用于获取测量气体空间中气体的至少一个性能的传感器元件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种传感器元件（10），用于获取气体空间中气体的至少一个性能，尤其是用于探测气体中气体的成分或者获取气体的温度。所述传感器元件（10）包括至少一个固体电解质（12）、至少一个布置在所述固体电解质（12）上或其中的电极（14、16）和至少一个用于加热固体电解质（12）的加热元件（18）。所述加热元件（18）具有至少一个引线区域（24）和一个加热区域（26），其中所述引线区域（24）的冷态电阻值不大于所述加热元件总冷态电阻值的30%，优选不大于25%和特别优选不大于16%。
【专利说明】用于获取测量气体空间中气体的至少一个性能的传感器元件
【背景技术】
[0001]从现有技术已知用于获取测量气体空间中气体的至少一个性能的多种传感器元件和方法。在此处，气体的性能原则上是指气体的任意物理和/或化学性能，其中一个或多个气体性能可被获取。在下文中，本发明的描述尤其涉及获取气体的气体成分的品质和/或数量，具体涉及获取气体中的氧气含量。氧气含量可以例如是分压的形式和/或百分含量的形式。然而，备选地或附加地，也可获取气体的其他性能。
[0002]例如，这种传感器元件可设计为所谓λ探针,如从Konrad ReifCHrsg.):Sensorenim kraftfahrzeug, 1.Auflage2010, S.160-165已知的。利用宽带入探针，特别是利用平面宽带λ探针例如可确定很大区域的气体中的氧气浓度，进而推导出燃烧室中空气-燃料t匕。空气系数表示这个空气-燃料比。
[0003]从现有技术已知，所述传感器元件尤其是陶瓷传感器元件，所述陶瓷传感器元件的基础是使用电解质性能已知的固体，即这个固体的离子传输性能。特别地，这些固体是指陶瓷固体电解质，例如氧化错(Z1O2),尤其是乾稳定的氧化错(yttriumstabilisiertesZirkoniumdioxid (YSZ))和 / 或含坑的氧化错(scandiumdotiertesZirkoniumdioxid(ScSZ)),它们可含有氧化招(Al2O3)和/或二氧化娃(SiO2)等少量添加剂。
[0004]根据它们的测量原理，λ探针一般必须首先加热到它的运行温度，因为固体电解质在高于350°C温度时才传导氧离子。所述运行温度通常位于从600°C到900°C的范围内。
[0005]DE3538460A1公开了一种汽车用氧气传感器元件，其具有传感器单元和加热单元。因为所述氧气传感器元件安装在汽车中，它的尺寸大小是长度:50mm到80mm，宽度:4mm到Ixrn0所述传感器单元包括固体电解质本体和导体,所述固体电解质本体具有构造在其上的参考电极和测量电极。所述加热单元包括在陶瓷基底上布置的、形式为电阻加热元件的加热区域，和一对位于电阻加热元件后面的导体，所述导体的电阻小于所述电阻加热元件的电阻。
[0006]摩托车已在亚洲国家中获得了广泛应用。但这些国家近年来制定了明显严格的废气法规。这导致对传感器元件的需求大增，尤其是化学计量学的λ探针，这些传感器元件用于调整这些摩托车的内燃机的混合物。对小型机动车(例如摩托车)用的λ探针的要求明显不同于对汽车用的λ探针的要求。特别地，小型机动车用的传感器元件还必须成本低，结构小。不同部件(例如固体电解质、传感器本体或电缆出口)的温度承受力与汽车用的传感器至少几乎完全一样高，这是因为小型机动车常常使用低成本的发动机方案，这种发动机燃烧不充分，因而引起工作效率不高。因此，为了使发动机在长运行阶段中达到全负荷运行状态，传感器元件要暴露于相当高的废气温度。
[0007]机动车用λ探针具有比较大的加热元件，其具有大的功率消耗，所述机动车尤其是汽车，甚至是商用车辆。如在使用这种λ探针情形下应用的低电阻、高功率的加热器，对于小型机动车来说太大，并且由于附加成本，对于高效的加热器输出级及从控制器有效散热的散热器来说是存在问题的。
【发明内容】
[0008]因此，本发明提供一种传感器元件，所述传感器元件比迄今已知的汽车用传感器元件结构紧凑，并且尤其适用于小型机动车，尤其是两轮车，例如摩托车。
[0009]本发明的传感器元件用于获取气体空间中气体的至少一个的性能，尤其是探测气体中气体的成分或者获取气体的温度，所述传感器元件可包括至少一个固体电解质、至少一个在固体电解质上或其中布置的电极、和至少一个加热元件，其中所述加热元件用于对所述固体电解质进行加热。所述加热元件具有至少一个引线区域和一个加热区域，其中所述引线区域的冷态电阻不大于所述加热元件的冷态总电阻的30%，优选不大于它的25%，特别优选不大于它的16%。
[0010]所述加热元件具有从6欧姆到22欧姆的冷态总电阻和优选从8欧姆到20欧姆的冷态总电阻。所述加热元件是电加热元件，在运行电压为13V时，所述电加热元件具有最大功率消耗最大值5W，优选最大值4W和特别优选最大值3.5W。所述传感器元件可具有长度最大值50mm,优选最大值45mm和特别优选最大值35mm,所述传感器元件具有宽度最大值IOmm,优选最大值8mm和特别优选最大值4mm,例如所述传感器元件具有长度35mm和宽度4mmο所述加热元件包括加热导体，所述加热导体在加热区域中比在引线区域中具有更小的厚度和更小的宽度，例如所述加热导体在所述加热区域中的厚度是所述引线区域的厚度的至多50%和/或所述加热导体在所述加热区域中的宽度是所述引线区域的宽度的至多50%。所述加热导体在所述加热区域可具有厚度最大值16 μ m，优选最大值12 μ m和特别优选最大值8 μ m，宽度最大值300 μ m,优选最大值250 μ m和特别优选200 μ m,例如厚度8 μ m和宽度200 μ m。所述加热导体在加热区域中构造为曲折形结构的，并且包括至少五个曲折形转向部。所述加热元件在所述加热区域构造为曲折形结构的，以使构成所述曲折形转向部的所述导体段关于中间面镜像对称地布置，并且在所述中间面每侧平行于所述中间面的这种导体段之间的间距朝向所述中间面增加。所述曲折形转向部的拐角可被圆整。所述加热元件是用金属-金属陶瓷或者金属合金-金属陶瓷制成的，并且所述金属或所述金属合金中的至少一种金属选自钼系金属族的金属。所述金属合金-金属陶瓷包括金属合金，所述金属合金包含氧化铝。所述加热元件可构造为所述加热区域和/或引线区域中电阻的制造公差小于10%。
[0011]固体电解质在本发明的范围内应理解为具有电解质性能的物体或物质，也即具有离子传导性能的物体或物质。特别地，固体电解质是指陶瓷固体电解质。它还包括固体电解质的原材料，因而构造为所谓铜绿(Griinling)或布朗绿(Braunling),所述固体电解质的原材料只有在烧结后才成为固体电解质。特别地，所述固体电解质构造为固体电解质层或者由多个固体电解质层构成，“层”在本发明的范围内应理解为同一物质从平面膨胀一定高度，它位于另一元件之上、之下或中间。
[0012]“电极”在本发明的范围中一般应理解为一种如下元件，它接触所述固体电解质，电流可直立地穿过所述固体电解质和电极。相应地，所述电极包括如下元件，在所述元件上，离子引入到所述固体电解质中和/或从所述固体电解质移除。典型地，所述电极包括贵金属电极，例如作为金属-陶瓷电极可安装到所述固体电解质上或者以其他的方式与所述固体电解质相连接。典型的电极材料是钼-金属陶瓷电极。然而原则上也可以使用其他贵金属，例如金和/或钯。所述电极可与固体电解质一起或者所述电极可构成传感器元件的测量用电池，例如λ探针的测量用电池。
[0013]“加热元件”在本发明的范围一般应理解为一种如下元件，即所述元件用于将所述固体电解质和电极加热到工作温度。所述加热元件可具有引线区域和加热区域。通常至少一个电极布置在所述固体电解质上或其中。所述加热元件在这里或者通过固体电解质，固体电解质层或者电极的附加的绝缘材料隔开。“加热元件的加热区域”应理解为所述加热元件的这样的区域，即所述加热元件的所述区域与所述电极在朝向这个层结构的方向上重叠。因此，加热元件的加热区域是与λ探针的实际测量用电池相重叠的区域。加热区域的侧向突出部，即沿宽度方向的突出部，通过所述一个电极或多个电极也属于所述加热区域。因此，例如在λ探针是平面结构的情形下，所述重叠在沿垂直于平面结构的方向上可被看至IJ。所述加热区域在这里一般位于所述固体电解质的端部区域中。“引线区域”应理解为所述加热元件的这样的区域，即用于将加热固体电解质和电极的能量传输到所述加热区域中。
[0014]“冷态电阻”在本发明的范围中应理解为在20°C时实测的电阻。根据这个定义，总加热元件的电阻的冷态总电阻应理解为加热区域的电阻和引线区域的电阻的总和。
[0015]“制造公差”在本发明的范围中应理解为系统的一种状态，在这种状态中由干扰影响引起的、例如由制造决定的与正常状态的偏差不需要或者不导致对应调节或反措施。特别地，在这个意义上，制造公差是尺寸偏离正常状态或正常大小的程度，但系统的功能甚至不受威胁。因此，电阻的制造公差是制造引起的电阻偏离在制造时设置的额定值的偏差，它不导致明显的和不可接受的功能改变。因而本发明的加热元件的电阻在制造公差范围内具有相同的加热行为或者存在偏差的类似加热行为，在运行时不导致传感器元件的功能改变以至于传感器元件被损坏、不可预料的行为或失效。所述偏差在这里位于所述加热导体的受限制的段或区域中或者甚至在加热导体的组成成分的分子平面上，例如在所述加热导体的部分横截面内部。因此，“电阻的10%的制造公差”应理解为它存在于加热导体的区域或位置中，其从加热导体的另一区域或位置在这个值之上或之下最大10%。例如在加热区域中8欧姆设置为加热导体的额定值，从而在加热区域中存在电阻小于7.9欧姆或者大于8.1欧姆的小的位置。
[0016]“钼系金属族”在本发明的范围内是指根据化学科学的一般定义，5周期的8至10种族元素，即轻的钼金属钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)，和6周期，即重的钼金属锇(Os)、铱(Ir)、钼(Pt)。
[0017]在本发明的范围中，渗滤(Perkolation)说明在随机引起的结构(晶格)占据情形中构成相关区带(束)。在点渗滤情形下，晶格点具有确定的可能性，在边缘渗滤情形下存在点彼此上下连接。随着可能性的增大，所述晶格占据的场构成更大的束。占据可能性定义为这样的数值，即至少一个束的大小达到穿过整个系统延伸，因此例如从右向左或者从上向下侧在两位晶格上膨胀。人们认为:所述束渗滤穿过所述系统。占据可能性的这个值就是所谓的渗滤阈值。
[0018]本发明原则上适用于各种内燃机，其具有至少一个陶瓷传感器元件，用于获取内燃机废气的至少一个参数，尤其是至少一个λ探针和/或至少一个NOx传感器和/或至少一个HC传感器，其中所述陶瓷传感器具有至少一个加热元件，用于加热所述陶瓷传感器。特别地，所述内燃机包括一个奥托发动机和/或狄赛尔发动机。备选地或附加地，所述内燃机还包括混合驱动系统，例如具有至少一台奥托发动机和/或至少一台狄赛尔发动机和附加的至少一台电动机。
[0019]所述陶瓷传感器元件特别地可以是λ探针，或者包括λ探针。所述λ探针可例如实施为指形探针或者平面λ探针，因而也可以实施为例如具有层形结构的λ探针。例如跃变式探针和/或宽带λ探针。备选地或附加地，所述陶瓷传感器元件也可包括至少一个其他类型的陶瓷传感器，例如NOx传感器。
[0020]所述陶瓷传感器可包括至少一个电化学电池。“电化学电池”在本发明的范围内应理解为这样的元件，即所述元件包括至少两个电极和至少一个与电极相连接的固体电解质。所述陶瓷传感器的温度例如能够通过确定电化学电池的内阻来确定。在陶瓷传感器元件具有能斯特电池的情形中，所述陶瓷传感器的温度例如通过确定所述能斯特电池的内阻来获取。这种电化学电池因而能够用作所述传感器元件用的测量用电池。
[0021]所述陶瓷传感器元件的加热和/或所述加热元件的能量供给能够通过电源，例如机动车内的蓄电池提供。
[0022]本发明的加热元件基本上不同于机动车用λ探针的加热元件。本发明的加热元件特别地能够基本上实现为共同烧结的或附加烧结的钼系金属族结构。特别地，所述加热元件是弱加热元件，用于桥接冷运行状态，例如空转，具有功率消耗最大值5W，而在机动车用λ探针情形下，功率消耗最大值常大于7W。接通电流不超过2Α，以使保持对传感器元件用控制器的低要求。所述探针至多长达30秒的跳动行为适用于无故障的小型机动车的废气探针，这是因为大部分的污染物量在这里不是在启动阶段产生的，而是在相应的行驶循环中产生的。所述加热元件的结构使用钼系金属族的金属是因为热废气的高温负荷，在全负荷运行时，热废气的温度可达到大约ΙΟΟΟ?。所述加热元件尤其用钼-金属陶瓷制成，并且可以是与现有技术相对应的材料组合，但高温衬套部分和薄的曲折和传导结构例如设计为总冷态电阻从8欧姆到20欧姆。加热功率的设计满足在本征加热时在更冷的环境温度中，即从-20°C到_40°C，传感器元件温度达到最大值750°C。
[0023]特别地，本发明提出一种传感器元件，其具有最大长度35m和最大宽度4mm，并且具有集成的加热元件，所述加热元件在20°C时具有从8到20欧姆的最低冷电阻和在运行电压13V时具有5W的功率消耗。所述加热元件在这里设计成大部分电阻位于曲折形结构中。对此，例如在冷态电阻10.5欧姆的情形下，引线的电阻为1.0欧姆和曲折形结构的电阻为8欧姆。这得到34欧姆的热电阻，其中所述热电阻的构成是引线电阻为2欧姆和曲折形结构的电阻为32欧姆。这将电压是13V时功率限制为5W。因而引入的功率几乎完全，即达到94%，在曲折形结构中被转换。高的曲折形结构电阻通过最大值8 μ m的小层厚和200 μ m的小带状引线宽度实现。在这里，所述比例的设置方式是对于曲折形结构的厚度和曲折形结构的宽度，相对厚度波动同样小，即小于10%。因而,对于I μ m加热兀件内部的层厚散布可以是最小层厚?ομπι，侧20 μ m的加热元件的侧向厚度波`动，可以不超过最小宽度200 μ m。
[0024]优选地，构建附加的曲折形转向部，所述加热元件的总长度达到15_。优选地，外曲折形转向部更靠近地折叠，以通过加热获得高的曲折形结构热阻。
[0025]所述曲折形结构研磨膏可设置具有25%体积的氧化铝衬套部分，以通过更高的电阻来集中所述加热功率。这里因所述衬套的局部积累引起的相对于电阻波动可以不超过10%。因此，使用极其精细的氧化铝粉末，在所述极其精细的氧化铝粉末中，至少50%的粉末颗粒具有小于500nm的细粒直径。这种极其精细的氧化铝粉末优选在加工研磨膏以前在干磨步骤中研磨钼获得，此外达不到使氧化铝粉末凝聚。这引起形成局部电阻中心，在加热元件接通电流时形成局部热点，这些局部热点是使加热元件老化的输出点。
[0026]此外，通过衬套含量3%体积低于渗滤阈值，局部电阻波动减小，其中渗滤阈值对衬套含量的依赖性极其高。
[0027]优选地，所述曲折形结构研磨膏与20%体积的钯或者钼系金属族的其它金属形成合金。在这里，通过进行强化研磨来使合金均匀地分布，从而使局部电阻波动小于10%。优选地，对此使用更少的、至多3%份额的烧结辅助剂，烧结辅助剂例如是磷、硅、铋和/或密度大的烧结的三元合金，如同例如DE19834276A1中使用的。由此特别地，冷态电阻增大，因而启动功率降低。
[0028]优选地，在共同的加工步骤中研磨钼、钼系金属族的金属及其衬套。加热器绝缘件和引线可进行致密烧结，以避免所述钯被气化和进而所述绝缘件短路。所述引线也可设置为比3欧姆更高的电阻，以降低钼使用量和进一步降低加热元件的成本。优选地，所述结构的拐角可被圆整，以阻止局部电阻达到最大，使所述结构保持更冷。优选地，所述加热元件以45°斜压法制成，以降低丝网印刷参数和研磨膏依赖性，进而降低在结构中存在的横向和纵向曲折形结构切口之间的电阻波动。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]从图中示意性示出的优选实施例的下述说明得到本发明的其它细节和特征，其中:
[0030]图1传感器元件的横截面视图；
[0031]图2第一实施例的传感器元件的加热元件的俯视图；
[0032]图3第二实施例的传感器元件的加热元件的俯视图；
[0033]图4第三实施例的传感器元件的加热元件的俯视图；
[0034]图5第四实施例的传感器元件的加热元件的俯视图；
[0035]图6示例性加热元件的示意性俯视图；
[0036]图7示例性加热元件的温度分布；
[0037]图8加热元件的电压差的视图，其中加热元件在加热区域具有3欧姆的冷态电阻；
[0038]图9加热元件的电流密度的视图，其中加热元件在加热区域具有3欧姆的冷态电阻；
[0039]图10加热元件的电压差的视图，其中加热元件在加热区域具有9欧姆的冷态电阻；
[0040]图11加热元件的电流密度的视图，其中加热元件在加热区域具有9欧姆的冷态电阻。
【具体实施方式】[0041]图1示出本发明的传感器元件10的第一实施例的横截面视图。图1所示的传感器元件10可用于探测气体的物理和/或化学性能，其中可获取一个或多个性能。本发明在下文中尤其涉及获取气体的气体成分的品质和/或数量，尤其涉及获取气体中的氧气含量。所述氧气含量可以是例如分压的形式和/或百分含量的形式。然而，原则上可获取不同类型的气体成分，例如氮气、碳氢化合物和/或氢气。然而，备选地或附加地，也可获取气体的其它性能。本发明尤其适用于机动车【技术领域】，具体地，小型机动车领域，例如摩托车，因而测量气体空间尤其是指摩托车的内燃机的废气管，气体尤其是指废气。因此，传感器元件10的尺寸大小是例如长度，即沿图1观测方向的测量值，最大50mm，优选最大45mm和特别优选最大35mm，和宽度，S卩图1中从右向左或者相反的测量值,最大10mm，优选最大8mm和特别优选最大4mm。在图1所示的实例中，传感器元件10的尺寸大小例如是长度35mm和宽度4mm。
[0042]传感器元件10描述为平面λ探针的典型构件，但不限于这种类型的λ探针，而是也可以实施为指形探针。因此，图1的横截面视图是传感器元件10的纵向视图。传感器元件10具有固体电解质12、第一电极14、第二电极16、加热元件18和参考通道20，其中固体电解质12含有钇稳定的氧化锆。在λ探针情形时，抽吸的参考样本适用于疑难的小型机动车，因此在所示实例中，具有空气参考样本的和对小的加热功率需求产生相应影响的探针布置被明显优选。在小型机动车废气探针情形中不需要高的加热功率。下文中详细说明关于加热元件的功率消耗的具体细节。
[0043]加热元件18设置为用于加热电极14、16和固体电解质。电极14、16通过固体电解质12相互连接并且可构成能斯特电池和/或电化学电池。也可设置其他功能层，例如其他电极、带状引线、扩散电池、其他加热元件和/或氧气-泵电池。这些功能层可以构建或整合到固体电解质中。可选的能斯特电池优选设置在固体电解质层中，以便测量燃烧废气中残余氧气含量，由此调整燃烧空气与燃料之比以充分燃烧，既不使燃料过剩也不使空气过剩。
[0044]图2示出本发明的传感器元件10的第一实施例的俯视图，尤其是它的加热元件18的俯视图。在这里所示的实例中，λ探针的传感器元件10例如是平面λ探针的传感器10。如所示的，加热元件18具有加热导体22，和加热区域26，加热导体22具有引线区域24，加热导体22位于图2的视图右侧，加热区域26位于图2的视图左侧。加热元件18尤其能够隔离地整合到固体电解质12中，确保在低废气温度时λ探针的功能。如特别示出的，加热元件18的加热区域26构造为曲折形结构的，具有三个曲折形转向部28。曲折形转向部28的拐角可被圆整。
[0045]特别地，加热元件18的布置方式是引线区域24的冷态电阻不大于加热元件18的冷态电阻的30%，优选不大于25%和特别优选不大于16%。例如，引线区域24的冷态电阻不大于加热元件18的冷态电阻的12%。第一实施例的加热元件18的冷态总电阻对于适用于摩托车情形的传感器元件10例如是9欧姆。特别地，引线区域22在这个实例中具有电阻I欧姆，加热区域26具有电阻8欧姆。加热元件18是用合金制成的，含有至少一种钼系金属族。因此，适用于加热元件18的合金可包含例如钼。因为热废气的高的热负荷，例如在全负荷时废气温度达到约1000°C，需要使用适用于加热元件18的钼系金属族的元素。减小钼的使用量，因而降低传感器元件的制造成本，但引线区域24同样具有较高的冷态电阻，例如3欧姆。加热元件18的冷态总电阻则可以是11欧姆。同样可以使用钼-金属陶瓷或者金属陶瓷与钼系金属族的另一种元素。因此，加热元件18的构造方式是为了衔接冷运行状态，例如在空转时，在13V的运行电压情形下，加热元件18的功率消耗最大5W，优选最大4W和特别优选最大3.5W。与以上所述内容相比较，在适用于汽车的λ探针情形下，通常大于7W。激活加热元件18的电流，即所谓接通电流，不超过2Α，以使关于加热器输出级的布置和损失热量的导出的未示出控制器的要求保持很小。加热导体22可在加热区域26中比在引线区域24中具有更小的厚度和更小的宽度，例如是引线区域24的厚度的最大50%和/或引线区域24的宽度的最大50%。加热导体22的厚度在加热区域26中例如是最大16 μ m，优选最大12 μ m和特别优选8 μ m，加热导体22的宽度在加热区域26中例如是最大300 μ m,优选最大250 μ m和特别优选最大200 μ m,例如加热导体22在加热区域26中具有厚度8μπι和宽度200 μ m。
[0046]图3示出根据本发明的传感器元件10的第二实施例的俯视图，尤其是他的加热元件18的俯视图。下面只描述与第一实施例的不同点，其中相同的部件用相同的附图标记表
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[0047]传感器元件10同样具有加热元件18。与第一实施例的加热元件18相比，第二实施例的加热元件18在加热区域26中具有两个附加的曲折形转向部28。加热元件18因而在加热区域26中具有总计5个曲折形转向部28。加热导体22在加热区域26中比第一实施例具有更小的厚度和宽度。加热元件22在加热区域26中具有厚度例如最大10 μ m，优选最大8 μ m,和宽度最大200 μ m,优选最大175 μ m,例如厚度7 μ m和宽度170 μ m。加热导体22可构造为例如15mm长。由此可得到比第一实施例更高的热电阻，即在750°C时测量的热电阻，例如由在引线区域24中2欧姆的电阻和在加热区域26中32欧姆的电阻组成。但因为总电阻的具体布置，第二实施例的加热元件18如同第一实施例中同样限制于在13V外加电压时功率消耗最大51
[0048]图4示出本发明的传感器元件10的第三实施例的俯视图，尤其是它的加热元件18的俯视图。下面只描述第三实施例与第二实施例的不同点，其中相同的部件用相同的附图标记表不O
[0049]与图3的第二实施例相比，第三实施例的加热元件18的外曲折形转向部28更靠近地折叠，以通过加热获得更高的热电阻。也就是说，曲折形转向部28构成的导体段在加热区域26中相对于虚拟中间面沿纵向镜像对称地布置，其中，这种导体段30在中间面的每侧上平行于中间面，它们之间的间距沿在朝向中间面的方向上增加。在中间面上方离中间面最近的对置导体段30之间的间距可能最大。
[0050]图5示出本发明的传感器元件10的第四实施例的俯视图，尤其是它的加热元件18的俯视图。下面只描述第四实施例与第二和第三实施例的不同点，其中相同的部件用相同的附图标记表示。
[0051]与图3的第二实施例相比，第四实施例的加热元件18的外曲折形转向部28更接近地折叠，以通过加热获得更高的热电阻。也就是说，曲折形转向部28构成的导体段在加热区域26中相对于虚拟中间面沿纵向镜像对称地布置，其中在中间面的每侧上平行于中间面的这种导体段30之间的间距在朝向中间面的方向上增加。在中间面上方离所述中间面最近的对置导体段30之间的间距可能最大。与第三实施例相比，第四实施例的每两个导体段30之间的间距更小，其中这两个导体段30具有在中间面的每侧上相对于中间面的最大间距。与第三实施例相比，第四实施例的在中间面上方离中间面最近的对置导体段30之间的间距更大。
[0052]图6示出本发明的传感器元件10的示意性俯视图，其中传感器元件10具有集成的加热元件18，加热元件18具有引线区域24和加热区域26。图6的图示用于说明本发明的优点和效果，但本发明不限于加热元件18的加热区域26中所示的三个曲折形转向部28，而是典型地也适用于所有前述实施例。特别地，加热元件18具有在图的右边缘可以看到的两个联接触点32，设置目的是联接到未示出的电能源。在联接触点32上施加13V的运行电压，以加热固体电解质12和电极14、16。图6还示出加热导体22在引线区域24中比在加热区域26中构造得更宽。
[0053]图7示出在运行状态下，即加热状态下，图6的加热元件18在电极14的区域中的温度分布以及加热元件18在固体电解质12上的布置。如图所指，电极14具有两个链接触点34，在图的右边缘可以看见，设置目的是为了联接到未示出的电能源。如已提及的，加热元件18的联接触点32和电极14的联接触点34不重叠。同样，电极14的电极引线36的布置方式是使电极引线投影到加热元件18的平面中时位于引线区域24的导体段之间。如图7所示，加热区域26中的温度与电极14的温度重叠，明显比引线区域24中的温度高。这时，固体电解质12在电机14、16的区域中比在其余区域中更快速或更强烈地被加热，从而固体电解质12和电极14、16在加热区域26中可更快速地加热到它的运行温度。
[0054]图8以加热元件18的俯视图示出加热元件18在运行时，加热元件18的联接触点32之间电压差(mV)的示例性分布。如图所示，在图中下部区域所示的联接触点32和在图中上部区域所示的联接触点32之间施加运行电压13V或13000mV，特别地，加热元件18在这里的布置方式是使加热元件18在加热区域中具有大约2.7欧姆的冷态电阻。
[0055]图9示出加热元件18在施加图8的运行电压情形下运行时，加热元件18的联接触点32之间电流密度(A/mm2)的示例性分布。确定电流密度的面积大小在这里涉及加热导体22的横截面。如从图9所知悉的，电流密度在曲折形转向部形加热区域26中达到最大，并且对于引线区域24剧烈降低。这个实例的电流密度的值在这里从图9视图左侧的刻度得知。
[0056]图10以加热元件18的俯视图示出加热元件18在运行时，加热元件18的联接触点32之间电压差(mV)的另一示例性分布。如图所示，在图中下部区域所示的联接触点32和在图中上部区域所示的联接触点32之间施加运行电压13V或13000mV，特别地，加热元件18在这里的布置方式是使加热元件18在加热区域中具有大约8欧姆的冷态电阻。在加热元件18运行时电压差的分布与图8的实例的分布相同，因而不通过改变电阻来改变电压差的分布。
[0057]图11示出加热元件18在施加图10的运行电压情形下运行时，加热元件18的联接触点32之间电流密度(A/mm2)的示例性分布。确定电流密度的面积大小在这里涉及加热导体22的横截面。如从图11所知悉的，电流密度在曲折形转向部形加热区域26中达到最大，并且对于引线区域24剧烈降低。这个实例的电流密度的值在这里从图11视图左侧的刻度得知。与图9的加热元件18的电流密度相比，图11的实例的电流密度明显更小。因此，图11的加热元件18的加热区域26比图9的加热元件18进行了明显加热。[0058]为了制造传感器元件，例如平面λ探针，已知不同的制造方法，例如薄膜、薄层或厚层技术。因此，在这里对此并没有清楚地界定，而是描述了这里的所用的制造方法与汽车或商用车辆领域用λ探针的常规制造方法之间的差异，在制造本发明的紧凑型传感器元件时需要注意这些差异，以便获得所谓的优点。特别地，下面阐明在制造加热元件或者将加热元件整合到本发明的传感器元件中时的特殊性。需要明确强调的是，下面描述的所有细节适用于前述所有实例，并且适用于这种情形。
[0059]加热元件18以已知的层结构通过例如丝网印刷方法制造，其中对于加热区域26，特别是曲折形转向部形的加热区域，输出团，例如研磨膏，具有更高的氧化铝衬套含量用作研磨膏情形下汽车用传感器元件的加热区域。氧化铝在研磨膏中的含量可以是例如25%体积。于是设置更高的电阻。研磨膏的涂抹方式可以是使在加热元件18的确定区域中设置这个更高的电阻，尤其是在加热区域26中。因在加热区域26中存在更高的电阻，加热元件18的确定区域上的加热功率可以集中到在这个示例中加热区域26。由此加热元件18的加热功率例如可几乎完全，例如达到94%，传输到加热区域26中，而引线区域24只得到少许加热。在这里提及氧化铝电绝缘，以便随着氧化铝含量的增加，电阻增加。
[0060]为了使加热导体中电阻的制造公差不因氧化铝的局部积累而大于10%，尤其使用非常精细的氧化铝粉末。对于非常精细的氧化铝粉末，在这里粉末应理解为至少50%的颗粒的直径小于500nm。为此，氧化铝粉末优选在加工研磨膏以前在干磨步骤中与钼或所述钼系金属族的其他金属研磨，因而不能达到氧化铝粉末的烧结。钼、钼系金属族的其他金属和衬套(例如氧化铝)的研磨，可在一个共同的处理步骤中进行，以提高这些组成成分的混匀或分布。特别地，通过使研磨膏中氧化铝的含量选择为位于渗滤阈值下方3%体积，加热元件18的布置方式是局部电阻波动，即电阻的制造公差，变小，其中在渗滤阈值情形中，对氧化铝含量的依赖性极其大。
[0061]在所述实例中，渗滤阈值描述渗滤可能性，利用它构成在沿宽度方向或厚度方向穿过加热导体延伸或连接的氧化铝区域或束或者构成多个这种相互连接的氧化铝区域或束。因为如已经提及的，氧化铝电绝缘，达到或超过渗滤阈值将导致电阻极其剧烈地增大。在加热元件18运行时，这种情形可能导致所述加热功率不均匀地分布和/或甚至导致至少部分区段地过加热电极14、16和/或固体电解质12。如果不使用这种精细的氧化铝粉末，可能造成局部电阻中心，局部电阻中心在运行期间造成所谓热点，即温度非常高的点，所述非常高的温度使加热元件18的出口点老化。已经明确地证明备选地或附加于氧化铝，也可使用氧化锆。
[0062]制造加热元件用的研磨膏可具有20%体积的钯或者钼系金属族的其他金属。在这里需要注意合金的均匀性，例如可通过使用强化的研磨得到。例如通过最大3%体积的小含量的烧结辅助剂可实现进一步提高冷却电阻，烧结辅助剂是例如磷(P)、硅(Si)、铋(Bi)和/或密度大的烧结的三元合金，即三种元素的合金,如同例如DE19834276A1公开的那样。由此可提高冷态电阻，降低初始功率消耗，即相同的电功率可获得更高的加热功率或者更小的电功率可获得相同的加热功率。通过引线区域24中加热元件绝缘材料和加热导体22的致密烧结布置可使钯在烧结过程中气化，因而避免绝缘材料短路。
[0063]加热元件18的引线区域也可设计为高电阻的，例如3欧姆，代替上述I欧姆，以减少钼使用量和因而进一步降低加热元件18的成本。加热元件18可例如在两个分开的挤压步骤制成，这两个挤压步骤可连续或同时执行，其中使用氧化铝含量不同的两个研磨膏，以获得传到区域24的和加热区域26的不同的电阻。分开的加热区域26和引线区域24可例如通过丝网印刷挤压到固体电解质12上，其中，加热区域26用的研磨膏的氧化铝含量高于引线区域24用的研磨膏。特别地，加热元件18可以所谓45。斜压法制造，以便减小丝网印刷参数和研磨膏依赖性及因而在传感器元件10的宽度方向上和曲折形转向部形加热区域26的导体段的纵向方向上之间的电阻波动。通过加热元件18的构型，在结构的拐角，如曲折形转向部28，被圆整时，加热导体22的区域可被减小，但加热导体22的运行保持更冷。
[0064]在加热区域26中比在引线区域24中更高的电阻允许例如通过加热导体22在加热区域26比在引线区域24中更小的厚度和/或宽度得到。这适用于例如图9的实例的冷态总电阻比图11的实例的冷态总电阻增大。本发明提出加热导体22在加热区域26中的厚度和宽度以相对制造-制造公差或者制造偏差小于10%的方式进行构造。对于加热元件18内部沿厚度方向的制造-制造公差最大I μ m,因而可不超过最小厚度10 μ m,并且对于价额元件18内部沿宽度方向的制造-制造公差最大20 μ m,因而可不超过最小宽度200 μ m。制造-制造公差的所谓绝对值被理解为最大值，这是因为加热导体22在加热区域26中的厚度优选不超过10 μ m，加热导体22在加热区域26中的宽度优选不超过200 μ m。
[0065]总之，可理解本发明的传感器元件10具有加热元件18，加热元件18是用金属陶瓷，尤其是钼-金属陶瓷构成的，加热元件18可与固定电解质12和其他功能层烧结在一起。为了应用于小的发动机，例如摩托车，传感器元件10和汽车和商用车辆用的已知传感器元件的加热元件18通过至少一个下述细节进行区分。加热导体在加热区域和/或引线区域中的加热导体的横截面面积更小。加热区域的电阻与引线区域的电阻对于加热元件的总电阻的比不同，因为引线区域占用了总电阻上的减小的部分。设置更多或更薄的曲折形转向部。氧化铝和/或氧化锆的衬套含量在金属陶瓷，尤其是钼-金属陶瓷，更高。钼系金属族的其他元件设置在金属陶瓷中，尤其是钼-金属陶瓷。
[0066]明确强调的是，在说明书和/或权利要求书中单独公开的特征作为分开的和互不独立的，因为初始公开的目的同样以及权利要求的限制独立于实施例和/或所要求的权利要求中列举的。明确地理解为所有运行实例或柱的理解为分别具有中间值或子组构成的单元的自由以及同样限制本发明的公开，尤其作为区域任务的限制。
【权利要求】
1.一种传感器元件(10)，用于获取气体空间中气体的至少一个性能，尤其是用于探测气体中气体的成分或者用于获取气体的温度，其中所述传感器元件(10)包括: 至少一个固体电解质(12)， 至少一个所述固体电解质(12)上或其中布置的电极(14、16)，和 至少一个加热元件(18)，用于加热所述固体电解质(12)，其中所述加热元件(18)具有至少一个引线区域(24)和一个加热区域(26)，其中所述引线区域(24)的冷态电阻不大于所述加热元件的冷态总电阻的30%，优选不大于它的25%，特别优选不大于它的16%。
2.根据权利要求1所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述加热元件(18)具有从6至22欧姆的冷态总电阻和优选从8至20欧姆的冷态总电阻。
3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述加热元件(18)是电加热元件，在运行电压13V时，所述电加热元件具有最大功率消耗最大值5W，优选最大值4W和特别优选最大值3.5W，例如功率消耗5W。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述传感器元件(10 )具有长度最大值50mm，优选最大值45mm和特别优选最大值35mm，所述传感器元件(10)具有宽度最大值IOmm,优选最大值8mm和特别优选最大值4_，例如所述传感器元件(10)具有长度35mm和宽度4mm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述加热元件(18)包括加热导体(22)，所述加热导体(22)在加热区域(26)中比在引线区域(24)中具有更小的厚度和更小的宽度，例如所述加热导体在所述加热区域(26)中的厚度是所述引线区域(24)的厚度的至多50%和/或所述加热导体在所述加热区域(26)中的宽度是所述引线区域(24)的宽度的至多50%。`
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述加热导体(22)在所述加热区域(26)具有厚度最大值16 μ m，优选最大值12 μ m和特别优选最大值8 μ m，宽度最大值300 μ m,优选最大值250 μ m和特别优选200 μ m,例如厚度8 μ m和宽度200 μ m。
7.根据权利要求5或6所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述加热导体(22)在加热区域(26)中构造为曲折形结构的，并且包括至少五个曲折形转向部(28)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述加热元件(22)在所述加热区域(26)构造为曲折形结构的，以使构成所述曲折形转向部(28)的所述导体段关于中间面镜像对称地布置，并且在所述中间面每侧平行于所述中间面的这种导体段(30)之间的间距朝向所述中间面增加。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(10)，其特征在于，在所述中间面上方离所述中间面最近的对置导体段(30)之间的间距最大。
10.根据权利要求7或8所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述曲折形转向部(28)的拐角被圆整地构造。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述加热元件(18)是用金属-金属陶瓷或者金属合金-金属陶瓷制成的，并且所述金属或所述金属合金中的至少一种金属选自钼系金属族的金属。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件(10)，其特征在于，所述金属合金-金属陶瓷包括金 属合金，所述金属合金包含氧化银。
【文档编号】G01N27/406GK103748460SQ201280041274
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年6月19日 优先权日:2011年8月26日
【发明者】J·施奈德, L·迪尔, S·克勒特, G·施奈德 申请人:罗伯特·博世有限公司