用于废气传感器的传感器元件

背景技术

由现有技术DE 10 2013 211 791 A1已知一种具有传感器元件的废气传感器，该传感器元件沿其纵向方向具有彼此相对置的第一端部区域和第二端部区域，其中，传感器元件在第一端部区域中具有功能元件，该功能元件与在第二端部区域中布置在传感器元件的外表面上的接触面导电连接。在此还设置，该接触面在其背离第一端部区域的一侧上具有倒圆。

接触面的功能是通过废气传感器的接触元件，例如金属导线、销或弹簧可靠地确保传感器元件的电接触，这些接触元件在传感器中与传感器元件的接触面相互作用。

发明内容

本发明首先基于本发明人的认识，即上述功能包括两个要求，即一个是接触面与传感器元件的其余部分的可靠连接，包括保持接触面的完整性；另一个是接触面与废气传感器的接触元件之间的导电连接的可安全建立性。

发明人首先指出，接触面不是由均质材料设置，而是具有一个内层和一个布置在该内层上的外层。

因此，内层朝向传感器元件内部，而远离接触元件；因此，外层远离传感器元件内部，而朝向接触元件。与接触面布置在传感器元件的外表面上意义相同，外层布置在内层上。

因此，内层可以在接触面与传感器元件的其余部分可靠连接，包括保持接触面的完整性的部分任务方面进行优化。

因此，外层可以在接触面与废气传感器元件的接触元件之间的导电连接的安全可建立性的部分任务方面进行优化。

发明者然后认识到，一方面，优化可以在于内层比外层具有更大的硬度。即虽然内层的较大硬度引起接触面本身是固定的并且与传感器元件的其余部分牢固地连接，而外层的较低硬度引起接触面对接触元件表现为延展性，即可以在一定极限内变形，使得接触元件可以在大的横截面上贴靠在接触面上或者可以在一定极限内侵入到接触面中。

本发明人然后认识到，该优化另一方面或附加地可以在于内层具有陶瓷份额和贵金属份额，而外层具有高于内层贵金属份额的贵金属份额。

因为贵金属份额降低了原本具有陶瓷份额的层的硬度，所以也会引起上述的效果。

份额当前理解为重量比和/或体积比。

当然，份额当前理解为不等于零的比例，使得引起技术效果，即实质性地改变相关层的至少一个特性。例如，份额为至少2％的体积百分比和/或至少2％的重量百分比。

份额，尤其外层的贵金属份额原则上也可以为100％的体积百分比和/或100％的重量百分比。因此，外层可以由贵金属构成，例如铂。

贵金属可以是铂、钯、金、铑、铼、铱或由两种或两种以上这些材料的混合物，例如合金。

陶瓷或者说陶瓷份额例如可以是钇稳定的氧化锆(YSZ)或氧化铝。

在本发明的范畴内，层理解为陶瓷传感器元件的一部分，例如能通过在生坯的陶瓷基底上丝网印刷和随后的烧结制造。就此而言，层可以是数学意义上连续的或由多个区域组成，这些区域虽然通过丝网印刷和随后的烧结一起制造并且位于同一层平面内，但在数学意义上并不是连续的。

术语“传感器元件的端部区域”关于纵向方向在本申请的范畴内理解为原则上仅传感器元件的一个连续的子区域，该子区域包括传感器的相关端部并且不超过传感器元件的长度的50％。就此而言，一个端部区域和一个相对置的端部区域例如仅在一个面内重叠。更加限制地，传感器元件的端部区域尤其也可以理解为传感器元件的一个连续的子区域，该子区域包括传感器的相关端部并且不超过传感器元件长度的三分之一或甚至不超过四分之一。

原则上，术语“功能元件”当前不应狭义地解释。例如，功能元件可以是一个与传感器元件的外部空间连通的贵金属电极或金属陶瓷电极，和/或一个在20℃时尤其具有最大30Ohm电阻的电阻加热器和/或类似元件。

此外，本发明人再次认识到：如果外层仅部分地覆盖内层，就已经可以产生开头所述的功能优点。

与通过外层整个面地覆盖内层相比，在这种情况下引起附加的优点：可以节省贵金属，这与节省成本和重量相关。

根据本发明，接触面与导体轨导电地连接。导体轨例如可以与接触面的内层连续地构造，例如以丝网印刷方法中的连续的印刷步骤和随后的烧结制造。

在本发明的范畴内，接触面尤其通过以下方式朝向与其邻接的导体轨限界，即接触面朝传感器元件的外表面的方向和垂直于传感器元件的纵向方向比导体轨更宽。例如，导体轨细长地延伸，而邻接的接触面矩形地，必要时带有圆角或在纵向方向上带有一个倒圆端部或在纵向方向上带有两个倒圆端部构造或椭圆地构造。

在本发明的扩展方案，内层的总面积延伸范围大于外层的总面积延伸范围。因为已经发现：由制造技术引起地可以是，在组装废气传感器时接触元件可靠地位于接触面的减小的外层上，所以不产生功能上的缺点。

在此，一层的总面积延伸范围尤其理解为被该层覆盖或包围的总面积，即在矩形层的情况下：长度乘以宽度，而不取决于该层是以整个面构造，还是例如具有一个网格，参见下文。

根据一个扩展方案，外层可以是网格化的，例如作为由材料上形成层(例如印刷和烧结)的区域和材料上不形成层(例如在印刷时留空)的区域构成的图案，例如呈蜂窝图案、点状、格状、相交的细长区域或类似区域。已经发现：在这种网格中，在组装废气传感器时以及在将接触元件移动到接触面上时，外层的延展性材料也被涂抹到原来未设有第二层材料的区域中，使得接触元件随后以相对较大面积和因此可靠接触的方式位于外层上或部分地位于外层中。

为了进一步节省材料，接触面，即尤其接触面的内层已经相对较小地构造，例如在传感器元件的纵向方向上长度不超过3mm，和/或垂直于纵向方向的宽度不超过2mm。

可以有利地设置，不但接触面构造有所阐述的层，而且导体轨的邻接于接触面的区域也相应地构造，即具有一个内层和一个布置在该内层上的外层，其中，导体轨的区域的内层的特性与接触面的内层的特性相一致，并且其中，导体轨的区域的外层的特性与接触面的外层的特性相一致。

导体轨的该区域可以是导体轨的细长区域，其在废气侧邻接于接触面，并且可选地，附加地是导体轨的环形区域，其在废气侧邻接于细长区域。在环形区域处在另一侧上可以衔接有贯穿接触部，该贯穿接触部从外表面通向传感器元件的内部中。

在导体轨的区域中设置外层，该外层的特性与接触面的外层相一致，有利地引起导体轨的电阻降低。在与接触面连接的功能元件是电阻加热器的情况下，传感器元件的效率和运行安全性得到改善。在与接触面连接的功能元件是传感元件的电极的情况下，传感元件的测量精度得到改善。

附图说明

图1至6示出一个本身已知的传感器元件；

图7a-7h和8a至8l示出根据本发明的实施方式的接触面的外层的构型。

具体实施方式

图1示出作为本发明的一个实施例的传感器元件20的总视图，该传感器元件可以布置在气体测量触头(未示出)的壳体中，该气体测量触头用于确定内燃机废气中的氧气浓度(未示出)。设有相应的功能元件，本发明当然也适用于其它传感器的传感器元件，例如用于颗粒测量的传感器。

在图1中，传感器元件沿纵向方向从左前方向右后方延伸，其中，传感器元件20的第一端部区域201在右侧示出，而传感器元件20的第二端部区域202在左侧示出。在按照规定的安装和运行中，传感器元件20的第一端部区域201面向废气，而传感器元件20的第二端部区域202远离废气。

此外，在图1中，传感器元件20沿横向方向从右前方向左后方延伸并且沿高度方向从下向上延伸。

传感器元件20由印刷的陶瓷膜构造，在该示例中，这些陶瓷膜构造为第一、第二和第三固体电解质膜21、22、23并且包含钇稳定的氧化锆(YSZ)。在该示例中，固体电解质膜21、22、23在烧结过程之前具有72mm的长度、5mm的宽度、540μm的高度。烧结的传感器元件20的膜具有减小20％的边缘长度。

第一固体电解质膜21在其从传感器元件20看向外指向的大表面上，在图1中下方，在传感器元件20的第二端部区域202中设有、在这里印刷一个接触面43和另一接触面44，也参见图3。

第一固体电解质膜21在其从传感器元件20看向内指向的大表面上，在图1中上方，在传感器元件20的第一端部区域201中设有一个回曲形的加热装置311作为功能元件31，其用于加热传感器元件20的第一端部区域201。在回曲形的加热装置311的延续部中，在其端部上分别衔接有一个导体轨321、322，其中，从加热装置311到导体轨321、322过渡的特点在于结构宽度和/或高度增加或每单位长度的电阻减小。

导体轨321、322在废气侧具有称为输送管路323、325的区段，该区段当前具有恒定的宽度。导体轨321、322还具有背离废气的称为环圈324、326的区段，该区段当前环形地构造，也参见图4。

第一固体电解质膜21在其从传感器元件20看向内指向的大表面上，在图1中上方，还设有、在这里印刷绝缘层330和密封框架331以及膜粘结层333。

第一固体电解质膜21在第二端部区域202中具有两个贯通引导部501、502，它们沿垂直方向穿过第一固体电解质膜21延伸并且将接触面43、44分别与导体轨321、322的环圈324、326导电地连接，参见图6。

第二固体电解质膜22在两侧分别设有膜粘结层333，第二固体电解质膜22还设有参考气体通道35，该参考气体通道从背离废气布置的参考气体开口351纵向延伸到传感器元件20的第一端部区域201中并且在此在横向方向上居中地延伸。参考气体通道35例如多孔地填充或未填充地构造。

第三固体电解质膜23在其从传感器元件20看向内指向的大面积上，在图1中下方，与参考气体通道35相对地设有作为功能元件31的金属陶瓷电极，用于测量氧气浓度。在金属陶瓷电极312的延续部中在其端部上衔接有导体轨328，其中，从金属陶瓷电极到导体轨328过渡的特点在于结构宽度减小。

导体轨328在废气侧具有称为输送管路327的区段，该区段当前具有恒定的宽度。此外，导体轨328背离废气地具有称为环圈329的区段，该区段当前环形地构造，也参见图6。在第三固体电解质层23的该侧上，至少在其它未印刷的部位，设置一个膜粘结层333。

第三固体电解质膜23在其从传感器元件20看向外指向的大表面上，在图1中上方，在传感器元件20的第二端部区域202中设有、在这里印刷一个接触面45和另一接触面46，也参见图2。

在另一接触面46上衔接有例如具有恒定宽度的导体轨320，该导体轨延伸至布置在传感器元件20的第一端部区域201的金属陶瓷电极313。导体轨320被例如紧密的覆盖层361覆盖，另外的金属陶瓷电极313设有多孔层362，使得保证外部空间和另外的金属陶瓷电极313之间的连通。

第三固体电解质膜23在第二端部区域中具有一个贯通引导部503，该贯通引导部在垂直方向上穿过第三固体电解质膜23延伸并且将接触面45与环圈329导电地连接，参见图6。

在图2中，传感器元件20的远离废气的第二端部区域202以朝第三固体电解质膜23看的视图示出。在此，朝传感器元件20的背离废气的第一端部区域201看，接触面45布置在左侧。

接触面45在传感器元件的外表面上与导体轨连接，具体而言通过一个具有环形区域452的细长区域453。在该示例中，接触面45具有一个细长的基本形状，其由一个等长和等宽的矩形通过角部的最大倒圆产生，即通过具有相应于接触面45一半宽度的曲率半径R的倒圆产生。

相对于未烧结的传感器元件20(烧结：-20％)，在该示例中，接触面45的长度为3mm或更少，接触面的宽度为2mm或更少。

导体轨的环形区域与穿过第三固体电解质层23的贯通引导部503导电地相互作用。

此外，在图2中，朝传感器元件20的面向废气的第一端部区域201看，另一接触面46在右侧布置在接触面45旁。另一接触面46的布置方式和尺寸在该意义上，即在左右互换的情况下，如下程度地相应于接触面45：在该示例中，相对于未烧结的传感器元件20(烧结：-20％)，在接触面45和另一接触面46之间存在至少0.6mm的间距，。

另一接触面46与导体轨328接触，该导体轨通向另一金属陶瓷电极313。在此，相对于未烧结的传感器元件20(烧结：-20％)，导体轨328沿纵向方向的中心轴线关于另一接触面46沿纵向方向的中心轴线横向向内移动了0.1mm至0.4mm，在该示例中是0.2mm，。

在图3中，在图1中向下指向的第一固体电解质膜21的俯视图中示出传感器元件20的远离废气的第二端部区域202。在那里，朝传感器元件20的面向废气的第一端部区域201看，接触面43布置在左侧。

接触面43在传感器元件的外表面上与导体轨连接，具体而言通过一个具有环形区域432的细长区域433。

接触面43具有一个细长的基本形状，其由一个等长和等宽的矩形通过角部的最大倒圆产生，即通过具有相应于接触面43一半宽度的曲率半径R的倒圆产生。以这种方式，因此在接触面43的远离废气的一侧上形成接触面43的半圆形端部区域。

相对于未烧结的传感器元件20(烧结：-20％)，在该示例中，接触面的长度为3mm或更少，接触面的宽度为2mm或更少。

环形区域432布置在接触面43的面向废气的一侧上。相对于未烧结的传感器元件20(烧结：-20％)，环形区域432具有例如为0.5mm或更小的内径和1mm或更大的外径。

导体轨的环形区域432与穿过第一固体电解质层21的贯穿引导部501导电地相互作用。

此外，在图3中，朝传感器元件20的面向废气的第一端部区域201看，另一接触面44在右侧布置在接触面43旁。另一接触面44的布置方式和尺寸在该意义上，即在左右互换和正旋转方向与负旋转方向互换的情况下以如下程度相应于接触面43的布置方式和尺寸，即相对于未烧结的传感器元件20(烧结：-20％)，在接触面43和另一接触面44之间存在至少0.6mm的间距。

在图4中，传感器元件20的远离废气的第二端部区域202以在图1中从上方朝第一固体电解质箔21看的视图示出。在那里，朝传感器元件20的面向废气的第一端部区域201看，导体轨322布置在右侧。导体轨322由两个部分区域组成，即输送管路325和环圈326。

输送管路325构成导体轨322的废气侧部分，并且从废气侧的加热装置311延伸至布置在输送管路325的远离废气的环圈326。相对于未烧结的传感器元件20(烧结：-20％)，当前，输送管路325具有1.2mm的宽度B并且在废气侧以在横向方向上与传感器元件20的中心纵轴线间隔开0.25mm地延伸。在远离废气的端部区域中，输送管路325向右倾斜，即向外以18°的角度弯折。

环圈326环形地构造并且当前绘制出一个180°的圆弧，其外径与输送管路325的宽度B相同，并且其内径为0.4mm。因此，相对于未烧结的传感器元件20(烧结：-20％)，环圈的宽度为0.3mm。环圈宽度b与输送管路宽度B的宽度比为0.33。

根据本发明设置，接触面43、44、45、46分别具有一个内层43'、44'、45'、46'和一个布置在其上的外层43"、44"、45"、46"，其中，外层43"、44"、45"、46"仅部分地覆盖内层43'、44'、45'、46'。这些层43'、44'、45'、46'；43"、44"、45"、46'例如可以是能通过丝网印刷和随后的烧结制造的层。

图7a至7h和图8a至8l示出各种构型，其中，接触面43、44、45、46的内层43'、44'、45'、46'分别在接触面43、44、45、46的整个面上延伸，而接触面43、44、45、46的外层43"、44"、45"、46"仅部分地覆盖接触面43、44、45、46的内层43'、44'、45'、46'。

在图7a至7h中，为了清楚起见，接触面仅设有附图标记43。就此而言，附图标记43代表附图标记43、44、45、46。同样情况根据意义也适用于内层43'、44'、45'、46'和外层43"、44"、45"、46"，所述内层在这些图中仅标记有附图标记43'；所述外层在这些图中仅标记有附图标记43"；依此类推。

在图7a至7h中，内层43'、44'、45'、46'的总面积延伸范围大于外层43"、44"、45"、46"的总面积延伸范围。

在此，根据图7a的外层43"、44"、45"、46"仅以条带60的形式在接触面43、44、45、46矩形的连接侧的端部区域中布置在内层43'、44'、45'、46上。根据在图7c和7d中所示的实施方式，外层43"、44"、45"、46"仅在接触面43、44、45、46的马蹄形的连接侧的端部区域中布置在内层43'、44'、45'、46上。根据图7b的实施方式，外层43"、44"、45"、46"以多个条带60的形式设置，这些条带在纵向方向上等间距地布置在内层43'、44'、45'、46'上。

根据另外的实施方式，外层43"、44"、45"、46"仅在接触面43、44、45、46的沿纵向方向的中心区域中布置在内层43'、44'、45'、46'上，具体而言根据图7e在接触面43、44、45、46的整个宽度上，而根据图7f仅在接触面43、44、45、46的部分宽度上，并且在图7f中右侧。

根据图7g和7h的实施方式设置连接侧的倒圆的接触面43、44、45。外层43"、44"、45"的第一部分区域T1在接触面43、44、45的沿纵向方向的中心区域中布置在内层43'、44'、45'上，外层43"、44"、45"的第二部分区域T2在废气侧邻接于外层43"、44"、45"的第一部分区域T1，并且在接触面43、44、45的沿横向方向的中心区域中布置在内层43'、44'、45'上。

在根据图7g和7h的实施方式中，接触面43、44、45的内层43'、44'、45'连续地并且以相同的特性(材料、厚度等)延续至导体轨的相邻区域的内层，即导体轨的细长区域433、443、453，其在废气侧邻接于接触面43、44、45，以及附加地导体轨的环形区域432、442、452，其在废气侧邻接于导体轨的细长区域433、443、453。

在根据图7g和7h的实施方式中，接触面43、44、45的外层43"、44"、45"连续地并且以相同的特性(材料、厚度等)延续至导体轨的相邻区域的外层，即导体轨433、443、453的细长区域，其在废气侧邻接于接触面43、44、45，以及附加地导体轨432、442、452的环形区域，其在废气侧邻接于导体轨433、443、453的细长区域。

在图7a至7h中所示的外层43"、44"、45"例如可以构造为连续的层(整个面)或设有网格，例如设有在图8a至8l中所示的网格。

另一方面，也可以设置外层43"、44"、45"、46"，其总延伸范围完全覆盖内层43'、44'、45'、46'，其中，该外层43"、44"、45"、46"具有网格，例如在图8a至8l中所示的网格之一，并且就此而言仅部分地覆盖内层。

在图8a至8l中所示的外层43"、44"、45"、46"是网格化的，即具有交替的设有材料，例如印刷的区域(在图8a至8l中深色地示出)和未设有材料，例如未印刷的区域，(在图8a至8l中浅色地示出)。

作为网格例如可以是蜂窝图案(图8a和图8b)、点状图案(图8c、图8d、图8g、图8k)、条带图案(图8e，也参见图7b)和其它规则的图案(图8g-8k)。原则上，也可以是不规则或不相同的网格，例如在图8l中。

在所有这些示例中，内层43'、44'、45'、46'由具有铂含量为83％至87％(重量百分比)以及ZrO