由现有技术已知用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性的多种传感器元件和方法。在此，基本上可以涉及测量气体的任意的物理特性和/或化学特性，其中，可以检测一种或多种特性。以下尤其参考测量气体的气体成分的份额的定性检测和/或定量检测、尤其参考测量气体中的氧份额来描述本发明。然而，替代地或附加地，也能够检测测量气体的其他特性、例如温度。
这种传感器元件例如可以构型成所谓的λ探测器、如其例如由konradreif(著作者)的《sensorenimkraftfahrzeug》(2010年第一版，第160-165页)已知的那样。借助宽带λ探测器、尤其借助平面的宽带λ探测器例如可以在大范围中确定废气中的氧浓度并且因此推断出燃烧室中的空燃比。空气系数λ描述了所述空燃比。
由现有技术尤其已知陶瓷传感器元件，其基于确定的固体的电解特性的应用，即基于所述固体的离子传导特性。所述固体尤其可以涉及陶瓷固体电解质、例如二氧化锆(zro2)、尤其钇稳定的二氧化锆(ysz)和掺杂钪的二氧化锆(scsz)，它们可以包含氧化铝(al2o3)和/或氧化硅(sio2)的少量添加物。
虽然由现有技术已知的传感器元件具有大量优点，但这些传感器元件仍包含改善潜力。因此，为了测量汽车废气中的氧浓度和/或氮浓度，使用陶瓷废气传感器。在发动机启动之后，借助集成加热器在几秒内将所述陶瓷传感器加热到约700℃至800℃的运行温度上。直至到达该运行温度的时间、即所谓的快起燃时间强烈取决于在加热器中实施的加热功率。此外，加热能量越局部化地被引入到能斯特电极附近，则快起燃时间越短，因为在此通过内部电阻测量来实现温度确定。能够引入加热器的最大加热功率还受到如下限制：发动机控制设备中的输出级的最大电流强度；在不损坏材料情况下，加热器回曲
技术实现要素：
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，该传感器元件至少在很大程度上避免已知传感器元件的缺点，并且在该传感器元件的情况下，尤其存在改善的加热特性。
根据本发明的传感器元件包括具有至少一个电化学电池的陶瓷层结构，该传感器元件用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性、尤其用于检测测量气体中的气体成分的份额或测量气体的温度。该电化学电池具有至少一个第一电极、第二电极以及至少一个连接第一电极与第二电极的固体电解质。在层结构中构造有电极腔。在此，第二电极如此布置在层结构中，使得第二电极配属于电极腔或暴露于(aussetzen)电极腔。第二电极具有至少一个第一外直径，所述至少一个第一外直径大于电极腔的第一外直径。
通过改变空腔几何形状，可以使包围电极腔的密封框架加宽到电极腔的高度上。在传感器元件的总宽度给定的情况下，通过加宽密封框架，传热面积显著增加。这导致空腔的底侧与上侧之间的温度差减小，并且因此导致热机械应力减小。热机械应力的减小能够允许借助更高的加热电压更快地进行加热。由于第二电极的外直径大于电极腔的外直径，借助铂实现外部空腔棱边的填充，这使该区域内的切口应力减小并且允许陶瓷断裂前的塑性变形。
电极腔可以环形地构造。在此，环形应理解为自身封闭的轮廓，其不一定必须是圆环形的。该电极腔具有至少两个电极腔圆区段，它们相对置，电极腔的中心处于它们之间。电极腔的第一外直径由所述两个电极腔圆区段定义。第二电极也可以环形地构造并且具有至少两个电极腔圆区段，它们相对置，第二电极的中心处于它们之间。第二电极的第一外直径可以由所述两个电极圆区段定义。两个电极腔圆区段与两个电极圆区段可以彼此平行布置。相应区段例如彼此平行地上下叠置。两个电极腔圆区段可以具有相同的半径。两个电极圆区段可以具有相同的半径。该电极腔可以具有至少两个电极腔直区段，它们相对置，电极腔中的中心处于它们之间。电极腔的第二外直径可以由它们定义。第二电极可以具有至少两个电极直区段，它们相对置，第二电极的中心处于它们之间。第二电极的第二外直径可以由所述两个电极直区段定义。第二电极的第二外直径可以大于电极腔的第二外直径。两个电极腔直区段与两个电极直区段可以彼此平行布置。层结构可以具有连接侧、前侧、上侧、下侧以及两个侧面，其中，这些侧面使上侧与下侧连接。两个电极腔直区段与两个电极直区段可以相对于侧面平行布置。两个电极腔圆区段可以具有不同的半径。两个电极圆区段可以具有不同的半径。电极腔可以具有至少两个电极腔直区段，它们相对置，电极腔中的中心处于它们之间。电极腔的第二外直径可以由它们定义。第二电极可以具有至少两个电极直区段，它们相对置，第二电极中的中心处于它们之间。两个电极腔直区段与两个电极直区段可以彼此平行布置。第二电极的第二外直径可以由它们定义。第二电极区段的第二外直径可以大于电极腔的第二外直径。层结构可以具有连接侧、前侧、上侧、下侧以及两个侧面，其中，这些侧面使上侧与下侧连接。第一电极腔圆区段可以朝向前侧，第二电极腔圆区段可以朝向连接侧。第一电极腔圆区段可以具有与第二电极腔区段相比更大的半径。第一电极圆区段可以朝向前侧，第二电极圆区段可以朝向连接侧。第一电极圆区段可以具有与第二电极区段相比更大的半径。
在本发明的范畴内，“层结构”通常应理解为如下元件：该元件具有至少两个上下叠置的层和/或层平面。在此，由层结构的制造所限定，这些层可以可不同地制造、和/或由不同材料和/或初始材料制造。该层结构尤其可以完全地或部分地构型为陶瓷层结构。
在本发明的范畴内，“固体电解质层”应理解为具有电解特性、即离子传导特性的体或物体。尤其可以涉及一种陶瓷固体电解质。这还包括固体电解质的原材料并且因此包括作为所谓的生坯或褐变的形成，其在烧结后才变成固体电解质。该固体电解质尤其可以构造为固体电解质层或由多个固体电解质层形成。在本发明的范畴内，“层”应理解为呈一定高度面式延伸的整体质量，该整体质量处于其他元件上方、下方或之间。
在本发明的范畴内，“电极”通常应理解为如下元件：该元件能够如此接通固体电解质，使得通过固体电解质和电极能够保持电流。相应地，该电极可以包括如下元件：在该元件处，离子可以结合到固体电解质中和/或从固体电解质中分离。典型地，电极包括贵金属电极，该贵金属电极例如可以作为金属-陶瓷电极被施加在固体电解质上，或可以以其他方式与固体电解质连接。常见的电极材料是铂-金属陶瓷电极。然而原则上也能够使用其他贵金属、例如金或钯。
在本发明的范畴内，“加热元件”应理解为如下元件：该元件用于将固体电解质和电极至少加热到其功能温度上并且优选加热到其运行温度上。功能温度是如下温度：从该温度起，固体电解质对于离子导电并且该温度大约是350℃。应该由此区分运行温度：运行温度是如下温度：通常在该温度情况下运行传感器元件，并且该温度高于功能温度。运行温度例如可以是700℃至950℃。加热元件可以包括加热区域以及至少一个馈电导轨。在本发明的范畴内，“加热区域”应理解为加热元件的如下区域：该区域在层结构中沿着垂直于传感器元件表面的方向与电极重叠。典型地，加热区域在运行期间比馈电导轨更强烈地发热，使得它们能够被区分。例如可以通过如下方式实现不同的加热：加热区域具有比馈电导轨更高的电阻。加热区域和/或馈电线路例如构造成电阻导轨并且通过施加电压而发热。该加热元件例如可以由铂-金属陶瓷制成。
在本发明的范畴内，构件或元件的“厚度”应理解为层结构方向上的、并且因此垂直于层结构的各个层平面的尺寸。
在本发明的范畴内，“电化学电池”应理解为如下元件：该元件从由泵浦电池和能斯特电池构成的组中选择出。
在本发明的范畴内，电极和电极腔的外直径应理解为电极和电极腔的垂直于进气孔的延伸方向的外部尺寸。因此，平行于层结构的这些层地确定该尺寸。
本发明的基本构思在于，与传统传感器元件相比减小电极腔，使得可以增大密封框架区域。在传感器元件的总宽度给定的情况下，通过加宽密封框架增加传热面积。这导致电极腔的下侧与上侧之间的温度差减小并且因此导致热机械应力减小。热机应力的减小能够实现借助更高的加热电压快速进行加热。
附图说明
本发明的其他可选细节和特征从对优选实施例的以下描述中得出，所述优选实施例在附图中示意性示出。
附图示出：
图1示出传感器元件的分解图；
图2示出根据本发明的根据第一实施方式的传感器元件的纵截面视图；
图3示出根据本发明的根据第二实施方式的传感器元件的纵截面视图。
具体实施方式
图1中示出的传感器元件10可以用于验证测量气体的物理特性和/或化学特性，其中，可以检测一个或多个特性。以下尤其参考测量气体的气体成分的定性和/或定量检测、尤其参考测量气体中的氧气份额的检测来描述本发明。氧气份额例如可以以分压的形式和/或以百分比的形式检测。然而，原则上，也能够检测其他类型的气体成分，例如氮氧化物、碳氢化合物和/或氢气。然而替代地或附加地，也能够检测测量气体的其他特性。本发明尤其能够用于机动车技术领域，使得该测量气体空间尤其涉及内燃机的排气通道，测量气体尤其涉及废气。
传感器元件10具有陶瓷层结构12，该陶瓷层结构包括固体电解质14和至少两个电极16、18。固体电解质14可以由呈固体电解质层形式的多个陶瓷层组合成或包括多个固体电解质层。固体电解质14例如包括泵浦膜或泵浦层14a、中间膜或中间层14b以及加热膜或加热层14c，这些层彼此上下叠置并且将在下文中更详细地讨论。电极16、18也称为第一电极16和第二电极18，然而不说明其重要性的比重，而是仅仅用于在概念上进行区分。第一电极16和第二电极18通过固体电解质14、尤其泵浦层14a彼此连接、尤其电连接。
传感器元件10还具有进气路径20。该进气路径20具有进气孔22，该进气孔从固体电解质14的表面23延伸到层结构12内部。在固体电解质14中可以设置有电极腔24，该电极腔例如环形地或矩形地包围进气孔22。电极腔24是进气路径20的一部分并且可以通过进气孔22与测量气体空间连接。进气孔22例如作为圆柱形盲孔垂直于固体电解质14的表面23延伸到层结构12内部。电极腔24尤其基本上环形地或矩形地构造并且由固体电解质14的三个侧限界。在进气孔22与电极腔24之间布置有通道26，该通道也是进气路径20的组成部分。在通道26中布置有扩散障碍物28，该扩散障物减少或甚至阻止气体从测量气体空间到电极腔24中的溢流
层结构12还包括呈泵浦电池30形式的电化学电池。通过扩散障碍物28可以调节泵浦电池30的极限电流。泵浦电池30包括布置在固体电解质14的表面23上的第一电极16，该第一电极可以环形地包围进气孔22并且例如可以通过透气的保护层32与测量气体空间分离。泵浦电池30还包括布置在电极腔24中的第二电极18。第二电极18也可以环形地构型并且围绕进气孔22旋转对称地布置。第一电极16和第二电极18例如相对于进气孔22同轴地布置。因此，上面提到的极限电流表示在第一电极16与第二电极18之间通过固体电解质14的电流流动。在进气孔的延伸方向的延长线上，加热元件34布置在层结构12中。加热元件34具有加热区域36和馈电导轨38。加热区域36例如回曲形地构造。加热元件34布置在中间层14b与加热层14c之间。明确提及的是，加热元件34在两侧由电绝缘材料、例如氧化铝构成的薄层包围，尽管这在附图中未详细示出。换句话说，在中间层14b与加热元件34之间、以及加热元件34与加热层14c之间布置有由电绝缘材料构成的薄层。因为这种薄层例如由上面提到的现有技术所已知，所以将不再详细描述。因此，对于关于由电绝缘材料构成的层的其他细节参考上述现有技术，其中关于由电学材料构成的层的内容通过引用被包括在本文内。
层结构12还可以包括第三电极40、第四电极42以及参考气体通道44。参考气体通道44可以垂直于进气孔22的延伸方向延伸到固体电解质14内部。如上所述，进气孔22圆柱形地构造，使得进气孔22的延伸方向平行于进气孔22的圆柱体轴线延伸。在这种情况下，参考气体通道44垂直于进气孔22的圆柱体轴线延伸。参考气体通道44例如可以平行于通道26延伸。明确提及的是，参考气体通道44也可以布置在进气孔22的假想延长线上并且因此可以进一步布置在固体电解质14内部。参考气体通道44不一定构造成宏观的参考气体通道44。参考气体通道44例如也可以实施为所谓的泵浦参考、即人造参考。
第三电极可以布置在电极腔24中。第三电极40例如与第二电极18相对置。第四电极42可以布置在参考气体通道44中。第三电极40、第四电极42以及固体电解质14在第三电极40与第四电极42之间的部分构成电化学电池、例如能斯特电池46。借助泵浦电池30例如可以如此调节通过泵浦电池30的泵浦电流，使得在电极腔24中存在λ＝1的条件或其他已知组成。这种组成又由能斯特单元所检测，其方式是：测量第三电极与第四电极之间的能斯特电压。因为在参考气体通道44中存在已知的气体组成或该气体组成遭受氧气过量，所以可以根据所测量的电压推断出电极腔24中的组成。
如此构造的层结构具有连接侧48、前侧50、上侧52、下侧54以及两个侧面56，所述两个侧面连接上侧52与下侧54。
图2示出根据本发明的第一实施方式的传感器元件10的纵截面视图。在此表明的是加热元件34、电极腔24、第二电极18以及第四电极42的位置。第二电极18具有至少一个第一外直径58，该第一外直径大于电极腔24的第一外直径60。电极腔24环形地构造并且具有至少两个电极腔圆区段62、64，它们依次被称为第一电极腔圆区段62以及第二电极腔圆区段64。两个电极腔圆区段62、64相对置，电极腔24的中心66处于它们之间。电极腔24的第一外直径60由两个电极腔圆区段62、64定义。第二电极18也环形地构造并且具有至少两个电极圆区段68、70，它们依次被称为第一电极圆区段68以及第二电极圆区段70。两个电极圆区段68、70相对置，第二电极18的中心72处于它们之间。第二电极18的第一外直径58由所述两个电极圆区段68、70定义。在此，两个电极腔圆区段62、64与两个电极圆区段68、70参照俯视图彼此平行布置。两个电极腔圆区段62、64和两个第一电极圆区段68、70分别具有相同的半径。第二电极18的第一外直径58例如是4000μm，电极腔24的第一外直径60例如是3800μm。显而易见的是，电极腔24实施成比传统传感器元件的情况下更小，所述传统传感器元件具有圆环形结构的电极腔和其中布置的电极。因此，在传统传感器元件10的情况下，电极腔的外直径通常是4000μm。
如进一步能够从图2中看出的那样，电极腔24具有至少两个电极腔直区段74、76，它们相对置，电极腔24的中心66处于它们之间。两个电极腔直区段74、76定义电极腔24的第二外直径78。第二电极18也具有至少两个电极直区段80、82，它们相对置，第二电极18的中心72处于它们之间。两个电极直区段80、82定义第二电极18的第二外直径84。第二电极18的第二外直径84大于电极腔24的第二外直径78。两个电极腔直区段74、76以及两个电极直区段80、82彼此平行布置。两个电极腔直区段74、76以及电极直区段80、82尤其平行于侧面56布置。在根据本发明的传感器元件10的情况下，通过减小电极腔24和设置平行于侧面56的两个电极腔直区段74、76，可以增加密封框架29的宽度。密封框架29的宽度是垂直于侧面56的尺寸。在此，由于外直径增加，第二电极18部分地布置在密封件29上或布置在密封件处。
图3示出根据本发明的第二实施方式的传感器元件10的纵截面视图。以下仅描述与上述实施方式的区别，并且相同的构件设有相同的附图标记。两个电极腔圆区段62、64具有不同的半径。类似地，两个电极圆区段68、70具有不同的半径。因此，朝向前侧50的第一电极腔圆区段62具有与朝向连接侧48的第二电极圆区段64相比更大的半径。第一电极腔圆区段62例如具有1900μm的半径，而第二电极腔圆区段64具有1600μm的半径。类似地，朝向前侧50的第一电极圆区段68具有与朝向连接侧48的第二电极圆区段70相比更大的半径。第一电极圆区段68例如具有2000μm的半径，而第二电极圆区段70具有1700μm的半径。电极腔直区段74、76彼此不平行。类似地，电极直区段80、82彼此不平行。然而，电极腔直区段74、76又与电极直区段80、82彼此平行。换句话说，电极腔直区段74与电极直区段80彼此平行。此外，电极腔直区段76与电极直区段82彼此平行。在此，第二电极18的第二外直径84也大于电极腔24的第二外直径78。在此，第二外直径78、84可以分别是在电极腔直区段74、76的长度上或在电极直区段80、82的长度上取平均的、垂直于侧面56的外直径。