CN101191784A - 用于确定测量气体的物理特性的气体传感器的传感单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于确定测量气体的物理特性的传感单元，具有：由多个基底(11、12)组成的传感器体(10；10′)，在它们之间设置多个印制导线(21、29、30)；置入到所述基底(11、12)中的、用导电的材料至少加衬的通孔(24、35、36)，所述通孔在设置在传感器体(10)的彼此背离的外侧上的连接触头(15、33、34)与印制导线(21、29、30)之间形成贯穿导通装置(22、31、32)。本发明提出，所述贯穿导通装置(22、31、32)这样设置在两个基底(11、12)内，使得在传感器体(10)内，第一基底(11)中的每个贯穿导通装置(22)相对于第二基底(12)中的每个贯穿导通装置(31、32)错位。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定测量气体的物理特性、尤其是测量气体中的气体组分浓度的气体传感器的传感单元，包括：由多个基底组成的传感器体，在它们之间设置多个印制导线；置入到所述基底中的、用导电的材料至少加衬的通孔，所述通孔在所述印制导线之间形成电的贯穿导通装置。
背景技术
在已知的用于所谓的宽带λ探头的传感单元(DE 19952595 A1)中，传感器体具有由三个构成为固体电解质薄膜的基底和由陶瓷材料制成的用作加热载体的绝缘基底构成的层结构。在各基底之间设置有通到电极和电加热件的加热电阻线的印制导线。在各基底中设置通孔，印制导线穿过所述通孔借助于所谓的贯穿导通装置与设置在传感器体表面上的连接触头导电地连接。
在同样已知的用于平板式宽带λ探头的传感单元(DE 10235195A1)中，传感器体仅由两个构成为固体电解质薄膜的基底组成，在它们之间设置多个电极以及电加热件的埋入到由氧化铝制成的绝缘装置中的电阻线。在此，在第一基底的构成传感器体的外侧的表面上设置一个外电极并且在第一基底的背离该外表面的表面上设置一个内电极和一个参考电极。参考电极设置在用参考气体加载的参考气体室内并且内电极设置在测量室内，该测量室经由一个扩散阻挡与测量气体连接。参考气体通道和测量室构成在由糊状的固体电解质材料制成中间层中，该中间层借助于丝网印刷印制到第一基底的内侧上。在测量室内还设置有一个测量电极或能脱斯电极，后者与参考电极和中间层的固体电解质一起构成电化学室、即所谓的能脱斯室。可选择地，中间层也可以印制到位于第二基底上的加热绝缘装置上。所有电极以及电加热件的加热电阻线连接在控制器上，因此在各基底之间设置通到电极的印制导线。
发明内容
根据本发明，提出了一种用于确定测量气体的物理特性、尤其是测量气体中的气体组分浓度的气体传感器的传感单元，包括：由多个基底组成的传感器体，在它们之间设置多个印制导线；置入到所述基底中的、用导电的材料至少加衬的通孔，所述通孔在所述印制导线(之间形成电的贯穿导通装置，其中，该传感器体由将所述印制导线包围在其间的第一与第二基底构成并且所述贯穿导通装置这样设置在两个基底内，使得在传感器体的内部，第一基底中的每个贯穿导通装置相对于第二基底中的每个贯穿导通装置错位。
本发明的传感单元具有其优点，即通过基底中的贯穿导通装置的相互错位，传感器体中的贯穿导通装置不彼此对准并且从而不损坏陶瓷强度。因此也排除在贯穿导通装置对准的情况下存在的提高的在贯穿导通装置的区域内在陶瓷中形成裂纹的危险，它仅用一个在对准的接触部之间的绝缘装置是不可实现的。
在贯穿导通装置的合适的布置中，传感器体的每个基底中的通孔可被用同一个工具制造，例如用一个冲压工具冲压或者用一个钻削工具钻削。当按本发明的一种优选的实施形式所述基底具有两个贯穿导通装置并且这两个贯穿导通装置位于一条与基底的纵轴线形成一个锐角的连接线上时，能实现贯穿导通装置的这种布置。如果将这两个用同样的工具打孔的基底组合成一个传感器体，那么这两个基底这样彼此接合，使得其放置工具的基底侧构成传感器体的外表面。因此在其中一个基底中的两个贯穿导通装置相对于另外的基底中的两个贯穿导通装置自动地产生错位。示例地，用于宽带λ探头、用于氮氧化物测量探头和用于氨测量探头的传感器体可以以平面的结构形式由相同打孔的、优选薄膜形式的基底组成。一个被相同地打孔的薄膜也可以作为载体薄膜用于平板式宽带λ探头中的电加热件。通过使用同一个工具用于在用于不同传感器类型、例如平板式宽带λ探头、平板式跃变探头(Sprungsonde)、平板式氮氧化物-和氨测量探头的基底中制造通孔的可能性，可以使不同传感器类型的作业线变细并且从而降低加工成本。此外，在传感器体尺寸未改变的情况下，每个基底中的贯穿导通装置的彼此错位、确切地说沿纵向方向彼此错位使得所述贯穿导通装置之间的间距增大，这一方便提高陶瓷强度并且另一方面开辟了一种可能性，即，在传感器体的横向于贯穿导通装置延伸的平面中、例如在其外表面上、在沿传感单元的纵向彼此错位的贯穿导通装置之间设置另一印制导线。
通过其他描述给出该传感单元的有利的进一步方案和改进。
有利的是，所述贯穿导通装置由连接触头出发，所述连接触头设置在传感器体的彼此背离的外侧上。
有利的是，第一和第二基底中的两个贯穿导通装置的通过所述通孔的孔轴线的间距确定的错位大于所述通孔的孔直径，优选大于双倍的孔直径。
有利的是，至少一个基底具有至少两个贯穿导通装置并且这两个贯穿导通装置位于一个连接线上，该连接线与基底的纵轴线形成一个锐角。
有利的是，用于第一基底中的贯穿导通装置的通孔和用于第二基底中的贯穿导通装置的通孔被用同一个工具从相同的基底侧开设并且这两个被打了孔的基底这样接合成传感器体，使得其由工具加载的基底侧构成传感器体的外侧。
有利的是，在第二基底的朝内指向的表面上设置两个平行的印制导线，所述印制导线使加热电阻线分别与第二基底中的贯穿导通装置连接；在第二基底的构成传感器体的外侧的外表面上设置两个分别与所述贯穿导通装置之一接触接通的连接触头并且所述印制导线和加热电阻线被埋入由陶瓷材料构成的电绝缘装置内。
有利的是，在第一基底的构成传感器体的外侧的外表面上设置印制导线和第二连接触头，该印制导线使外电极与第一连接触头连接，该第二连接触头设有贯穿导通装置；在第一基底的背离所述外表面的内表面上设置印制导线，该印制导线使设置在第一基底的内侧上的参考电极与贯穿导通装置连接；至少第一基底是一个引导氧离子的固体电解质。
有利的是，第二基底由电绝缘的陶瓷材料、优选氧化铝构成。
有利的是，第二基底由固体电解质构成并且在第二基底的内表面与设置其上的印制导线和加热电阻线之间设置陶瓷的绝缘层，该绝缘层优选印制到第二基底上。
有利的是，在第一基底的外表面上设置第三连接触头，后者设有第一基底中的第二贯穿导通装置；在第一基底的内表面上设置第二印制导线，该第二印制导线使内电极和测量电极与第二贯穿导通装置连接；内电极和测量电极设置在构造在固体电解质层中的测量室内，该测量室经由扩散阻挡由测量气体加载。
有利的是，所述连接触头在第一基底的外表面上的布置这样进行，使得所述将外电极与第一连接触头连接的印制导线在第二连接触头与第三连接触头之间穿过地延伸。
有利的是，该第一和第二基底是陶瓷的薄膜。
附图说明
在下面的说明中借助于附图中示出的实施例详细解释本发明。其中：
图1示意性示出平板式跃变探头的传感单元的分解图，
图2示出图1中的部分II的俯视图，
图3示出传感单元的沿图1中的箭头III方向的底视图，
图4示出图3中的部分IV的放大的视图，
图5示意性示出用于宽带λ探头的传感单元的沿图6中的线V-V的剖视图，
图6示出沿图5中的线VI-VI的剖视图，
图7部分地示出传感单元的沿图5中的箭头VII方向的俯视图，
图8部分地示出传感单元的沿图5中的箭头VIII方向的底视图。
具体实施方式
图1中所示的、用于平板式跃变探头或λ＝1探头用于确定内燃机废气中的氧浓度的、作为用于确定测量气体的物理特性尤其是气体组分浓度的普通气体传感器的实施例的传感单元具有一个传感器体10，该传感器体由两个基底11、12组成。每个基底11、12是引导氧离子的固体电解质，该固体电解质优选以薄膜的形式制成。在第一基底11的构成传感器体10的外侧的外表面上设置一个外电极14，该外电极通过印制导线13与第一连接触头15连接。外电极14被一个多孔的、例如由氧化铝(Al2O3)制成的保护层16覆盖。在印制导线13上印上绝缘层17。
在第一基底11的背离所述外表面的内表面上设置一个具有参考气体通道19的参考电极18，该参考电极印制在第一基底11的内表面上。在第一基底11的内表面上还设置有印制导线21。印制导线21的一个端部连接到参考电极18上并且在印制导线21的另一端部上成型出一个接触孔眼211。在第一基底11中具有一个贯穿导通装置22，该贯穿导通装置使接触孔眼211与设置在第一基底11的构成传感器体10的外侧的外表面上的第二连接触头23电连接。贯穿导通装置22由一个垂直贯穿第一基底11的通孔24构成，该通孔被用一种有导电能力的材料加衬，也就是说其孔壁敷设有所述材料的层。该通孔24可被完全填充。在第二基底24的处于传感器体10内部的内表面上印制一个绝缘层25。在该绝缘层25与另一绝缘层26之间嵌入一个电加热件27，该加热件被印制在绝缘层25上并且通过绝缘层26的印制进行覆盖。电加热件27包括一个曲折形的电阻线28和两个从该电阻线一体地伸出的、彼此平行延伸的印制导线29、30，该电阻线在传感器体10的内部位于参考电极18和外电极14的区域内，在所述印制导线的端部上分别成型出一个接触孔眼291或301。这两个接触孔眼291、301通过两个贯穿导通装置31、32分别与一个连接触头33、34电连接，后者设置在第二基底12的构成传感器体10的另外的外侧的外表面上(图3和4)。这些贯穿导通装置31、32又通过垂直贯穿第二基底12的通孔35、36实现，所述通孔用导电的材料加衬。所述通孔35、36借助于一个冲压工具冲压到基底12内，可选择地用一个钻削工具钻削。在此，所述通孔35、36这样设置在基底12中，使得它们在承载有电极14、18的第一基底11和承载有电加热件27的第二基底12相互接合之后相对于第一基底11中的通孔24在空间上错位，使得第二基底12中的贯穿导通装置31、32不与在第一基底11中的贯穿导通装置22对准。该接合这样进行，使得电加热件27上的上绝缘层26贴靠在中间层20上。例如由图3和4可见的那样，通孔35、36在第二基底12上的布置这样进行，使得它们位于一条直线37上，该直线与第二基底12的纵轴线38——从而与传感器体10的纵轴线——形成一个锐角α。所述通孔35、36之间的大间距保证第二基底12中的高的陶瓷强度，该间距通过所述通孔35、36沿第二基底12的纵向的错位获得。第二基底12中的通孔35、36的孔轴线的错位为一方、相对于第一基底11中的通孔24的孔轴线的错位为另一方同样有助于整个传感器体10的陶瓷强度。每个错位都大于通孔35、36、24的孔直径并且例如可以大于孔直径的双倍。
传感器体10中的第二基底12也可以由陶瓷的绝缘材料例如氧化铝(Al2O3)作为薄膜制成。在这种情况下可取消电加热件27上的下绝缘层25。
在图5和6中示意地以两种不同的剖视形式表示一个用于平板式宽带λ探头的传感单元，其中传感器体10′又用所谓的双薄膜技术实现并且具有两个构成为固体电解质薄膜的基底11、12。传感单元的结构与上述的传感单元的区别仅在于，接收参考电极18的参考通道19构造在一个设置在这两个基底11、12之间的中间层20中并且在该中间层中除了参考通道19之外还构造有一个与其隔开的测量气体室40。测量气体室40相对于置入到基底11中的气体入口42借助于一个扩散阻挡41覆盖。测量气体可以经由扩散阻挡41扩散到测量气体室40内。在测量气体室40内设置一个内电极43和一个能斯脱电极或测量电极44。外电极14和内电极43与第一基底11的固体电解质一起构成一个加压室，并且测量电极44与参考电极18和中间层20的固体电解质一起构成一个能斯脱室。例如在图6中的剖视图示出的那样，设置在基底11的内表面上的内电极43与一个同样构造在第一基底11的内表面上的印制导线45连接，在该印制导线的端部上又成型出一个接触孔眼451。测量电极44与内电极43处于相同的电势。在第一基底11内除了用于使参考电极18连接到第二连接触头23上的贯穿导通装置22外还具有另一贯穿导通装置46，该贯穿导通装置使印制导线45与一个第三连接触头47电连接，该连接触头与第一和第二连接触头15、23一起设置在第一基底11的构成传感器体10的外侧的外表面上(图7)。贯穿导通装置46又通过一个用导电的材料加衬的通孔48实现，该通孔冲压或钻入到基底11内。在第一基底11的外表面上由连接触头15出发的接触所述外电极14的印制导线13在两个连接触头23与47之间穿过。由于所述贯穿导通装置22和46沿基底11的纵向的这样地错位，使得它们位于对角线37上，所以对于印制导线13在贯穿导通装置23与47之间的成角度的延伸具有足够的空间。所述贯穿导通装置22、46的通过彼此错位获得的大间距保证了第一基底11中的高的陶瓷强度。
第二基底12如针对图1至4说明的那样构成传感单元，因此在此方面可以参考上述说明并且使用了相同的附图标记。因此，图8中部分示出的传感器体的底视图与图4中部分地示出的图1中的传感单元的底视图相同，使得对于图5的传感单元中的第二基底12可以采用相同的冲压工具或钻削工具来制造所述通孔35和36。图5的传感器体10中的第一基底11为了制造贯穿导通装置24和26同样用相同的冲压工具或钻削工具加工，例如这由在图7中的俯视图可见的那样。在将两个基底11、12接合成传感器体10′的时，这两个基底11、12以其印制的功能层彼此相靠，使得其由工具加载的基底侧如它们在图7和8中的俯视图可见的那样构成传感器体10′的彼此背离的外侧。因此仅需将一个基底、例如第二基底12绕其纵轴38旋转180°。从而通过一个唯一的工具就能对用于宽带λ探头(图5)的传感单元的两个基底11、12和用于跃变探头(图1)的传感单元的第二基底12进行打孔。因为用于氮氧化物-和氨测量传感器的传感单元在传感器体的结构方面(如图5所示)相同地构成，所以可用相同的工具对用于大量不同的气体传感器的传感单元的几乎所有基底或者薄膜进行打孔，这使制造成本降低。
Claims (12)
1.用于确定测量气体的物理特性、尤其是测量气体中的气体组分浓度的气体传感器的传感单元，包括：由多个基底(11、12)组成的传感器体(10；10′)，在所述基底之间设置多个印制导线(13、21、29、30、45)；置入到所述基底(11、12)中的、用导电的材料至少加衬的通孔(24、35、36、48)，所述通孔在所述印制导线(13、21、29、30、45)之间形成电的贯穿导通装置(22、31、32、46)，其特征在于：该传感器体(10；10′)由将所述印制导线(13、21、29、30、45)包围在其间的第一和第二基底(11、12)构成并且所述贯穿导通装置(22、31、32、46)这样设置在两个基底(11、12)内，使得在传感器体(10；10′)的内部，第一基底(11)中的每个贯穿导通装置(22、46)相对于第二基底(12)中的每个贯穿导通装置(31、32)错位。
2.按权利要求1所述的传感单元，其特征在于：所述贯穿导通装置(22、31、46)由连接触头(14、23、33、34、47)出发，所述连接触头设置在传感器体(10；10′)的彼此背离的外侧上。
3.按权利要求1或2所述的传感单元，其特征在于：第一和第二基底(11、12)中的两个贯穿导通装置(22、46、31、32)的通过所述通孔(24、35、36；24、48、35、36)的孔轴线的间距确定的错位大于所述通孔的孔直径，优选大于双倍的孔直径。
4.按权利要求1至3任一项所述的传感单元，其特征在于：至少一个基底(11、12)具有至少两个贯穿导通装置(22、46或31、32)并且这两个贯穿导通装置(22、46或31、32)位于一个连接线(37)上，该连接线与基底(11、12)的纵轴线(38)形成一个锐角(α)。
5.按权利要求4所述的传感单元，其特征在于：用于第一基底(11)中的贯穿导通装置(22、46)的通孔(24、48)和用于第二基底(12)中的贯穿导通装置(31、32)的通孔(35、36)被用同一个工具从相同的基底侧开设并且这两个被打了孔的基底(11、12)这样接合成传感器体(10′)，使得其由工具加载的基底侧构成传感器体(10′)的外侧。
6.按权利要求4或5所述的传感单元，其特征在于：在第二基底(12)的朝内指向的表面上设置两个平行的印制导线(29、30)，所述印制导线使加热电阻线(28)分别与第二基底(12)中的一个贯穿导通装置(31、32)连接；在第二基底(12)的构成传感器体(10；10′)的外侧的外表面上设置两个分别与所述贯穿导通装置(31、32)之一接触接通的连接触头(33、34)并且所述印制导线(29、30)和加热电阻线(28)被埋入由陶瓷材料制成的电绝缘装置(25、26)内。
7.按权利要求6所述的传感单元，其特征在于：在第一基底(11)的构成传感器体(10；10′)的外侧的外表面上设置有印制导线(13)和第二连接触头(23)，该印制导线使外电极(14)与第一连接触头(15)连接，所述第二连接触头设有贯穿导通装置(22)；在第一基底(11)的背离所述外表面的内表面上设置有印制导线(21)，该印制导线使设置在第一基底(11)的内侧上的参考电极(18)与贯穿导通装置(22)连接；至少第一基底(11)是引导氧离子的固体电解质。
8.按权利要求6或7所述的传感单元，其特征在于：第二基底(12)由电绝缘的陶瓷材料、优选氧化铝构成。
9.按权利要求6或7所述的传感单元，其特征在于：第二基底(12)由固体电解质构成并且在第二基底(12)的内表面与设置其上的印制导线(29、30)和加热电阻线(28)之间设置有陶瓷的绝缘层(25)，该绝缘层优选印制到第二基底(12)上。
10.按权利要求7至9任一项所述的传感单元，其特征在于：在第一基底(11)的外表面上设置第三连接触头(47)，后者设有第一基底(11)中的第二贯穿导通装置(46)；在第一基底(11)的内表面上设置第二印制导线(45)，该第二印制导线使内电极和测量电极(43、44)与第二贯穿导通装置(46)连接；内电极和测量电极(43、44)设置在构造在固体电解质层(20)中的测量室(40)内，该测量室经由扩散阻挡(41)由测量气体加载。
11.按权利要求10所述的传感单元，其特征在于：所述连接触头(15、23、47)在第一基底(11)的外表面上的布置这样进行，使得所述将外电极(14)与第一连接触头(15)连接的印制导线(13)在第二连接触头(23)与第三连接触头(47)之间穿过地延伸。
12.按权利要求1至11任一项所述的传感单元，其特征在于：该第一和第二基底(11、12)是陶瓷的薄膜。
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