[发明专利]一种氮氧传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧传感器技术领域，尤其是一种氮氧传感器及其制作方法，适用于汽车尾气、冶金行业氮氧化物气体的测量等。

背景技术

随着汽车保有量的不断增加，汽车尾气排放物（HC、CO、NOx和PM等）对大气的污染越来越严重。其中氮氧化物(NOx)的排放尤为严重，它导致的光化学烟雾和酸雨已经给人类造成了巨大的危害。它甚至可以破坏臭氧层、引起温室效应。目前氮氧化物的排放已经引起了全世界的普遍关注，并制定了越来越严格的汽车尾气排放标准。而欧5和欧6的实现需要对氮氧化物的排放进行实时在线检测，而氮氧传感器就是该在线检测系统的核心部件之一。

目前已报道的氮氧传感器都是片式结构的，这种结构一般是通过流延成型技术获得氧化锆基片，通过切割和打孔加工成所需的形状，再通过丝网印刷和层压共烧技术将氧化锆基体和加热电路、金属铂电极、多孔扩散障碍层和氧化铝绝缘层集成一体，从而形成第一测量腔、第二测量腔和参比空气通道，并包含加热器，扩散障碍层。通过第一测量腔上层氧化锆基片两侧设置的内外电极形成第一泵氧单元，通过第二测量腔下层氧化锆基片两侧设置的内外电极形成第二泵氧单元，通过第一测量腔下层氧化锆基片两侧设置的检测电极和参比空气电极形成氧浓度检测单元。参比空气电极和第二泵氧单元外电极都设置在参比空气通道中，与外界新鲜空气充分接触。底部两层氧化锆基片中间集成了加热器，并由氧化铝绝缘层将加热回路跟氧化锆基片绝缘开来。

第一测量腔经过第一扩散障碍层与外界被检测气体相通，第二测量腔经过第二扩散障碍层与第一测量腔内的气氛相通。在工作时，通过外部闭环控制器在第一泵氧单元内外电极端施加泵电压产生一定的泵电流（后称第一泵电流），使得第一测量腔内的氧氛被抽出，并经过氧浓度检测单元的测量，将第一测量腔内的氧浓度控制到一个恒定的低水平。与此同时，在第二泵氧单元内外电极端施加一个恒定的泵电压将第二测量腔内的氧氛抽出，形成第二泵氧单元泵电流（后称第二泵电流），通过这个泵电流就可以得到被检测气体中的氮氧化物浓度。

该氮氧传感器为了获得较高的测量精度，工作时需要将传感和测量部位的温度一直维持在850°C左右；与此同时为了获得更快的启动时间以满足高排放法规的要求，其集成的加热电路必须具有足够高的加热功率。这样以来，由于片式结构本身的不对称和不规则引起自身抗热振性能下降，会导致其稳定性和使用寿命下降。

此外，该片式氮氧传感器需要6层以上氧化锆基片集合而成，而其加热器只能设置在底部，因此多层氧化锆之间的温度梯度很大，导致温度控制难度增加并影响了测量精度和结构稳定性。而且其制造工艺的复杂度大幅提高，生产效率和成品率较难控制。

发明内容

为了克服现有的片式氮氧传感器的不足，本发明提供了一种氮氧传感器及其制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氮氧传感器，它包括内部带有台阶的U型氧化锆管、外部氧化锆薄层和加热棒，所述内部U型氧化锆管和外部氧化锆薄层之间设置了第一测量腔、第二测量腔和参比空气腔，所述的第一测量腔经过第一扩散障碍层与外界测量气氛相通，第二测量腔经过第二扩散障碍层与第一测量腔内的气氛相通，所述的参比空气腔由隔离层封闭起来与外界气氛隔离，内设参比空气电极。所述的第一测量腔的外层氧化锆两侧设置泵氧电极，形成了第一泵氧单元，所述的第二测量腔的内部U型氧化锆管两侧设置泵氧电极，形成第二泵氧单元，所述的第一测量腔内部电极与参比空气腔内的参比空气电极之间形成氧浓度测量单元。所述的内部U型氧化锆管和外部氧化锆薄层之间直接接触部分由氧化铝绝缘薄层隔离开来，以确保两个泵氧单元信号无干扰。所述的U型氧化锆管和加热棒之间形成了参比空气通道，以确保第二测量腔第二泵氧单元正电极接触的气氛稳定。

根据本发明的另外一个实施例，参比空气电极也可以灵活地设置在U型氧化锆管内部，这样一来就无需设置参比空气腔。

本发明的氮氧传感器，在U型氧化锆管的台阶上设置3个电极触点以方便U型氧化锆管外侧电极4个电极的信号连接，具体如下：由于内部U型氧化锆管和外部氧化锆薄层之间绝缘，其第一泵氧单元的负电极和第二泵氧单元的负电极可以共线连接到第一电极触点上，第一泵氧单元正电极与第二电极触点连接，参比空气电极连接到第三电极触点上。U型氧化锆管内侧仅有一个第二泵氧单元正电极，可以通过敞口端设置单一触点与信号线连接。4个电极触点分别与4根信号线相连，再加上加热器控制回路需2根引线，就形成了带有6根导线的管式氮氧传感器。