汽車用氧氣傳感器的研究與進(jìn)展

一、引言

隨著人們對(duì)汽車的需求越來(lái)越大，汽車已逐漸成為人們生活的必需品。而隨之帶來(lái)的污染、能源短缺等問題也就越來(lái)越嚴(yán)重。汽車的有害排放物主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣，汽車尾氣所含的有害物主要有CO、HC、NO_x、SO_x 以及微粒物質(zhì)(鉛化物、碳煙、油霧等)等，這些有害污染物的排放已經(jīng)威脅到人類賴以生存的環(huán)境。因此要采取各種措施降低汽車尾氣中有毒物質(zhì)的含量，同時(shí)盡量使燃燒過程更充分，從而達(dá)到節(jié)能和降低環(huán)境污染的目的，而這一目的的實(shí)現(xiàn)就要通過氧傳感器來(lái)完成。通過氧傳感器對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比(A/F)進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒過程，既可解決排氣凈化問題，又可提高燃料的燃燒效率，節(jié)約能源。

二、汽車用氧傳感器

燃燒過程離不開氧，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃料燃燒充分與否，取決于A/F，控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)A/F用的氧傳感器，裝在汽車排氣管道內(nèi)，用它來(lái)檢測(cè)廢氣中的氧含量，根據(jù)氧含量與A/F的對(duì)應(yīng)關(guān)系，故測(cè)出了氧的含量，也就確定了A/F之值。因而可根據(jù)氧傳感器所得到的信號(hào)，把它反饋到控制系統(tǒng)，來(lái)微調(diào)燃料的噴射量，使A/F控制在最佳狀態(tài)，既大大降低了排污量，又節(jié)省了能源。

目前，用汽車氧傳感器控制的空燃比主要集中在理論空燃比處和稀薄燃燒區(qū)內(nèi)。理論空燃比傳感器的輸出電壓在理論空燃比附近會(huì)發(fā)生急劇的變化，這種變化是由于裝置內(nèi)氧分壓的變化引起的。它的這種特性使它非常適合應(yīng)用于三元催化系統(tǒng)，進(jìn)行理論空燃比的控制。這種系統(tǒng)在Volvo中被首次應(yīng)用^{[1]但對(duì)于偏離理論空燃比的燃燒情況，這種傳感器的靈敏度將大大下降。}，隨即被日本、美國(guó)的公司用來(lái)降低汽車尾氣有害氣體的排放量，是目前控制汽車排放達(dá)標(biāo)的主要措施。

對(duì)于稀薄燃燒系統(tǒng)，要求稀薄空燃比傳感器能夠在一個(gè)較寬的空燃比范圍內(nèi)對(duì)汽車尾氣的氧濃度進(jìn)行檢測(cè)。這種系統(tǒng)是豐田公司1984年首次應(yīng)用的^{[2]在這三種氧傳感器中，只有極限電流型氧傳感器能應(yīng)用于稀薄燃燒系統(tǒng)。}。

1、汽車用氧傳感器的分類

汽車氧傳感器根據(jù)工作原理的不同，可分為三類：氧化物半導(dǎo)體型(TiO₂氧傳感器) 、氧濃差電池型(傳統(tǒng)的ZrO₂電壓型氧傳感器)和極限電流型氧傳感器(電化學(xué)泵氧型)。

（1）氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器

氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器是基于氧化物半導(dǎo)體（TiO₂、Nb₂O₅和CeO₂）根據(jù)周圍氣氛的分壓自身進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)，從而導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化，有代表性的金屬氧化物是TiO₂和Nb₂O₅。

在常溫下，氧化物半導(dǎo)體具有很高的電阻，一旦氧氣不足，其晶格便出現(xiàn)缺陷變化，從而使電阻下降，氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器就是利用氧化物半導(dǎo)體材料的電阻值隨排氣中氧含量的變化而變化的特性制成的^[3]。

TiO₂系列氧傳感器是各種金屬氧化物材料中研究得最多，也是較為成熟的，已經(jīng)實(shí)用化。TiO₂是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且可以抗鉛毒的優(yōu)良敏感材料，常溫下不顯示氧敏特性，只有在高溫下才有明顯的氧敏特性，并且其溫度系數(shù)較大，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

由一般陶瓷工藝制成的Nb₂O₅燒結(jié)體，響應(yīng)特性不是很理想，將其制成具有較大比表面積的薄膜型元件，可以提高表面活性，改善響應(yīng)性能。TiO₂-Nb₂O₅系復(fù)合氧化物在空燃比特性及溫度特性方面分別優(yōu)于單一的TiO₂和Nb₂O₅，這是氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器發(fā)展的一個(gè)方向^[4]。

薄膜型氧化物半導(dǎo)體傳感器可提高傳感器的性能并能降低價(jià)格，這個(gè)方向的研究進(jìn)行的也很活躍。這種傳感器通過薄膜和微機(jī)械工藝制備。其優(yōu)點(diǎn)就是有很快的響應(yīng)速度，并且在低溫下也能正常工作。厚膜氧傳感器也是一個(gè)很活躍的領(lǐng)域，這種傳感器也有響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。一般，這種傳感器采用TiO₂為材料^{[5](輸出線性、工作溫度、A/ F 范圍等) 。但薄膜傳感器的使用壽命還是尚待解決的問題。}?？傊?，薄膜和厚膜型傳感器比其它類型價(jià)格便宜，性能優(yōu)異

氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、便宜、響應(yīng)速度快且抗鉛污染能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但這種氧傳感器的阻值在理論空燃比附近處急劇變化，輸出電壓也急劇變化，在整個(gè)稀薄燃燒區(qū)內(nèi)受到應(yīng)用上的限制。且其壽命與靈敏度不如氧化鋯傳感器，輸入和輸出信號(hào)處理設(shè)備比較昂貴，因此應(yīng)用不如氧化鋯氧傳感器廣泛。

（2）氧濃差電池型氧傳感器

在各類氧傳感器中，ZrO₂濃差電池型氧傳感器是最早實(shí)用化的氧傳感器，至今已有二十多年的歷史，基本上已成熟。和同樣在實(shí)際中有應(yīng)用的TiO₂ 氧傳感器相比，ZrO₂ 氧傳感器的最大的優(yōu)勢(shì)就在于其很高的靈敏度和可靠性。目前研究主要是提高它的性能，如小型化、低溫性能等方面。

除ZrO₂可作為電解質(zhì)外，LaCaO₃ 在摻雜Sr 、Mg 之后也有高的氧離子電導(dǎo)率，用它制備的電壓型氧傳感器在低于600 K時(shí)也有很好的性能^{[6]ZrO₂濃差電池型氧傳感器。} 。下面主要介紹一下

ZrO₂濃差電池型氧傳感器的工作原理： ZrO₂固體電解質(zhì)材料的一側(cè)暴露在汽車排氣中，排氣氧分壓為Po₂；另一端暴露在參考?xì)夥罩?，其氧分壓固定?/span>P_ref 。這樣它兩側(cè)的氧氣濃度或壓強(qiáng)會(huì)存在位差，氧會(huì)以氧離子的形態(tài)通過有大量氧空位的ZrO₂固體電解質(zhì)，從高濃度側(cè)向低濃度側(cè)傳導(dǎo)，從而形成氧離子導(dǎo)電，這樣在固體電解質(zhì)兩側(cè)電極上產(chǎn)生氧濃度差電勢(shì)E，便形成一種濃差電池結(jié)構(gòu) ^{[7]ZrO₂傳感元件的鉑膜上覆蓋一層多孔陶瓷作為涂層。氧傳感器內(nèi)側(cè)通大氣，外側(cè)直接與廢氣接觸，尾氣溫度在300～950℃之間變化，為保證傳感器在穩(wěn)定溫度下工作，Ｕ型管內(nèi)須插入加熱器。}。由于在汽車上使用，環(huán)境條件苛刻，壽命要求長(zhǎng)，為防止廢氣中的雜質(zhì)腐蝕鉑膜，在

當(dāng)濃混合氣燃燒時(shí)，排氣中的氧氣極端貧乏，Po₂和P_ref相差很大，由此可以產(chǎn)生較大的電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)稀薄混合氣燃燒時(shí)，因氧氣比較多， Po₂和P_ref很接近，氧濃差很小，幾乎不產(chǎn)生電壓。因此，在理論空燃比附近，ZrO₂濃差電池型氧傳感器電解質(zhì)兩邊的氧濃度之比會(huì)有一急劇的變化，從而引起輸出電壓的急劇變化。

ZrO₂濃差電池型氧傳感器用于理論空燃比附近時(shí)，具有精度高、響應(yīng)快、使用范圍廣、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于其信號(hào)與氧的分壓成對(duì)數(shù)關(guān)系，因此與氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器相同的是，在整個(gè)稀薄燃燒區(qū)內(nèi)，信號(hào)變化很小，不夠敏感。

（3）極限電流型氧傳感器

氧濃差電池型氧傳感器和氧化物半導(dǎo)體型氧傳感器都只能檢測(cè)理論空燃比值，對(duì)貧燃區(qū)空燃比響應(yīng)慢、靈敏度很低，尤其在A/ F> 20 的情況。然而，為了減少污染和節(jié)約能源，要求傳感器能連續(xù)檢測(cè)出稀薄燃燒區(qū)的空燃比，從此便出現(xiàn)了極限電流型氧傳感器。

極限電流型氧傳感器工作原理：當(dāng)有電壓加在固體電解質(zhì)ZrO₂上時(shí)，O₂會(huì)在內(nèi)電極(陰極Cathode)上得到電子形成O^2-，O^2-通過ZrO₂的傳遞作用，在外電極（陽(yáng)極Anode）上放電，O^2-又變成O₂，這樣氧就通過固體電解質(zhì)被從電極的陰極泵到陽(yáng)極，通常稱此電池為泵氧電池，外加電壓為泵電壓，產(chǎn)生電流為泵電流。泵氧過程中，外加泵電壓的增加所導(dǎo)致的泵電流的增加會(huì)逐漸減小，最后出現(xiàn)泵電流在一定的電壓范圍內(nèi)不變或變化很小的現(xiàn)象^[8]，電流達(dá)到飽和，這個(gè)電流被稱為極限電流^[9]。

為了得到與環(huán)境氣氛中氧氣濃度有關(guān)，且比較穩(wěn)定的極限電流，一般在氧化鋯氧傳感器的陰極表面加一個(gè)多孔擴(kuò)散障礙層，限制氧氣向陰極的傳輸。則氧氣通過障礙層的擴(kuò)散將成為泵氧電流的控制環(huán)節(jié)，當(dāng)電壓增大超過某一數(shù)值時(shí)，電流將不再隨之增大而達(dá)到極限，該極限電流的大小與繼續(xù)增加的電壓無(wú)關(guān)，而取決于氧向小室的擴(kuò)散速率，并與被測(cè)環(huán)境中的氧分壓呈正比。

極限電流型氧傳感器都有類似的特征曲線，即傳感器的輸出電流與外界氧分壓成線性關(guān)系，因而它能在寬范圍內(nèi)連續(xù)檢測(cè)出稀薄燃燒區(qū)的空燃比。近些年來(lái)，對(duì)極限電流型氧傳感器研究得很活躍。

適用于寬范圍空燃比的極限電流型氧傳感器已成為汽車尾氣傳感器的重要發(fā)展方向，也是節(jié)約能源和汽車臺(tái)架試驗(yàn)不可缺少的元件。目前有兩種物理擴(kuò)散障礙型極限電流型氧傳感器被汽車工業(yè)使用。一種是小孔擴(kuò)散極限電流型氧傳感器，另一種是多孔擴(kuò)散層極限電流型氧傳感器。

①小孔擴(kuò)散極限電流型氧傳感器

小孔擴(kuò)散極限電流型氧傳感器是使用最早的電流測(cè)量型氧傳感器，這種氧傳感器有兩種結(jié)構(gòu)，即單電池結(jié)構(gòu)和雙電池結(jié)構(gòu)^[10]。

只簡(jiǎn)要地介紹一下單電池小孔擴(kuò)散極限電流型氧傳感器的結(jié)構(gòu)（見圖1）及原理。它的氣體擴(kuò)散控制罩用氧化鋁及其它陶瓷材料制成，頂部中心有一小孔。外界的氧氣通過小孔向封閉空間內(nèi)擴(kuò)散，由于小孔直徑很小，擴(kuò)散速度受到限制。因此，當(dāng)施加的電壓增加到某一值時(shí)，電流達(dá)到最大(極限電流值)。此時(shí)，電流的大小只隨外界氧氣濃度的變化而變化，其理論方程為：

(1)

式中：FSDRT(Ｋ)；LP—混合氣體中的氧分壓。o₂ —擴(kuò)散小孔的長(zhǎng)度；—絕對(duì)溫度—氣體常數(shù)；—氧在混合氣體中的擴(kuò)散系數(shù)；—擴(kuò)散小孔的截面積；—法拉第常數(shù)；

小孔極限電流型氧傳感器是利用小孔控制氣體的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)封閉室內(nèi)外的氧濃差，不用任何參比氣體，但長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)容易造成小孔尺寸的改變甚至堵塞，從而影響其氧敏性能和工作穩(wěn)定性，而且加工工藝復(fù)雜，價(jià)格較高。

②多孔擴(kuò)散層極限電流型氧傳感器

前面提到的小孔極限電流型氧傳感器可以理解為只有一個(gè)小孔，而由于多孔擴(kuò)散層極限電流型氧傳感器的固體電解質(zhì)和電極都是多孔的，我們可以認(rèn)為整個(gè)傳感器是由“無(wú)數(shù)個(gè)”小孔結(jié)構(gòu)組成的（見圖2）。

這類傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在電極上加多孔涂層，以妨礙Ｏ^2-的擴(kuò)散，這樣可以在某側(cè)電極上形成一個(gè)參考氧分壓，避免使用任何參比氣體。

多孔擴(kuò)散層極限電流型氧傳感器容易制備，但孔隙率難以控制，由于灰塵等顆粒物的污染，長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)孔隙透氣性會(huì)發(fā)生變化，從而影響了傳感器的響應(yīng)性能和壽命。

在上述各類氧傳感器中都附有加熱器來(lái)保持傳感器工作時(shí)溫度的恒定，由于增加加熱器會(huì)使傳感器的結(jié)構(gòu)變得臃腫、復(fù)雜，還有人設(shè)計(jì)了將兩電池對(duì)接的雙電池結(jié)構(gòu)的氧傳感器。這種傳感器將兩個(gè)片狀多孔擴(kuò)散層極限電流型氧傳感器對(duì)接起來(lái)，達(dá)到了使傳感器輸出信號(hào)不受溫度變化影響的目的^[11]。

最近，在電化學(xué)泵型氧傳感器中，薄膜和厚膜型傳感器研究得也很活躍，比如沉積在藍(lán)寶石基板上的薄膜氧傳感器^{[12]Takahashi[14]等人制備出了一種極限電流型傳感器，這種傳感器將一個(gè)薄膜固體電解質(zhì)電池裝配在多孔氧化鋁基板上，一定程度上擴(kuò)大的測(cè)量范圍。另外，還有一些其它形式的氧傳感器，如Ishibash[15]開發(fā)了陰陽(yáng)兩極位于固體電解質(zhì)同一側(cè)表面的極限式氧傳感器；Suguki[16]也開發(fā)出了將理論空燃比和稀薄空燃比置為一體的極限式氧傳感器。}，和用層壓法和絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備的雙電池結(jié)構(gòu)的氧傳感器^[13]；

2、致密擴(kuò)散障礙層極限電流型氧傳感器

由于小孔擴(kuò)散極限電流型氧傳感器和多孔擴(kuò)散層極限電流型氧傳感器存在以上缺點(diǎn)，因此在實(shí)際使用中受到一定的限制。為克服這兩種極限電流型氧傳感器的缺點(diǎn)，延長(zhǎng)傳感器的使用壽命，優(yōu)化傳感器的測(cè)試性能，國(guó)外開始研究用固態(tài)電子－離子混合導(dǎo)體作為致密擴(kuò)散障礙層的極限電流型氧傳感器。固體電子－離子混合導(dǎo)體材料具有一定的氧滲透性能，用它作為化學(xué)擴(kuò)散障礙層，可以解決多孔物理擴(kuò)散層存在的問題^[17]。

它的氧離子傳輸是通過晶格缺陷(如氧空位)完成的，使用中不會(huì)發(fā)生孔隙堵塞的問題，因此性能穩(wěn)定，工作可靠。由于它有很高電子電導(dǎo)率，其中的電勢(shì)梯度很小，所以氧離子的遷移并非由電勢(shì)梯度引起，而是依靠混合導(dǎo)體兩側(cè)間的氧化學(xué)勢(shì)差實(shí)現(xiàn)的。氧在固態(tài)混合導(dǎo)體中的擴(kuò)散速度比在氣相中慢很多，這就會(huì)減慢氧向傳感器陰極的傳輸速度，限制了氧的擴(kuò)散流量，因而混合導(dǎo)體能起到擴(kuò)散障礙層的作用，使傳感器的電輸出性能線性化。

具有致密擴(kuò)散障礙層的極限電流型氧傳感器由一層氧離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)如ZrO₂（Y₂O₃）和一層電子/氧離子混合導(dǎo)體復(fù)合而成，在復(fù)合界面和固體電解質(zhì)的外表面分別引出與電源連接的兩根電極引線（見圖3）。當(dāng)施加外電壓于傳感器時(shí)，負(fù)極端與混合導(dǎo)體層連接。氧分子在混合導(dǎo)體材料的催化作用下變?yōu)槲窖?，并在?fù)極處(即傳感器的陰極)得到電子生成氧離子。由于混合導(dǎo)體兩表面間的氧濃度不同，混合導(dǎo)體與ZrO₂電解質(zhì)界面間的氧濃度較低，所以在氧化學(xué)勢(shì)梯度的推動(dòng)下氧離子由負(fù)極端擴(kuò)散至ZrO₂/混合導(dǎo)體界面間，而后通過ZrO₂固體電解質(zhì)的氧空位缺陷傳遞，擴(kuò)散到正極(即傳感器的陽(yáng)極處)，氧離子再放電又變?yōu)檠醴肿?。這樣氧就通過ZrO₂固體電解質(zhì)從電池的陰極被泵到陽(yáng)極。當(dāng)通過混合導(dǎo)體層擴(kuò)散進(jìn)入傳感器的氧量等于被外電流抽走的氧量時(shí)，擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電流也達(dá)到飽和值，即形成極限電流。顯然極限電流的大小與環(huán)境中的氧濃度有直接關(guān)系，這便是致密擴(kuò)散障礙層極限電流型氧傳感器的測(cè)氧原理。

1998年，Fernando等人^{[18]8%Y₂O₃穩(wěn)定的ZrO₂為固體電解質(zhì)，混合導(dǎo)體材料La_0.84Sr_0.16MnO₃作為極限電流型氧傳感器的擴(kuò)散障礙層，使用磁控濺射和絲網(wǎng)印刷成膜技術(shù)，在YSZ基體表面制備LSM致密擴(kuò)散障礙層，成功地制備出致密擴(kuò)散障礙層極限電流型氧傳感器。但采用磁控濺射技術(shù)做出的LSM致密擴(kuò)散障礙層比較薄，影響了高氧濃度氣氛下傳感器的測(cè)試性能。用絲網(wǎng)印刷法則可以避免這一點(diǎn)。把LSM粉末和一定量的有機(jī)溶劑混合均勻制成漿液，用氧化鋁瓷片作為基體，把YSZ片放于其上，用絲網(wǎng)印刷機(jī)在YSZ片上刷上一層膜，加熱烘干。然后將厚膜的一面和YSZ片的另一面均勻涂上鉑漿，粘上鉑絲，一定溫度下燒結(jié)，即得到了傳感器試樣。用這種方法作成的傳感器可以通過改變LSM膜的厚度，來(lái)拓寬氧的測(cè)量范圍，改善傳感器的性能。}采用

有人還研制出了含TbO_{1.75 的立方相螢石結(jié)構(gòu)的化學(xué)擴(kuò)散障：用厚16mm 的化合物Y0.2做成的致密Tb - YSZ 薄膜^{[19] Tb 與Y摻雜下可獲得良好的電子導(dǎo)電性和氧離子遷移率。采用這種擴(kuò)散障礙層的氧傳感器在氧濃度為0.2 %～4.5 %的范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)。}。該化合物在適當(dāng)?shù)?/span> Tb0.24Zr0.56O2 - y}( Tb₄O₇)

李福燊等^{[20]Y₂O₃穩(wěn)定的ZrO₂為固體電解質(zhì)，La_0.8Sr_0.2CoO₃混合導(dǎo)體材料為擴(kuò)散障礙層的極限電流型氧傳感器。鉑漿粘結(jié)就是將預(yù)燒好的混合導(dǎo)體和固體電解質(zhì)小片用鉑漿粘結(jié)在一起，再通過鉑漿的燒結(jié)以增強(qiáng)其結(jié)合的力學(xué)性能，它可以避免兩種材料進(jìn)行共燒，防止因?yàn)槎邿Y(jié)收縮率不匹配而導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋等情況的發(fā)生，同時(shí)也防止了二者發(fā)生反應(yīng)。周邊密封是將密封材料（玻璃粉）撒在復(fù)合片的周邊，燒結(jié)使兩薄片接界處的縫隙完全封閉。密封兩片接觸間隙的目的是為了防止發(fā)生氧滲漏，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后將LSCo/YSZ復(fù)合片兩面均勻涂上鉑漿，粘上鉑絲，即得到了塊狀傳感器試樣（如圖4）。該傳感器能夠很好的給出全范圍空燃比的極限電流平臺(tái)。}采用分別燒成、鉑漿粘結(jié)、周邊密封的方法成功制備了以８％

夏暉等^{[21]8%Y₂O₃穩(wěn)定的ZrO₂為固體電解質(zhì)，以La_0.8Sr_0.2MnO₃作為擴(kuò)散障礙層也成功制備出了致密擴(kuò)散障礙層極限電流型氧傳感器，該傳感器避免了YSZ和LSM兩種材料在燒結(jié)時(shí)收縮率不匹配的問題，并使傳感器有了更好的氧敏感性能。}也采用鉑漿粘結(jié)法，以

楊媚等^{[22]La_0.8Sr_0.2FeO₃制備的氧傳感器在氧濃度為0~21％的全氧濃度范圍內(nèi)，對(duì)氧的敏感性良好，極限電流與氧濃度存在較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于0.997。在稀薄燃燒的混合氣氛中極限電流值與空燃比A/F(14.5~25)一一對(duì)應(yīng)，可以檢測(cè)出稀薄燃燒區(qū)的空燃比。}以

致密擴(kuò)散障礙層極限電流型氧傳感器克服了小孔和多孔層極限電流型氧傳感器的缺點(diǎn)，有更好的氧敏感特性，拓寬了傳感器的氧測(cè)量范圍，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、工作可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前景的極限電流型氧傳感器。

綜上所述，與其他兩種類型的傳感器相比，極限電流型氧傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是可連續(xù)監(jiān)控稀薄燃燒區(qū)的空燃比，節(jié)約能源；二是靈敏度高、控制精度好；三是對(duì)溫度依賴??；四是不需要參比電極；五是制備簡(jiǎn)單、易于微型化；六是響應(yīng)速度快。因此極限電流型氧傳感器成為稀薄燃燒區(qū)汽車尾氣傳感器的主要發(fā)展趨勢(shì)。

三、汽車用氧傳感器的研究方向

汽車用氧傳感器通過檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中氧的含量來(lái)調(diào)節(jié)空燃比，使實(shí)際空燃比更接近理論空燃比，以達(dá)到燃燒完全、排氣污染物含量最低、發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性最佳的目的。在世界范圍內(nèi)，汽車用氧傳感器發(fā)展尤為迅速，每年都有近億支用于汽車。目前，它的的研究進(jìn)展主要集中在以下幾個(gè)方向：

１. 低工作溫度氧傳感器的研究。

由于現(xiàn)有的氧傳感器必須在較高的溫度下才能正常工作，給制造和使用帶來(lái)許多不便。因此，低溫度氧傳感器的研究進(jìn)行的很活躍，為此引入了很多新的結(jié)構(gòu)和材料。如CeO₂ 、CoO、SrTiO₃ 、LaCaO₃ 等，這些新材料都得到了越來(lái)越廣泛的使用。

２. 擴(kuò)大空燃比控制測(cè)量區(qū)域。

實(shí)現(xiàn)廣域空燃比的測(cè)量控制是近年來(lái)的一個(gè)熱門研究方向。這樣可使氧傳器能連續(xù)計(jì)量控制從過濃區(qū)域到理想空燃比再到稀薄燃燒區(qū)域的整個(gè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)反饋控制。

3. 傳感器的薄膜化和小型化。

用薄膜化和微機(jī)械工藝制備的小型化氧傳感器具有性能優(yōu)異、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，且易實(shí)現(xiàn)集成化、全固態(tài)化以及多功能化。

４.研究改進(jìn)保護(hù)層材料。

傳感器的保護(hù)層和電極往往由于灰塵、油、硅等成分而發(fā)生堵塞，大大影響了傳感器的性能，為此改進(jìn)保護(hù)層材料改進(jìn)制造工藝，提高傳感器的抗劣化性能是一個(gè)重要的研究方向。

總之，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，隨著汽車技術(shù)的進(jìn)步和傳感器制造工藝技術(shù)的提高，汽車用氧傳感器將會(huì)不斷的完善發(fā)展，其發(fā)展前景十分廣闊。




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Development and Study of Automobile Oxygen Sensors

Abstract: CO, HC, NO_x, SO_x and some particulates. The wastes seriously pollute our living environment. Adjustment of the ratio of air and fuel with oxygen sensors can control the combustion process in engine in order to reduce pollution and save energy. At present oxygen sensors used in controlling the ratio of air and fuel can be divided into three types: oxide semiconductor sensor, oxygen concentration cell type sensor and limiting diffusion current sensors. In this paper, on the basis of introduction of working mechanism and construction of three kinds of sensors, a new type limiting current oxygen sensors with chemical diffusion barrier is introduced in detail. The future development trend is also predicted.The pollutants in automobile waste gas mainly are

Keywords:oxide semiconductor sensors; limiting current sensors oxygen sensors;

作者簡(jiǎn)介：

趙艷琴：河北理工大學(xué)生碩士，主要從事電化學(xué)的研究。
通訊方式：河北省唐山市河北理工大學(xué)研究生學(xué)院04級(jí)研究生 郵編:063009
電郵：yanqinzhao2005@163.com
王嶺：河北理工大學(xué)生博士后，教授，從事電化學(xué)傳感器的研究。
朱靖，河北理工大學(xué)生化學(xué)院講師，主要從事鋰離子電池的研究。
王建民，河北理工大學(xué)生化學(xué)院講師，從事傳感器的研究