[实用新型]一种具有优良性能的管式传感元件及管式氧传感器

说明书

本实用新型公开了一种具有优良性能的管式传感元件及管式氧传感器，所述具有优良性能的管式传感元件包括管状的陶瓷基底、设置在陶瓷基底外表面的外电极和设置在内腔体的壁上的内电极。本实用新型目的之一是提供一种具有优良性能的管式传感元件，所述传感元件的内部催化电极部由新型陶瓷催化电极构成，因此本实用新型提供的传感元件也具有成本低、催化性能优良的特点。

技术领域

本实用新型涉及氧传感器领域，具体涉及一种具有优良性能的管式传感元件及使用该元件的管式氧传感器。

背景技术

在车用发动机的控制系统中，保证发动机以最佳空燃比的混合气进行工作是排放控制的一个关键技术，车用氧传感器是用于控制发动机混合气空燃比的一个关键部件，氧传感器是将油气混合燃烧后的气体情况实时反馈给发动机控制单元(ECU)的一个关键元件，发动机电控喷射系统是依据氧传感器提供的信号精确控制空燃比(A/F，空气与汽油的质量比)。

三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。但为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。因此，在使用三元催化转换发动机上，氧传感器是不可或缺的元件。当混合气的空燃比偏离理论空燃比时，三元催化剂对CO、HC和NOX的净化能力将急剧下降，在排气管中安置的氧传感器可以检测出排气中氧的浓度，向ECU发出反馈信号，ECU控制喷油器喷油量的增减，从而可以将混合气的空燃比控制在理论值附近，使发动机工作在最佳的空气燃油混合比即最佳空燃比的状态，为发动机三元催化器的废气净化创造条件。

氧传感器是利用陶瓷敏感元件测量汽车排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制燃烧空燃比，以保证产品质量及尾气排放达标的测量元件。氧传感器一般分为管式氧传感器和片式氧传感器，以管式二氧化锆氧传感器为例，解释其工作原理：

管式氧化锆氧传感器由氧化锆管(简称锆管)、铂电极和防护套管等组成，锆管与铂电极组成传感元件(可以参考图1)，锆管是由含有少量钇的氧化锆制成的固态电解质元件，在锆管内外两侧涂覆一层铂形成内外铂电极。锆管内侧通大气，外侧与排气接触。在使用温度下，氧气在与铂电极、氧化锆形成的三相界面区发生得失电子的氧化还原反应，锆管内的氧气在铂电极的催化下变成氧离子，锆管外的氧离子在铂电极的催化下变成氧分子，由于锆管内外两侧的氧离子浓度有高低(一般内侧即大气中的氧浓度高，外侧即废气中的氧浓度低)，从而内外侧电极之间存在电势差。外侧电极由于暴露在废气中，氧离子浓度将根据实际工况的不同而变化，而内侧电极为参考空气，氧离子浓度是不变的。当发动机空燃比为稀时，废气中氧浓度相对较高，内外侧电极间氧浓度差就小，即电势差小，氧传感器的输出电压信号接近0V。反之，当空燃比为浓时，废气中氧浓度也相对较低，内外侧电极间氧浓度差就大，即电势差就大，传感器的输出电压接近1V。氧传感器典型响应曲线见图2，其中lambda是空气过量系数，即实际空燃比与理论空燃比的比值，用来确定混合气的稀浓程度的一个指数。

请继续参考图1，氧传感器的传感元件中的电极根据使用过程中的作用来看，包括催化电极部和引线电极部。催化电极部主要用于催化氧化还原反应，并产生电信号，引线电极部的主要作用是将产生的电信号导出。氧传感器的传感元件的电极制备，其中技术的关键点在于如何在陶瓷基体上设置一定厚度的电极(例如上面所述的铂电极)，早期也有直接在陶瓷(陶瓷可以是上面提到的氧化锆)基体上涂覆电极层的方法，但由于电极层极易剥落，现已不被采用。目前普遍被采用的技术方案为电极与固体电解质陶瓷的共烧技术和电极电镀技术。电镀电极技术参考发明专利申请公开说明书 CN200310114168.7等，电镀电极优点是所制备的电极层非常薄，用量少，具有较多的三相界面和良好的活性，有效解决了共烧电极贵金属用量多的问题，但是电极材料与基体之间的结合可靠性比较差，容易剥落；而且电镀工艺比较复杂，也容易污染环境。