CN105572203B - 用于检测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器(10)，其用于检测测量气体室中的测量气体的至少一个特性、尤其用于证明测量气体中的气体组分的份额或者测量气体的温度。所述传感器包括至少一个传感器元件(12)，所述传感器元件具有至少一个带有至少一个功能元件(16)的固体电解质(14)，其中，所述固体电解质(14)由至少一个陶瓷材料制成，并且所述传感器包括热冲击保护层(24)，所述热冲击保护层至少部分地包围所述传感器元件(12)。所述热冲击保护层(24)具有多孔层(26)和增密层(28)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器。
背景技术
从现有技术中已知许多用于检测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器和方法。在此，原则上可以涉及测量气体的任意的物理和/或化学特性，其中，可以检测一个或者多个特性。下面尤其根据测量气体的气体组分的定性和/或定量检测来说明本发明、尤其根据测量气体中的氧气份额的检测来说明本发明。例如可以以分压的形式和/或以百分比的形式检测氧气份额。然而，替代地或者附加地，也可以检测测量气体的其他特性，例如温度。
例如，这种传感器可以构型为所谓的氧传感器，氧传感器例如由Konrad Reif(编者)：机动车中的传感器(2010第1版160-165页)已知。借助宽带氧传感器、尤其平面式宽带氧传感器例如可以在大的范围内确定废气中的氧浓度并且从而推断出燃烧室中的空气燃料比。空气系数λ说明了这个空气燃料比。
尤其从现有技术中已知陶瓷传感器元件，所述陶瓷传感器元件基于确定固体的电解特性的应用，也就是说基于这个固体的离子传导特性。尤其，这些固体可以涉及陶瓷的固体电解质，例如像二氧化锆(ZrO2)、尤其经钇稳定的二氧化锆(YSZ)，也就是说添加了氧化钇的二氧化锆，和添加了钪的二氧化锆(ScSZ)，它们可以含有微量的氧化铝和/或氧化硅添加物。
氧传感器应该可以在发动机起动之后尽可能马上接通，以便可以尽可能及时地在运行中降低有害物质排放。目前，及时接通的限制因素是由飞溅的冷凝水引起的负担，冷凝水在碰到氧传感器的传感器元件的热陶瓷上时引起剧烈冷却并从而导致陶瓷中的强大的拉应力直到陶瓷破裂。为了阻止这一点，一方面在发动机起动后等待一定的时间，直到水负载低于临界水平，另一方面通过附加的热冲击保护层来保护传感器陶瓷。这个与传感器元件相比本身强烈多孔的陶瓷层在传感器元件烧结之后借助于等离子喷射过程被施加并且完全包围传感器元件的敏感的热区域。热冲击保护层的多孔材料由于其较小的弹性模量以及能够在不丧失功能的情况下吸收极其小裂纹的能力而较能抵抗水负荷。
尽管从现有技术中得知的传感器有很多优点，但是这种传感器仍包含改进潜力。然而，热冲击保护层的多孔性(所述多孔性虽然提供了上面所提到的机械方面的优点)同时也有利于水渗入到热冲击保护层中，由此在最不利的情况下水确实会进入传感器元件本身并且会损害传感器元件。热冲击保护层的层厚度的上限是由热冲击保护层的附加的热质量给出的，所述热质量导致传感器元件必须负载更多能量并从而负载内部的热机械应力。
发明内容
因此，提出一种用于检测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的传感器和一种制造这种传感器的方法，它们至少在很大程度上避免已知传感器和方法的缺点并它们尤其将多孔、绝热和机械坚固的层的优点与热冲击保护层外皮的不吸水特性相组合。
按照本发明的、用于检测测量气体室中的测量气体的至少一个特性的、尤其用于证明测量气体中的气体组分的份额或者测量气体的温度的传感器至少一个传感器元件，所述传感器元件具有至少一个带有至少一个功能元件的固体电解质，其中，所述固体电解质由至少一个陶瓷材料制成，并且所述传感器包括热冲击保护层，所述热冲击保护层至少部分地包围所述传感器元件，其中，所述热冲击保护层具有多孔层和增密层。
增密层可以布置在多孔层的背离传感器元件的侧上。增密层可以区段式地布置在多孔层上。多孔层和增密层可以由相同材料制造。增密层可以通过多孔层的部分熔化制造。
按照本发明的、用于制造传感器的方法，该传感器用于检测测量气体室中的测量气体的至少一个特性、尤其用于证明测量气体中的气体组分的份额或者测量气体的温度，所述方法包括以下步骤；
-提供至少一个传感器元件，所述传感器元件具有至少一个带有至少一个功能元件的固体电解质，其中，所述固体电解质由至少一个陶瓷材料制成，和
-以如下方式施加热冲击保护层，使得热冲击保护层至少部分地包围所述传感器元件，其中，以如下方式施加所述热冲击保护层，使得热冲击保护层具有多孔层和增密层。
在此，可以通过熔化多孔层制造增密层。为了熔化可以借助于激光射束照射多孔层。激光射束可以是长脉冲的。增密层可以布置在多孔层的背离传感器元件的侧上。
在本发明的范围内，固体电解质应理解为具有电解特性、即具有离子传导特性的本体或者物体。尤其可以涉及陶瓷固体电解质。固体电解质也包括固体电解质的原材料并因此也包括构造为在烧结之后才成为固体电解质的所谓压坯(Gruenling)或者脱脂坯(Braunling)。
在本发明的范围内，功能元件理解为这样的元件，所述元件是从由下面这些部件组成的组中选出：电极、电路板、扩散障碍、扩散隙、参考气体通道、加热元件、能斯特单元(Nernstzelle)和泵单元(Pumpzelle)。尤其应理解为下述这些元件，所述元件实现氧传感器的重要的化学和/或物理和/或电和/或电化学功能。
在本发明的范围内，热冲击保护层应理解为多孔的陶瓷保护层，所述保护层适用于通过机械和/或者热脱耦来减小由于温度梯度而产生的、传感器陶瓷中的应力。即，具有这种保护层的传感器元件、例如像氧传感器在已被加热的状态下经受得住一定水滴大小的冷凝水，而不受到损害。保护层通常是在附加的方法步骤中施加到传感器元件上。为此可使用不同的材料例如氧化铝或者尖晶石(MgAl2O4)和使用不同的施加技术例如喷射过程或者浸入过程。例如已知，借助于大气等离子喷射由多孔的氧化铝施加均匀厚度的热冲击保护层。通过这种热涂层过程将已引入的颗粒熔化并且加速到固体电解质表面上，从而将热冲击保护层施加在整个固体电解质表面上。在低温范围内、也就是说在大约300℃至400℃的温度范围内，热冲击保护层通过其受限的渗透性而降低了水进入传感器元件的固体电解质，所述固体电解质至少部分地由氧化锆制造，并且在高温度范围内、也就是说在大约400℃至600℃的温度范围内通过导热限制冷却。在较高温度时，莱顿弗罗斯特效应阻止冷却。热冲击保护层可以布置在可遭受测量气体室的固体电解质表面上。
在本发明的范围内，层可理解为具有一定高度的、面式膨胀的统一质量，所述层可以位于其他构件之间、之下或者之上。
在本发明的范围内，多孔层可理解为具有至少20％多孔性的层。在此，多孔性可理解为物体、尤其层的空腔与其总体积的比例关系。
在本发明的范围内，增密层可理解为由于增密而具有不多于20％多孔性的层。这种增密可以通过处理、尤其热处理来实现。在此，空腔体积比物体、尤其层的总体积减小得强烈。
本发明的基本构想是施加尽可能高多孔性的陶瓷层，也就是说施加具有技术上尽可能高的多孔性的层，而且这个陶瓷层之后借助于长脉冲激光热增密，从而在多孔的热冲击保护层上面产生薄的、很密实的层。与没有值得注意的能量引入地允许在其使用范围内所希望的材料剥离的短脉冲激光相反，长脉冲的激光、即具有多于1ns的脉冲持续时间的激光导致多孔的陶瓷材料部分地被熔化并且在重新冷却时具有较密实的结构。在本发明的范围内，正是这个效应被用于使多孔的热冲击保护层的最上层后增密。被后增密的层阻止水渗入，而位于下面的、还多孔层针对冷却提供热的和机械的保护。
附图说明
从下面在图中示意性示出的优先实施例的说明中得知本发明的其他可选择的细节和特征。
图中示出：
图1：按照本发明第一实施方式的、在制造增密层之前的传感器的横截面视图，
图2：在制造增密层之后的传感器的横截面视图和
图3：按照本发明第二实施方式的传感器的俯视图
具体实施方式
图1示出按照本发明第一实施方式的传感器10的横截面视图。传感器10构造为用于检测一测量气体室中的测量气体的至少一个特性、尤其用于证明测量气体中的气体组分的份额或者测量气体的温度。在图1中示出的传感器10尤其可以用于证明测量气体的物理和/或化学特性，其中，可以检测一个或者多个特性。下面尤其根据测量气体的气体组分的定性和/或定量检测来说明本发明、尤其根据测量气体中的氧气份额的检测来说明本发明。例如可以以分压的形式和/或以百分比的形式检测氧气份额。然而，原则上也可以检测其他种类的气体组分，例如氧化氮、碳氢化合物和/或氢。然而，替代地或者附加地，也可以检测测量气体的其他特性，例如温度。本发明尤其在机动车技术范围内使用，从而测量气体室尤其可以涉及内燃机的废气道并且测量气体尤其可以涉及废气。
可以实施为平面式氧传感器的传感器10具有传感器元件12。所述传感器元件12具有固体电解质14。固体电解质14可以由多个固体电解质层组成或者包括多个固体电解质层。固体电解质14尤其可以涉及陶瓷固体电解质14，例如像二氧化锆、尤其经钇稳定化的二氧化锆和添加了钪的二氧化锆，其可以含有微量的氧化铝和/或氧化硅添加物。固体电解质14具有至少一个功能元件16。在所示出的实施方式中，固体电解质14例如具有第一电极18和第二电极20。第一电极18和第二电极20可以是金属陶瓷电极或者是贵金属电极，例如铂电极。也可以实施为铂-金属陶瓷电极。此外，传感器元件12具有没有详细示出的加热元件。第一电极18布置在固体电解质14的可遭受测量气体室的表面22上，第二电极20布置在固体电解质14的内部。例如，固体电解质14、第一电极18和第二电极20构成了所谓的能斯特单元。另外，传感器10具有热冲击保护层24。
图2示出传感器10的横截面视图。按照本发明，热冲击保护层24是这样被处理的，使得热冲击保护层24具有多孔层26和增密层28。因此，图1示出在制造增密层28之前的传感器10而图2示出在制造增密层28之后的传感器。增密层28布置在多孔层26的背离传感器元件12的侧30上。例如，增密层28完全布置在多孔层26的外侧上，从而增密层构成多孔层26的一种外壳。多孔层26和增密层28由相同材料制造。在此，增密层28通过多孔层26的部分熔化制成，如下面详细说明的那样。
为了制造传感器10，传感器元件12以本来已知的方式提供并且可以已经具有带有功能元件16的固体电解质14。将热冲击保护层24施加到传感器元件12上，例如借助于等离子喷射过程或者浸入过程。热冲击保护层24在这个阶段首先仅具有多孔层26。增密层28通过将多孔层26熔化来制造。为了熔化借助于激光射束照射多孔层26。在此，激光射束长脉冲，也就是说，具有至少1ns的脉冲持续时间。在此，增密层在多孔层26的背离传感器元件12的外侧中制成。在此，增密层28如从技术上如此薄地构成，例如具有不多于50μm、优选不多于30μm的层厚度。当然，多孔层26仅被增密到这个程度，即，多孔层还是透气的。
图3示出按照本发明的第二实施方式的传感器10的俯视图。下面仅说明了与前面实施方式的区别，相同的构件设有相同的附图标号。对于第二实施方式的传感器10，增密层28仅局部地布置在多孔层26上。更准确地说，增密层28仅布置在这样的区域中，所述区域在垂直于多孔层26和第一电极18的表面观察时与第一电极18重叠。由此，仅可靠地保护敏感的第一电极18免受水击，而热冲击保护层24余下的部分是多孔的并因此是透气的。因此，即使在最不利的情况下，可能渗入到热冲击保护层24中的水也仅能推进到传感器元件12的对水击不那么敏感的区域。
Claims (9)
1.一种传感器(10)，其用于检测测量气体室中的测量气体的至少一个特性，所述传感器包括至少一个传感器元件(12)，所述传感器元件具有至少一个带有至少一个功能元件(16)的固体电解质(14)，其中，所述固体电解质(14)由至少一个陶瓷材料制成，并且所述传感器包括热冲击保护层(24)，所述热冲击保护层至少部分地包围所述传感器元件(12)，其中，所述热冲击保护层(24)具有多孔层(26)和增密层(28)，其中，所述增密层(28)是通过所述多孔层(26)的部分熔化制成的，其中，所述多孔层(26)和所述增密层(28)由相同的材料制成。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述增密层(28)布置在所述多孔层(26)的背离所述传感器元件(12)的侧(30)上。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述增密层(28)区段式地布置在所述多孔层(26)上。
4.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述传感器用于证明测量气体中的气体组分的份额或者测量气体的温度。
5.用于制造传感器(10)的方法，该传感器用于检测测量气体室中的测量气体的至少一个特性，所述方法包括以下步骤；
-提供至少一个传感器元件(12)，所述传感器元件具有至少一个带有至少一个功能元件(16)的固体电解质(14)，其中，所述固体电解质(14)由至少一个陶瓷材料制成，和
-以如下方式施加热冲击保护层(24)，使得热冲击保护层(24)至少部分地包围所述传感器元件(12)，其中，以如下方式施加所述热冲击保护层(24)，使得热冲击保护层(24)具有多孔层(26)和增密层(28)，
其中，通过熔化所述多孔层(26)来制造所述增密层(28)，其中，所述多孔层(26)和所述增密层(28)由相同的材料制成。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，为了熔化而借助于激光射束照射所述多孔层(26)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述激光射束长脉冲。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其中，将所述增密层(28)布置在所述多孔层(26)的背离所述传感器元件(12)的侧(30)上。
9.按照权利要求5所述的方法，其中，该传感器用于证明测量气体中的气体组分的份额或者测量气体的温度。
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