為探究溫度對(duì)窄域氧傳感器性能的影響，通過(guò)調(diào)控加熱器電阻厚度，分析其對(duì)傳感器工作內(nèi)阻及工作溫度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：加熱器電阻厚度與傳感器工作內(nèi)阻呈正相關(guān)，厚度增加會(huì)使工作內(nèi)阻逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器工作溫度升高。結(jié)合EDS、ICP成分檢測(cè)及響應(yīng)時(shí)間、輸出電壓性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，工作溫度升高是傳感器性能衰減的關(guān)鍵誘因。反之，降低加熱器電阻厚度可有效提升傳感器的富燃電壓輸出，并顯著縮短富貧燃、貧富燃工況下的響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)傳感器性能的優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：氣體傳感器；陶瓷材料；制備工藝；傳感器性能
0 引言
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車保有量持續(xù)增加，汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境造成的污染日益凸顯。汽車尾氣中所含碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOx）、二氧化硫（SO?）等氣體，是大氣污染的重要來(lái)源。為應(yīng)對(duì)上述環(huán)境問(wèn)題，各國(guó)相繼出臺(tái)一系列日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，以限制汽車尾氣排放[1-3]。為此，現(xiàn)代汽車需借助陶瓷氣體傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尾氣成分，并將檢測(cè)信號(hào)反饋至發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU）完成閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)整車的節(jié)能減排。
陶瓷氣體傳感器主要由陶瓷片芯和封裝殼體構(gòu)成，陶瓷片芯作為陶瓷氣體傳感器的核心氣敏元件，承擔(dān)將氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的關(guān)鍵功能。該元件需長(zhǎng)期在高溫、振動(dòng)等嚴(yán)苛的尾氣環(huán)境下工作，對(duì)材料的綜合性能要求較高。稀土陶瓷材料氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ）具有高熔點(diǎn)、高斷裂韌性、高離子電導(dǎo)率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)[4-8]，在車用陶瓷氣體傳感器的陶瓷片芯中得到了廣泛的應(yīng)用。
在材料組成方面，陶瓷片芯除了YSZ材料，還包括貴金屬漿料、氧化鋁絕緣材料等多種材料；在結(jié)構(gòu)方面，陶瓷片芯具有多層多腔室的結(jié)構(gòu)；在制備工藝方面，陶瓷片芯采用高溫陶瓷共燒工藝（High-Temperature Cofired Ceramics, HTCC），通過(guò)在YSZ膜帶表面使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)印刷電極圖形，將多層膜帶經(jīng)過(guò)疊片、靜壓，在高溫下燒結(jié)而成。
窄域氧傳感器是一種適用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的車用陶瓷氣體傳感器，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)燃油車、插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）等車型。該傳感器通常安裝在三元催化器下游，主要用于監(jiān)測(cè)經(jīng)過(guò)三元催化器凈化后尾氣中的氧氣含量，并向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU提供反饋信號(hào)，協(xié)助其精確控制空燃比，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)排放系統(tǒng)和三元催化器的故障診斷。
窄域氧傳感器基于陶瓷片芯實(shí)現(xiàn)氧濃度檢測(cè)。其工作原理是通過(guò)加熱器電阻給陶瓷片芯進(jìn)行加熱，在高溫狀態(tài)下，利用YSZ材料可以傳導(dǎo)氧離子的特點(diǎn)，和內(nèi)外電極組成濃差電池，通過(guò)濃差電勢(shì)的變化來(lái)監(jiān)測(cè)氧濃度的變化。
窄域氧傳感器核心性能包括富燃電壓、貧燃電壓、富貧響應(yīng)時(shí)間、貧富響應(yīng)時(shí)間，性能影響因素包括材料性能、工作溫度、封裝結(jié)構(gòu)等。根據(jù)陶瓷片芯的工作原理可知，片芯工作溫度對(duì)于傳感器的核心性能具有十分重要的影響。本文通過(guò)改變加熱器電阻印刷厚度，改變陶瓷片芯的工作溫度，研究不同工作溫度對(duì)窄域氧傳感器性能的影響，并對(duì)其作用原理進(jìn)行探究。
1 試驗(yàn)
1.1 窄域氧傳感器制備
1.1.1 陶瓷片芯制備與測(cè)試
采用YSZ膜為基體材料，依次經(jīng)過(guò)裁片、打孔后，進(jìn)行絲網(wǎng)印刷。其中，加熱器電阻采用鉑（Pt）漿料印制。通過(guò)調(diào)節(jié)絲網(wǎng)印刷參數(shù)，將加熱器電阻厚度設(shè)置為6個(gè)梯度，并采用激光膜厚儀測(cè)量其厚度。印刷完成的YSZ膜片經(jīng)疊片、靜壓、熱切等工序，在高溫下燒結(jié)76 h，制備成窄域氧傳感器陶瓷芯片，制備工藝流程如圖1所示，燒結(jié)后的陶瓷片芯如圖2所示。采用萬(wàn)用表測(cè)量陶瓷片芯加熱器的冷態(tài)電阻。
圖1 陶瓷片芯制備工藝
圖2 窄域氧傳感器陶瓷片芯
1.1.2 窄域氧傳感器封裝
將燒結(jié)后的陶瓷片芯進(jìn)行封裝，封裝后的窄域氧傳感器總成如圖3所示，對(duì)窄域氧傳感器總成進(jìn)行性能測(cè)試。
圖3 窄域氧傳感器總成
1.2 物理表征
使用能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）和電感耦合等離子體光譜儀（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer, ICP-OES）對(duì)YSZ陶瓷材料進(jìn)行元素分析。
1.3 窄域氧傳感器性能測(cè)試
在燃燒測(cè)試臺(tái)上，對(duì)窄域氧傳感器總成進(jìn)行性能測(cè)試。窄域氧傳感器加熱電壓設(shè)置為13 V，測(cè)試氣體流速≥0.5 m/s。預(yù)加熱2～5 min后，測(cè)量窄域氧傳感器信號(hào)端引腳之間的內(nèi)阻。調(diào)節(jié)窄域氧傳感器加熱器電壓，使用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量陶瓷片芯表面溫度，測(cè)量窄域氧傳感器信號(hào)端引腳之間的內(nèi)阻。調(diào)節(jié)過(guò)量空氣系數(shù)（λ），控制尾氣氣氛在1.10≥λ≥0.97范圍內(nèi)切換，將λ=0.97時(shí)窄域氧傳感器輸出電壓記為富燃電壓，λ=1.10時(shí)窄域氧傳感器輸出電壓記為貧燃電壓。將輸出電壓從300 mV上升到600 mV的時(shí)間記為貧富響應(yīng)時(shí)間，將輸出電壓從600 mV下降到300 mV的時(shí)間記為富貧響應(yīng)時(shí)間。
2 結(jié)果與討論
2.1 陶瓷片芯測(cè)試結(jié)果
加熱器電阻測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著加熱器電阻厚度的增加，陶瓷片芯加熱器冷態(tài)電阻逐漸減小。
表1 加熱器電阻測(cè)試結(jié)果
2.2 物理表征結(jié)果
對(duì)傳感器陶瓷片芯使用的YSZ材料進(jìn)行EDS檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。除氧元素和鋯元素外，未檢測(cè)出其他元素。YSZ材料的主要成分為氧化鋯，實(shí)際材料中常含有難以完全去除的雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)主要取決于原材料純度和生產(chǎn)工藝[9]。
圖4 EDS檢測(cè)結(jié)果
進(jìn)一步采用ICP-OES對(duì)YSZ材料進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。檢測(cè)表明YSZ中含有Hf、Ti、Fe等雜質(zhì)元素。
表2 ICP測(cè)試結(jié)果
2.3 窄域氧傳感器性能測(cè)試結(jié)果
窄域氧傳感器內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果如表3所示，隨著加熱器電阻厚度的增加，陶瓷片芯加熱器冷態(tài)電阻逐漸減小，窄域氧傳感器工作時(shí)的內(nèi)阻逐漸降低。
表3 內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果
將窄域氧傳感器內(nèi)阻和溫度測(cè)試結(jié)果擬合成曲線如圖5所示。由圖5可知，窄域氧傳感器內(nèi)阻和片芯溫度成反比關(guān)系，結(jié)合表3的結(jié)果可知，增加加熱器電阻的厚度最終會(huì)導(dǎo)致窄域氧傳感器工作溫度升高。
圖5 內(nèi)阻-溫度曲線
貧燃/富燃電壓測(cè)試結(jié)果如圖6所示，富貧響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7，貧富響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著工作溫度的上升，窄域氧傳感器的富燃電壓逐漸降低，貧燃電壓并沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，富貧響應(yīng)時(shí)間和貧富響應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。理想的窄域氧傳感器應(yīng)該具有較高的富燃電壓和較低的貧燃電壓，使窄域氧傳感器在實(shí)際工作中具有較寬的電壓范圍，更準(zhǔn)確地判斷尾氣中氧氣濃度的變化。貧燃/富燃電壓測(cè)試結(jié)果表明，隨著工作溫度的上升窄域氧傳感器的富燃電壓逐漸降低，貧燃電壓并無(wú)明顯的變化趨勢(shì)。
圖6 貧燃/富燃電壓測(cè)試結(jié)果
圖7 富貧響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果
圖8 貧富響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果
富貧/貧富響應(yīng)時(shí)間反映了窄域氧傳感器在瞬態(tài)工況下信號(hào)跟隨的能力,富貧/貧富響應(yīng)時(shí)間越短，窄域氧傳感器在瞬態(tài)工況下的性能表現(xiàn)越好。富貧/貧富響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果表明，隨著工作溫度的上升，窄域氧傳感器的富貧/貧富響應(yīng)時(shí)間逐漸升高。
綜合窄域氧傳感器性能測(cè)試結(jié)果可知，隨著工作溫度的升高，窄域氧傳感器的富燃電壓、富貧響應(yīng)時(shí)間和貧富響應(yīng)時(shí)間3項(xiàng)關(guān)鍵性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
2.4 原理探究
窄域氧傳感器的輸出電壓符合能斯特方程[10]，根據(jù)能斯特方程，在其他條件不變的情況下，溫度越高窄域氧傳感器輸出的電壓應(yīng)該越高，然而實(shí)際的富燃電壓測(cè)試結(jié)果與之相反。
式中：E為輸出電壓；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為溫度；Pr為空氣中氧氣分壓；PS為尾氣中氧氣分壓。
在富燃的尾氣環(huán)境下，氧氣濃度處于極低的狀態(tài)，陶瓷片芯表面存在極高的溫度，YSZ中存在的少量雜質(zhì)金屬氧化物可催化水分子分解成氧氣（圖9）[11-13]。在極低的氧濃度下，即使少量的氧氣產(chǎn)生也會(huì)使得P升高，該效應(yīng)可能超過(guò)溫度對(duì)輸出電壓的貢獻(xiàn)，從而導(dǎo)致傳感器富燃電壓降低。這可能是工作溫度升高引起富燃電壓下降的主要原因。隨著窄域氧傳感器富燃電壓降低，在貧燃電壓不變的情況下，由窄域氧傳感器的特性曲線可知，窄域氧傳感器的富貧/貧富響應(yīng)時(shí)間會(huì)逐漸升高。
圖9 反應(yīng)機(jī)理
3 結(jié)論
工作溫度是窄域氧傳感器性能的重要影響因素。物理表征和測(cè)試結(jié)果表明，工作溫度升高會(huì)導(dǎo)致窄域氧傳感器性能降低。在制備窄域氧傳感器時(shí)，通過(guò)降低加熱器電阻的厚度，可以提高窄域氧傳感器的富燃電壓，縮短窄域氧傳感器的富貧/貧富響應(yīng)時(shí)間，這不僅可以使陶瓷片芯成本降低，對(duì)提升窄域氧傳感器的實(shí)際應(yīng)用性能也具有重要意義。
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