专利名称：具有双加热区的多层气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及传感器，更具体地涉及一种具有双加热区的多层气体传感器。
背景技术：
通过燃烧碳氢燃料产生的排气组成是氧化物气体(NOx，SOx, CO2, CO, H2O)、未燃的 碳氢化合物气体和氧的复杂混合物。这些单独的排气成分的实时浓度测量可改进燃烧效率 并降低污染性气体的排放。在某些情况下，一种气体的浓度可能影响或控制第二气体的浓 度。在这种情况下，需要知道第一气体的浓度以准确地测量第二、甚至第三气体的浓度。已 提出多种装置作为排气传感器，该排气传感器能够测量在排气流中的两种或两种以上气体 的气体浓度。本领域中已知的一种气体传感器设计成平板式多层陶瓷封装件，该封装件设计包 括两个或两个以上的腔室。第一腔室的电极连接到一氧离子传导的电解质膜以形成一用于 从进入传感器的气体流中移出氧的氧泵。第一腔室还催化NO2向NO和半O2的分解。第一 腔室中的氧泵还将在该过程中形成的氧移出。因此，理论上，进入第二腔室的唯一含氧气体 是NO。第二腔室包括一 NO分解单元，其使用第二氧泵从NO中移出氧。从在第二腔室中的 NO分解传递氧而产生的电流与排气流中的NO浓度相关。一定数量的考虑影响到了这种已知的气体传感器的商业化应用。例如，当排气流 中的NOx浓度较低时，残余氧可能产生明显的干扰。除此之外，传感器产生的信号电流非常 小，使其易于受到机动车中通常存在的电噪声的干扰。另外，由这种传感器监测的排气流通 常具有至少部分由发动机气缸点火引起的流率脉动。这种脉动削弱了氧泵有效地移出所有 游离氧的能力并可能引起测量错误。气体传感器也可包括一小扩散孔用于限制通往测量腔 室的气体通路。已经证明这种小扩散孔在使用中会堵塞。另一种已知的气体传感器利用相似的平板多层陶瓷封装件的设计，但其更接近一 种混合电位式传感器，而非电流式传感器，第一腔室用于将NO转化为NO2或反之。已得到良 好地证明，在混合电位式NOx传感器中，由气体种类NO和NO2产生的电压信号具有相反的符 号。结果，当存在两种气体时很难区分出一有意义的电压信号，其原因是会出现相互抵消。一些传感器设计已试图通过利用在传感器中建立两个独立的腔室的平板多层封 装件设计来解决该问题。已试图使用电化学氧泵将所有NOx气体种类转化为一个种类，该 电化学氧泵将氧泵入第一腔室中以试图将所有气体转化为N02。其它的努力相反地试图将 氧从腔室移出并将所有NO2还原为NO。这种“被调制的”气体然后进入第二腔室，在该第二 腔室中通过混合电位式传感器产生的电压信号来测量NOx浓度。这种方法受到一定数量的限制，这些限制妨碍了这种构型的商业化。一个重要的 考虑在于，转化系统在变化的气体浓度条件下将所有NOx气体完全转化为一个种类的可复 现性。另外，氧泵转化单元倾向于随时间推移而恶化，进一步不利于可复现性问题。因为这 些考虑的影响在低浓度范围中放大，所以这种测量方法不适于检测低浓度NOx气体。上述这两种传感器机构共有的其它缺点源于平板陶瓷多层系统的基本设计。因为装置的复杂性要求气体首先通过一扩散口进入，在第一腔室中被调制，然后扩散到第二腔 室中，所以响应时间倾向于很慢。在这些构型中很难实现能跟得上发动机排气的动态环境 的迅速气体交换。另外，气体本身的腐蚀性以及其带有细小颗粒的事实可能导致扩散控制 口被堵塞，或至少使气体流动动态随时间改变。最后，由气缸点火引起的气体流率的脉动以 及机动车中常见的电噪声使得很难控制和监测与这些装置相关的低电压和电流电路。本发明的气体传感器旨在解决以上的一种或多种问题
发明内容
一方面，本发明涉及一种气体传感器。该气体传感器可包括多个基底件、第一传感 电极和第二传感电极。该气体传感器还可包括与第一传感电极相关并位于所述多个基底件 中的一个的第一侧上的第一加热器单元、以及与第二传感电极相关并位于所述多个基底件 中的所述一个的相对的第二侧上的第二加热器单元。另一方面，本发明涉及另一种气体传感器。该气体传感器可包括具有第一表面和 第二表面的基底件、第一传感电极和第二传感电极。该气体传感器可还包括仅一个与第一 传感电极相关联并结合到第一表面上的加热器单元，和仅一个与第二传感电极相关联并结 合到第二表面上的加热器单元。又一方面，本发明涉及一种检测排气流中成分浓度的方法。该方法可包括产生第 一加热区和在第一加热区测量第一参数。该第一参数可表征排气流中的第一成分的浓度。 该方法可还包括产生通过绝缘界面层与第一加热区相隔离的第二加热区，以及在第二加热 区测量第二参数。该第二参数可表征排气流中的第二成分的浓度。
图1是一示例性公开的传感组件的示意图；图2是图1的传感组件的分解视图；图3是另一传感组件的分解视图；以及图4是用于图1和3公开的传感组件的示例性加热器层的示意图。
具体实施例方式参照图1，其中示出了传感器单元10的基本技术特征。更具体地，传感器单元10 以示意图示出，使得用于组成传感器单元10的多个单独的层30，40，50，70，和80以叠置的 方式示出，如同在完全组装成的传感器单元10中那样。该视图示出传感器单元10的各技 术特征之间的关系。在传感器单元10中，一氧传感电极32可被放置成空间上接近第一加热器单元52 并在传感器单元10的外表面上(即在层30的外表面上，该层30可以是传感器单元10的 两个相对的外层的第一个)。传感器单元10还可包括一基准电极34，该基准电极34在与 加热器单元52基本相同的位置中被放置在层30的内表面上(即在传感器单元10的宽度 和长度方向上基准电极34可基本上与加热器单元52对齐)。结果，当在图1中观察时，氧 传感电极32与基准电极34可在层30的第一端部处基本上重叠以形成一氧传感器。相似地，一 NOx传感电极82可在传感器单元10的外表面上(即在层80的外表面上，该层80可以是传感器单元10的所述两个相对的外层的第二个)被放置成空间上接近 第二加热器单元54。一基准电极84可在与加热器单元54基本相同的位置中被放置在层 80的内表面上(即在传感器单元10的宽度和长度方向上基准电极84可以基本上与加热器 单元54对齐)。结果，当在图1中观察时，在一在长度方向上与传感器单元10的所述第一 端部间隔开的位置处，NOx传感电极82与基准电极84可基本上重叠以形成一 NOx传感器。 在某些实施例中，可使用一对氧不敏感的NOx传感器。在这种情况下，传感器单元10可省 去基准电极34。其它传感器、如碳氢化合物传感器和/或CO传感器可代替此处所述的传感 器加热器单元52可将氧传感电极32加热到约500°C 900°C的温度范围，更优选加 热到约650°C 750°C的温度范围以产生第一温度区51。在某些具体实施例中，加热器单 元52可将基本上包围氧传感电极32的第一温度区51加热到约700°C的温度。加热器单 元54可将NOx传感电极82加热到约300°C 600°C的温度范围，更优选加热到约450°C 550°C的温度范围以产生第二温度区53。在某些具体实施例中，加热器单元54可将基本上 包围NOx传感电极82的第二温度区53加热到约500°C的温度。应当指出，加热器单元52， 54可附加地为催化器(未示出)提供热量，因此又改进了整个装置的功能。加热器单元52的线圈长度和/或横截面积可以不同于加热器单元54的(线圈) 长度和/或横截面积，该长度和/或面积差可便于形成温度区51与53的不同温度范围(即 与不同的长度和/或面积相关的电阻可有助于产生温度差)。在一个实施例中，与第一和 第二加热单元之一相连的供电线的电阻与接地线的电阻的组合可比加热器单元本身的电 阻小约25%。加热器单元52和54可设计成适用于约9 24伏的供电范围，更具体地，约 12 18伏的供电范围。加热器单元52，54可定位成使得所得到的温度区51，53基本上彼此隔离(即使得 一个加热区基本上不影响另一加热区的温度)。也就是说，除了定位在层30的相对侧之外， 加热器单元52，54还可在层30的长度方向上间隔开。因此，即使加热器单元52和54可基 本上在层30的宽度方向上对齐，(但是它们)在长度方向上的分隔有助于温度区51与温 度区53热隔离。层30，40，50，70，和80中的每一个都可首先由生瓷带制成，该生瓷带由使用与粘 合剂、溶剂和增塑剂混合以形成适于铸造带件的浆体的氧化锆粉末制成。本领域中已知多 种不同的用于构成传感器单元10的传导部分的离子传导陶瓷材料，本领域的普通技术人 员可理解这一点。在某些实施例中，有利地对传感器单元10加入非传导的或绝缘的区域。 本领域中也已知多种不同的绝缘陶瓷材料可用于构造传感器单元10，本领域的普通技术人 员可理解这一点。在制造氧化锆浆体后，可将浆体铸造成带并在进一步的制造步骤之前进 行干燥。利用本领域中常见的技术，可将干燥的带件的区段切成合适的形状。如图2所示，层30可用于放置氧传感电极32和基准电极34。氧传感电极32 —般 可由钼构成，但可在图1的传感器单元10已被组装和烧结后才被印刷在层30上。尽管在 某些情况下可在烧结前将氧传感电极32印刷到层30上，但对氧传感电极32的烧结会降低 其孔隙率，从而降低其灵敏度和有效性。层40可被切割成包括从传感器单元10的一个端部延伸到传感器单元10中的通 道42。通道42可允许通常是空气的基准气体进入。在本发明的范围内，通道42的长度和几何结构可具有极大的变化。层70也可包括从传感器单元10的与通道42相同的端部延 伸到传感器单元10中的通道72。通道42、72可允许空气进入传感器单元10以分别达到放 置在层30和层80的内表面上的基准电极34和84。如放置在层40中的通道42那样，在本 发明的范围内，层70的通道72的尺寸和几何结构可变化。图2还示出层50适于包括产生第一和第二温度区51，53的加热器单元52，54。加热器单元52，54可构造成被独立控制，具有不同的能源；或由相同的能源控制并能够通过 改变各加热器单元52，54的电阻来产生第一和第二温度区51，53。本领域的普通技术人员 可理解，可以多种方式改变电阻，包括增加加热器单元52，54的长度。加热器单元52，54可串联或并联以接收动力。具体地，加热器单元52，54可在一 个端部85处相互连接，而每个加热器单元52，54的另一端部87，89可以是自由的。因此， 可对每个自由端部87，89供给动力而端部85接地，使得各加热器单元52，54并联地运行。 在该构型中，除了调节每个加热器单元52，54的电阻以控制相应温度区51，53的温度外，还 可对每个自由端部提供不同水平的功率。或者，可仅对其中一个自由端部87或89供给动 力，而另一自由端部可接地以使各加热器单元52，54串联工作。在串联构型中，温度区51 与53之间的温度差可仅通过改变各加热器单元52，54的电阻来控制。加热器单元52，54可定位成在层50的相对表面上接近氧和NOx传感电极32，82， 使得层50在温度区51与53之间提供至少某种程度的隔离。在组装传感器单元10之前， 加热器单元52，54可被丝网印刷(screen print)并在一炉中在约80°C下干燥约2小时。 在丝网印刷电极后，可使用一技术诸如溶剂粘合、热层压或其它本领域的普通技术人员已 知的技术，将生瓷层30，40，50，70和80层压在一起。在利用热层压的方法中，利用层压机 将各层压在一起。在层压各层30，40，50，70和80后，可利用本领域的普通技术人员已知的 技术将传感器单元10切割成最终形状，然后可以进行烧结。然后可在约1475°C下对层压生瓷带式传感器单元10进行烧结约两小时。在烧结 后，传感器单元10可在对应于层30的一侧上被涂覆以用于氧传感电极32的钼，如图1和2 示意性示出的。传感器单元10的对应于层80的相对侧可被涂覆以复合物W03/&02以构成 NOx传感电极82。NOx传感电极82可优选在烧结后被放置在传感器单元10上以防止与生 瓷带中的氧化锆发生高温化学反应。在放置电极后，传感器单元10可在约800°C 1000°C 范围内的高温下被烧制，在某些情况下在约850°C 950°C的范围内被烧制，以促进氧传感 电极32和NOx传感电极82良好粘附到传感器单元10的外部。在某些实施例中，氧和NOx传感电极32、82可以是利用半导体氧化物材料构造的 混合电位式传感器。在某些具体实施例中，半导体氧化物材料可包括以下材料中的至少一 种W03，Cr2O3，Mn2O3，Fe2O3，TiO2，和Co304。在其它实施例中，可使用多组分氧化物材料，例 如，尖晶石或钙钛矿。在某些具体实施例中，多组分氧化物材料可以是以下材料中的至少一 种NiCr2O4, ZnFe2O3, CrMn2O3, LaSrMnO3, LaSrCrO3 和 LaSrFeO3。本领域的普通技术人员会理解用于构造传感器单元10的层30，40，50，70和80的数量和构型在本发明的范围可变化很大。具体地，氧和NOx传感电极32，82和/或加热器单 元52，54可放置在多个不同的位置处，包括在单独层的相同表面上。另外，通道42，72可由 一层模压出(emboss)或部分地蚀刻出而不是完全切通。在本发明的范围内，本领域的普通 技术人员可实现包括各种不同的电极材料，形状以及在某些情况下布置情况的其它变型。
图3示出另一传感器单元210的各个层。该实施例可以类似于上面参照图1-2更详细地说明的方式组装。传感器单元210可包括可选的第一层230。层230可包括一个或 多个通孔232以允许接近位于第二层240上的多个加热器单元252，254。如上所述，加热 器单元252，254可设置在层230的相同表面上，或替代地，设置在层230的相对表面上。层 240可以通过一可选的电绝缘的层250与通道层260隔开。通道层260可包括一通道262 以允许被导向位于层270的内表面上的基准电极272的空气进入。如上文中参照图1-2的 实施例所述地，一氧传感电极274和一 NOx传感电极276可被放置在层270的外表面上。图4示出一可选加热器层300。在该加热器层中，第一和第二加热器单元302，304 可公用一公共的接地线306。也就是说，每个加热器单元302，304可经由分离的供电线308， 310接收动力，但终止于接地线306。另外，如图4可见，加热器单元304可取向成基本上垂 直于加热器单元302 (即加热器单元304的线圈方向可大致垂直于加热器单元302的线圈 方向)。该设计有利于实现更紧凑的传感单元。工业实用性本发明的传感单元既可用作氧传感器也可用作NOx传感器，因为其包括两个不同 的温度区。具体地，所述温度区之一可与氧传感器相关联，而第二温度区可与混合电位式 NOx传感器相关联。本发明的传感单元可通过使陶瓷传感单元小型化以及包括两个传感电 化学单元来改进整体系统性能。本发明的传感单元还包括两个用作“加热器单元”的金属 图案(pattern)以当电压和电流被供应给该图案的接触点时加热陶瓷结构的单独的和隔 离的区域。通过将这些加热器单元结合到传感器单元的陶瓷结构中，提高了对传感电极的传 热速率。提高的传热速率使传感器单元的传感器部件具有更迅速的启动时间(light off time)。除了上述特征外，通过优化加热器设计方案以及构造多层陶瓷封装件，使由于温度 迅速改变导致的热应力最小化。这些技术特征可使传感器装置在使用寿命内的性能和可靠 性提高。本领域的技术人员可以显见，可对传感单元做出各种不同的修改和变型。通过考 虑说明书并对公开的传感单元进行实践，其它实施例是本领域的技术人员显而易见的。说 明书和各示例都应认为仅是示例性的，本发明的真正范围由以下权利要求及其等同方案给
出ο
权利要求
一种气体传感器(10)，包括多个基底件(30，40，70，80)；第一传感电极(32)；第二传感电极(82)；与所述第一传感电极相关并定位于所述多个基底件中的一个(50)的第一侧上的第一加热器单元(52)；以及与所述第二传感电极相关并定位于所述多个基底件中的所述一个的相对的第二侧上的第二加热器单元(54)。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，第一加热器单元的线圈方向基本 上垂直于第二加热器单元的线圈方向。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，第一、第二加热器单元共用一公共 的接地线(85)。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，第一、第二加热器单元串联连接。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，第一、第二加热器单元中的至少一 个在与所述多个基底件中的所述一个相结合之前制造。
6.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于， 第一加热器单元包括第一加热器电路(87，52，85)；第一加热器电路是所述多个基底件中的所述一个的第一侧上的唯一加热器电路； 第二加热器单元包括第二加热器电路(89，54，85)，第二加热器电路是所述多个基底件中的所述一个的第二侧上的唯一加热器电路。
7.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，第一传感电极以与第一加热器单元匹配相对的方式位于所述多个基底件中的第二个 (30)上；第二传感电极以与第二加热器单元匹配相对的方式位于所述多个基底件中的第三个 (80)上。
8.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，在工作中第一加热器单元产生处于第一温度的第一加热区(51)； 在工作中第二加热器单元产生处于第二温度的第二加热区(53)；且在工作中第一加 热器单元和第一加热区基本上与第二加热器单元和第二加热区相隔离。
9.一种检测排气流中成分浓度的方法，包括 产生第一加热区(51)；在第一加热区测量第一参数，该第一参数表征排气流中的第一成分的浓度； 产生通过绝缘界面层(50)与第一加热区相隔离的第二加热区(53)；以及 在第二加热区测量第二参数，该第二参数表征排气流中的第二成分的浓度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，第一、第二加热区还沿所述绝缘界面层 的长度方向分隔开一定距离。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测NOx的气体传感器(10)。该气体传感器可具有多个基底件(30，40，50，70，80)、第一传感电极(32)和第二传感电极(82)。气体传感器还可具有与第一传感电极相关并定位于所述多个基底件中的一个(50)的第一侧上的第一加热器单元(52)，和与第二传感电极相关并定位于所述多个基底件中的所述一个的相对的第二侧上的第二加热器单元(54)。
文档编号G01N33/00GK101842699SQ200880113746
公开日2010年9月22日 申请日期2008年10月29日 优先权日2007年10月31日
发明者B·G·奈尔, J·A·纳克拉斯 申请人:卡特彼勒公司