一種氧傳感器探頭及其制備方法
【專利摘要】一種氧傳感器探頭，屬于發動機【技術領域】，由含有氧化鋯的材料制成，其特征在于：包括一個錐形探測體和一個在大端方向的柱形延伸體，延伸體與探測體同軸布置，探測體和延伸體包含一個同軸布置的內腔，內腔在延伸體一端敞口，在探測體一端封閉，探測體的錐度以能夠在探測體的內外表面上形成凸凹隨機的粗糙度，從而改變探測體內外的比表面積的方式確定。本發明旨在解決現代氧傳感器探頭粗糙度低以及提高探頭粗糙度成本過高的問題，在模具成型階段通過改變探測體錐角來改變其表面粗糙度，以較低的制造成本使氧傳感器探頭獲得較高的比表面積。
【專利說明】 一種氧傳感器探頭及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于發動機【技術領域】，具體涉及發動機管理系統，尤其涉及一種燃油噴射閉環控制用氧傳感器。
【背景技術】
[0002]氧傳感器是實現發動機閉環控制的關鍵傳感器。其中，氧傳感器探頭是氧傳感器的核心部分。
[0003]氧傳感器探頭表面結構涉及到氧傳感器的靈敏性和可靠性。目前市場應用最為廣泛的氧傳感器是以含銥氧化鋯材料為電解質的，以鉬等材料為電極的鋯管型氧傳感器。氧傳感器的探頭分為反應部分和電極引線部分。探頭反應部分的基本結構是:包括氧化鋯陶瓷機體，在機體的內外表面涂有空隙結構的內外鉬電極，外電極外面有一層或者多層孔隙結構的保護層(通常為尖晶石材料)。鉬電極涂層和外電極保護層與氧化鋯機體材料之間需要有較好的結合力以耐機械和熱沖擊，鉬電極涂層與氧化鋯機體材料之間必須保證足夠小的接觸導電電阻。另外，較高的比表面積有利于提高探頭的電化學反應速度。以上兩點都與機體材料的表面粗糙度相關，一個質地均勻而又無規則的粗糙表面能夠有效地提高外電極及其保護層與機體的結合，也有利于提高比表面積。電極引線部分要求電極與機體材料之間的結合力和抗機械和熱沖擊性，傳感器弓丨線與陶瓷機體之間的結合力將會極大地影響引線端子與內電極之間的導通性能。
[0004]氧傳感器探頭電解質(鋯管)的成型通常有軟膜等均壓和硬模注射兩種方法。現有的鋯管設計在軸向的錐度考慮，僅僅是是為了出模方便。而這種設計在模具成型階段都難以獲得高比表面積的粗糙表面。美國專利US5160598公開了一種增加表面粗糙度的工藝，粗糙的表面需要成型后再次處理。在模具成型階段生成粗糙表面的難度在于:在開模取出產品時，通常情況下表面會沿開模方向形成定向的紋路，從而破壞無定向性的隨機表面紋理，從而不能夠實現增大比表面積的理想效果，也不能起到強化電極與機體材料的結合力。現有的產品設計在模具成型階段的幾何特征如圖11所示，其反應區的錐度較小，表面也比較光滑以有利于出模。
[0005]除了考慮反應區電極的活性和結合力以外，電極在引線區與機體材料的結合力是一個重要的課題。相對而言，電極引線區表面的光潔度較高，其結合力相對表面比較粗糙的反應區來說要低，現有的工藝在這兩個區域的制作工藝上沒有特別區分，從而有可能造成引線區的電極與機體之間的結合力不夠高的問題。
【發明內容】
[0006]本發明針對現有的問題，之目的在于提供一種在模具成型階段形成粗糙的內外表面的結構設計，以提高電極與陶瓷機體之間的結合力和提高反應區表面的比表面積，同時提供了一種可靠的電極弓I線燒結工藝。
[0007]本發明的目的通過以下技術方案實現，即，一種氧傳感器探頭，由含有氧化鋯的材料制成，其特征在于:包括一個錐形探測體和一個在大端方向的柱形延伸體，延伸體與探測體同軸布置，探測體和延伸體包含一個同軸布置的內腔，內腔在延伸體一端敞口，在探測體一端封閉，探測體的錐度以能夠在探測體的內外表面上形成凸凹隨機的粗糙度，從而改變探測體內外的比表面積的方式確定。外表面涂覆有含鉬(或含鈀、銠等催化金屬)的材料形成外電極，內腔表面涂覆有含鉬(或含鈀、銠等催化金屬)的材料形成內電極。
[0008]氧傳感器探頭的機體材料通常是由含銥的氧化鋯材料制成，毛坯需要借助模具成型，如果采用軸向開模的方式，錐形探測體的內外表面可以形成具有一定粗糙度的表面，錐度越大，可形成的粗糙度的選擇性就越強，所形成的比表面積會越大，同時電極與所屬表面的結合力也就越強，進而能夠達到本發明之提高電極與陶瓷機體之間的結合力和提高反應區表面的比表面積的目的。
[0009]所述氧傳感器探頭，探測體和延伸體之內外表面之間可保持大致相等的壁厚。為了縮短氧傳感器的起燃時間(light-offtime),可以選擇探測體之內外表面之間的壁厚與探測體橫截面的大小成正比，這樣既不減少探測體整體的結構強度，又能夠使得其體積熱容減小，壁厚減小，溫升加速，從而縮短了其起燃時間。
[0010]上述方案中，延伸體之外表面包括一個環狀凸臺，用于封裝限位和密封，或者外電極連接。
[0011]上述氧傳感器探頭，其制備方法包括以下步驟:
[0012]a.氧傳感器探頭預燒的步驟；
[0013]b.氧傳感器探頭共燒的步驟；
[0014]c.氧傳感器探頭后燒的步驟。
[0015]其中:
[0016]氧傳感器探頭后燒的溫度和氧傳感器探頭預燒的溫度低于氧傳感器探頭共燒的溫度;
[0017]氧傳感器探頭預燒結束后和氧傳感器探頭共燒前，在延伸體內外表面涂覆含鉬(或含鈀、銠等催化金屬)的材料以形成內外引線區電極；
[0018]氧傳感器探頭共燒結束后和氧傳感器探頭后燒前，在探測體內外表面涂覆含鉬(或含鈀、銠等催化金屬)的材料以形成內外反應區電極。
[0019]本發明之氧傳感器探頭的另一種制備方法包括以下步驟:
[0020]a.氧傳感器探頭預燒的步驟；
[0021]b.氧傳感器探頭共燒的步驟；
[0022]c.氧傳感器探頭后燒的步驟。
[0023]其中:
[0024]氧傳感器探頭后燒的溫度和氧傳感器探頭預燒的溫度低于氧傳感器探頭共燒的溫度;
[0025]氧傳感器探頭預燒結束后和氧傳感器探頭共燒前，在延伸體內外表面涂覆含鉬(或含鈀、銠等催化金屬)的材料以形成內外引線區電極，在探測體內表面涂覆含鉬(或含鈀、銠等催化金屬)的材料以形成內反應區電極；
[0026]氧傳感器探頭共燒結束后和氧傳感器探頭后燒前，在探測體外表面涂覆含鉬(或含鈀、銠等催化金屬)的材料以形成外反應區電極。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細描述:
[0028]圖1為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例之縱向剖視圖；
[0029]圖1a為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例之表面結構放大圖；
[0030]圖2為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例設計原理說明圖之一；
[0031]圖3a為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例設計原理說明圖之二 ；
[0032]圖3b為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例設計原理說明圖之三；
[0033]圖4a為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例之內電極制備方法示意圖；
[0034]圖4b為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例之內電極制備方法改進方案示意圖；
[0035]圖5a為本發明提供的氧傳感器探頭第二實施例之外電極制備方法示意圖；
[0036]圖5b為本發明提供的氧傳感器探頭第二實施例之外電極制備方法改進方案示意圖；
[0037]圖6為本發明的第一實施例應用于氧傳感器之整體結構圖；
[0038]圖7為本發明的第一實施例應用于氧傳感器之彈性襯套立體圖；
[0039]圖8為本發明的第一實施例應用于氧傳感器之陶瓷引線支架立體圖；
[0040]圖9為本發明的第一實施例應用于氧傳感器之金屬外殼立體圖；
[0041]圖10為本發明的第一實施例應用于氧傳感器之橡膠密封塞立體圖；
[0042]圖11為現有技術之氧傳感器探頭幾何特征圖。
【具體實施方式】
[0043]圖1為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例之縱向剖視圖
[0044]氧傳感器探頭I，包括一個錐形探測體11和一個在大端方向的截面較為一致的柱形延伸體12以及延伸體上的環狀凸臺12a。延伸體12與探測體11同軸布置，探測體11和延伸體12包含一個同軸布置的內腔，內腔在延伸體12 —端敞口，在探測體11 一端封閉，內腔表面涂覆有含鉬(或含鈀、銠等催化金屬)的材料形成內電極13，環狀凸臺12a在柱形延伸體12的外表面，用于封裝限位和密封，或者與外電極連接。如圖1a所示，錐形探測體11外表面涂覆有含鉬(或含鈀、銠等催化金屬)的材料形成外電極14，外電極14外面有至少一層外電極保護層14a (通常是尖晶石材料)。
[0045]探測體11是由含氧化釔的氧化鋯陶瓷材料制成，其制造過程首先需要將氧化鋯粉料用模壓的方式成型，模壓可以采用軟模等均壓的方式，也可以采用金屬模高壓注射的方式，然后再通過一些列的高溫過程燒結形成氧傳感器探頭。
[0046]上述氧傳感器探頭之探測體11的壁厚是隨其截面直徑變化的，截面直徑越小，壁厚越小，從而在保持等強度的前提下探測體11之體積盡可能的小，以獲得較快的反應速度和較短的起燃時間(light-off time)。
[0047]圖2為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例設計原理說明圖之一
[0048]延伸體12內外表面之間保持大致相等的壁厚。探測體11內外表面之間的壁厚與探測體橫截面的大小成正比，即，Db/Ds = k*(tb/ts)。這樣既不減少探測體整體的結構強度，又能夠使得其體積熱容減小，壁厚減小，溫升加速，從而縮短了其起燃時間。
[0049]本實施例錐形探測體11之幾何設計所要達到的另一個目的是在模壓成型階段生成較為均勻的粗糙表面。所述粗糙表面的生成機理可以通過圖3a和圖3b說明。圖3a和圖3b為圖2所示錐形探測體11之內表面的局部放大圖，其中，外表面的錐角為A，內表面的錐角為B。由于開模時探測體花紋表面會沿開模方向M形成定向的齒形紋路。在花紋齒高h—定的情況下，單位面積可以形成的齒數僅僅是錐角的函數，錐角越大，單位面積可以形成的花紋齒數越多，相反依然。
[0050]探測體11之外表面形成均勻粗糙紋路的機理與上述內表面形成均勻粗糙紋路的機理基本相似。
[0051]增加探測體11之內外表面粗糙度之目的有兩個，一個是可以提高內電極13和外電極14與探測體11之間的附著力，另一個是可以增加探測體的比表面積。由于探測體11之外電極14和內電極13通常是在氧化鋯陶瓷材料燒結后再次涂覆和燒結的，因此與陶瓷本體的表面結合力是一個突出的問題，其中解決方案之一是增加探測體11之表面粗糙度。
[0052]比表面積的大小與探測體11之電化學活性緊密相關。由于氧傳感器的工作原理是基于NERNST原理的電化學過程，其中帶負電荷的氧離子可以通過含釔氧化鋯材料的氧離子空穴遷移，這個遷移的發生的前提是氧原子通過電極的空隙并在電極材料(鉬、鈀、銠等催化金屬)的催化下獲得電子，較大的比表面積給氧原子增加了接觸催化材料并通過電極的空隙在氧化鋯材料的氧離子空穴中遷移的機會，氧離子遷移的阻抗減小，因此活性增力口，氧傳感器的反應速度也增加，從而縮短了起燃時間(light-offtime)。
[0053]圖4a為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例之內電極制備方法示意圖。
[0054]如圖，在探測體11內表面涂覆含鉬的材料形成反應區內電極17，在延伸體12之內表面涂覆含鉬的材料的引線區內電極18以及連接反應區內電極17和引線區內電極18之連接內電極18a，相對而言，連接內電極18a的環向寬度較窄以節省鉬的用量，而引線區內電極18要保證一定的環形寬度以增加與引線端子的接觸面積。
[0055]上述內電極，包括反應區內電極17，引線區內電極18和連接內電極18a，采用以下方法制備以獲得與陶瓷機體材料較為牢固的結合力。
[0056]本實施例所述氧傳感器探頭完成模壓后形成探頭毛胚，第一步對探頭毛胚進行去除有機材料的預燒，其溫度控制在1000°C以下；第二步在預燒后的探頭內表面涂覆鉬材料并形成反應區內電極17，引線區內電極18和連接內電極18a ;第三步將涂覆有鉬內電極材料的毛胚進行共燒，共燒在1400-1600°C之間選擇一個最佳溫度。
[0057]按照以上制備步驟形成的反應區內電極17，引線區內電極18和連接內電極18a以一種金屬陶瓷的形式存在，與陶瓷機體有很強的結合力。
[0058]圖4b為本發明提供的氧傳感器探頭第一實施例之內電極制備方法改進方案示意圖。
[0059]按照圖4a所示的方法制備內電極盡管可以獲得與陶瓷機體之間很強的附著力，但反應區內電極17因形成金屬陶瓷時的高溫條件的作用，晶粒會變粗大并吸附氧離子，使得其在一定程度上失去了化學活性。第一實施例之制備方法之改進方案，即，第二步在預燒后的探頭內表面涂覆鉬材料并形成引線區內電極18，第三步將涂覆有鉬內電極材料的毛胚進行共燒，共燒在1400-1600°C之間選擇一個最佳溫度；第四步在完成共燒內電極的陶瓷機體的內表面涂覆鉬材料形成改進型反應區內電極17a (以及外電極)，第五步將涂覆有改進型內電極17a的陶瓷機體放入高溫環境進行后燒處理，后燒溫度在1000-1200°C之間選擇一個最佳溫度。
[0060]由于上述改進型內電極17a形成的環境溫度較低，因此仍然保持鉬金屬的活性，同時由于探測體11之內表面的比較粗糙，因此，改進型內電極17a與陶瓷機體之間的結合力也比較高。
[0061]圖5a為本發明提供的氧傳感器探頭第二實施例之外電極制備方法示意圖，本實施例之氧傳感器探頭包括錐形探測體11，柱形延伸體12以及環狀凸臺12a，所述外電極是指涂覆在探測體11之外表面的反應區外電極19和涂覆在延伸體外表面之引線區外電極20，本實施例之氧傳感器探頭之內電極可以按照與本發明提供的第一實施例圖4a示意的方法制備，本實施例反應區外電極19和引線區外電極20可以與本發明提供的第一實施例圖4b示意的制備方法中，與其反應區內電極17a同步完成。
[0062]圖5b為本發明提供的氧傳感器探頭第二實施例之外電極制備方法改進方案示意圖，在此改進方案中，反應區外電極19與引線區外電極20a分別采用與本發明提供的第一實施例圖4b示意的制備方法中反應區內電極17a和引線區內電極18相同的步驟完成，SP，反應區外電極19按照后燒的步驟完成，引線區外電極20a按照共燒的步驟完成。
[0063]圖6為本發明的第一實施例應用于氧傳感器之整體結構圖
[0064]本實施例中氧傳感器探頭I裝在金屬外殼21內，金屬外殼的立體圖如圖9所示。金屬保護罩22安裝在氧傳感器探頭I的前端，在氧傳感器探頭I的后端與金屬外殼21之間沿軸向并列分布著第一填料24、第二填料26和不銹鋼或陶瓷墊片26，其中第一填料與第二調料的體積壓縮率相差兩倍以上。在氧傳感器探頭I的后端敞口部分裝配有引線端子27，電極引線32連接引線端子27，然后依次穿過陶瓷引線支架30、橡膠密封塞28和氧傳感器后蓋23延伸到氧傳感器外部，其中陶瓷引線支架30立體圖如圖8所示。彈性村套31位于氧感器后蓋23和陶瓷引線支架30之間，用于固定陶瓷引線支架30，其立體圖如圖7所示。為防止橡膠密封塞28在裝配時在傳感器后蓋23和陶瓷引線支架30擠壓力作用下而使其中心孔道發生變形，在中心孔道安裝一根圓管28a，在圓管28a的末端和氧傳感器后蓋23之間安裝去除空氣中水分和固體顆粒物的過濾膜29，橡膠密封塞28的立體圖如10所示。
[0065]本實施例之氧傳感器的工作原理是基于NERNST原理的電化學過程，氧傳感器探頭I是含銥氧化鋯材料的固態電解質，在其兩側面分別燒結有多孔鉬(Pt)電極，大氣通過氧傳感器后蓋中心孔經過濾膜29去除可能含有的水分和固體顆粒物進入參照氣體室32，尾氣通過金屬保護罩進入待測氣體室32a，在一定溫度下，由于兩側氧濃度不同，參照氣體室32氧濃度高，氧分子被吸附在內電極13上與電子(4e)結合形成氧離子02_，使該電極帶正電，02_離子通過電解質中的氧離子空位遷移到待測氣體室，使外電極14帶負電，即產生電勢差。兩側氣體氧濃度差越大，產生的電勢差越大，通過測量氧傳感器內外電極的的輸出電壓來確定氧濃度差,參照氣體室的氧濃度已知,進而得到待測氣體的氧濃度。
[0066]圖11顯示為現有技術之氧傳感器探頭幾何特征圖
[0067]現代技術之氧傳感器探頭其反應區的錐度S較小，表面也比較光滑，這樣的設計有利于出模，但難以獲得高比表面積的粗糙表面。
[0068]基于本發明精神實質的其它進一步的方案均屬于本發明應屬保護權利范圍。
【權利要求】
1.一種氧傳感器探頭，由含有氧化鋯的材料制成，其特征在于:包括一個錐形探測體和一個在大端方向的柱形延伸體，延伸體與探測體同軸布置，探測體和延伸體包含一個同軸布置的內腔，內腔在延伸體一端敞口，在探測體一端封閉，探測體的錐度以能夠在探測體的內外表面上形成凸凹隨機的粗糙度，從而改變探測體內外的比表面積的方式確定。
2.如權利要求1所述氧傳感器探頭，其特征在于，延伸體之內外表面之間保持大致相等的壁厚。
3.如權利要求2所述氧傳感器探頭，其特征在于，探測體之內外表面之間的壁厚與探測體橫截面的大小成正比。
4.如權利要求3所述氧傳感器探頭，其特征在于，延伸體之外表面包括一個環狀凸臺。
5.如權利要求1-4之一項所述氧傳感器探頭，其制備方法包括以下步驟: a.氧傳感器探頭預燒的步驟； b.氧傳感器探頭共燒的步驟； c.氧傳感器探頭后燒的步驟。 其中: 氧傳感器探頭后燒的溫度和氧傳感器探頭預燒的溫度低于氧傳感器探頭共燒的溫度； 氧傳感器探頭預燒結束后和氧傳感器探頭共燒前，在延伸體內外表面涂覆含白金的材料以形成內外電極引線； 氧傳感器探頭共燒結束后和氧傳感器探頭后燒前，在探測體內外表面涂覆含白金的材料以形成內外電極。
6.如權利要求1-4之一項所述氧傳感器探頭，其制備方法包括以下步驟: a.氧傳感器探頭預燒的步驟； b.氧傳感器探頭共燒的步驟； c.氧傳感器探頭后燒的步驟。 其中: 氧傳感器探頭后燒的溫度和氧傳感器探頭預燒的溫度低于氧傳感器探頭共燒的溫度； 氧傳感器探頭預燒結束后和氧傳感器探頭共燒前，在延伸體內外表面涂覆含白金的材料以形成內外電極引線，在探測體內表面涂覆含白金的材料以形成內電極； 氧傳感器探頭共燒結束后和氧傳感器探頭后燒前，在探測體外表面涂覆含白金的材料以形成外電極。
【文檔編號】G01N27/407GK104422724SQ201310133684
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】郗大光, 楊延相, 張平 申請人:浙江福愛電子有限公司