用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的传感器以及其制造方法。
现有技术
[0002]由现有技术已知多种传感器和用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的方法。这里基本涉及测量气体的任意物理和/或化学特性，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。附加地或替换地，也可以感测测量气体的其它特性，例如温度。
[0003]此类传感器例如可以构造为所谓λ传感器，如由Konrad Reif编著“车辆中的传感器”，2010年第I版160?165页中所知的。通过宽带λ传感器，尤其是平面的宽带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空燃比。空气系数λ来描述空燃比。
[0004]由现有技术尤其已知具有陶瓷传感元件的传感器，它基于一定固体的电解特性的利用，即利用该固体的离子传导特性。这种固体尤其是陶瓷固体电解质，例如二氧化锆(Zr02)，尤其是加入钇稳定剂的氧化锆(YSZ)和掺杂钪的氧化锆(ScSZ)，它们可以含有少量氧化铝(Al2O3)和/或氧化硅(S12)添加物。
[0005]对此类传感元件的功能要求不断提高。尤其重要的是，λ传感器在发动机起动后快速达到运行准备状态。这基本上受两方面影响。第一方面涉及到λ传感器快速加热到通常高于600°C的运行温度，这通过相应设计加热元件或者缩小要加热的范围来实现。另一方面涉及到在运行期间抵抗由于水冲击而产生的热冲击的鲁棒性。所谓热冲击是基于:在发动机起动后一定时间段内废气管中的温度低于水的露点，因而在燃料燃烧时产生的水蒸汽会在废气管中凝结。由此在废气管中形成水滴。λ传感器中的已被加热的陶瓷会由于碰到水滴并且因传感陶瓷冷却导致产生热应力而被损坏甚至破裂。
[0006]因此，开发了在表面上具有多孔陶瓷保护层的λ传感器，该保护层也被称为热冲击保护层或热冲击防护层。该保护层用于将出现在λ传感器上的水滴分散到大面积上并因此降低在固体电解质或者说传感陶瓷上出现的局部温度梯度。因而，λ传感器在已加热的状态下承受一定的冷凝水滴量，而不产生损坏。该保护层通常在附加的方法步骤中施加到传感元件上。为此可以使用不同的材料例如氧化铝或尖晶石(MgAl2O4)和不同的施加技术例如喷射工艺或浸泡工艺。例如已知，通过气化离子喷射的方法施加由多孔氧化铝构成的均匀厚度的热冲击保护层。用这种热涂层工艺使带入的颗粒溶化并在传感元件表面上加速，使得热冲击涂层被施加到整个传感元件表面上。这就能在低浴温度、即在约300°C到400°C的温度时通过涂层的有限渗透性防止水侵入至少部分地由氧化锆制成的传感元件的表面，并且在高温范围、即在约400°C到800°C的温度时限制由于热传导而导致冷却。
[0007]尽管由现有技术已知的传感器和用于λ传感器的传感元件具有很多优点，但仍有改进潜力。该传感元件通常不是全部被温度冲击防护层覆盖，而是仅在测量气体空间侧的区段上被覆盖。传感元件的其余部分被传感元件保持架保持住。热冲击防护层的收尾部、即热冲击防护层的面对传感元件保持架的区段在λ传感器运行时被加电流。尤其是跳跃式传感器需要对外电极大面积上加电流。但在热冲击防护层的收尾部区域内传感器抵抗水冲击的鲁棒性较低，因为由于制造技术方面原因热冲击防护层不是与传感元件保持架完全齐平地终止，而是在这两个构件之间存在没有热冲击防护层的区域。由于制造技术方面原因热冲击防护层的该收尾部是不可避免的。如果给传感元件加电流而不对热冲击防护层的收尾部加电流，则会导致很差的传感器动态性能，使得传感器不能可靠地用于多种诊断。
【发明内容】
[0008]提出一种用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的传感器以及它的制造方法，它们至少能很大程度上避免已知传感器的缺点并且尤其能够在传感器的动态性能和测量精度保持不变的情况下改善抵抗热冲击的鲁棒性。
[0009]本发明传感器包括一个传感元件和一个传感器壳体，该传感元件具有至少一个固体电解质和至少一个功能元件，传感器壳体具有用于保持传感元件的传感元件保持架。传感元件被传感元件保持架保持住，使得传感元件的测量气体空间侧区段自传感元件保持架突出。测量气体空间侧区段至少部分地由热冲击防护层覆盖。在热冲击防护层、尤其热冲击防护层的收尾部与传感元件保持架之间，布置有密封装置。这样，不会再有水滴到达无涂覆层的传感元件上。
[0010]传感元件被这样保持在传感元件保持架中，使得传感元件的测量气体空间侧区段从传感元件保持架伸出，尤其朝测量气体空间的方向。
[0011]密封装置可以是液密的密封装置。密封装置例如是粘结剂，尤其是至少一种陶瓷粘结剂。陶瓷粘结剂可以例如由一种材料制成，这种材料包含至少一种由以下材料组中选择出的元素:氧化娃(S12),氧化铝(Al2O3),氧化错(ZrO2),氧化镁(MgO)，云母和娃酸铝，氧化锆-硅酸盐，硅酸盐接合剂，二硼化钛，二氧化钛，分别带有有机的或无机的结合剂。
[0012]密封装置可以至少与热冲击防护层和传感元件保持架连接。例如密封装置与热冲击防护层、传感元件保持架和传感元件连接。优选的是，传感元件具有被保持在传感元件保持架中的传感器壳体侧区段，其中，密封装置与热冲击防护层、传感元件保持架、测量气体空间侧区段和传感器壳体侧区段连接。当然，通过密封装置与测量气体空间侧区段和传感器壳体侧区段的连接可以仅在局部进行。传感器还可以具有至少一个保护管，该保护管至少围绕传感元件的测量气体空间侧区段。
[0013]制造用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性、至少用于证明测量气体内的气体成分含量或测量气体的温度的传感器的本发明方法包括以下步骤:
[0014]提供传感元件和传感器壳体，该传感元件具有至少一个固体电解质和至少一个功能元件，该传感器壳体具有用于保持传感元件的传感元件保持架，
[0015]将传感元件这样布置在传感元件保持架上，使得传感元件被传感元件保持架这样保持住，以致传感元件的测量气体空间侧区段自传感元件保持架突出，
[0016]将热冲击防护层施加到传感元件上，使得测量气体空间侧区段至少部分地被热冲击防护层覆盖，并且
[0017]将密封装置布置在热冲击防护层和传感元件保持架之间。
[0018]传感元件可以这样被保持在传感元件保持架中，使得传感元件的测量气体空间侧区段从传感元件保持架中伸出。密封装置可以是液密的密封装置。密封装置例如可以是粘结剂。密封装置例如是至少一种陶瓷粘结剂。陶瓷粘结剂可以例如由一种材料制成，这种材料包含由以下材料组中选择出的至少一种元素:氧化硅(S12),氧化铝(Al2O3),氧化锆(ZrO2)，氧化镁(MgO)，云母和娃酸铝，氧化错-娃酸盐，娃酸盐接合剂，二硼化钛，二氧化钛，分别带有有机的或无机的结合剂。
[0019]密封装置可以至少与热冲击防护层和传感元件保持架连接。密封装置可以与热冲击防护层、传感元件保持架以及传感元件连接。传感元件可以具有被保持在传感元件保持架中的传感器壳体侧区段，其中，密封装置与热冲击防护层、传感元件保持架、测量气体空间侧区段和传感器壳体侧区段连接。可以设置至少一个保护管，该保护管至少围绕