[发明专利]锥形双电池宽域氧传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧传感器技术领域，尤其是一种锥形双电池宽域氧传感器及其制作方法。

背景技术

随着汽车尾气排放法规和发动机控制技术的日益提高，传统的浓差型氧传感器在测量精度和测量范围上都无法满足发动机控制系统的要求，因此基于极限电流原理的双电池型宽域氧传感器应运而生。目前已有的双电池型宽域氧传感器都是片式结构的。专利201010616977.8公开了一种管式双电池型宽域氧传感器及其制作方法。它包括内氧化锆管、外氧化锆管、加热棒和闭环控制器，内氧化锆管的外表面和外氧化锆管的内表面相互吻合，内氧化锆管和外氧化锆管叠加后在其顶端留有扩散腔，内氧化锆管的内表面设有参比气体通道，参比气体通道设置铂电极形成参比电极，内氧化锆管的外表面设置测量电极，且与外氧化锆管的内表面相切形成泵电池管的内电极，外氧化锆管的外表面设置泵电池管外电极，外氧化锆管的顶部开有小孔，并设有填充扩散层的扩散障碍孔，外氧化锆管的外层设置多孔外电极保护层。

该专利公开的这种直筒状双电池宽域氧传感器由两个氧化锆管体叠加而成，虽然在结构上比片式双电池宽域氧传感器简单，且抗热振性能有明显提高，但双直筒管体叠加限制了其尺寸无法进一步缩小；而且要做到双管体尺寸高度吻合，工艺难度比较高，制造成品率难控制；除此之外，该专利公开的这种直筒状双电池宽域氧传感器感应功能区集中在顶部半球处，而加热棒的发热区集中在顶部半球下方，造成加热棒发热温度无法完全有效作用到感应部位，热效率损失大，如图1所示。

另外，美国专利US4712419公开了一种空燃比传感器，其与上文所述的管式传感器外形相似，为直筒管式，此外其加热器外置，不但热效率损失大，而且传感器整体难以封装。

发明内容

为了克服现有传感器传热效率的不足，本发明提供了一种锥形双电池宽域氧传感器及其制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种锥形双电池宽域氧传感器，包括氧化锆管和加热棒，所述氧化锆管和加热棒均为锥形，所述锥形氧化锆管内表面设置参比空气电极，所述锥形氧化锆管外表面依次设置测量电极、混合腔和扩散层；由锥形氧化锆管内外表面设置的参比空气电极和测量电极一起形成浓差电池单元；在此基础上，设置致密氧化锆涂层将内部封闭起来，并留出扩散孔；所述致密氧化锆涂层外表面设置泵电池外电极，与包裹在致密氧化锆涂层内的测量电极一起形成泵电池单元；所述致密氧化锆涂层外表面设置多孔外电极保护层。本方案将基管和加热棒均改进为锥形，可有效提高传感器整体的加热效率

根据本发明的另一个实施例，进一步包括带浓差电池单元、泵电池单元、混合腔、扩散层、扩散孔和多孔外电极保护层组成功能感应区，锥形加热棒头部为发热区，功能感应区布置于发热区径向方向上，两者高度重合，形成更好的配合。本方案改进了感应功能区与在加热区周围的位置，使两者的布置更为恰当，可以进一步提高加热效率。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述锥形氧化锆管，在不影响下端封装尺寸和强度的前提下，管体内径≤2.6mm。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述带浓差电池单元、泵电池单元、混合腔、扩散层、扩散孔和多孔外电极保护层的锥形双电池宽域氧传感器功能感应区整体外径缩小至4.2mm以内。感应区单元整体重新布置，使得结构更为紧凑，可以使得整体外径进一步减小，实现体积的小化。

一种锥形双电池宽域氧传感器的制作方法，包括以下步骤：

（1）将纳米a- Al₂O₃按0.3-2%的质量比例跟5mol%氧化钇稳定微米氧化锆粉末充分球磨，混合均匀烘干后添加5%～25%的粘结剂制备成注射成型所需喂料，通过注射成型方法制备成带有台阶的锥形管体，经脱脂后形成氧化锆素胚管体；

（2）将铂电极浆料精确涂覆在锥形氧化锆素胚管体内外两侧以形成参比空气电极和测量电极，与氧化锆管体构成浓差电池单元； 

（3）将石墨粉、PVB、松油醇和柔软剂混合充分，制备出一种高温烧结后可完全挥发的浆料，精确涂覆在测量电极上端，以便烧结后自动形成混合空腔；

（4）制备多孔氧化铝或者氧化锆浆料，用提拉法涂覆在混合空腔上部，以形成扩散层；

（5）待上述工序完成并烘干后，制备一种掺杂4~6mo%l氧化钇的氧化锆浆料，使其固含量与制备锥型氧化锆管体浆料的固含量一致或者接近，并将涂覆有各种功能浆料层的锥形氧化锆素胚浸泡在该浆料中并均匀提拉，得到厚度均匀且完全封闭的致密氧化锆薄壁涂层，在此过程中，管体顶部留出直径0.5~2mm的扩散孔；