本发明专利技术公开了一种双泵结构的宽带氧传感器，涉及内燃机检测技术，其由各自独立驱动的两个氧泵组成，检测氧泵用于检测氧的浓度，另一参比氧泵用作参比系统；宽带氧传感器检测氧泵的阴极和参比氧泵的阳极暴露在被测气体中，检测氧泵的阳极与被测气体连通，参比氧泵的阴极密封在固体电解质中。使用氧化锆、部分稳定氧化锆、稳定化氧化锆等具有氧离子导电性质的固体电解质作为支持电解质，采用等静压、高温烧结、切割制片等工艺制备成基片，催化电极材料为钯、铂、铑、铱、钌、锇、金等金属以及它们的合金。两个暴露在被测气体中的电极表面都覆盖有多孔扩散层。控制检测氧泵的阳极与参比氧泵的阴极电位相等，此时流过检测氧泵的电流与氧浓度呈正比。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及内燃机检测
，是一种具有两个氧泵的四电极极限电流型宽带氧传感器及制备方法，用于汽车空燃比检测。
技术介绍
宽带氧传感器用于检测汽车发动机空燃比，它能够准确给出被测气体中氧浓度的准确值。目前宽带型氧传感器主要是极限电流型氧传感器的改进型，如专利 W02009109617，W02008080676等，这类宽带氧传感器是在极限电流型氧传感器的基础上，弓丨入参比电极，以“空气/钼电极”参比电极为基准，在工作电极上加上0.45V偏压，仿真λ = 1时的电位，流过工作电极的电流与氧浓度成正比。该专利的主要优点是准确，传感器性能受环境影响小，尤其是来自温度的变化，传感器长时间在极端条件下运转不会影响传感器性能；该专利必须提供一个贮存有一定量空气的参比腔，而这个参比腔又常常与传感器外部联通，以保证充足的氧供应和不变的氧浓度。这不仅使传感器结构趋于复杂，增加了制备难度，同时也使传感器芯片的厚度相对较大，传感器功耗高居不下，启动功耗高达24W。复杂的封装技术用以保证传感器密封的效果，避免被测气体渗入参比腔内，改变参比气体成份。 这大大增加了传感器的制造成本。上述专利的另一个技术难点就是扩散孔结构，该专利保存了极限电流型氧传感器的基本结构，其中氧泵内电极通过扩散孔与被测气体联通。除扩散孔的制备本身的难度之夕卜，被测气体在这个扩散孔中的扩散速度难以做到一致性，因此降低了传感器的一致性。美国专利US5538612提供的方案是利用三电极库仑分析池原理制备氧传感器，工作电极直接接触被测气体，辅助电极和参比电极都深埋在固体电解质基片内部。该专利没有复杂的小孔结构和扩散层结构，结构简捷，传感器芯片厚度明显减小，功耗也大为减小。 传感器的输出与氧浓度呈线性关系。但是这一专利的参比电极电位难以保持一致性和稳定性，尤其当传感器在极端条件下长时间工作时，如空燃比小于0.7，或空燃比大于1.8，都会引起参比电极电位的漂移；同时，参比电极的电位受温度影响较大。这一专利提供的宽带氧传感器只能保证传感器工作在富氧燃烧条件下工作，当要求传感器在λ = 1附近准确工作时，传感器的输出将逐渐出现偏差。尽管目前各种各样的关于宽带氧传感器的报道很多，但是都不出上述两种传感器原理的范畴。有关金属氧化物、熔盐电极等关于特种参比电极的报道很多，但是都没能真正解决上述两种氧传感器存在的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开，在宽带氧传感器中回避使用复杂的参比气体腔，即不以空气为参比；同时不直接使用金属电极或金属氧化物电极作为参比电极；而是利用不同电极之间的电化学关系，得到氧浓度的准确信息。为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案是一种双泵结构的宽带氧传感器，其包括加热系统和电化学系统；电化学系统是由固体电解质制作传感器芯片，在传感器芯片两面对称设置两个氧泵参比氧泵和检测氧泵； 参比氧泵阳极和参比氧泵阴极构成参比系统；检测氧泵的阳极为工作电极、阴极为辅助电极；参比氧泵中氧离子运动方向由里向外，检测氧泵中氧离子的运动方向由外向里；加热系统为电阻加热器，设在氧泵外侧；使用时，流过检测氧泵的电流与氧的浓度呈线性关系。所述的传感器，其所述电化学系统，包括参比氧泵、检测氧泵、隔离层；参比氧泵和检测氧泵是在条形板状固体电解质基片两侧表面分别设置电极、导线、焊盘，其中电极位于基片一端，焊盘位于基片另一端，以导线相连通；在固体电解质基片两侧的电极上，覆盖有催化剂层，是一种催化电极；在连接催化剂电极和焊盘之间的导线上方覆盖有一保护层；条形板状的隔离层外形与基片相匹配，位于参比氧泵和检测氧泵之间，参比氧泵阴极和检测氧泵阳极相对设置，并将参比氧泵、检测氧泵、隔离层固接为一体；参比氧泵的阳极和检测氧泵的阴极暴露在被测气体中，参比氧泵的阴极密封在参比氧泵与隔离层中间，与被测气体相隔离；在隔离层与检测氧泵之间设有小孔、沟道、多孔扩散层或缝隙，使检测氧泵阳极与被测气体连通；使用时，在参比氧泵的阳极和阴极之间施加电压，使氧离子从阴极流向阳极，驱动检测氧泵阳极与参比氧泵阴极的电位完全相同，此时流过检测氧泵的电流与被测气体中的氧浓度呈正比关系。所述的传感器，其所述电阻加热器，为一个，设在检测氧泵外侧；或为二个，分别设在参比氧泵或检测氧泵外侧；其工作温度在650 950°C之间。所述的传感器，其所述电阻加热器，是由钼、钌、铑、铱、钽、镍铬合金、铁铬铝合金、 氧化钌、氧化铱、PTC陶瓷、NTC陶瓷、碳化硅、硼化锆、硼化铪其中之一或组合的电阻材料制备而成。所述的传感器，其所述固体电解质，采用氧化锆、部分稳定化氧化锆、稳定化氧化锆其中之一的具有氧离子导电性的固体电解质。所述的传感器，其所述固体电解质基片、隔离层，厚度在0. 10 0.50mm之间，传感器芯片总厚度在0. 50 1.50mm之间。所述的传感器，其所述电极、导线、焊盘，材料采用钯、钼、铑、铱、钌、锇、金其中之一的金属或它们的合金材料制备。所述的传感器，其所述暴露在被测气体中的参比氧泵的阳极和检测氧泵的阴极， 在催化剂层表面上方覆盖有一层多孔扩散层，其材料为氧化锆、氧化铝或它们的混合物。所述的传感器，其所述催化剂层中，催化剂的材料为钼、钯、金、钌、铑、铱贵金属其中之一或其混合物的微粉、厚膜或薄膜。一种双泵结构的宽带氧传感器制备方法，其包括步骤A)制备固体电解质基片、隔离层片，二者外形相同；B)在一固体电解质基片的二侧面上分别制备电极、导线、焊盘，在另一固体电解质基片的二侧面上分别制备电极、导线、焊盘，并在电极上覆盖催化剂层；同时，在隔离层片的二侧面上，一侧面有固体电解质纳米粉层，另一侧面有固体电解质微粉和致孔剂层；C)在外侧两电极的催化剂层上方覆盖扩散层，在导线上方覆保护层；D)将B)步制备的两片固体电解质基片，分别置于B)步制备的隔离层片的二侧， 且周缘对正，参比氧泵阴极与检测氧泵阳极相对设置，参比氧泵阴极与隔离层片有固体电解质纳米粉的一侧相连，检测氧泵阳极与隔离层片有固体电解质微粉和致孔剂的另一侧相连；E)将D)步所得叠置体，在高温炉中加压烧结，F)烧结后的基片组，为传感器芯片，其中，检测氧泵阳极和隔离层之间有缝隙，填充物为多孔结构，用以确保检测氧泵阳极与被测气体联通；G)用丝网印刷、溅射或蒸发方式，将电阻材料制备在氧化铝陶瓷基片上，制成电阻加热器备用；氧化铝陶瓷基片的厚度在0. 20 1.00mm之间，外形与固体电解质基片、隔离层片相同，其电阻值满足传感器电器参数要求；H)将一电阻加热器固接于检测氧泵阴极表面的扩散层上，或将两电阻加热器分别固接于参比氧泵阳极与检测氧泵阴极外表面的扩散层上；L)将传感器芯片连接驱动电路、电源，电阻加热器连接电源，得成品。所述的传感器制备方法，其所述步骤A)，是将固体电解质粉体经过等静压工艺，在 32吨压力下制备成块状坯体，高温预烧结后，再切片、研磨、抛光，制备成片状固体电解质， 再经切割制备成条状的固体电解质基片和隔离层片。所述的传感器制备方法，其所述步骤B)，是在固体电解质基片的二侧面上利用溅射、蒸发、喷涂、涂覆或丝网印刷方式制备电极、导线、焊盘；用溅射或蒸发法制备时，厚度在 60 500nm之间，用喷涂、涂覆、丝网印刷法制备时，厚度不低于0. 05mm。所述的传感器制备方法，其所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：董汉鹏，夏善红，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：
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