[发明专利]用于废气传感器的传感器元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于废气传感器的传感器元件。

背景技术

从现有技术已知多种传感器元件和用于感测在测量室中的气体的至少一种特性的方法。原则上，在此可能涉及所述气体的任意的物理和/或化学特性，其中，可以感测一种或多种特性。以下，尤其参考气体的气体成分的质量的和/或数量的感测、尤其参考气体中的氧气比重的感测来说明本发明。所述氧气比重可以例如以分压力的形式和/或百分含量的形式被感测。然而，替代地或者附加地，也可以感测气体的其他特性。

例如这类传感器元件可以构型为所谓的λ探测器，如它例如从Konrad Reif(编者)：机动车中的传感器(Sensoren im Kraftfahrzeug)，2010第一版，160-165页已知。通过宽带λ探测器、尤其通过平面的宽带λ探测器可以例如在大的范围内确定废气中的氧气浓度并且由此推断出在燃烧室中的空气燃料比例。空气系数λ描述这种空气燃料比例。

从现有技术尤其已知陶瓷传感器元件，该传感器元件以确定的固体的电解特性的使用为基础，即以这种固体的传导离子的特性为基础。这些固体尤其可以是陶瓷的固体电解质，例如二氧化锆(ZrO₂)、尤其是通过钇稳定的二氧化锆(YSZ)和/或掺杂有钪的二氧化锆(ScSZ)，该固体电解质可以包含小的氧化铝(Al2O₃)和/或二氧化硅(SiO₂)的添加物。

DE 10 2011 078 123 A1说明了一种用于制作用于感测气体室中的气体的至少一种特性的传感器元件、尤其用于检定气体中的气体组分或者气体温度的方法。所述方法包括将至少一个功能元件布置在成型工具的至少一个模腔中的步骤，其中，功能元件包括至少一种固体电解质和至少一个功能层；该方法包括将至少一种陶瓷料置入、尤其注入到模腔中的步骤，其中，陶瓷料包含至少一种孔形成成分，其中，产生型件，其中，功能元件布置在所述型件的至少一侧上；并且，该方法包括烧结型件的步骤，其中，形成至少区段式多孔成型体。

对这类传感器元件提出越来越多的功能要求。λ探测器在发动机起动后的快速运行准备尤其起着重要的作用。这基本上被两个方面影响。第一方面与λ探测器迅速地加热到其在600℃以上的运行温度有关，这可以通过加热元件的相应的布局或者待加热的区域的缩小来实现。另一方面与针对由于在运行期间的水冲击引起的温度突变的稳固性有关。所提到的温度突变基于，对于发动机起动后的确定的时间段，在废气管中的温度位于水的露点以下，使得在燃料燃烧时产生的水蒸气可以在废气管中冷凝。由此，在废气管中出现水滴的形成。λ探测器的被加热的陶瓷可能通过水滴的撞击由于在传感器陶瓷中的热应力或者断裂而被损坏或者甚至被破坏。因此，已开发这样的λ探测器，所述λ探测器在其表面上具有多孔陶瓷保护层，该保护层也被称作温度突变保护层。该保护层确保，撞击到λ探测器上的水滴分布在大的表面上，从而减小在固体电解质或者说探测器陶瓷中出现的局部温度梯度。即在被加热的状态下，所述λ探测器经受得住一定水滴尺寸的冷凝水而不被损坏。保护层通常在附加的方法步骤中被施加到传感器元件上。为此，使用例如氧化铝或尖晶石(MgAl₂O₄)这样的不同的材料和例如喷射工艺或者浸湿工艺这样的涂镀技术。

尽管从现有技术已知的、用于制作用于λ探测器的传感器元件的方法具有很多优点，该方法还包含改进潜力。为了不影响传感器元件的功能性并且同时可靠地保护其免受水滴、如例如来自内燃机的排气管路的水滴的影响，必须优化地选择温度突变保护层的厚度和孔隙度。在此，关于所提到的两种影响因素方面优化传感器元件时出现不同的目标冲突。虽然厚的温度突变保护层可靠地针对水冲击进行保护，然而作为附加的热质量不利地影响传感器的加热性能。同样地，氧化铝作为好的能导热的温度突变保护层材料的使用可能导致来自传感器元件的增大的热排放。陶瓷载体的减少最终虽然实现更快的加热时间，但是使得传感器元件在机械上更加脆弱。

发明内容

本发明提供用于传感器元件的、成本低的另一种设计，在该设计中，用于电极和/或加热器的常规材料由用于电极和/或加热器的替代材料取代。此外，传感器元件在低温的情况下应是可测量的并且具有提高的抗温度突变稳固性。