用于感測測量氣體空間內的測量氣體的至少一個特性的傳感器及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于感測測量氣體空間內的測量氣體的至少一個特性的傳感器以及其制造方法。
現有技術
[0002]由現有技術已知多種傳感器和用于感測測量氣體空間內的測量氣體的至少一個特性的方法。這里基本涉及測量氣體的任意物理和/或化學特性，可以感測一個或多個特性。下面尤其關于測量氣體的氣體成分含量的定性和/或定量感測來說明本發明，尤其關于測量氣體中的氧含量的感測。氧含量可以例如以分壓力形式和/或以百分比形式來感測。附加地或替換地，也可以感測測量氣體的其它特性，例如溫度。
[0003]此類傳感器例如可以構造為所謂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確定廢氣中的氧濃度并從而推斷出空燃比。空氣系數λ來描述空燃比。
[0004]由現有技術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特性。這種固體尤其是陶瓷固體電解質，例如二氧化鋯(Zr02)，尤其是加入釔穩定劑的氧化鋯(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傳感器在發動機起動后快速達到運行準備狀態。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的運行溫度，這通過相應設計加熱元件或者縮小要加熱的范圍來實現。另一方面涉及到在運行期間抵抗由于水沖擊而產生的熱沖擊的魯棒性。所謂熱沖擊是基于:在發動機起動后一定時間段內廢氣管中的溫度低于水的露點，因而在燃料燃燒時產生的水蒸汽會在廢氣管中凝結。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由于碰到水滴并且因傳感陶瓷冷卻導致產生熱應力而被損壞甚至破裂。
[0006]因此，開發了在表面上具有多孔陶瓷保護層的λ傳感器，該保護層也被稱為熱沖擊保護層或熱沖擊防護層。該保護層用于將出現在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或者說傳感陶瓷上出現的局部溫度梯度。因而，λ傳感器在已加熱的狀態下承受一定的冷凝水滴量，而不產生損壞。該保護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成的均勻厚度的熱沖擊保護層。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的溫度時限制由于熱傳導而導致冷卻。
[0007]盡管由現有技術已知的傳感器和用于λ傳感器的傳感元件具有很多優點，但仍有改進潛力。該傳感元件通常不是全部被溫度沖擊防護層覆蓋，而是僅在測量氣體空間側的區段上被覆蓋。傳感元件的其余部分被傳感元件保持架保持住。熱沖擊防護層的收尾部、即熱沖擊防護層的面對傳感元件保持架的區段在λ傳感器運行時被加電流。尤其是跳躍式傳感器需要對外電極大面積上加電流。但在熱沖擊防護層的收尾部區域內傳感器抵抗水沖擊的魯棒性較低，因為由于制造技術方面原因熱沖擊防護層不是與傳感元件保持架完全齊平地終止，而是在這兩個構件之間存在沒有熱沖擊防護層的區域。由于制造技術方面原因熱沖擊防護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熱沖擊防護層的收尾部加電流，則會導致很差的傳感器動態性能，使得傳感器不能可靠地用于多種診斷。
【發明內容】
[0008]提出一種用于感測測量氣體空間內的測量氣體的至少一個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并且尤其能夠在傳感器的動態性能和測量精度保持不變的情況下改善抵抗熱沖擊的魯棒性。
[0009]本發明傳感器包括一個傳感元件和一個傳感器殼體，該傳感元件具有至少一個固體電解質和至少一個功能元件，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，使得傳感元件的測量氣體空間側區段自傳感元件保持架突出。測量氣體空間側區段至少部分地由熱沖擊防護層覆蓋。在熱沖擊防護層、尤其熱沖擊防護層的收尾部與傳感元件保持架之間，布置有密封裝置。這樣，不會再有水滴到達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，使得傳感元件的測量氣體空間側區段從傳感元件保持架伸出，尤其朝測量氣體空間的方向。
[0011]密封裝置可以是液密的密封裝置。密封裝置例如是粘結劑，尤其是至少一種陶瓷粘結劑。陶瓷粘結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(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，分別帶有有機的或無機的結合劑。
[0012]密封裝置可以至少與熱沖擊防護層和傳感元件保持架連接。例如密封裝置與熱沖擊防護層、傳感元件保持架和傳感元件連接。優選的是，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區段，其中，密封裝置與熱沖擊防護層、傳感元件保持架、測量氣體空間側區段和傳感器殼體側區段連接。當然，通過密封裝置與測量氣體空間側區段和傳感器殼體側區段的連接可以僅在局部進行。傳感器還可以具有至少一個保護管，該保護管至少圍繞傳感元件的測量氣體空間側區段。
[0013]制造用于感測測量氣體空間內的測量氣體的至少一個特性、至少用于證明測量氣體內的氣體成分含量或測量氣體的溫度的傳感器的本發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固體電解質和至少一個功能元件，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，以致傳感元件的測量氣體空間側區段自傳感元件保持架突出，
[0016]將熱沖擊防護層施加到傳感元件上，使得測量氣體空間側區段至少部分地被熱沖擊防護層覆蓋，并且
[0017]將密封裝置布置在熱沖擊防護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，使得傳感元件的測量氣體空間側區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劑。密封裝置例如是至少一種陶瓷粘結劑。陶瓷粘結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-娃酸鹽，娃酸鹽接合劑，二硼化鈦，二氧化鈦，分別帶有有機的或無機的結合劑。
[0019]密封裝置可以至少與熱沖擊防護層和傳感元件保持架連接。密封裝置可以與熱沖擊防護層、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區段，其中，密封裝置與熱沖擊防護層、傳感元件保持架、測量氣體空間側區段和傳感器殼體側區段連接。可以設置至少一個保護管，該保護管至少圍繞