CN115885175A - 具有四个接触面和三个镀通孔的传感器元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器元件(10)，所述传感器元件具有四个接触面和三个镀通孔，所述传感器元件例如用于λ探针。提出措施以提高传感器元件相对于机械应力的负载能力。所述措施尤其涉及镀通孔的布置以及传感器元件的内部中的绝缘层的设计。

Description

具有四个接触面和三个镀通孔的传感器元件

背景技术

由现有技术、例如DE 10 2018 206 966 A1已知用于λ探针的陶瓷传感器元件，所述传感器元件具有权利要求1前序部分的特征。DE 10 2018 206966A1也基于如下努力：提高传感器元件相对于机械应力的负载能力。

发明内容

本发明进一步旨在提高传感器元件相对于机械应力的负载能力。

在此，发明人首先已认识到，在根据权利要求1的前序部分所述的陶瓷的传感器元件的情况下，原则上由第一、第二和第三镀通孔的设置已经造成传感器元件的背离废气的端部区域中的机械减弱。

此外，发明人认识到，当镀通孔彼此靠得近时，进一步导致该机械减弱。在这种情况下，通过镀通孔中的每个镀通孔所造成的个体化的减弱在总量上进一步增加。

此外，发明人认识到，当一个或者多个镀通孔在横向方向上靠近传感器元件的外棱边上，进一步导致该机械减弱。在这种情况下，传感器元件对来自传感器元件外棱边的机械应力的抵抗力降低。

此外，发明人认识到，当镀通孔相对于传感器元件的背离废气的轴向端部间隔得相对较远时，进一步导致该机械削弱。在这种情况下，基于在传感器的背离废气的轴向端部上在层方向上起作用的力，大的杠杆效应在镀通孔的区域中变得有效，由此在那里引起高的机械应力。

发明人还认识到，进一步的原则上的机械削弱可以来自绝缘层，所述绝缘层布置在固体电解质层之间，一方面由于这些层原则上已经中断通过固体电解质层构成的均质的层构造。另外，由于绝缘层和固体电解质层的不同的烧结特性，绝缘层的插入导致机械应力。

发明人认识到，当绝缘层在横向方向上或者在轴向方向上伸展直至靠近传感器元件的外棱边时，特别是这种情况。

然后，发明人已经找到如何能够在整体上使这些机械削弱降低或最小化的不同可能性。在此，所述可能性每个单独地并且特别是组合地是有效的。

据此提出，在根据权利要求1的前序部分所述的传感器元件的情况下，第二镀通孔和第三镀通孔在轴向方向上都布置在第一镀通孔的废气侧，并且第一镀通孔在横向方向上布置在第二镀通孔与第三镀通孔之间。与由现有技术已知的布置相比，通过这种方式能够增加镀通孔彼此之间的间距，而所述镀通孔无需布置得离传感器元件的背离废气的轴向端部过度远。此外，在横向方向上增加第一镀通孔与传感器元件的外棱边的间距。

当第二镀通孔和第三镀通孔布置在相同的轴向高度上，并且当第一镀通孔在横向方向上布置在第二镀通孔与第三镀通孔之间的中心，使得第一、第二和第三镀通孔位于等腰三角形的角点上，特别是当在等腰三角形中，与底边对置的角不大于90°且不小于30°时，这一点更为适用。这例如优选可以是等边三角形。

在本申请的框架中，在镀通孔的位置方面并且由此导致地在镀通孔彼此之间的位置说明方面，可以从镀通孔的面重心在传感器元件的大面的俯视图中的位置出发。在传感器的大面的俯视图中圆形的镀通孔的情况下，该位置即为相关的圆的中心。

附加地或者替代地，在根据权利要求1的前序部分所述的传感器元件的情况下，第一镀通孔、第二镀通孔和第三镀通孔完全布置在传感器元件的背离废气的端部区域中，其中，传感器元件的背离废气的端部区域在轴向方向上的延伸尺度小于传感器元件在轴向方向上的延伸尺度的五分之一。基于减小的杠杆效应，在传感器元件的背离废气的轴向端部上在层方向上起作用的力在镀通孔的区域中仅引起减小的应力。

可以提出，第一镀通孔构造为在第一固体电解质层中的第一孔，该第一孔具有布置在第一孔中的第一导电材料，第二镀通孔构造为在第二固体电解质层中的第二孔，该第二孔具有布置在第二孔中的第二导电材料，第三镀通孔构造为在第二固体电解质层中的第三孔，该第三孔具有布置在第三孔中的第三导电材料，并且第一孔具有第一直径，第二孔具有第二直径，第三孔具有第三直径。

所述孔可以例如在传感器元件的大面的俯视图中是圆形的，使得所述孔的直径是相关的圆的直径。在此所谈到的三个直径可以例如是相同大的。

可以提出，在传感器元件的大面的俯视图中，第二孔的面重心与第三孔的面重心以间距尺度a间隔开。

如果在根据权利要求1的前序部分所述的传感器元件的情况下，在这方面提出，间距尺度a小于第二直径和第三直径的和，和/或提出，间距尺度的一半小于第二孔的面重心与传感器元件的在横向方向上最接近的外棱边的间距，和/或提出，间距尺度的一半小于第三孔的面重心与传感器元件的在横向方向上最接近的外棱边的间距，则第二和第三镀通孔彼此之间的间距并且相对于所述镀通孔与传感器元件的外棱边的间距和相对于孔直径在整体上处于平衡的且在这方面被机械优化的范围中。

如果在具有权利要求1的前序部分的特征的传感器元件的情况下在这方面提出，第一孔的面重心在轴向方向上与第一、第二、第三和/或第四接触面的间距不大于第一孔的直径的一半，则这意味着，第一孔在轴向方向上布置得特别靠近所述接触面并且因此靠近传感器元件的背离废气的端部。基于减小的杠杆效应，在传感器元件的背离废气的轴向端部上在层方向上起作用的力在镀通孔的区域中仅引起减小的应力。

附加地或者替代地，可以提出，第一接触面在传感器元件的大面的俯视图中朝向第一镀通孔具有凹状外轮廓。然后，第一镀通孔可以相对于传感器元件的背离废气的端部移动得特别远，而不与第一接触面接触，特别是提出，凹状外轮廓具有半径，该半径等于第一孔的直径的一半或者与第一孔的直径的一半相差不大于50％。附加地或者替代地，第一镀通孔和第一接触面的凹状外轮廓也可以是彼此同心的。

附加地或者替代地，在根据权利要求1的前序部分所述的传感器元件的情况下可以提出，在第一与第二固体电解质层之间布置有一个绝缘层或者布置有多个绝缘层，使得包括第二电极、第二导体电路和第一镀通孔的第一电复合结构通过一个/多个绝缘层相对于第二电复合结构电绝缘，该第二电复合结构包括电阻加热器轨道(Widerstandsheizerbahn)、第三导体电路、第四导体电路、第二镀通孔和第三镀通孔。

在此可以提出，一个/多个绝缘层在传感器元件的大面的俯视图中仅在所需要的程度上延伸，以便使第一电复合结构相对于第二电复合结构电绝缘，并且另外被密封框架/分别被密封框架包围，该密封框架由固体电解质材料构成。“仅”在此可以尤其以如下内容为前提：一个绝缘层/多个绝缘层由制造所决定地在横向方向上和/或在轴向方向上伸出超过整体上待绝缘的结构，例如以最多250μm和/或以传感器元件在横向方向上的延伸尺度的最多5％(但是不大于这个程度)伸出超过待绝缘的结构。传感器元件的机械削弱减小为对于期望的电绝缘来说不可避免的最小程度。

由如下措施引起类似的技术效果：从配属的绝缘层直至传感器元件在传感器元件的背离废气的端部区域中的外棱边测量的、密封框架/所有密封框架在横向方向上的延伸尺度，始终大于传感器元件在横向方向上的延伸尺度的1/10。

与在固体电解质层的材料的情况下相同，固体电解质材料可以是YSZ或者类似物。

有利地，可以同时设置有第一绝缘层和第二绝缘层，其中，从第二绝缘层来看，第一绝缘层在层方向上位于指向第一固体电解质层和第一电复合结构的侧上，并且从第一绝缘层来看，第二绝缘层在层方向上位于指向第二固体电解质层和第二电复合结构的侧上。

在此可以设置，第一绝缘层在传感器元件的大面的俯视图中覆盖第二导体电路以及第一、第二和第三镀通孔，其中，第一绝缘层为此在第二和第三镀通孔的轴向高度上在横向方向上加宽，和/或第二绝缘层在传感器元件的大面的俯视图中包裹第二电复合结构，并且附加地覆盖第一镀通孔，其方式是，第二绝缘层在第一镀通孔的轴向高度上在横向方向上缩窄。在这些情况中，在传感器元件的最小的机械削弱的情况下，即在维持传感器元件的优化的机械稳定性的情况下，已经产生期望的电绝缘效果。

附图说明

图1示意性示出陶瓷传感器元件的轮廓。

图2示出图1中的陶瓷传感器元件的层平面。

具体实施方式

图1示意性示出平面的陶瓷传感器元件的基本形状。该传感器元件具有面向废气的轴向端部区域101，并且该传感器元件在轴向上对置地具有背离废气的轴向端部区域102。该传感器元件具有长方体形的基本形状，该基本形状具有两个最小的侧面103、两个最大的侧面104(也称为：大面104)，其中，最小的侧面103垂直于轴向方向201定向，其中，最大的侧面104垂直于层方向202定向，其中，横向方向203垂直于轴向方向201且垂直于层方向202取向。传感器元件在横向方向203上的延伸尺度例如为5mm。

在图2中，在部分a-f中示出单个的层，图1中所示的传感器元件10由所述单个的层构成。该示意图始终在最大的侧面104的俯视图中，相应于图1中从上向下的视线方向。

在图2的部分a中，示出在图1中布置在最上方的第一固体电解质层21的上侧。在背离废气的端部区域102中，在第一固体电解质层21的上侧上，第一接触面31和第二接触面32在横向方向上并排地布置在相同的轴向高度上。

第一接触面31在第一固体电解质层21的上侧上经由第一导体电路51与第一电极61连接，该第一电极布置在传感器元件10的面向废气的端部区域101中。

第二接触面32与第一镀通孔41导电地连接，该第一镀通孔以与第一和第二接触面31、32具有小的轴向间距的方式在横向方向上关于传感器元件10居中地布置。第一镀通孔41例如是穿过第一固体电解质层21的柱形的第一孔41‘，该第一孔在内部(可能朝向第一固体电解质层21电绝缘地)具有第一导电材料41“。第一孔的直径D例如为1mm。

第一镀通孔41例如在轴向方向201上与传感器元件10的背离废气的端部相距5mm。

第一接触面31的面向第一镀通孔41的角部设计为圆形凹口，使得第一接触面31在此具有凹状外轮廓31k。凹状外轮廓31k设计为圆弧，在该例子中设计为曲率半径为0.5mm的、90°的弧。因此，即使在结构元件的准确布置由制造决定地发生波动的情况下，也排除第一镀通孔41与第一接触面31之间的电短路。

在图2的部分b中，示出在图1中布置在最上方的第一固体电解质层21的下侧。从第一固体电解质层21的上侧出发的镀通孔41通到该层平面中。该镀通孔在该下侧上经由第二导体电路52与第二电极62导电地连接，该第二电极在传感器元件10的面向废气的端部区域101中布置在该传感器元件的内部。

暴露在废气中的第一电极61与第一固体电解质层21和未暴露在废气中的第二电极62一起形成电化学能斯特电池，借助该电化学能斯特电池(假设相应的加热，见下文)基于在该电化学能斯特电池上产生的、能够在第一与第二接触面31、32之间测量的能斯特电压，能够确定，废气是由具有氧气过剩的燃烧产生的(“稀燃(mager)”)，还是由具有燃料过剩的燃烧产生的(“富燃(fett)”)，还是由如下燃烧产生的：在该燃烧的情况下，氧气和燃料处于化学计量平衡。

在图2的部分f中，示出在图1中布置在最下方的第二固体电解质层22的下侧。在背离废气的端部区域102中，在第一固体电解质层22的下侧上，第三接触面33和第四接触面34在横向方向上彼此并排地布置。第三接触面33和第四接触面34相对于第一接触面31和第二接触面32布置在传感器元件10的相同的轴向高度上。

第三接触面33与第二镀通孔42导电地连接，该第二镀通孔例如以与传感器元件10的背离废气的端部具有为7.2mm的间距的方式布置。第二镀通孔42例如在横向方向上以0.95mm偏心(在图2的部分f中：在右侧)地布置。即，该第二镀通孔与传感器元件10的外棱边在横向方向203上的间距为1.55mm。

与此对称的是，第四接触面34与第三镀通孔43导电地连接，该第三镀通孔与第二镀通孔42布置在相同的轴向高度并且在横向方向上同样偏心(但在左侧而不是右侧)地布置。

第二和第三镀通孔42、43例如是穿过第二固体电解质层22的柱形的第二和第三孔42‘、43‘，所述第二和第三孔在其内部(可能朝向第二固体电解质层22电绝缘地)具有第二和第三导电材料42“、43“。在这两种情况下，这些孔的直径D例如是1mm。

在图2的部分e中，示出在图1中布置在最下方的第二固体电解质层22的上侧。从第二固体电解质层22的下侧出发的镀通孔42、43通到该层平面中。所述镀通孔在该上侧上经由第三导体电路53和第四导体电路54与电阻加热器轨道63的两个端部63a、63o导电地连接，该电阻加热器轨道布置在传感器元件10的面向废气的端部区域101中。

通过将电压施加到第三与第四接触面33、34之间，电阻加热器轨道63升温，使得能斯特电池具有该能斯特电池的对于传感器元件10的测量功能所需要的运行温度。

为了防止传感器元件10的加热功能与测量功能之间的不希望的电串扰，在第一固体电解质层21与第二固体电解质层22之间布置第一绝缘层23和第二绝缘层24。在此，第一绝缘层23平放在第一固体电解质层21的下侧上，第二固体电解质层平放在第二固体电解质层22的上侧上。

绝缘层23、24例如由Al₂O₃组成，并且在层方向202上的延伸尺度例如小于固体电解质层21、22的延伸尺度。例如，绝缘层23、24是丝网印刷层，而固体电解质层21、22例如基于绿色陶瓷薄膜。

第一绝缘层23在图2的部分c中示出。第一绝缘层的形状是这样的，使得该第一绝缘层恰好地覆盖第二导体电路52以及第一、第二和第三镀通孔41、42、43，而不使得第一绝缘层以大于在制造技术方面所需要的程度横向地突出到这些元件上方。为此，第一绝缘层23在第二和第三镀通孔42、43的轴向高度上在横向方向203上加宽。

第二绝缘层24在图2的部分d中示出。第二绝缘层24的形状是这样的，使得该第二绝缘层恰好地覆盖电阻加热器轨道63、第三和第四导体电路53、54以及第一、第二和第三镀通孔41、42、43，而不使得第二绝缘层以大于在制造技术方面所需要的程度横向地突出到这些元件上方。为此，第二绝缘层24在第一镀通孔41的轴向高度上在横向方向203上缩窄。

Claims (16)

1.一种陶瓷的平面的传感器元件(10)，所述传感器元件例如用于λ探针，其中，所述传感器元件(10)具有面向废气的轴向端部区域(101)并且在轴向上对置地具有背离废气的端部区域(102)，其中，所述传感器元件(10)具有长方体形的基本形状，所述基本形状具有两个最小的侧面(103)、两个最大的侧面(104)，其中，所述最小的侧面(103)垂直于所述轴向方向(201)定向，其中，所述最大的侧面(104)垂直于层方向(202)定向，其中，横向方向(203)垂直于所述轴向方向(201)且垂直于所述层方向(202)取向，其中，所述陶瓷的传感器元件(10)具有陶瓷层(21，22，23，24)，所述陶瓷层在层方向(202)上相叠地布置，其中，所述陶瓷层(21，22，23，24)包括至少一个第一和第二固体电解质层(21，22)，其中，所述陶瓷的传感器元件(20)在面向所述废气的轴向端部区域(101)中具有暴露在所述废气中的第一电极(61)，其中，所述陶瓷的传感器元件(10)在面向所述废气的轴向端部区域(101)中在所述传感器元件的内部具有与所述废气分开的第二电极(62)，其中，所述第一电极(61)与所述第二电极(62)并且与所述第一固体电解质层(21)一起形成电化学电池，其中，在面向所述废气的轴向端部区域(101)中在所述陶瓷的传感器元件(10)的内部布置有电阻加热器轨道(63)，所述电阻加热器轨道具有第一端部(63a)和第二端部(63o)，其中，在背离所述废气的轴向端部区域(101)中在所述两个最大的侧面(104)中的每个最大的侧面上分别布置有恰好两个接触面(31，32，33，34)，用于从外部电接触所述传感器元件(10)，其中，所述接触面(31，32，33，34)的第一接触面(31)经由第一导体电路(51)与所述第一电极(61)连接，其中，所述接触面(31，32，33，34)的第二接触面(32)经由穿过所述第一固体电解质层(21)的第一镀通孔(41)并且经由第二导体电路(52)与所述第二电极(62)连接，所述第二导体电路布置在所述传感器元件(10)的内部，其中，所述接触面(31，32，33，34)的第三接触面(33)经由穿过所述第二固体电解质层(22)的第二镀通孔(42)并且经由第三导体电路(53)与所述电阻加热器轨道(63)的第一端部(63a)连接，所述第三导体电路布置在所述传感器元件(10)的内部，其中，所述接触面(31，32，33，34)的第四接触面(34)经由穿过所述第二固体电解质层(22)的第三镀通孔(43)并且经由第四导体电路(54)与所述电阻加热器轨道(63)的第二端部(63o)连接，所述第四导体电路布置在所述传感器元件(10)的内部，其特征在于，所述第二镀通孔(42)和所述第三镀通孔(43)在轴向方向(201)上都布置在所述第一镀通孔(41)的废气侧，并且所述第一镀通孔(41)在横向方向(203)上布置在所述第二镀通孔(42)与所述第三镀通孔(43)之间。

2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述第一镀通孔(41)、所述第二镀通孔(42)和所述第三镀通孔(43)完全布置在所述传感器元件(10)的背离所述废气的端部区域(102)中，其中，所述传感器元件(10)的背离所述废气的端部区域(102)在所述轴向方向上的延伸尺度小于所述传感器元件(10)在所述轴向方向(201)上的延伸尺度的五分之一。

3.根据权利要求1或者2所述的传感器元件，其特征在于，所述第二镀通孔(42)和所述第三镀通孔(43)布置在相同的轴向高度上，并且所述第一镀通孔(41)在横向方向(203)上居中地布置在所述第二镀通孔(42)与所述第三镀通孔(43)之间，使得所述第一、第二和第三镀通孔(41，42，43)位于等腰三角形的角点上。

4.根据权利要求3所述的传感器元件，其特征在于，在所述等腰三角形中，与底边(42，43)对置的角(41)不大于90°且不小于30°。

5.根据上述权利要求中任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述第一镀通孔(41)构造为在所述第一固体电解质层(21)中的第一孔(41‘)，所述第一孔具有布置在所述第一孔(41‘)中的第一导电材料(41“)，所述第二镀通孔(42)构造为在所述第二固体电解质层(22)中的第二孔(42‘)，所述第二孔具有布置在所述第二孔(42‘)中的第二导电材料(42“)，所述第三镀通孔(43)构造为在所述第二固体电解质层(22)中的第三孔(43‘)，所述第三孔具有布置在所述第三孔(43‘)中的第三导电材料(43“)，并且所述第一孔(41‘)具有第一直径(D)，所述第二孔(42‘)具有第二直径(D)，所述第三孔(43‘)具有第三直径(D)，并且在所述传感器元件(10)的大面(204)的俯视图中，所述第二孔(42‘)的面重心与所述第三孔(43‘)的面重心以间距尺度(a)间隔开。

6.根据权利要求5所述的传感器元件，其特征在于，所述间距尺度(a)小于所述第二直径(D)和所述第三直径(D)的和。

7.根据权利要求5或者6所述的传感器元件，其特征在于，所述间距尺度(a)的一半小于所述第二孔(42‘)的面重心与所述传感器元件(10)的在横向方向上最接近的外棱边的间距，并且所述间距尺度(a)的一半小于所述第三孔(43‘)的面重心与所述传感器元件(10)的在横向方向上最接近的外棱边的间距。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述第一孔(41‘)的面重心在轴向方向(201)上与所述第一、第二、第三和/或第四接触面(31，32，33，34)的间距不大于所述第一孔(41‘)的直径(D)的一半。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述第一接触面(31)在所述传感器元件(10)的大面(104)的俯视图中朝向所述第一镀通孔(41)具有凹状外轮廓(31k)。

10.根据权利要求9所述的传感器元件，其特征在于，所述凹状外轮廓(31k)具有半径，所述半径等于所述第一孔(41‘)的直径(D)的一半。

11.根据上述权利要求中任一项所述的传感器元件，其特征在于，在所述第一与所述第二固体电解质层(21，22)之间布置有一个绝缘层(23，24)或者布置有多个绝缘层(23，24)，使得包括所述第二电极(62)、所述第二导体电路(52)和所述第一镀通孔(41)的第一电复合结构通过所述一个/多个绝缘层(23，24)相对于第二电复合结构电绝缘，所述第二电复合结构包括所述电阻加热器轨道(63)、所述第三导体电路(53)、所述第四导体电路(54)、所述第二镀通孔(42)和所述第三镀通孔(43)。

12.根据权利要求11所述的传感器元件，其特征在于，所述一个/多个绝缘层(23，24)在所述传感器元件的大面(104)的俯视图中仅延伸为使所述第一电复合结构相对于所述第二电复合结构绝缘，并且另外被密封框架(23‘，24‘)/分别被密封框架(23‘，24‘)包围，所述密封框架由固体电解质材料构成。

13.根据权利要求12所述的传感器元件，其特征在于，从配属的绝缘层(23，24)直至所述传感器元件(10)在所述传感器元件(10)的背离所述废气的端部区域(102)中的外棱边测量的、所述密封框架(23‘，24‘)/所有密封框架(23‘，24‘)在横向方向(203)上的延伸尺度始终大于所述传感器元件(10)在横向方向(203)上的延伸尺度的1/10。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的传感器元件，其特征在于，设置有第一绝缘层(23)并且设置有第二绝缘层(24)，其中，从所述第二绝缘层(24)来看，所述第一绝缘层(23)在层方向(202)上位于指向所述第一固体电解质层(21)和所述第一电复合结构的侧上，并且从所述第一绝缘层(23)来看，所述第二绝缘层(24)在层方向(202)上位于指向所述第二固体电解质层(22)和所述第二电复合结构的侧上。

15.根据权利要求14所述的传感器元件，其特征在于，所述第一绝缘层(23)在所述传感器元件的大面(204)的俯视图中覆盖所述第二导体电路(52)以及所述第一、第二和第三镀通孔(41，42，43)，其中，所述第一绝缘层(23)为此在所述第二和所述第三镀通孔(42，43)的轴向高度上在横向方向(203)上加宽。

16.根据权利要求14或者15所述的传感器元件，其特征在于，所述第二绝缘层(24)在所述传感器元件(10)的大面(104)的俯视图中包裹所述第二电复合结构，并且附加地覆盖所述第一镀通孔(41)，其方式是，所述第二绝缘层(24)在所述第一镀通孔(41)的轴向高度上在横向方向(202)上缩窄。

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