[发明专利]用于小型废气传感器的陶瓷传感器元件

说明书

技术领域

由现有技术已知用于检测测量气体室中的气体的至少一个特性的传感器元件。在此原则上可以检测气体的许多特性。下面不局限于其它可能定性或定量检测的特性地、涉及确定在测量气体室中的气体组分比例地描述本发明。例如比例可以是测量气体室中的部分压力和/或百分比，例如化学计量的气体比例。这些传感器元件例如以所谓的λ传感器的形式由现有技术所公知，利用它们可以确定气体中的氧气比例，例如在内燃机废气中。对于这些氧传感器的实施例可以示例地参阅Robert Bosch 有限公司的Sensoren im Kraftfahrzeug（汽车中的传感器），2007版，154-159页。

这些传感器元件通常包括陶瓷的层结构，具有至少一个固体电解质。已知的电解质例如是钇稳定的二氧化锆（YSZ）或者其它掺杂的金属氧化物，例如掺杂钪的二氧化锆。在此陶瓷的层结构通常从触通部位延伸到测量部位。在触通部位设有一个或者多个电触头。因为层结构的更深层平面通常也必须电接通，存在所谓的敷镀通孔，它们在层结构中例如包括一个或者多个孔和/或冲孔。孔完全或部分地以导电材料充满或至少涂覆。但是出现如下的技术要求，已知的固体电解质材料、例如YSZ在较高温度时、例如从350℃开始变成离子地导电。然后敷镀通孔自动地起到电极的作用。

为了解决这个问题已知许多方案。例如DE 10014995 C1描述了一种用于确定气体组分的电化学的测量计，在这个测量计中敷镀通孔的导电材料相对于固体电解质材料通过费事的绝缘层绝缘。另一方案是，使传感器元件相对细长地构成，由此使敷镀通孔部位在空间上与自身的电极部位分开。例如已知传感器元件的层结构具有大于10:1的长宽比（L/B）。按照现有技术细长的结构形式对于在传感器元件长度上足够大的温度梯度是必需的，该温度梯度导致，使敷镀通孔部位的陶瓷温度在传感器运行时总是位于临界温度以下，例如350℃。但是两个解决方案在实践中具有缺陷。尤其废气传感器的大长度在许多情况下是不利的，因为部分传感器元件希望用于特别短结构的废气传感器，尤其对于化学计量的λ传感器或宽带λ传感器，它们具有小于65mm的结构尺寸。另一方面，费事的敷镀通孔明显增加生产成本和加工费用。

发明内容

因此建议一种用于检测测量气体室中气体的至少一个特性的传感器元件，尤其用于确定气体组分的比例，它至少很大程度地解决了上述的目的冲突。所建议的传感器元件尤其可以用于定性和/或定量地确定测量气体室中气体的氧气比例和/或其它气体组分的比例。

本发明基于这种知识，废气传感器、尤其λ传感器尽可能小型地构造是有利的。除了更少的材料成本以外，例如在于节省输入导线和/或加热元件中的贵重金属和/或节省固体电解质基底、例如二氧化锆基底的材料量，主要在于通过使用者设计发动机时扩大的应用自由度具有重要意义。对于小型的传感器元件、例如具有小于65mm的陶瓷层结构的长度结构空间需求，需要相应短的陶瓷传感器元件。但是原则上，对于更小型的废气传感器，在牢固度和耐温性方面的相同要求与按照现有技术的常见传感器元件一样。但是对于传感器元件本身、尤其陶瓷的传感器元件如下所述在耐温性方面提出更高的要求。

在传感器元件长度最小化方面，如上所述，满足多个重要且部分相反的要求。因为短的传感器元件的触通部位更加靠近传感器元件的热部件，例如靠近传感器元件外壳的热六角螺栓，敷镀通孔（下面也称为DK孔）在传感器元件运行时比在较长的传感器元件中更热。因此如上所述，传感器元件的层结构在现有技术中通过细长的结构形式这样设计，使二氧化锆陶瓷在敷镀通孔部位不超过最高温度、例如350℃的最高温度。如果由于技术原因不能实现这一点，则当温度位于这个最高温度以上时，通常必须利用费事的工艺使敷镀通孔配备至少一个绝缘层，用于避免敷镀通孔之间短路。

但是在小型传感器元件中，例如层结构长度小于65mm，如同在本发明范围内优选的那样，通常远超过这个最高温度。在这种情况下上述的绝缘层在许多情况下是被迫必须的。然而本发明保证，用于加工绝缘层所必须的费用明显降低。此外通过绝缘膏的层和形成的封闭的绝缘层保证加工可靠的涂层。例如可以可靠地保证最小30.0μm厚度的形成的封闭的绝缘层。为了加工绝缘层通常将绝缘膏通过敷镀通孔抽吸地或者以其它方式加入到敷镀通孔中。