传感器元件的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种传感器元件（10）的制造方法，所述传感器元件用于探测位于测量空间中的气体的至少一种性能，尤其是用于探测气体中的气体成分或气体的温度。所述方法包括以下步骤：提供被烧结的固体电解质（12），在所述固体电解质（12）其上或中布置加热元件（18），和一起热处理所述固体电解质（12）和加热元件（18）。
【专利说明】传感器元件的制造方法
【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种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，其中一种或多种性能可被获取。在下文中，本发明的说明尤其涉及获取气体的气体成分的质量和/或数量，具体涉及获取气体中氧气含量。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, 2010年第I版,第160-165页已知的。利用宽带入探针，特别是利用平面宽带λ探针例如可确定大的区域气体中的氧气浓度，由此推导出燃烧室中的空气-燃料t匕，这个空气-燃料比用表示空气系数。
[0003]从现有技术已知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(yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid(YSZ))和 / 或含坑氧化错(scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ))，它们可含有氧化铝(Al2O3)和/或二氧化硅(SiO2)等少量添加剂。
[0004]根据λ探针的测量原理，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]因而λ探针通常具有加热元件，用于加热所述固体电解质和电极。这个加热元件通常安装(例如粘结或按压)在处于蓬松状态(或金翅鸟式状态，Grunlingszustand),即未烧结状态的固体电解质中或者固体电解质层上。接着，所述固体电解质与布置在其上的加热元件一起烧结，以保证所述固体电解质上加热元件的持久可靠性。
[0006]摩托车在亚洲国家中都获得了广泛应用。这些国家近年来制定了明显严格得多的关于机动车尾气的法律法规。这导致对传感器元件的需求大增，尤其是基于化学计量学的入探针，这些传感器元件用于调整这些摩托车的内燃机的混合物。但对小型机动车(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满足成本低，结构小的要求。但是不同部件(例如固体电解质、传感器本体或电缆出口)的温度承受能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，为了使发动机在很长的运行期间达到全负荷运行状态，传感器元件就要暴露于相当高的废气温度中。
[0007]在机动车是汽车，甚至是商用车辆的情形中，机动车用的λ探针具有比较大的加热元件，这种加热元件的消耗功率也很大。但是在使用这种λ探针的情形下所应用的低电阻、高功率的加热器，因结构太大而不适用于小型机动车，还因为额外成本的缘故而不适用于高效的加热器输出级及出现故障的控制器的有效散热。
【发明内容】
[0008]因此，本发明提供一种传感器元件及其制造方法，所述传感器元件用于获取气体空间中气体的至少一种性能，尤其是探测气体中气体的成分或者获取气体的温度，所述传感器元件比迄今已知的汽车用传感器元件都结构紧凑，尤其适用于小型机动车，尤其是两轮车，例如摩托车。
[0009]本发明的制造这种传感器元件的方法包括以下步骤，优选以下面列举的次序执行:
[0010]-提供被烧结的固体电解质；
[0011]-在所述固体电解质上或其中布置加热元件；和
[0012]-一起热处理所述固体电解质和加热元件。
[0013]所述加热元件可以在未烧结状态中布置在所述固体电解质上或其中，并且所述热处理可以是烧结。所述固体电解质可具有绝缘层，所述加热元件布置在所述绝缘层上，所述加热元件可在烧结前在施加一层绝缘层或保护釉。所述固体电解质的绝缘层的热膨胀系数可偏离所述加热元件的绝缘层的热膨胀系数最大10%,优选最大5%和特别优选最大2%，例如1%。所述固体电解质的绝缘层的厚度可以是从2 μ m到100 μ m,优选从5 μ m到75 μ m和特别优选从10μ m到50 μ m。所述加热元件可通过按压、缠绕、涂刷或涂抹等方法布置到所述固体电解质上或其中。所述加热元件也可以在烧结状态中布置在所述固体电解质上或其中，并且所述热处理可以是退火。所述加热元件可通过粘结或机械连接，尤其是挤压等方法布置在所述固体电解质上或其中。所述加热元件与所述固体电解质可使用耐高温的材料连接，尤其是使用玻璃陶瓷，陶瓷粘结剂或玻璃熔料连接。在这里使用粘结剂连接所述加热元件和固体电解质，所述粘结剂通过涂刷、涂抹、按压、喷溅或作为贴花施加到所述固体电解质上。所述粘结剂的厚度可以是从2 μ m到300 μ m,优选从5 μ m到250 μ m和特别优选从10um 到 200 μ m。
[0014]所述传感器元件可具有长度最大值55mm，优选最大值45mm和特别优选最大值40mm,宽度最大值8mm,优选最大值7_和特别优选最大值6mm,例如所述传感器元件具有长度35mm和宽度4mm。所述加热元件具有从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。所述加热元件是电加热元件，在运行电压13V时，所述电加热元件具有最大消耗功率最大值5W，优选最大值4W和特别优选最大值3.5W，例如4W。
[0015]“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。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。
[0016]“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，电流可竖直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，离子被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/或钮。
[0017]“加热元件”在本发明的范围一般应理解为一种用于将所述固体电解质和电极加热到工作温度的元件。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与所述电极在朝向这个层结构的方向上相重叠的区域。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到。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的区域。
[0018]“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。
[0019]“绝缘层”在本发明的范围内应理解为一种电绝缘层。这种绝缘层通常包括氧化铝(Aluminiumoxid)J^Kii (SiC)、氮化招(AlN)、氧化镁(MgO)、钡滑石(Bariumsteatit)Jf*石、堇青石(Cordierit)或商业上常用的其他陶瓷绝缘材料。
[0020]“保护釉”在本发明的范围内应理解为一种含有铝、硅和/或钡的釉，用于使一个构件不受到外部影响，例如热应力、机械作用或电压侵蚀。
[0021]“热膨胀系数”在本发明的范围内应理解为描述在温度变化时材料的测量值随之变化的材料性能的特征值。特别地，所述热膨胀系数尤其应理解为固体的相对体积膨胀dV/V (即体积变化量与初始体积之比)与温度变化量dT之比，因而热膨胀系数这个特征值的单位是1/K。
[0022]“耐高温材料”应理解为这样的材料，即材料的状态，尤其是聚合状态在温度，例如内燃机排气管中的温度，即高达1000°c的温度下不发生改变。特别地，这种材料即使在这样的高温下也保持形态稳定，不开始流动和/或熔化或者发生化学反应。特别地，这种材料例如是玻璃陶瓷、陶瓷粘结剂或玻璃熔料。术语“熔料(Fritte)”应理解为玻璃或陶瓷熔化时的中间产品。所述玻璃熔料例如通过玻璃粉末的表面熔化来制成，其中玻璃颗粒粘结在一起。所述粉末以及所制成的材 料称作熔料。在有些制造方法中，所制成的材料被额外淬火，形成多孔材料。最后，所述淬火的材料容易通过研磨制成粉末，这些粉末也称作熔料。
[0023]“钼系金属族”在本发明的范围内是指根据化学学科的一般定义，第5周期的8至10族元素，即轻的钼金属钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)，和第6周期，即重的钼金属锇(Os)、铱(Ir)、钼(Pt)。
[0024]在本发明的范围内，“烧结”应理解为一种制造材料和/工件的方法，在这种方法中，细颗粒的陶瓷材料大多在提高的压力下加热到低于它的熔化温度的温度。在烧结时，大部分颗粒状或粉末状材料混合，然后通过加热而相互连接。与纯熔化相反，此处没有或至少不是所有初始材料都熔化了。因此，烧结是一种保持原形的方法。粉末坯料首先形成为期望的工件形状，这里的实现方式通过压缩粉末坯料或成形接着干燥。在这里必须提供所述粉末颗粒的至少一种耦合。如果不提供这种耦合，则必须使用结合剂。这种所谓蓬松(Grilnling)节省了低于熔化温度时的热处理和硬化。在本发明的技术区域内，烧结在从900°C到1400°C的温度下执行。
[0025]在本发明的范围内，“退火”应理解为固体被加热到低于它的熔化温度的温度。这可能需要很长的时间才能完成，例如很多小时。通过提高固体分子的运行能力，使结构缺陷达到均衡，进而使晶体结构的远近顺序得到改善。以这种方式能够避免调整晶体结构的熔化和冷却方法。在本发明的技术区域内，退火可以在最高1000°c的温度，优选在从400°C到800°C的温度下进行。
[0026]本发明原则上适用于各种内燃机，所述内燃机具有至少一个用于获取内燃机废气的至少一种性能的陶瓷传感器元件，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元件具有至少一个加热元件，用于对所述陶瓷传感器元件进行加热。特别地，所述内燃机可包括奥托发动机和/或迪塞尔发动机。备选地或附加地，所述内燃机还包括混合驱动机构，例如具有一台奥托发动机和/或至少一台迪塞尔发动机和另外至少一台电动机。
[0027]所述陶瓷传感器元件尤其是λ探针或包括λ探针。所述λ探针例如可实施为指形探针或者平面λ探针，因而实施为例如具有层形结构的λ探针。例如，所述陶瓷传感器元件可实施成弹簧探针和/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元件，例如NOx传感器。
[0028]所述陶瓷传感器元件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的元件。所述陶瓷传感器元件的温度例如可通过确定电化学电池的内电阻来确定。对于具有能斯特电池的陶瓷传感器元件，所述陶瓷传感器元件的温度例如通过确定所述能斯特电池的内电阻来获得。
[0029]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可利用电源实现，所述电源例如是汽车中的蓄电池。
[0030]根据本发明的制造方法与现有技术中已知的方法之间的区别是下述特征:例如利用型板、加热器结构按压、缠绕、涂刷或涂抹到被烧结的陶瓷基底上，例如废气探针的传感器元件；使用具有钼或钼化合物的墨水或糊剂作为电引线和高温衬套部分来稳定所述加热器结构，以及接着涂敷一层薄的氧化物绝缘层或者保护釉，例如铝、硅和/或钡成分，以及接着焊透所述加热器结构和保护釉的方法步骤。备选地，所述传感器元件也能够通过将预制的加热元件粘结或机械连接到预制的烧结固体电解质本体上或其中来制成的。这可设想例如通过部分或局部粘结耐高温材料与固体电解质一起进行热处理,所述耐高温材料例如是玻璃陶瓷、陶瓷粘结剂或玻璃熔料。通过所述加热元件和固体电解质本体安装在一起与通过辐射和对流进行热传递来保证所述连接是持久的。通过使用加热元件，优选用基材氧化铝、碳化硅、氮化铝、钡滑石、滑石、堇青石或常用的其他陶瓷绝缘材料构成，这些材料是耐高温的。使用具有耐高温的加热引线材料的加热元件是可能的，所述加热引线材料例如是钼、错、钮、金、铬、鹤、钥或相应的合金。
[0031]所述加热元件原则上尤其可实现为一起烧结的或者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，用于例如在空转期间调和冷运行状态，具有最大值5W的消耗功率值，但在使用机动车用的λ探针时常大于7W。所述加热元件的接通电流不超过2Α，以保持对传感器元件用的控制器的低要求。对于小型机动车用的废气探针而言，所述探针的弹起动作至少需用30秒，这是没有发生故障的情形，因为大部分污染物在这里不是在开始阶段产生的，而是在相应的行驶周期中产生的。因为热废气的高的热负荷，它在全负荷运行时高达约1000°C，所以所述加热元件的结构需要使用钼系金属族的金属。所述加热元件尤其用钼-金属陶瓷制成，并且可对应现有技术的材料成分，但是本发明的加热元件具有高温衬套部分和薄的曲折形结构与引线结构，总的冷态电阻是从8欧姆到20欧姆。加热功率的设计满足在固有加热时在更冷的环境温度中，即从_40°C到_20°C，传感器元件温度达到最大值750°C。
[0032]特别地，本发明提供一种传感器元件，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欧姆的最小冷态电阻和在运行电压为13V时具有5W的消耗功率。由此，在本发明中，所述加热元件安装到已经制造完成的，即已烧结的固体电解质本体上，不同设计的加热元件可布置在这种固体电解质本体上。在这种情形下特别有利的是，所述加热元件本身已经制造完成，即已经烧结，从而不同的加热元件的任何组合可布置到这样的固体电解质本体上。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]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:
[0034]图1第一实施例的传感器元件的加热元件的横截面图；
[0035]图2第二实施例的传感器元件的加热元件的横截面图；
[0036]图3第三实施例的传感器元件的加热元件的横截面图。
【具体实施方式】
[0037]图1示出本发明传感器元件10的第一实施例的横截面图。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质量和/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。
[0038]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。因为这种λ探针具有紧凑的结构形式，适用于小型机动车，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40mm，和宽度，即图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6_。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。因此，图1的视图垂直于传感器10的纵向观察时的横截面图。
[0039]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含有钇稳定的氧化错，例如含有6到10%重量的钇氧化物。在λ探针情形时，抽吸的参考样本适用于出现故障的小型机动车，因此在所示实例中，优选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。在小型机动车废气探针情形中不需要高的加热功率。下文中将详细说明关于加热元件18的消耗功率的具体细节。
[0040]加热元件18设置为用于加热电极14、16和固体电解质12。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、扩散空隙、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12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。
[0041]第一绝缘层22位于固体电解质12的面对第一电极14的侧上，它的厚度是从2 μ m到100 μ m,优选从5 μ m到75 μ m和特别优选从10 μ m到50 μ m。例如，第一绝缘层22的厚度是30 μ m。第一绝缘层22是用氧化铝制成的主要构件。然而，备选地或附加地，第一绝缘层22也可使用碳化硅、氮化铝、钡滑石、滑石或堇青石。加热元件18布置在第一绝缘层22上。加热元件18由第二绝缘层24或保护釉覆盖或者涂敷第二绝缘层24或保护釉，从而加热元件18嵌入到第一绝缘层22和第二绝缘层24之间。对于第一绝缘层22和第二绝缘层24之间的加热元件18的对称布置，第二绝缘层24具有与第一绝缘层22相同的厚度。但是应理解，第一绝缘层22和第二绝缘层24可具有不同的厚度。厚度的变型例如可以依赖于安装位置或具体的应用领域。
[0042]在制造传感器元件10时，应使固体电解质12处于蓬松状态，即未烧结状态，以已知的方式通过例如厚层技术和/或薄膜层压技术和/或丝网印刷方法和/或喷溅方法设置功能层，尤其是电极14、16和参考通道20，但也可设置第一绝缘层22。第一绝缘层22的施加厚度是使第一绝缘层22在烧结后具有上述厚度，即在烧结后具有30 μ m的厚度。第一绝缘层22例如通过按压、缠绕、涂刷或涂抹等方法施加到所述固体电解质上。特别地，第一绝缘层22的构造方式是使它的热膨胀系数在下述热处理后偏离更迟施加的第二绝缘层最大10%,优选最大5%和特别优选最大2%，例如1%。各个热膨胀系数的调整在这里可通过添加氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化钡或其他金属氧化物来实现。还可能和有利的是，通过适当弓I入多孔性以使第一绝缘层22的弹性模量适应第二绝缘层24的弹性模量。所述多孔性在这里通过加入起泡剂进行调整，所述起泡剂通常由碳基材料构成。这些起泡剂在烧结时挥发或烧掉，优选无残余地挥发或烧掉，留下空腔。固体电解质12然后与电极14、16、参考通道20和第一绝缘层22 —起烧结。所述烧结例如可在从900°C到1400°C的温度下进行很多小时。
[0043]已经制造完成的，即已经烧结的固体电解质12连同已经布置在其上的电极14、16、引入的参考通道20和施加的第一绝缘层22适于按照下面的方法步骤布置加热元件18。在这里，加热元件按压、缠绕、涂刷或涂抹在已经烧结的固体电解质12的第一绝缘层22上，例如通过糊剂或墨水，或者通过转印技术实施为预制的贴花。加热元件18优选由钼系金属族的金属制成，例如钼、铑、钯、金或者其他过渡金属，例如铬、钨或钥，或者它们的合金。特别地，固体电解质12的加热元件18的几何形状适应安装要求。特别地，在设计加热元件18时应使输入电功率主要在加热区域中，即在传感器元件10的测量单元的区域中，转换。测量单元在这里是加热元件18的区域，它与电极14、16相重叠，这可通过加热元件18的电阻的相应布置实现，其中，在测量区域中，即测量单元的区域中设置例如8欧姆到20欧姆的电阻，例如10欧姆的电阻，并且在引线区域中设置从I欧姆到3欧姆的电阻。它的实现方式例如是加热体在加热区域中比在引线区域中具有更小的横截面。加热元件18接着涂敷第二绝缘层24或保护釉，第二绝缘层24或保护釉同样可施加为糊剂或墨水或者预制的贴花。接着执行干燥工序和此后还行热处理，例如再次执行烧结工序，例如在从90(TC到1250°C的温度下停留很多小时。第二绝缘层24或保护釉在这里由于第一绝缘层22类似的材料制成，但因为第二绝缘层24或保护釉的成分在低温时与加热元件18结合，第二绝缘层24或保护釉被烘烤并且持久地粘贴在第一绝缘层22上。第一绝缘层22和第二绝缘层24优选薄薄地实施有所谓的厚度，并且用例如氧化铝的材料(所述材料不仅电绝缘，而且具有高的导热性)制成。
[0044]图2示出根据第二实施例的传感器元件10的横截面图，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示。
[0045]传感器元件10同样具有固体电解质12，其中，加热元件18布置在固体电解质12的与第一电极14对置的侧上。特别地，加热元件18嵌入到绝缘层22中，并且利用粘结剂26牢固地布置在固体电解质12上。特别地，粘结剂26布置为层的形式，其中粘结剂26的层厚是2 μ m到300 μ m,优选5 μ m到250 μ m和特别优选IOym到200 μ m,例如50 μ m。粘结剂26是用耐高温材料制成的。备选地，也可使用其它耐高温材料，这些耐高温材料适于使加热元件18或绝缘层22持久地固定在固体电解质12上，例如是玻璃陶瓷或玻璃熔料。
[0046]传感器元件10的制造方法在这里可以是使固体电解质12处于蓬松状态，即未烧结状态，以已知的方法通过例如厚层技术和/或薄膜层压技术和/或丝网印刷方法和/或喷溅方法设置功能层，尤其是电极14、16和参考通道20。固体电解质12然后与电极14、16和参考通道20 —起烧结。所述烧结例如可以在从900°C到1400°C的温度下经很多小时来进行。
[0047]已经制造完成的，即已经烧结的固体电解质12与已经布置在其上的电极14、16和引入的参考通道20然后以适于布置加热元件18的下述方法步与第一电极14对置的侧上，涂敷方法例如是通过刷子或涂刷器涂刷，利用丝网印刷或塞子挤压的按压，喷溅或作为贴花粘贴。选择的粘结剂26的层厚应使粘结剂26的厚度在热处理，即接着叙述的热处理以后达到2 μ m到300 μ m,优选5 μ m到250 μ m和特别优选IOym到200 μ m,例如50 μ m。必要时，为了涂敷粘结剂26，需要使开发新材料或者适应现有的材料系统。因此可使用例如陶瓷粘结剂、玻璃陶瓷或玻璃熔料。特别地，使用粘结剂26，粘结剂26进行下述热处理，它的热膨胀系数与固体电解质12的和加热元件18的热膨胀系数相同，或者尽管在技术上不可能，它的热膨胀系数近似是固体电解质12和加热元件18的热膨胀系数的算术平均值。例如固体电解质12的热膨胀系数是10χ10_61/Κ，加热元件18的热膨胀系数是6χ10_61/Κ，因而使用的粘结剂26在热处理后具有热膨胀系数8χ10_61/Κ。
[0048]预制的加热元件18施加到粘结剂26上，加热元件18嵌入到绝缘层22中，S卩加热元件18和绝缘层22处于烧结状态。将加热元件18嵌入到绝缘层22中的实现方式例如是加热元件18例如通过按压或涂刷糊剂,施加到绝缘层22的第一部分上,接着加热元件18覆盖绝缘层22的第二部分。通过后续的烧结工序，绝缘层22的第一部分和第二部分形成整体连接，从而绝缘层22的两个部分也不再能被区分开，仅仅绝缘层22中设有加热元件18。在计算加热元件的上述热膨胀系数时要注意绝缘层22和嵌入其中的加热元件18的联系。绝缘层22因而用作加热元件18的承载件，因为它承载加热元件18，尤其是承载在自身中。作为加热元件18的承载材料，可使用的材料例如是优选由氧化铝、碳化硅、氮化铝、氧化镁、钡滑石、滑石和/或堇青石或者商业上常用的其他陶瓷绝缘材料构成。这些材料是电绝缘的并且具有高的导热性。优选使用钼、铑、钯、金、铬、钨、钥或其合金作为加热元件18的材料。特别地，固体电解质12的加热元件18的几何形状满足装配要求。绝缘层22的厚度例如是60 μ m，因此绝缘层22优选实施为薄的。特别地，加热元件18的设计方式是使输入的电功率主要在加热区域中转换，加热区域是加热元件18中传感器元件10的测量单元区域所占用的部分。所述测量单元同固体电解质12的具有电极14、16的区域相重叠。
[0049]接着，固体电解质12、粘结剂26、和绝缘层22连同嵌入其中的加热元件18经过热处理。这个热处理例如是在最高1000°c的温度，优选从400°C到800°C的温度，例如在600°C的温度下经过12小时以上的退火，接着在低温下进行烧结工序。在这里通过辐射和对流进行热传递。在这个实施例中不需要使固体电解质12、粘结剂26、和绝缘层22连同嵌入其中的加热元件18 —起烧结，因为固体电解质12和加热元件18在分开制造的情形下已经经历了烧结工序。所述退火优选用于使粘结剂26硬化，因而粘结剂26使绝缘层22和固体电解质12持久地连接。
[0050]图3示出根据第三实施例的传感器元件10的横截面图，下面只描述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示。
[0051]传感器兀件10同样具有固体电解质12和第一电极14、第二电极16和在固体电解质12中布置的参考通道20。加热元件18布置在固体电解质12的与第一电极14对置的侧上，被嵌入到绝缘层22中。第三实施例与第二实施例的不同点在于在固体电解质12和绝缘层22之间不设置用于连接的粘结剂，即绝缘层22连同嵌入其中的加热元件18不再用粘结剂固定在固体电解质12上。
[0052]与第二实施例相比，在制造第三实施例的传感器元件10时不使用粘结剂26，而是已经制造完成的固体电解质12，即烧结的固体电解质12与已经布置在固体电解质12上的电极14、16和引入在固体电解质12中的参考通道20制成。固体电解质12和所谓的功能层的制造完成在这里例如如同第二实施例中所述的那样。绝缘层22连同嵌入其中的加热元件18在已经制造完成状态中，即烧结状态中布置在固体电解质12的与电极14对置的侧上。接着，固体电解质12和施加到其上的绝缘层22机械连接。这例如通过将固体电解质12与布置在固体电解质12上的绝缘层22布置在造型模具中，然后进行挤压。用来挤压的力小于固体电解质12的材料强度，也小于绝缘层22连同嵌入其中的加热元件18的材料强度，可以是例如50kN。通过挤压，尤其在固体电解质12和绝缘层22的接触表面的区域中达到压缩，从而这取决于所使用的力在表面相互挤压。接着，固体电解质12和与固体电解质12相连接的绝缘层22从造型模具脱模，经过热处理。这个热处理例如是在最高1000°C的温度，优选从400°C到800°C的温度，例如600°C的温度下12小时以上，实现为退火，和在低温下实现为烧结工序。此时通过热辐射和对流进行热传递。在这个实施例中不需要固体电解质12和绝缘层22连同嵌入绝缘层22中的加热元件18 —起烧结，因为固体电解质12和加热元件18在它们分开制造时已经经过了烧结工序。所述退火优选用于稳定固体电解质12和绝缘层22之间的机械连接。这同样导致固体电解质12与绝缘层22持久地粘附连接。也许绝缘层22和具体电解质12之间的空气隙能够通过相应地增大加热元件18的加热功率进行补偿。另外有利的是，绝缘层22和固体电解质12的接触表面或者绝缘层22和固体电解质接触表面中的至少一个在机械连接前被磨削。由此在挤压时力均匀地分布到绝缘层22和固体电解质12的接触表面上，并且绝缘层22和固体电解质12之间的连接通过共同的接触表面均匀地保持稳定。
[0053]对于所有前述实施例，使用的加热元件18具有冷态总电阻从8欧姆到20欧姆。此夕卜，所有传感器元件的长度最大值为55mm,优选为45mm,更优选最大值为40mm,其宽度最大值为8mm,优选最大值为7mm和更优选最大值为6mm,传感器元件例如具有长度35mm和宽度5mm ο
[0054]应明确强调的是，所有在说明书和权利要求中公开的特征在原始公开的意义上应看做分开的和彼此独立的，并且同样在限制要求保护的发明的意义上应看作独立于在实施例和/或权利要求中公开的特征组合。应清楚理解的是，在原始公开的意义上并且同样在限制要求保护的发明的意义上，所有范围数据或单元组的数据公开了每个可能的中间值或每个可能的子组，尤其也作为范围数据的边界值。
【权利要求】
1.一种制造传感器元件(10)的方法，所述传感器元件(10)用于获取至少气体空间中气体的至少一种性能，尤其是用于探测气体中的气体成分或者气体的温度，所述方法包括以下步骤: -提供已被烧结的固体电解质(12)， -把加热元件(18 )布置在所述固体电解质(12 )上或其中，和 -一起热处理所述固体电解质(12 )和加热元件(18 )。
2.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述加热元件(18)在未烧结状态中布置在所述固体电解质(12 )上或其中，并且所述热处理是烧结。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述固体电解质(12)具有绝缘层(22 )，所述加热元件(18 )布置在所述绝缘层(22 )上，并且所述加热元件(18 )在热处理之前涂敷一层绝缘层(24)和/或保护釉。
4.根据前述权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固体电解质(12)的绝缘层(22)的热膨胀系数偏离所述加热元件(18)的绝缘层(24)的热膨胀系数最大10%，优选最大5%和特别优选最大2%，例如1%。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述固体电解质(12)的绝缘层(22)在与所述加热元件(18)—起烧结后具有厚度从2 μ m到100 μ m,优选5 μ m到75 μ m和特别优选从10 μ m到50 μ m。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加热元件(18)通过按压、缠绕、涂刷或涂抹布置在所述固体电解质(12 )上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热元件(18)在蓬松状态中布置在所述固体电解质(12)上或其中，并且所述热处理是退火。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述加热元件(18)通过粘结或机械连接，尤其是挤压，布置在所述固体电解质(12)上或其中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述加热元件(18)与固体电解质(12)利用耐高温材料进行连接，所述耐高温材料尤其是玻璃陶瓷、陶瓷粘结剂(26)或玻璃熔料。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，使用粘结剂(26)来连接所述加热元件(18)和固体电解质(12)，所述粘结剂(26)是通过涂刷、涂抹、按压、喷溅或者作为贴花施加到所述固体电解质(12)上的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述粘结剂(26)在烧结后具有厚度从2 μ m至Ij 300 μ m和优选5 μ m至Ij 250 μ m和特另U优选从IOym至Ij 200 μ m。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加热元件(18)具有冷态总电阻从6欧姆到22欧姆和优选从8欧姆到20欧姆。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，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消耗功率最大值5W，优选4W和更优选3.5W，例如消耗功率5W。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器元件(10)具有长度最大值55mm,优选最大值45mm和更优选最大值40mm,宽度最大值8mm,优选最大值7mm和更优选最大值6mm,例如长度35mm和宽度5mm。
【文档编号】G01N27/407GK103765203SQ201280042715
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年7月23日 优先权日:2011年9月6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