专利名称：具有多构件式的扩散屏障的传感器元件的制作方法
具有多构件式的扩散屏障的传感器元件
背景技术：
本发明涉及已知的用于确定测量气体室中的气体的至少一种特性的传感器元件。 所述特性原则上可以是气体的任意的特性，比如可以是物理的和/或化学的特性。尤其下面参照传感器元件对本发明进行说明，借助于所述传感器元件可以确定气体中的至少一种气体成分的份额，也就是比如该气体成分尤其氧气的分压力和/或浓度。所述传感器元件尤其可以用于测量内燃机的废气中的空气系数λ。这样的传感器元件也称为氧传感器，并且比如在Robert Bosch GmbH公司的“机动车中的传感器(Sensoren im Kraftfahrzeug), 2007版，第1M-159页”中得到说明。可以示范性地参照那里的解释，并且所描述的传感器元件也可以在本发明的范围内按本发明进行改动。尤其所述传感器元件可以包括一个或者多个固体电解质，尤其陶瓷的固体电解质比如钇稳定的二氧化锆。为测量柴油废气中的气体成分，比如需要极限电流-稀薄混合气传感器 (Magersonde)来作为单室探测器(Einzellersonden)，所述单室探测器的特征在于明确的稀薄混合气特性曲线。其前提是泵单元阳极被废气遮盖以及探测器的随之出现的特性，即排除燃气成分的阳极的氧化反应。就此而言，比如参照WO 2008/080698。与用于测量汽油发动机的废气成分的氧传感器相比，尤其用于柴油废气中的测量的氧传感器必须满足附加的从特殊的运行状况、运行条件和分析机构中产生的条件。但是， 就此而言，对于传统的氧传感器来说产生大量的技术上的挑战。第一个技术上的挑战在于加工偏差，所述加工偏差尤其应该归因于比较复杂的设计。比如在极限电流方面并且在所谓的k值方面产生偏差，所述k值在进入到探测器中的气体扩散时表征克努森(Knudsen)份额相对于气相份额的比例(就此而言比如参见WO 2008/080698)。由于通过陶瓷的传感器元件中的扩散屏障作为用于λ的测量参量而调节的测量电流的、也就是极限电流Ip的由加工引起的偏差，在目前必须在制造所述陶瓷的传感器元件之后，要么在传感器元件上、要么通过后来对电子元器件的微调来使所述极限电流与TKU特性曲线相匹配。可以放弃这种调准，如果在惯性运行时、也就是在所定义的条件下对所述探测器进行重新校准。但是通常只有在所述极限电流最大偏离额定值20%时才成功地做到这一点。在考虑到由老化引起的偏差的情况下，这意味着在新状态中小于10%的极限电流偏差。这是用于由于加工引起的偏差的最大允许的尺度。为了保证这一点，需要一种设计，该设计尤其在建立扩散路径方面不易受到加工公差的影响。另一个挑战在于调节所需要的k值、平均值偏移(MWV)和用于所要求的测量精度的动态的压力相关性(DDA)。所述动态的压力相关性在此是指在总压力变化时探测器信号的时间相关性和/或频率相关性。作为动态的压力脉冲的结果，对于宽带氧传感器来说在泵电流Ip中出现波动(动态的压力相关性，DDA)。所述泵电流的平均值相对于在平均压力相同时所测量的静态的平均压力得到了提高。为了描述这种现象，过去采用了平均值偏移 (MMV)的概念。为了尤其在柴油废气中能够维持所要求的测量精度，有必要的是，降低所述静态的压力相关性也就是k值，其中对其它功能性的参量比如平均值偏移和/或动态的压力相关性的影响应该保持在微小的程度上。但是随着k值的减�。捎诠δ苌系脑蚨┐罅似渌亩蕴讲馄鞯木炔跋斓牟瘟勘热缙骄灯�。尤其用于柴油应用情况的较小的k值的实现或者k值的在较大范围内的有针对性的调节比如通常对于尤其在汽油发动机中在涡轮增压器或者类似装置之前使用的特殊的使用条件来说，在所述用于平均值偏移或者动态的压力相关性的数值没有超过特定的与所述精度相匹配的极限的情况下，需要开发新颖的创新的扩散屏障-设计。第三个挑战尤其在于所述传感器元件的积炭抵抗力和/或中毒抵抗力。所述柴油废气中的积炭机制和/或中毒机制以及易积炭性和/或易中毒性由于废气成分、废气温度、 压力及类似的参量而不同于汽油发动机的废气的相应的机制或者易受侵蚀性。所述传感器元件的设计必须考虑到这个事实，并且不仅在所述扩散路径中的积炭方面而且在中毒方面都必须在电极设计中和/或电极空腔设计中进行相应地调整。
发明内容
相应地提出一种用于确定测量气体室中的气体的至少一种特性的传感器元件，尤其一种按上面所描述的传感器元件中的一种或多种所述的传感器元件。尤其所述传感器元件可以用于确定测量气体室中的气体成分的份额。所述传感器元件包括至少一个第一电极、至少一个第二电极和至少一个将所述第一电极与第二电极连接起来的固体电解质。所述第一电极能够通过气体进入路径用来自所述测量气体室的气体来加载。比如所述第一电极可以布置在所述传感器元件的内部，比如布置在层构造的内部。所述气体进入路径比如可以包括一个或者多个通道和/或孔，通过所述通道和/或孔在总体上来自测量气体室的气体和/或气体成分比如可以通过流动机制和/或扩散机制到达所述第一电极处。所述气体进入路径具有至少一个扩散屏障。扩散屏障在本说明书的范围内是指一种元件，借助于该元件通过相应的扩散机制和/或流动机制的调节，比如能够调节极限电流。尤其所述扩散屏障如下面详细解释的一样可以包括至少一种多孔的材料。所述扩散屏障应该在总体上设置用于至少限制气体简单地流往第一电极并且由此比如也可以或者主要作为流动屏障起作用，以便布置在后面的敞开的通道在总体上可以作为扩散阻力起作用并且不会被穿流所克服。与传统的扩散屏障不同的是，对于所述按本发明的传感器来说提出，所述扩散屏障构造为至少双构件的结构。因此所述扩散屏障具有至少一个第一扩散屏障区域和至少一个第二扩散屏障区域。所述至少两个扩散屏障区域可以优选直接彼此相邻接，但是也可以以彼此隔开的方式布置在气体进入路径中。所述传感器元件尤其可以如此构成，使得来自测量气体室的气体首先穿过所述第二扩散屏障区域或者所述第二扩散屏障区域的第一部分，然后穿过所述第一扩散屏障区域并且随后再度穿过所述第二扩散屏障区域或者所述第二扩散屏障区域的第二部分。可以如此设计这种布置方式，使得气体尤其垂直于所述传感器元件的层构造的层结构地垂直地从所述第二扩散屏障区域中穿过比如穿流和/或扩散通过，并且比如平行于所述层结构地侧向地从所述第一扩散屏障区域中穿过比如穿流和/或扩散通过。因此比如可以如此构成所述传感器元件，从而首先通过所述第二扩散屏障区域的第一部分进行垂直的穿流和/或垂直的气体扩散，接下来通过所述第一扩散屏障区域进行侧向的穿流和/或气体扩散，再接下来通过所述第二扩散屏障区域或者所述第二扩散屏障区域的第二部分再度进行垂直的穿流和/或再度进行垂直的扩散。 所述扩散屏障尤其可以如此构成，使得所述第一扩散屏障区域占主要部分地提供所述扩散屏障的扩散阻力，其中所述第二扩散屏障区域在扩散屏障的始端和/或末端作为流动屏障和/或均勻器起作用。 沿所述气体进入路径的方向，尤其可以以合适的方式来布置所述第一扩散屏障区域和所述第二扩散屏障区域，使得所述第二扩散屏障区域或者所述第二扩散屏障区域的部分作为流动屏障和/或作为均勻器起作用，并且所述第一扩散屏障区域作为真正的扩散屏障起作用。在这种情况下比如所述第二扩散屏障区域的第一部分可以布置在扩散屏障的始端，所述第二扩散屏障区域的第一部分比如作为流动屏障具有多孔的结构并且在总扩散阻力中占有最小的份额。在所述第二扩散屏障区域的第一部分的后面可以跟随设有所述第一扩散屏障区域，该第一扩散屏障区域比如可以包括敞开的结构并且可以引起所述扩散屏障的扩散阻力的主要份额。在所述第一扩散屏障区域上又可以连接着所述第二扩散屏障区域的第二部分，所述第二部分可以作为均勻器起作用并且由此可以均勻地将电极连接到所述第一扩散屏障区域的敞开的结构上。所述第二扩散屏障区域的第二部分比如可以具有比所述第二扩散屏障区域的第一部分更小孔隙的结构。所述第二扩散屏障区域的第二部分也可以完全或者部分与第一部分相同，比如方法是所述第二扩散屏障区域构造为层，该层被多次穿流。如果在所述第二扩散屏障区域的作为均勻器起作用的第二部分的后面布置了电极连接空腔，但是该电极连接空腔也可以省去，从而可以直接连接到所述电极上，那么一般来说应该如此选择这个均勻器的扩散阻力，从而尽可能均勻地向所述第一电极加载气体。 尤其所述第一电极和/或电极连接空腔可以将所述第一扩散屏障的一个区域覆盖，该区域的气体浓度梯度比如氧气浓度梯度应该比如沿通道的纵向方向通过所述均勻器得到均勻处理。所述气体进入路径在此应该如此构成，使得所述第二扩散屏障区域布置在所述第一扩散屏障区域的前面和/或后面。这意味着，比如气体在从测量气体室到第一电极的路径上首先必须经过所述第二扩散屏障区域，以进入到所述第一扩散屏障区域中(前面)，和/ 或气体在从测量气体室到第一电极的路径上穿过所述第一扩散屏障区域，以通过所述第二扩散屏障区域到达所述第一电极处。也可以考虑所提到的可能性的组合，使得比如气体在而后进入到所述第一扩散屏障区域中之前首先穿过所述第二扩散屏障区域的第一部分，以最后穿过所述第二扩散屏障区域的第二部分到达所述第一电极处。所述第二扩散屏障区域在此应该构造得比所述第一扩散屏障区域孔隙更细。这一般来说意味着，在所述第二扩散屏障区域中克努森扩散的份额应该比在所述第一扩散屏障区域中高，反之在所述第一扩散屏障区域中气相扩散的份额应该比在所述第二扩散屏障区域中大。孔隙度的概念在此不一定意味着，所述第一扩散屏障区域也完全设有多孔的材料。 如下面还要详细解释的一样，所述第一扩散屏障区域原则上可以构造为多孔的(但是比所述第二扩散屏障区域孔隙更粗)，或者作为替代方案也可以构造为开孔的结构和/或完全敞开的结构，但是一如既往地限定着扩散。所述构造为细孔结构的第二扩散屏障区域由此至少主要地作为流动限制结构起作用，反之所述第一扩散屏障区域至少主要地作为扩散屏障起作用。因而提出一种扩散屏障，该扩散屏障在功能上代表着流动屏障-扩散屏障组合。
所述第二扩散屏障区域如上面所描述的一样尤其可以具有一种多孔的材料，该材料具有以下特性中的至少一个特性处于0. 03 μ m与3 μ m之间的孔隙大小；处于5%与60% 之间的孔隙度尤其小于40%的孔隙度。所述第二扩散屏障区域尤其可以具有处于10 μ m与 200 μ m之间尤其处于20 μ m与100 μ m之间的厚度，也就是平行于所述气体进入路径的局部方向的延展。所述第一扩散屏障区域尤其可以包括多条也就是说比如2、3、4条或者更多条沿着所述气体进入路径延伸的通道。这些通道优选具有5到50微米的尤其10到25微米的高度、50到500微米尤其100到150微米的宽度和500到5000微米尤其1200到3000微米的长度。在此所述气体进入路径可以如此构成，使得来自测量气体室的气体在通往所述第一电极的路径上基本上垂直于所述通道进入到这些通道中。比如所述气体进入路径可以为此目的而构造为折弯的。但是原则上也可以稍许偏离垂直的进入方式，比如考虑以小于 45°的角度的偏差。所述第二扩散屏障区域比如至少可以部分地构造为流动屏障层和/或包括至少一个这样的流动屏障层。这个流动屏障层尤其可以具有侧向的延展，该侧向的延展基本上平行于所述通道的纵向延展。所述流动屏障层在这种情况下尤其至少可以部分地将所述通道覆盖。所述气体进入路径可以如此构成，使得来自所述测量气体室的气体在通往所述第一电极的路径上首先至少从所述流动屏障层中穿过一次，而后穿过所述通道并且随后可选至少再一次穿过所述流动屏障层。可以设想一种设计方案，在该设计方案中来自所述测量气体室的气体在通往所述第一电极的路径上在没有事先穿过所述流动屏障层的情况下立即进入到所述通道中，以便而后在从所述通道中出来之后穿过所述流动屏障层，以到达所述第一电极处。所述传感器元件尤其可以具有层构造，该层构造具有多个层面。所述第一扩散屏障区域和第二扩散屏障区域在这种情况下可以布置在不同的优选彼此邻接的层面中。比如可以将所述第一扩散屏障区域完全或者部分地印刷到所述第二扩散屏障区域上或者相反。 比如可以将所述第二扩散屏障区域的流动屏障层印刷到所述第一扩散屏障区域的通道上。 除此以外，所述气体进入路径可以具有所述第一电极的布置在另一个优选与所提到的层面不同的层面中的电极空腔。电极空腔在此是指与所述电极邻接的敞开的或者用透气的多孔的介质充填的空腔，该空腔在所述电极之前形成蓄气室。所述电极空腔在这种情况下应该布置在所述扩散屏障的后面。此外，所述气体进入路径可以具有布置在另一个也可以与所述电极空腔的层面相同的层面中的连接空腔。该连接空腔布置在所述扩散屏障的前面，并且优选在没有扩散限制和/或流动限制的情况下与所述测量气体室处于连接之中。为此目的，比如在垂直于所述层面和/或平行于所述层面的情况下比如在所述传感器元件的端面上设置进气孔。如上面已经解释的一样，所述第二扩散屏障区域尤其所述第二扩散屏障区域的布置在所述第一扩散屏障区域后面的部分优选可以具有比所述连接空腔的气体扩散阻力大的扩散阻力。所述按上面所描述的实施方式中的一种或者多种所述的传感器元件相对于已知的传感器元件具有大量的优点。在此提出一种新颖的扩散屏障方案，该扩散屏障方案不仅在可加工性方面而且关于静态的和/或动态的功能测量参量的调节以及对积炭抵抗力和/ 或中毒抵抗力的提高的要求都符合将来几代的传感器元件的要求。所提出的流动屏障-扩散屏障组合结合最佳的电极空腔连接和连接到废气上的连接结构可以考虑到这些要求。所述主扩散阻力也就是所述扩散屏障的全部扩散阻力的较大的份额应该在所述第一扩散屏障区域处下降。所述第一扩散屏障区域如上面所描述的一样比如应该通过通道比如通过敞开的通道来实现。与此相反，所述第二扩散屏障区域尤其可以构造为细孔的层(流动屏障层)比如具有处于0. 03 μ m与3 μ m之间的孔隙大小和/或处于5%与60%之间的孔隙度并且比如可以大面积地将所述通道遮盖。通过这种处于扩散路径上的流动屏障层的构成，不仅实现较大的用于气体的进入区域而且实现最小的扩散路径长度。由此这个流动屏障层主要作为流动屏障也就是作为阻尼元件起作用，该流动屏障在所述总扩散阻力中占有微小的但是能够通过层厚度调节的份额。通往扩散路径的进气口比如通过将这种流动屏障-扩散屏障组合遮盖的气密的遮盖层中的开口来得到实现。这些开口比如一方面能够通过连接空腔以及尤其进气孔(比如侧面、端面和/或钻孔的孔)能够实现废气侧的连接，并且另一方面能够通过可选的电极空腔来实现与所述第一电极之间的连接。所述传感器元件的按本发明的设计方案的优点尤其在于得到改进的可加工性、k值的调节的可能性以及提高的积炭抵抗力和/或中毒抵抗力。总之，所提出的设计考虑到提高的对用于柴油发动机和汽油发动机的新一代极限电流传感器或者传感器元件的要求。对于柴油应用方案来说尤其可以调节较小的k值，或者对于其它应用方案来说可以在较大的范围内调节k值。微小的通过细孔的介质实现的扩散阻力(克努森扩散)通过所提出的设计由于较大的进入区域、较小的垂直于所述流动屏障的压力方向的扩散路径而以能够可靠地可再现的方式得到保证。在与敞开的通道结构和较高的扩散阻力(气相扩散)的组合中，能够实现较小的k值。这些能够彼此独立地关于k值和扩散阻力调节的流动阻力及扩散阻力由于所述流动-扩散屏障-组合的特殊的布置方式而能够在较宽的范围内实现所述静态的和动态的参量的匹配和/或调节。此外，以较小的k 值产生微小的平均值偏移和/或动态的压力相关性。因此比如所述前置的第二扩散屏障区域可以具有大于0. 2bar或者更大的k值。所述后置的第一扩散屏障区域比如可以具有小于 0. 2bar的k值。对于较小的总k值来说，通过比如布置在所述构造为第一扩散屏障区域的形式的主扩散阻力后面的、构造为后置的具有与被遮盖的表面相匹配的扩散阻力的第二扩散屏障区域的形式的流动屏障，所述电极连接空腔的流动负荷在通往扩散屏障的过渡带的区域中得到均勻处理并且相应地将该体积降低到最低限度。由此可以在实现较小的k值时抑制所述DDA/MWV的上升，因为所述电极空腔体积直接与所述动态的参量相关联。除了这种通过所述电极空腔体积实现的作用之外，所述流动屏障作为布置在所述主扩散阻力前面的并且也可选布置在其后面的克努森扩散阻力(流动屏障)通常作为阻尼元件起作用。如果在作为均勻器起作用的所述第二扩散屏障区域的第二部分的后面设置了电极连接空腔(但是该电极连接空腔也可以省去，从而可以直接连接到所述电极上)，那么通常应该如此选择该均勻器的扩散阻力，从而尽可能均勻地向所述第一电极加载气体。尤其所述第一电极和/ 或电极连接空腔比如可以沿所述通道的纵向方向将所述第一扩散屏障的一个区域覆盖，该区域的气体浓度梯度比如氧气浓度梯度应该通过所述均勻器得到均勻处理。其它的优点在蚀班抵抗力方面获得。前置的细孔的构造为比如具有小于40%的孔隙度的第二扩散屏障区域的形式的流动屏障象前置的过滤器一样起作用。所提出的设计提供这样的可能性，也就是将进口区域设计为大面积的结构并且由此获得较小的流动密度并且通过在过滤器中实现流动梯度这种方式来将积炭也就是过滤孔的堵塞的对特性曲线的影响降低到最低限度。通过前置的过滤器中的流动密度梯度，可以建立平行的传导路径， 所述平行的传导路径可以对于一定程度的积炭，也就是说通过在进口区域中掺有颗粒的气孔，对这种积炭进行补偿，而没有在所述传感器元件的使用寿命期间超过允许的公差而影响所述功能性的参量。此外，通过所提出的设计来获得提高的中毒抵抗力。均勻的电极负荷以及由此得到改进的中毒抵抗力通过也称为电极连接空腔的电极空腔的均勻的流动负荷得到保证。所述电极空腔的均勻的流动负荷则通过以下方式得到保证，即在作为真正的扩散屏障起作用的第一扩散屏障区域的后面布置了作为流动屏障起作用的第一扩散屏障区域，所述第一扩散屏障的扩散阻力可以与电极空腔几何形状相匹配和/或尤其与被所述电极和/或电极连接空腔覆盖的通道端部的沿侧向方向的扩散阻力相匹配。其它的前提在此可以是所述第一电极的原则上能够通过所述设计实现的在出气口上面的中心布置。其它的优点在极限电流偏差和/或k值偏差方面获得，所述极限电流偏差和/或 k值偏差在许多情况中是用于滑移调准(Schubabgleich)的前提。所述气体扩散路径的得到改进的可加工性以及所述极限电流和k值的由此引起的更小的偏差通过所述扩散屏障的组成部分的所提出的布置方式得到保证。对于传统的传感器元件来说尤其在压力层的边缘区域中出现的沾污和/或重叠的对所述极限电流和/或k值的偏差的影响的最小化通过可选的垂直于压力方向从所述扩散屏障的印刷的组成部分和/或气体进入路径的其它组成部分、尤其连接元件中穿流这种方式来实现。
本发明的实施例在附图中示出并且在紧接着的说明中进行详细解释。附图示出如下
图1是按本发明的传感器元件的一种实施例的剖面图； 图2是按图1的传感器元件的扩散屏障的透视的详细示意图；并且图3是按本发明的传感器元件的第二种实施例的透视图。
具体实施例方式图1和2以不同的示意图示出了按本发明的传感器元件110的第一种实施例。 在此涉及宽带-氧传感器的一种实施例。为获得这样的宽带-氧传感器的其它细节和这样的氧传感器的运行方式，比如可以参照上面已经提到的现有技术或者比如可以参照DE 10 2006 062 060 Al。在此涉及具有明确的特性曲线的极限电流-稀薄混合气传感器 (Magersensor)。所述传感器元件110具有层构造，该层构造具有第一电极112、第二电极 114和将这两个电极112、114连接起来的固体电解质116比如钇稳定的二氧化锆。所述两个电极112、114在此在所示出的实施例中布置在同一个层面中。但是原则上也可以考虑其它的布置方式，比如具有上下叠置的电极112、114的布置方式，在这些布置方式中所述电极112、114比如布置在所述固体电解质116的对置的侧面上。此外，所述传感器元件110在所示出的实施例中可选具有布置在该传感器元件 110的表面上的还原电极118。这个还原电极118用于减小包括所述第一电极112、第二电极114和固体电解质116的泵单元的内阻并且可选用于其内阻的可调节性。所述还原电极的作用原理比如在DE 10 2006 062 060 Al中得到说明，关于所述传感器元件110的其它可能的细节也可以参照该专利文件。所述第二电极114在所示出的实施例中布置在基准空气通道120中。这条基准空气通道120比如可以将所述第二电极114与基准空气室比如机动车的发动机室连接起来。 “基准空气通道” 120这个概念在此应该广义地来理解并且比如也可以包括排气通道。因此比如在所述第二电极114上抽出的气体可以通过基准空气通道120逸出。在这种情况中， 所述基准空气通道120代表着排气通道。原则上也可以考虑其它的设计方案，比如这样一些设计方案，对于这些设计方案来说所述第二电极114直接或者间接地与测量气体室122 处于连接之中。所述第一电极112能够通过气体进入路径1 用来自所述测量气体室122的气体来加载。这条气体进入路径1 在所示出的实施例中包括布置在所述电极112、114的层面中的连接空腔126、区段128、设有扩散屏障130的区段1 和同样布置在所述电极112、 114的层面中的电极空腔132。在图1中未示出所述连接空腔126的连接到所述测量气体室122上的连接结构，该连接结构比如可以通过端面的孔、所述层面中的通道和/或垂直于所述层面的进气孔来实现。所述气体在穿过气体进入路径1 的路径上经过的扩散路径在图1中象征性地通过箭头134来表示。所述扩散屏障130在所述层构造中布置在具有电极112、114的层面的下方并且通过遮盖层136与这个层面分开。如尤其可以从图2中的透视的详细示意图中看出的一样， 所述扩散屏障130按本发明构造为双构件的结构并且具有构造为平行于所述扩散路径134 伸展的通道140的形式的第一扩散屏障区域138以及处于其上面的构造为细孔的流动屏障层144的形式的第二扩散屏障区域142。将这两个区域138、142在概念上合并为扩散屏障 130，而在实际上所述第二扩散屏障区域142真正地作为流动屏障起作用，反之真正的扩散屏障则通过所述第一扩散屏障区域138构成。所述流动屏障层144在此在所示出的实施例中完全将所述通道140遮盖，使得气体在所述气体进入路径IM上首先必须穿过所述流动屏障层144，而后进入到所述通道140中，通过所述通道140朝所述电极空腔132的方向流动并且接着必须第二次穿过所述流动屏障层144进入到所述电极空腔132中。所述第一扩散屏障区域138可以以不同的方式构成并且比如可以包括构造为多孔地填充的、较小孔隙填充的、部分填充的和/或结构化的通道的形式的通道140。这个第一扩散屏障区域138代表着主扩散阻力并且在此比如用于调节较小的比如处于 0. OlbaKKO. 3bar之间的范围内的k值。但是按填充情况，也可以调节经过调准的比如处于0. 01bar<k<5bar的范围内的k值。相反，所述第二扩散屏障区域142的流动屏障层144代表着细孔的流动屏障。这涉及具有较高的比如k>0. 3bar的k值的范围。这个流动屏障层144大面积地将所述通道遮盖，这产生阻尼和过滤作用。此外，这个流动屏障层144引起流入密度梯度。此外，它保证了所述电极空腔132和/或连接空腔126的均勻的流动负荷和/或扩散负荷。它稍微提供总扩散阻力以及由此的总极限电流Ip和总k值。通过这个流动屏障层144的厚度和/或孔隙度，可以影响动态的和/或静态的参量，比如所述参量MWV、DDA和k值。由此比如可以以给定的k值和平均值变化在探测器精度方面调节最佳值。
与传统的探测器几何形状相反(其中比如所述连接空腔126、扩散屏障130和电极空腔132通过重叠的压力层来制成，其是所述极限电流Ip和k值的偏差的原因)，对于所述传感器元件110以及尤其多构件式的扩散屏障130的按本发明的设计来说，通过印刷时的不精确性引起的空腔脏污对扩散阻力没有影响并且由此也对功能性的参量比如Ip和k值没有影响。此外，通过多孔的具有较大的进入面也就是微小的流入密度和经过通道140的足够平行的流动路径和/或扩散路径的流动屏障层144，通过进入面上的流入密度梯度的实现，来获得提高的积炭抵抗力。所述电极空腔132和所述第一电极112的表面尤其可以上下叠置地并且在所述扩散屏障130的上方布置在中心处，其中比如所述第一电极112可以在所述电极空腔132的上面布置在中心处，所述电极空腔132也作为电极连接空腔起作用。总之，所描述的示范性地在图1和2中示出并且拥有多构件式的扩散屏障130的传感器元件110相对于传统的传感器元件110具有一系列的优点和附加的选择可能性。因此传统的宽带探测器通常遵循这种方案，即扩散路径平行于压力方向来构成并且扩散元件被气体侧向地先后从中流过。为此有必要将多孔的扩散屏障的流入区域和/或流出区域通过空腔连接到气体路径比如钻孔的进气孔上。为此用厚层技术(Dickschicht-Technik)F 仅将扩散屏障而且将空腔多次并排地挤压到具有安全重叠结构(SicherheitsUberIapp)W 膜垫上。所述压力层的不可避免的脏污和泄漏在扩散元件比如空腔和扩散屏障重叠时引起相当大的偏差。因为空腔中(气相扩散占优势)和扩散屏障(克努森扩散和气相扩散，按照孔隙大小分布以0. 1到5的比例)扩散形式大为不同，所以从中产生较高的总扩散阻力的偏差的数值并且由此在极限电流Ip和k值方面产生较高的数值。因此，以往对于所有系列传感器元件来说通常在新的传感器元件上必须对极限电流进行调准。与此相反，所述扩散屏障130的在图1和2中示出的新颖的方案规定，所述扩散路径原则上必须垂直于压力方向通过所述扩散屏障130的比如在丝网印刷中在这种情况下上下叠置地制造的元件来产生。尤其所述气体基本上垂直地穿过所述扩散屏障层144，以到达所述第一扩散屏障区域138的通道140中。由此排除在所述压力层的棱边上的以及在连接到所述扩散屏障130上的侧向的扩散屏障-空腔连接结构上的脏污的影响，并且将由于加工引起的关于极限电流和/或k值的偏差降低到最低限度。剩余的由于在叠层(Laminat) 上的不一致的层厚度引起的偏差比如必要时可以通过滑移调准策略进一步加以排除。比如通过压力层尤其所述至少一个流动屏障层144来连接到所述第一扩散屏障区域138的作为扩散屏障130的真正的扩散阻力起作用的通道140上。通过这种方式可以保证所述提供真正的扩散阻力的第一扩散屏障区域138连接到所述空腔1 和/或132上。所述流动屏障层144被垂直地穿流。所述通道140(即这样的区域，也就是在该区域中所述主扩散阻力下降)垂直于所述流动屏障层144的压力层获得面状的垂直于压力方向伸展的进入扩散。Ip 和k值没有受到所有确定扩散阻力的压力层的脏污的影响。所述电极空腔132也可以构造为多构件式的结构并且如在图1中示出的一样可以在所述真正的电极空腔132的下方包括连接到所述流动屏障层144上的电极连接空腔146。 在气体垂直地流入到所述电极连接空腔146中并且可以均勻地分布在电极空腔132中之前，所述气体扩散到所述提供主扩散阻力的通道140中。所述通道140中的扩散路径的长度以及由此所述扩散阻力的大小尤其可以通过遮盖层136中的开口的间距并且由此仅仅通过一个很好地定义的过程步骤来确定。所述通道140尤其可以具有处于0. 5与5mm之间尤其1. 5mm的长度。如此定位所述遮盖层136中的开口，使得所述通道140的伸出的通道端部无助于扩散阻力。由此可以得到排除所述通道140的端部上的脏污的对极限电流和/ 或k值的影响。此外，在加工技术上比如在印刷遮盖层136时通过泄漏和/或脏污而引起的在所述开口几何形状中留下的差异对扩散阻力的大小只有边际的影响，因为所述扩散路径的长度大约比所述开口几何形状中的可预料的差异大100倍。所提出的设计由此在有利于通过在柴油应用方案中的滑移调准策略实施的调准的情况下，满足了对极限电流的微小的新值偏差的要求以排除传感器元件调准，所述传感器元件调准引起较高的成本。此外，可以容易地对所述传感器元件110的在图1和2中示出的设计进行匹配，用于对动态的和/或静态的测量参量进行优化。因此比如对于柴油废气中的测量的精度来说，对于整个的扩散屏障130需要较小的比如k<0. 3bar的k值。这个k值小于通常在传统的氧传感器中实现的典型地高于0.4bar的k值。借助于所述按本发明的设计来如此形成所述扩散路径134，从而可以相对于克努森扩散来相应地提升气相扩散的在总扩散阻力中所占份额。此外可能必要的是，如此构造用于较小的k值的设计，从而没有如此提高平均值偏移，以致其毁掉在k值较小时得到改进的精度的优点。由于在降低k值时所述平均值偏移上升这个趋势，对于在柴油排气系中运行时探测器精度的最大值来说必须找到并且有针对性地调节用于这两个数值的最佳值。通过具有作为流动屏障起作用的第二扩散屏障区域 142和作为真正的扩散阻力起作用的第一扩散屏障区域138的扩散屏障130的按本发明的设计，能够精确地实现这种优化，其中所述第一扩散屏障区域138具有其敞开的或者开孔的通道140。如此形成所述气体进入路径124，使得所述主扩散阻力在所述第一扩散屏障区域138的敞开的或者开孔的通道140处下降。所述第二扩散屏障区域142通过大面积的构造为细孔结构的流动屏障层144得到实现。进气口通过密封的遮盖层136中的开口得到实现。通过所述敞开的或者开孔的通道140，所述主扩散阻力主要通过气相扩散来承担，并且所要求的处于0. Olbar与0. 3bar之间的k值按用于柴油发动机中的应用情况的通道140 的结构化、宽度和高度得到实现。在所述敞开的通道140的扩散阻力的前面和/或后面布置了构造为流动屏障层144的形式的第二扩散屏障区域142。这个第二扩散屏障区域142 可以作为由细孔的材料制成的层得到实现并且可以大面积地将通道140遮盖。通往这个第二扩散屏障区域142的进气口如上面示出的一样通过所述遮盖层136中的开口得到实现， 所述开口在附图中普遍地用附图标记148、150来表示。因为所述多孔的流动屏障层144中的扩散阻力比所述通道140中的扩散阻力大了许多倍，所以废气垂直地穿过这个比如构造为压力层的比如具有20到100 μ m的厚度的流动屏障层144扩散到所述通道144中。可以如此构造这种设计，使得所述多孔的扩散屏障层144的扩散阻力由于垂直地从该层中穿流并且通过微小的层厚度(路径长度)而与所述通道140中的阻力相比小了几个等级。该设计因而保证，所产生的总极限电流和所产生的总k值仅仅有限地受到这个作为流动屏障起作用的扩散屏障层144的限制。所述通道140的k值和极限电流确定所述传感器元件110的k值或者极限电流。此外，所述多孔的流动屏障层144可以具有阻尼效应， 所述阻尼效应不会让所述DDA和MWV过度地上升。这个构造为流动屏障层144的形式的细孔的流动屏障在所述扩散屏障130的流出区域中在总体上也使后面的电极空腔132和/或其电极连接空腔146均勻地受到负荷。如果针对扩散阻力来如此构造所述作为流动屏障起作用的第二扩散屏障区域142比如所述流动屏障层144，使得已经在到这个流动屏障层144 的总的界面上均勻地从所述电极空腔132和/或电极连接空腔146中流过，因此可以以最小化的连接空腔高度来实现所述第一电极112的均勻的电极负荷。但是，将所述电极空腔 132的体积降低到技术上的最小值这种做法是用于所述DDA或者MWV的较低的数值的基本前提。所提出的具有扩散屏障和流动屏障的特殊的布置方式的设计因而首次提供以最小化的电极空腔高度将较小的k值、均勻的电极负荷以及适度的MWV/DDA彼此统一起来的方案。 如果所述流动屏障层144在整个连接表面的范围内起到完全均勻化的作用，那就必要时可以将所述电极空腔高度降低到零。如果所述流动屏障层144由于太高的孔隙度和/或太小的层厚度而起到有限制地均勻化的作用，那就应该通过所述电极空腔高度的扩大来实现均勻化。所述电极空腔146比如可以具有处于20与200微米之间的高度。所述流动屏障层144也可以仅仅布置在所述可以作为扩散屏障层起作用的第一扩散屏障区域138的后面或者仅仅布置在其前面。尤其这一点可以结合将所述第一扩散屏障区域138构造为通道140的形式这种做法来实现。通过这种方式，所述流动屏障比如可以作为均勻化层来起作用或者构造为均勻化层。所述均勻化层尤其在这种情况下并且为了均勻化的目的而应该具有比所述优选构造为通道140的形式的第一扩散屏障区域138小的孔隙度。在此按照所述流动屏障层144的层厚度和孔隙度，这个层的扩散阻力的在总扩散阻力中所占份额以及由此在所述极限电流中、在k值中、在DDA中和在MWV中所占份额以及气体分布，即使没有彼此独立，但是也可以按使用条件而有针对性地得到调节，以获得较高的精度。另一个优点在于，在所提出的用于有针对性地调节这些静态的和/或动态的参量的设计方案中，仅仅需要在非常有限的范围内进行布局匹配。如果比如所述MWV对于较小的有待调节的k值来说太高，那么通过所述流动屏障层144的层厚度的匹配和/或所述材料的孔隙度的减小就已经可以提高所述多孔的流动屏障层144的扩散阻力(克努森扩散)在总扩散阻力中所占份额，随之出现k值的提高和MWV的减小。因此，按要求和使用条件可以实现探测器精度的最优值。结合通过所述通道140的通道几何形状和/或通道充填程度来额外地向所述扩散阻力份额和/或扩散特性并且由此向所述动态的和/或静态的参量施加影响的方案，来提高所述优化的可能性。因此，利用所述作为扩散阻力或者作为流动阻力起作用的能够彼此独立地变化的扩散屏障区域138、142的设计，可以在较宽的范围内尤其对于高温极限电流探测器来说比较容易并且广泛地改变动态的和/或静态的参量，方法是比如一方面可以相应地设计通道结构化(比如通过能够再现的狭窄部位)、通道几何形状(比如通过入口横截面和/或长度)、 通道充填程度(敞开、多孔、敞开并且多孔)，并且另一方面可以相应地构造所述流动屏障层 144的材料(孔隙度)和几何形状(厚度、进入面)。所述传感器元件110的所提出的设计的突出之处也在于相对于传统的传感器元件显著地得到改进的积炭抵抗力和中毒抵抗力。因此如此形成所述组合的流动/扩散屏障 130的进口区域，使得颗粒按大小并且根据所述作为流动屏障起作用的流动屏障层144的厚度及孔隙度或者组成而在那里被阻止继续输送。流往所述第一电极112的颗粒流通过所述多孔的流动屏障层144的过滤作用在保持较小的k值的情况下至少在很大程度上受到阻止，因为通过所述第二扩散屏障区域142形成的流动屏障借助于所提出的设计方案可以构造得很薄并且由此可以将这个克努森扩散阻力对总扩散阻力的贡献保持在微小的程度上。为了在此将作为过滤器起作用的入口区域的积炭降低到最低限度，所提出的设计能够将所述作为流动屏障起作用的流动屏障层144的进口区域构造得大于传统的传感器元件110许多倍。由此将流入密度减小了 3到15倍，并且显著降低易积炭性。此外，通过所述设计来产生流入密度梯度(能够通过面积、厚度和孔隙度来调节)。由此将比如由于所述流动屏障层144、扩散屏障进口区域的气孔的堵塞引起的积炭的对探测器信号的影响降低到最低限度，方法是首先具有最大的流入密度的区域出现积炭并且具有一开始较小的流入密度的区域可以在所述传感器元件110的使用寿命期间对此进行补偿。因为这些平行的传导路径在所提出的设计中仅仅微不足道地延长处于下面的通道140的主扩散阻力的扩散路径，所以这在某种积炭程度之内对所述传感器元件10的特性曲线没有影响或者只有微不足道的影响。尽管较小的k值，所提出的设计因而也提供通过较大的进入面、流入密度梯度和所述第二扩散屏障区域142的厚度和/或孔隙度的变化来决定性地改进积炭抵抗力的方案。得到改进的中毒抵抗力也就是所述电极112的更小的易中毒性通过所述作为嵌入式电极起作用的第一电极112上的均勻的电流密度分布来得到保证。与既有的具有扩散阻力和/或电极空腔的侧向穿流以及由此引起的不均勻的电极负荷(电流密度分布)这些特征的方案相反，在所述传感器元件110的所提出的设计方案中所述电极112以其电极表面垂直于扩散路径134来布置，比如布置在垂直于扩散方向布置的电极空腔132上面。因为这个电极空腔132也可以均勻地受到负荷，所以所述作为流动屏障起作用的流动屏障层 144可以在所述扩散屏障130的出气口上起作用。在此要指出，这个作为流动屏障起作用的流动屏障层144在通往电极空腔132的第二开口 150上可以与通往连接空腔1 的第一开口 144上的流动屏障层144相同或者分开。在图1和2所示出的实施例中，在此它是一个共同的流动屏障层144。但是，原则上也可以考虑其它的设计方案。为获得更好的可加工性和/或过程可靠性，优选使用一个唯一的流动屏障层144。但是，所述作为流动屏障起作用的流动屏障层144的厚度、孔隙度和出口表面对于这种均勻的负荷来说应该与所述空腔高度、电极表面和总的扩散阻力相匹配。为获得均勻的电极负荷和较小的MWV，最佳的是，对于所述电极连接空腔146来说尤其在所述第二开口 150的区域中实现具有相匹配的厚度和/或孔隙度的流动屏障，该流动屏障的扩散阻力高于所述通道140的在第二开口 150的区域中的扩散阻力。由此在所述电极空腔132的连接到作为流动屏障起作用的第二扩散屏障区域142上的连接面的整个区域的范围内保证均勻的负荷，并且所述电极空腔132可以在高度方面降低到最低限度并且由此也可以将所述通过电极空腔132的容积引起的DDA和/或MWV降低到最低限度。作为替代方案，在所述电极空腔132的连接面上的流动不均勻性可以通过用于均勻的电极负荷的空腔高度的扩大也就是更为均勻的电流密度分布部分地得到平衡，但是这通常以动态的探测器特性为代价而得到实现。因而所提出的设计提供尽管最小的电极空腔高度和由此引起的较小的MWV也提高中毒抵抗力的方案，方法是后置的作为流动阻力起作用的具有相匹配的扩散阻力的扩散屏障层144作为所述作为在真正的扩散屏障起作用的具有较小的k值的第一扩散屏障区域 138 (通道140)上面的遮盖层，保证了所述第一电极112的均勻的电极空腔负荷和均勻的电流密度分布。从上面的解释中也可以清楚地看出，对所述作为流动屏障起作用的第一扩散屏障区域138的要求在所述扩散屏障130的第一开口 148的进口区域中以及在其第二开口 150 的出口区域中，可以按照用于调节极限电流和/或k值并且用于构造传感器元件尤其泵单元的扩散屏障设计的所要求的构造而有区别。通过这种方式比如可以保证与不同的电极几何形状、不同的电流密度及类似参量相匹配。比如对所述处于开口 148处的进气口的区域中的第二扩散屏障区域142的要求可以要求所述流动屏障层144的更小的层厚度并且在所述第二扩散屏障区域142的这个部分的在所述扩散屏障130的总扩散阻力中所占的扩散阻力份额较小时要求较高的孔隙度和较小的孔隙大小。由此在入口区域中的过滤作用以及流动密度梯度的形成可以以所述传感器元件的较小的k值来保证积炭抵抗力。与此相反，所述布置在第一扩散屏障区域138后面也就是布置在所述第二开口 150的区域中的第二扩散屏障区域142的结构则可以有所区别。因此比如所述布置在第一扩散屏障区域138后面也就是比如布置在所述第二开口 150的区域中的第二扩散屏障区域 142的扩散阻力的匹配在用于气体均勻地从电极连接空腔146中穿流并且由此用于均勻的电极负荷的出口区域中为保证中毒稳定性而要求比在所述第一开口 148处的进口区域中也就是在布置在所述第一扩散屏障区域138前面的区域中高的扩散阻力。对于所述按本发明的传感器元件110来说也可以对这种想法加以考虑。这种设计提供匹配的可能性，因为在制造流动屏障层144时比如在丝网印刷时这个流动屏障层144 比如在所述第一扩散屏障区域138前面和后面可以具有不同的特性。因此比如可以在前面和后面印刷具有不同的孔隙度的材料，或者可以在前面和后面安排不同数目的印刷步骤， 并且由此通过所述前置的或者后置的流动屏障层144的高度调节不同的用于进口及出口区域的扩散特性。作为替代方案，可以按所述通道140的扩散阻力和所述作为流动屏障起作用的流动屏障层144的构造来匹配用于所述作为流动屏障起作用的流动屏障层144的进口区域及出口区域中的空腔连接结构的遮盖层136中的开口 148、150的大�。⑶矣纱丝梢杂星鸬毓钩衫┥⒆枇ΑＮ嗽谒鲎魑鞫琳掀鹱饔玫牡诙┥⑵琳锨�142尤其流动屏障层144的扩散阻力通常较高时为保证均勻的电极空腔高度而在进口区域中也产生流动密度梯度，应该优选相应地将所述进口区域中的开口 148选择得如此之大，用于减小在这个位置上的扩散阻力。图3示出了按本发明的传感器元件110的第二种实施例。该实施例首先在大部分部件方面相当于图1和2中的实施例，因而可以在很大程度上参照上面关于这两张附图的说明。与上面的实施例不同的是，图3示出，原则上所述第一电极112和第二电极114也可以布置在所述层构造的不同的层面中。因此在按图3的实施例中所述比如可以构造为双构件结构的第二电极114布置在较高的层面中并且布置在一个固体电解质116或者多个固体电解质层的对置的侧面上。
此外，在按图1和2的实施例中进气口 152布置在所述传感器元件110的端面154 上。但也并非务必如此。因此图3中的实施例示出，所述进气口 152也可以设置在所述传感器元件110的层构造的上侧面156上并且比如可以通过穿过所述层构造并且比如可以构造为孔眼的出气孔158与所述扩散屏障130或者可选的连接空腔1 相连接。
权利要求
1.传感器元件(110)，用于确定测量气体室(122)中的气体的至少一种特性，尤其用于确定所述测量气体室(122)中的气体成分的份额，该传感器元件(110)包括至少一个第一电极(112)，此外包括至少一个第二电极(114)和至少一个将所述第一电极(112)与第二电极(114)连接起来的固体电解质(116)，其中所述第一电极(112)能够通过气体进入路径 (124)用来自所述测量气体室(122)的气体来加载，其中所述气体进入路径(124)具有至少一个扩散屏障(130)，其中所述扩散屏障(130)具有至少一个第一扩散屏障区域(138)和至少一个第二扩散屏障区域(142)，其中所述第二扩散屏障区域(142)构造成比所述第一扩散屏障区域(138)孔隙更细。
2.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中所述第二扩散屏障区域(142)布置在所述第一扩散屏障区域(138)的前面和/或后面。
3.按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中来自所述测量气体室 (122)的气体首先从所述第二扩散屏障区域(142)中穿过，而后从所述第一扩散屏障区域 (138)中穿过并且接着再度从所述第二扩散屏障区域中穿过。
4.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中所述气体垂直于层结构从所述第二扩散屏障区域(142)中穿过并且侧向于所述层结构从所述第一扩散屏障区域(138)中穿过。
5.按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中所述第一扩散屏障区域 (138)占主要部分地提供所述扩散屏障(130)的扩散阻力，其中所述第二扩散屏障区域 (142)在所述扩散屏障(130)的始端和/或末端作为流动屏障和/或均勻器起作用。
6.按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中所述第二扩散屏障区域 (142)具有一种带有以下特性中的至少一种特性的多孔材料处于0. 03 μ m与3 μ m之间的孔隙大�。淮τ�5%与60%之间的孔隙度，尤其小于40%的孔隙度。
7.按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中所述第二扩散屏障区域 (142)具有处于10 μ m与200 μ m之间的厚度，尤其处于20 μ m与100 μ m之间的厚度。
8.按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中所述第一扩散屏障区域 (138)包括多条沿着所述气体进入路径(124)延伸的通道(140)。
9.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中所述来自测量气体室(122)的气体在通往所述第一电极(112)的路径上基本上垂直于所述通道(140)进入到所述通道 (140)中。
10.按前两项权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中所述第二扩散屏障区域(142)至少部分地构造为流动屏障层(144)和/或包括至少一个流动屏障层(144)，其中所述流动屏障层(144)具有侧向的延展，该侧向的延展基本上平行于所述通道(140)的纵向延展。
11.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中所述流动屏障层(144)至少部分地将所述通道(140)遮盖。
12.按前两项权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中如此设置所述气体进入路径(1M)，使得所述来自测量气体室(122)的气体在通往所述第一电极(112)的路径上首先至少从所述流动屏障层(144)中穿过一次，而后从所述通道(140)中穿过并且随后至少再一次从所述流动屏障层(144)中穿过。
13.按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中所述传感器元件(110)具有层构造，其中所述第一扩散屏障区域(138)和第二扩散屏障区域(142)布置在不同的优选彼此邻接的层面中。
14.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中所述气体进入路径(124)此外包括所述第一电极(112)的布置在另一个层面中的电极空腔(132)，其中所述电极空腔(132) 布置在所述扩散屏障(130)的后面。
15.按前两项权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中所述气体进入路径 (124)此外具有布置在另一个层面中的连接空腔(1 )，其中该连接空腔(1 )布置在所述扩散屏障(130)的前面。
16.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中所述第二扩散屏障区域(142)尤其所述第二扩散屏障区域(142)的布置在第一扩散屏障区域(138)后面的部分具有比所述连接空腔(1 )的气体扩散阻力大的扩散阻力。
全文摘要
提出一种传感器元件(110)，该传感器元件(110)用于确定测量气体室(122)中的气体的至少一种特性尤其用于确定所述测量气体室(122)中的气体成分的份额。所述传感器元件(110)包括至少一个第一电极(112)、至少一个第二电极(114)和至少一个将所述第一电极(112)与第二电极(114)连接起来的固体电解质(116)。所述第一电极(112)能够通过气体进入路径(124)用来自所述测量气体室(122)的气体来加载。所述气体进入路径(124)具有至少一个扩散屏障(130)，该扩散屏障(130)则具有至少一个第一扩散屏障区域(138)和至少一个第二扩散屏障区域(142)。所述第二扩散屏障区域(142)构造成比所述第一扩散屏障区域(138)孔隙更细。
文档编号G01N27/419GK102483389SQ201080040575
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月2日 优先权日2009年9月14日
发明者伦格 H. 申请人:罗伯特·博世有限公司
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