一部分上，這便于將熱能從襯底的較小面積散布到較大面積。該金屬層也被認(rèn)為能夠用于機(jī)械地加強(qiáng)該陶瓷襯底、保持襯底的完整性并使其屈曲最小化。該被動式金屬覆層可以在基部端形成有彎曲或波浪狀的末端邊緣線，以便增加該襯底的橫向方向上的有效散熱距離。本發(fā)明也可以實施在圓柱形的襯底中。根據(jù)一個實施例，該圓柱形襯底是陶瓷材料的實心圓柱體，在一個端部處的表面上設(shè)有加熱元件，并在該同一端部的相反側(cè)設(shè)有被·動式金屬覆層。根據(jù)另一個實施例·，傳感器襯底被形成為空心圓柱體，在一個端部處的外表面上形成或布置有加熱元件，并在與加熱元件的位置相反的內(nèi)表面上設(shè)有被動式金屬涂層。替代地，該被動式金屬覆層也可以包括位于所述空心圓柱體中的金屬芯。


通過參考以下詳細(xì)描述并結(jié)合附圖來閱讀，將能更好地理解本發(fā)明，在附圖中:圖1示出了傳感器襯底元件的平面圖，該傳感器襯底元件的第一表面上被施加有加熱元件；圖2示出了圖1的傳感器襯底元件的另一側(cè)的平面圖，圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的被動式金屬鍍層(passive metal plating)；圖3示出了根據(jù)替代實施例的圓柱形傳感器襯底元件的橫截面視圖；并且圖4示出了圓柱形傳感器襯底元件的第二實施例的橫截面視圖。
具體實施例方式圖1和2中示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的、用于氣體傳感器的受熱襯底元件。如圖所示，陶瓷襯底元件10可以是陶瓷材料片，該陶瓷材料例如是氧化鋁。襯底元件10具有第一表面12以及與第一表面相反的第二表面14。所圖不的實施例中的兀件10具有第一端部或基部16以及第二端部或末端18。基部16比末端18寬，并且該基部包括斜削區(qū)域19而從所述基部的寬度過渡到所述末端的寬度。襯底元件10也可采用提供了可位于氣流中的受熱部分的其他形狀。加熱器20形成在第一表面上。加熱器20可以是電阻性薄膜元件，例如通過任何便利的方式(如沉積和刻蝕或印刷)布置在第一表面12上的鉬層。該加熱器20包括引線22、24，引線22、24分別具有用于連接到電源的端子26、28。加熱器20包括形成在末端18處的加熱元件30，該加熱元件30被示出為蛇形部。當(dāng)該受熱襯底元件10使用時，末端18和加熱線圈30暴露于氣體中。導(dǎo)熱層40形成在第二表面14上的末端18處。導(dǎo)熱層40與加熱元件30相對，SP，導(dǎo)熱層40位于隔著該元件10而與加熱元件30最短的距離處。導(dǎo)熱層40由具有高傳熱性的材料形成，優(yōu)選為金屬。導(dǎo)熱層40在第二表面14上延伸，以至少覆蓋基部16的一部分和末端18。如本領(lǐng)域所公知的，陶瓷是低導(dǎo)熱材料，且陶瓷襯底構(gòu)成了可以維持穩(wěn)定溫度的蓄熱物質(zhì)。本發(fā)明的導(dǎo)熱層40提供了具有較高傳熱性的傳熱層，它能夠在接觸區(qū)域中將熱量分散到該陶瓷襯底的兩側(cè)。導(dǎo)熱層40是被動式導(dǎo)熱層，也就是說，它未連接到任何外部加熱源或散熱器。根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)熱層40延伸到襯底元件10的基部16上，以提供末端18和所述基部之間的熱傳導(dǎo)。導(dǎo)熱層40的位于基部16處的邊緣是非直線的，也就是說，形成為波浪狀或彎曲的線條，以提供橫跨所述基部的延長距離。根據(jù)試驗，與沒有導(dǎo)熱層的襯底相比，根據(jù)本發(fā)明的受熱陶瓷襯底傳感器在傳感器使用壽命方面有444 %的提高。根據(jù)圖3所示的替代實施例，根據(jù)本發(fā)明的受熱陶瓷襯底元件也可以形成為圓柱體100。圖3所示的襯底元件具有橢圓形橫截面。該襯底元件也可具有圓形橫截面。襯底元件100具有形成在第一表面112上的加熱器120以及形成在相反側(cè)114的導(dǎo)熱層140。圖4示出了另外的替代實施例，其中，襯底元件200具有中空圓柱形本體。根據(jù)本實施例，加熱器220設(shè)置在該元件200的外表面212上，且導(dǎo)熱層240設(shè)置在該元件的與所述加熱器相反的內(nèi)表面214上。替代地，該導(dǎo)熱層也可以形成為金屬芯。圖3和圖4中的實施例可以包括結(jié)合圖1和圖2描述過的其他特征，這些特征包括:具有狹窄末端部分的襯底元件，以及形成在第一表面的末端處的加熱器。已經(jīng)通過說明性的實施例和部件描述了本發(fā)明，然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識至IJ，在不脫離所附權(quán) 利要求限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以進(jìn)行各種替換。
權(quán)利要求
1.一種用于氣體傳感器的受熱襯底元件，包括: 陶瓷襯底元件，所述陶瓷襯底元件具有第一表面以及與所述第一表面相反的第二表面； 加熱元件，所述加熱元件形成在所述第一表面上；以及 被動式導(dǎo)熱層，所述被動式導(dǎo)熱層形成在所述第二表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的受熱襯底元件，其中，所述陶瓷襯底元件被形成為板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的受熱襯底元件，其中，所述陶瓷襯底元件具有從基部延伸的末端以及在所述末端和所述基部之間的過渡部分，所述末端比所述基部窄，其中，所述加熱元件在所述第一表面上形成在所述末端處，并且所述導(dǎo)熱層在所述第二表面上形成在所述末端處。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的受熱襯底元件，其中，所述導(dǎo)熱層在所述第二表面上形成在所述基部的一部分、所述過渡部分和所述末端處。
5.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的受熱襯底元件，其中，所述加熱元件是薄膜電阻加熱元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的受熱襯底元件，其中，所述導(dǎo)熱層由金屬形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的受熱襯底元件，其中，所述導(dǎo)熱層沿著所述第二表面縱向延伸的長度至少等于所述加熱元件沿著所述第一表面縱向延伸的長度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的受熱襯底元件，其中，所述導(dǎo)熱層從第一端部延伸到第二端部，并且其中，所述導(dǎo)熱層的位于所述第二端部處的邊緣是非直線的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的受熱襯底,其中,所述陶瓷襯底元件被形成為圓柱體,并且其中，所述第一表面和所述第二表面在圓周上彼此相反。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的受熱襯底，其中，所述陶瓷襯底元件被形成為空心圓柱體，并且其中，所述第一表面是所述空心圓柱體的外表面，而所述第二表面是所述空心圓柱體的內(nèi)表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的受熱襯底，其中，所述被動式導(dǎo)熱層包括位于所述空心圓柱體中的金屬材料芯。
全文摘要
一種用于氣體傳感器的受熱襯底元件，其包括陶瓷襯底元件，該陶瓷襯底元件具有第一表面以及與該第一表面相反的第二表面；加熱元件，該加熱元件形成在所述第一表面上；以及被動式導(dǎo)熱金屬層，該被動式導(dǎo)熱金屬層形成在所述第二表面上。該元件能夠耐受住由于突然的局部溫度變化而導(dǎo)致的致裂應(yīng)力，例如當(dāng)液滴掉落在該元件上時產(chǎn)生的局部溫度變化。
文檔編號H05B3/10GK103229590SQ201180049104
公開日2013年7月31日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者納爾遜·博克霍德 申請人:馬克卡車公司