专利名称：气体传感器的传感器元件及其制造方法
技术领域：
发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的，用于确定测量气体的一种物理性 能的，尤其是测量气体中气体成分的浓度的气体传感器的传感器元件。
背景技术：
一种已知的用于确定内燃发动机的废气中氧浓度的气体传感器的传感器元件 (DE19941051A1)具有一个由多个氧离子传导的固体电解质层组成的平面陶瓷体，其中固体 电解质层是由钇稳定的锆氧化物组成的陶瓷薄膜，其被印上了功能层并接着被层压。层压 的结构然后进行烧结。功能层包括有多个电化学测量单元以及一个电阻加热器，后者嵌入在两个电绝缘 层之间。所述一个电化学测量单元，一个所谓泵单元，具有一个外泵电极和一个内泵电极， 它们布置在一个外固体电解质层的相互背离的大面上。外泵电极受废气的作用，而内泵电 极则布置在一个气体腔室里，该腔室通过一个扩散阻挡层与废气相连。第二电化学测量单 元，一种所谓能斯脱单元，具有一个布置在气体腔室里的能斯脱电极和一个布置在一个参 照气体腔室里的参照电极。作为参照气体优选使用环境空气。所有的电极通过印制导线与 布置在陶瓷体表面上的连接触点连接。所有印制导线通过印刷的例如由铝氧化物组成的电 绝缘层相对于固体电解质层绝缘，以避免泄漏电流经过固体电解质层。
发明内容
具有权利要求1的特征的按照本发明的传感器元件有如下优点通过所述将至少 一个电化学测量单元的固体电解质材料绝缘地嵌入在陶瓷载体薄膜里可以使多个电化学 测量单元相互很靠近地布置在传感器元件的陶瓷体里，而在测量单元之间没有泄漏电流。 因此可以使传感器元件大大地微型化。固体电解质材料的绝缘的嵌入在此可以按不同的方式达到。在本发明的一种优选实施形式中，载体薄膜本身由电绝缘的基质组成，优先由铝 氧化物组成，而固体电解质材料作为至少一个窗口插入载体薄膜里。由电绝缘的基质组成 的载体薄膜除了有高的机械强度之外，还具有差不多完全的电绝缘性，因此可靠地既避免 了泄漏电流的问题，又避免了一种在一定条件下存在于传感器元件里的电阻加热器耦合入 测量单元里。也可以用于延伸在载体薄膜上的印制导线至电极不设置电绝缘层。在本发明的一种同样也是有利的实施形式中，载体薄膜如通常那样由固体电解质 材料，优选由稳定的锆氧化物组成，而且固体电解质材料作为至少一个设有一个由电绝缘 的基质组成的窗口边框的窗口插入载体薄膜里。通过由电绝缘的基质组成的窗口边框同样 也消除了泄漏电流的问题。这种传感器元件还有附加的优点在陶瓷体烧结时(这陶瓷体 通过载体薄膜与其它陶瓷薄膜层压在一起而生成，烧结收缩良好地适应于由固体电解质材 料和固体电解质窗口组成的载体薄膜。通过在其它权利要求3至5和7和8中所述的措施可以实现对权利要求1中所述
3的传感器元件的有利的扩展设计和改进。由权利要求9和10可以得到制造传感器元件的有利方法，这传感器元件具有一个 由电绝缘基质组成的载体薄膜和一个由固体电解质材料组成的载体薄膜。用这种方法可以 使固体电解质材料成本低廉地集成在载体薄膜里，并使许多电化学测量单元以微型结构形 式组合成一种测量单元阵列。所述的方法适合于大批量生产，并且提供电化学的测量单元 用来使用在任意的气体传感器中，例如氮氧化物传感器，氧传感器或者、探测器，温度探 头，测定氢或者含氢化合物，如氨或者碳氢化合物的浓度的传感器等等。这方法也可以有利 地使用在燃料电池技术中。
按照附图所示的实施例，在以下的说明中对发明作了详细叙述。所示为图1 一个用于气体传感器的传感器元件的按图2中的I-I线的纵向剖视图；图2沿着图1中II-II线的剖视图；图3沿着图1中III-III线的剖视图；图4A-4C按照第一方法制造按图1至3所示在传感器元件里的载体薄膜的单个方 法步骤的简示；图4A-4F按照第二方法制造按图1至3所示在传感器元件里的修改的载体薄膜的 单个方法步骤的简要说明；图5具有用于图1至3所述的传感器元件的电化学测量单元的修改的载体薄膜的 纵向剖视图；图6在去除测量单元的外电极时，图5所示载体薄膜的俯视图；图7按照另一个实施例的载体薄膜的分解图，载体薄膜具有一个布置在其中的电 化学测量单元。
具体实施例方式图1至3表示了一种电化学气体传感器的平面传感器元件的结构实例，这气体传 感器例如作为氮氧化物传感器而运行，用于确定在内燃发动机废气中的氮氧化物浓度。传 感器元件具有一个层状的陶瓷体10，该陶瓷体由4个设有功能层的陶瓷薄膜11，12，13，14 层压在一起并接着烧结。最上的陶瓷薄膜11，以下称为载体薄膜11，装有3个电化学测量 单元15，16，17，它们分别具有一个外电极20，一个内电极18和位于这些电极20，18之间的 氧离子传导的固体电解质材料，例如钇稳定的锆氧化物位于陶瓷体10外侧上的外电 极20直接地，在一定条件下通过一种多孔保护层，受到测量气体，例如内燃发动机废气的 作用，而内电极18分别布置在一个测量气体腔室21，22，23里。测量气体腔室21至23设 计在第二薄膜12里并且在上侧由载体薄膜11限定而在下侧由第三陶瓷薄膜13限定。如 图2所示，装有第一测量单元14的内电极18的测量气体腔室21通过第一多孔的扩散阻挡 层24与包围传感器元件的测量气体分开。两个测量气体腔室22，23并排地布置在第一测 量气体腔室21后面。装有第二测量单元15的内电极18的第二测量气体腔室22通过第二 多孔扩散阻挡层25与第一测量气体腔室21分开，而装有第三测量单元16的内电极18的 第三测量气体腔室23通过第三多孔扩散阻挡层26与第一测量气体腔室21分开。在第三
4陶瓷薄膜13和最下面的陶瓷薄膜14之间电绝缘地嵌入了一个电阻加热器27。在图1至3 的实施例中，所有薄膜11至14由电绝缘的基质，例如铝氧化物A1203构成，因此通过两个薄 膜13和14保证了电阻加热器27的绝缘。如图1和3所示，三个测量单元15，16，17的固体电解质材料19电绝缘地装在陶 瓷载体薄膜11里，其中电绝缘通过载体薄膜11本身的电绝缘基质来保证。固体电解质材 料分别作为窗口插入载体薄膜11里，而且窗口在外和内窗口面上覆盖有外电极20或内电 极18。窗口面的覆盖优选通过印刷一种由电极材料，例如钼组成的膏糊来进行。在一种优 选的实施例中，载体薄膜11的层厚尺寸范围在10011111至50011111，并且电极20，18的面积大 小在15mm2和500mm2之间.在图4A至4C中以单个方法步骤简要说明了载体薄膜11的制造，这载体薄膜由电 绝缘的具有在其中插入的由固体电解质材料19组成的窗口的基质组成。由一种未烧结的， 在所谓生坯状态下的由固体电解质材料构成的薄膜30中切出成型物体31，这些物体具有 由测量单元15，16，17所规定的净横断面(图4A)。优选采用冲模进行切出，冲模的冲头33 见图4所示。为了简单起见在图4A中，与图1至3不同，冲出的成型物体31表示成相同的 大小。事实上它们必须匹配于图1至3中测量单元15，16，17的不同的横断面。在另一个方 法步骤中，由一种未烧结的，由电绝缘基质组成的薄膜32切割出通孔34，通孔的净横断面 由成型物体31的横断面来规定，这基质构成了传感器元件的以后的载体薄膜11。通孔34 的产生又借助于一种冲模，其冲头33具有如同用于冲出成型物体31的冲头33那样相同的 冲压面积。由薄膜32冲出的冲压件被除去，其中在图4B中用虚线表示了一个冲压件。在 薄膜32的通孔34里形状配合连接地插入以前所得的成型物体31，例如通过压入(图4C)。 这样加工的薄膜32被切割成所需的载体薄膜11的形状或者已经切割成这种形状。将这薄 膜32加热和/或挤压或者辊压，并接着干燥。然后用由电极材料组成的膏糊对包含在薄 膜32里的，由固体电解质材料组成的成型物体31的端面进行印刷。也可以备选地在对薄 膜32进行加热和/或挤压或者辊压，并接着干燥之前进行印刷。这样生产的具有测量单元 15，16，17的载体薄膜11与薄膜12，13和14和上面印刷有印制的扩散阻挡层24，25，26的 电阻加热器27层压在一起并烧结。在以前所述的传感器元件中至少是陶瓷的载体薄膜11可以备选地由一种固体电 解质材料，优选由钇稳定的锆氧化物组成。测量单元15，16，17的固体电解质材料这里也是 又电绝缘地容纳于载体薄膜11'里。为此固体电解质材料19作为一个设有由电绝缘基质， 例如A1203组成的窗框28的窗口插入在载体薄膜11'里，如同这在图5以剖视图，和在图6 中，在去除外电极20时载体薄膜11'以俯视图可见的那样。在图4中，用单个方法步骤简略地说明了在图5和6中所示的，具有插入的测量单 元15，16，17的，由固体电解质材料组成的载体薄膜11的制造过程。首先用以前已述的并 且在图4A，B和C中所示的方法步骤，在一个由电绝缘材料，优选为铝氧化物，组成的未烧结 薄膜32里，通过按照图4B冲出通孔34，并将由固体电解质材料的一种未烧结薄膜30得到 的成型物体31 (图4A)插入在通孔34里，制成一种薄膜32，这薄膜由电绝缘基质组成，它具 有插入的由固体电解质材料组成的成型物体31，如其在图4C中所示那样。从这薄膜32里 切出与插入的成型物体31同轴的成型物体35，它具有比第一成型物体31更大的横断面，这 又通过用一个冲模的冲压来进行，冲模的冲头36简略表示于图4D中。这些成型物体35，如同在图5和6中的测量单元15，16，17那样，具有一个由固体电解质材料19组成的芯，芯被 一个由电绝缘基质组成的框28包围。在固体电解质材料组成的第二种未烧结薄膜37中切 出通孔38，其横断面相应于第二成型物体35的横断面，薄膜37构成了由固体电解质材料组 成的以后的载体薄膜11。又是通过在冲模里的冲压来切出，在图4D中简略表示了冲模的冲 头36。将所产生的冲压件除去，其中一个在图4E中用虚线表示。在通孔38里插入第二成 型物体35。这样获得的由固体电解质材料组成的薄膜37有插入的第二成型物体35，将这 薄膜加热和/或挤压或者辊压，并接着干燥。通过用一个外电极20和一个内电极18覆盖 第二成型物体35的端面，这优选通过用一种由电极材料组成的膏糊印刷端面来进行，获得 具有插入的测量单元15，16，17的，由固体电解质材料组成的，在图5和6中所示的载体薄 膜11。这里也可以在对薄膜37进行加热和/或挤压或者辊压，并接着干燥之前用电极18， 20覆盖第二成型物体35的端面。 在图7中用局部分解图表示了传感器元件的载体薄膜11的另一种可能的修改方 案。载体薄膜11又是由电绝缘基质，优选是铝氧化物组成，而测量单元15的固体电解质材 料19通过许多由固体电解质材料组成的微型化窗口来实现，这些窗口成矩阵状布置在一 个薄膜区里。微型窗口又通过如下来实现在载体薄膜11里设有许多孔，而这些孔装有由 固体电解质材料组成的微型物体。如图7所示，整个设有许多微型窗口的区域部位，在载体 薄膜11的上侧和下侧覆盖有外电极11或内电极18。
权利要求
用于确定测量气体的至少一种物理性能，尤其是确定气体中气体成分浓度的气体传感器的传感器元件，它具有至少一个电化学测量单元(15，16，17)，所述测量单元具有两个电极(18，20)和位于它们之间的固体电解质材料，其特征在于，固体电解质材料(19)电绝缘地容纳在陶瓷的载体薄膜(11，11′)里。
2.按权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，载体薄膜(11)由电绝缘的基质组成， 优先由铝氧化物组成，而固体电解质材料(19)作为至少一个窗口插入载体薄膜(11)里。
3.按权利要求2所述的传感器元件，其特征在于，所述至少一个窗口由从固体电解质 材料的薄膜里分出来的成型物体(31)构成，该成型物体在载体薄膜(11)的生坯状态时形 状配合连接地插入在载体薄膜(11)里产生的通孔里。
4.按权利要求2或者3所述的传感器元件，其特征在于，所述至少一个窗口分别用电极 (18,20)遮盖在两个窗口面上。
5.按权利要求2或者3所述的传感器元件，其特征在于，许多窗口布置在载体薄膜 (11)的薄膜区里，优选成矩阵状，而且薄膜区在两侧各用电极(18，20)覆盖。
6.按权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，载体薄膜(ir)由固体电解质材 料，优选由稳定的锆氧化物组成，而且固体电解质材料(19)作为至少一个设有由电绝缘的 基质，优选是铝氧化物组成的窗口边框(28)的窗口插入载体薄膜(11')里。
7.按权利要求6所述的传感器元件，其特征在于，所述至少一个窗口的相互背离的窗 口面各用电极(18，20)遮盖住。
8.按权利要求4至7中之一所述的传感器元件，其特征在于，载体薄膜(11)的层厚为 100 ii m-500 ii m，电极(18，20)的面积为 15mm2-500mm2
9.制造传感器元件的方法，所述传感器元件用于一种用来确定测量气体的至少一种物 理性能，尤其是测量气体中气体成分的浓度的气体传感器，它具有至少一个电化学测量单 元(15，16，17)，所述测量单元具有两个通过固体电解质材料(19)分开的电极(18，20)，其特征 在于，由未烧结的，由固体电解质材料构成薄膜(30)切出至少一个成型物体(31)，成形物体具 有由所述至少一个测量单元(15，16，17)所规定的净横断面；未烧结的，由电绝缘基质组成的陶 瓷薄膜(32)设有至少一个通孔(34)，通孔的净横断面相应于成型物体(31)；而且将成型物体 (31)形状配合连接地插入由电绝缘基质组成的薄膜(32)的所述至少一个通孔(34)里。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，从由电绝缘基质组成的，具有所述至少一 个插入的由固体电解质材料组成的成型物体(31)的薄膜(32)里切出至少一个与成型物体 (31)同轴的第二成型物体(35)，它具有更大的横断面；在固体电解质材料组成的第二未烧 结的薄膜(37)里产生至少一个第二通孔(38)，它具有相应于第二成型物体(35)的净横断 面；而且第二成型物体(35)形状配合连接地被插入由固体电解质材料组成的薄膜(37)中 的所述至少一个第二通孔(38)里。
11.按权利要求9或者10所述的方法，其特征在于，具有插入在其中的至少一个由固体 电解质材料组成的所述成型物体(31)里的由电绝缘基质组成的薄膜(32)，或者说具有插 入在其中的所述至少一个第二成型物体(35)的由固体电解质材料组成的薄膜(37)被加热 和/或挤压或者辊压，并接着干燥。
12.按权利要求9至11中之一所述的方法，其特征在于，在薄膜(32，37)里产生通孔 (34,38)和将成型物体(31，35)从薄膜(30和32)里分出来都借助于冲压来进行。
全文摘要
本发明涉及气体传感器的传感器元件及其制造方法。说明了用于测定测量气体的至少一种物理性能的，尤其是测量气体中气体成分浓度的气体传感器的传感器元件，它具有至少一个带有两个电极(18，20)的电化学测量单元(15，16，17)和位于它们之间的固体电解质材料。为了避免在传感器元件结构较小时流出或流向至少一个测量单元(15.16)的泄漏电流，固体电解质材料(19)电绝缘地设置在陶瓷的载体薄膜(11)里，其中载体薄膜(11)本身由电绝缘材料，如铝氧化物组成。
文档编号G01N27/417GK101858884SQ20101015742
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月1日 优先权日2009年4月2日
发明者H·-J·伦茨, J·施奈德 申请人:罗伯特.博世有限公司
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