CN111474230B - 一种氮氧传感器陶瓷片芯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氮氧传感器陶瓷片芯，其减少了空腔结构从而简化了加工工艺，降低了因需要加工过多的空腔导致产品缺陷发生的可能性，同时还省略了参比气道，不会发生因参比气道污染导致传感器失效的问题。其包括上下设置的第一至第六基片，第一基片外侧安装有外电极，第三基片和第四基片之间安装有参比电极，第二基片中部依次设有尾气处理腔、第一检测腔和第二检测腔，尾气处理腔、第一检测腔和第二检测腔之间设有扩散障，尾气处理腔两侧前部设有扩散障；第三基片和第四基片之间仅开设有用于安装参比电极的安装腔体，通过向外电极和参比电极之间施加电流，将尾气中的中的氧气泵入安装腔体内，使安装腔体内的氧分压与大气中的氧分压一致。

Description

一种氮氧传感器陶瓷片芯

技术领域

本发明涉及氮氧传感器技术领域，具体为一种氮氧传感器陶瓷片芯。

背景技术

氮氧传感器是用来检测柴油车尾气中氮氧化物的一种气体传感器。随着国家对环境保护的日益重视，出台的排放法规中对NO_x排放限值的控制也越来越严格。为减少柴油车的NO_x排放，发动机排放系统新增了选择性催化还原系统（SCR）。其原理为当发动机尾气被排出时，喷出尿素与其混合，在SCR系统催化剂表面利用NH₃还原NO_x，反应成无害的N₂。氮氧传感器正是在这一系统中起到监测NO_x含量，以控制尿素喷射量的作用。

而片式氮氧传感器陶瓷芯是氮氧传感器的核心部件，其原理是利用氧化锆陶瓷在高温下具有氧离子导电性制成的。氮氧传感器陶瓷片芯一般是由六层或更多层的钇稳定氧化锆陶瓷组成的，根据功能需求分别在不同位置设置有空腔、铂电极、氧化铝扩散障、氧化铝绝缘层等。氮氧传感器片芯的加工工艺为多层陶瓷共烧技术，具体为在生瓷上冲孔、填孔、丝网印刷、叠片、等静压、切割、烧结等，最后形成功能陶瓷片芯。一般多层陶瓷共烧工艺中的空腔制造技术是通过在生瓷上冲孔，然后在等静压前填入挥发材料，最后通过烧结去除挥发材料以使空腔成型。由于空腔制造时有难以保持空腔的设计尺寸和易在挥发材料烧结去除时造成缺陷等问题，造腔一直是多层陶瓷共烧工艺中的一大难点，因此合理避免过多，过大的空腔对降低工艺难度有十分积极的意义。

如图1、图2所示的一种常见的氮氧传感器陶瓷片芯（类似结构功能可以参照公开号为CN109298057A的一种氮氧传感器陶瓷芯片专利申请），含有NO_x的尾气从第一空腔1-1进入，经过第一扩散障1-2等比例降低浓度，再经过第二空腔1-3和第二扩散障1-4再次等比例降低浓度，进入第三空腔也就是第一检测腔1-5中，尾气中氧气被一级泵电极1-6加电泵出，再经过第三扩散障1-7，进一步降低浓度，再进入第四空腔也就是第二检测腔1-8中，尾气先经过二级泵电极1-9把剩余氧气加电泵出，最后在测量电极1-10发生NO的分解反应，NO分解为N₂和O₂，分解出的O₂被测量电极1-10泵出，根据测量电极1-10和外电极1-11间的泵电流，可计算出尾气中的NO_x浓度，同时，片芯后部还设有参比气道1-12，用于连通外部大气环境，存储参比空气，空气可以进入参比电极1-13上的多孔保护层1-14并扩散到参比电极1-13。实际生产过程中，上述的陶瓷片芯由于具有较多的空腔结构，不仅增加了生产工序的复杂性而且过多的空腔在生产过程中容易发生缺陷导致产品废品率较高，另外，参比气道1-12的设置，当参比气道1-12因尾气泄漏或其他污染进入造成参比气道1-12中，造成空气氧分压下降时，氮氧传感器将失效。

发明内容

针对传统陶瓷片芯中空腔较多且设置参比气道可能会导致传感器失效的问题，本发明提供了一种氮氧传感器陶瓷片芯，其减少了空腔结构从而简化了加工工艺，降低了因需要加工过多的空腔导致产品缺陷发生的可能性，同时还省略了参比气道，不会发生因参比气道污染导致传感器失效的问题。

其技术方案是这样的：一种氮氧传感器陶瓷片芯，其包括上下设置的第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片和第六基片，所述第一基片外侧安装有外电极，所述第三基片和所述第四基片之间安装有参比电极，其特征在于：所述第二基片中部依次设有尾气处理腔、第一检测腔和第二检测腔，所述尾气处理腔、所述第一检测腔和所述第二检测腔之间设有扩散障，所述尾气处理腔两侧前部设有扩散障；所述第三基片和所述第四基片之间仅开设有用于安装所述参比电极的安装腔体，通过向所述外电极和所述参比电极之间施加电流，将尾气中的中的氧气泵入所述安装腔体内，使安装腔体内的氧分压与大气中的氧分压一致。

其进一步特征在于：

所述外电极和所述参比电极之间加载恒定电流；

所述安装腔体内设有多孔保护层。

采用了这样的陶瓷片芯，相较于传统的陶瓷片芯可以省去第一空腔和参比气道，在能够保证正常使用的同时还减少了需要加工的空腔数量，同时还能够避免因参比气道污染导致传感器失效的问题，在降低制作工艺难度、减少制作成本的同时还提高了片芯的强度和可靠性。

附图说明

图1为传统片芯结构图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为本发明结构图；

图4为图3的B-B向剖视图；

图5为使用本发明的传感器测量精度图。

具体实施方式

如图3、图4所示的一种氮氧传感器陶瓷片芯，其包括上下设置的第一基片1、第二基片2、第三基片3、第四基片4、第五基片5和第六基片6，第一基片1外侧安装有外电极1-11，第三基片3和第四基片4之间安装有参比电极1-13，第二基片2中部依次设有尾气处理腔7、第一检测腔1-5和第二检测腔1-8，尾气处理腔7、第一检测腔1-7和第二检测腔1-8之间设有气体扩散障8，尾气处理腔7两侧前部设有气体扩散障8同时前端封闭；第三基片3和第四基片4之间仅开设有用于安装参比电极1-13的安装腔体9，安装腔体9内设有多孔保护层，通过在外电极1-11和参比电极1-13之间连接电源，向外电极1-11和参比电极1-13之间施加恒定电流，将尾气中的氧气泵入安装腔体9内，使安装腔体9内的氧分压与大气空气中的氧分压一致。

通过在尾气处理腔7侧面增设两处多孔气体扩散障8，尾气从侧面的扩散障进入空腔中。两侧同时设置扩散障，最大程度避免了进入尾气的局部不均匀性，同时由于尾气进入的对冲作用，空腔中的尾气混合更均匀。

氧化锆晶体结构中存在若干氧空位，在高温时（＞300摄氏度）氧空位可自由迁徙，即氧离子可在晶体结构中导通。在高温条件下，若氧化锆陶瓷两侧存在氧分压压差，氧气将电离为氧离子，自发的从氧分压高的一侧向氧分压低的一侧移动，同时，由于氧离子的移动，氧化锆陶瓷将存在一定电势差，电势差的大小取决于氧化锆陶瓷两侧的氧分压比值。取消参比气道1-12后，高温下，若氧化锆陶瓷两侧无氧分压压差，氧化锆晶体间并不会自发产生氧离子的迁移，但如果在两侧施加一个电压，氧气/氧离子将在电压的作用下被动的迁移。如图3所示，参比电极1-13上覆盖了一层多孔保护层，即给参比电极1-13营造了一个微小的空间。当在外电极1-11和参比电极1-13间施加一个约10uA的恒定电流时，外电极1-11将尾气中的极少量氧气泵入到参比电极1-13处的多孔保护层内，由于多孔保护层内的空间极小，只需要很少的氧气进入就可达到空气中的氧分压值。这样的话，参比电极1-13处可模拟出类似于空气参比气道1-12的效果。

如图5所示，图中上限线是行业对该产品的要求能力，采用本方案的氮氧传感器分别测量50ppm、100ppm、200ppm、300ppm和500ppm浓度的NO_x时，在0~100ppm范围内，误差小于10ppm，100~500ppm范围内，误差小于15%，能够满足柴油尾气处理行业对氮氧传感器的测量精度要求。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种氮氧传感器陶瓷片芯，其包括上下设置的第一基片、第二基片、第三基片、第四基片、第五基片和第六基片，所述第一基片、所述第二基片、所述第三基片、所述第四基片、所述第五基片和所述第六基片为氧化锆陶瓷，所述第一基片外侧安装有外电极，所述第三基片和所述第四基片之间安装有参比电极，其特征在于：所述第二基片中部依次设有尾气处理腔、第一检测腔和第二检测腔，所述尾气处理腔、所述第一检测腔和所述第二检测腔之间设有扩散障，所述尾气处理腔两侧前部设有扩散障；所述第三基片和所述第四基片之间仅开设有用于安装所述参比电极的安装腔体，通过向所述外电极和所述参比电极之间施加电流，将尾气中的氧气泵入所述安装腔体内，使安装腔体内的氧分压与大气中的氧分压一致。

2.根据权利要求1所述的一种氮氧传感器陶瓷片芯，其特征在于：所述外电极和所述参比电极之间连接加载恒定电流。

3.根据权利要求1或2所述的一种氮氧传感器陶瓷片芯，其特征在于：所述安装腔体内设有多孔保护层。

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