用于感測(cè)測(cè)量氣體空間內(nèi)的測(cè)量氣體的至少一個(gè)特性的傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于感測(cè)測(cè)量氣體空間內(nèi)的測(cè)量氣體的至少一個(gè)特性的傳感器以及其制造方法。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]由現(xiàn)有技術(shù)已知多種傳感器和用于感測(cè)測(cè)量氣體空間內(nèi)的測(cè)量氣體的至少一個(gè)特性的方法。這里基本涉及測(cè)量氣體的任意物理和/或化學(xué)特性，可以感測(cè)一個(gè)或多個(gè)特性。下面尤其關(guān)于測(cè)量氣體的氣體成分含量的定性和/或定量感測(cè)來說明本發(fā)明，尤其關(guān)于測(cè)量氣體中的氧含量的感測(cè)。氧含量可以例如以分壓力形式和/或以百分比形式來感測(cè)。附加地或替換地，也可以感測(cè)測(cè)量氣體的其它特性，例如溫度。
[0003]此類傳感器例如可以構(gòu)造為所謂λ傳感器，如由Konrad Reif編著“車輛中的傳感器”，2010年第I版160?165頁中所知的。通過寬帶λ傳感器，尤其是平面的寬帶λ傳感器，可以例如在很大范圍內(nèi)確定廢氣中的氧濃度并從而推斷出空燃比?？諝庀禂?shù)λ來描述空燃比。
[0004]由現(xiàn)有技術(shù)尤其已知具有陶瓷傳感元件的傳感器，它基于一定固體的電解特性的利用，即利用該固體的離子傳導(dǎo)特性。這種固體尤其是陶瓷固體電解質(zhì)，例如二氧化鋯(Zr02)，尤其是加入釔穩(wěn)定劑的氧化鋯(YSZ)和摻雜鈧的氧化鋯(ScSZ)，它們可以含有少量氧化鋁(Al2O3)和/或氧化硅(S12)添加物。
[0005]對(duì)此類傳感元件的功能要求不斷提高。尤其重要的是，λ傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后快速達(dá)到運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)。這基本上受兩方面影響。第一方面涉及到λ傳感器快速加熱到通常高于600°C的運(yùn)行溫度，這通過相應(yīng)設(shè)計(jì)加熱元件或者縮小要加熱的范圍來實(shí)現(xiàn)。另一方面涉及到在運(yùn)行期間抵抗由于水沖擊而產(chǎn)生的熱沖擊的魯棒性。所謂熱沖擊是基于:在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后一定時(shí)間段內(nèi)廢氣管中的溫度低于水的露點(diǎn)，因而在燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的水蒸汽會(huì)在廢氣管中凝結(jié)。由此在廢氣管中形成水滴。λ傳感器中的已被加熱的陶瓷會(huì)由于碰到水滴并且因傳感陶瓷冷卻導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力而被損壞甚至破裂。
[0006]因此，開發(fā)了在表面上具有多孔陶瓷保護(hù)層的λ傳感器，該保護(hù)層也被稱為熱沖擊保護(hù)層或熱沖擊防護(hù)層。該保護(hù)層用于將出現(xiàn)在λ傳感器上的水滴分散到大面積上并因此降低在固體電解質(zhì)或者說傳感陶瓷上出現(xiàn)的局部溫度梯度。因而，λ傳感器在已加熱的狀態(tài)下承受一定的冷凝水滴量，而不產(chǎn)生損壞。該保護(hù)層通常在附加的方法步驟中施加到傳感元件上。為此可以使用不同的材料例如氧化鋁或尖晶石(MgAl2O4)和不同的施加技術(shù)例如噴射工藝或浸泡工藝。例如已知，通過氣化離子噴射的方法施加由多孔氧化鋁構(gòu)成的均勻厚度的熱沖擊保護(hù)層。用這種熱涂層工藝使帶入的顆粒溶化并在傳感元件表面上加速，使得熱沖擊涂層被施加到整個(gè)傳感元件表面上。這就能在低浴溫度、即在約300°C到400°C的溫度時(shí)通過涂層的有限滲透性防止水侵入至少部分地由氧化鋯制成的傳感元件的表面，并且在高溫范圍、即在約400°C到800°C的溫度時(shí)限制由于熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致冷卻。
[0007]盡管由現(xiàn)有技術(shù)已知的傳感器和用于λ傳感器的傳感元件具有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍有改進(jìn)潛力。該傳感元件通常不是全部被溫度沖擊防護(hù)層覆蓋，而是僅在測(cè)量氣體空間側(cè)的區(qū)段上被覆蓋。傳感元件的其余部分被傳感元件保持架保持住。熱沖擊防護(hù)層的收尾部、即熱沖擊防護(hù)層的面對(duì)傳感元件保持架的區(qū)段在λ傳感器運(yùn)行時(shí)被加電流。尤其是跳躍式傳感器需要對(duì)外電極大面積上加電流。但在熱沖擊防護(hù)層的收尾部區(qū)域內(nèi)傳感器抵抗水沖擊的魯棒性較低，因?yàn)橛捎谥圃旒夹g(shù)方面原因熱沖擊防護(hù)層不是與傳感元件保持架完全齊平地終止，而是在這兩個(gè)構(gòu)件之間存在沒有熱沖擊防護(hù)層的區(qū)域。由于制造技術(shù)方面原因熱沖擊防護(hù)層的該收尾部是不可避免的。如果給傳感元件加電流而不對(duì)熱沖擊防護(hù)層的收尾部加電流，則會(huì)導(dǎo)致很差的傳感器動(dòng)態(tài)性能，使得傳感器不能可靠地用于多種診斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]提出一種用于感測(cè)測(cè)量氣體空間內(nèi)的測(cè)量氣體的至少一個(gè)特性的傳感器以及它的制造方法，它們至少能很大程度上避免已知傳感器的缺點(diǎn)并且尤其能夠在傳感器的動(dòng)態(tài)性能和測(cè)量精度保持不變的情況下改善抵抗熱沖擊的魯棒性。
[0009]本發(fā)明傳感器包括一個(gè)傳感元件和一個(gè)傳感器殼體，該傳感元件具有至少一個(gè)固體電解質(zhì)和至少一個(gè)功能元件，傳感器殼體具有用于保持傳感元件的傳感元件保持架。傳感元件被傳感元件保持架保持住，使得傳感元件的測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段自傳感元件保持架突出。測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段至少部分地由熱沖擊防護(hù)層覆蓋。在熱沖擊防護(hù)層、尤其熱沖擊防護(hù)層的收尾部與傳感元件保持架之間，布置有密封裝置。這樣，不會(huì)再有水滴到達(dá)無涂覆層的傳感元件上。
[0010]傳感元件被這樣保持在傳感元件保持架中，使得傳感元件的測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段從傳感元件保持架伸出，尤其朝測(cè)量氣體空間的方向。
[0011]密封裝置可以是液密的密封裝置。密封裝置例如是粘結(jié)劑，尤其是至少一種陶瓷粘結(jié)劑。陶瓷粘結(jié)劑可以例如由一種材料制成，這種材料包含至少一種由以下材料組中選擇出的元素:氧化娃(S12),氧化鋁(Al2O3),氧化錯(cuò)(ZrO2),氧化鎂(MgO)，云母和娃酸鋁，氧化鋯-硅酸鹽，硅酸鹽接合劑，二硼化鈦，二氧化鈦，分別帶有有機(jī)的或無機(jī)的結(jié)合劑。
[0012]密封裝置可以至少與熱沖擊防護(hù)層和傳感元件保持架連接。例如密封裝置與熱沖擊防護(hù)層、傳感元件保持架和傳感元件連接。優(yōu)選的是，傳感元件具有被保持在傳感元件保持架中的傳感器殼體側(cè)區(qū)段，其中，密封裝置與熱沖擊防護(hù)層、傳感元件保持架、測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段和傳感器殼體側(cè)區(qū)段連接。當(dāng)然，通過密封裝置與測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段和傳感器殼體側(cè)區(qū)段的連接可以僅在局部進(jìn)行。傳感器還可以具有至少一個(gè)保護(hù)管，該保護(hù)管至少圍繞傳感元件的測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段。
[0013]制造用于感測(cè)測(cè)量氣體空間內(nèi)的測(cè)量氣體的至少一個(gè)特性、至少用于證明測(cè)量氣體內(nèi)的氣體成分含量或測(cè)量氣體的溫度的傳感器的本發(fā)明方法包括以下步驟:
[0014]提供傳感元件和傳感器殼體，該傳感元件具有至少一個(gè)固體電解質(zhì)和至少一個(gè)功能元件，該傳感器殼體具有用于保持傳感元件的傳感元件保持架，
[0015]將傳感元件這樣布置在傳感元件保持架上，使得傳感元件被傳感元件保持架這樣保持住，以致傳感元件的測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段自傳感元件保持架突出，
[0016]將熱沖擊防護(hù)層施加到傳感元件上，使得測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段至少部分地被熱沖擊防護(hù)層覆蓋，并且
[0017]將密封裝置布置在熱沖擊防護(hù)層和傳感元件保持架之間。
[0018]傳感元件可以這樣被保持在傳感元件保持架中，使得傳感元件的測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段從傳感元件保持架中伸出。密封裝置可以是液密的密封裝置。密封裝置例如可以是粘結(jié)劑。密封裝置例如是至少一種陶瓷粘結(jié)劑。陶瓷粘結(jié)劑可以例如由一種材料制成，這種材料包含由以下材料組中選擇出的至少一種元素:氧化硅(S12),氧化鋁(Al2O3),氧化鋯(ZrO2)，氧化鎂(MgO)，云母和娃酸鋁，氧化錯(cuò)-娃酸鹽，娃酸鹽接合劑，二硼化鈦，二氧化鈦，分別帶有有機(jī)的或無機(jī)的結(jié)合劑。
[0019]密封裝置可以至少與熱沖擊防護(hù)層和傳感元件保持架連接。密封裝置可以與熱沖擊防護(hù)層、傳感元件保持架以及傳感元件連接。傳感元件可以具有被保持在傳感元件保持架中的傳感器殼體側(cè)區(qū)段，其中，密封裝置與熱沖擊防護(hù)層、傳感元件保持架、測(cè)量氣體空間側(cè)區(qū)段和傳感器殼體側(cè)區(qū)段連接?？梢栽O(shè)置至少一個(gè)保護(hù)管，該保護(hù)管至少圍繞