CN104977344A - 用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器(10)，用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性，尤其用于确证测量气体中的气体成分的含量或测量气体的温度，包括传感元件(12)和传感器壳体(18)，该传感元件具有至少一个固体电解质(14)和至少一个功能元件(16)，该传感器壳体具有用于保持所述传感元件(12)的传感元件保持架(20)。传感元件(12)被传感元件保持架(20)这样保持，使得传感元件(12)的测量气体空间侧区段(22)自所述传感元件保持架(20)突出，所述测量气体空间侧区段(22)至少部分地被热冲击防护层(26)覆盖，在该热冲击防护层(26)和传感元件保持架(20)之间布置有密封装置(28)。本发明还涉及一种用于制造该传感器的方法。

Description

用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的传感器以及其制造方法。

现有技术

由现有技术已知多种传感器和用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的方法。这里基本涉及测量气体的任意物理和/或化学特性，可以感测一个或多个特性。下面尤其关于测量气体的气体成分含量的定性和/或定量感测来说明本发明，尤其关于测量气体中的氧含量的感测。氧含量可以例如以分压力形式和/或以百分比形式来感测。附加地或替换地，也可以感测测量气体的其它特性，例如温度。

此类传感器例如可以构造为所谓λ传感器，如由Konrad Reif编著“车辆中的传感器”，2010年第1版160～165页中所知的。通过宽带λ传感器，尤其是平面的宽带λ传感器，可以例如在很大范围内确定废气中的氧浓度并从而推断出空燃比。空气系数λ来描述空燃比。

由现有技术尤其已知具有陶瓷传感元件的传感器，它基于一定固体的电解特性的利用，即利用该固体的离子传导特性。这种固体尤其是陶瓷固体电解质，例如二氧化锆(ZrO2)，尤其是加入钇稳定剂的氧化锆(YSZ)和掺杂钪的氧化锆(ScSZ)，它们可以含有少量氧化铝(Al₂O₃)和/或氧化硅(SiO₂)添加物。

对此类传感元件的功能要求不断提高。尤其重要的是，λ传感器在发动机起动后快速达到运行准备状态。这基本上受两方面影响。第一方面涉及到λ传感器快速加热到通常高于600℃的运行温度，这通过相应设计加热元件或者缩小要加热的范围来实现。另一方面涉及到在运行期间抵抗由于水冲击而产生的热冲击的鲁棒性。所谓热冲击是基于：在发动机起动后一定时间段内废气管中的温度低于水的露点，因而在燃料燃烧时产生的水蒸汽会在废气管中凝结。由此在废气管中形成水滴。λ传感器中的已被加热的陶瓷会由于碰到水滴并且因传感陶瓷冷却导致产生热应力而被损坏甚至破裂。

因此，开发了在表面上具有多孔陶瓷保护层的λ传感器，该保护层也被称为热冲击保护层或热冲击防护层。该保护层用于将出现在λ传感器上的水滴分散到大面积上并因此降低在固体电解质或者说传感陶瓷上出现的局部温度梯度。因而，λ传感器在已加热的状态下承受一定的冷凝水滴量，而不产生损坏。该保护层通常在附加的方法步骤中施加到传感元件上。为此可以使用不同的材料例如氧化铝或尖晶石(MgAl₂O₄)和不同的施加技术例如喷射工艺或浸泡工艺。例如已知，通过气化离子喷射的方法施加由多孔氧化铝构成的均匀厚度的热冲击保护层。用这种热涂层工艺使带入的颗粒溶化并在传感元件表面上加速，使得热冲击涂层被施加到整个传感元件表面上。这就能在低浴温度、即在约300℃到400℃的温度时通过涂层的有限渗透性防止水侵入至少部分地由氧化锆制成的传感元件的表面，并且在高温范围、即在约400℃到800℃的温度时限制由于热传导而导致冷却。

尽管由现有技术已知的传感器和用于λ传感器的传感元件具有很多优点，但仍有改进潜力。该传感元件通常不是全部被温度冲击防护层覆盖，而是仅在测量气体空间侧的区段上被覆盖。传感元件的其余部分被传感元件保持架保持住。热冲击防护层的收尾部、即热冲击防护层的面对传感元件保持架的区段在λ传感器运行时被加电流。尤其是跳跃式传感器需要对外电极大面积上加电流。但在热冲击防护层的收尾部区域内传感器抵抗水冲击的鲁棒性较低，因为由于制造技术方面原因热冲击防护层不是与传感元件保持架完全齐平地终止，而是在这两个构件之间存在没有热冲击防护层的区域。由于制造技术方面原因热冲击防护层的该收尾部是不可避免的。如果给传感元件加电流而不对热冲击防护层的收尾部加电流，则会导致很差的传感器动态性能，使得传感器不能可靠地用于多种诊断。

发明内容

提出一种用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的传感器以及它的制造方法，它们至少能很大程度上避免已知传感器的缺点并且尤其能够在传感器的动态性能和测量精度保持不变的情况下改善抵抗热冲击的鲁棒性。

本发明传感器包括一个传感元件和一个传感器壳体，该传感元件具有至少一个固体电解质和至少一个功能元件，传感器壳体具有用于保持传感元件的传感元件保持架。传感元件被传感元件保持架保持住，使得传感元件的测量气体空间侧区段自传感元件保持架突出。测量气体空间侧区段至少部分地由热冲击防护层覆盖。在热冲击防护层、尤其热冲击防护层的收尾部与传感元件保持架之间，布置有密封装置。这样，不会再有水滴到达无涂覆层的传感元件上。

传感元件被这样保持在传感元件保持架中，使得传感元件的测量气体空间侧区段从传感元件保持架伸出，尤其朝测量气体空间的方向。

密封装置可以是液密的密封装置。密封装置例如是粘结剂，尤其是至少一种陶瓷粘结剂。陶瓷粘结剂可以例如由一种材料制成，这种材料包含至少一种由以下材料组中选择出的元素：氧化硅(SiO₂)，氧化铝(Al₂O₃)，氧化锆(ZrO₂)，氧化镁(MgO)，云母和硅酸铝，氧化锆-硅酸盐，硅酸盐接合剂，二硼化钛，二氧化钛，分别带有有机的或无机的结合剂。

密封装置可以至少与热冲击防护层和传感元件保持架连接。例如密封装置与热冲击防护层、传感元件保持架和传感元件连接。优选的是，传感元件具有被保持在传感元件保持架中的传感器壳体侧区段，其中，密封装置与热冲击防护层、传感元件保持架、测量气体空间侧区段和传感器壳体侧区段连接。当然，通过密封装置与测量气体空间侧区段和传感器壳体侧区段的连接可以仅在局部进行。传感器还可以具有至少一个保护管，该保护管至少围绕传感元件的测量气体空间侧区段。

制造用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性、至少用于证明测量气体内的气体成分含量或测量气体的温度的传感器的本发明方法包括以下步骤：

提供传感元件和传感器壳体，该传感元件具有至少一个固体电解质和至少一个功能元件，该传感器壳体具有用于保持传感元件的传感元件保持架，

将传感元件这样布置在传感元件保持架上，使得传感元件被传感元件保持架这样保持住，以致传感元件的测量气体空间侧区段自传感元件保持架突出，

将热冲击防护层施加到传感元件上，使得测量气体空间侧区段至少部分地被热冲击防护层覆盖，并且

将密封装置布置在热冲击防护层和传感元件保持架之间。

传感元件可以这样被保持在传感元件保持架中，使得传感元件的测量气体空间侧区段从传感元件保持架中伸出。密封装置可以是液密的密封装置。密封装置例如可以是粘结剂。密封装置例如是至少一种陶瓷粘结剂。陶瓷粘结剂可以例如由一种材料制成，这种材料包含由以下材料组中选择出的至少一种元素：氧化硅(SiO₂)，氧化铝(Al₂O₃)，氧化锆(ZrO₂)，氧化镁(MgO)，云母和硅酸铝，氧化锆-硅酸盐，硅酸盐接合剂，二硼化钛，二氧化钛，分别带有有机的或无机的结合剂。

密封装置可以至少与热冲击防护层和传感元件保持架连接。密封装置可以与热冲击防护层、传感元件保持架以及传感元件连接。传感元件可以具有被保持在传感元件保持架中的传感器壳体侧区段，其中，密封装置与热冲击防护层、传感元件保持架、测量气体空间侧区段和传感器壳体侧区段连接。可以设置至少一个保护管，该保护管至少围绕传感元件的测量气体空间侧区段。该保护管可以与传感器壳体连接，其中，在连接保护管和传感器壳体之前布置密封装置。替换地，可以将保护管与传感器壳体连接，其中，在连接保护管和传感器壳体之后布置密封装置。保护管可以具有至少一个开口，密封装置穿过该开口布置。密封装置可以例如借助针穿过该开口布置。

替换地也可以是，传感元件在装入传感器壳体之前预装配在传感元件保持架中，例如通过压紧工艺。接着可以密封热冲击防护层的收尾部相对于传感元件保持架的密封装置，例如通过陶瓷粘结剂。然后将由带有热冲击保护层的传感元件、传感元件保持架和处于热冲击防护层收尾部与传感元件保持架之间的密封装置组成的预装配组件装入传感器壳体中并安装好，例如通过压紧工艺或夹紧，例如通过碟形弹簧。在本发明范围内对于固体电解质应理解为一种具有电解特性、即具有离子传导特性的物体或物质。尤其可以涉及陶瓷固体电解质。这也包括固体电解质的原材料，因而也包括在烧结后才变成固体电解质的所谓压坯(Grünling)或脱脂坯(Braunling)。

在本发明范围内对于功能元件应理解为从下组中选择出的一种元件：电极，印制导线，扩散势垒，扩散间隙，参考气体通道，加热元件，能斯特电池和/或泵单元(Pumpzelle)。尤其可以理解承担λ传感器的基本的化学和/或物理和/或电气和/或电化学功能的那些元件。

在本发明范围内对于热冲击保护层应理解为一个层，它或者适用于使碰到传感元件上的水滴分布到一个大的面积上并且进而减小在固体电解质中出现的局部温度梯度，从而保护传感元件不受水冲击，或者可以明显减小水滴和热冲击保护层表面之间的接触面积，使得没有水可以达到热冲击保护层的中间空间。在此对于层可以理解为在确定高度上平面延伸的单一物质，它可以位于其它构件的上面、上方、下面或之间。热冲击保护层可以例如如如图在US2003/0159928 A1中描述的那样构造并且由多个具有例如不同的多孔的单个层组成。

在本发明范围内密封装置应理解为适用于对液体、尤其是水起阻隔作用的任何构件。在本发明范围内尤其将粘结剂、优选陶瓷粘结剂用作密封装置。

在本发明范围内保护管应理解为管形的构件，它隔开距离地包围传感元件。保护管使得传感元件容易保持在希望的温度上并可预防机械损伤。为了气体能够进入传感元件，保护管设置有孔或开口。保护管例如可以如在DE 102008 041 046 A1中描述的那样构造。

本发明的基本思想是，给热冲击保护层的收尾部设置密封装置，从而在该部位不再有水滴能到达传感元件上。密封装置可以在传感元件在壳体中与周围压紧之后施加。为此保护管在该密封过程之后才安装到壳体上。替换地，密封装置可以用针穿过保护管施加。例如将针通过贯通的端面中心孔导入。

替换地也可以是，传感元件在装入到传感器壳体中之前预装配在传感元件保持架中，例如通过压紧工艺。接着可以密封热冲击防护层收尾部相对于传感元件保持架的密封装置，例如通过陶瓷粘结剂。然后将由带有热冲击保护层的传感元件、传感元件保持架和处于热冲击防护层收尾部和传感元件保持架之间的密封装置组成的预装配组件装入传感器壳体中并安装好，例如通过压紧工艺或夹紧，例如借助碟形弹簧。

附图说明

从以下对优选实施例的说明中得知本发明的其它可选细节和特征，它们在附图中示意性示出。

附图示出：

图1本发明传感器的横截面视图。

具体实施方式

图1表示了本发明传感器10的横截面视图。图1中描述的传感器10可以用于确证测量气体的物理和/或化学特性，其中，可以感测一个或多个特性。本发明在下面尤其关于对测量气体的气体成分的定量和/或定性感测来进行说明，尤其关于测量气体的氧含量的感测。氧含量例如可以以分压力的形式和/或以百分比的形式来感测。但原则上也可以感测其它类型的气体成分，例如氮、二氧化碳、碳黑颗粒和/或氢。替换地或附加地，也可感测测量气体的其它特性，例如温度。本发明尤其可用于汽车技术领域，从而所述测量气体空间尤其可以是内燃机的排气管并且测量气体尤其是废气。

传感器10例如构造为平面的λ传感器。传感器10具有传感元件12。传感元件12具有至少一个固体电解质14和至少一个功能元件16。传感元件12例如包括多个固体电极层，在这些固体电极层之间和/或之上布置有多个功能元件。传感元件12例如具有处于固体电解质14内部的加热元件并具有两个或更多个电极，这些电极中的一个布置在固体电解质14的外侧面上并且一个或多个布置在固体电解质14的内部。用于形成传感元件12的更详细情况可由上述现有技术得知，尤其是Konrad Reif编著的“汽车传感器”，2010年第1版，第160-165页。

传感器10还具有传感器壳体18。传感器壳体具有用于保持传感元件的传感元件保持架20。传感元件保持架20例如构造为陶瓷密封组。传感元件12被传感元件保持架20这样保持住，使得传感元件12的测量气体空间侧区段22自传感元件保持架20突出。更准确地说传感元件12被这样保持在传感元件保持架20中，使得传感元件12的测量气体空间侧区段22从传感元件保持架20伸出。传感元件12还具有传感器壳体侧区段24，它被保持在传感元件保持架20中。

测量气体空间侧区段22至少部分被热冲击防护层26覆盖。例如热冲击防护层26在围绕传感元件12的纵向延伸方向的周向上几乎完全覆盖测量气体空间侧区段22，而在朝传感器壳体侧区段24的方向上变薄并从而收尾。在热冲击防护层26和传感元件保持架20之间布置了密封装置28。密封装置28尤其是液密的密封装置。密封装置28例如是粘结剂并且优选是陶瓷粘结剂。

如从图1可知，密封装置28至少与热冲击防护层26和传感元件保持架20连接。优选的是，密封装置28与热冲击防护层26、传感元件保持架20以及传感元件12连接。例如密封装置28与热冲击防护层26、传感元件保持架20、测量气体空间侧区段22以及传感器壳体侧区段24连接。例如密封装置28可以水滴状地构造并由此与热冲击防护层26、传感元件保持架20、测量气体空间侧区段22以及传感器壳体侧区段24接触。

如从图1中可知，传感器10还包括至少一个保护管30。例如设置有一个外保护管32和一个内保护管34。内保护管34布置在外保护管32的内部，但其测量气体空间侧区段36自内保护管突出。替换地也可行的结构是，内保护管34完全处于外保护管32之内。此外在上述结构中单一保护管或三重保护管也是可行的。保护管32，34与传感器壳体18连接。例如保护管32，34从外部安装到传感器壳体18上并被固定在传感器壳体上，例如通过焊接。保护管30具有至少一个开口38。开口38允许测量气体进入到达位于内保护管34内的传感元件12。例如外保护管32和内保护管34有多个开口38。随测量气体一起通过开口38到达保护管32，34内部的水滴或其它液滴，由于有密封装置28而不再能在热冲击保护层26和传感器壳体侧区段24之间的过渡区域中达到传感元件12上。

传感器10可以如下制造。首先准备好传感元件12。接着将热冲击防护层26这样施加到传感元件12上，使得测量气体空间侧区段22至少部分地被热冲击防护层26覆盖。然后将传感元件26插入、尤其压入到传感器壳体18的传感元件保持架20中，使得传感元件12的测量气体空间侧区段22自传感元件保持架20突出。接着在热冲击防护层26和传感元件保持架20之间将密封装置28安置在上述位置上。换言之，密封装置28与热冲击防护层26、传感元件保持架20、测量气体空间侧区段22和传感器壳体侧区段24连接。需明确强调的是，可以在传感元件12被压入到传感元件保持架20中后并在保护管30与传感器壳体18连接之前布置密封装置28。因而，在此，在施加密封装置28之后才将所述至少一个保护管30装到传感器壳体18上。

替换地，将已经用热冲击保护层26覆层的传感元件12用上述方式插入到传感器壳体18的传感元件保持架20中并且将保护管30用已知的方式与传感器壳体18连接。接着将密封装置28安装到上述位置。例如密封装置28以陶瓷粘结剂的形式借助针通过端侧的孔或开口40导入所述至少一个保护管30、尤其内保护管34中并施加、尤其注射在热冲击防护层26和传感元件保持架20之间。

替换地也可以是，将传感元件12在装入传感器壳体18之前预装配在传感元件保持架20中，例如借助压紧工艺。接着用密封装置28将热冲击防护层26的收尾部相对于传感元件保持架20密封，例如借助陶瓷粘结剂。然后将由带有热冲击保护层26的传感元件12、传感元件保持架20和处于热冲击防护层26的收尾部与传感元件保持架20之间的密封装置28组成的预装配的组件插入并安装，例如借助压紧工艺或夹紧，例如借助碟形弹簧。

Claims (16)

1.传感器(10)，用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性，尤其用于确证测量气体中的气体成分的含量或测量气体的温度，包括传感元件(12)和传感器壳体(18)，所述传感元件具有至少一个固体电解质(14)和至少一个功能元件(16)，所述传感器壳体具有用于保持传感元件(12)的传感元件保持架(20)，其中，所述传感元件(12)被传感元件保持架(20)这样保持，使得所述传感元件(12)以测量气体空间侧区段(22)自传感元件保持架(20)突出，其中，所述测量气体空间侧区段(22)至少部分地被热冲击防护层(26)覆盖，在所述热冲击防护层(26)和所述传感元件保持架(20)之间布置有密封装置(28)。

2.根据前述权利要求所述的传感器(10)，其中，所述传感元件(12)被这样保持在所述传感元件保持架(20)中，使得所述传感元件(12)以测量气体空间侧区段(22)从传感元件保持架(20)中伸出。

3.根据前述权利要求之一所述的传感器(10)，其中，所述密封装置(28)是液密的密封装置(28)。

4.根据前述权利要求之一所述的传感器(10)，其中，所述密封装置(28)是至少一种陶瓷粘结剂。

5.根据前一权利要求所述的传感器(10)，其中，所述陶瓷粘结剂由一种材料制成，该材料由包含从以下组中选择出的至少一种元素：氧化硅(SiO₂)，氧化铝(Al₂O₃)，氧化锆(ZrO₂)，氧化镁(MgO)，云母和硅酸铝，氧化锆-硅酸盐，硅酸盐接合剂，二硼化钛，二氧化钛，分别带有有机的或无机的结合剂。

6.根据前述权利要求之一所述的传感器(10)，其中，所述传感元件(12)具有被保持在所述传感元件保持架(20)中的传感器壳体侧区段(24)，其中，密封装置(28)与热冲击防护层(26)、传感元件保持架(20)、测量气体空间侧区段(22)以及传感器壳体侧区段(24)连接。

7.根据前述权利要求之一所述的传感器(10)，其中，还包括至少一个保护管(30，32，34)，所述保护管至少包围传感元件(12)的测量气体空间侧区段(22)。

8.用于制造传感器(10)的方法，所述传感器用于感测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性，尤其用于确证测量气体中的气体成分的含量或测量气体的温度，该方法包括：

提供传感元件(12)和传感器壳体(18)，该传感元件具有至少一个固体电解质(14)和至少一个功能元件(16)，该传感器壳体具有用于保持传感元件(12)的传感元件保持架(20)，

将传感元件(12)这样布置在传感元件保持架(20)上，使得传感元件(12)被传感元件保持架(20)这样保持住，以致传感元件(12)以测量气体空间侧区段(22)自传感元件保持架突出(20)，

将热冲击防护层(26)施加到传感元件(12)上，使得测量气体空间侧区段(22)至少部分地被热冲击防护层(26)覆盖，并且

在热冲击防护层(26)和传感元件保持架(20)之间布置密封装置(28)。

9.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述传感元件(12)被这样保持在传感元件保持架(20)中，使得传感元件(12)以测量气体空间侧区段(22)从传感元件保持架(20)中伸出。

10.根据前面两个权利要求之一所述的方法，其中，密封装置(28)是至少一种陶瓷粘结剂。

11.根据前面三个权利要求之一所述的方法，其中，所述传感元件(12)具有被保持在传感元件保持架(20)内的传感器壳体侧区段(24)，其中，密封装置(28)与热冲击防护层(26)、传感元件保持架(20)、测量气体空间侧区段(22)以及传感器壳体侧区段(24)连接。

12.根据前面四个权利要求之一所述的方法，其中，设置有至少一个保护管(30，32，34)，它至少包围所述传感元件(12)的测量气体空间侧区段(22)。

13.根据前面五个权利要求之一所述的方法，其中，所述保护管(30，32，34)与传感器壳体(18)连接，其中，在连接所述保护管(30，32，34)与传感器壳体(18)之前布置所述密封装置(28)。

14.根据前面六个权利要求之一所述的方法，其中，将带有热冲击防护层(26)的传感元件(12)预装在传感元件保持架(20)中，施加密封装置(28)并将处于传感元件保持架(20)内的传感元件(12)连同热冲击防护层(26)一起和所施加的密封装置(28)插入带有已安装的保护管(30，32，34)的传感器壳体(18)内并安装好。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，将保护管(30，32，34)与传感器壳体(18)连接，其中，在连接保护管(30，32，34)与传感器壳体(18)之后布置所述密封装置(28)。

16.根据前一权利要求所述的方法，其中，保护管(30，32，34)具有至少一个开口(38，40)，密封装置(28)穿过所述开口(38，40)布置。