[发明专利]气体传感器

说明书

气体传感器(10)包括感测元件(44)，所述感测元件(44)具有电化学电池(138)和参比气体通道(152)，所述参比气体通道(152)与参比电极(134)流体连通。气体传感器(10)的护罩(86)由金属材料制成，护罩(86)是中空的，使得腔室(119)位于护罩(86)内，并且使得护罩(86)具有内表面(86a)和外表面(86b)，电化学电池(138)位于腔室(119)外部，并且参比气体通道(152)与腔室(119)流体连通，参比气体通道(152)提供从腔室(119)到参比电极(134)的流体连通。护罩(86)具有参比气体孔径(86c)，该参比气体孔径(86c)从外表面(86b)延伸通过金属材料到内表面(86a)，使得参比气体孔径(86c)允许参比气体流入腔室(119)，同时防止液态水进入腔室(119)。

技术领域

本发明涉及气体传感器，更具体地，涉及具有感测元件的气体传感器，该感测元件具有暴露于待感测的气体的感测电极和暴露于被用作参比气体的大气的参比电极。

背景技术

多年来，汽车工业已经在汽车中使用废气传感器来感测废气的成分，即废气中的氧浓度。例如，传感器用于确定废气含量以用于改变和优化燃烧的空气燃料比。

一种类型的传感器在多孔电极之间使用离子导电固体电解质。对于氧气，固体电解质传感器用于测量未知气体样本和已知气体样本之间的氧气活度差异。在使用用于汽车废气的传感器时，未知气体是废气，并且已知气体(即参比气体)可以是大气，因为空气中的氧含量相对恒定且易于获取。这种类型的传感器基于以电位式模式操作的电化学原电池，以检测汽车引擎的废气中存在的氧的相对量。当该原电池的相对表面暴露于不同的氧分压时，根据能斯特方程在电极之间产生电动势(“emf”)。

利用能斯特原理，化学能转化为电动势。基于该原理的气体传感器通常由离子导电固体电解质材料、具有暴露于废气的多孔保护覆盖层的多孔电极(“废气电极”)、和暴露于已知气体的分压的多孔电极(“参比电极”)组成。通常用于汽车应用的传感器使用以电位式模式操作的、基于氧化钇稳定的氧化锆的具有多孔铂电极的电化学原电池，以检测存在于汽车引擎的排气中的特定气体(诸如，例如氧气)的相对量。此外，典型的传感器具有附连的陶瓷加热器，以帮助保持传感器的离子导电性。当该原电池的相对表面暴露于不同的氧分压时，根据能斯特方程，在氧化锆壁的相对表面上的电极之间产生电动势：

其中：

E＝电动势；

R＝通用气体常数；

F＝法拉第常数；并且

T＝气体的绝对温度

由于富燃料和贫燃料排气条件之间的氧分压差异很大，电动势(emf)在化学计量点处急剧变化，从而产生这些传感器的特性切换行为。因此，这些电位式氧传感器定性地指示引擎是正在运行富燃料条件还是贫燃料条件，而不需要量化排气混合物的实际空气-燃料比。

例如，具有固体氧化物电解质(诸如氧化锆)的氧传感器测量未知气体和已知的参比气体之间的氧活度差异。通常，已知的参比气体是大气，而未知气体含有氧气，其中氧气的平衡水平待确定。通常，传感器具有内置的参比气体通道，该参比气体通道将参比电极连接到环境空气。由于氧传感器通常安装在车辆上的可能在使用中周期性地暴露于水(例如，从处于潮湿环境中的道路上溅起的水)的位置中，因此必须采取措施来防止水到达感测元件，因为水可能导致不期望的操作。提供空气的一种典型方式是提供穿过护罩的通路(该护罩限定腔室，参比气体通道与该腔室流体连通)，并在通路上施加透气膜，该透气膜允许空气从中通过，同时防止水从中穿过。Matsuo等人的美国专利No.6,395,159中示出了透气膜的一个示例，其中透气膜被示为由多孔纤维结构制成的过滤器53。虽然使用透气膜是有效的，但由于透气膜必须提供的特性，因而透气膜是气体传感器的昂贵元件。

需要的是最小化或消除如上所述的一个或多个缺点的气体传感器。

发明内容