用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性的传感器元件的制作方法
【专利说明】用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性的传感
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裔兀件
技术领域
[0001]本发明涉及一种传感器元件，其用于检测在测量气体空间中的测量气体的至少一种特性，特别是用于检测在测量气体中的气体成分的含量或者测量气体的温度。
【背景技术】
[0002]由现有技术公知了多种用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性的传感器元件和方法。在此，所述特性原则上可以是测量气体的任意的物理和/或化学特性，其中，可以检测一种或多种特性。本发明在下文中特别是参考对测量气体的气体成分的含量的定性检测和/或定量检测来说明，特别是参考测量气体中的氧气含量来说明。氧气含量能例如以分压力的形式和/或以百分含量的形式被检测。然而，替换地或附加地也可以检测测量气体的其他特性，例如其他的废气成分、特别是水、氮氧化物、碳氢化合物等等，或者检测温度。
[0003]所述的传感器元件例如可以构造为所谓的氧传感器(Lambdasonden)，例如由Konrad Reif(出版):机动车中的传感器，2010年第一版，第160-165页公知了该氧传感器。利用宽带氧传感器、特别是平面式宽带氧传感器例如可以在大的范围内确定废气中的氧气浓度并且由此推断燃烧室中的空气燃料比。空气系数λ描述了所述空气燃料比。
[0004]所述的传感器元件通常具有加热元件。加热元件可以集成在传感器元件中。传感器元件借助于加热元件在发动机启动后的几秒内被加热到大约700°C至800°C。直至达到运行温度、即所谓的“Light off (快速起燃)”的时间主要取决于在加热元件中转换的加热功率。此外，热能被越局部地导入能斯脱电池附近，Light Off(快速起燃)越被减慢，因为温度确定在此通过内电阻测量进行。
[0005]尽管由现有技术公知的传感器元件具有大量优点，然而所述传感器元件仍具有改善的潜力。因此，可在加热元件中被引入的最大加热功率还由下述两个因素限制:发动机控制单元中的输出级的最大电流强度以及在加热元件的加热区域中不损坏材料情况下的最大允许温度。由输出级的最大允许电流强度推导出大约2.5 Ω的最小加热电阻。对迅速的Light Off (快速起燃)的期望取决于，加热回路构造为尽可能短的，并且能斯脱电池被尽可能局部地加热。在使用批量生产的公知的含铂的膏的情况下，由上述两个要求、即电阻<2.5 Ω和尽可能短的长度的关系得出加热回路非常小的横截面。这限制了加热回路的热传递面积。在此可能导致局部过热并且可能超过加热元件的铂中的最大允许温度。加热器可能局部烧毁，导体电路断开并且由此失去导电的功能。
【发明内容】
[0006]因此，提出一种用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性的传感器元件，所述传感器元件至少在很大程度上避免了公知的传感器元件的缺点，其中，特别是在加热元件的加热区域的给定的总电阻或给定的长度的情况下明显地增大了热传递面积。
[0007]根据本发明的传感器元件用于检测在测量气体空间中的测量气体的至少一种特性，特别是用于检测在测量气体中的气体成分的含量或者测量气体的温度，所述传感器元件包括至少一个固体电解质层、至少一个功能元件和用于产生热的加热元件。加热元件至少部分地由至少包括氧化铝(Al2O3)的材料制成。氧化铝的含量为1.5重量至8.5重量-%、优选2.0重量至8.0重量并且更优选3.0重量至6.0重量-%、例如5重量_% O
[0008]加热元件可以具有0.21 Ω *mm2/m至0.70 Ω *mm2/m、优选0.24 Ω *mm2/m至0.50 Ω *mm2/m并且更优选0.30 Ω 至0.40 Ω的电阻率，例如0.34 Ω 至0.38 Ω *mm2/m、特别是0.36 Ω *mm2/m。
[0009 ]电阻值和电阻率在本申请文件的范围内若无其他注明与20°C的温度有关。
[0010]加热元件的材料可以还包括铂。铂的含量可以为92重量至97重量并且优选93重量至96重量-%、例如94重量-%。功能元件可以是第一电极。固体电解质层、第一电极和加热元件构成层结构。固体电解质层具有朝向测量气体空间的端面和至少两个平行于层结构布置的侧面。加热元件具有加热区域和至少一个输入轨。加热元件这样布置在层结构中，使得所述加热区域至少靠近固体电解质层的侧面布置。第一电极这样布置在层结构中，使得在平行于层结构的方向上观察，第一电极至少部分地与加热区域重叠。
[0011]第一电极可以这样布置在层结构中，使得在平行于层结构的方向上观察，所述第一电极的朝向加热元件的表面的至少60%与加热区域重叠。第一电极可以至少靠近固体电解质层的侧面布置。加热元件可以这样布置在层结构中，使得所述加热区域靠近朝向测量气体空间的端面布置。传感器元件还包括至少一个第二电极，其中，第一电极、第二电极和固体电解质层构成栗浦电池，其中，第一电极布置在层结构的内部，并且第二电极布置在层结构的可暴露于测量气体空间的外侧上。第一电极可以至少区段地构造为环形的。第一电极可以例如构造为环段。第一电极可以替换地构造为环形电极。传感器元件还包括至少一个第三电极。第一电极、第三电极和固体电解质层可以构成能斯脱电池。第三电极可以这样布置在层结构中，使得能斯脱电池能够由加热区域加热。在平行于层结构的方向上观察，第三电极可以至少部分地与加热区域重叠。加热区域具有至少一个区段，所述区段从至少一个侧面朝着第三电极的方向延伸。传感器元件可以在测量气体空间中在纵向延伸方向上延伸。加热区域可以构造为，使得在纵向延伸方向上观察，所述加热区域在第三电极的高度上具有比在第一电极的高度上小的横截面。在纵向延伸方向上观察，第三电极比第一电极更靠近端面布置。纵向延伸方向可以垂直于固体电解质层的端面。传感器元件可以还具有气体进入路径。第一电极能够借助于气体进入路径被加载测量气体。第一电极可以位于固体电解质层的端面和所述气体进入路径之间。第一电极和/或第三电极在平行于层结构的视图中构造为基本上矩形的。根据传感器的工作原理还可以包含其他的电极。
[0012]在本发明的范围内，固体电解质层可理解为具有电解特性、即离子传导特性的物体或对象。所述固体电解质层可以特别是陶瓷固体电解质。这也包括固体电解质的原材料和由此作为所谓的成型坯或脱脂坯的构型，所述成型坯或脱脂坯在烧结后变成固体电解质。固体电解质特别是可以构造为固体电解质层或者由多个电解质层构成。固体电解质层可以例如包含钇稳定二氧化锆和/或钪稳定二氧化锆。
[0013]在本发明的范围内，层可理解为在一定高度上的平面延伸中的同一的物质，所述物质位于其他元件之上、之下或者之间。
[0014]在本发明的范围内，层结构一般可理解为一个下述的元件，所述元件包括至少两个上下重叠布置的层和/或层平面。在此，所述层能够通过层结构的制造来区分和/或由不同的材料和/或原材料制成。特别是层结构可以完全地或者部分地构造为陶瓷层结构。在此，层结构的方向规定为垂直于相应的层或者层平面。
[0015]在本发明的范围内，电阻率可理解为构件的电阻率。电阻率是与温度有关的材料常量。在本发明的范围内，电阻率被给出主要用于加热元件。因为加热元件构造为电阻导体或者说导电体，电阻率主要用于计算导电体的电阻。导出的国际单位是Ω*πι，该单位由对Q*mm2/m进行的量纲简化而得出。因为加热元件具有相对小的横截面积，所以在本发明的范围内电阻率以Ω 给出。电阻率的倒数是特定电导率。在本发明的范围内，加只要无其他说明，加热元件的电阻率特别是与加热元件的烧结状态有关。加热元件通常借助于膏被施加到固体电解质层上并且具有比已烧结的加热元件高得多的电阻或者说更高的欧姆值。只要在本发明的范围内参考膏的电阻率，则所述电阻率基本上与膏的固体含量有关。因为在烧结中仅仅膏的有机成分消失，所以已烧结的加热元件的组成相应于固体含量的组成。
[0016]在本发明的范围内，电极一般可理解为一个下述的元件，该元件能够这样与固体电解质层接触，即通过固体电解质层和电极保持电流。相应地，电极可以包括一个下述的元件，在该元件上，离子可以进入到固体电解质层中和/或从固体电解质层出来。在此，电极位于固体电解质层的一个下述的位置上，在该位置上在运行期间进行离子传导或者存在固体电解质层的离子传导率的确定的最小值。电极典型地包括贵金属电极，所述贵金属电极可以例如作为金属陶瓷电极被施加在固体电解质层上或者以其他方式与固体电解质层连接。典型的电极材料是铂金属陶瓷电极。然而原则上也可以使用其他的贵金属、例如金或钯。真正的电极可以通过以下方式与其引线区分，即所述电极具有比引线大的横截