专利名称：进气得到改进的传感器元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及进气得到改进的传感器元件。
背景技术：
从现有技术中已经知道用于对测量气体室中的气体的特性进行检测的传感器元件，所述传感器元件建立在一个或者多个固体电解质的使用的基础上。固体电解质是固体尤其是陶瓷的固体，所述固体能够传导特定的离子种类比如氧离子。这种特性通常在极限温度或者极限温度范围之上出现。典型的固体电解质比如是钇稳定的氧化锆或者其它种类的金属氧化物，在典型的情况下是掺杂的金属氧化物。这样的传感器元件比如用于对测量气体室中的气体的物理的和/或化学的特性进行检测。典型的实例是测量气体室的气体中的至少一种气体成分的定性的和/或定量的证明。尤其这种气体成分可以是氧气。但是原则上也能够证明其它的气体成分。气体成分的份额比如可以作为测量气体室中的气体的百分比份额或者也作为气体的分压力来检测。这样的传感器元件的实例是比如在Robert Bosch有限公司的于2007年出版的《汽车中的传感器(Sensoren im Kraftfahrzeug)》的第IM到159页中所说明的所谓的氧传感器。这样的氧传感器用于证明氧气并且比如用在内燃机的排气管路中或者用在燃烧设备中。氧传感器比如作为所谓的跃变传感器或者也作为所谓的宽带传感器为人所知。比如可以从能斯特电压中直接或者间接地推断出空气系数 λ。作为替代方案或者补充方案，比如可以从流过固体电解质的泵电流中推断出氧气份额。对于许多按现有技术的传感器元件来说，在比如可以设置两个或者也可以设置更多个电极的情况下，所述电极中的至少一个电极布置在陶瓷的层结构的内部，也就是说被所述层结构的至少一个层所覆盖。在许多情况下，这个内部的电极通过至少部分地穿过所述层结构的所谓的进气孔(GZL)与测量气体室处于连接之中。所述连接典型地包含扩散阻挡层，所述扩散阻挡层布置在所述进气孔的外部并且限制氧气伴随流动到所述内部的电极处。所述进气孔典型地具有柱形的形状，该柱形的形状具有统一的直径。尽管这典型地是比较简单的结构和设计方案，但是进气孔必须满足大量的在其特性方面以及在其可制造性方面的要求。因此在许多情况下需要进气孔的很高的直径，用于调节敞开的进气，因而进气孔本身不作为阻碍扩散的元件起作用。比如对于更加现代的具有温度突变保护层(TSP)的宽带传感器来说，具有大于0. 45毫米的直径的进气孔是必需的，用于使进气保持敞开。此外， 在制造进气孔时会出现传感器元件的损坏。因此对于常见的制造方法来说在层经构经受最终的烧结过程之前典型地在所述陶瓷的层结构中钻出进气孔。但是在这种钻孔方法中会出现机械损坏或者污染。因此，比如层结构的内部的扩散阻挡层会遭到损坏。所述TSP通常以后借助于大气的等离子喷射来施加。在典型情况下，这一点以相对于传感器表面60°的角度来进行，由此应该保证传感器端面的涂覆。由于喷射角，TSP可能会进入到进气孔中， 所述TSP会弄脏或者甚至堵塞扩散阻挡层并且由此可能明显提高扩散阻力
发明内容
因此，本发明的任务是，提出一种传感器元件以及一种用于制造传感器元件的方法，所述传感器元件和方法至少在很大程度上避免了已知的传感器元件和制造方法的缺点。所提出的传感器元件尤其可以根据一种按本发明的方法来制造，并且所提出的方法尤其可以用于制造按本发明的传感器元件。因此，原则上关于所述方法的可能的设计方案可以参照所述传感器元件的可能的设计方案的说明，反之亦然。但是原则上也可以使用其它的制造方法并且/或者制造其它种类的传感器元件。所提出的传感器元件用于检测测量气体室中的气体的至少一种特性。如上面所描述的一样，所述至少一种特性尤其可以是物理的和/或化学的特性，尤其气体中的气体成分的份额，比如氧气份额，这种份额可以以定性和/或定量的方式来求得并且比如可以以百分比或者作为分压力来求得。关于这些传感器元件的可能的设计方案，原则上可以参照现有技术的以上说明。原则上也可以考虑其它的设计方案。所述传感器元件尤其可以用在内燃机的排气管路中，比如用在汽车领域内的内燃机的排气管路中。也可以考虑其它的使用领域，比如用在燃烧设备中或者用在过程控制中。所提出的传感器元件包括至少一个层结构，该层结构则具有至少一个第一电极、 至少一个第二电极和至少一个将所述第一电极和第二电极连接起来的固体电解质。层结构在此通常是指一种元件，该元件具有至少两个上下叠置的层和/或层平面。所述层在此可以通过层结构的制造引起的能够区分的方式并且/或者由不同的材料和/或原材料来制造。尤其所述层结构可以完全或者部分构造为陶瓷的层结构。固体电解质在此如上面所描述的一样是指一种固体，该固体至少自预先给定的极限温度起对特定的离子比如氧离子来说具有传导离子的特性。尤其所述固体电解质可以包括金属氧化物尤其是掺杂的金属氧化物，比如钇稳定的氧化锆。也能够使用其它的固体电解质材料。电极通常是指一种元件，该元件能够如此接触固体电解质，从而通过所述固体电解质和所述电极可以维持电流。相应地，所述电极可以包括一种元件，在该元件上可以将离子装到固体电解质中并且/或者可以将离子从固体电解质中卸出。在典型情况下，所述电极包括贵金属电极，该贵金属电极比如可以作为金属-陶瓷-电极施加到固体电解质上或者可以以其它的方式与固体电解质处于连接之中。典型的电极材料是钼-金属陶瓷-电极。但是原则上也能够使用其它的贵金属比如金和/或钯并且其它的贵金属也从现有技术中为人所知。所述层结构比如可以如此构成，使得所述第一电极和所述第二电极布置在所述固体电解质的彼此对置的一侧，比如布置在固体电解质层比如固体电解质薄膜或者固体电解质膏的彼此对置的一侧。但是作为替代方案或者补充方案，所述至少两个电极也可以布置在固体电解质的相同的一侧。电极和固体电解质优选共同形成至少一个电池。所述传感器元件可以构造为单电池的传感器元件，具有仅仅一个单个的电池，该电池比如可以用作能斯特电池(Nernstzelle)或者也可以用作泵电池。但是，作为替代方案，所述传感器元件也可以构造为多电池的传感器元件，该传感器元件具有多个这样的电池，这些电池也能够实现不同的功能。比如可以设置至少一个泵电池并且如下面还要示范性地说明的一样可以额外地设置至少一个能斯特电池。所述至少两个电极中的至少一个电极，下面也称为第二电极(没有对这些电极进行加权或者排序)在此按本发明布置在所述层结构的内部。换句话说，所述第二电极通过所述层结构的至少一个层与测量气体室分开。尤其所述至少一个层可以是至少一个固体电解质层。所述至少一个第二电极如此布置在所述层结构的更深的层平面中，也就是远离所述固体电解质的朝向测量气体室的表面的层平面中。所述至少一个另外的电极，也就是根据这里所使用的术语所述至少一个第一电极同样可以布置在更深的层平面中，但是也可以布置在上面，也就是说比如布置在所述层结构的朝向测量气体室的表面上。比如所述第一电极可以构造为外电极，并且比如可以仅仅通过透气的多孔的保护层与所述测量气体室分开并且此外比如与测量气体室处于直接的气体交换之中。可以考虑不同的设计方案。所述至少一个第二电极在此通过至少一条进气路径与测量气体室相连接。进气路径在此一般是指一种元件，通过该元件可以在测量气体室与第二电极之间进行气体的交换，其中可以保证完全的气体交换或者也可以仅仅保证各个气体成分的交换。比如所述进气路径可以包括一个或者多个钻孔、通道、开口或者类似结构。所述进气路径尤其可以构造用于保证气体从测量气体室伴随流动以及/或者再扩散到第二电极处或者沿相反方向的伴随流动和/或再扩散，比如氧气的伴随流动和/或再扩散。所述进气路径在层结构中具有至少一个进气孔。进气孔在此是指一种开口，该开口延伸穿过所述层结构的至少一个层平面，尤其穿过所述至少一个层，该层将所述至少一个第二电极与测量气体室分开。进气孔原则上可以具有任意的横截面，比如圆形的横截面或者多边形的横截面。进气孔尤其可以垂直于所述层结构的层平面来延伸并且比如可以具有柱形的外形，比如圆柱形的外形。按本发明在此提出，如此构造所述进气孔，使得其具有至少两个直径不同的区域。 直径在此一般是指所述进气孔的横截面的横向伸长的量化。如果进气孔比如具有圆形的横截面，那么所述直径也是指该圆的直径。如果存在其它的横截面几何形状，那么所述直径比如可以是指等效直径，也就是具有和实际存在的横截面相同的面积的圆的直径。所述至少两个区域比如可以沿进气孔的轴线直接或者间接地彼此邻接或者在这根轴线上占据不同的区段。可以设置两个或者也可以设置更多个区域。所述进气孔可以汇入所述层结构的表面中，比如汇入朝向测量气体室的表面中。 进气孔尤其可以在这个表面上具有其最大的直径。进气孔的直径可以从这个表面出发朝层结构中比如连续地和/或分阶梯地减小。比如可以如此设置分阶梯的减小，从而从所述表面开始首先跟随着具有第一直径的第一区域，在该第一区域上在所述层结构的内部直接或者间接地也就是说在过渡区域之后连接着至少一个第二区域，所述第二区域具有比所述第一直径小的第二直径。在这种情况下，也就是说进气孔比如可以具有分阶梯的外形。也就是说所述至少两个区域比如可以构造为锥形的、柱形的、倒圆的或者以其它方式来构成。在此所述至少两个区域可以相对于彼此同心或者同轴地布置，也就是说比如具有同一根对称轴线或者钻孔轴线。但是不一定就是这种情况。比如优选的是，所述至少两个区域相对于彼此不是同心地或者说不是同轴地布置。因此所述至少两个区域比如可以相对于彼此偏置地布置。偏置的布置在此是指一种布置方式，在该布置方式中所述区域中的一个或者多个区域的中心轴线或者对称轴线不是以所述进气孔的其它区域中的一个或者多个区域的中心轴线或者对称轴线来布置。比如这种偏置可以沿垂直于所述进气孔的伸长的方向来进行。所述传感器元件比如可以具有与其纵向伸长平行并且与层结构的平面平行的纵向伸长轴线。比如所述传感器元件沿这条纵向伸长轴线的方向在封装或者未封装的情况下伸入到测量气体室中。所述层结构的朝测量气体室的方向布置在最远处的端部比如可以称为端面。尤其可以如此进行偏置的布置，使得所述具有较大的直径并且布置得更靠近表面的第一区域与所述至少一个具有较小的直径的第二区域相比从所述端面偏移。换句话说， 比如所述第一区域的中心轴线或者对称轴线沿纵向伸长方向比在所述传感器元件的层结构中布置在更深处的第二区域的轴线或者对称轴线更加远离所述端面。这种偏置的布置方式比如可以有利于倾斜地施加至少一个温度突变保护层，而所述温度突变保护层的材料不会进入到所述进气孔的内部。尤其可以使用一种用于施加所述至少一个温度突变保护层的喷涂法，比如相对于层平面以倾斜的角度也就是说从一个偏离了层结构的法线的方向使用等离子喷涂或者等离子喷射法。比如可以如此使用喷涂法，从而也将所述温度突变保护层施加到所述端面上。所述至少两个区域的偏置的布置方式可以有效地防止温度突变保护层的材料的侵入，对于该布置方式来说比如所述第一区域比所述至少一个处于更深处的具有较小的直径的第二区域更加偏离所述端面。比如所述第一区域的轴线或者对称轴线(比如钻孔轴线和/或铣削轴线)相对于所述第二区域的轴线或者对称轴线比如从所述端面偏移了 50到700微米，优选偏移了 80-500微米并且特别优选偏移了 115到420微米。所述进气孔由此比如可以在所述表面上具有第一直径，其中进气孔带有至少一个具有所述第一直径的第一区域和至少一个具有至少一种第二直径的第二区域，其中所述第二区域可以在所述层结构中布置在更深处并且其中所述第二直径可以小于所述第一直径。 所述第一区域和/或所述第二区域和/或可能存在的其它的区域可以构造为柱形的或者锥形的。所述进气孔尤其可以构造为分阶梯的结构，尤其在所述第一区域与第二区域之间设有至少一个阶梯状的或者构造为凸肩的过渡区域。阶梯状的过渡区域在此是指从第一直径到第二直径的具有至少一个平坦的表面的过渡区域，所述表面基本上垂直于所述进气孔的轴线延伸。凸肩是指具有弯曲的或者平坦的表面的过渡区域，其中在后一种情况下所述表面可以相对于所述进气孔的轴线优选不是垂直地比如以处于80°与10°之间的角度延伸。因为如上面所解释的一样所述至少一个第一区域和所述至少一个第二区域也可以相对于彼此偏置地布置，所以所述凸肩也可以相应地构造为非对称的。如果比如存在至少两个区域，比如至少两个具有柱形的和/或锥形的外形的区域，其中所述至少两个区域具有至少一种第一直径或者至少一种第二直径，那么所述第一直径比如可以比所述第二直径大了因数k。该因数k尤其可以大于1.2，优选大于1.8，并且特别优选至少为2. 0。所述因数k尤其可以处于1. 2到5的范围内，优选处于1. 8到4. 0 的范围内并且特别优选处于2. 0到3. 0的范围内。如果设置了至少两个具有至少两种直径也就是至少一种第一直径和至少一种第二直径的区域，其中所述第一直径大于所述第二直径，那么所述第一直径比如可以处于 0. 15毫米到1. 0毫米的范围内，尤其处于0. 4毫米到0. 8毫米的范围内并且特别优选处于 0. 5毫米到0. 75毫米的范围内。所述第二直径尤其可以处于0. 1毫米到0. 5毫米的范围内，尤其处于0. 2毫米到0. 4毫米的范围内并且特别优选为0. 25毫米。比如所述第一直径可以为0.6毫米或0.8毫米或者1.0毫米。所述第二直径比如可以为0.25毫米。比如所述第一直径可以为0. 8毫米并且第二直径可以为0. 25毫米。所述至少一个第二电极尤其可以布置在电极空腔中。这个电极空腔可以布置在所述层结构的内部并且比如可以构造为敞开的空腔。作为替代方案，这个电极空腔也可以完全或者部分地用透气的多孔的材料比如用透气的氧化铝来填充。所述电极空腔尤其可以通过至少一个扩散阻挡层与所述进气孔相连接。在这种情况下，通往所述至少一个第二电极的进气路径也就是进气孔包括所述扩散阻挡层或者通道以及所述电极空腔，其中在所述通道中布置了扩散阻挡层。扩散阻挡层在此一般是指一种元件，该元件阻止或者至少减缓气体直接从进气孔伴随流到电极空腔中。扩散阻挡层因而是一种元件，该元件提供了高的流动阻力，相反气体或者气体成分可以比较容易地通过所述扩散阻挡层来扩散。所述扩散阻挡层比如可以包括多孔的陶瓷的元件，尤其多细孔的氧化铝。如果设置了这样的扩散阻挡层，那么特别优选这个扩散阻挡层构造为相对于所述进气孔后缩。后缩的扩散阻挡层在此是指一种扩散阻挡层，该扩散阻挡层没有直接与所述进气孔邻接而是相对于这个进气孔被后拉。比如所述扩散阻挡层可以布置在通道或者其它的开口中，所述开口是进气路径的组成部分，但是其中所述扩散阻挡层没有一直直接伸展到这条通道或者说这个开口与所述进气孔之间的过渡区域上，而是与这个过渡区域隔开地终止。比如所述扩散阻挡层以离开这个过渡区域至少0. 05毫米、优选至少0. 1毫米或者甚至至少0. 2毫米的间距终止。这种后缩的或者后拉的扩散阻挡层的优点如下面还要详细解释的一样在于，该扩散阻挡层在制造进气孔时不会遭到损坏，否则由此可能出现扩散阻挡层的污染或者由此在调节通过扩散阻挡层的宽度确定的极限电流时可能出现不均勻性。此外，所提到的设计方案尤其在比如通过来自尘灰(比如油灰)和/或金属氧化物的颗粒而引起的侵蚀(Versottimg)方面改进了运行中的持续运行稳定性。在本发明的另一个方面，提出一种用于制造对测量气体室中的气体的至少一种特性进行检测的传感器元件尤其按上面所说明的设计方案中的一种或者多种设计方案的传感器元件的方法。对于所述方法来说，制造一种层结构，该层结构具有至少一个第一电极、 至少一个第二电极和至少一个将所述第一电极和第二电极连接起来的固体电解质。比如这个层结构可以通过使用薄膜技术和/或厚膜技术和/或其它陶瓷的层技术来制造。所述第二电极在此通过所述层结构的至少一个层尤其通过固体电解质的至少一个层与测量气体室分开。所述第二电极通过至少一条进气路径与测量气体室相连接，其中进气路径在所述层结构中具有至少一个进气孔。在此按照本发明如此构造所述进气孔，使得其具有至少两个直径不同的区域。对于另外的设计方案，可以参照上面的说明。进气孔的制造在此可以以不同的方式来进行。尤其优选的是，在使用至少一种机械的钻孔方法和/或至少一种机械的铣削方法的情况下产生所述进气孔。如果如上面解释的一样设置了至少两个区域，那么尤其可以用至少一个阶梯钻头来使用钻孔法。阶梯钻头在此是指一种钻头，该钻头具有至少两个直径不同的、在轴向上相对于彼此偏置地布置的钻孔区段。在这些钻孔区段之间可以构造过渡区域比如凸肩。但是使用阶梯钻头的钻孔方法通常只能用在相对于彼此同轴或者同心定向的区域中。对于相对于彼此偏置的区域来说比如可以使用多重钻孔比如至少一个第一钻孔用于制造所述第一区域并且至少一个第二钻孔用于制造所述第二区域，其中钻孔轴线可以相对于彼此偏置地布置。作为机械的钻孔方法的替代方案或者补充方案，也可以使用机械的铣削方法。这样的铣削方法也可以用于制造相对于彼此偏置的区域，其中可以使用一个唯一的铣削步骤， 或者也可以使用多个铣削步骤，比如单独的用于所述至少一个第一区域和用于所述至少一个第二区域的铣削步骤。但是也可以使用至少一种另外的方法比如激光钻孔法或者其它类型的钻孔法和/ 或冲孔法。可以考虑不同的设计方案。所述至少一种钻孔法尤其可以在制造的时刻使用，在该时刻所述层结构还没有硬化或者还没有完全硬化。比如所述钻孔法可以在一个时刻使用，在该时刻所述层结构处于生坯状态中并且/或者处于棕坯(Braimling)状态中，也就是说还没有完全硬化，其中真正的硬化在至少一个后置的温度处理步骤中也就是所谓的烧结步骤中制成。所提出的传感器元件以及所提出的制造方法相对于已知的传感器元件和已知的方法具有大量的优点。比如，所述具有直径不同的区域的进气孔比如分阶梯的进气孔尤其偏置地分阶梯的进气孔原则上提高了传感器元件的可制造性和功能。这尤其对于宽带传感器元件来说有利地变得明显。尤其可以制造具有大的直径比如具有大于0. 45毫米的直径的进气孔。通过这种方式尤其可以调节或者保证敞开的进气。但是，在没有分阶梯的进气孔或者没有实现进气孔的按本发明的设计方案的情况下，在此原则上存在着这样的危险， 即所述至少一个扩散阻挡层在制造进气孔时受到损坏比如被钻孔。由此会导致极限电流的额外的扩散(Streuimg)。此外对于这种传统的方法来说，被后拉的不是直接与进气孔邻接的扩散阻挡层可能不再完全得到保证。但是对于这样的直接与所述进气孔邻接的扩散阻挡层来说原则上在传感器元件的运行中存在着这样的危险，即扩散阻挡层因来自测量气体室的脏物而受污染，这典型地称为侵蚀。由此通过扩散阻挡层受到决定性影响的极限电流又会变化，所述极限电流可能决定性地依赖于所述扩散阻挡层的扩散特性。但是，按本发明在此可以如此构造所述进气孔，使得其尤其在扩散阻挡层的区域中具有更小的直径，从而可以一如既往地实现后拉的扩散阻挡层。由此不仅可以避免扩散阻挡层的损坏的危险而且可以避免扩散阻挡层的被侵蚀的危险。此外，所述传感器元件可以具有至少一个温度突变保护层(TSP)。所述至少一个温度突变保护层比如可以布置在所述层结构的至少一个朝向测量气体室的表面上并且/或者布置在所述层结构的端面上。这样的温度突变保护层比如在DE 10 2004 054 014 Al中得到说明。所述温度突变保护层典型地具有两个或者更多个层，所述层改进所述层结构的温度突变性能并且比如防止或者至少减少陶瓷体中的裂纹形成。通过具有不同直径的进气孔的设计方案比如进气孔的分阶梯的设计方案尤其偏置地分阶梯的设计方案可以防止这一点，即温度突变保护层的材料尤其朝扩散阻挡层进入到所述层结构的内部。如上面解释的一样，比如可以在层结构的烧结过程之后来施加所述温度突变保护层。作为涂覆方法比如可以使用喷涂法，所述喷涂法可选与其它的涂覆方法组合使用。通过所述进气孔的尤其具有偏置的区域的分阶梯的设计方案，可以防止更深的层平面的污染，这种污染会导致极限电流的降低和额外的扩散。尤其可以防止温度突变保护层的材料到达扩散阻挡层。利用阶梯钻头和/或铣刀尤其可以制造一种进气孔，其下部的直径比如为0. 25毫米，这相应于常见的进气孔的直径。在上部的区域中也就是说在表面的区域中可以设置至少一个具有较大的直径比如0. 6毫米、0. 8毫米或者1. 0毫米的直径的第二区域。通过这种方式比如也可以在用温度突变保护层涂覆之后在所述表面的区域中保证敞开的进气。由于进气孔设计的原因而在涂覆和/或制造温度突变保护层时抑制了温度突变保护层材料进入到进气孔的下面的优选较窄的部分中，这种涂覆和/或制造比如在钻好进气孔后进行。总之，所提出的进气孔设计尤其偏置地分阶梯的设计减少了极限电流的扩散，提高了扩散阻挡层的抗侵蚀性并且提高了持续运行稳定性。


本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中进行详细解释。其中图1是按本发明的传感器元件和按本发明的制造方法的第一实施例；并且图2到4是按本发明的具有偏置地分阶梯的进气孔的传感器元件的第二实施例的不同的视图。
具体实施例方式在图1中示出了按本发明的传感器元件110的第一实施例。借助于该示意图也应该对这样的传感器元件110的按本发明的制造方法的实施例进行解释。所述传感器元件 110具有层结构112，该层结构112可以用陶瓷的薄膜方法和/或厚膜方法来制造。该层结构112包括朝向测量气体室114的表面116，在该表面116上布置了第一电极118。在图1 所示出的实施例中，所述第一电极118比如可以构造为环状，因为图1中的传感器元件110 可以大部分具有旋转对称的结构。但是也可以考虑其它的设计方案。所述第一电极118比如通过透气的保护层120与测量气体室114分开。此外，所述层结构112在所示出的实施例中具有一个或者多个固体电解质122。比如这些固体电解质122可以作为固体电解质薄膜和/或借助于厚膜技术来制造。比如所述固体电解质122可以包括钇稳定的氧化锆(YSZ)。此外，所述层结构112在按图1的实施例中在所述固体电解质122的与所述第一电极118对置的一侧包括至少一个第二电极124。该第二电极124比如同样又可以以旋转对称的方式来布置并且在所示出的实施例中构造为多构件的结构。所述第二电极1 布置在电极空腔126中。该电极空腔1 是进气路径128的一部分，所述第二电极IM通过所述进气路径1 与测量气体室114处于连接之中。作为另一个组成部分，所述进气路径1 包括进气孔130，该进气孔130垂直于所述层结构112的层平面从所述表面116延伸到层结构112的内部。所述电极空腔126比如可以环状地将进气孔130包围。也可以考虑其它的设计方案。在所述进气孔130与电极空腔1 之间布置了通道132，该通道132同样是进气路径1 的组成部分。在这条通道132中布置了扩散阻挡层134，该扩散阻挡层134减少或者甚至阻止气体从测量气体室114伴随流入电极空腔126中并且仅仅能够允许扩散。通过该扩散阻挡层134可以调节包括所述第一电极118、第二电极IM和固体电解质122的泵电池136的极限电流。此外，所述传感器元件110在所示出的实施例中包括空气参考通道138，该空气参考通道138比如可以与具有已知的氧气含量的环境相连接。在这条空气参考通道138中比如可以布置参考电极140。通过该参考电极140和所述第二电极IM或者另外的布置在电极空腔126中的测量电极，比如可以如此调节通过所述泵电池136的泵电流，使得在所述电极空腔126中存在着条件λ = 1或者其它的已知的成分。此外，所述传感器元件110可以包括至少一个加热元件142，借助于该加热元件142可以将所述固体电解质122和/或整个层结构112或者其部件的温度调节到工作温度。所述加热元件142也可以包括一个或者多个绝缘层144。
所述传感器元件110由此在图1所示出的实施例中构造为双电池的传感器元件， 该传感器元件除了泵电池136之外还包括包含着参考电极140、固体电解质122和第二电极IM和/或另外的布置在电极空腔126中的测量电极的测量电池146。所述传感器元件 110比如可以构造为宽带传感器并且就这一点而言比如可以相应于已知的在商业上能获得的传感器元件110比如型号为LSU4. 9的传感器元件。此外在表面116上可以施加温度突变保护层(TSP)，用于避免层结构112由于温度突变负荷引起的损坏。此外在图1中可以看出，所述进气孔130按本发明具有多个区域。因此在所示出的实施例中，从表面116开始首先设置了具有第一直径Cl1的第一区域148，在该第一区域148上在凸肩状的过渡区域 150之后连接着具有直径d2的第二区域152。所述第一区域148和第二区域152在所示出的实施例中分别示范性地构造为柱形的区域。也可以考虑其它的设计方案。所述过渡区域 150比如可以构造为锥形。该第二区域152比如也可以在其端部上以锥形收尾或者设有尖端。作为替代方案也可以设想所述第二区域152的这个端部的扁平的设计方案。作为替代方案，又可选考虑额外的区域。所述第一直径Cl1在此构造得大于所述第二直径d2。比如直径Cl1可以为0. 55毫米、0. 65毫米或者0. 75毫米。所述第二区域152比如可以具有0. 25、 0. 3或者0. 35的直径d2。此外，如可以从图1中看出的一样，所述扩散阻挡层132相对于进气孔130被后拉，也就是说后缩并且不直接在通道132中与进气孔130邻接。由此在实际上避免了扩散阻挡层134受侵蚀。通过用于进气孔130的第二区域152的较小的直径d2的选择，比如可以防止这一点，即在制造进气孔130时扩散阻挡层134被钻孔。由此保持所述被后拉的扩散阻挡层134。由此可以避免扩散阻挡层134的损坏，这种损坏会在这里导致极限电流的扩散。此外，所述过渡区域150也形成捕集高地，该捕集高地可以防止温度突变保护层的材料进入到扩散阻挡层134处。这也对极限电流扩散的减小产生积极的影响。为制造进气孔 130，比如可以使用阶梯钻头154。所述阶梯钻头154比如可以带有具有直径(I1的第一钻孔区段156和具有直径d2的第二钻孔区段158以及相应的过渡区域160，该过渡区域160可以相应于过渡区域150。在此可以有效地防止加热器绝缘层144被钻孔。在图2到4中示出了按本发明的传感器元件110的第二实施例。在此图2示出了类似于图1的视图，相反图3示出了进气孔130的详细视图并且图4示出了在图3中示出的截取部分的通过显微镜的显微示意图。该传感器元件110基本上相应于按图1的设计方案，因而对于各个元件的结构和功能来说可以在很大程度上参照上面关于该图1的说明。 但是，与按图1的设计方案不同的是，所述进气孔130在图2到4的实施例中构造为偏置地分阶梯的结构。所述进气孔130在所示出的实施例中又具有两个区域148、152，其中所述第一区域148具有第一直径O1并且所述第二区域152具有第二直径Φ2。比如所述第一直径可以为600到1000微米。所述第二直径比如可以为150到300微米。所述区域148和152 的布置得离传感器元件110的端面166最近的棱边比如可以相对于彼此偏置了数值δ，该数值δ比如可以大于5微米并且小于70微米。所述固体电解质122的层厚度d比如薄膜厚度优选至少为320微米。所述两个区域148和152分别具有第一轴线162或者说第二轴线164比如钻孔轴线或者铣削轴线。这些轴线162和164比如可以相对于彼此偏置了偏移值Δ，该偏移值Δ比如可以为115微米到420微米。该偏移值Δ比如可以如此完成，使得所述第一区域148的轴线162离开端面166的距离比所述第二轴线164远了数值Δ。
所述区域148和152的制造可以以不同的方式进行。比如可以使用分开的钻孔，所述钻孔具有相对于彼此偏置的钻孔轴线。但是，作为替代方案或者补充方案，所述区域148 和152也可以通过其它的方法比如通过一种或者多种铣削方法来制造。所述传感器元件110比如可以用在图1到3中未示出的温度突变保护层168来涂覆，这比如在烧结过程之后进行。在此比如可以使用喷涂法比如等离子喷涂。这种喷涂优选不是垂直于表面116来进行。在图3中示意性地示出了喷涂方向并且用附图标记170来表示。比如可以如此选择这种喷涂方向170，从而也至少部分地用温度突变保护层168来给端面166进行涂覆。在图4中示出了传感器元件110的在图3中示出的截取部分的显微图。此外，在此示范性地注明了尺寸。从该图4中可以看出，对于在图3中示出的喷涂方向 170来说，没有温度突变保护层168的材料或者仅仅极少量的这种材料会到达所述第二区域152中并且在那里尤其到达通往扩散阻挡层134的开口处。
权利要求
1.用于对测量气体室(114)中的气体的至少一种特性进行检测的传感器元件(110)， 包括层结构(112)，该层结构(112)具有至少一个第一电极(118)、至少一个第二电极(124) 和至少一个将所述第一电极(118)和所述第二电极(124)连接起来的固体电解质(122)，其中，所述第二电极(124)通过所述层结构(112)的至少一个层与所述测量气体室(114)分开，其中，所述第二电极(124)通过至少一条进气路径(128)与所述测量气体室(114)相连接，其中，所述进气路径(128)在所述层结构(112)中具有至少一个进气孔(130)，其中，所述进气孔(130)具有至少两个直径不同的区域(148、152)。
2.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中，所述进气孔(130)汇入所述层结构(112)的表面(116)中。
3.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中，所述进气孔(130)在所述表面 (116)上具有最大的直径。
4.按前两项权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中，所述进气孔(130)在所述表面(116)上具有第一直径，其中，所述进气孔(130)带有至少一个具有所述第一直径的第一区域(148)和至少一个具有至少一种第二直径的第二区域(152)，其中，所述第二区域 (152)在所述层结构(112)中比所述第一区域(148)布置得深，并且其中，所述第二直径小于所述第一直径。
5.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中，所述第一区域(148)和/或所述第二区域(152)构造为柱形的或者锥形的。
6.按前两项权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中，所述进气孔(130)构造为分阶梯的，尤其在所述第一区域(148)与所述第二区域(15 之间具有至少一个阶梯状的或者构造为凸肩的过渡区域(150)。
7.按前三项权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中，所述第一区域(148)和 /或所述第二区域(15 相对于彼此偏置地布置。
8.按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中，所述进气孔(130)带有至少一个具有至少一种第一直径的第一区域(148)和至少一个具有至少一种第二直径的第二区域(152)，其中，所述第一直径比所述第二直径大了因数k，其中，该因数k大于1.2，优选大于1. 8，并且特别优选至少为2. 0。
9.按前一项权利要求所述的传感器元件(110)，其中，所述因数k处于1.2到5的范围内，尤其处于1. 8到4. 0的范围内，并且特别优选处于2. 0到3. 0的范围内。
10.按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中，所述进气孔(130)带有至少一个具有至少一种第一直径的第一区域(148)和至少一个具有至少一种第二直径的第二区域(15 ，其中，所述第一直径大于所述第二直径，其中，所述第一直径处于0. 15毫米到1. 0毫米的范围内，尤其处于0. 4毫米到0. 8毫米的范围内，并且特别优选处于0. 55 毫米到0. 75毫米的范围内，并且其中，所述第二直径处于0. 1毫米到0. 5毫米的范围内，尤其处于0. 2毫米到0. 4毫米的范围内，并且特别优选为0. 25毫米。
11.按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中，所述第二电极(124)布置在电极空腔(126)中，其中，所述电极空腔(126)通过至少一个扩散阻挡层(134)与所述进气孔(130)相连接，其中，所述扩散阻挡层(134)相对于所述进气孔(130)后缩。
12.用于制造用于对测量气体室(114)中的气体的至少一种特性进行检测的传感器元件(110)尤其是用于制造按前述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)的方法，其中， 制造层结构(112)，该层结构(112)具有至少一个第一电极(118)、至少一个第二电极(124) 和至少一个将所述第一电极(118)和所述第二电极(124)连接起来的固体电解质(122)，其中，所述第二电极(124)通过所述层结构(112)的至少一个层与所述测量气体室(114)分开，其中，所述第二电极(124)通过至少一条进气路径(128)与所述测量气体室(114)相连接，其中，所述进气路径(128)在所述层结构(112)中具有至少一个进气孔(130)，其中，构造所述进气孔(130)，使得该进气孔具有至少两个直径不同的区域(148、152)。
13.按前一项权利要求所述的方法，其中，为制造所述进气孔(130)而使用至少一种钻孔方法和/或至少一种铣削方法。
全文摘要
进气得到改进的传感器元件。提出用于对测量气体室(114)中的气体的至少一种特性进行检测的传感器元件(110)。该传感器元件包括层结构(112)，该层结构具有至少一个第一电极(118)、至少一个第二电极(124)和至少一个将第一电极(118)和第二电极(124)连接起来的固体电解质(122)。第二电极(124)通过所述层结构(112)的至少一个层与测量气体室(114)分开。所述第二电极(124)通过至少一条进气路径(128)与测量气体室(114)相连接。所述进气路径(128)在所述层结构(112)中具有至少一个进气孔(130)。该进气孔(130)具有至少两个直径不同的区域(148、152)。
文档编号G01N27/406GK102183565SQ20101062197
公开日2011年9月14日 申请日期2010年12月29日 优先权日2009年12月30日
发明者G·施奈德, H·斯图德青斯基 申请人:罗伯特.博世有限公司