一种氮氧传感器的制造方法

一种氮氧传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于传感器技术领域，更具体地，设及一种氮氧传感器。
【背景技术】
[0002] 随着机动车数量的增加，汽车排放的尾气已经成为主要的大气污染物，其中氮氧 化物的污染尤为严重。伴随着越来越严格的汽车尾气排放标准的出台，需要对汽车尾气中 的氮氧化物排放进行实时检测，而氮氧传感器是该检测系统中的核屯、部件之一。
[0003] 传统的氮氧传感器为片状结构，采用多层氧化错陶瓷片叠合而成，由功能层与加 热层组合而成，功能层主要完成一系列的电化学及催化分解反应，W实现对NOx气体的测 量；加热层主要给氮氧传感器加热，使之达到功能层电化学及催化反应所需的温度。传统的 的氮氧传感器的电极采用对氮氧化合物几乎无催化活性的金属材料Au。氮氧传感器巧片在 正常工作过程中，加热层的加热电极温度高达l〇〇〇°C，十分接近Au的烙点1064°C，影响氮 氧传感器的加热效果，因此采用传统的Au做为电极，效果并不理想。
[0004] 传统的氮氧传感器其内部结构中含有多个腔室，制造工艺复杂，且减少了腔室周 围的两个氧化错陶瓷片的接触面积，降低了腔室所在的氮氧传感器头部的结构强度。
[0005] 传统的氮氧传感器的内部电极多采用长方形结构，在加工过程中氮氧传感器内部 电极附近的尖角处容易出现应力集中的现象，那么氮氧传感器在工作过程中，其内部电极 附近的尖角处极其容易出现开裂等问题，大大降低了氮氧传感器的使用寿命。
[0006] 传统的氮氧传感器的测量电极对NOx的分解较缓慢，因此氮氧传感器内外的NOx 浓度差并不是十分大，NOx从外部扩散进还原腔室的速度较为缓慢，则NOx分解产生的电流 较小，灵敏度不高。 【实用新型内容】
[0007] 针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种氮氧传感器，旨在解决现 有技术中的由于传统氮氧传感器内部腔室结构和测量电极与加热电极的材料和形状，导致 氮氧传感器制造工艺复杂，头部强度较低，电极附近出易现开裂，加热电极加热效果欠佳， 灵敏度不高的技术问题。
[000引本实用新型提供了一种氮氧传感器，包括从上到下依次叠压的第一层基片、第二 层基片、第=层基片、第四层基片、第五层基片、第六层基片、第走层基片、第八层基片和第 九层基片；所述第一层基片的上表面设置有圆环形的主电极，且所述第一层基片中包含有 第一扩散障层，汽车尾气通过所述第一扩散障层进入氮氧传感器；所述第二层基片内设有 圆柱体形的定氧腔室，所述定氧腔室内设有圆环形定氧电极；所述第=层基片中包含有第 二扩散障层；所述第四层基片中包含有圆柱体形的还原腔室，所述还原腔室内设有比较电 极和测量电极；所述第五层基片中包含圆柱体形的参考腔室，所述参考腔室是与大气相连 的参考气体通道，所述参考腔室内设有参考电极；所述第走层基片和所述第八层基片之间 设置有加热电极。
[0009] 更进一步地，所述主电极的材料为对M)x化合物无催化作用的金属陶瓷。
[0010] 更进一步地，所述金属陶瓷由Pt、YSZ(氧化锭稳定氧化错）组成。
[0011] 更进一步地，所述第一扩散障层的材料为氧化侣和石墨的混合，且两者之间具有 一定的孔隙率。
[0012] 更进一步地，所述加热电极的材料为销。
[0013] 更进一步地，所述测量电极的材料为由NiOXuO和YSZ构成的复合材料，所述复合 材料中YSZ的体积百分比为5%~30%Vol，化0的体积百分比为7%~38%Vol。
[0014] 更进一步地，在所述测量电极上附着有一覆盖层，所述覆盖层的材料为含Mn元素 0%~10%Vol的晶尖石。
[0015] 本实用新型能够实现W下技术效果；（1)在结构上本实用新型的氮氧传感器内部 一共只有3个腔室，相比较传统的氮氧传感器的5个腔室，减少2个腔室。由于腔室所占 空间的减少，该样就增大了腔室周围的氧化错陶瓷基片之间的接触面积，提高了腔室所在 的氮氧传感器头部的结构强度。此外本实用新型也简化了氮氧传感器的结构，从而使得整 个氮氧传感器的制作工艺变得更为简单，易于生产，降低生产成本。（2)本实用新型中，氮 氧传感器的定氧腔室和测量腔室均为圆柱体，主电极、测量电极、比较电极均为圆环形。相 比于传统的氮氧传感器的长方体腔室和长方形电极，本实用新型内部的尖角都采用圆弧过 度，明显降低了传感器内部的应力集中，大大减少了其内部开裂的可能性，从而提高其使用 寿命。（3)本实用新型中，加热电极为金属销，销的烙点为1772°C，远高于加热温度1000°C， 相比较于W金属金为电极，并不会出现在加热过程中硬度下降、挥发等问题，其加热效果良 好。（4)本实用新型中，测量电极由NiO、化0和YSZ的复合材料制成。复合材料中YSZ的 体积百分比为5%~30%Vol，化0的体积百分比为7%~38%Vol。测量电极上有一覆盖 层，覆盖层的材料为含Mn元素0%~10%Vol的晶尖石。相比于传统的氮氧传感器测量电 极材料，本材料可W提高NOx在测量电极上的分解速度，从而使得还原腔室的NOx的浓度更 低，加速定氧腔室的NOx扩散进还原腔室，进而加速氮氧传感器外部的NOx扩散进定氧腔 室。由于扩散加快，则由NOx分解产生的电流增大，进而增加NOx测量的灵敏度。
【附图说明】
[0016] 图1是本实用新型实施例提供的氮氧传感器的剖面视图。
[0017] 图2是本实用新型实施例提供的氮氧传感器的=维结构视图。
[0018] 图3是本实用新型实施例提供的氮氧传感器原理图。
【具体实施方式】
[0019] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释 本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0020] 本实用新型提供的氮氧传感器可W测量尾气中NOx的含量，适用于汽车尾气氮氧 化物气体的测量。图1示出了本实用新型实施例提供的氮氧传感器的剖面视图，为了便于 说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下；本实用新型提供的氮氧传感器 由氧化错陶瓷基片层叠构成，包括第一层基片、第二层基片、第=层基片、第四层基片、第五 层基片、第六层基片、第走层基片、第八层基片和第九层基片从上到下依次叠压。第一层基 片上表面上设有圆环形主电极1，第一层基片中包含有第一扩散障层2,汽车尾气通过此扩 散障层2进入氮氧传感器；第二层基片内设有一定氧腔室4,定氧腔室4内设有圆环形定氧 电极3 ;第S层基片中包含有第二扩散障层5 ;第四层基片中包含有还原腔室7,还原腔室7 内设有比较电极6和测量电极8 ;第五层基片中包含参考腔室10,参考腔室10是与大气相 连的参考气体通道，参考腔室10内设有参考电极；第走层和第八层基片之间包含有加热电 极。
[0021] 在本实用新型实施例中，主电极1和比较电极6的材料都可W为对NOx化合物无 催化作用的金属陶瓷，主要是由Pt、YSZ(氧化锭稳定氧化错）组成，主电极1外表面覆盖了 一层保护层，保护层的材料可W是氧化侣。
[0022] 在本实用新型实施例中，扩散障层（2、5)的材料可W是有一定孔隙率的氧化侣。
[0023] 在本实用新型实施例中，测量电极的材料可W是销锭和YSZ(氧化锭稳定氧化 错），对汽车尾气中的氮氧化合物敏感。
[0024] 作为本实用新型的一个实施例，加热层上、下表面均覆盖有绝缘层。加热电极材 料可W是销。
[0025] 作为本实用新型的一个实施例，绝缘层的材料可W是致密的氧化侣。
[0026] 采用本实用新型提供的氮氧传感器可W测量尾气中NOx含量，具体为：
[0027] (1)通过所述加热电极对氮氧传感器进行加热，使得氮氧传感器的各个腔室中的 氧气W氧离子的形式从各个腔室内部累出；当待测气体通过第一扩散障层进入定氧腔室 时，通过在主电极和定氧电极之间施加主累电压，使得定氧腔室中的氧气W氧离子的形式 累出； 剩余的气体经过第二扩散障层进入还原腔室，通过调节主累电压，控制定氧腔室中 氧的累出量，使得参考电压Vc保持在450mv左右，从而使得还原腔室内的氧气浓度保持在 1~5ppm的水平；通过在测量电极与主电极之间施加-2v~+2v的电压，使得分解出来的 02被不断累出，产生累电流Ipl;
[002引 （2)采集累电流Ipl;
[0029] 做根据所述累电流Ipl获得待测气体中NOx的含量。
[0030] 其中，主累电压为-2v~巧V。
[003U其中，步骤（3)具体为：通过分别测量浓度为化pm的NOx和2000ppm的NOx的条 件下标定累电流Ipl值，可得出NOx的含量和产生的累电流Ipl之间的比例关系，从而可W 根据测得的任意电流值Ipl值计算出NOx的含量。
[0032] 本实用新型的有益效果具体在于；在结构上本实用新型的氮氧传感器内部一共只 有3个腔室，相比较传统的的氮氧传感器的5个腔室，减少2个腔室。该样尾气中的气体可 W通过扩散障直接进入定氧腔室，加快了气体扩散到测量腔室的时间，从而提高氮氧传感 器的响应时间。此外本实用新型也简化了氮氧传感器的结构，从而使得整个氮氧传感器的 制作工艺变得更为简单，易于生产，降低生产成本。
[0033] 本实用新型中，氮氧传感器的定氧腔室和测量腔室均为圆柱体，主电极、测量电 极、比较电极均为圆环形。相比于传统的氮氧传感器的长方体腔室和长方形电极，本实用新 型内部的尖角都采用圆弧过度，明显降低了传感器内部的应力集中，大大减少了其内部开 裂的可能性，从而提高其使用寿命。
[0034] 本实用新型实施例中，加热电极可W为金属销，销的烙点为1772。远高于加热温 度1000°C，相比较于W金属金为电极，并不会出现在加热过程中硬度下降、挥发等问题，其 加热效果良好。
[0035] 为了更进一步的说明本实用新型实施例提供的氮氧传感器，现结合附图详述如 下：
[0036] 图1为本实用新型实施例的NOx传感器结构剖面图。如图1所示，本实用新型的 氮氧传感器由九层氧化错陶瓷基片层叠构成。第一层基片上表面上设有主电极1，第一层基 片中包含有第一扩散障层2,汽车尾气通过此扩散障层进入氮氧传感器；第二层基片内设 有一定氧腔室4,定氧腔室内设有定氧电极3 ;第S层基片中包含有第二扩散障层5 ;第四层 基片中包含有还原腔室7,还原腔室7内设有比较电极6和测量电极8 ;第五层基片中包含 参考腔室10,参考腔室10是与大气相连的参考气体通道，参考腔室10内设有参考电极9 ; 第走层和第八层基片之间包含有加热电极11。
[0037] 在本实用新型实施例中，主电极和比较电极都是的材料为对NOx化合物无催化作 用的金属陶瓷，主要是由Pt、YSZ(氧化锭稳定氧化错）组成，主电极外表面覆盖了一层保护 层，材料是氧化侣。扩散障层的材料是有一定的孔隙率氧化侣。测量电极的材料是由NiO、 化0和YSZ的复合材料制成。复合材料中YSZ的体积百分比为5%~30%Vol，化0的体积 百分比为7%~38%Vol。测量电极上有一覆盖层，覆盖层的材料为含Mn元素0%~10% Vol的晶尖石。加热层上下表面均覆盖有绝缘层。绝缘层的材料是致密的氧化侣。加热电 极材料是销。要准确测得气体中NOx含量就必须先将氮氧传感器内部腔室的氧气排出，去 除气体中原有氧气的干扰，然后通过测量出NOx分解出来的02含量，计算气体中的NOx的 含量，即完成了氮氧传感器对NOx气体的测量。测量时，通过加热电极11对氮氧传感器加 热，利用氧化错陶瓷在高温下呈现的电解质特性，可W使得氧气W氧离子的形式从氮氧传 感器腔室内部累出。
[003引如图3所示，氮氧传感器内部的电极构成四个回路。其中比较电极6和参考电极 9构成第一回路，用于测量还原腔室7与参考腔室10的氧气浓度差；
[0039] 主电极1和定氧电极3构成第二回路，控制定氧腔室的累氧量，使得定氧腔室4和 还原腔室7的氧气浓度在1~5ppm，从而保证比较电极6和参考电极9之间的电压为450mv 左右。测量电极8和主电极1构成第S回路，用于测量在测量电极8上分解的NOx的含量， 即气体中的NOx的含量。
[0040] 加热电极11构成第四回路，用于为氮氧传感器加热加热，从而获得氧化错陶瓷在 高温下的电解质特性，使得氧气W氧离子的形式累出。
[0041] 测量时，氮氧传感器被加热电极11加热到700°C，气体通过第一扩散障层2进入 定氧腔室4,主电极1和定氧电极3之间施加一主累电压，可W将氧气从氮氧传感器内部累 出。该主累电压由比较电极6和参考电极9之间的参考电压Vc决定。
[0042] 剩余的气体经过第二扩散障层5进入还原腔室7。参考电极一端置于空气中，参考 电极和比较电极之间存在一个由电极所在氛围的氧浓度差决定的参考电压Vc(该电势信 号符合能斯特方程）。
[0043] 在电化学中，能斯特（Nernst)方程用来计算电极上相对于标准电势巧0)来说的 指定氧化还原对的平衡电压巧）。
[0044]
【主权项】
1. 一种氮氧传感器，其特征在于，包括从上到下依次叠压的第一层基片、第二层基片、 第三层基片、第四层基片、第五层基片、第六层基片、第七层基片、第八层基片和第九层基 片； 所述第一层基片的上表面设置有圆环形的主电极（1)，且所述第一层基片中包含有第 一扩散障层（2)，汽车尾气通过所述第一扩散障层（2)进入氮氧传感器； 所述第二层基片内设有圆柱体形的定氧腔室（4)，所述定氧腔室（4)内设有圆环形定 氧电极（3); 所述第三层基片中包含有第二扩散障层（5); 所述第四层基片中包含有圆柱体形的还原腔室（7)，所述还原腔室（7)内设有比较电 极（6)和测量电极（8); 所述第五层基片中包含圆柱体形的参考腔室（10)，所述参考腔室（10)是与大气相连 的参考气体通道，所述参考腔室（10)内设有参考电极； 所述第七层基片和所述第八层基片之间设置有加热电极。
2. 如权利要求1所述的氮氧传感器，其特征在于，所述主电极（1)的材料为金属陶瓷。
3. 如权利要求2所述的氮氧传感器，其特征在于，所述金属陶瓷由Pt和YSZ组成。
4. 如权利要求1所述的氮氧传感器，其特征在于，所述第一扩散障层（2)的材料为由氧 化铝和石墨混合形成。
5. 如权利要求1所述的氮氧传感器，其特征在于，所述加热电极的材料为铂。
6. 如权利要求1所述的氮氧传感器，其特征在于，所述测量电极（8)的材料为由NiO、 CuO和YSZ构成的复合材料，所述复合材料中YSZ的体积百分比为5%~30% Vol，CuO的 体积百分比为7%~38% Vol。
7. 如权利要求1或6所述的氮氧传感器，其特征在于，在所述测量电极上附着有一覆盖 层，所述覆盖层的材料为含Mn元素0%~10% Vol的晶尖石。
【专利摘要】本实用新型公开了一种氮氧传感器，氮氧传感器包括第一层基片、第二层基片、第三层基片、第四层基片、第五层基片、第六层基片、第七层基片、第八层基片和第九层基片；第一层基片的上表面设置有圆环形主电极且第一层基片中包含有第一扩散障层第二层基片内设有定氧腔室，定氧腔室内设有圆环形定氧电极；第三层基片中包含有第二扩散障层；第四层基片中包含有还原腔室，还原腔室内设有比较电极和测量电极；第五层基片中包含参考腔室，参考腔室内设有参考电极；第七层基片和第八层基片之间设置有加热电极。本实用新型加快了气体扩散到测量腔室的时间，提高了氮氧传感器的响应时间；制作工艺简单，易于生产，生产成本低，使用寿命长。
【IPC分类】G01N27-416, G01N27-407
【公开号】CN204613147
【申请号】CN201520282672
【发明人】陈丽芳, 刘文君, 张敏环, 罗敏, 熊建杰
【申请人】武汉爱德威科技有限责任公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月30日