专利名称：确定混合气中气体组分浓度的、非加热的平面传感元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及权利要求1的前序部分中所定义的一种用于确定混合气中一种气体组分的浓度、尤其是内燃机废气中氧浓度的非加热的平面传感元件。
背景技术：
平面传感元件，例如其被用于λ(Lambda)探头中来确定内燃机废气中的氧浓度，其特征为它不同于指形探头，所有功能层如能斯脱单元、参考气体通道均被作成平面的彼此重叠的面。一种为宽带λ探头设计的平面传感单元被描述在DE 199 41 051 A1中。一种用于跳变式探头或λ＝1探头的平面传感单元可参考Wiedenmann，Htzel，Neumann，Riegel，Weyl著的“用于机动车中混合物调节的ZrO2-λ探头”第383及384页中，1995年，B.G.Teubner出版社，斯图加特。
为了满足由于严格的机动车废气标准对探头提出的高精确度的要求，传感元件通常与一个组合的加热器作在一起，而非加热的的传感元件在机动车领域中已不受重视。
发明内容
根据本发明的非加热的平面传感元件具有其优点，即由于取消了组合的加热器使传感元件具有小体积及很小的能耗及由此很好地适用于小功率的小发动机，例如适用于小型摩托车、割草机、应急电源装置及马达链锯中，这些装置现在统统未有废气调节地被供货。因此在这些装置中将在规定的环境保护的意义上实质地改善废气成分。
在传统结构的平面传感元件上因取消加热器而产生的测量精确度的下降将通过根据本发明的传感元件层结构又得以补偿，因为由于相对参考气体通道镜像对称的传感元件结构一方面通过显著小的层厚使内电极与废气隔开及由此很快地、以相对外电极仅很小的延时被废气加热，及另一方面在未加大装入壳体中的传感元件的主要纵向尺寸的情况下使电极面积变为两倍。由此在λ＝1调节时总地可实现短的开关时间及足够精确的调节精确度。同时可保证一方面两个内电极，另一方面两个外电极同时地升高到相同的温度上；由此可保证足够精确的测量精确度。
通过描述在其它权利要求中的措施可得到在权利要求1中给出的传感元件的有利的进一步构型及改进。
在以下的描述中将借助在附图中所示的实施例来详细说明本发明。这里的附图以解体图的形式表示一个用于λ＝1探头的非加热的平面传感元件。
具体实施例方式
附图中所示的作为用于普遍确定混合气中一种气体组分浓度的传感元件的实施例的、用于确定内燃机废气中氧浓度的非加热的平面传感元件总共具有由一种固体电解质、最好由氧化锆基层(ZrO2基层)作的三个薄膜，它们彼此重叠及结合成叠层。以下将中间薄膜称为通道薄膜11及上和下薄膜被称为传感薄膜12及13。在通道薄膜11中被冲压出一个纵向延伸的参考气体通道14，它与一种参考气体、通常为空气形成连接。在上传感薄膜12背着通道薄膜11的外侧面上置有一个外电极15，及与此相对立地在上传感薄膜12向着通道薄膜11的内侧面上置有一个内电极16。类似地，下传感薄膜13上置有一个外电极17及一个内电极18。电极15至18被作成薄的铂层或铂-陶瓷层并用丝网印刷方法印在传感薄膜12，13上。内电极16，18被这样定尺寸，即在薄膜11，12及13彼此叠置的情况下它们位于由通道薄膜11冲压出来的参考气体通道14中，该通道的上面及下面被两个传感薄膜12，13气密地覆盖住。电极15，16通过也是印在传感薄膜12，13上的印制导线19，20与接触面21，22相连接。在每个传感薄膜12或13上，两个接触面21，22被设置在传感薄膜12或13外侧面上，而印制导线19被设置在传感薄膜12或13的外侧面上及印制导线20被设置在传感薄膜12或13的内侧面上。接触面21无过渡地连接在印制导线19上，接触面22穿过传感薄膜12或13接触到内电极17或18的印制导线20上。被接收在一个壳体中的传感元件通过接触面21，22并借助导入壳体中的连接电缆与一个控制装置相连接。外电极15及17各被一个多孔的、附着的保护层23或24覆盖，它们也是用丝网印刷方法印上的。这些保护层由例如一种镁-尖晶石或由对Y2O3，MgO或CaO稳定的ZrO2组成。为了调节到一定的孔隙率将混合当烧结时被烧尽的起泡剂或Al2O3。
在所述传感元件的一个变型中，将去掉设有冲压出的参考气体通道14的通道薄膜11，及为了构成参考气体通道14在传感薄膜12或传感薄膜13的内侧面上设置了作为多孔层的与被冲压的通道相同布局的参考气体通道。在传感薄膜上将附加地印刷一个U形的、气密地密封的ZrO2层，它使参考气体通道对外密封及设有一个与参考气体连接的切口。该设置是用厚层或薄层技术中的丝网印刷方法实现的。在传感薄膜12，13彼此叠置及结合成传感薄膜的叠层后，该参考气体通道14将在上面及下面被两个传感薄膜12，13覆盖及被印在传感薄膜12，13内侧面上的内电极16，18将位于参考气体通道14的内部。在该传感元件的变型去除了一个薄膜，它由一个很薄的印刷层来替代。由此使传感元件的高度或厚度减小。
本发明不被限制在用于确定废气中氧浓度的传感元件上。而用于确定混合气中任意一种气体组分的浓度、例如用于确定废气中氧化氮的浓度的所有传感元件可用上述方式构成。
权利要求
1.用于确定混合气中一种气体组分的浓度、尤其是内燃机废气中氧浓度的非加热的平面传感元件，具有一个由固体电解质作的传感薄膜(12)，在该传感薄膜的外侧面上设置有一个遭遇该混合气的外电极(15)及在该传感薄膜的内侧面上设置有一个遭遇参考气体的内电极(16)，该内电极被置入在一个其上侧面被传感薄膜(12)覆盖的参考气体通道(14)中，其特征在于参考气体通道(14)的下侧面被由固体电解质作的另一传感薄膜(13)覆盖，在该传感薄膜(13)的内侧面上设置有一个被置入在参考气体通道(14)中的第二内电极(18)及在该传感薄膜(13)的外侧面上设置有一个遭遇该混合气的第二外电极(17)。
2.根据权利要求1的传感元件，其特征在于参考气体通道(14)由一个薄膜(11)冲压出来及该薄膜(11)被夹放在两个传感薄膜(12，13)之间。
3.根据权利要求2的传感元件，其特征在于该具有被冲压出的参考气体通道(14)的薄膜(11)由固体电解质组成。
4.根据权利要求1的传感元件，其特征在于在一个传感薄膜(12，13)上设置了作为多孔层的参考气体通道(14)及一个使该参考气体通道(14)对外密封的、由固体电解质、尤其是ZrO2作的U形层。
5.根据权利要求4的传感元件，其特征在于参考气体通道(14)及U形固体电解质层的设置用丝网印刷方法进行。
6.根据权利要求1-5中任一项的传感元件，其特征在于在每个外电极(15，17)的背着传感薄膜(12)的上表面上设有一个可透过气体的多孔保护层(23，24)。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定混合气中一种气体组分的浓度、尤其是内燃机废气中氧浓度的非加热的平面传感元件，它具有一个由固体电解质作的、带有一个遭遇测量气体的外电极(15)及一个遭遇参考气体的内电极(16)的传感薄膜(12)，及一个在一侧上被传感薄膜(12)覆盖的、接收内电极(16)的参考气体通道(14)。为了构造一个小体积的、成本合适的用于小功率的小内燃机中并具有足够好的测量精确度的、非加热的传感元件，该参考气体通道(14)的下侧面被由固体电解质作的另一传感薄膜(13)覆盖，及设置有一个置入在参考气体通道(14)中的内电极(16)及一个遭遇测量气体的外电极(17)。
文档编号G01N27/407GK1530647SQ20041002849
公开日2004年9月22日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年3月13日
发明者赫尔穆特·魏尔, 延斯·施奈德, 德特勒夫·海曼, 托马斯·瓦尔, 汉斯-约尔格·伦茨, 诺曼·哈恩, 詹姆斯·里夏德, 达明·巴恩斯, 迈克·麦考密克, 约翰·戴, 瓦尔, 里夏德, 哈恩, 夫 海曼, 巴恩斯, 戴, 施奈德, 级 瘛ぢ状, 赫尔穆特 魏尔, 麦考密克 申请人:罗伯特·博施有限公司, 罗伯特 博施有限公司