專利名稱：用于小型廢氣傳感器的陶瓷傳感器元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
由現(xiàn)有技術(shù)已知用于檢測測量氣體室中的氣體的至少ー個特性的傳感器元件。在此原則上可以檢測氣體的許多特性。下面不局限于其它可能定性或定量檢測的特性地、涉及確定在測量氣體室中的氣體組分比例地描述本發(fā)明。例如比例可以是測量氣體室中的部分壓カ和/或百分比，例如化學(xué)計量的氣體比例。這些傳感器元件例如以所謂的λ傳感器的形式由現(xiàn)有技術(shù)所公知，利用它們可以確定氣體中的氧氣比例，例如在內(nèi)燃機(jī)廢氣中。對于這些氧傳感器的實施例可以示例地參閱Robert Bosch有限公司的Sensoren imKraftfahrzeug (汽車中的傳感器)，2007 版，154-159 頁。這些傳感器元件通常包括陶瓷的層結(jié)構(gòu)，具有至少ー個固體電解質(zhì)。已知的電解質(zhì)例如是釔穩(wěn)定的ニ氧化鋯(YSZ)或者其它摻雜的金屬氧化物，例如摻雜鈧的ニ氧化鋯。在 此陶瓷的層結(jié)構(gòu)通常從觸通部位延伸到測量部位。在觸通部位設(shè)有ー個或者多個電觸頭。因為層結(jié)構(gòu)的更深層平面通常也必須電接通，存在所謂的敷鍍通孔，它們在層結(jié)構(gòu)中例如包括一個或者多個孔和/或沖孔?？淄耆虿糠值匾詫?dǎo)電材料充滿或至少涂覆。但是出現(xiàn)如下的技術(shù)要求，已知的固體電解質(zhì)材料、例如YSZ在較高溫度時、例如從350°C開始變成離子地導(dǎo)電。然后敷鍍通孔自動地起到電極的作用。為了解決這個問題已知許多方案。例如DE 10014995 Cl描述了ー種用于確定氣體組分的電化學(xué)的測量計，在這個測量計中敷鍍通孔的導(dǎo)電材料相對于固體電解質(zhì)材料通過費事的絕緣層絕緣。另一方案是，使傳感器元件相對細(xì)長地構(gòu)成，由此使敷鍍通孔部位在空間上與自身的電極部位分開。例如已知傳感器元件的層結(jié)構(gòu)具有大于10:1的長寬比(L/B)。按照現(xiàn)有技術(shù)細(xì)長的結(jié)構(gòu)形式對于在傳感器元件長度上足夠大的溫度梯度是必需的，該溫度梯度導(dǎo)致，使敷鍍通孔部位的陶瓷溫度在傳感器運行時總是位于臨界溫度以下，例如350°C。但是兩個解決方案在實踐中具有缺陷。尤其廢氣傳感器的大長度在許多情況下是不利的，因為部分傳感器元件希望用于特別短結(jié)構(gòu)的廢氣傳感器，尤其對于化學(xué)計量的λ傳感器或?qū)拵Е藗鞲衅鳎鼈兙哂行∮?5mm的結(jié)構(gòu)尺寸。另ー方面，費事的敷鍍通孔明顯增加生產(chǎn)成本和加工費用。

發(fā)明內(nèi)容
因此建議一種用于檢測測量氣體室中氣體的至少ー個特性的傳感器元件，尤其用于確定氣體組分的比例，它至少很大程度地解決了上述的目的沖突。所建議的傳感器元件尤其可以用于定性和/或定量地確定測量氣體室中氣體的氧氣比例和/或其它氣體組分的比例。本發(fā)明基于這種知識，廢氣傳感器、尤其λ傳感器盡可能小型地構(gòu)造是有利的。除了更少的材料成本以外，例如在于節(jié)省輸入導(dǎo)線和/或加熱元件中的貴重金屬和/或節(jié)省固體電解質(zhì)基底、例如ニ氧化鋯基底的材料量，主要在于通過使用者設(shè)計發(fā)動機(jī)時擴(kuò)大的應(yīng)用自由度具有重要意義。對于小型的傳感器元件、例如具有小于65mm的陶瓷層結(jié)構(gòu)的長度結(jié)構(gòu)空間需求，需要相應(yīng)短的陶瓷傳感器元件。但是原則上，對于更小型的廢氣傳感器，在牢固度和耐溫性方面的相同要求與按照現(xiàn)有技術(shù)的常見傳感器元件一祥。但是對于傳感器元件本身、尤其陶瓷的傳感器元件如下所述在耐溫性方面提出更高的要求。在傳感器元件長度最小化方面，如上所述，滿足多個重要且部分相反的要求。因為短的傳感器元件的觸通部位更加靠近傳感器元件的熱部件，例如靠近傳感器元件外殼的熱六角螺栓，敷鍍通孔(下面也稱為DK孔)在傳感器元件運行時比在較長的傳感器元件中更熱。因此如上所述，傳感器元件的層結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)中通過細(xì)長的結(jié)構(gòu)形式這樣設(shè)計，使ニ氧化鋯陶瓷在敷鍍通孔部位不超過最高溫度、例如350°C的最高溫度。如果由于技術(shù)原因不能實現(xiàn)這一點，則當(dāng)溫度位于這個最高溫度以上時，通常必須利用費事的エ藝使敷鍍通孔配備至少ー個絕緣層，用于避免敷鍍通孔之間短路。但是在小型傳感器元件中，例如層結(jié)構(gòu)長度小于65mm，如同在本發(fā)明范圍內(nèi)優(yōu)選的那樣，通常遠(yuǎn)超過這個最高溫度。在這種情況下上述的絕緣層在許多情況下是被迫必須的。然而本發(fā)明保證，用于加工絕緣層所必須的費用明顯降低。此外通過絕緣膏的層和形成的封閉的絕緣層保證加工可靠的涂層。例如可以可靠地保證最小30. O μ m厚度的形成的封閉的絕緣層。為了加工絕緣層通常將絕緣膏通過敷鍍通孔抽吸地或者以其它方式加入到敷鍍通孔中。因此為了可以可靠地保證例如封閉的形成的至少30. Oym的絕緣層，通常需要足夠大的敷鍍通孔孔直徑，它們在下面不局限于可能的與孔エ藝替代的加工エ藝地也稱為“孔”。例如為了在500 μ m陶瓷膜厚度時，為了抽吸膏通常需要至少I. Omm的孔直徑。但是在連接觸頭部位中布置ー個或者多個鉆孔時，傳感器元件在這個部位由于這些大的孔顯著削弱。按照現(xiàn)有技術(shù)在傳感器元件基體中構(gòu)造的層結(jié)構(gòu)通常固定在兩個位置。因此層結(jié)構(gòu)通常一方面固定在傳感器元件外殼中的層結(jié)構(gòu)的密封部位。第二固定在層結(jié)構(gòu)的連接側(cè)端部上的觸頭保持件中實現(xiàn)。但是在裝配傳感器元件時，例如在聯(lián)接エ藝中、且尤其在汽車應(yīng)用中彎曲負(fù)荷施加在層結(jié)構(gòu)上。因此本發(fā)明以這種知識為基礎(chǔ)，太弱的傳感器元件可能由于在敷鍍通孔部位斷裂而失效。以這種目的沖突知識為基礎(chǔ)，一方面在許多情況下存在需求，配有大直徑、例如O. 5mm以上、尤其至少I. Omm的直徑的孔，另ー方面要保證足夠的機(jī)械穩(wěn)定性，已經(jīng)在傳感器元件的層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了系統(tǒng)的系列試驗。在此證實，層結(jié)構(gòu)的長度與寬度的比例具有顯著影響。由此給出按照本發(fā)明的傳感器元件的下列特征。所建議的傳感器元件具有至少ー個層結(jié)構(gòu)，它具有至少兩個電極和至少ー個連接所述電極的陶瓷的固體電解質(zhì)。所述至少兩個電極例如可以設(shè)置在固體電解質(zhì)層的同一側(cè)面上和/或固體電解質(zhì)層的對置的側(cè)面上。電極例如可以包括貴金屬-陶瓷電極，例如所謂的金屬陶瓷電扱。原則上由陶瓷傳感器元件領(lǐng)域已知這些電扱。電極和固體電解質(zhì)可以形成傳感器元件的一個或者多個單元。因此傳感器元件可以由單個單元的或由多個單元的傳感器元件構(gòu)成。在傳感器元件的可能擴(kuò)展結(jié)構(gòu)方面可以參閱現(xiàn)有技木。例如可以實現(xiàn)躍變電極或?qū)拵щ姃Q。此外層結(jié)構(gòu)可以包括其它元件，例如電極觸頭、敷鍍通孔(見下面)、輸入導(dǎo)線、一個或者多個加熱元件或類似元件，它們由現(xiàn)有技術(shù)所公知。所述層結(jié)構(gòu)具有一個或者多個層平面，這些層平面優(yōu)選相互平行地設(shè)置。層平面 定義層結(jié)構(gòu)的平行于層平面的縱向延展尺度以及層結(jié)構(gòu)的橫交于縱向延展尺度、例如垂直于縱向延展尺度的橫向延展尺度。在此縱向延展尺度方向是層結(jié)構(gòu)的這樣的方向，在該方向上層結(jié)構(gòu)的延展大于在橫向延展尺度方向。例如縱向延展尺度方向平行于插入方向，在該插入方向上傳感器元件和/或傳感器元件的層結(jié)構(gòu)插入到測量氣體室中。例如傳感器元件可以具有外殼，它具有縱向延展尺度軸線，例如傳感器元件的旋轉(zhuǎn)對稱軸線。因此縱向延展尺度方向例如可以是平行于傳感器元件的縱向延展尺度軸線的方向。層結(jié)構(gòu)可以相應(yīng)地安裝在傳感器元件的外殼中。在這種情況下橫向延展尺度優(yōu)選是垂直于整個傳感器元件的縱向延展尺度軸線的方向。按照本發(fā)明建議，這樣形成層結(jié)構(gòu)，其縱向延展尺度具有長度L并且其橫向延展尺度具有寬度B，其中L/B的比例小于10。在此長度原則上可以在任意位置上在縱向延展尺度方向上測量，并且寬度原則上可以在任意位置上在層結(jié)構(gòu)的橫向延展尺度方向上測量。但是特別優(yōu)選，長度是在縱向延展尺度方向上的最大長度，即層結(jié)構(gòu)的最大長度。寬度例如可以是層結(jié)構(gòu)在最寬位置上的寬度，即，層結(jié)構(gòu)的最大寬度，和/或在敷鍍通孔部位中的寬度，如同下面還要詳細(xì)解釋的那樣。特別優(yōu)選，L/B的比例為最大8. 5。尤其特別優(yōu)選，L/B的比例位于6. O至8. 5的范圍內(nèi)，優(yōu)選7. 5至8. 5的范圍內(nèi)。例如可以為7. 5〈L/B〈8. 5。層結(jié)構(gòu)尤其可以垂直于所述至少ー個層平面具有總層厚。這個總層厚尤其在陶瓷層結(jié)構(gòu)的燒 結(jié)狀態(tài)測量?？倢雍裼绕淇梢晕挥贠. 3mm至4. Omm的范圍內(nèi)，尤其優(yōu)選在O. 7mm至2. 5mm的范圍內(nèi)。長度L尤其可以是縱向延展尺度方向上的最大長度，并且寬度B是橫交于縱向延展尺度方向、尤其垂直于縱向延展尺度方向的最大寬度。特別優(yōu)選長度L小于65mm，即具有短層結(jié)構(gòu)的傳感器元件。所述層結(jié)構(gòu)尤其可以包括至少ー個輸入導(dǎo)線。所述至少一個輸入導(dǎo)線尤其可以從至少ー個連接觸頭、例如在層結(jié)構(gòu)的ー個或者多個表面上延伸到至少其中ー個電扱。特別優(yōu)選，所述輸入導(dǎo)線至少部分地平行于縱向延展尺度延伸。所述輸入導(dǎo)線或至少其中ー個輸入導(dǎo)線尤其也可以設(shè)置在層結(jié)構(gòu)的更深的層平面中，即不在層結(jié)構(gòu)的其中ー個或者多個表面上。層結(jié)構(gòu)尤其可以包括至少ー個敷鍍通孔，它穿過至少ー個層平面。敷鍍通孔可以相對于穿過的層平面的材料、尤其固體電解質(zhì)材料電絕緣，如同上面所述的那樣。對此可以參閱現(xiàn)有技術(shù)。電絕緣的厚度例如可以至少為20. O μ m、優(yōu)選至少30. O μ m。所述敷鍍通孔尤其可以包括至少ー個在層結(jié)構(gòu)中的孔以及至少ー個至少部分充滿所述孔的填充。尤其可以包括一層或多層絕緣材料的填充和/或具有ー層或多層導(dǎo)電材料的填充。例如在孔壁上可以首先涂覆ー層或多層絕緣層，接著一層或多層導(dǎo)電材料和/或一個或者多個導(dǎo)電材料填充。所述至少一個孔尤其可以具有直徑山例如至少O. 5_的直徑山優(yōu)選至少1.0mm。寬度B與直徑d的比例尤其可以位于3. 8至5. O的范圍內(nèi)，尤其在4. O至4. 5的范圍內(nèi)。所述至少一個敷鍍通孔尤其可以設(shè)置在層結(jié)構(gòu)的敷鍍通孔部位。在此敷鍍通孔部位指的是所述至少ー個敷鍍通孔的周圍，例如這樣的部位，它從敷鍍通孔邊緣以最大2_在層結(jié)構(gòu)的縱向延展尺度方向的兩個方向上延伸。上面已經(jīng)定義過的寬度B尤其可以是層結(jié)構(gòu)在敷鍍通孔部位中的寬度，即尤其垂直于縱向延展尺度方向在敷鍍通孔部位中測量。所述層結(jié)構(gòu)尤其可以平行于層結(jié)構(gòu)的層平面具有橫截面，它從下面的橫截面中選擇矩形橫截面；梯形橫截面；收縮的橫截面，尤其在敷鍍通孔部位具有最大寬度并且在電極部位具有收縮的橫截面。但是原則上也能夠?qū)崿F(xiàn)其它橫截面。所建議的傳感器元件也建議確定地設(shè)定長度L、寬度B的尺寸比并且優(yōu)選也設(shè)定所述至少一個可選擇的敷鍍通孔、例如孔的直徑d。所建議的比例如同試驗已經(jīng)驗證的那樣實現(xiàn)對此的前提，即可以滿足對陶瓷傳感器元件的上述相反的要求，尤其對于廢氣傳感器。因此尤其可以保證，敷鍍通孔可以設(shè)計得足夠大，用于使它可靠且大規(guī)模地配有ー個或者多個絕緣層，它們例如也可以在500°C以上的溫度時具有高的過渡電阻，例如過渡電阻R>1MQ。為了實現(xiàn)這種大的過渡電阻，已經(jīng)證實至少30 μ m層厚的絕緣層是有利的或者甚至是必須的。此外所述傳感器元件的層結(jié)構(gòu)可以這樣構(gòu)成，使這個層結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，用于在500°C以上溫度時在應(yīng)用的使用壽命上也能承受80N的彎曲斷裂負(fù)荷和例如30g的振動負(fù)荷，而不會失效。所建議的傳感器元件尤其可以在汽車領(lǐng)域中使用，在汽車中產(chǎn)生特別高的負(fù)荷。同時可以使層結(jié)構(gòu)和/或整個傳感器元件這樣短地設(shè)計，使它適合于安裝在傳感器中，具有小于65mm的結(jié)構(gòu)空間需求。按照本發(fā)明解決這個目的沖突問題尤其基于這個知識，從優(yōu)選的優(yōu)選小于8. 5的比例L/B開始滿足在設(shè)計敷鍍通孔部位時的相反要求。尤其在8. 5至7. 5的L/B范圍內(nèi)在 設(shè)計敷鍍通孔部位時特別好地滿足相反的要求。因此可以加工穩(wěn)定的傳感器元件，它們具有一個或者多個敷鍍通孔。這些敷鍍通孔尤其可以配有ー層或多層絕緣膏并且以導(dǎo)電膏覆層。敷鍍通孔可以部分或完全充滿地構(gòu)成。敷鍍通孔例如可以承擔(dān)內(nèi)置的加熱電極和/或內(nèi)置的電極輸入導(dǎo)線的接通。上面建議的層結(jié)構(gòu)比例L/B可以選擇僅僅在敷鍍通孔部位保持。因此對于矩形橫截面形狀給出其它選擇，例如梯形橫截面和/或具有倒圓的橫截面，例如計算機(jī)優(yōu)化的倒圓，尤其以倒圓收縮的形狀。所建議的傳感器元件以ー個或者多個所建議的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)尤其能夠如上所述以入傳感器形式在汽車、穩(wěn)態(tài)發(fā)動機(jī)或燃燒設(shè)備中使用。


由下面的優(yōu)選實施例的描述給出本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)和特征。在附圖中示出
圖I傳感器元件層結(jié)構(gòu)的實施例；
圖2較長和較短層結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷對比；
圖3按照圖2的小型傳感器元件的敷鍍通孔；
圖4在傳感器元件中的層結(jié)構(gòu)的敷鍍通孔部位的電接通的細(xì)節(jié) 圖5層結(jié)構(gòu)彎曲負(fù)荷的試驗示例；
圖6層結(jié)構(gòu)在彎曲負(fù)荷以后的典型斷裂圖形；
圖7在傳感器元件中的層結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和主要カ負(fù)荷位置的示意 圖8和9常見的(圖8)與按照本發(fā)明的(圖9)的層結(jié)構(gòu)的長度與寬度比例的對比； 圖10斷裂頻率分布作為層結(jié)構(gòu)的長度與寬度比例的函數(shù)；
圖IlA和IlB敷鍍通孔的不同視 圖12Α至12C按照本發(fā)明的傳感器元件的層結(jié)構(gòu)的優(yōu)選橫截面的不同形狀。
具體實施例方式在圖I中示出傳感器元件112的層結(jié)構(gòu)110的典型示例，用于檢測在(未示出的)測量氣體室中的氣體特性。在所示的實施例中傳感器元件112例如是由躍變傳感器(Sprungsonde)構(gòu)成的λ傳感器。在所示示例中層結(jié)構(gòu)具有兩個電極114、116,它們示例地設(shè)置在固體電解質(zhì)118、例如由釔穩(wěn)定的ニ氧化鋯(YSZ)制成的固體電解質(zhì)層的相互對置的側(cè)面上。在此電極114通過透氣的保護(hù)層120能以來自測量氣體室的氣體加載，并且也稱為外電極(ΑΕ)。而第二電極116設(shè)置在層結(jié)構(gòu)110的較深的平面中，并且例如可以通過基準(zhǔn)氣體通道122、例如空氣基準(zhǔn)與基準(zhǔn)氣體室連接，例如內(nèi)燃機(jī)的環(huán)境空間。第二電極116在所示實施例中經(jīng)常也稱為基準(zhǔn)電極(RE)。電極114、116能通過輸入導(dǎo)線124、126并通過層結(jié)構(gòu)110的第一表面132上的連接觸頭128、130電接通。輸入導(dǎo)線124平行于縱向延展尺度方向(在圖I中以I表不)從連接觸頭128、130延伸到電極114、116。第一輸入導(dǎo)線124設(shè)置在第一表面132上并且由覆蓋層134密封，并且可選地相對于固體電解質(zhì)118絕緣地構(gòu)成，而第二輸入導(dǎo)線 126在固體電解質(zhì)118的對置ー側(cè)上在層結(jié)構(gòu)110的更深的層平面中延伸。相應(yīng)地這個第ニ輸入導(dǎo)線126必須通過敷鍍通孔136與連接觸頭130電連接。下面還要詳細(xì)解釋敷鍍通孔 136。此外，層結(jié)構(gòu)110可選地包括基底138和加熱元件140，加熱元件140可以嵌入到兩個絕緣膜142之間。加熱元件140可通過兩個設(shè)置在與第一表面132對置的第二表面144上的加熱觸頭146接通，加熱觸頭146本身通過敷鍍通孔148、150與加熱元件140電連接。敷鍍通孔136、148和150和/或連接觸頭128、130和/或加熱觸頭146所在的部位在圖I中以標(biāo)記符號152表示，并且也稱為敷鍍通孔部位。層結(jié)構(gòu)110在附圖所示的實施例中具有縱向延展尺度方向I上的長度L和與其橫交的寬度B。此外，層結(jié)構(gòu)110在燒結(jié)狀態(tài)具有總層厚D。為了解決上述問題(該問題是，電解質(zhì)118也在敷鍍通孔136、148、150部位一般從約350°C溫度開始變成可離子導(dǎo)電的)，通透長度部位在實際上經(jīng)常是電絕緣的。這在圖IlA和IlB中示出，其中圖IlA示出敷鍍通孔136、148、150的俯視圖，圖IlB示出側(cè)面截面圖。附圖示出，敷鍍通孔136、148、150通常具有直徑d的孔154。這個孔通過ー層或多層絕緣材料156電絕緣，它例如作為絕緣膏在加工時可以抽吸通過孔154。接著使孔154完全或部分地以至少一種導(dǎo)電材料158填充。這個導(dǎo)電材料158例如也可以作為膏抽吸通過孔154。絕緣材料156優(yōu)選具有至少30 μ m的層厚。在圖3中以俯視圖示出典型的敷鍍通孔部位152，該俯視圖從其中ー個表面132、144上觀察示例地表明這種敷鍍通孔部位的結(jié)構(gòu)，其具有敷鍍通孔136、148、150。在圖2中相互對比地示例示出不同的傳感器元件112，其具有不同長度L1或L2的層結(jié)構(gòu)。在此左半圖示出的傳感器元件112具有長的層結(jié)構(gòu)110，而右半圖示出的傳感器元件112具有相對較短的層結(jié)構(gòu)110。分別示出層結(jié)構(gòu)10和其在傳感器元件的外殼160中的安裝，通過六角螺栓162，通過它使外殼與測量氣體室164連接。例如外殼160利用六角螺栓162旋入到內(nèi)燃機(jī)的排氣歧管的壁體166中。在外殼160內(nèi)部設(shè)有密封部位168,在其中固定并密封層結(jié)構(gòu)110，由此使測量部位170 (在其中實現(xiàn)以來自測量氣體室164的氣體加載)與密封部位168的對面ー側(cè)上的觸通部位172分開。此外在圖2中示出典型的溫度指標(biāo)。左半圖示出LSF4. 2型的典型躍變傳感器，其中在層結(jié)構(gòu)Iio的尖端上在測量部位170中可能產(chǎn)生高于850°C的溫度。而在對面的端部上、在敷鍍通孔部位152中產(chǎn)生一般250°C或更低的溫度。
而右半圖示出短結(jié)構(gòu)的傳感器元件，其長度L2與長度L1相比縮短到約三分之ニ。如同在此看到的那樣，在這個短結(jié)構(gòu)的傳感器元件112的敷鍍通孔部位152中的溫度還約為500°C。因為層結(jié)構(gòu)110的固體電解質(zhì)118的陶瓷一般在300°C以上變成離子導(dǎo)電的，因此縮短層結(jié)構(gòu)110意味著在敷鍍通孔部位152中需要費事地設(shè)計。因此提高了通過絕緣材料156的電絕緣的要求。附加地在許多情況下需要絕緣檢驗，用于可以保證相同的高質(zhì)量。在圖4中再一次示出典型的傳感器元件112的觸通部位172。這個附圖示出，層結(jié)構(gòu)110固定在至少兩個位置。因此一方面固定在密封部位168中，另ー方面利用觸頭保持件174固定在敷鍍通孔部位152中，在其中實現(xiàn)層結(jié)構(gòu)110的電接通。相應(yīng)地在圖4所示的負(fù)荷部位176中產(chǎn)生高的機(jī)械負(fù)荷。這在圖5和7中再一次示出。圖7再一次以俯視圖簡示出在傳感器元件112中的敷鍍通孔部位142并且表明，力F、尤其彎曲力，尤其可以在密封部位168與通過觸頭保持件174固定的部位之間產(chǎn)生。圖5以示意圖示出層結(jié)構(gòu)110的典型彎曲負(fù)荷試驗，層結(jié)構(gòu)110具有一個或者多個敷鍍通孔136、148、150，通過以カF在兩個支撐點178之間的負(fù)荷部位176中加載。
通過在圖5中所示的試驗結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了不同的彎曲負(fù)荷試驗，其中已經(jīng)試驗了不同的比例。已經(jīng)檢驗了例如最佳的長度L與寬度B、長度L與孔直徑d、寬度B與孔直徑d的比例或其它比例。在圖10中標(biāo)出了典型的試驗結(jié)果。在此在水平軸上標(biāo)出特定的比例，例如長度L與寬度B (即L/B)的比例或類似的比例，而在垂直軸上標(biāo)出頻度H。在此曲線180表示了試驗的這樣的頻度分布，即其中沒有產(chǎn)生層結(jié)構(gòu)110失效，例如由于斷裂，即“良好試樣”的頻度分布；而曲線182描述了試樣的這樣的頻度分布，即它們導(dǎo)致斷裂。圖10也示例地示出具有兩個傳感器元件群組的試驗結(jié)果,其中曲線180表示一個傳感器元件群組，它們例如在100N的彎曲負(fù)荷時不斷裂，并且其比例L/B例如位于所述的范圍內(nèi)，而曲線182表示一個傳感器元件群組，它們在100N的彎曲負(fù)荷時斷裂并且其比例L/B例如位于所述范圍以外。在所述試驗中已經(jīng)在系統(tǒng)的系列試驗中求得了 L/B比例，它們在絕緣涂覆的敷鍍通孔136、148、150中是必須的，用于在臨界應(yīng)用中也保證層結(jié)構(gòu)110的足夠的斷裂強(qiáng)度。在此也已經(jīng)考慮了老化效應(yīng)，例如以微裂紋生長的形式。圖6示例地示出敷鍍通孔部位152的俯視圖,其中在圖5所示的負(fù)荷試驗中產(chǎn)生了斷裂188。如同由附圖中看到的那樣，斷裂188尤其涉及其中ー個敷鍍通孔136、148、150，由此以高度可能性可以認(rèn)為，由于敷鍍通孔136、148、150的孔154削弱了層結(jié)構(gòu)110導(dǎo)致斷裂188。結(jié)果導(dǎo)致上述最佳的比例。例如層結(jié)構(gòu)110，如同在圖8中示例所示的那樣，它們對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)，典型地具有比例L/B>10，而按照本發(fā)明如同圖9象征性地示出的那樣，求得比例L/B視為最佳的，它位于6. O至8. 5、優(yōu)選7. 5至8. 5之間。在此總層厚D在燒結(jié)后優(yōu)選為O. 7至2. 5mm。此外已經(jīng)求得寬度B與孔154的直徑d之間的最佳比例，它位于3. 8至5. O之間且特別優(yōu)選位于4. O至4. 5之間。如上所述，層結(jié)構(gòu)110的寬度優(yōu)選在敷鍍通孔部位152中給出，由此上述的比例尤其可以在這個敷鍍通孔部位152出現(xiàn)。在此敷鍍通孔部位152是這個部位，在其中設(shè)置敷鍍通孔136、148、150。例如敷鍍通孔部位152可以是這樣的部位，它從最遠(yuǎn)離電極114、116的敷鍍通孔136、148、150的最外邊緣起延伸到下一敷鍍通孔136、148、150的離電極114、116最近的邊緣。也可以選擇，使敷鍍通孔部位152在平行于縱向延展尺度方向的一個或兩個方向上延伸超過這個部位，例如超出不大于5mm，優(yōu)選不大于2mm。寬度B例如可以是在這個敷鍍通孔部位152的最寬位置上的相互對置棱邊之間的距離。也可以選擇，在觸通部位172中和/或在層結(jié)構(gòu)110的端部上測量寬度B，該端部最遠(yuǎn)離電極114、116布置。上述的比例，它們在本發(fā)明的范圍內(nèi)內(nèi)是主張權(quán)利或者特別優(yōu)選的，尤其可以僅僅在敷鍍通孔部位152保持。這在圖12A至12C中示例地示出，它們在俯視圖中示出按照本發(fā)明的層結(jié)構(gòu)110的不同橫截面。圖12A示出矩形橫截面，具有所述的比例L/B。而圖12B示出梯形橫截面，其中寬度B從敷鍍通孔部位152向著層結(jié)構(gòu)110的對面的端部、即在電極114、116 (在圖12B中未示出)部位中的端部減小。而圖12C示出層結(jié)構(gòu)110的擴(kuò)展 結(jié)構(gòu)，具有在電極114、116部位中的收縮部184。收縮部184尤其可以這樣形成，使它具有倒圓186，它們例如可以利用計算機(jī)優(yōu)化求得(CA0，計算機(jī)輔助優(yōu)化)。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測測量氣體室(164)中氣體的至少一個特性的傳感器元件(112)，尤其用于確定氣體組分的比例，其中該傳感器元件(112)具有至少一個層結(jié)構(gòu)(110)，該層結(jié)構(gòu)具有至少兩個電極(114，116)和至少一個連接所述電極(114，116)的陶瓷的固體電解質(zhì)(118)，其中所述層結(jié)構(gòu)(110)平行于層結(jié)構(gòu)(110)的一個或者多個層平面具有縱向延展尺度為長度L和橫向延展尺度為寬度B，其中L/B的比例小于10。
2.如上述權(quán)利要求所述的傳感器元件(112)，其中L/B的比例為最大8.5。
3.如上述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器元件(112)，其中L/B的比例位于6.0至8. 5的范圍內(nèi)，優(yōu)選7. 5至8. 5的范圍內(nèi)。
4.如上述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器元件(112)，其中所述層結(jié)構(gòu)(110)垂直于所述至少一個層平面具有總層厚D，尤其在燒結(jié)狀態(tài)中，其中所述總層厚位于0. 3mm至4.Omm的范圍內(nèi)，尤其0. 7mm至2. 5mm的范圍內(nèi)。
5.如上述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器元件(112)，其中所述長度L是縱向延展尺度方向上的最大長度，所述寬度B是橫交于縱向延展尺度方向、尤其垂直于縱向延展尺度方向的最大寬度。
6.如上述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器元件(112)，其中所述長度L小于65mm。
7.如上述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器元件(112)，其中所述層結(jié)構(gòu)(110)包括至少一個輸入導(dǎo)線(124，126)，其中所述至少一個輸入導(dǎo)線(124，126)從至少一個連接觸頭(128，130)延伸到至少其中一個電極(114，116)，其中所述輸入導(dǎo)線(124，126)至少部分地平行于所述縱向延展尺度延伸。
8.如上述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器元件(112)，其中所述層結(jié)構(gòu)(110)包括至少一個敷鍍通孔(136，148，150)，其中所述敷鍍通孔(136，148，150)穿過至少一個層平面，其中所述敷鍍通孔(136，148，150)相對于穿過的層平面的材料、尤其固體電解質(zhì)材料是電絕緣的。
9.如上述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器元件(112)，其中所述敷鍍通孔(136，148，150)包括至少一個在層結(jié)構(gòu)(110)中的孔(154)以及至少一個至少部分充滿所述孔(154)的填充，尤其具有一層或多層絕緣材料(156)的填充和/或具有導(dǎo)電材料(158)的完全或部分的填充，其中所述孔(154)具有直徑d，其中比例B/d位于3. 8至5. 0的范圍內(nèi)，尤其在4.0至4. 5的范圍內(nèi)。
10.如上述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器元件(112)，其中所述敷鍍通孔(136，148，150)設(shè)置在層結(jié)構(gòu)(110)的敷鍍通孔部位(152)中，其中所述寬度B是層結(jié)構(gòu)(110)在敷鍍通孔部位(152)中的寬度。
11.如上述權(quán)利要求中任一項所述的傳感器元件(112)，其中所述層結(jié)構(gòu)(110)平行于層結(jié)構(gòu)(110)的層平面具有橫截面，該橫截面從下面的橫截面中選擇矩形橫截面、梯形橫截面、收縮的橫截面，尤其在敷鍍通孔部位(152)中具有最大寬度并且在電極(114，116)部位中具有收縮的橫截面。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于檢測測量氣體室(164)中氣體的至少一個特性的傳感器元件(112)，尤其用于確定氣體組分的比例。傳感器元件(112)具有至少一個層結(jié)構(gòu)(110)，該層結(jié)構(gòu)具有至少兩個電極(114,116)和至少一個連接所述電極(114,116)的陶瓷的固體電解質(zhì)(118)。所述層結(jié)構(gòu)(110)平行于層結(jié)構(gòu)(110)的一個或者多個層平面具有縱向延展尺度為長度L和橫向延展尺度為寬度B，其中L/B的比例小于10。
文檔編號G01N27/407GK102687000SQ201080060136
公開日2012年9月19日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者C.倫格, G.佐耶茨, G.施奈德, J.施奈德, U.格拉爾卡 申請人:羅伯特·博世有限公司