[发明专利]用于气体传感器的均匀温度加热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种加热装置，尤其涉及一种用于陶瓷多层结构的平板式气体传感器的均匀温度加热器。

背景技术

车载尾气气体传感器通常在传感单元的多层陶瓷结构中配备有一个电阻加热器。加热器的功能是，汽车发动机一启动，加热器就把传感单元快速地加热到工作温度，并且在后续工作中，使传感单元保持一致的温度状态。 在传感单元的传感功能区域保持一致且均匀的温度至关重要，只有在稳定的温度环境下，气体传感器才能够在不同的发动机工况下一直提供稳定的信号输出。

参见图1，在传统的典型陶瓷结构平板式气体传感器中，包括加热器电阻3及连接加热器电阻3两端的加热器导线4，加热器电阻3设置于传感单元末端5，加热器导线4延伸至传感单元安装端6，加热器电阻3附近形成电阻加热区域7。电阻加热器的加热单元是用盘卷成蛇形状的金属条做为加热元件。设计加热器时，一定要很好地控制材料的电阻和电阻值的热变系数，只有这样，通电后的加热器才能释放出设计的热量，并把气体传感器加热到准确的温度。 加热器的工作温度需要在600^oC 到 700^oC之间。由于气体传感器制备和工作时温度很高，加热器材料通常采用铂金或鈀等贵重金属。这些金属材料还经常参入具有绝缘性的陶瓷粉料，以准确地调整和控制电阻性能。加热器电阻丝图形通常是用丝网印刷工艺把铂金或鈀粉制成的浆料印在氧化铝基片（green tape）上。  在丝网印刷过程中，加热器电阻丝图形的形状和厚度一定要控制得非常好，这样，烧结后加热器电路里的电阻值才能够满足设计要求。其后的工艺步骤是把多层陶瓷基片（green tape）层压成传感单元结构。制备传感单元的最后加工程序是1400^oC 到 1500^oC 的烧结过程。在烧结过程中，印刷好的加热器电阻丝图形中金属颗粒被烧结在一起，形成一个连续的电路。

图1所示传统加热器是均匀宽度和均匀分布的蛇形电阻丝回路。这种均匀加热器电阻图形是为了简化设计，也为了防止出现那些严重缩短加热器寿命的“超热点”。电路通电后，热量在加热器电阻图形区域内被均匀地释放出来。问题是，在放热区域内，传感单元散热却是不均匀的。放热量和散热量的差异就在传感区域内产生一个温度梯度。 图2所示的是在传感单元长度方向中心线上的温度分布曲线。加热器中心线与传感单元中心线相重叠。温度从传感单元末端起开始测量。该曲线清楚地显示了温度梯度的量值。在放热区域内温度的变化高达近300 摄氏度。由于温度环境影响电极的工作状态，这样大的温度梯度将对气体传感器的性能稳定性造成负面影响。不少气体传感单元的设计只好把电极感应和测量区域限制在温度梯度最小的区域。这就大大降低了传感单元中部件配置的灵活性，无法优化传感单元的总体设计。更困难的是，某些高级气体传感器需要有多个电化学单元在几乎相同的温度下工作，它们的电极组也就需要更大的感应和测量区域。采用传统的加热器设计将无法满足这些气体传感器的需要。

计算机辅助热分析模型能够非常准确地预测气体传感单元工作时的温度分布和热流动路径。对传统典型配置的传感单元的热分析结果表明，传感单元散热的主要路径是延着传感单元长度方向的热传导。气体传感器的传感单元通常被安装在陶瓷衬套内，然后和衬套一起被固定在气体传感器的金属壳体上。  陶瓷衬套和金属壳体在传感器工作时的温度要比传感单元加热区域的温度低的多，因此，他们相当于散热流动路径上的“吸热黑洞”。 从加热器放热区域到这个“吸热黑洞”的散热就造成图2所示的温度梯度。总而言之，传感单元末端（传感端）比安装端（壳体端）的散热要小得多，因此就产生了图2所示的温度分布结果。

发明内容

本发明的目的在于：克服传统平板式气体传感器加热器的上述缺陷，提供一种用于气体传感器的均匀温度加热器，其温度的均匀分布能够提高气体传感器的性能。

本发明由蛇形电阻丝及分别连接于蛇形电阻丝两端的加热器导线构成，其特征在于：在加热器电阻图形区域内，加热器能够非均匀地产生热量，也就是说加热器单位面积放热量不同。

本发明所述的加热器电阻图形区域即蛇形电阻丝区域沿传感器长度方向形成两个蛇形电阻区域，分别为在电阻图形区域中离传感单元末端最远、且跨过整个宽度方向的区域部分的第一电阻区域以及电阻图形区域里剩余的区域部分的第二电阻区域。

本发明所述第一电阻区域内加热器单位面积放热量与第二电阻区域内加热器单位面积放热量不同。

本发明构成中的第一电阻区域内与第二电阻区域内的电阻图形设计和/或电阻丝材料和/或电阻丝几何参数各不相同。