[发明专利]用于感测测量气体的至少一个特性的传感器元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于感测在测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器元件以及一种用于制造这种传感器元件的方法。

背景技术

由现有技术已知多种用于感测在测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器元件和方法。在此，基本上涉及测量气体的任意的物理和/化学特性，其中，可以感测一个或多个特性。下面尤其关于测量气体的气体成分含量的定性和/或定量感测来说明本发明，尤其关于测量气体中的氧含量或二氧化氮含量的感测。氧含量可以例如以分压力形式和/或以百分比形式来感测。替代地或附加地，也可以感测测量气体的其他特性，例如温度。

由现有技术尤其已知陶瓷传感器元件，该陶瓷传感器元件基于一定固体的电解特性的利用，即基于该固体的离子传导特性。这种固体尤其是陶瓷固体电解质。

这类传感器元件例如可以构型为所谓的λ传感器或构型为二氧化氮传感器，如由K.Reif,Deitsche,K-H.等人编著的“Kraftfahrtechnisches Taschenbuch”Springer Vieweg，Wiesbaden，2014年1338～1347页中所知。通过宽带λ传感器、尤其通过平面的宽带λ传感器，可以例如在很大范围内确定废气中的氧浓度并从而推断出燃烧室中的空燃比。空气系数入(Lambda)描述该空燃比。二氧化氮传感器确定废气中的二氧化氮含量和氧含量。

尽管由现有技术已知的传感器元件和用于制造传感器的方法具有多个优点，但其仍有改进潜力。

现在固体电解质-气体传感器例如作为呈λ传感器形式的氧气传感器使用。作为对此的技术基础使用陶瓷厚层技术，该厚层技术在结构宽度方面(该结构宽度典型地大于30μm)和在层厚度方面(该层厚度典型地大于10μm)只允许大的最小尺寸。

发明内容

本发明由以下认知出发：替代于厚层技术传感器元件可以有利地使用微电化学的传感器元件(MECS)。则与厚层技术相比沿层厚度方向较薄的、尤其是传导离子的膜片可以作用为传感器元件的敏感元件。在膜片的下侧和上侧布置的电极在本申请的上下文中被视为不属于膜片，并且在确定膜片层厚度时也不被考虑。而是将由电极、膜片和其他电极组成的系统称为能斯特电池(Nernst cell)，因为通过量取沿着膜片的层厚度方向与膜片分开的两个电极之间的电压，可以感测能斯特电压，由该能斯特电压可以推断出测量气体和与其分开的参考气体之间的氧比例。

但是已表明，在使用这种膜片时需要相对较高、例如高于750℃的温度，以便保证通过膜片的足够的离子传导能力。这引起传感器元件的高功率消耗，该功率消耗对例如汽车的车载电网造成负担。此外，由于高运行温度造成相对较长(例如数秒)的启动时间，直到传感器元件由冷的状态变为准备好使用并且能够以需要的精度感测测量气体的特性。

因此可存在这样的需求，提供一种薄层技术传感器元件，该传感器元件在较低温度的情况下提供足够高的离子传导能力。

根据本发明的一方面，提出一种用于感测测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器元件。该传感器元件可以例如适用于感测测量气体中的气体成分或者测量气体的温度。传感器元件具有至少一个传导氧离子的膜片或者说该传感器元件以至少一个传导氧离子的膜片构成。膜片至少区段式地具有至少一个双层体。在此，沿着层厚度方向观察，所述双层体由第一层和第二层构造，该第一层主要包含第一材料，该第二层主要包含不同于第一材料的第二材料。在此要理解，概念“区段式地具有双层体”是关于平面延伸方向而言的。换言之，膜片的至少面积区段具有至少一个双层体。

通过由具有不同材料的两个层构造的双层体实现两个层体相对彼此的机械张紧。因为在原子或分子层级上观察，两个层的晶格常数必须至少在两个层之间的边界面中相互均衡。已经令人吃惊地表明，通过第一层借助于第二层的有针对性的机械张紧、即通过构成具有至少一个双层体的膜片，膜片的离子传导能力可以明显改进。以该方式，有利地在与不具有这种双层体的膜片相比更低的运行温度中就可以实现对于感测测量气体的特性必要的灵敏性。也就是说，在相同的敏感性的情况下可以实现明显小于700℃或800℃的运行温度，例如运行温度可以降低100℃以上，例如从700℃降低到小于600℃或从800℃降低到小于700℃。有利地，可以由此在传感器元件的运行中减少必需的热功率。此外，有利地在传感器元件“冷启动”时降低传感器元件达到必需的运行温度之前的时间间隔。

在此，离子传导能力σ_Ion基本上由下面的公式给出：