CN108981958A - 用于感测元件的氧化铝扩散阻挡体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于感测元件的氧化铝扩散阻挡体。本发明还涉及用于温度感测器的感测元件，包括具有施加于其的铂弯曲体的基底。氧化铝扩散阻挡体(ADB)覆盖弯曲体以提供抵抗污染的保护和结构稳定性，其中氧化铝扩散阻挡体是连续的多晶层，其由氧化铝和以重量计约1％的金红石添加剂制成以基本上避免网状孔隙。连续的多晶层包括具有典型在0.5‑3μm范围内的晶粒尺寸的晶粒。制造氧化铝扩散阻挡体的方法包括以下步骤：将纳米氧化铝和纳米金红石粉末组合以产生配制物；将配制物施加于铂弯曲体以形成层；将该层烧结以产生覆盖铂弯曲体的连续的多晶层。

Description

用于感测元件的氧化铝扩散阻挡体
技术领域
本主题公开涉及承受高热冲击和/或化学侵蚀环境的感测元件，更特别地涉及用于汽车废气测量用途的温度感测元件。
背景技术
在更为清洁运转的发动机的研发中，排放法规是推动创新的重要源头。汽车工业已经在发动机设计、发动机控制、燃料喷射等方面取得了很多改进以改善排放。废气系统在达到和超过法规方面已经变得非常重要。为了保证废气系统和发动机整体的适当功能，多种感测器向发动机控制提供信息。典型的感测器包括温度感测器、压力感测器和氧感测器(也称之为λ感测器)。
废气系统是其中布置感测器的特别不利的环境。典型的操作温度范围是从启动时非常冷的环境温度到在操作期间废气热点中的750-1000℃。热冲击可为由0.75mm的热电偶测得的高达1100Ks-1。此外，废气系统经常具有可为非常腐蚀性的苛性气体。连同这些快速温度变化和化学不利的环境，常见显著的震动。因此，感测器寿命通常是有限的并且可发生失效。而且，感测器的稳定性会受到热浸(thermal soak)和热冲击的影响。这种所谓的漂移使得相对于正常响应，感测器读数会偏移，通常为正偏移。
存在多种类型的温度感测器。例如，1998年11月3日授予Wienard等的美国专利5,831,512(‘512专利)公开了一种电阻温度计。‘512专利使用铂弯曲体或弯曲模式的线材来测定温度。对铂弯曲体施加陶瓷片用于保护。2012年12月18日授予Kamenov等的美国专利8,333,506公开了保护组件的保形涂层。2003年9月9日授予Zitzmann的美国专利6,617,956公开了施加有保护性釉面的保护性中间层。2002年3月5日授予Dietmann等的美国专利6,353,381公开了具有作为中间层的扩散阻挡体的电阻层和钝化层以保护电阻层抵抗周围的气氛的损害。
发明内容
考虑到以上，需要一种感测元件，其对于承受大的温度波动和高的热冲击足够鲁棒(robust)。
本主题技术的一个实施方案是用于温度感测器的感测元件，包括：可为氧化铝(Al2O3)或钛酸镁(MgTiO3)的基底或基材；施加于基材的铂迹线或弯曲体；具有芯片焊盘的引线，其与Pt弯曲体电连接；覆盖Pt弯曲体的氧化铝扩散阻挡体(ADB)以提供抵抗污染的保护和结构稳定，其中氧化铝扩散阻挡体为连续的(contiguous)多晶层，其由氧化铝和以重量计约1％的金红石或锐钛矿添加剂制成以基本上避免网状孔隙。感测元件还可包括：施加在ADB上的玻璃层；施加于玻璃层的第二氧化铝扩散阻挡体；施加于第二氧化铝扩散阻挡体的第二玻璃层；施加于第二玻璃层的盖板；施加于盖板的固定玻璃；以及包封基底、铂迹线、引线、玻璃层、氧化铝扩散阻挡体、盖板和固定玻璃的壳体。金红石和/或锐钛矿添加剂可为高反应性的纳米TiO2形式。
本主题技术的另一个实施方案是制造温度感测元件的氧化铝扩散阻挡体的方法，该温度感测元件具有铂弯曲体，该方法包括以下步骤：将纳米氧化铝和纳米金红石粉末组合以产生配制物；将配制物施加于铂弯曲体以形成层；以及将该层烧结以产生覆盖铂弯曲体的连续的多晶层。纳米氧化铝粉末和纳米金红石优选基本上由尺寸典型地小于150nm的颗粒组成。换句话说，粉末的B50典型地小于或等于150nm。该方法也可进一步包括下述步骤：将烧结促进剂、少量的烧结玻璃和氧化镁(MgO)中的至少一种与配制物组合。金红石与氧化镁的比例可为2:1。配制物可由高剪切速率的行星球磨工艺来制备和/或使用沉积工艺来施加。在一个实施方案中，该层约为35μm厚。烧结通常在1250-1350℃下进行。
本主题技术的再一个实施方案是用于具有铂弯曲体的感测元件的扩散阻挡体，该扩散阻挡体由以下组成：连续的多晶层，其由氧化铝和以重量计约1％的金红石添加剂来制成以基本上避免网状孔隙。连续的多晶层可包括具有在0.5-3μm范围内的典型晶粒尺寸的晶粒。典型地，连续的多晶层为至少2μm厚。
应理解的是，本主题技术可以多种方式实施和使用，包括但不限于目前已知的和随后开发的工艺、设备、系统、装置、应用方法。由下文的描述和所附的附图，这里公开的系统的这些和其他独特的特征将变得更加清楚。
附图说明
为使具有本公开技术所属领域的普通技术的人员更易于理解如何制造和使用本公开的技术，可参照以下附图。
图1是根据本主题技术的发动机系统的示意图。
图2是根据本主题技术的感测器组件的立体图。
图3是图2的感测器组件的部分横截面图。
图4是图2的感测器组件的感测元件的立体图。
图5A是图2的感测器组件的感测元件的分解图。
图5B是图2的感测器组件的感测元件的横截面图。
图6是根据本主题技术的制造氧化铝扩散阻挡体的方法的流程图。
图7是根据本主题技术的氧化铝扩散阻挡体的扫描电子显微镜照片。
图8是现有技术氧化铝扩散阻挡体的扫描电子显微镜照片。
图9是多个温度感测器的漂移的图。
图10是在多个测试温度下多个温度感测器的动态鲁棒性的图。
图11是显示了多个不同量的烧结促进剂的硬度的图。
具体实施方式
本主题技术克服了与感测器组件相关的多个现有技术问题，特别是改善了感测元件的鲁棒性。由特定优选实施方案的下文详细描述并结合附图(所述附图说明了本技术的代表性实施方案并且其中相似的附图标记代表类似的结构元件)，本领域的技术人员将会更容易地理解这里所公开的技术的优点和其他特征。方向性指示例如上、下、右、左等是关于附图使用的并且不具有限定作用。
简单来说，本主题技术对于任何发动机用途具有广泛的适用性，但是对于最具有挑战性和最热的用途特别适用。尽管下文的实施例是关于废气再循环(EGR)的，但是如本领域的技术人员理解的那样，这仅是多个可能的应用中的一个。
参照图1，显示了具有废气再循环的发动机系统10的示意图。对于降低废气排放(例如来自尾气管的气体)，EGR已成为熟知的方式。EGR通过将废气排放物返回到进气歧管14而将来自发动机12的部分气体再循环，在这里发动机12可再次燃烧排放物，因此降低排放物。EGR对于控制来自柴油发动机的NOx排放物是非常有效的措施。EGR通过降低燃烧室内的氧含量和通过热吸收来降低NOx。
废气系统16具有多个部件，包括管道和配件，如图1以简略方式所示。废气系统16收集来自废气歧管18的发动机热排放物，用以随后处理。废气系统16选择性地将排放物输送到可变几何涡轮(VTG)22。VTG 22具有空气入口以给低压EGR部分24进气。高压EGR部分26中也存在高压EGR冷却器28，其给进气歧管14进气。EGR冷却器28使用发动机制冷剂以在通过发动机的进气歧管14将废气再循环之前将其温度降低。降低发动机燃烧温度有助于阻止形成氮的氧化物(NOx)污染物。
但是，大量的排放物仍然存在于废气系统16中。在排出之前，排放物将会经过三个催化转化器30a-c。催化转化器30a-c可为任何类型和数量，例如氧化催化转化器(DOC)、粒料氧化物净化(POC)、柴油粒料过滤器(DPF)、NOC、NSC、SCRF、SCR、NST、DOC-DPF、NH3等，用于氧化废气并且移除废气烟尘颗粒，以降低有害气体排放物。优选地，还存在第二低压EGR冷却器32用于给VTG 22额外地供给空气。
发动机控制系统(未示出)与这些部件相互作用并且使用多个感测器监测多个参数。下文描述涉及温度感测器，但可理解的是本主题技术可适用于任何类型的感测器，包括但不限于压力感测器、温度及压力感测器的组合、和氧感测器。废气系统16具有多个温度感测器100a-j，其可相互替换或不可相互替换。此外，发动机系统10可为现有发动机系统，其具有根据本主题技术改装的温度感测器。
现在参考图2，显示了根据本主题技术的感测器组件100的立体图。感测器组件100具有罩/壳组件102，所述罩/壳组件具有用于根据需要连接至废气系统16或其他位置的部分104。线缆106从罩/壳组件102伸出并且终止于电连接器108。典型地，电连接器108具有两个引脚(未示出)。
图3显示了感测组件100的末端部分110的部分横截面图。壳102的末端部分110包封了感测元件130，如图4以独立的立体图所示。感测元件130具有壳体132，引线134从壳体132伸出。引线134可一直延伸到近端的电连接器108或与导线相连以获得附加长度。末端部分110填充有绝缘材料112。优选地，连接部分104具有螺纹以有助于废气系统16中的密封接合。
现在参考图5A和5B，显示了感测器组件100的感测元件130的分解图和横截面图。感测元件130具有基底或基材136，其可为氧化铝(Al2O3)或钛酸镁(MgTiO3)。通过溅射、气相沉积或印刷向基材136施加铂迹线或弯曲体138。Pt弯曲体138可具有多种形状和尺寸，但是优选弯曲模式。在一个实施方案中，芯片焊盘(未示出)将Pt弯曲体138与引线134电连接。
由于Pt弯曲体138相对灵敏并且是催化活性的，因此需要保护。氧化铝扩散阻挡体(ADB)140覆盖着Pt弯曲体138以提供抵抗污染的保护和结构稳定性。将盖板148施加于ADB140。接着，将固定玻璃150以整体堆叠施加于盖板148，并包封在壳体132中(见图4)。在另一个实施方案中，可施加额外的玻璃层、氧化铝阻挡体等。
现在参考图6，显示了根据本主题技术的制造氧化铝扩散阻挡体的方法的流程图200。在一个实施方案中，ADB是厚膜可丝网印刷糊料配制物，包括高纯度纳米氧化铝粉末加上以重量计1％的金红石添加剂。典型的膜厚为35μm，具有5μm的公差。优选地，金红石或锐钛矿添加剂是高反应性的纳米TiO2形式。纳米氧化铝粉末和纳米金红石基本上由典型地尺寸小于150nm的颗粒组成。在一个实施方案中，纳米氧化铝粉末和纳米金红石基本上由典型地尺寸小于50nm的颗粒组成。金红石添加剂会在比纯纳米氧化铝显著低的温度下促进烧结。由此，ADB是高热力学性能的富陶瓷复合材料。
在步骤202中，将纳米氧化铝和纳米金红石粉末组合。例如，将纳米氧化铝和纳米金红石粉末混合以形成糊料。
在步骤204中，可取决于应用根据需要添加额外的添加剂。额外的添加剂可包括烧结促进剂、少量的烧结玻璃、氧化镁(MgO)、钛酸镁(MgTiO3)等。在一个实施方案中，金红石与氧化镁的比例为2:1。配制物可为具有良好胶态分散和润湿的电介质糊料。优选地，配制物由高剪切速率的行星球磨工艺来制备。
在步骤206中，将所需的配制物施加于铂弯曲体、玻璃层或根据需要的其他位置。优选地，使用沉积工艺，例如脉冲激光沉积或离子束辅助沉积来施加配制物。配制物也可通过丝网印刷来施加。在一个实施方案中，沉积层为35μm厚。可设想的是，该层可为任何厚度，例如厚度小于1μm或厚度大于50μm。典型地，该层厚度为7-35μm。通过降低厚度，使作用在感测元件、和特别是灵敏的铂弯曲体上的应力最小化。
在步骤208中，将所施加的配制物烧结以形成连续的多晶层。在一个实施方案中，烧结在1250-1350℃之间。在另一个实施方案中，该层在1050℃下烧结。典型的颗粒尺寸为400nm到1μm。
现在参考图7，显示了根据本主题技术的ADB的扫描电子显微镜(SEM)照片300。照片300是连续的多晶层，其没有或基本没有网状孔隙。相对于现有技术的保护层，附着性和黏着性显著提高了。因此，图7的ADB产生了改善的扩散阻挡体和结构稳定性，并且进而改善了感测元件的稳定性。
图7的ADB具有一些典型的晶粒尺寸在0.5-3μm范围内的晶粒。晶粒300a、300b相当均匀地分散在一些尺寸大于3μm的较大晶粒300a和很多尺寸小于1μm的较小晶粒300b之间。晶粒300a、300b密集堆积，使得甚至非常薄的层也具有有限的孔隙(如果有的话)。
图8是现有技术的氧化铝扩散阻挡体的扫描电镜照片400。现有技术的扩散阻挡体可为氧化铝、玻璃和其他氧化物形式。照片中的晶粒402典型地小于1μm，显著更小，并且如此松散地堆积使得产生显著的孔隙。换句话说，存在有贯穿阻挡体层的显著开口404。结果，在下方的铂弯曲体将会受到污染，这会导致感测元件的漂移。
现在参考图9，显示了多种温度感测器的漂移的图500。为了收集数据，在900℃下将测试装置老化(aging)120小时后，在400℃下进行漂移测试。纵轴是温度漂移(以摄氏度计)。漂移是稳定性的表示，显示了典型地在特定量的时间后感测元件偏离原始读数多少。第一现有技术的感测元件具有约3-4℃的漂移，如第一标记502所示。第二现有技术的感测元件具有约1.5到超过3.3℃的漂移，如第二标记504所示。与此相比，根据本主题技术的感测元件具有小于2℃到最多约1.75℃的漂移，如第三标记506所示。这种改进证明了本主题技术如何是显著的进步。例如，如果规范是低于3.7℃的漂移，则本主题技术将很好地处于规范内。规范可取决于特定的应用和要求。
现在参照图10，显示了多种温度感测器的动态鲁棒性的图600。图600在四个方格602a-d中画出了整体(unity)漂移(纵轴，℃)对循环数(横轴)。在方格602a中，数据涉及0℃的测试温度。方格602b-d分别具有涉及100、400和800℃的测试温度的数据。动态鲁棒性以整体漂移来表示。图10中的动态是老化测试类型，即热-机械循环。漂移是随着热-机械循环测试中的循环的变化在数个温度下测量的。与参比组相比，具有根据本主题技术的氧化铝扩散阻挡体的新组的漂移较低。图例604说明了与由圆形表示的参比组或旧组相比，由正方形表示新组数据点如何。
额外的感测器数据使用高温老化测试获得。这种测试包括24小时老化，具有与施加5伏电场结合的热浸。与参比的现有技术感测器相比，根据本主题技术的感测器有数量级的改善。
在另一个实施方案中，ADB具有辅以少量的烧结玻璃、氧化镁(MgO)的烧结促进剂的组合。也可添加其他成分，例如二氧化钛(TiO2)。二氧化钛与氧化镁的优选比例为2:1。
现在参照图11，显示了对于不同量的多种烧结催化剂的硬度的图900。纵轴上的硬度相对于横轴上的二氧化钛含量。试验了五种不同的配制物，其二氧化钛与氧化镁的比例不同。如上所述，优选2:1的二氧化钛与氧化镁的比例，如图900上的标记902所示。额外的标记902、904、906、908显示了其他四种配制物。
可设想的是，根据本主题技术的温度感测器可改造为用于任何现有的系统以及设计成新系统。其他感测器设计也可由这里的教导而受益。例如，单独的氧化铝扩散阻挡体可为所全部需要的。此外，尽管关于温度感测器领域描述了本主题技术，但是可设想的是，本主题技术可同样地应用到其他领域和应用，例如包括压力感测器的任何类型的感测器。
本领域的技术人员将意识到在替代性的实施方案中，多个元件的功能可由更少的元件，或单个元件来实现。类似地，在一些实施方案中，与关于所说明的实施方案描述的那些操作相比，任何功能元件可执行更少或不同的操作。而且，为了说明目的而显示为不同的功能元件(例如层、壳、壳体、板等)可在特别的安装中合并到其他功能元件。
这里公开的所有专利、专利申请和其他参考文献的全部内容在此以引用方式明确地并入本文中。尽管已经关于优选实施方案描述了本主题技术，但是本领域的技术人员会容易理解可对本主题技术进行多种改变和/或修改而不偏离如所附的权利要求限定的本发明的精神或范围。例如，每个权利要求可以多项从属的方式从属于任何或所有权利要求，即使未曾原始未要求过。

Claims (15)

1.用于温度感测器的感测元件，包括：
基材；
施加于所述基材的铂迹线或弯曲体；
具有芯片焊盘的引线，其与所述Pt弯曲体电连接；
覆盖所述Pt弯曲体的氧化铝扩散阻挡体(ADB)，以提供抵抗污染的保护和结构稳定性，其中氧化铝阻挡体是连续的多晶层，其由氧化铝和以重量计约1％的金红石添加剂制成以基本避免网状孔隙。
2.根据权利要求1所述的感测元件，还包括：
施加在所述ADB上的玻璃层；
施加于所述玻璃层的第二氧化铝扩散阻挡体；
施加于所述第二氧化铝扩散阻挡体的第二玻璃层；
施加于所述第二玻璃层的盖板；
施加于所述盖板的固定玻璃；以及
包封所述基底、铂迹线、引线、玻璃层、氧化铝扩散阻挡体、盖板和固定玻璃的壳体。
3.根据权利要求1所述的感测元件，其中所述金红石或锐钛矿添加剂为高反应性的纳米TiO2形式。
4.制造用于温度感测元件的氧化铝扩散阻挡体的方法，所述温度感测元件具有在基材上的铂弯曲体，所述方法包括以下步骤：
将纳米氧化铝和纳米金红石粉末组合以形成配制物；
将所述配制物施加于铂弯曲体以形成层；以及
烧结所述层以产生覆盖所述基材上的铂弯曲体的连续的多晶层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述纳米氧化铝粉末和纳米金红石基本上由尺寸典型地小于150nm的颗粒组成。
6.根据权利要求4所述的方法，其中还包括以下步骤：将烧结促进剂、少量的烧结玻璃和氧化镁(MgO)中的至少一种与所述配制物组合。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述金红石与氧化镁的比例为2:1。
8.根据权利要求4所述的方法，其中所述配制物由高剪切速率的行星球磨工艺来制备。
9.根据权利要求4所述的方法，其中所述配制物使用沉积工艺来施加。
10.根据权利要求4所述的方法，其中所述层为约2μm厚。
11.根据权利要求4所述的方法，其中所述烧结在1250-1350 C之间。
12.根据权利要求4所述的方法，其中所述基材选自由氧化铝(Al2O3)和钛酸镁(MgTiO3)组成的组。
13.用于感测元件的扩散阻挡体，所述感测元件具有铂弯曲体，所述扩散阻挡体由连续的多晶层组成，所述连续的多晶层由氧化铝和以重量计约1％的金红石添加剂制成以基本上避免网状孔隙。
14.根据权利要求13所述的扩散阻挡体，其中所述连续的多晶层包括具有在0.5-3μm范围内的典型晶粒尺寸的晶粒。
15.根据权利要求13所述的扩散阻挡体，其中所述连续的多晶层为至少2μm厚。
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