專利名稱：一種氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于固體電解質(zhì)材料的氣體傳感器技術(shù)。
背景技術(shù)：
基于固體電解質(zhì)材料的氣體傳感器有著廣泛而重要的應用。氣體傳感器可以應用于檢測例如氧氣、氫氣、HC、 CO以及NOx等氣體的濃度。固體電解質(zhì) 之特點在于當溫度適合時，可以允許某種元素的離子透過而發(fā)生電化學反應并 釋放電子，例如氧離子可以穿過帶有氧空穴的氧化鋯陶瓷材料，這種帶有氧空 穴的穩(wěn)定態(tài)陶瓷就是一種固體電解質(zhì)材料。在某些應用領(lǐng)域，例如汽車發(fā)動機， 氣體傳感器的穩(wěn)定性和壽命至關(guān)重要。成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單而可靠的氣體傳感 器一直是本領(lǐng)域所追求的目標。中國專利申請CN1798972A提供了一種新型氣 體傳感器結(jié)構(gòu)，其目標是降低制造成本。中國專利申請CN1823271A提供了另 一種氣體傳感器結(jié)構(gòu)和制造方法，其目標是提高氣體傳感器的可靠性。氣體傳感器的成本取決于結(jié)構(gòu)和材料。制作氣體傳感器檢測元件的固體電 解質(zhì)以及電極材料是影其成本的最敏感因素，減小檢測元件的尺寸是降低成本 的最有效途徑。傳統(tǒng)的氣體傳感器利用檢測元件本身的結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)密封和固 定，這需要額外占用一部分材料。如果能夠通過改變結(jié)構(gòu)將這一部分材料用其 它較為低廉的材料替代，則可以有效地降低氣體傳感器的制造成本。氣體傳感器的可靠性和壽命除了受使用環(huán)境的影響外，基本取決于本身的 材料和結(jié)構(gòu)。首先氣體傳感器需要充分的參考氣體量才能保證持續(xù)可靠的工作。一方面，參考氣體直接參加電化學反應，沒有參考氣體就沒有信號輸出，另一 方面，如果其它非參考氣體，例如被檢測氣體或者傳感器材料的揮發(fā)物，進入 到參考氣體室而又無法及時有效排出，則檢測信號也不能正常輸出。然而，在 開放環(huán)境下，參考氣體往往伴隨雜物(例如水)， 一同進入?yún)⒖細怏w室而導致傳 感器失效。其次，氣體傳感器往往處于高溫、高腐蝕性和振動等惡劣的工作環(huán) 境和工作介質(zhì)之中，傳統(tǒng)的檢測元件及其電極需要依靠初始的軸向預緊力固定， 而軸向預緊力往往容易隨著使用時間的增長而減退，從而出現(xiàn)被測氣體進入?yún)?考氣體室或者電極接觸不良等現(xiàn)象，導致輸出信號失常或者消失。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種氣體傳感器、其目的是降低氣體傳感器成本、提高氣體傳感 器可靠性和增加壽命。所述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種氣體傳感器，包括一個檢測元件， 一個用于固定檢測元件的鎖固元件， 一個金屬殼體和一個壓力環(huán)，其特征在于，所述鎖固元件包括一個錐形突起， 壓力環(huán)位于錐形突起與金屬殼體之間，傳遞金屬殼體與錐形突起之間的壓力。其中，檢測元件包括固體電解質(zhì)層，檢測端電極和參考端電極。檢測元件大 致為一個中空的柱狀體，它一端封閉形成參考氣體室，外表面部分隆起形成前 外突起，前外突起可以是一個突臺，也可以是從封閉端開始逐漸增大的錐面。 檢測端電極附著于固體電解質(zhì)層之外表面，與檢測氣體接觸，參考電極附著于 參考氣體室之內(nèi)表面，與參考氣體接觸，固體電解質(zhì)層可以采用氧化釔穩(wěn)定化 的帶有氧空穴的氧化鋯陶瓷等材料制成，檢測端電極和參考端電極通常采用抗 腐蝕和耐高溫能較強的金屬材料制成。檢測元件借助于鎖固元件將其固定于金屬殼體內(nèi)。鎖固元件大致為一個中空柱狀體，其中孔貫通兩端，其外表面隆起形成錐形突起，錐形突起可以在最大 截面之兩側(cè)同時形成錐面，也可以僅在一端形成錐面。金屬殼體大致為一個包 含貫通兩端中孔的柱狀體，其中孔在徑向大致上是前端小后端大，其中部收縮 形成前內(nèi)突起，前內(nèi)突起可以是一個突臺，也可以是一個朝前漸縮的錐面。將檢測元件固定于金屬殼體內(nèi)可以通過以下過程實現(xiàn)首先檢測元件的封閉 端朝前從金屬殼體的后端置入金屬殼體，被金屬殼體之前內(nèi)突起阻擋于其前外 突起處，然后壓力環(huán)從金屬殼體之后端置入并被檢測元件之后端所阻擋，接下 來鎖固元件從金屬殼體之后端置入并被壓力環(huán)所阻擋，壓力環(huán)之外表面與所處 位置的金屬殼體之內(nèi)表面存在一個較小的間隙，壓力環(huán)之中孔可以預制一個與 相接觸的錐形突起之錐面大致吻合的錐面，壓力環(huán)的材料硬度要明顯小于鎖固 元件，最后擠壓手段將位于鎖固元件之錐形突起之后的金屬殼體向前向內(nèi)收縮 形成后內(nèi)突起。后內(nèi)突起擠壓鎖固元件之錐形突起并迫使其向前移動，由于金 屬殼體之前內(nèi)突起的阻擋，鎖固元件的移動在檢測元件、壓力環(huán)和鎖固元件之 間形成預緊力將檢測元件固定于金屬殼體之內(nèi)。在鎖固元件的移動過程中，錐 形突起之錐面對壓力環(huán)施加一個徑向力，此徑向力迫使壓力環(huán)徑向擴張并將其 外表面緊緊貼合與金屬殼體之內(nèi)表面，從而阻斷流體從它們之間通過。同時， 由于錐形突起之錐面在壓力的作用下與壓力環(huán)之中孔緊緊貼合，也阻斷了氣體 從它們之間通過。因此，鎖固元件在固定檢測元件的同時，也排除了流體從金 屬殼體之后端通過壓力環(huán)到達檢測元件的可能性。上述固定結(jié)構(gòu)和方法還可以具有多種其它選擇。其中一種選擇是壓力環(huán)預 制中孔是一個簡單的圓孔，錐形突起之錐體是一個圓錐體，壓力環(huán)中孔的直徑 介于錐形突起之錐體之大小徑之間，由于壓力環(huán)之材料硬度明顯小于鎖固元件, 在鎖固元件移動過程中，壓力環(huán)被擠壓成一個與錐形突起之錐體相吻合的錐孔，同樣可以阻斷氣體從它們之間通過。.'弓一種選擇是錐形突起還包括一個小端 朝后的第二錐體，按照與上述過程相同的步驟將鎖固元件置入金屬殼體之后， 再將第二壓力環(huán)置入金屬殼體與第二錐體之間，然后將位于第二壓力環(huán)后面的 金屬殼體向前向內(nèi)收縮形成后內(nèi)突起，這樣，第二壓力環(huán)被擠壓入第二錐體與 金屬殼體形成的環(huán)錐空間中，其作用與前述之壓力環(huán)相似。還有一種選擇是 取消壓力環(huán)，緊緊保留第二壓力環(huán)，同時讓預緊力直接作用于檢測元件和鎖固元件之間。在上述各種方案中，壓力環(huán)可以為預制的金屬板材零件，也可以是粉末狀的 非金屬材料例如，石墨和滑石粉等，粉狀材料可以預制成一定的形狀，也可以直接裝入預定的空間。壓力環(huán)還可以選擇由金屬絲制成的c型環(huán)，尤其是第二 壓力環(huán)，可以由一組c型壓力環(huán)構(gòu)成。在上述各種方案中，任何一種方案都不排除鎖固元件與檢測元件直接接觸， 并將部分或者全部預緊力施加于檢測元件。上述方案的進一步完善，可以在金屬殼體之前內(nèi)突起和檢測元件之前外突起 之間置入一個電極填料。所述電極填料可以由導電的金屬板材預制而成，也可 以由其它導電的非金屬材料制成，其材料硬度要明顯小于檢測元件。所述電極 填料的作用一方面可以阻斷被測氣體進入?yún)⒖細怏w室，另一方面可以保持檢測 端電極與金屬殼體之間良好的電接觸。為了防止檢測元件與金屬殼體之間可能發(fā)生的松動，可以這樣選擇錐形突起其至少包含一個圓錐體，其中，至少一個圓錐體之錐角小于一定值，以致 于在錐形突起、金屬殼體和壓力環(huán)之間通過摩擦力形成自鎖。這樣，即便是金 屬殼體之后內(nèi)突起因長期使用失去金屬彈性，鎖固元件與金屬殼體仍然能夠互 鎖在一起，限制檢測元件的移動。鎖固元件制作材料的一種最佳選杼是絕緣性較好的陶瓷，尤其是颯化物陶 瓷，例如氧化鋁等。壓力環(huán)可以為一個金屬材料制成的環(huán)錐，其中小端內(nèi)收形成一個與軸線垂直 的環(huán)帶，此環(huán)帶用于鎖固元件與檢測元件之間的密封。通過上述方案制成的氣體傳感器，在一定的溫度條件下，例如大于400° C， 參考氣體中的氧氣成分在參考端電極處獲得電子而形成負離子，負氧離子穿過 所述固體電解質(zhì)層與檢測氣體發(fā)生電化學反應而釋放電子于檢測端電極，從而 在參考端電極和檢測端電極之間形成電位差，即檢測信號。檢測信號之強弱取 決于負氧離子穿過固體電解質(zhì)層的流量，它與檢測氣體中的氣體成分(例如氧 氣，HC等氣體)及其濃度相關(guān)。檢測信號通過氣體傳感器引線裝置輸出到外部 設(shè)備，則可以獲得某一種或者幾種氣體成分的濃度信息。通過在鎖固元件上設(shè)置錐形突起，加強了對檢測元件的固定和提高對氣體的 密封效果，從而可以減小檢測元件的體積，達到節(jié)省成本和增加可靠性的目的。鎖固元件還可以包括一個氣液分離器，氣液分離器包括一個塑料骨架、 一個 透氣薄膜和一個保護罩，透氣薄膜介于塑料骨架和保護罩之間。所述氣液分離器之作用是選擇氣體通過而阻止液體通過，其中塑料骨架可以 通過注塑等工藝成型，塑料可以選擇含玻璃纖維增強的尼龍等材料，透氣薄膜 是一種含有微孔的塑料，保護罩包括與外界環(huán)境相聯(lián)通的通氣道以允許參考氣 體到達透氣薄膜的一側(cè)，保護罩可以選擇橡膠或者其它有利于密封的材料制成。 由于存在塑料骨架和保護罩，并且，保護罩之通氣道的結(jié)構(gòu)設(shè)計上盡可能考慮 避免外界物體能夠直接觸及到透氣薄膜，所以可以采用強度相對較低的透氣胰 以降低成本和增加設(shè)計的靈活性。保護罩包括一個覆蓋件和一個保護蓋，保護蓋覆蓋透氣薄膜，覆蓋件連接鎖固元件和保護蓋，覆蓋件由熱縮性材料制成。而保護蓋可以采用另外一種材料, 例如橡膠，這樣保護蓋用于覆蓋透氣薄膜，而覆蓋件可以借助于熱塑變形產(chǎn)生 的抱緊力將保護蓋與鎖固元件連接在一起。透氣薄可以通過超聲波焊接等方式固定于塑料骨架?？傊景l(fā)明之氣體傳感器的基本結(jié)構(gòu)特征，即鎖固元件包括一個錐形突起， 所述錐形突起能夠產(chǎn)生徑向力作用于鎖固元件和金屬殼體之間，既能夠增強金 屬殼體與鎖國元件之間的氣密性，又能夠?qū)︽i固元件，繼而檢測元件的固定起 加強作用，另一個重要特征在于包括一個透氣薄膜和一個位于一側(cè)的保護罩和 一個位于另一側(cè)的塑料骨架，所述塑料骨架和保護罩的引入，可以降低對透氣 膜強度的要求以降低成本和增加設(shè)計的靈活性。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細描述 圖1為本發(fā)明提供的氣體傳感器第一實施例之縱向半剖視圖 圖2為本發(fā)明提供的氣體傳感器第一實施之局部放大剖視圖 圖3為本發(fā)明提供的氣體傳感器第二實施例之縱向半剖視圖 圖4為本發(fā)明提供的氣體傳感器第二實施之局部放大剖視圖 圖5為本發(fā)明提供的氣體傳感器之鎖固元件實施例縱向剖視圖 圖6a為本發(fā)明提供的氣體傳感器之塑料骨架實施例正視圖 圖6b為本發(fā)明提供的氣體傳感器之塑料骨架實施例剖視圖 圖7為本發(fā)明提供的氣體傳感器之保護罩實施例放大圖 圖8為本發(fā)明提供的氣體傳感器之引線端子實施例放大圖 圖9為本發(fā)明提供的氣體傳感器第三實施例之縱向半剖視10為本發(fā)明提供的氣體傳感器之保護蓋實施例放大圖具體實施方式
圖1顯示了本發(fā)明氣體傳感器第一實施例之結(jié)構(gòu)。氣體傳感器r包括檢測元件l， 一個用于固定檢測元件l的鎖固元件2， 一個 金屬殼體3， 一個壓力環(huán)4，一個電極填料6。檢測元件1主體為闔體電解質(zhì)層le，其形狀大致為一個空心的旋轉(zhuǎn)體，前端 li封閉，后端lj開放，內(nèi)表面形成參考氣體室lf，參考端電極ld附著于其內(nèi)表 面，檢測元件1外表呈前端li小后端lj大的錐狀，后端lj包括一個近乎平整的 端面2c， 一個前外突起la靠近后端lj，前外突起la是一段錐形體，其外表面 附著檢測端電極11),固體電解質(zhì)層le可以由帶有氧空穴的氧化鋯材料(例如(例如Pt)材料制成。鎖固元件2是一個中空的旋轉(zhuǎn)體，可以由成本低的氧化鋁陶瓷材料制作，它 在靠近檢測元件1的一端設(shè)有一個錐形突起2a，錐形突起2a包括一個圓柱體2h 和一個圓錐體2b，圓柱體與錐突起2a之間有一個前肩臺2e，另一側(cè)是一個背肩 臺2g,鎖固元件2中間的通孔是為引線而設(shè)的引線孔2f。金屬殼體3大致為一個含有貫通孔3j的柱狀體，貫通孔3j后端部分3e具有 最大的孔徑，沿軸線向前孔徑縮小，其中包括一個向內(nèi)收縮的前內(nèi)突起3a，前 內(nèi)突起3a具有一個向前收縮的錐面3d，前內(nèi)突起3a與前端面出口之間為--段 近似的直孔。在金屬殼體3之外側(cè)，前段設(shè)有螺紋3g用于安裝固定氣體傳感器 本身，中段設(shè)有一個便于使用扳手的六方體3i，六方體3i經(jīng)過環(huán)形肩臺3h過渡 到嫘紋3g，環(huán)形肩臺3h為所述氣體傳感器的安裝提供了一個密封面，六方體3i與后端面之間是一段筒狀殼體，氣體保護罩5是一個由耐熱不銹鋼板材拉伸 成型的有底桶形件，在其四周以及底面設(shè)有小孔5a將檢測氣體引入檢測氣體室 lg,氣體保護罩5具有一個外翻的邊沿5b，金屬殼體3之前端設(shè)有一個臺階口 3f,其向內(nèi)翻邊扣壓氣體保護罩5外翻的邊沿5b將氣體保護罩5固定于前端。裝配時，首先將電極填料6從金屬殼體3之后端置入中心孔3j,電極填料6 是一個由金屬板材加工成型的錐形環(huán)，其外側(cè)形狀與尺寸與錐面3d相吻合，電 極填料6向前移動至前內(nèi)突起3a處被阻擋定位，定位后電極填料6與前內(nèi)突起 3a之錐面3d之間留有很小的間隙，然后將檢測元件1之封閉端li朝前從金屬 殼體3之后端置入中心貫通孔3j之內(nèi)，檢測元件1向前移動被電極填料6阻擋 于前外突起la之錐面lb,錐面lb坐落于電極填料6之內(nèi)錐面，接下來將壓力 環(huán)4從金屬殼體3之后端置入貫通孔3j,壓力環(huán)4可以是一個具有預制內(nèi)錐面 的環(huán)狀體，其中小端內(nèi)收形成一個與軸線垂直的環(huán)帶4a，此環(huán)帶用于鎖固元件 2與檢測元件1接觸面之間的密封，壓力環(huán)4向前移動被檢測元件1阻擋于其端 面lc，此時，壓力環(huán)4與金屬殼體3之內(nèi)孔3c之間留有很小的間隙，最后將鎖 固元件2之錐形突起2a朝前從金屬殼體3之后端置入貫通孔3j內(nèi)，鎖固元件2 向前移動被壓力環(huán)4阻止于錐形突起2a之錐面2c，錐面2c可以部分伸入到壓 力環(huán)4之內(nèi)孔之中，在軸向壓力的作用下，鎖固元件2可以繼續(xù)向前移動，并 且迫使壓力環(huán)4變形，其外經(jīng)向金屬殼體3之內(nèi)孔表面3c擴張至完全貼合，與 此同時，檢測元件l也向前略作移動，并將電極填料6壓緊于前內(nèi)突起3a和前 外突起la之間，金屬殼體3之后端預設(shè)一個環(huán)形臺，此時推壓所述環(huán)形臺向鎖 固元件2之錐形突起2a之背肩臺2g扣緊，從而形成后內(nèi)突起3b,后內(nèi)突起3b 將始終對鎖固元件2施加一個軸向預緊力。如圖2所示，通過以上壓緊裝配，壓力環(huán)4被擠壓變形，在金屬殼體3、壓力環(huán)4和圓錐體2b之間產(chǎn)生一個徑向預緊力Pwrl ，徑向預緊力Pwd能夠消除 間隙，阻止液體從金屬殼體3之內(nèi)孔表面3c與壓力環(huán)4外表面，以及壓力環(huán)4 內(nèi)表面與圓錐面2c之間通過，如果圓錐體2b的錐角alpha小于一定值，例如25 '，則在徑向預緊力Pwrl的作用下，鎖固元件2被自鎖于壓力環(huán)4，這樣，即 便后內(nèi)突起3b由于某種原因失去彈性預緊力，檢測元件1也不會因此而松動。鎖固元件2之端面2d與檢測元件1之端面lc之間可以靠緊，也可以保持一 定距離，這要取決于壓力環(huán)4材料的硬度，當采用較軟的材料時，鎖固元件2 之端面2d與檢測元件1之端面lc需要靠緊以產(chǎn)生足夠的鎖緊力。錐形突起2a之前肩臺2e可以與壓力環(huán)4保持一定距離，也可以壓緊在壓力 環(huán)4之后端面，這要取決于壓力環(huán)4的材料硬度以及對軸向預緊力大小的要求。通過上述壓緊裝配，電極填料6也被擠壓變形，從而可以阻止氣體從前外突 起la之外錐面與前內(nèi)突起3a之內(nèi)錐面3d之間通過，這樣就能夠避免檢測氣體 進入?yún)⒖細怏w室lf以影響氣體傳感器之正常工作，同時電極填料6被壓緊以使 檢測元件1之檢測端電極lb與金屬殼體3之間保持良好的電接觸。按照上述方案，在一定的溫度條件下(例如大于40(T C)，參考氣體室lf 中的氧氣成分在參考端電極ld處獲得電子而形成負離子，負氧離子穿過所述固 體電解質(zhì)層le與檢測氣體發(fā)生電化學反應而釋放電子于檢測端電極lb，從而在 參考端電極ld和檢測端電極lb之間形成電位差，即檢測信號。檢測信號通過 氣體傳感器引線裝置輸出到外部設(shè)備，則可以獲得某一種或者幾種氣體成分的 濃度信息。圖3顯示了本發(fā)明氣體傳感器第二實施例之結(jié)構(gòu)氣體傳感器，包括檢測元件31，一個用于固定檢測元件31的鎖固元件32，一個金屬殼體33,第一壓力環(huán)34,由C型壓力環(huán)34a和C型壓力環(huán)34b組成的 第二壓力環(huán)34ab， 一個電極填料36。檢測元件31為一個一端封閉的空心錐形體，包括一個前外突起31a，一個參 考氣體室31f， 一個近乎平整的端面31c,其檢測端電極31b位于檢測元件31之 外圓錐面，其參考端電極31d附著于參考氣體室31f之內(nèi)表面；鎖固元件32包 括一個錐形突起32a，錐形突起32a包括第一圓錐體32b和第二圓錐體32e,第 —圓錐體32b和第二圃錐體32c之間由一段過渡圓柱體32h連接金屬殼體33 為一個包含一個貫通孔33j的柱形體，貫通孔33j后端部分具有最大的孔徑，沿 軸線向前孔徑縮小，其中包括一個向內(nèi)收縮的前內(nèi)突起33a，前內(nèi)突起33a具有 一個向前收縮的錐面33d,前內(nèi)突起33a與前端面出口之間為--段近似的直孔。 其外部之前段設(shè)有蠊紋33g,中段設(shè)有一個六方體33i便于使用扳手，其后段為 帶有臺階的筒形體用于壓裝和固定鎖固元件32，金屬殼體33之前端設(shè)有一個臺 階口 33f用于壓裝固定氣體保護罩35,氣體保護罩35是一個由不銹鋼板材成型 的桶形拉伸件，它具有一個外翻的邊沿35b用于被壓裝固定，在其四周以及底 面設(shè)有小孔35a將檢測氣體引入檢測氣體室31g。將電極填料36，檢測元件31,第一壓力環(huán)34和鎖固元件32依次從金屬殼體 后端置入貫通孔33j內(nèi)，其過程與本發(fā)明提供的氣體傳感器第一實施例相同，在 鎖固元件32被置入貫通孔33j內(nèi)之后，將由C型壓力環(huán)34a和C型壓力環(huán)34b 組成的第二壓力環(huán)依次置入貫通孔33j內(nèi)之內(nèi)，再用力將C型壓力環(huán)34b向前 推壓，金屬殼體33之后端設(shè)有一個環(huán)形的臺階，此時C型壓力環(huán)34b恰好位于 所述環(huán)形臺階之內(nèi)略靠前一定距離，將所述環(huán)形臺階向C形壓力環(huán)34b推靠并 使其變形，從而形成后內(nèi)突起33b,后內(nèi)突起33b將C型壓力環(huán)34b鎖扣于金厲 殼體之后端內(nèi)，在金屬殼體33之前內(nèi)突起33a與后內(nèi)突起33b之間產(chǎn)生一個預緊力，將檢測元件31和鎖固元件32固定于金屬殼體33之內(nèi)。在上述過程中，第一壓力環(huán)34在第一圓錐體32b產(chǎn)生的徑向力的作用下向外 擴張并與金屬殼體33之內(nèi)孔壁面33c靠緊，過渡圓柱體32h與第一圓錐體32b 之間的前肩臺32g緊壓在第一壓力環(huán)34之后端面，鎖固元件32之前端面32f 緊壓在檢測元件之后端面31c之上，這樣，在鎖固元件32與檢測元件31之間 形成軸向預緊力，將檢測元件31固定于金屬殼體33之內(nèi)，與此同吋，第一壓 力環(huán)34充滿于檢測元件31之后端面31c、第一圓錐面32d和前肩臺32g與金屬 殼體33之內(nèi)表面所形成的空間，從而阻斷了流體在鎖固元件32與第一壓力環(huán) 34以及第一壓力環(huán)34與金屬殼體33之間的通路，同時也阻止了氣體從檢測氣 體室進入?yún)⒖細怏w室31f。在上述結(jié)構(gòu)中，第二壓力環(huán)由兩個C型壓力環(huán)34a和33b組成，也可以僅僅 保留其中一個C型壓力環(huán)或者采用更多的C型壓力環(huán)，第二壓力環(huán)不限于C型 結(jié)構(gòu)也可以采用其它結(jié)構(gòu)形式，C型壓力環(huán)由金屬絲加工而成，。C型壓力環(huán)32a (或者以及C型壓力環(huán)32b)處于第二圓錐體32c之圓錐而 32e與金屬殼體33之內(nèi)表面33h之間所形成的環(huán)錐空間中，見局部放大圖4， 當受到軸向擠壓時會產(chǎn)生徑向預計力Pwr2,當?shù)诙F體32c之錐角Beta小于一 定值，例如25° ，徑向預緊力Pwr2會將鎖固元件32自鎖于金屬殼體33之內(nèi)， 即便是后內(nèi)突起33b失去彈性預緊力，鎖固元件32對于檢測元件31之固定作 用仍然能夠保持。第一壓力環(huán)34和第二壓力環(huán)34ab的作用可以有所側(cè)重，第一壓力環(huán)34之主 要作用在于密封，第二壓力環(huán)34ab的主要作用在于產(chǎn)生能夠形成與金屈殼體33 自鎖的徑向力。上述氣體傳感器在參考端電極31d與檢測端電極31b之間產(chǎn)生輸出信號的原理與過程與本發(fā)明氣體傳感器第一實施例所提供的相同，這里不再贅述。圖5顯示了本發(fā)明之氣體傳感器之鎖固元件實施例結(jié)構(gòu)，圖6a和圖6b分別顯示了本發(fā)明之氣體傳感器之塑料骨架實施例之正視圖和剖視圖。圖示之氣體傳感器鎖固元件，包括引線載體13，塑料骨架ll，透氣薄膜12, 保護翠15。引線載體13大致為一個管狀陶瓷體，它包括一個兩端貫通的引線通道13a， 一個位于外側(cè)的環(huán)槽13c,引線通道13a之出口端具有一個縮小的臺階孔13b。塑料骨架11由某一種塑料注塑成型(例如含有玻璃纖維增強的尼龍)，在其 —端設(shè)有一個向外開口的環(huán)形透氣腔lla，環(huán)形透氣腔lla通過透氣通道llb與 引線通道13a連接。在塑料骨架11的另一端設(shè)有一個彈性掛件llc，彈性掛件llc具有花瓣結(jié)構(gòu) 從塑料骨架11之中心部位向外延伸形成,如圖6所示，最前端是一個錐體頭lld, 通過一個較細的頸部llu與本體連接，在頸部llu與錐體頭lld之連接處有一個 肩臺llk，彈性掛件llc被分成四瓣，相鄰兩瓣之間留有允許其變形的間隙lll, 在錐體頭lld的前端是一個錐面llj，錐面llj之小端直徑明顯小于引線通道13a 之出口端臺階孔13b之直徑，錐面llj之大端直徑小于引線通道13a之直徑。塑料骨架11通過彈性掛件llc與引線載體13相連接。將彈性掛件llc之錐 體頭lld之小端搭入引線通道13a之臺階孔13b并用力推進，錐體頭lld之錐面 llj因受到擠壓而收縮以致錐體頭lld之大端進入引線通道13a，錐體頭lld回 彈后，其肩臺llk與引線通道13a之臺階面13d相抵，以致于彈性掛件llc不能 自動脫離引線載體13。透氣薄膜12是一種環(huán)形的微孔透氣塑料膜，透氣薄膜12對于液體的通過阻力要遠遠大于對于氣體的透過阻力，它可以通過超聲波等手段焊接固定于塑料骨架11之環(huán)形透氣腔lla之開口平面llg之上。如圖7所示，保護罩15是一個彈性橡膠件，包括一個筒形的外袖15f,外袖 15f套在引線載體13外使':和塑料骨架11外側(cè)lli以防止液體進入引線通道13a， 外袖15f之內(nèi)表面設(shè)有一個環(huán)形突起15d，環(huán)形突起15d進入環(huán)槽13c以加強外 袖15f與引線載體13的連接，位于外袖15f之內(nèi)的端面設(shè)有一個開口的環(huán)形通 氣腔15a,環(huán)形通氣腔15a通過通氣通道15b與外界大氣相連通，其中心部分 突出形成一個筒形的密封頭15c，保護罩15包括一個貫穿兩端的中心孔15e，開 口的環(huán)形通氣腔15a以這樣的方式覆蓋于透氣薄膜12，以致于只有位于環(huán)形通 氣腔15a的氣體才能通過透氣薄膜12進入環(huán)形透氣腔lla。塑料骨架11還包括一個兩端貫通的中心階梯孔lle，保護罩15之密封頭I5c 通過彈性變形被置入中心階梯孔lie之大徑孔llf中，信號線16再從中心階梯 孔lle和保護罩15之中心孔15e中穿過，由于密封頭15c填充了塑料骨架11之 大徑孔llf與信號線16之間的間隙，從而阻止了外界液體沿信號線16進入引線 通道13a.信號線16位于引線通道13a的一端與引線端子14相連接。如圖8所示，引 線端子14由金屬板材沖壓成型，它包括夾線端子14e用于連接信號線16之導 體，固線端子14d用于連接信號線之絕緣外皮，彈簧導頭14a用于定位引線彈 性件41,彈簧座14b用于對引線彈性件41限位，引線彈性件41可以采用不銹 鋼(例如SUS303)繞制而成的一種彈簧，也可以是由板材制作的板簧，引線彈 性件41的另一端與氣體傳感器之參考端電極相連接，從而將氣體傳感器之信號 通過引線裝置引出。引線端子14伸入到彈性掛件llc之中心孔lle和花瓣結(jié)構(gòu)的間隙Ul之中，進一步阻止彈性掛件llc之花瓣結(jié)構(gòu)回彈脫離引線載體13,而引線彈性件4提 供的壓力使得引線端子14很難自動從彈性掛件lie的花瓣結(jié)構(gòu)的間隙111中退出?？傊鲜鰵怏w傳感器引線結(jié)構(gòu)，在能將氣體傳感器信號通過引線彈性件41、 引線端子14和信號線16引出到外部檢測設(shè)備外，還能夠?qū)⑼獠凯h(huán)境的氣體通 過保護軍15、透氣薄膜12、塑料骨架11和引線通道13a引入到參考氣體室，由 于所述塑料骨架和保護罩的引入，可以降低對透氣膜強度的要求以降低成本和 增加設(shè)計的靈活性。圖9顯示了本發(fā)明氣體傳感器第三實施例之結(jié)構(gòu)。圖示之氣體傳感器，包括檢測元件IOl，鎖固元件102，金屬殼體I03，壓力 環(huán)104,電極填料105,氣體保護罩106,引線彈性件IIO,氣液分離器IOO。檢測元件101大致為一個一端封閉的空心錐形體，前外突起101a為所述錐形 體的一部分，檢測端電極101e附著于檢測元件101之外表面，參考端電極101b 附著于其內(nèi)表面，電極填料105為一個金屬板材制成的環(huán)錐，其內(nèi)表面貼合在 前外突起101a之外表面與檢測端電極101e保持良好的接觸，其外表面貼靠在金 屬殼體103之前內(nèi)突起103c形成的錐面103e上，并與金屬殼體103保持良好的 電接觸。鎖固元件102大致為一個軸向尺寸明顯大于徑向尺寸的圓柱體，其一端設(shè)有 錐形突起102a,錐形突起102a包含一個圓錐體102b和一個背肩臺102g，圓錐 體102b之端面沿軸向?qū)z測元件101之端面101f靠緊，同吋壓力環(huán)104被封閉 在檢測元件101、金屬殼體103和錐形突起102a形成的空間內(nèi)，金屬殼體103 之后內(nèi)突起103a向鎖固元件102之背肩臺102g方向扣壓產(chǎn)生軸向預緊力，導 致鎖固/引線元件102推壓檢測元件101向前移動，同時壓力環(huán)104由于受擠壓而充滿所占據(jù)的空間。氣體保護罩106大致為一個翻邊的有底桶形件，在其四周以及底面設(shè)有小孔 160a將檢測氣體引入檢測氣體室101h，氣體保護罩106被內(nèi)翻的金屬殼體前端 103f扣壓固定。鎖固元件102.作為鎖固元件將檢測元件101固定于金屬殼體103，其結(jié)構(gòu)與 連接方式與本發(fā)明提供的氣體傳感器之第一實施例相同，這里不再重復。在鎖固元件102的中心設(shè)有一個貫通兩端的引線通道120，引線通道120是 一個階梯型的圓孔，在出口端具有一個突變的小孔120a。在鎖固元件102的另一端連接有氣液分離器100,其包括塑料骨架li5，透氣 薄膜116和保護罩178,塑料骨架115大約為一個圓柱體,其包括透氣通道115b、 環(huán)形透氣腔115a和具有花瓣結(jié)構(gòu)的彈性掛件115c，透氣薄膜116是一個環(huán)形的 薄片，由具有微孔的塑料制成，透氣薄膜116的一面通過超聲波或者其它焊接 方式固定在環(huán)形透氣腔115a之開口的端面115i，塑料骨架115通過其彈性掛件 115c連接在鎖固元件102的出口端，其結(jié)構(gòu)與連接方式在本發(fā)明提供的氣體傳 感器之鎖固元件實施例已經(jīng)敘述，這里不再重復。保護罩178由保護蓋117和覆蓋件118組成。如圖10所示，保護蓋117由圓 柱體組成，其一端設(shè)有開口的環(huán)形通氣腔117b，其中心部分沿軸向延伸形成密 封頭117c,密封頭117c通過彈性變形填入塑料骨架115之中心孔115f與信號線 114之間的間隙中，以防止外界的液體沿著信號線I14進入引線通道120，環(huán)形 通氣腔117b通過通氣通道117a連通外界空氣，保護蓋117按這樣的方式覆蓋在 透氣薄膜116之上,以致于只有環(huán)形通氣腔117b中的空氣才能通過透氣薄膜116 進入環(huán)形透氣腔115a，保護蓋117可以由橡膠材料制成，也可以采用塑料等其 它材料制成。覆蓋件118是一段熱縮材料制成的管材，其長度能夠覆蓋鎖固元件102之環(huán) 槽102e和保護蓋117，覆蓋件118之初始直徑明顯大于所要覆蓋的塑料骨架115 和保護蓋117以及鎖固元件102的徑向尺寸，塑料骨架115和透氣薄膜116以及 鎖固元件102具有相差不大的外徑，覆蓋件118受熱后緊固在塑料骨架115的 外側(cè)115d、保護蓋117的外側(cè)117d以及鎖固元件102的外側(cè)，并且部分收縮于 環(huán)槽102e之中形成環(huán)帶118a，部分收縮于保護蓋117之后端而117e形成環(huán)端 帶118b,環(huán)帶118a和環(huán)端帶118b沿軸向?qū)⑺芰瞎羌?15和保護蓋117以及鎖 固元件102緊固在一起。信號線114位于引線通道120的一端與引線端子113相連接，另一端與外部 檢測設(shè)備連接，引線彈性件IIO為一個線繞彈簧，引線彈性件IIO之電極端110a 帶有一定的錐度，與參考端電極101b相連接，引線彈性件110之接線端110b 被引線端子113之彈簧導頭113d所定位，并抵靠于彈簧座113c,以致引線端子 113穩(wěn)定在彈性掛件115c之花瓣結(jié)構(gòu)的空隙中，阻止彈性掛件115c從鎖固元件 102脫落。所述金屬殼體103之外部的前端設(shè)有螺紋，在螺紋103g后端設(shè)有一個環(huán)形肩 臺103d和一個墊片112,通過螺紋103g和墊片112可以將所述氣體傳感器總成 安裝和密封在應用的現(xiàn)場。圖9所示的氣體傳感器的工作過程如下在一定溫度條件下，例如大于400 "C,被測氣體通過氣體防護罩106之小孔106a進入檢測氣體室101h，位于參 考氣體室101g中的氧氣在其參考端電極101b處獲得電子(在催化劑的協(xié)助下) 成為負氧離子，負氧離子通過檢測元件101之固體電解質(zhì)層，與檢測氣體室101h 中的檢測氣體發(fā)生電化學反應而釋放電子于檢測端電極101e,從而在參考端電 極101b和檢測端電極101e之間形成電位差，即檢測信號。檢測信號通過引線彈性件110和引線端子113經(jīng)信號線114輸出到外部設(shè)備。 工業(yè)應用實施例本發(fā)明提供的氣體傳感器總成以及根據(jù)本發(fā)明提供的氣體傳感器和氣體傳 感器引線裝置所制作的氣體傳感器總成能夠被廣泛應用于汽車、鍋爐等工業(yè)領(lǐng) 域，尤其是在汽車領(lǐng)域，可以安裝在發(fā)動機排氣系統(tǒng)中測量發(fā)動機的空燃比(圖 略)。
權(quán)利要求
1. 一種氣體傳感器，包括一個檢測元件，一個用于固定檢測元件的鎖固元件，一個金屬殼體和一個壓力環(huán)，其特征在于，所述鎖固元件包括一個錐形突起，壓力環(huán)位于錐形突起與金屬殼體之間，傳遞金屬殼體與錐形突起之間的壓力。
2、 如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其特征在于，壓力環(huán)位于錐形突起、 金屬殼體和檢測元件所圍成的空間之中，傳遞金屬殼體、錐形突起和檢測元件 之間的壓力。
3、 如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器，其特征在于，所述氣體傳感器包括一 個電極填料，位于金屬殼體與檢測元件之間。
4、 如權(quán)利要求3所述的氣體傳感器，其特征在于，所述錐形突起至少包含 一個圓錐體。
5、 如權(quán)利要求4所述的氣體傳感器，其特征在于，在所述圓錐體中，至少 —個錐角小于給定值，以致于在鎖固元件、壓力環(huán)和金屬殼體之間形成摩擦自鎖o
6、 如權(quán)利要求6所述的氣體傳感器，其特征在于，壓力環(huán)為一個金屬材料 制成的環(huán)錐，其中小端內(nèi)收形成一個與軸線垂直的環(huán)帶。
7、 如權(quán)利要求1-6之一項所述的氣體傳感器，其特征在于，鎖固元件由絕 緣的陶瓷材料制成。
8、 如權(quán)利要求7所述的氣體傳感器，鎖固元件包括一個引線載體， 一個氣 液分離器，氣液分離器包括一個塑料骨架、 一個透氣薄膜和一個保護罩，透氣 薄膜介于塑料骨架和保護罩之間。
9、 如權(quán)利要求8所述的氣體傳感器，其中，保護罩包括一個覆蓋件和一個 保護蓋，保護蓋覆蓋透氣薄膜，覆蓋件連接引線載體和保護蓋，覆蓋件由熱縮性材料制成。
10、如權(quán)利要求9所述的氣體傳感器，其中，透氣薄固定于塑料骨架。
全文摘要
一種氣體傳感器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明提供一種具有徑向預緊力的氣體傳感器，其包括一個檢測元件(1)，一個用于固定檢測元件(1)的鎖固元件(2)，一個金屬殼體(3)和一個壓力環(huán)(4)，所述鎖固元件(2)包括一個錐形突起(2b)，壓力環(huán)(4)位于錐形突起(2b)與金屬殼體(3)之間，傳遞金屬殼體(3)與錐形突起(2b)之間的壓力。本發(fā)明提供的氣體傳感器相比現(xiàn)有技術(shù)，能夠有效持久密封以降低成本和增加壽命。
文檔編號G01N27/407GK101275924SQ20071009626
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月31日
發(fā)明者王冬梅 申請人:王冬梅