传感器元件和具有传感器元件的废气传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有传感器装置和加热装置的传感器元件，其中所述传感器装置能够通过所述加热装置来加热，其中所述加热装置具有有导电能力的加热结构，所述加热结构至少部分地通过具有电绝缘的材料的电绝缘机构与所述传感器装置电绝缘，其中所述电绝缘的材料具有气密地烧结的微粒，其中所烧结的微粒具有镁橄榄石微粒、尖晶石微粒或者由镁橄榄石微粒与尖晶石微粒构成的混合物。这样的传感器元件尤其在可制造性方面具有优点。此外，本发明涉及一种废气传感器、一种用于制造传感器元件的方法以及由镁橄榄石或者尖晶石构成的微粒的使用或者前面提到的、尤其是具有处于小于或者等于200nm的范围内的、平均的大小D50的微粒的混合物的使用，用于制造传感器元件的加热结构的电绝缘机构。
【专利说明】传感器元件和具有传感器元件的废气传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有加热装置和能够通过所述加热装置来加热的传感器装置的 传感器元件。此外，本发明涉及一种具有这样的传感器元件的废气传感器。
【背景技术】
[0002] 对于大量的传感器来说，需要并且使用传感器元件。比如传感器元件用在废气传 感器中。这样的传感器元件目前用加热装置来制造，所述加热装置通过绝缘层在电方面与 有源的传感器装置绝缘。这样的绝缘层在此依照传统由氧化铝来制成。
[0003] 由文献DE 102 06 197 A1比如公开了一种具有传感器结构的传感器元件，其中所 述传感器结构能够借助于所述加热结构来加热。在此所述加热结构按照该公开文献被加入 在两个电绝缘的、由氧化铝构成的衬层之间。
[0004] 此外，由文献DE 30 14 871 A1公开了一种用于将钼喷涂到固体电解质本体上的 方法，用于形成用于电化学的废气-氧气传感器的废气电极。在该公开文献中未对加热元 件的电绝缘进行说明。
【发明内容】
[0005] 本发明的主题是一种具有传感器装置和加热装置的传感器元件，其中所述传感器 装置能够通过所述加热装置来加热，其中所述加热装置具有有导电能力的加热结构，所述 加热结构至少部分地通过具有电绝缘的材料的电绝缘机构与所述传感器装置电绝缘，其中 所述电绝缘的材料具有气密地烧结的微粒，其中所烧结的微粒具有镁橄榄石微粒、尖晶石 微粒或者由镁橄榄石微粒与尖晶石微粒构成的混合物。
[0006] 传感器装置尤其可以是指所述传感器元件的主动的测量区域。可以像对于气体传 感器、比如氧传感器或者氧化氮传感器来说对于本领域的技术人员来讲本身熟知的那样来 比如并且无限制地构成传感器装置。比如传感器装置在本发明的意义上可以在像示范性地 在公开文献DE 199 06 908 A1中详细说明的那样的装置的基础上来构成。
[0007] 加热装置在本发明的意义上尤其可以是指每种装置或者每种构件，所述装置或者 构件可以用于对其它构件进行温度控制（Temperieren)或者加热。其中所述加热装置尤其 可以具有有导电能力的加热结构，这种加热结构可以是所述加热装置的、起作用的部分并 且由此比如施加对于加热来说必要的热量。有导电能力的加热结构在此尤其可以是指这样 的结构，它如此具有导电能力，从而在通电时尤其能够产生焦耳热。在此可以根据所期望的 所产生的热量来选择所述导电能力。比如具有处于大约5欧姆的范围内的电阻的材料可能 是有利的。
[0008] 此外，电绝缘机构或者电绝缘的材料尤其可以是指一种这样的材料，它具有一种 电阻，所述电阻在温度为1000°C时处于大于或者等于10 5欧姆的范围内。
[0009] 下面被称为镁橄榄石的材料在本发明的意义上尤其可以是指比如具有化学成分 Mg2[Si04]的矿物材料。
[0010] 下面被称为尖晶石的材料在本发明的意义上尤其可以是指比如具有化学成分 MgAl204的矿物材料。
[0011] 此外，烧结的微粒在本发明的意义上尤其可以是指固体或者固体粒子，所述固体 或者固体粒子通过烧结过程气密地彼此相连接或者被固定在彼此上面。
[0012] 前面所描述的传感器元件尤其能够在得到改进的制造条件下面来制造并且其中 尤其有效率。
[0013] 为此，所述传感器元件一方面包括传感器装置。该传感器装置在此可以像对于不 同的传感器来说可能常见的那样以不同的方式来构成。比如所述传感器装置可以像对于废 气传感器来说、像比如对于氧传感器或者氧化氮传感器来说所熟知的那样来构成。
[0014] 此外，所述传感器元件包括加热装置，该加热装置尤其用于对所述传感器装置进 行温度控制或者加热。所述加热装置为了产生热量在此尤其包括有导电能力的加热结构， 该加热结构可以通过导电、尤其是通过焦耳热来产生热。通过所述加热装置的设置，由此可 以为了构造合适的探测条件而对所述传感器装置进行加热。
[0015] 为了使所述传感器装置与所述加热装置或者尤其所述有导电能力的加热结构在 电方面绝缘，设置了具有电绝缘的材料的电绝缘机构，所述电绝缘的材料可以至少部分地 尤其可以完全布置在所述传感器装置与所述加热装置之间。其中所述电绝缘机构可以防止 所述传感器元件的测量受到负面的影响、尤其被歪曲。其中所述电绝缘的材料具有烧结的 微粒，其中所述烧结的微粒具有镁橄榄石微粒、尖晶石微粒或者由镁橄榄石微粒和尖晶石 微粒构成的混合物。所述电绝缘的材料在此可以以100%的重量百分比由镁橄榄石微粒构 成或者以100%的重量百分比由尖晶石微粒构成，其中最后一种设计方案在热力学上非常 稳定。但是，所述电绝缘的材料也可以按需要由混合物构成，该混合物以100%的重量百分 比由镁橄榄石微粒和尖晶石微粒构成。
[0016] 比如所述电绝缘机构基本上可以完全覆盖所述加热结构，尤其在这种设计方案中 可以防止通过所述有导电能力的加热结构而出现对于测量性能的负面的影响。其中尤其在 制造前面所描述的传感器元件时能够实现完全的覆盖，因为这里能够获得密封的并且充分 的烧结效果。
[0017] 所述电绝缘的材料由镁橄榄石并且/或者由尖晶石构成，由此尤其相对于从现有 技术中知道的方法可以显著地改进所述制造方法。详细来讲，镁橄榄石和尖晶石具有以下 优点：它们在温度较低时就能够烧结。由此能够实现这一点：在制造所述传感器元件时，尤 其在烧结过程中，较低的温度就已足够。由此可以防止特定的、在烧结过程中不受欢迎的并 且在温度较高时出现的反应。
[0018] 尤其可以防止在烧结过程中所述加热结构的材料或者所述传感器元件的电极材 料受到负面的影响。这样的负面的影响比如可能在于形成具有所述加热结构的尤其是所述 电极结构的、变化的结构的、所谓的小岛区域（Inse lbere i ch )，所述小岛区域可能中断所述 加热结构的或者所述电极结构的连接。这会降低所述加热结构的或者所述电极的活动性并 且由此负面地影响所述传感器元件的工作。通过使用更低的烧结温度的可能性，可以减少 或者甚至完全阻止小岛区域的这样的构造情况。由此能够实现这一点：所述加热结构可以 更加有效地工作，这能够实现更低的能量输入以及尤其确定的加热条件或者运行条件。此 夕卜，由此能够相对于从现有技术中知道的解决方案更加确定地或者更加精确地实现所述测 量性能。除此以外，所使用的、用于所述加热结构的材料的量相对于从现有技术中知道的传 感器元件明显得到降低，这也可以降低用于所述加热结构的材料的成本投入。由此传感器 元件不仅能够更加无误差地而且此外能够成本更加低廉地来制造。
[0019] 除此以外，过程条件可以通过更低的烧结温度来得到改进，因为为了进行加热所 需要的能量输入更少并且此外向所述烧结装置提出的要求更低。
[0020] 原则上，在制造前面所描述的传感器元件时，能够用1300°c的最大温度来实现共 烧过程，该共烧过程可以比如在所述加热结构的金属的状态中减少或者甚至完全阻止不受 欢迎的杂质形成情况。
[0021] 但是，除此以外，镁橄榄石和尖晶石能够容易地与大量的基片材料并且也与所述 加热结构的大量合适的材料烧结在一起，从而可以容易地实现所述传感器元件的制造。除 此以外，尤其镁橄榄石和尖晶石具有处于在温度为600°C时高达ΙΟ 5 Ω/m或者甚至在此之上 的范围内的、有利的绝缘质量或者有利的绝缘强度，所述绝缘质量或者绝缘强度比如可以 与氧化铝的绝缘质量或者绝缘强度相类似，所述氧化铝目前可以用作绝缘材料，但是在制 造所述传感器元件时尤其由于温度而可能导致更为麻烦的过程。此外，镁橄榄石和尖晶石 可以用粉末技术来加工成有丝网印刷能力的膏体，使得所述传感器元件的制造方法与从现 有技术中知道的绝缘材料比如尤其氧化铝相比没有明显地受到负面的影响。由此对于这样 的温度来说已经能够很好地结合到基片上。
[0022] 在此，所述电绝缘机构可以通过所述烧结过程而气密。尤其对于气密的电绝缘结 构来说，所述传感器元件的应用领域可以特别地广泛。详细来讲，传感器元件在这种设计方 案中尤其可以适合于气体传感器、比如适合于废气传感器。所述气密性在此可以有利地通 过对于在制造时所使用的微粒的、合适的选择来调节。尤其，如果在制造过程中使用具有镁 橄榄石或者具有尖晶石的微粒或者相应的微粒混合物，所述微粒具有处于小于200nm的范 围内的大小，那就能够实现所烧结的层的、特别有效的并且有特色的气密性。而后详细来讲 这一点能够如此得到实现，使得所述微粒尤其与基片一起气密地烧结在一起。
[0023] 最后，镁橄榄石和尖晶石在其热膨胀系数方面尤其容易地与大量在制造传感器元 件时所使用的材料相匹配。尤其所述热膨胀系数非常接近于氧化锆，这不仅能够实现无缺 陷的制造而且也能够在测量时存在提高的温度的情况下实现无故障的并且稳定的运行。此 夕卜，以下方面有助于稳定性的改进：镁橄榄石和尖晶石也在热液方面是稳定的。其中尤其由 镁橄榄石和尖晶石构成的混合物能够使所述热膨胀系数特别精确地比如与YSZ陶瓷相匹 配。
[0024] 总之，通过镁橄榄石和/或尖晶石的使用能够获得明显得到改进的可制造性并且 此外能够获得所定义的测量性能。
[0025] 在一种设计方案的范围内，所述加热结构可以由钼构成。尤其钼可以适合于通过 通电来引起加热效应并且就这样对所述传感器元件或者所述传感器结构进行加热。除此以 夕卜，钼可以特别有利地与镁橄榄石和/或尖晶石密封地烧结在一起，这能够特别有效地实 现潜在所期望的气密性。此外，镁橄榄石和/或尖晶石的使用尤其在与钼的组合中作为加 热结构是有利的，因为钼在温度处于低于1400°C比如1380°C的范围内时强烈地烧结在一 起并且由此降低其尤其在加热能力方面的活性。因此，尤其在这种设计方案中钼-加热结 构的有利的特性能够在一种成本低廉的并且降低了误差的制造方法中得到实现。
[0026] 在另一种设计方案的范围内，所述电绝缘机构可以被施加到基片上，其中所述基 片由二氧化锆所构成。尤其所述基片可以由YSZ (钇稳定的二氧化锆)。已经能够发现，尤 其YSZ可以与镁橄榄石和/或尖晶石构成有丝网印刷能力的印刷膏并且此外特别牢固并且 气密地与镁橄榄石和/或尖晶石在温度低于1300°C时在共烧过程中烧结在一起。除此以 夕卜，氧化锆比如YSZ的热膨胀系数和镁橄榄石和/或尖晶石的热膨胀系数有利地彼此相匹 配，从而尤其在这种设计方案中能够制造特别稳定的传感器元件。
[0027] 关于其它的优点和特征就此明确地参照结合所述按本发明的方法、所述按本发明 的废气传感器以及所述使用情况所作的解释。所述按本发明的传感器元件的、按本发明的 特征及优点也应该能够用于所述按本发明的废气传感器和所述按本发明的方法以及所述 按本发明的使用情况并且视为得到公开并且反之亦可。所有由至少两种在说明书、权利要 求和/或在附图中所公开的特征构成的组合也属于本发明。
[0028] 此外，本发明的主题是一种废气传感器，该废气传感器具有如前面所描述的那样 构成的传感器元件。这样的传感器尤其可以具有特别好的稳定性并且在此能够实现特别可 靠的测量。除此以外，这样的传感器尤其在可制造性方面、比如尤其是在烧结过程的必要的 温度方面提供优点。这样的废气传感器在此尤其可以是氧化氮传感器、氧传感器或者类似 的传感器。
[0029] 关于其它的优点和特征就此明确地参照结合所述按本发明的方法、所述按本发明 的传感器元件以及所述按本发明的使用情况所作的解释。所述按本发明的传感器元件的、 所述按本发明的方法的以及所述按本发明的使用情况的、按本发明的特征及优点也应该能 够用于所述按本发明的废气传感器并且视为得到公开并且反之亦可。所有由至少两种在说 明书、权利要求和/或在附图中所公开的特征构成的组合也属于本发明。
[0030] 此外，本发明的主题是一种用于制造传感器元件、尤其如前面一样详细地得到解 释的传感器元件的方法，该方法具有以下方法步骤： a) 提供具有镁橄榄石和尖晶石或者由镁橄榄石和尖晶石构成的混合物的粉末混合 物； b) 将分散剂添加到所述粉末混合物中； c) 在加入加热结构的情况下使所述在方法步骤b)中得到的混合物成形；并且 d) 对所成形的混合物进行烧结。
[0031] 通过前面所描述的方法可以制造一种传感器元件，该传感器元件的突出之处可能 在于，其由于烧结温度的降低而可以在烧结过程中允许节省成本。除此以外，所述由具有镁 橄榄石、尖晶石或者由镁橄榄石和尖晶石构成的混合物的粉末混合物产生的、电绝缘的材 料可以在其热膨胀系数（TEK)方面与基片相匹配，这允许获得更高的稳定性。此外，首先能 够由于更低的烧结温度而实现所述电极的、比如钼电极的以及所述加热结构的、更高的活 动性。由此所述电极保持更为透气的结构并且人们得到更为扩大的三相区。
[0032] 为此，所述方法首先按照方法步骤a)包括提供具有镁橄榄石、尖晶石或者由镁橄 榄石和尖晶石构成的混合物的粉末混合物这个步骤。其中比如可以为了达到合适的微粒大 小而通过比如在球磨机中将相应的材料磨碎这种方式来提供所述粉末混合物。此外，其中 可以通过磨碎过程来得到非常均匀的微粒混合物。
[0033] 按照方法步骤b)，现在将分散剂添加到所述粉末混合物中。通过分散剂的添加，尽 管较高的BET表面也可以将所述粉末加工成有丝网印刷能力的膏体。合适的分散剂在此示 范性地并且不受限制地包括油酸。
[0034] 按照方法步骤c)，现在使所述在方法步骤b)中得到的混合物成形。这比如可以通 过丝网印刷方法来进行，其中可以将所述在方法步骤b)中产生的、尤其膏状的材料施加到 基片上，比如施加到YSZ基片上。此外，这样的膏体（Pate)适合于制造薄膜传感器。此外， 其中将加热结构、比如合适的钼结构加入到所述混合物中。比如可以将所述具有分散剂的 微粒混合物借助于丝网印刷来印刷到基片上，随后同样比如借助于丝网印刷将所述加热结 构施加到前面所印刷的混合物的、所期望的区域上。接着又以有利的方式借助于丝网印刷 来再度施加所述具有分散剂的微粒混合物，用于最佳地以电绝缘的方式将所述加热结构覆 盖。
[0035] 最后，按照方法步骤d)对所成形的混合物进行烧结。在此尤其实施所谓的共烧， 也就是将在方法步骤c)中制造的结构与施加到其上面的、比如薄膜状地构成并且层压的传 感器装置一起烧结。合适的烧结温度在此可以示范性地处于低于1300°C的范围内。
[0036] 在一种设计方案的范围内，可以提供一种粉末混合物，其微粒具有处于小于或者 等于200nm的范围内的、平均的大小D50。尤其所述微粒可以具有处于小于或者等于100nm 的范围内的、平均的大小D50。尤其在这种设计方案中，可以实现所述传感器元件的、特别有 利的烧结特性。详细来讲，尤其可以通过对于合适的微粒大小的设定在烧结之前降低所需 要的烧结温度，由此尤其在这种设计方案中能够特别有效地实现如前面所解释的那样的、 较低的烧结温度的优点。其中平均的大小D50尤其可以是指，现存的微粒的至少50%具有 这样的大小或者尤其是最大的直径或者处于当前的大小范围内。但是，所述微粒大小在此 在本发明的意义上应该是指一种大小，所述单个的微粒包含这种大小，即使其可能与其它 的微粒或者其它的材料进行了材料连接。其中可以将所述微粒大小选择得足够大，用于得 到有丝网印刷能力的膏体。其中可以根据所使用的分散剂来选择最小的微粒大小。
[0037] 在另一种设计方案的范围内，可以在球磨机中将所述微粒磨碎。尤其通过在球磨 机中将微粒磨碎的方式，如此得到的微粒可以具有所定义的并且统一的微粒大小。由此能 够实现尤其确定的烧结特性，这又可以实现尤其确定的产品。
[0038] 关于优点和特征就此明确地参照结合所述按本发明的使用情况、所述按本发明的 传感器元件以及所述按本发明的废气传感器所作的解释。所述按本发明的方法的、按本发 明的特征及优点也应该能够用于所述按本发明的废气传感器、所述按本发明的使用情况以 及所述按本发明的传感器元件并且视为得到公开并且反之亦可。所有由至少两种在说明 书、权利要求和/或在附图中所公开的特征构成的组合也属于本发明。
[0039] 此外，本发明的主题是由镁橄榄石或者尖晶石构成的微粒的或者前面提到的、尤 其具有处于小于或者等于200nm的范围内的平均的大小D50的微粒的混合物的使用，用于 制造尤其是用于废气传感器的、传感器元件的、加热结构的电绝缘机构。
[0040] 关于优点和特征就此明确地参照结合所述按本发明的方法、所述按本发明的传感 器元件以及所述按本发明的废气传感器所作的解释。所述按本发明的使用情况的、按本发 明的特征及优点也应该能够用于所述按本发明的废气传感器、所述按本发明的方法以及所 述按本发明的传感器元件并且视为得到公开并且反之亦可。所有由至少两种在说明书、权 利要求和/或在附图中所公开的特征构成的组合也属于本发明。
【权利要求】
1. 具有传感器装置和加热装置的传感器元件，其中所述传感器装置能够通过所述加热 装置来加热，其中所述加热装置具有有导电能力的加热结构，所述加热结构至少部分地通 过具有电绝缘的材料的电绝缘机构与所述传感器装置电绝缘，其中所述电绝缘的材料具有 气密地烧结的微粒，其中所烧结的微粒具有镁橄榄石微粒、尖晶石微粒或者由镁橄榄石微 粒与尖晶石微粒构成的混合物。
2. 按权利要求1所述的传感器元件，其中所述加热结构由钼构成。
3. 按权利要求1或2中任一项所述的传感器元件，其中所述电绝缘机构被施加到基片 上，其中所述基片由二氧化锆所构成。
4. 废气传感器，具有按权利要求1到3中任一项所述的传感器元件。
5. 用于制造按权利要求1到3中任一项所述的传感器元件的方法，具有以下方法步 骤： a) 提供具有镁橄榄石、尖晶石或者由镁橄榄石和尖晶石构成的混合物的粉末混合物； b) 将分散剂添加到所述粉末混合物中； c) 在加入加热结构的情况下使所述在方法步骤b)中得到的混合物成形；并且 d) 对所成形的混合物进行烧结。
6. 按权利要求5所述的方法，其中提供一种粉末混合物，其微粒具有处于小于或者等 于200nm的范围内的、平均的大小D50。
7. 按权利要求5或6所述的方法，其中在球磨机中将所述微粒磨碎。
8. 由镁橄榄石或者尖晶石构成的微粒的或者前面提到的、尤其是具有处于小于或者等 于200nm的范围内的平均的大小D50的微粒的混合物的使用，用于制造尤其是用于废气传 感器的、传感器元件的加热结构的电绝缘机构。
【文档编号】G01N27/407GK104062343SQ201410104434
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2013年3月21日
【发明者】G.厄勒, I.赫伦 申请人:罗伯特·博世有限公司