專利名稱：片狀式氧傳感器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧傳感器的制造方法，特別是公開一種片狀式氧傳感器的制造方法，應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，控制空燃比的尾氣排放。
背景技術(shù)：
隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境影響的重視，人們利用三元催化轉(zhuǎn)換器(TWC)用來將發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃料的不完全燃燒產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的氣體轉(zhuǎn)化成無害的氣體。但是高效的三元催化轉(zhuǎn)換器要求將化學(xué)計(jì)量空燃比(A/F)控制在很窄的范圍(14.6±0.2)。這就需要用氧傳感器來監(jiān)控汽車排放廢氣以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比。目前汽車上采用的氧傳感器有離子傳導(dǎo)性濃差電池式氧化鋯(ZrO2)氧傳感器和電子傳導(dǎo)性半導(dǎo)體電阻式氧化鈦(TiO2)氧傳感器兩種。而氧化鋯式氧傳感器可分為加熱型氧傳感器和非加熱型氧傳感器。加熱型氧傳感器主要以試管狀和平面狀產(chǎn)品出現(xiàn)。目前市面上所生產(chǎn)的大部分都是試管狀傳感器帶加熱棒組裝而成的氧傳感器。但這類氧傳感器有個(gè)缺點(diǎn)，就是加熱棒和傳感器不是成一整體而是組裝成的，因此在工作過程中熱效率不是很高，所以這類氧傳感器使用的溫度范圍不是很廣泛?；谶@種情況，有些單位先后研制帶加熱器的平面狀氧傳感器。平面狀氧傳感器和試管狀氧傳感器工作原理是一樣的，是根據(jù)在高溫下氧化鋯固體電介質(zhì)氧濃差電池的原理而制得的，在高溫下，當(dāng)固體電介質(zhì)兩側(cè)存在氧濃差時(shí)，高氧勢(shì)一側(cè)的氧就會(huì)以O(shè)2-狀態(tài)進(jìn)入固體空位中，破壞了晶格的電中性。由于晶格趨于保持電中性，迫使O2-離子通過空位和缺陷向低氧勢(shì)側(cè)遷移從而形成離子導(dǎo)電，在電介質(zhì)兩側(cè)產(chǎn)生濃差電勢(shì)。在電介質(zhì)界面上發(fā)生電解反應(yīng)陰極氧勢(shì)由高向低移動(dòng)陽極在低氧勢(shì)區(qū)反應(yīng)在固體電解質(zhì)兩側(cè)涂覆多孔鉑電極，一側(cè)作為測(cè)量電極，一側(cè)作為參比電極。將帶有多孔鉑電極的固體電解質(zhì)置于已啟動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管側(cè)，這時(shí)周圍空氣與排放氣體的含氧量產(chǎn)生濃度差，而金屬鉑除了起電極作用外，還起催化作用。即在固體電解質(zhì)兩側(cè)發(fā)生如下反應(yīng)
氧氣分壓較高的一側(cè)
氧氣分壓較低的一側(cè)
由于金屬鉑還起催化作用，因此在排氣管內(nèi)發(fā)生
靠這種作用，濃混合氣燃燒所排放的廢氣與催化鉑接觸時(shí)，因?yàn)閺U氣中殘存的低濃度氧氣與一氧化碳大致全部參與化學(xué)反應(yīng)，鉑表面的O2濃度為0，CO濃度也減少，所以，氧濃度之差變得非常大，由此而產(chǎn)生了1V左右的電動(dòng)勢(shì)。
當(dāng)稀薄混合氣燃燒時(shí)，因?yàn)榕欧艢怏w中存在有高濃度的O2和低濃度的CO，即使CO與O2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，還是有多余的O2存在，氧濃差很小，所以，幾乎不會(huì)產(chǎn)生電壓。
如果固體電介質(zhì)內(nèi)純離子導(dǎo)電的條件得到滿足，即固體電解質(zhì)產(chǎn)生的電池電動(dòng)勢(shì)與氧氣分壓的關(guān)系可由Nernst方程表示，因而只要測(cè)得電池電動(dòng)勢(shì)，就知道汽車尾氣中氧氣的分壓。即電池電動(dòng)勢(shì)(E)可表示為E＝(RT/4F)ln(PO2(空氣)/PO2(尾氣))式中R為氣體常數(shù)8.314J/(mol.K)；T為工作溫度(K)；F為法拉第常數(shù)9.648×104C/mol。
平面狀的氧傳感器亦稱片式氧傳感器，主要是把傳感器片、風(fēng)管片、加熱片制成封閉式一體。
片式氧傳感器通常的制造方法是1.基片成型將陶瓷粉放入已設(shè)計(jì)好的模具中壓制成傳感器薄片、風(fēng)管薄片和加熱器基片。
2.坯片燒結(jié)將坯片置于高溫爐中燒結(jié)，取出冷卻。
3.被電極在已燒制好的傳感器薄片兩面涂覆鉑電極，用作外電極和內(nèi)電極并通過電極連接孔將內(nèi)電極引至外電極同一面電極引出端，放入烘箱內(nèi)低溫烘干，再在外電極表面涂覆多孔氧化鋁保護(hù)層烘干待用。在加熱器薄片一面涂覆鉑電阻漿料并通過小孔把加熱器兩條引線引至另一面同引線引出端，并涂覆氧化鋁絕緣層，低溫烘干。
4.燒制電極把已被鉑電極燒結(jié)片放入高溫爐中燒結(jié)電極，取出冷卻。
5.整體結(jié)合把制作好的燒結(jié)片，將其粘合成一整體并在三片結(jié)合處涂覆上密封膠，再放入高溫爐中燒結(jié)密封。
采用這種制造方法有以下幾點(diǎn)不足之處(1)在坯片成型中由于要壓制的坯片比較薄、比較脆，操作起來比較麻煩，稍微有點(diǎn)不慎，坯片就容易發(fā)生缺損、斷裂。
(2)在整體結(jié)合中由于是將已燒結(jié)成并金屬化的坯片粘合成一整體并需具有良好的密封性是比較困難的，而且其耐震性和耐熱沖擊性都相對(duì)較差。如果再進(jìn)行一次重?zé)Y(jié)，盡管有可能能很好的燒結(jié)成一整體但成本也就相應(yīng)地提高了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改變現(xiàn)有技術(shù)中片狀式氧傳感器制造方法的缺點(diǎn)，提供一種工藝流程簡(jiǎn)單易于控制、成本低、成品率高的制造方法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種片狀式氧傳感器的制造方法，氧傳感器結(jié)構(gòu)包括傳感器片、風(fēng)管片和加熱器片，其制作工藝步驟包括A、調(diào)制漿料，即將傳感器片、風(fēng)管片和加熱器片的基材加釔氧化鋯陶瓷粉料攪拌成糊狀漿料；B、軋膜，在軋膜機(jī)上將漿料軋制成軟薄板狀膜片；C、沖片，用沖壓機(jī)沖壓成傳感器片、風(fēng)管片和加熱器片形狀的坯片；D、坯片成型；E、坯片金屬化處理；F、整體制作；G、排粘燒結(jié)，其特征在于采用軋膜、沖壓工藝將傳感器片、風(fēng)管片和加熱器片制作成型，再將三片坯片粘合制作成一整體，然后燒結(jié)。所述調(diào)制漿料時(shí)在加釔氧化鋯陶瓷粉料中加入20％聚乙烯醇粘合劑，混合攪拌均勻。所述整體制作過程為在風(fēng)管片兩面涂覆硅橡膠，把加熱器片和傳感器片加蓋在風(fēng)管片上，然后在定位模具中定位、對(duì)齊、壓平，再在三層粘接處涂覆聚氨酯膠，結(jié)束后整片放入油壓機(jī)內(nèi)，壓力保持5Kg/cm2，溫度保持80℃下平壓半小時(shí)，取出即可放入燒結(jié)爐中燒結(jié)。所述胚片成型，傳感器片用沖孔機(jī)在薄片的一端沖出一個(gè)電極連接孔，風(fēng)管片用沖割機(jī)在薄片中間沖成一端敞開一端封閉的凹槽狀支撐體，加熱器片用沖孔機(jī)在薄片一端沖出兩個(gè)電極連接孔。所述片式氧傳感器整體燒結(jié)，正燒之前先進(jìn)行排粘，排粘升溫速率控制在1.0℃/min～1.5℃/min，燒結(jié)溫度控制在1500℃～1700℃。
采用普通制造方法，工藝流程比較復(fù)雜，成本比較高，而且流程操作不便控制，一次性成成品合格率比較低。而采用本發(fā)明制作方法工藝流程較簡(jiǎn)單易于控制，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明是把陶瓷粉調(diào)制成漿料，軋膜出來后是一塊軟質(zhì)薄板。由于其柔展性，所以在制作加工過程中根本不用過于擔(dān)心對(duì)坯片的損傷或斷裂；2、本發(fā)明是采用整體燒結(jié)法，坯片在高溫?zé)Y(jié)下能很好地融合成一整體，其密封性能好，一次性合格率高；3、本發(fā)明只采用一次性燒結(jié)法，降低制造成本。
四

圖1是本發(fā)明成型坯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖2是本發(fā)明片狀式氧傳感器整體圖；圖3是本發(fā)明片狀式氧傳感器制作工藝流程圖；圖4是本發(fā)明片狀式氧傳感器整體燒結(jié)升溫曲線圖。
在圖中1、傳感器片；2、風(fēng)管片；3、加熱片；4、多孔保護(hù)層；5、外電極；6、內(nèi)電極。
五具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用三層整體燒結(jié)法，具體操作為1.調(diào)成漿料在加釔氧化鋯陶瓷粉料中加入20％聚乙烯醇粘合劑并攪拌成糊膠狀，靜置1～2小時(shí)。
2.軋膜軋膜之前先把軋膜厚度設(shè)置好，設(shè)置好之后，不要再隨意調(diào)設(shè)，以免軋膜厚度不均勻。把膠狀物緩慢地倒入軋膜機(jī)兩棍之間軋膜。在開始軋膜時(shí)，由于陶瓷粉調(diào)制成漿料，故軋膜速度比較緩慢。為了加快軋膜速度，可對(duì)軋膜棍進(jìn)行加熱，但加熱溫度不宜過高，一般控制在30℃為宜。這樣邊軋膜邊加熱，待糊狀物開始不完全粘接在軋膜棍上，并以片狀形式粘合在一起時(shí)，停止加熱。把軋膜棍上零碎的片狀薄片全部集中揉捏成幾何形狀不規(guī)則的厚板，再放入軋膜機(jī)上軋膜，這時(shí)軋膜出來的薄片即是軟薄板狀。為了使其密度和機(jī)械強(qiáng)度提高，要將軟薄板反復(fù)折疊再軋膜，反復(fù)進(jìn)行多次操作，待薄板表面光滑、平整、無氣泡、無孔洞即可。取出薄板用兩片干凈、平整的玻璃壓制靜置在陰涼潮濕處1.5～2.5小時(shí)。
3.沖片取出薄片用沖壓機(jī)沖壓成尺寸精確、統(tǒng)一的薄片。而傳感器片、風(fēng)管片，加熱片在薄片基礎(chǔ)上進(jìn)行加工。
4.坯片成型傳感器片是用沖孔機(jī)在薄片的一端沖出一個(gè)電極連接孔；風(fēng)管片是用沖割機(jī)在薄片中間沖成一端敞開一端封閉的凹槽狀支撐體；加熱片是用沖孔機(jī)在薄片一端沖出兩個(gè)電極連接孔。加工好的薄片圖形如圖1所示。
5.坯片金屬化在傳感器薄片兩面涂覆鉑電極，用作外電極和內(nèi)電極并通過電極連接孔將內(nèi)電極引至外電極同一面電極端，放入烘箱內(nèi)低溫烘干，再在外電極表面涂覆多孔氧化鋁保護(hù)層烘干待用。在加熱器薄片一面涂覆氧化鋁隔熱層，低溫烘干，再涂覆鉑電阻漿料并通過連接孔把加熱器兩條引線引至另一面引線引出端，低溫烘干。由于芯片結(jié)構(gòu)的原因，加熱器與傳感元件的距離很近，且風(fēng)管片所用材料是加釔氧化鋯。傳感器在高溫工作過程中，加熱器的電流可能竄至傳感元件上，從而對(duì)傳感器的電性能產(chǎn)生一定的影響，所以要涂覆氧化鋁絕緣層。
6.整體制作根據(jù)制作工藝流程圖3，在風(fēng)管片兩面涂覆有機(jī)低熔膠，把加熱器片和傳感器片加蓋在風(fēng)管片上；放入外型和尺寸已設(shè)計(jì)好的定位模具中定位、壓平、對(duì)齊；再在三層粘接處外圍涂覆密封聚氨酯膠烘干。結(jié)束后整片放入油壓機(jī)內(nèi)，壓力保持在5Kg/cm2溫度保持在80℃下平壓半個(gè)小時(shí)，取出即可放入燒結(jié)爐中燒結(jié)，整體圖如圖2所示。這樣燒結(jié)出來的即是傳感器與加熱器一體化的片狀式氧傳感器，待冷卻取出后，即可測(cè)試組裝。
7.排粘燒結(jié)在燒結(jié)過程中，燒結(jié)曲線一定要嚴(yán)格設(shè)置好，前段升溫速率不宜過快，如果升溫偏快，傳感器易變形，一般以1.0℃/min～1.5℃/min為宜。燒結(jié)溫度最高點(diǎn)也不宜超過1700℃。因?yàn)闊Y(jié)時(shí)，電極與氧化鋯陶瓷共同燒結(jié)。如果燒結(jié)溫度過高會(huì)對(duì)傳感器的電極的催化性能產(chǎn)生影響。其燒結(jié)過程曲線圖如圖4所示。
本發(fā)明片狀式氧傳感器的性能測(cè)試(一)傳感器電性能測(cè)試1、用萬用表、秒表或示波器對(duì)實(shí)驗(yàn)片進(jìn)行測(cè)試測(cè)試方法如下開啟模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，打開閥門使燃燒氣體和空氣進(jìn)入燃燒室，對(duì)燃燒室進(jìn)行點(diǎn)火，讓其燃燒。過了90s后，用溫度探測(cè)器探測(cè)排氣口溫度。當(dāng)溫度顯示“350”時(shí)，用萬用表測(cè)氧傳感器信號(hào)輸出端電壓；調(diào)節(jié)閥門2使空氣進(jìn)入量減少，用萬用表測(cè)氧傳感器信號(hào)輸出端電壓；調(diào)節(jié)閥門3使燃燒氣體進(jìn)入量減少，用萬用表測(cè)氧傳感器信號(hào)輸出端電壓；反復(fù)進(jìn)行多次，測(cè)試結(jié)果和參比數(shù)據(jù)、絕緣性能和內(nèi)阻值的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。按同樣操作方法用示波器檢測(cè)兩支片狀式氧傳感器，測(cè)試結(jié)果良好。
表1 2、用秒表、溫度探測(cè)器和萬用表對(duì)加熱器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法如下先用萬用表測(cè)試加熱器的常溫電阻值，然后把加熱器兩引線端接通在12V直流電源上，用溫度探測(cè)器探測(cè)加熱器發(fā)熱溫度，直至溫度探測(cè)器顯示屏數(shù)字不再升高，用秒表記下所用時(shí)間。斷開電源冷卻至常溫，用萬用表檢測(cè)加熱器的阻值。反復(fù)進(jìn)行多次，測(cè)試結(jié)果如表2。
表2 (二)傳感器的機(jī)械性能測(cè)試
通過對(duì)傳感器的沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)；尾氣密封程度試驗(yàn)；防水試驗(yàn)；振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果均合格。
(三)傳感器的溫度性能測(cè)試通過對(duì)傳感器的高溫存放試驗(yàn)；低溫存放試驗(yàn)；熱循環(huán)沖擊試驗(yàn)；熱循環(huán)試驗(yàn)；測(cè)試結(jié)果均合格。
七、測(cè)試結(jié)果分析和結(jié)論通過對(duì)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，采用這種新的制造方法對(duì)氧傳感器的各種性能不產(chǎn)生任何影響。而且在制造過程中工藝流程比較簡(jiǎn)單，流程操作易于控制，一次性成品合格率高，相應(yīng)的把制造成本降低。
權(quán)利要求
1.一種片狀式氧傳感器的制造方法，氧傳感器結(jié)構(gòu)包括傳感器片、風(fēng)管片和加熱器片，其制作工藝步驟包括A、調(diào)制漿料，即將傳感器片、風(fēng)管片和加熱器片的基材加釔氧化鋯陶瓷粉料攪拌成漿料；B、軋膜，在軋膜機(jī)上將漿料軋制成軟質(zhì)薄板；C、沖片，用沖壓機(jī)將軟質(zhì)薄板沖壓成傳感器片、風(fēng)管片和加熱器片形狀的胚片；D、胚片成型；E、胚片金屬化處理；F、整體制作；G、排粘燒結(jié)，其特征在于采用軋膜、沖壓工藝將傳感器片、風(fēng)管片和加熱器片制作成型，再將三片坯片粘合制作成一整體，然后燒結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式氧傳感器的制造方法，其特征在于所述調(diào)制漿料時(shí)在加釔氧化鋯陶瓷粉料中加入20％聚乙烯醇粘合劑，混合攪拌均勻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式氧傳感器的制造方法，其特征在于所述整體制作過程為在風(fēng)管片兩面涂覆硅橡膠，把加熱器片和傳感器片加蓋在風(fēng)管片上，然后在定位模具中定位、對(duì)齊、壓平，再在三層粘接處涂覆聚氨酯膠，結(jié)束后整片放入油壓機(jī)內(nèi)，在壓力保持5Kg/cm2，溫度保持80℃下平壓半小時(shí)，取出即可放入燒結(jié)爐中燒結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片式氧傳感器的制造方法，其特征在于所述胚片成型，傳感器片用沖孔機(jī)在薄片的一端沖出一個(gè)電極連接孔，風(fēng)管片用沖割機(jī)在薄片中間沖成一端敞開一端封閉的凹槽狀支撐體，加熱器片用沖孔機(jī)在薄片一端沖出兩個(gè)電極連接孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的片式氧傳感器的制造方法，其特征在于所述片式氧傳感器整體燒結(jié)，正燒之前先進(jìn)行排粘，排粘升溫速率控制在1.0℃/min～1.5℃/min，燒結(jié)溫度控制在1500℃～1700℃。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中空燃比的片狀式氧傳感器的制造方法。它是由將加釔氧化鋯陶瓷粉調(diào)成漿料通過軋膜成光潔平整的薄板，再由沖壓機(jī)沖壓成薄片。將薄片通過沖孔機(jī)，沖割機(jī)把薄片加工成傳感片、風(fēng)管片和加熱片。在傳感器片上涂上電極，在加熱片上印刷加熱電阻，然后用定位、熱壓工藝把三層壓合成片狀式氧傳感器整體，最后在1500℃的溫度下燒結(jié)而成。此方法控制了半成品的成型精度，從而控制了成品的尺寸精度、密度和機(jī)械強(qiáng)度，本發(fā)明工藝流程簡(jiǎn)單，易于控制，成本降低，一次性成品合格率高。
文檔編號(hào)G01N27/407GK1865970SQ20061002766
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月13日
發(fā)明者張紀(jì)才, 胡子文, 江靜霞 申請(qǐng)人:上海星華工藝書畫刻字印刷商社