CN103245710A - 用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的传感器以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的传感器（100）。所述传感器（100）具有基体（102）和传感器元件（104）。所述基体（102）具有处于里面的传感器室（106）以及用于所述流体的通到所述传感器室（106）中的进口。所述传感器元件（104）以能够由所述流体加载的方式布置在所述传感器室（106）中，用于确定所述组成部分的浓度。

Description

用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的传感器以及方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的传感器、一种用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的方法以及一种用于制造传感器的方法。

背景技术

陶瓷的气体传感器可以在金属的旋入本体中具有陶瓷的挤压包（Presspackung）。这些传感器的敏感的尖端由于功能原因必须加热到较高的温度（600-800℃）并且以伸入到排气系中的方式安装在保护管中。因此，DE 10 2005 062 774 A1示出了一种用于确定测量气体的物理的参数的传感器单元，尤其用于确定内燃机的废气中的氧气含量的传感器单元。所述传感器单元具有传感器元件以及构造为传感器元件的支架的传感器壳体。所述传感器元件包括固体电解质并且至少能够在能够由测量气体流入的区域中加热。围绕着所述传感器元件布置了金属的保护套。

发明内容

在这种背景下，用本发明介绍按独立权利要求所述的一种用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的传感器、一种用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的方法以及一种用于制造传感器的方法。有利的设计方案从相应的从属权利要求及以下说明中获得。

由ZrO₂制成的陶瓷的气体传感器比如机动车的λ探测器（氧传感器）可以作为具有由滑石/氮化硼构成的陶瓷的挤压包的棒形的元件安装在金属的旋入本体中。这些传感器的敏感的尖端由于功能原因需要加热到较高的温度，比如600-800℃，并且以伸入到排气系中的方式安装在保护管中，所述保护管在开始阶段中比如防止撞击的冷凝水滴。将基于ZrO₂的传感器加热到高于废气的温度水平的温度，使得废气温度在这里不代表着热的负荷。

作为传感器的半导体（比如ChemFET’s，化学剂敏感的场效应晶体管）可以在温度高达500℃的情况下在较长的时间间隔里运行，只要其由耐高温的材料比如SiC或者GaN制成。对于最大可能的工作温度来说，可以推测以传感器性能的较小的退化不会达到对于机动车来说所要求的使用寿命。

为了达到所要求的使用寿命，所述传感器的持久工作温度只要由于功能原因可以做到就可以降低到500℃以下。为此可以以相对于排气系后移的方式来放置所述传感器。这一点是可能的，因为对于只应该测量气体组成部分或者比如气体组成部分的气体压力或者分压力并且不应该测量任何颗粒比如炭黑的传感器来说并非务必需要直接加入到气流中。

在传感器与导引废气的管子之间可以布置一个空间，在该空间中所述废气会失去温度，用于将所述传感器的工作温度保持低于废气温度并且防止过热。

这里所介绍的传感器不仅可以用在机动车中而且可以用在其它的应用情况中。目标应用领域除了机动车领域之外也可以是火警器、固定马达等等。尤其对于具有比所述传感器的工作温度高的温度的流体来说，所述流体可以在所述传感器之前的空间中得到冷却。

用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的传感器具有以下特征：

-基体，该基体拥有处于里面的传感器室和用于所述流体的通到传感器室中的进口；以及

-用于分析流体的传感器元件，该传感器元件以能够由流体来加载的方式布置在所述传感器室中，用于确定所述组成部分的浓度。

传感器尤其可以是气体传感器。流体可以具有多个组成部分。所述组成部分可以存在于多种聚合体状态中。所述流体可以在燃烧时产生。比如所述流体可以是比如发动机的废气。基体可以是耐温度变化的接头（fitting）。所述基体可以由金属比如钢制成。所述基体可以具有用于将气体传感器固定在气体管路或者气体容器上的接口。比如所述接口可以是法兰或螺纹。所述基体可以具有相对于数据线的连接器的接口。比如所述基体可以具有一个用于固定电缆套管的轮廓。在所述相对于连接器的接口上，也可以固定一个用于对气体传感器的信号进行处理的装置。传感器室可以是所述基体的内部的空腔。比如所述传感器室可以构造为圆筒形。传感器元件可以是半导体结构元件，该半导体结构元件构造用于用数量表示流体中的组成部分的原子。所述传感器元件可以构造用于对所述流体的一个以上的组成部分进行分析。

所述基体可以在所述进口与所述传感器元件之间具有用于对所述传感器室中的气体进行调温处理的调温表面。调温表面可以是用于对所述流体进行冷却的热传导表面。在所述调温表面上，所述气体可以散发预先确定的份额的热能并且在这过程中冷却到所述传感器元件的工作温度。

所述传感器室可以构造为从所述基体中穿过的轴向的孔。所述传感器元件可以布置在所述孔的与所述进口对置的区域中。所述传感器元件可以横向于所述孔来定向。所述孔可以防止所述传感器元件通过流体中的颗粒而受到损坏，因为在所述孔的内部所述流体仅仅具有较小的流速。

所述传感器可以具有保护装置，该保护装置将所述传感器元件覆盖并且构造用于对所述传感器元件进行蔽护以不受所述气体的至少另一个组成部分的影响并且/或者减小所述流体的至少另一个组成部分的浓度。保护装置可以是指一个至少对于所述有待确定的组成部分来说可以通过的过滤器，该过滤器比如挡住脏物并且/或者对于可能导致传感器的毒化的有害的气体/组成部分来说不可通过。所述保护装置可以构造为保护罩。同样所述保护装置可以构造为所述传感器元件上面的层。所述保护装置可以构造用于如此降低有害的组成部分的浓度，使得所述传感器元件不受其影响。所述保护装置可以构造用于将有害的组成部分的浓度降低到能够容许的水平。比如所述保护装置可以构造用于将所述传感器元件的污染程度降低到能够容许的水平或者完全排除所述污染。

所述保护装置可以具有加热元件。所述保护装置比如可以具有至少一个化学活性的组件，该组件需要较高的工作温度。为此，所述加热元件可以对所述保护装置进行加热。由此通过所述加热元件首要的不是对所述气体进行调温处理，而是对所述传感器元件进行调温处理。所述加热元件的加热面不能布置在所述基体中，而可以要么布置在所述传感器元件的下方要么布置在所述保护装置中。所述加热元件可以用于恒定地对传感器芯片进行调温处理。所述加热元件的调温表面处于所述保护装置上。作为替代方案或者补充方案，可以将相应的调温表面布置在所述传感器元件的支座中。

所述传感器可以具有传感器支座，该传感器支座布置在所述传感器室中并且具有用于与所述传感器元件相接触的电气的印制导线，其中所述传感器元件布置在所述传感器支座的朝向流入口的一侧上。所述电气的印制导线可以埋入到所述传感器支座中。所述传感器支座可以构造为由多层陶瓷材料制成的盘片。所述印制导线可以在由陶瓷制成的层之间伸展。在垂直于所述层的情况下，所述印制导线可以构造为金属化通孔。金属化通孔也可以构造为热导体，用于从所述传感器元件的背面对其进行冷却。

所述传感器支座可以具有用于所述传感器元件的加热元件。所述加热元件可以埋入到所述传感器支座中。加热元件可以由具有较高的电阻的印制导线构成。如果所述流体太冷，那么用所述加热元件则可以将所述传感器元件置于工作温度上。

所述传感器可以具有固定元件，该固定元件构造用于将所述传感器支座和基体以气密的方式连接起来并且/或者将所述传感器支座固定在所述基体上，其中所述传感器室具有一个环绕的凸起并且所述固定元件构造用于将所述传感器支座压紧到所述凸起上。所述固定元件可以跨越所述基体与所述传感器支座之间的中间空隙。所述固定元件可以由在热方面有抵抗能力的材料制成。所述固定元件可以对所述基体与所述传感器支座之间的热的长度变化差进行补偿。所述传感器支座可以浮动地支承在所述凸起上并且就这样对所述基体与所述传感器支座之间的热膨胀系数中的差进行补偿。由此，所述传感器支座可以在几乎无应力的情况下得到支承，由此可以扩大所述传感器的使用寿命预期。所述固定元件可以布置在所述传感器支座的气体加载的一侧上或者布置在所述传感器的非气体加载的一侧上。所述固定元件可以以气密的方式与所述基体和所述传感器支座相连接。所述固定元件可以以材料配合连接的方式与所述基体和/或所述传感器支座相连接。比如可以对所述固定元件进行钎焊或者说熔焊。

所述传感器可以具有至少一个密封元件，该密封元件可以布置在所述传感器支座与所述基体之间并且作为补充方案或者替代方案可以布置在所述传感器支座与所述固定元件之间。作为密封元件可以使用密封圈。所述密封元件可以由金属构成。借助于所述至少一个密封元件可以对加工公差进行补偿。

所述固定元件可以构造为弹簧元件。所述弹簧元件可以借助于弹性的变形来对热膨胀差进行补偿。所述弹簧元件可以构造为围绕着所述传感器支座环绕的气密的卷边。

所述传感器支座和所述弹簧元件可以具有彼此相匹配的热膨胀系数。比如所述热膨胀系数可以具有小于15%尤其10%尤其5%的偏差。通过所述热膨胀系数的较小的差，在所述构件之间产生微小的热应力。由此所述构件之间的接合处仅仅受到较小的负荷。

所述传感器可以具有用于对所述传感器元件的信号进行处理的装置。所述用于进行处理的装置可以布置在所述传感器支座的与传感器元件对置的一侧上。所述用于进行处理的装置可以通过所述电气的印制导线与所述传感器元件相连接。所述装置比如可以是布置在背面的芯片，该芯片比如构造用于对所述传感器元件的模拟的信号进行数字化转换。所述用于进行处理的装置也可以直接集成到所述传感器元件中。由此所述分析可以随车在所述传感器元件本身上也就是说在相同的芯片上进行。

所述传感器可以具有控制装置，该控制装置构造用于比如触发所述传感器元件的净化周期，方法是比如所述加热元件产生比所述工作温度高的温度，用于比如使所述传感器元件上的催化器再生。

一种用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的方法具有以下步骤：

-提供传感器室，该传感器室具有用于所述流体的通到该传感器室中的进口；

-将所述流体导入到所述传感器室中；并且

-借助于以能够由所述流体来加载的方式布置在所述传感器室中的传感器元件来对所述流体进行分析，用于确定所述组成部分的浓度。

一种用于制造用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的传感器的方法具有以下步骤：

-提供基体，该基体具有一个从流入口在轴向上穿过所述基体伸展的设有环绕的凸起的通孔，其中在所述流入口与所述环绕的凸起之间构造了传感器室；

-提供具有传感器元件的传感器支座以及固定元件；

-将所述传感器支座和所述固定元件插入到所述通孔中，直到所述传感器支座抵靠在所述凸起上，其中所述传感器元件对准所述流入口，并且所述固定元件布置在所述传感器支座的与所述流入口对置的一侧上；并且

-将所述固定元件与所述基体连接起来。

所述传感器支座和所述固定元件的插入可以从所述通孔的与流入口对置的开口来进行。所述传感器支座和所述固定元件可以作为一个单元来插入到所述通孔中。在这种情况下，所述固定元件的一个端部可以已经与所述传感器支座相连接。作为替代方案，所述传感器支座和所述固定元件可以作为分开的元件来插入，其中可以首先插入所述传感器支座。在这种情况下，所述固定元件的抵靠在所述传感器支座上的端部可以在连接的步骤中与所述传感器支座相连接。

附图说明

下面借助于附图示范性地对本发明进行详细解释。附图示出如下：

图1是按本发明的一种实施例的传感器的图示；

图2是按本发明的一种实施例的用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的方法的流程图；

图3是按本发明的一种实施例的用于制造传感器的方法的流程图；

图4是具有用于按本发明的一种实施例的传感器的传感器元件的传感器支座的图示；

图5是按本发明的一种实施例的传感器的截取部分的图示；

图6是作为按本发明的一种实施例的传感器的一部分的加热元件的图示；并且

图7是按本发明的一种实施例的传感器连同外围设备的图示。

在以下对本发明的优选的实施例所作的说明中，为在不同的附图中所示出的并且起类似作用的元件使用相同的或者类似的附图标记，其中放弃对这些元件的重复的说明。

具体实施方式

图1示出了按本发明的一种实施例的传感器100的图示。所述气体传感器100具有基体102和传感器元件104。所述传感器100比如可以装入在内燃机的排气系中或者装入在火警器的传感器区域中。所述基体102被通孔打通。用于所述传感器元件104的支座105将所述通孔划分为两个区段。在图1中在上面示出的区段形成一个传感器室106。该传感器室具有用于有待分析的流体的流入口。所述传感器元件104布置在所述传感器室106的与流入口对置的一侧上。所述支座105形成所述传感器室106的底部。所述传感器元件104由此以相对于所述流入口后移的方式来布置。在所述流入口与所述传感器元件104的朝向流入口的表面之间延伸着所述传感器室106。所述流入口与所述传感器元件104的朝向流入口的表面之间的间距可以相当于所述传感器元件104的厚度的许多倍或者相当于所述支座的厚度的许多倍，并且比如具有一毫米或者数毫米的尺寸。所述传感器室106的通过基体102形成的壁体可以具有相应的高度，该高度等于或者大于所述传感器室的直径。从所述基体102中穿过的通孔的直径可以在所述支座105的朝向传感器室106的一侧上小于在所述支座105的背向传感器室106的一侧上。由于所述传感器元件104远离所述流入口来布置，所以所述传感器元件104可以构造为具有受到限制的最大温度的半导体传感器。

下面借助于一种实施例对所述传感器100进行说明，在该实施例中所述传感器100用于对比如汽车的排气系的气体进行分析。

通过已经提到的流入口，所述排气系的气体可以流入到所述基体102的内部中的传感器室106中并且与所述传感器元件104的表面相接触。所述传感器室106由此朝所述排气系敞开。所述传感器室106构造为圆筒形的在轴向上从所述基体102中穿过的空隙。所述基体102在该实施例中构造为空心的螺旋接头。在与所述传感器室106同心的情况下，在所述基体102上布置了作为接口的外螺纹108，用于能够将所述气体传感器100旋入到导引气体的管子或者说导引气体的容器中。所述接口比如也可以构造为法兰。在与所述螺纹108对置的端部上也就是说在“较冷的背面”上，所述基体102在外面具有凸肩110，该凸肩构造用于接纳用于连接数据线的连接器比如电缆套管。同样在那里比如可以通过熔焊连接或者挤压连接来固定电缆束。

所述基体102在所述传感器室106中具有凸肩112。在该凸肩112上所述传感器室106的直径在背向所述流入口的一侧加宽。在所述凸肩112上，在横向于所述传感器室106的延伸方向的情况下布置了所述传感器支座105。在所述传感器支座105的朝向流入口的一侧上，所述传感器元件104布置在当中。在所述由多层地布置的陶瓷材料构成的传感器支座105上，电气的印制导线在所述传感器支座105的层里面和/或之间延伸。所述印制导线通过金属化通孔（Vias（贯穿孔））将所述传感器元件104与所述传感器支座105的背面连接起来。按照一种实施例，所述印制导线部分地构造为加热元件，用于将所述传感器元件104加热到工作温度。电导体116从所述传感器支座105的背面上的接触插脚通往比如连接电缆。所述电导体可以钎焊或者键合。

为了防止所述传感器元件104受到污染和/或毒化，在所述传感器元件104的上面布置了保护罩118。该保护罩118由多孔的陶瓷材料制成，所述陶瓷材料可以构造为用于微粒的过滤器。作为补充方案或者替代方案，所述陶瓷材料可以设有催化作用，用于使对于所述传感器元件来说有害的气体组成部分反应为无害的组成部分。在此，所述陶瓷材料本身会变得没有催化作用。但是，所述陶瓷材料可以改性，以便其具有催化作用。

所述传感器支座105浮动地支承在所述凸肩112上，用于从所述基体102的由于温度引起的大小变化上退耦。所述传感器支座由环形的设有卷边的弹簧元件120朝所述凸肩112挤压，用于对所述陶瓷支座105以及旋入本体102的钢的不同的热膨胀系数进行补偿。也可以取代所述弹簧元件120而如在以下附图中示出的一样使用其它的固定元件。所述弹簧元件120通过焊缝比如通过激光焊接与所述基体102相连接。所述弹簧元件120比如借助于硬焊料或者活性焊料来钎焊到所述传感器支座105上。通过这两种材料配合的连接，所述气体传感器100构造为气密的结构。

下面借助于图1对内燃发动机的排气系中的半导体传感器100的一种实施例进行描述。如此固定并且接触所述半导体传感器100，使得其达到低于500℃的工作温度。在此示出了一种用于在整个运行时段上将所述气体传感器104上的温度恒定地保持到明显比废气的峰值温度低的温度上的方案。所述构造以耐热交变及耐冲击的方式来设计，从而在所述传感器100的使用寿命的范围内可以在得到密封的情况下将所述电气的触点116穿引到在背面连接的接触区域110及电缆束。此外，防止所述传感器104受到来自废气的固体沉积物的影响。

在此说明了一种解决方案，用该解决方案可以通过在从气流上后移的情况下安装在排气系中这种方式来利用能够承受较少的热负荷的半导体传感器104。此外示出了一种可选的节省位置空间的气密的并且应力少的通过金属膜片120而不是通过挤压包来将支座陶瓷105与旋入本体102连接起来的方式。

通过一种未示出的保护管设计方案，比如由于在流体力学上产生的负压而可以将热的废气拉入到所述旋入本体102中。所述气体由此被动地到达所述传感器元件104处。在此所述废气在所述旋入本体102的壁体上散发出其热能的一部分，从而在所述废气冲击到所述传感器104上时达到废气的明显低于500℃的温度。所述半导体传感器104需要恒定的工作温度。在废气温度较低的时间间隔里也是如此。这能够通过集成在所述陶瓷盘片105中的加热电阻来实现，所述加热电阻可以通过引出到背面上的电气的触点116来运行。相应的加热器也可以集成到所述传感器104的保护罩中。所述传感器104的来自废气侧的电气的触点通过所述陶瓷盘片105的贯穿孔以及内部的印制导线同样引导到对置的一侧上用于与电缆接触，并且通过埋入在密封的陶瓷105中的方法能够以密封并且电气绝缘的方式穿引所述触点116。在所述背面上，与所述电缆之间的过渡带比如通过钎焊的插脚来延续。可选将所穿引的触点与安装在背面上的芯片连接在一起，所述芯片以数字方式对所述传感器104的模拟的信号进行预处理并将其传输给电缆触点116，这又可以通过所述陶瓷盘片105中的贯穿孔和印制导线来实现。

在所示出的实施例中，所述传感器芯片104在机械和电气方面连接在由多层陶瓷比如低温共烧陶瓷（LTCC）或者Al₂O₃构成的平坦的盘片105上。所述多层陶瓷105的制造可以根据LTCC电路板的制造的工艺来进行，但是用所述陶瓷材料和导体膏或者说电阻膏的专门为这种使用目的而开发的成分来进行。这个支座盘片105固定在由金属合金比如殷钢或者科瓦铁镍钴合金构成的柔韧的环形的膜片120的里面或者说上面，该膜片在热膨胀系数（WAK）方面与所述陶瓷105相匹配。这个环形的金属的膜片120的几何形状能够对在热膨胀方面相对于由钢制成的旋入本体102的差别进行补偿，所述旋入本体102与所述陶瓷105与膜片120相比具有高得多的WAK（热膨胀系数）。而一旦温度上升导致所述旋入本体102的比所述陶瓷105高的膨胀程度，所设置的陶瓷盘片105的在挤压包中的固定的夹紧力则会导致所述陶瓷盘片的破裂。所述陶瓷盘片可以与对于所述传感器来说优选的半导体材料SiC的较低的热膨胀系数相匹配，这会提高在热机械方面在很大程度上分离的悬架的必要性。所述金属膜片120的微小的壁厚也引起所述陶瓷盘片105与所述由金属构成的实心的旋入本体102之间的热交换的良好的分离效果，这能够在所述传感器芯片104的区域中实现尽可能自主的温度调节。在所示出的实施例中，从所述陶瓷盘片105到所述膜片环120的传导要么通过烧结的金属喷镀与硬焊料一起来建立要么借助于直接与所述陶瓷105起反应的活性焊料来建立。所述金属膜片120与所述旋入本体102之间的连接可以比如借助于激光焊接而构造为熔焊连接，或者可以构造为钎焊连接，由此实现完全的气密性。所述传感器芯片104的安装可以在所述陶瓷盘片105的指向废气室106的表面上用金-玻璃-后烧制-膏以倒装芯片技术（FlipChip-Technik）来进行。同样，可以在所述陶瓷盘片105的背面上额外地安装高温半导体芯片，该高温半导体芯片能够在所述传感器104的附近实现用于进行数字的信号处理的分析线路。可以通过多孔的陶瓷保护罩118来防止污物颗粒从废气中分离出来，所述多孔的陶瓷保护罩可以借助于玻璃焊料固定在所述传感器芯片104上面的陶瓷支座盘片105上。所述多孔的保护罩118可以另外包含一些材料，这些材料可以对来自废气的不受欢迎的物质比如硅酮进行催化分解并且可以以化学的方式使其固化，以便这些物质不会毒化所述传感器104。

利用这里所介绍的方案，比如可以提供一种比如基于SiC或者GaN的用于较高的使用温度的ChemFET-NOx传感器或者压力传感器。所示出的几何形状仅仅具有示范作用。但是有时候也可以用其它的造型方法或者连接方法来使用其它的构造型式。

图2示出了按本发明的一种实施例的用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的方法200的流程图。该方法200可以用如在图1中示出的一样的气体传感器来执行。该方法具有提供的步骤202、导入的步骤204和分析的步骤206。在所述提供的步骤202中，提供传感器室，该传感器室具有用于所述流体的通到该传感器室中的进口。在所述导入的步骤204中，将所述流体导入到所述传感器室中并且在这过程中必要时对其进行冷却。在所述分析的步骤206中，借助于以能够由所述流体来加载的方式布置在所述传感器室中的传感器元件来对所述流体进行分析，用于确定所述组成部分的浓度。在此可以产生并且发出传感器信号，所述传感器信号代表着关于所述流体的组成部分的分析结果。

图3示出了按本发明的一种实施例的用于制造气体传感器的方法300的流程图。该方法具有两个提供的步骤302、304、一个插入的步骤306以及一个连接的步骤308。所述提供的步骤302、304可以同步执行。

在所述提供的步骤302中提供基体。该基体具有从流入口在轴向上穿过所述基体伸展的通孔。在所述通孔的壁体上，所述基体具有环绕的凸起。在所述提供的步骤304中，提供传感器支座和固定元件。所述传感器支座具有传感器元件并且构造用于布置在所述凸起上。在所述插入的步骤306中，将所述传感器支座和固定元件插入到所述传感器室中，直至所述传感器支座抵靠在所述凸起上。在此所述传感器元件对准所述流入口。所述固定元件抵靠在所述传感器支座及所述基体上。在所述连接的步骤306中，将所述固定元件与所述基体连接起来，并且只要所述固定元件不是结合所述传感器支座一起来提供，那么也将其与所述传感器支座连接起来，用于以气密的方式将所述传感器室封闭。

图4示出了具有用于按本发明的一种实施例的比如在图1中示出的传感器的传感器元件104的传感器支座105的图示。所述布置在传感器支座105的正面上的传感器元件104通过保护罩118来防止有害流体的不允许的很高的浓度或者作为补充方案或者替代方案防止有待分析的流体中的固体。所述传感器支座105构造为多层复合材料。在所述传感器支座105的内部，以在不同的层中彼此上下叠放并且在电气方面彼此绝缘的方式布置了由有导电能力的材料比如金构成的印制导线。电导体116构造为由高温（HT）优质钢丝构成的插脚并且从所述传感器支座105的背面插入到盲孔状的空隙402中直至有待接触的印制导线400的相应的平面。在所述盲孔中，所述插脚116用烧结的贵金属膏来接触和固定。在所述传感器支座105的其它的层中布置了加热电阻层404。所述加热电阻层404比如由RuO₂玻璃复合材料构成并且通过印制导线400来接触，以便能够在背面对所述传感器元件104进行加热。所述传感器元件104在后面用烧结的贵金属膏406固定在所述传感器支座105上并且通过通往其它的印制导线400的金属化通孔与所述其它的印制导线400进行电气连接。

换句话说，图4示出了一种连接陶瓷支座105的背面上的电气的接触插脚116用于转换到电缆触点上的实施例。所述接触插脚116可以在测量探针的另一个端部上在受到较少的热负荷的后面的区域中比如通过钎焊、激光焊接或者挤压连接与电缆的芯线相连接。在所述电气的触点的从被加热的陶瓷盘片105到所述接触插脚116的过渡带上，可以像在特殊的情况中将弹簧元件连接在所述陶瓷盘片105的边缘上一样使用金属的焊料。

这里，合适的用于所述连接的较高的工作温度范围的焊料的较高的过程温度（超过1000-1200℃）难以与所述LTCC陶瓷的耐热性（最大950℃）协调一致。此外对接地钎焊到接触垫上的金属插脚在机械方面比较敏感，因而所述金属插脚在端面上可能具有与钉头相类似的加厚部，用于提高连接面。由于过程原因（比如在连接到电缆上时进行的处理）而可能出现的全部的拉力由此集中到较大的表面上，用于给关键性的界面陶瓷-金属减荷。

所述金属插脚116的固定以及处于所述支座陶瓷105的内部的印制导线400的同时的接触可以通过相同的贵金属膏来实现，在此也为所述传感器芯片104的接触开发了所述贵金属膏。为此，可以将盲孔402从所述支座陶瓷盘片105的背向气体一侧中直至加入到所述印制导线400的相应的平面中，这些金属插脚116可以用所述膏粘合并且在芯片及保护罩固定的相同的过程中烧穿到所述平面中。作为用于所述金属插脚116的材料，可以使用镀金的高温钢丝。烧穿过程可以在空气下面或者为了排除钢丝的氧化也可以在保护气体氛围下面进行。如此沉入到所述陶瓷盘片105中的金属插脚116很能承受机械的负荷并且对于进一步处理不敏感。烧结的贵金属-玻璃-膏产生所述印制导线400和所述钢插脚116的镀金的表面的所期望的电气的接触以及在机械上稳定地连接到所述盲孔402的内部中的陶瓷表面上这些结果。

图5示出了按本发明的一种实施例的传感器100的截取部分的图示。所述传感器100基本上相当于在图1中示出的传感器。所述基体102具有传感器室106，相对于所述传感器室106的主延伸方向横向地作为终端布置了所述传感器支座105。与图1不同的是，所述传感器支座具有空隙，在该空隙中布置了所述半导体传感器元件104。所述空隙在该实施例中被作为保护装置118的具有集成的加热器的多孔的陶瓷盘片所覆盖。从所述传感器支座105的背面来电气接触所述加热器。所述基体102具有围绕着所述传感器室106环绕的凸起500，借助于固定元件120以液密的方式将所述传感器支座105压紧在所述凸起上。所述固定元件120作为金属的配对件具有比壳体材料高的热膨胀系数（WAK）。结合两个金属的密封圈502以及由陶瓷构成的具有较小的热膨胀系数的传感器支座105，所述热膨胀系数对总热膨胀系数进行补充，所述总热膨胀系数相当于所述基体的热膨胀系数。所述两个金属的密封圈502布置在所述传感器支座105的对置的侧面上。它们由可展伸的材料比如软金属合金制成。所述密封圈502构造用于通过塑性变形对所述传感器支座105与所述基体102之间的加工公差进行补偿。所述固定元件120为了进行传力连接的密封而借助于激光焊缝504固定在所述基体102上。

所述LTCC陶瓷盘片105与在图1中所描绘的弹簧元件之间的材料配合连接在特殊的前提下面是有利的，因为考虑使用的金属的焊料对于由LTCC陶瓷容许的温度范围（高达大约950℃）来说大多数含有汞（Ag）。但是因为汞（Ag）在像在比如发动机废气中的情况下一样存在提高的温度和水蒸汽时很容易迁移并且汞会导致所述气体传感器的毒化，所以这些焊料的使用可能受到限制。不含汞的焊料（比如基于Ni的焊料）具有明显更高的过程温度，所述明显更高的过程温度可能导致陶瓷盘片105的变化，只要其由LTCC构成。基于锡（Sn）的焊料具有比所述传感器的后来的工作温度低的熔化温度。利用满足所有要求的特殊焊料可以将所述固定元件120钎焊在所述传感器支座105上。

作为所述陶瓷盘片105的相对于金属壳体102的可选的密封方案，可以用由可展伸的金属比如铜（Cu）或者铝（Al）制成的密封圈502或者设有双面的涂层的由这样的可展伸的金属制成的钢圈对陶瓷盘片105进行传力配合连接的密封。所述传力配合连接比如可以通过螺纹连接来建立，或者通过在压紧力下借助于激光焊缝进行固定的方式实现的压制来建立。因为应该在-40℃直到最大500℃的使用温度范围内保持所述密封圈的压紧力，所以所述陶瓷盘片105的较低的热膨胀与所述金属壳体102的明显更高的膨胀之间的差通过旋纹连接的或者说压制的配对件来得到补偿。通过所述材料的选择以及所述配对件的尺寸，可以对所述陶瓷的相对于所述壳体102的金属的热膨胀的较小量得到补偿，也就是说所述配对件具有比所述壳体102高的膨胀系数。

陶瓷盘片105和金属壳体102的沿径向的方向的热膨胀的差通过所述密封面上的相对运动和所述金属的密封件502的展伸性得到补偿，而密封作用不受此影响，因为沿轴向的方向经过协调的膨胀系数的上面所描述的方案几乎将所述压紧力保持恒定。

在一种防止所述气体传感器受到不受欢迎的气体成分影响的作为替代方案的保护方案中，所述气体传感器的多孔的保护罩118可能需要更高的工作温度，用于能够发挥其对气态的组成部分的催化作用。在此可以成功地吸收特定的物质比如来自Si有机的化合物的Si。而所述传感器元件104的理想的工作温度大约低了50-100K。为了能够考虑到这种情况，一方面可以对所述多孔的保护罩118本身进行加热，或者可以对芯片安装面之外的陶瓷支座盘片105中的区带进行加热，由此可以间接地在较低的温度水平上一同对所述芯片104进行加热。如果所述加热过程通过施加到多孔的陶瓷上的加热器结构比如金属的蛇曲结构来进行，那么这个多孔的作为平坦的盘片的构件的形状是有利的，因为在制造所述传感器支座105时印刷方法的可能性受到限制的程度小于如在图1和图4中示出的一样的三维的保护罩118。为了能够实现所述多孔的陶瓷的平坦的形状，可以以沉入的方式将所述芯片104安装在所述陶瓷的支座盘片105的凹处中，所述支座盘片而后可以用多孔的盘片来遮盖并且可以通过玻璃焊料连接来固定。所述来自支座盘片105的电气的金属化通孔在该实施例中用所涂覆的由贵金属膏构成的点来与所述加热器的电气的触点相连接，该加热器处于所述多孔的陶瓷盘片上并且与所述芯片连接及玻璃焊料密封件一起在相同的过程中烧刻。

图6示出了作为按本发明的一种实施例的传感器的一部分的加热元件600的图示。所述加热元件600布置在如在图1、4和5中示出的一样的传感器支座和保护装置的连接处上。所述加热元件600在该实施例中具有线状的形状，该线状的形状跟随未示出的保护装置的矩形的外轮廓602。所述外轮廓602在该实施例中是用于所述传感器芯片的保护罩的支承面。传感器芯片的外轮廓604同样为矩形并且描绘在所述加热元件600的内部。所述加热元件600构造为具有较高的比电阻的加热电阻层。所述加热元件600沿着其伸长由两根具有较低的比电阻的印制导线606围住其四周（flankiert）。所述印制导线606构造用于电气接触所述加热元件600。每根印制导线606的端部从所述加热元件600上引出并且通过所述传感器支座与插脚-触点-孔608相连接。如果将电压加载到所述插脚608上，那么所述加热元件600上的电压就下降并且所述加热元件600从边缘对所述保护装置进行加热。

通过所述陶瓷支座盘片中的加热器装置来保持保护罩形状并且得到所述保护罩的所期望的较高的工作温度的方案具有这样的优点，即可以比较容易地实现所述加热器的电气的连接并且加热器结构对所述多孔的陶瓷的气体渗透性没有不好的影响。在这里可以在芯片安装区域之外的表面上设想所述陶瓷盘片中的若干环形的或者条带形的加热面，其中首先可以对所述保护罩的边缘进行加热。所设置的LTCC支座陶瓷的较小的热传导能力以及所述保护罩的多孔的SiC陶瓷的较高的热传导能力能够实现比芯片温度高了50-100K的保护罩温度/保护装置的温度。这两种所介绍的方案针是建设性的。集成在所述支座陶瓷中的加热器在此是成本更为低廉的和更为稳健的解决方案，因为这里不需要将凹处加入到所述支座中。

图7示出了按本发明的一种实施例的传感器100的连同周边设备的图示。图7中的图示相当于图5的传感器100的总视图。作为图5的补充，这里示出了对于连接电缆702的接口700。在所述接口700上，比如由镀金的高温钢制成的钢插脚116通过钎焊、熔焊或者挤压连接转到所述电缆702上。在此示出了所述基体102旋入到空间704中的情况，在该空间704中流动着废气流。以从所述传感器室伸入到废气流中的方式示出了传导装置706，该传导装置构造用于将通过箭头来表示的新鲜的废气从所述废气流导入到所述传感器室中并且将经过分析的废气从所述传感器室中排走。所述传导装置706具有输入通道和排出通道，所述输入通道和排出通道具有同心的横截面。所述输入通道在此包围着所述排出通道。所述输入通道可以具有环形的横截面。所述排出通道可以圆形的横截面。所述输入通道的外壁可以具有比所述排出通道的外壁大得多的表面。所述输入通道的长度和所述排出通道的长度比如可以相当于所述传感器室的横截面的至少三倍或者四倍。通过所述输入通道将新鲜的废气导引到所述传感器室中，在所述传感器室中所述新鲜的废气沿着所述传感器室的调温表面得到导引，用于得到冷却，直至其已经达到所述传感器100的工作温度。经过冷却的废气在所述传感器室的底部从所述传感器室的环绕的外壁在侧面传导到所述传感器元件104的上面并且在分析之后通过所述排出通道的在中心布置在所述传感器元件104上面的开口又吸回到所述空间704中。所述传导装置706可以构造用于将废气从所述分界层的外部导入到所述传感器室中。所述传导装置706内部的气流可以通过所述空间704内部的气流的运动来驱动。

在此仅仅示范性地选择了所描述的并且在附图中示出的实施例。不同的实施例完全可以或者关于各个特征彼此相组合。一种实施例也可以通过另一种实施例的特征来得到补充。此外，按本发明的方法步骤可以重复地并且以和所描述的顺序不同的顺序来执行。

Claims (11)

1. 传感器（100），用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度，其中所述传感器（100）具有以下特征：

-基体（102），该基体具有处于里面的传感器室（106）以及用于所述流体的通到所述传感器室（106）中的进口；

-用于对所述流体进行分析的传感器元件（104），该传感器元件（104）以能够由所述流体加载的方式布置在所述传感器室（106）中，用于确定所述组成部分的浓度。

2. 按权利要求1所述的传感器（100），其中所述基体（102）在所述进口与所述传感器元件（104）之间具有用于对所述传感器室（106）中的流体进行冷却的调温表面。

3. 按前述权利要求中任一项所述的传感器（100），具有保护装置（118），该保护装置将所述传感器元件（104）覆盖并且构造用于至少减小所述流体的至少一个另外的固体的、液体的或者气态的组成部分的浓度。

4. 按权利要求3所述的传感器（100），其中所述保护装置（118）具有加热元件。

5. 按前述权利要求中任一项所述的传感器（100），具有传感器支座（105），该传感器支座布置在所述传感器室（106）中并且具有用于接触所述传感器元件（104）的电气的印制导线，其中所述传感器元件（104）布置在所述传感器支座（105）的朝向所述流入口的一侧上。

6. 按权利要求5所述的传感器（100），其中所述传感器支座（105）具有用于所述传感器元件（104）的加热元件。

7. 按权利要求5到6中任一项所述的传感器（100），具有固定元件（120），该固定元件构造用于以气密的方式将所述传感器支座（105）和所述基体（102）连接起来并且/或者将所述传感器支座（105）固定在所述基体（102）上，其中所述传感器室（106）具有环绕的凸起（112）并且所述固定元件（120）构造用于将所述传感器支座（105）压紧到所述凸起（112）上。

8. 按权利要求7所述的传感器（100），其中所述固定元件（120）构造为弹簧元件（120）。

9. 按权利要求5到8中任一项所述的气体传感器（100），具有用于对所述传感器元件（104）的信号进行处理的装置。

10. 用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的方法（200），其中所述方法具有以下步骤：

-提供（202）具有用于所述流体的通到所述传感器室（106）中的进口的传感器室（106）；

-将所述流体导入（204）到所述传感器室（106）中；并且

-借助于传感器元件（104）来分析（206）所述流体，所述传感器元件以能够由所述流体来加载的方式布置在所述传感器室（106）中，用于确定所述组成部分的浓度。

11. 用于制造用于确定有待分析的流体的组成部分的浓度的传感器（100）的方法（300），其中所述方法具有以下步骤：

-提供（302）基体（102），该基体具有从流入口在轴向上穿过所述基体（102）伸展的拥有环绕的凸起（112）的通孔，其中在所述流入口与所述环绕的凸起（112）之间构造传感器室（106）；

-提供（304）具有传感器元件（104）的传感器支座（105）和固定元件（120）；

-将所述传感器支座（105）和固定元件（120）插入到所述通孔中，直到所述传感器支座（105）抵靠在所述凸起（112）上，其中所述传感器元件（104）对准所述流入口，并且所述固定元件（120）布置在所述传感器支座（105）的与流入口对置的一侧上；并且

-将所述固定元件（120）与所述基体（102）连接起来（308）。

Images