[发明专利]一种氧传感器电极、具有该电极的浓差型氧传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于汽车传感器领域，尤其涉及一种用于检测汽车尾气中氧含量的氧传感器。 

背景技术

现代发动机电喷系统中，电子控制供油单元、氧传感器、三元催化器是控制系统的核心。而氧传感器的作用在于实时测定尾气氧浓度，反馈信号到控制系统从而进行发动机喷油量的调节。 

铂电极是氧传感器陶瓷体敏感元件的重要组成部件之一，在使用温度下，氧气在与铂电极、氧化锆形成的三相界面电极微区发生得失电子的氧化还原反应，氧气在铂电极的催化下变成氧离子，氧离子在氧化锆固体电解质中传递形成离子流，电子在电极及外部电路中传递，从而在外部电路中产生电压和电流信号。 

因此铂电极兼具氧化还原反应的催化剂和电子传输路径的作用，铂电极催化能力直接影响氧传感器对尾气氧浓度变化的响应灵敏度和信号准确度，增大金属铂、氧化锆固体电解质与氧气之间三相界面的接触面积是提高铂电极催化能力的有效方法。 

传统的氧传感器电极是将铂粉与氧化锆、氧化铝、氧化铈等陶瓷粉末混合，单层涂覆于已烧结好的氧传感器固体电解质上，复烧成型。该设计和工艺很容易造成电极与固体电解质在复烧过程中因收缩率不一致导致的结合不佳，影响催化效率和氧离子传输，进而导致氧传感器信号测试偏差。复烧工艺，也在一定程度上增加了产品制备的成本。 

但若采用传统氧传感器电极与固体电解质共烧的工艺，金属铂在较高温度下熔融呈液态，烧结后使电极的孔隙率降低，因此需要通过添加造孔剂增大电极孔隙率，来保证充足的三相界面，但添加造孔剂的方法效果并不理想，三相界面仍较小，不利于催化反应的进行。 

发明内容

为了解决现有技术中的氧传感器电极催化能力低，电极与氧化锆固体电解质结合不良及电极与氧化锆固体电解质共烧成型时容易导致电极过烧催化性能降低的问题，本发明提供了一种氧传感器电极、具有该电极的浓差型氧传感器及其制备方法。 

本发明的氧传感器电极采用双层结构设计，包括催化反应层和集流层，所述集流层包括集流部和引流部，集流部呈网格状形成于催化反应层上，引流部与集流部相连；所述催化反应层和集流部成分包括金属铂和陶瓷体，且催化反应层中金属铂的重量小于陶瓷体的重量，集流部中金属铂的重量大于陶瓷体的重量；所述催化反应层用于在有氧的情况下产生电信号，集流层用于收集催化反应层产生的电信号，并将电信号导出。 

本发明还提供了一种具有上述电极结构的浓差型氧传感器，包括加热单元、参比气基片、测氧单元，所述测氧单元包括氧化锆固体电解质基体和位于氧化锆固体电解质基体表面的电极，所述电极采用双层结构设计，包括催化反应层和集流层，所述集流层包括集流部和引流部，集流部呈网格状形成于催化反应层上，引流部与集流部相连；所述催化反应层和集流部成分包括金属铂和陶瓷体，且催化反应层中金属铂的重量小于陶瓷体的重量，集流部中金属铂的重量大于陶瓷体的重量；所述催化反应层用于在有氧化还原反应的情况下产生电信号，集流层用于收集催化反应层产生的电信号，并将电信号导出。 

本发明还提供了一种具有上述电极结构的浓差型氧传感器的制备方法，首先制备加热单元、参比气基片和氧化锆固体电解质基体的生坯，然后配置催化反应层和集流层的浆料，将配置好的催化反应层浆料涂敷于氧化锆固体电解质基体生坯上并烘干和将集流层浆料涂敷于氧化锆固体电解质基体生坯两侧的催化反应层上并烘干得到测氧单元生坯；最后将测氧单元生坯与加热单元和参比气基片的生坯组合，热压、烧结得到本发明的浓差型氧传感器。 

本发明提供的氧传感器电极其催化反应层中金属铂的重量小于陶瓷体的重量，铂金属粉末均匀分布在催化反应层的陶瓷体中，集流层呈网格状，气体可通过网孔直接与催化反应层接触，为氧气转变为氧离子的氧化还原反应提供了最大化的三相界面，使金属铂、氧化锆和氧气充分接触，提高了金属铂的催化能力及氧离子在固体电解质中的传输效率；集流层相对催化反应层铂含量高，具有良好的电流传导能力；具备本发明电极结构的氧传感器制备方法采用电极与固体电解质共烧成型，催化反应层的铂含量低，本身具有良好的三相界面，在共烧过程中不会出现三相界面的减少，同时集流层的主要作用是电流的收集和传导，高温烧结对其性能的影响较小；由于催化反应层的陶瓷体含量高，催化反应层与氧化锆固体电解质基体共烧成型时收缩率相近结合紧密，不会出现分层、开裂等的现象；本发明的制备方法简化了生产工艺，节约了成本，同时共烧过程中催化反应层的金属铂不会因过烧而导致催化能力下降；本发明的一个实施例中采用本发明氧传感器电极制备的浓差型片式氧传感器响应速率得到明显提高。