[发明专利]带有自由电位式探测元件的氧浓度传感器及其制造方法

说明书

技术状况

本发明涉及一种氧浓度传感器。这些氧浓度传感器被制成例如称之为手指型的结构形式，其固态电解质体做成封闭的管被密封地固定在金属外壳内。人们可根据探头来区分自由电位式和约束电位式测量传感器。在约束电位式测量传感器中，外测电极的导带通过一个导电的密封环与外壳接触。在自由电位式测量传感器中，每个电极接点被直接引到控制装置，因此不允许同外壳有电接触。在上述两种情况下，固态电解质体和外壳之间必须实现密封。

DE-OS2504206号专利公开过一种自由电位式测量传感器，其中采用了多个电绝缘的由含＞90％Al₂O₃的电熔刚玉制成的陶瓷密封环，它们在固态电解质体和金属外壳之间提供了一种严格密封的、电绝缘的结合。这样的一种密封在结构上很复杂，而且由于它是用三个密封环多重并行密封因而相对有较大风险。

另外，从DE-OS2524206还可进一步得知，至少在较低温度范围内，为防止腐蚀破坏，固态电解质体的导带要用釉层覆盖。

本发明的优点

本发明提供了这样一种氧浓度传感器，该传感器用于测量废气的氧含量，尤其测量燃气发动机中废气的氧含量，它具有一个自由电位式探测元件，该探测元件具有一个传导氧离子的固态电解质体，它最好采用一侧封闭的管状并具有带导电连线的电极，其带有一个密封环的控测元件安装在金属壳体内并且至少一个转向壳体的导电的连线借助一个在密封环区段内的电绝缘层相对于壳体绝缘，其特征是，绝缘层(21)由金属氧化物晶体材料和玻璃形成材料的混合料组成，这种混合料在加热时形成一种由金属氧化物晶体材料填充的釉层。与上述的现有技术中出现情况相反，本发明所提供的具有如上所述特征的测量传感器具有以下优点：为外壳内的探测元件的密封而采用的密封元件是导电的，例如一个金属密封环或一个橡胶密封环及一个橡胶套。通过采用这种结实的密封，可避免废气、水及燃料进入探测元件内部。绝缘层具有高的机械强度以抵抗在焊接过程中由密封环形成的压力高峰。本发明所提供的方法有下面的优点：即它与探测元件的制造工艺是相适应的。绝缘层的涂覆方法可采用成熟的技术，如滚涂、浆料喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂、挤压及类似的方法。

在上述的氧浓度传感器中，上述两种材料的每一种各占混合料的10-90％。

在上述的氧浓度传感器中，所述的金属氧化物晶体材料由氧化铝、镁尖晶石、镁橄榄石、氧化镁(MgO)稳定的氧化锆(ZrO₂)、氧化钙(CaO)和/或氧化钇(Y₂O₃)稳定的氧化锆(ZrO₂)、不稳定氧化锆(ZrO₂)或氧化铪(HfO₂)或是上述材料的混合料组成。

在上述的氧浓度传感器中，绝缘层(21)的热膨胀系数至少与固态电解质体材料的热膨胀系数相近。其中，金属氧化物晶体材料的热膨胀系数＞6×10^-6K^-1，最好＞7×10^-6K^-1。

在上述的氧浓度传感器中，玻璃形成材料为碱土硅酸盐玻璃，如钡-铝-硅酸盐玻璃，或者，其中的0-30原子％的钡被锶取代。

在上述的氧浓度传感器中，至少在电绝缘部分应设置一个导电连线(27)和绝缘层(21)之间的中间层(30)，并且，所述的中间层(30)由固态电解质体(23)的材料组成。

在上述的氧浓度传感器中，电绝缘层(21)至少在密封环(20)的区段内应环绕固态电解质体(23)。

在上述的氧浓度传感器中，电绝缘层(21)延伸到覆盖测量电极(25)的保护层(29)。

在上述的氧浓度传感器中，绝缘层(21)的层厚为10-100微米。

在上述的氧浓度传感器中，至少在密封环(20)的区段内，覆盖绝缘层(21)设一覆盖层(31)，它能够承受密封环的机械压力。覆盖层(31)可为一致密陶瓷层，其料在烧结前要加入小于10％的助熔剂。覆盖层(31)的材料由固态电解质体(23)的材料组成。覆盖层(31)的厚度可为10至50微米。

本发明进一步提供了上述氧浓度传感器的自由电位式探测元件的制备方法，是在壳体密封环区域内的电极导电接头常覆盖一层电绝缘层，然后，由非金属晶体材料和玻璃形成材料组成的绝缘层混合料要在玻璃形成材料的熔点以上进行热处理。