車用氧傳感器失效案例分析及微裂紋檢測方法研究

孫東睿 高宏宇 王金興 欣白宇 商安琪 叢鑫

作者簡介：孫東睿（1984—），男，高級工程師，碩士學(xué)位，研究方向為汽車材料與制備工藝。

基金項目：絕熱及氣體傳感稀土陶瓷及其關(guān)鍵制備技術(shù)（2022YFB3504900）。

參考文獻引用格式：

孫東睿， 高宏宇， 王金興， 等. 車用氧傳感器失效案例分析及微裂紋檢測方法研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（5）： 64-67.

SUN D R， GAO H Y， WANG J X， et al. Analysis of Failure Cases of Vehicle Oxygen Sensors & Study of Microcrack Detection Methods[J]. Automobile Technology & Material， 2024（5）： 64-67.

摘要：為解決陶瓷片芯內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋而導(dǎo)致傳感器總成失效的問題，研究分析了一種簡單且無損檢測陶瓷片芯微裂紋的方法，該方法利用酒精對陶瓷良好的浸潤性，可填充到裂紋中間，利用酒精與空氣電導(dǎo)率的差異，通過檢測陶瓷片芯電流的變化快速判斷片芯內(nèi)部是否出現(xiàn)微裂紋；將該方法應(yīng)用于某車型前氧傳感器失效案例分析，采用光學(xué)顯微鏡和高精度CT進一步證明了微裂紋的產(chǎn)生及原因；結(jié)果表明，酒精檢測法可準(zhǔn)確判斷陶瓷片芯內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，裂紋產(chǎn)生的原因是加熱器電壓過高，內(nèi)部熱應(yīng)力不均勻?qū)е录訜崞麟姌O與片芯主體脫離，進而導(dǎo)致片芯內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋。

關(guān)鍵詞：裂紋檢測 失效分析 前氧傳感器 陶瓷片芯

中圖分類號：U465.3? ?文獻標(biāo)志碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230180

Analysis of Failure Cases of Vehicle Oxygen Sensors & Study

of Microcrack Detection Methods

Sun Dongrui， Gao Hongyu， Wang Jinxing， Xin Baiyu， Shang Anqi， Cong Xin

（Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

Abstract： In order to solve the problem of microcracks in the ceramic chips causing failure of the sensor assembly， this article studied and analyzed a simple and non-destructive method for detecting the microcracks in the ceramic chips， which can be filled in the middle of the crack by using the good wettability of alcohol to the ceramic， and the difference between the conductivity of alcohol and air was used to quickly determine whether there were microcracks in the chips by detecting the change of the current of the ceramic chips. This method was applied to the case study of the failure of the front oxygen sensor of a vehicle model. The cause of microcracks was further proved by optical microscopy and high-precision CT. The results show that the alcohol detection method could accurately determine the occurrence of microcracks inside ceramic chips， and the cause of cracks is excessively high heater voltage， and the uneven internal thermal stress， which cause the heater electrode to detach from the chips body， which in turn leads to microcracks inside the chips.

Key words： Sheet stampings， Gravity distortion， Nonlinearity， Simulation

1 前言

1.1 氧傳感器簡介

汽車尾氣中含有碳?xì)浠衔?、一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等有害氣體，是大氣污染的主要來源之一[1-2]。為了應(yīng)對日趨嚴(yán)格的汽車尾氣排放法規(guī)，乘用車需要安裝氧傳感器來控制整車排放。氧傳感器是控制汽車尾氣排放的關(guān)鍵核心零部件，其作用是通過監(jiān)測汽車尾氣中的氧氣濃度，將監(jiān)測信號發(fā)送至發(fā)動機管理模塊，發(fā)動機管理模塊根據(jù)監(jiān)測信號調(diào)節(jié)發(fā)動機空燃比，達到節(jié)能減排的目的。

為滿足《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》要求，乘用車在排氣系統(tǒng)中需安裝兩個氧傳感器，分別為寬域氧傳感器和窄域氧傳感器，寬域氧傳感器安裝在三元催化器之前，又稱為前氧傳感器，窄域氧傳感器安裝在三元催化器之后，又稱為后氧傳感器[3-8]。

1.2 氧傳感器失效原因

在使用過程中，常見的失效現(xiàn)象包括氧傳感器無法加熱、輸出信號異常、信號端斷開。常見的失效原因如下[9-11]。

a. 線束接觸不良：由于陶瓷片芯引腳較多，引腳與線束的接觸點易在高溫振動下產(chǎn)生位移，片芯與線束接觸不良，進而導(dǎo)致傳感器無信號。

b. 氧傳感器中毒：常見的氧傳感器中毒包括鉛中毒、硫中毒和硅中毒。汽車的燃料和潤滑油中含有鉛元素和硫元素，汽車發(fā)動機密封件使用的硅橡膠中含有硅元素，在高溫環(huán)境下，這些元素會隨著尾氣進入氧傳感器，與氧傳感器片芯中的鉑電極發(fā)生反應(yīng)，或者形成氧化物附著在鉑電極表面，最終降低鉑電極的催化活性，影響氧傳感器信號輸出。

c. 氧傳感器積碳：當(dāng)發(fā)動機處于濃燃狀態(tài)下，空燃比偏低，燃料因為燃燒不充分而產(chǎn)生大量的碳，覆蓋在氧傳感器廢氣罩和片芯表面，影響氧傳感器的信號輸出。

d. 傳感器陶瓷片芯開裂：氧傳感器片芯的主要材料是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（Yttria-Stabilized Zirconia，YSZ）陶瓷，在氧傳感器工作時，片芯表面溫度為700～800 ℃，當(dāng)排氣管中的冷凝水或尾氣中含有的水蒸氣接觸到氧傳感器片芯時，局部溫度驟降，導(dǎo)致YSZ陶瓷開裂。此外，由于內(nèi)部加熱器溫度突變，也會導(dǎo)致局部溫度過高而引起YSZ陶瓷片芯開裂，進而導(dǎo)致信號端或加熱器端斷開。

2 試驗部分

本次失效案例均發(fā)生在某混合動力車型上，在寒區(qū)測試期間，車輛在發(fā)動機起動后，連接電瓶上電時前氧傳感器損壞無信號輸出，失效氧傳感器型號為博世生產(chǎn)的LSU 5.2寬域氧傳感器，如圖1所示[12-15]。

試驗過程如下：

a. 使用電鋸切開兩支失效氧傳感器的外廢氣罩、內(nèi)廢氣罩、六角螺母、陶瓷粉環(huán)，將氧傳感器片芯取出。

b. 去除兩支氧傳感器陶瓷片芯表面熱沖擊保護（Thermal Shock Protection，TSP）涂層后，用低倍光學(xué)顯微鏡觀察氧傳感器片芯表面觀察裂紋現(xiàn)象。

c. 將兩支失效氧傳感器片芯（樣件1和樣件2）的加熱器PIN腳接入穩(wěn)壓電源，PIN腳定義如圖2所示，在電路中串聯(lián)一個數(shù)字萬用表（圖3）。用穩(wěn)壓電源向三支氧傳感器的加熱器PIN3和PIN4腳加載20 V電壓，記錄數(shù)字萬用表的讀數(shù)I1，將三支失效氧傳感器片芯浸沒到95%的酒精溶液中，記錄數(shù)字萬用表讀數(shù)I2。

d. 使用高精度CT檢測失效氧傳感器陶瓷片芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 低倍光學(xué)顯微鏡結(jié)果

經(jīng)肉眼觀察，陶瓷片芯外觀完好無損，未出現(xiàn)裂紋，去除片芯表面的TSP涂層后，涂層下面存在微小鼓包。使用低倍光學(xué)顯微鏡觀察片芯表面，未在陶瓷片芯表面觀察到裂紋（圖4）。初步判斷失效部位在陶瓷片芯頭部微小鼓包位置。

3.2 酒精裂紋檢測結(jié)果

當(dāng)氧傳感器片芯出現(xiàn)裂紋時，片芯中的裂縫會被空氣填充，傳感器PIN腳之間為斷路，電流僅為納安級。酒精對于YSZ陶瓷具有良好的浸潤性，當(dāng)氧傳感器片芯浸入到酒精中時，酒精會填充到裂紋中間，室溫下95%的酒精溶液的電導(dǎo)率為1.35×10-3? μS/cm，酒精溶液的電導(dǎo)率大于裂縫中的空氣，在數(shù)字萬用表上可以觀察到加熱器兩端電流快速增大，電流可達微安級或毫安級，通過電流的變化可以判斷氧傳感器片芯的內(nèi)部是否出現(xiàn)裂紋。

分別測試并記錄3支失效氧傳感器片芯樣件1、樣件2和樣件3浸入酒精溶液前、后的電流，檢測結(jié)果見表1，結(jié)果表明，3支失效氧傳感器陶瓷片芯樣件1、樣件2和樣件3分別浸沒到酒精溶液中后，較在空氣中電流明顯增大，這是因為酒精浸入陶瓷芯片內(nèi)部微裂紋后，導(dǎo)致整個片芯主體導(dǎo)電率發(fā)生變化，引起電流的升高。說明3個失效的氧傳感器片芯內(nèi)部出現(xiàn)了微裂紋。

3.3 高精度CT檢測結(jié)果

陶瓷片芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，陶瓷片芯由氧化鋯層、氧化鋁層、加熱電極等組成，在2層氧化鋯層中間夾著被上、下2層氧化鋁覆蓋的加熱器電極。

為了進一步分析氧傳感器陶瓷片芯微裂紋產(chǎn)生的原因，使用高精度CT掃描片芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖6），圖6a圓圈處表明加熱器的鉑電極處發(fā)生了分層開裂，導(dǎo)致片芯表面形成鼓包。這種分層開裂使得加熱電極與陶瓷片芯本體分開，從正面觀察，圖6b圓圈處體現(xiàn)為加熱電極表面有破損斷開點，直接造成加熱器斷路。從加熱器電極彎曲形狀判斷，是由于受到片芯內(nèi)部熱應(yīng)力的沖擊導(dǎo)致，內(nèi)部熱應(yīng)力主要來源于施加在加熱器電極兩端的加熱電壓。

車輛起動時，施加在加熱器電極兩端的加熱電壓過高導(dǎo)致加熱電極受到高溫沖擊，局部產(chǎn)生熱應(yīng)力，氧化鋯層和氧化鋁層的熱膨脹系數(shù)不同，陶瓷片芯內(nèi)部發(fā)生形變和分層，在分層的過程中，包裹在兩層氧化鋁層中間的加熱器電極被撕開產(chǎn)生斷點。進而形成加熱器斷路，使氧傳感器停止工作，失去信號。

3.4 失效結(jié)果重現(xiàn)分析

為了進一步證明失效原因是加熱電壓過高，取3支正常的氧傳感器，分別加熱電極兩端，迅速施加20 V加熱電壓后，3支傳感器停止工作，失去信號。對失效的3支傳感器采用酒精裂紋試驗檢測內(nèi)部微裂紋現(xiàn)象，試驗結(jié)果如表2所示。

在加熱器兩端PIN3和PIN4角施加穩(wěn)壓電源以后，將3支氧傳感器陶瓷片芯樣件1、樣件2和樣件3分別浸沒到酒精溶液中以后，加熱器兩端較在空氣中電流明顯增大。進一步證明了失效分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

酒精裂紋檢測法可以有效檢測氧傳感器陶瓷片芯內(nèi)部是否存在微裂紋，在不損害傳感器的前提下，可通過酒精和空氣電導(dǎo)率的差異，利用電流的變化對氧傳感器的裂紋進行快速判斷。3支失效片芯在空氣中電流分別為0.003 μA、0.001 μA、0.001 μA，浸入酒精后，電流升高到99.967 μA、47.920 μA、50.730 μA，以此判斷傳感器片芯出現(xiàn)裂紋。這種方法通過酒精和空氣電導(dǎo)率的差異，利用電流的變化對氧傳感器的裂紋進行快速判斷，將酒精裂紋檢測法應(yīng)用于前氧傳感器失效分析，經(jīng)過失效結(jié)果復(fù)現(xiàn)，加熱電壓過高是加熱電極出現(xiàn)斷點是前氧傳感器失效的原因。

參考文獻：

[1] 邵禹銘， 鄭雁公， 鄒杰， 等. 流延共燒法極限電流氧傳感器研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2017， 36（4）： 46-50.

[2] 許德超， 王金興， 張斌， 等. NOx傳感器檢測電極用催化劑的研究[J]. 汽車工藝與材料， 2014（6）： 3-4.

[3] 鐘宛余， 楊淑玲， 琚裕強， 等. 氧化鋯氧傳感器特性及偏移研究[J]. 電子產(chǎn)品世界， 2023， 30（5）： 57-61.

[4] 程言玉， 卜潔， 沈明敏， 等. 氧傳感器失效分析[J]. 電子測試， 2022， 36（23）： 115-117.

[5] 曾佳， 黃海琴， 鄒杰， 等. 一種基于高溫寬域氧傳感器濕度測量工作機理的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報， 2021， 034（6）： 742-748.

[6] 章曉娟， 周坤， 謝建軍， 等. 基于寬域氧傳感器的空燃比分析儀設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2017， 36（12）：80-83.

[7] 張帆， 謝建軍， 劉萍， 等. 基于廣域氧傳感器的λ分析儀設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng). 2016， 35（2）： 61-64.

[8] 劉智敏， 秦浩， 王洋洋， 等. ZrO2氧傳感器封接料開裂失效分析及改進[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2018， 37（4）： 38-40.

[9] 崔凱， 陳洪方， 張大偉， 等. 某車用前氧傳感器一種失效模式的研究[J]. 小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)， 2021， 50（4）：26-29.

[10] HAN Q， HU J， JIANG D Y， et al. Electrode Materials of Automobile Oxygen Sensors [J]. Rare Metal Materials and Engineering， 2012， 42（8）， 1746-1750.

[11] 徐雅琦. 致密擴散障極限電流氧傳感器熱應(yīng)力分析及YSZ 力學(xué)性能的研究[D]. 南昌： 華東交通大學(xué)， 2014.

[12] 簡家文. 釔穩(wěn)定ZrO2固體電解質(zhì)氧傳感器的研究[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2004.

[13] 崔凱， 陳洪方， 張大偉， 等. 某車用前氧傳感器一種失效模式的研究[J]. 小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)， 2021， 50（4）： 26-29.

[14] 毛云忠. 硅橡膠中低分子聚硅氧烷的危害[C]// 2006年特種化工材料技術(shù)研討會. 中國精細(xì)化工協(xié)會;中國電子材料行業(yè)協(xié)會， 2006.

[15] 高偉， 葛宏翔. 汽車氧傳感器失效方式及引起失效的原因[J]. 科教導(dǎo)刊：電子版， 2013（8）： 109.