專利名稱：具有多構(gòu)件式的擴(kuò)散屏障的傳感器元件的制作方法
具有多構(gòu)件式的擴(kuò)散屏障的傳感器元件
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及已知的用于確定測量氣體室中的氣體的至少一種特性的傳感器元件。 所述特性原則上可以是氣體的任意的特性，比如可以是物理的和/或化學(xué)的特性。尤其下面參照傳感器元件對本發(fā)明進(jìn)行說明，借助于所述傳感器元件可以確定氣體中的至少一種氣體成分的份額，也就是比如該氣體成分尤其氧氣的分壓力和/或濃度。所述傳感器元件尤其可以用于測量內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的空氣系數(shù)λ。這樣的傳感器元件也稱為氧傳感器，并且比如在Robert Bosch GmbH公司的“機(jī)動(dòng)車中的傳感器(Sensoren im Kraftfahrzeug), 2007版，第1M-159頁”中得到說明?？梢允痉缎缘貐⒄漳抢锏慕忉專⑶宜枋龅膫鞲衅髟部梢栽诒景l(fā)明的范圍內(nèi)按本發(fā)明進(jìn)行改動(dòng)。尤其所述傳感器元件可以包括一個(gè)或者多個(gè)固體電解質(zhì)，尤其陶瓷的固體電解質(zhì)比如釔穩(wěn)定的二氧化鋯。為測量柴油廢氣中的氣體成分，比如需要極限電流-稀薄混合氣傳感器 (Magersonde)來作為單室探測器(Einzellersonden)，所述單室探測器的特征在于明確的稀薄混合氣特性曲線。其前提是泵單元陽極被廢氣遮蓋以及探測器的隨之出現(xiàn)的特性，即排除燃?xì)獬煞值年枠O的氧化反應(yīng)。就此而言，比如參照WO 2008/080698。與用于測量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣成分的氧傳感器相比，尤其用于柴油廢氣中的測量的氧傳感器必須滿足附加的從特殊的運(yùn)行狀況、運(yùn)行條件和分析機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生的條件。但是， 就此而言，對于傳統(tǒng)的氧傳感器來說產(chǎn)生大量的技術(shù)上的挑戰(zhàn)。第一個(gè)技術(shù)上的挑戰(zhàn)在于加工偏差，所述加工偏差尤其應(yīng)該歸因于比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)。比如在極限電流方面并且在所謂的k值方面產(chǎn)生偏差，所述k值在進(jìn)入到探測器中的氣體擴(kuò)散時(shí)表征克努森(Knudsen)份額相對于氣相份額的比例(就此而言比如參見WO 2008/080698)。由于通過陶瓷的傳感器元件中的擴(kuò)散屏障作為用于λ的測量參量而調(diào)節(jié)的測量電流的、也就是極限電流Ip的由加工引起的偏差，在目前必須在制造所述陶瓷的傳感器元件之后，要么在傳感器元件上、要么通過后來對電子元器件的微調(diào)來使所述極限電流與TKU特性曲線相匹配?？梢苑艞夁@種調(diào)準(zhǔn)，如果在慣性運(yùn)行時(shí)、也就是在所定義的條件下對所述探測器進(jìn)行重新校準(zhǔn)。但是通常只有在所述極限電流最大偏離額定值20%時(shí)才成功地做到這一點(diǎn)。在考慮到由老化引起的偏差的情況下，這意味著在新狀態(tài)中小于10%的極限電流偏差。這是用于由于加工引起的偏差的最大允許的尺度。為了保證這一點(diǎn)，需要一種設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)尤其在建立擴(kuò)散路徑方面不易受到加工公差的影響。另一個(gè)挑戰(zhàn)在于調(diào)節(jié)所需要的k值、平均值偏移(MWV)和用于所要求的測量精度的動(dòng)態(tài)的壓力相關(guān)性(DDA)。所述動(dòng)態(tài)的壓力相關(guān)性在此是指在總壓力變化時(shí)探測器信號的時(shí)間相關(guān)性和/或頻率相關(guān)性。作為動(dòng)態(tài)的壓力脈沖的結(jié)果，對于寬帶氧傳感器來說在泵電流Ip中出現(xiàn)波動(dòng)(動(dòng)態(tài)的壓力相關(guān)性，DDA)。所述泵電流的平均值相對于在平均壓力相同時(shí)所測量的靜態(tài)的平均壓力得到了提高。為了描述這種現(xiàn)象，過去采用了平均值偏移 (MMV)的概念。為了尤其在柴油廢氣中能夠維持所要求的測量精度，有必要的是，降低所述靜態(tài)的壓力相關(guān)性也就是k值，其中對其它功能性的參量比如平均值偏移和/或動(dòng)態(tài)的壓力相關(guān)性的影響應(yīng)該保持在微小的程度上。但是隨著k值的減小，由于功能上的原因而擴(kuò)大了其它的對探測器的精度產(chǎn)生影響的參量比如平均值偏移。尤其用于柴油應(yīng)用情況的較小的k值的實(shí)現(xiàn)或者k值的在較大范圍內(nèi)的有針對性的調(diào)節(jié)比如通常對于尤其在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中在渦輪增壓器或者類似裝置之前使用的特殊的使用條件來說，在所述用于平均值偏移或者動(dòng)態(tài)的壓力相關(guān)性的數(shù)值沒有超過特定的與所述精度相匹配的極限的情況下，需要開發(fā)新穎的創(chuàng)新的擴(kuò)散屏障-設(shè)計(jì)。第三個(gè)挑戰(zhàn)尤其在于所述傳感器元件的積炭抵抗力和/或中毒抵抗力。所述柴油廢氣中的積炭機(jī)制和/或中毒機(jī)制以及易積炭性和/或易中毒性由于廢氣成分、廢氣溫度、 壓力及類似的參量而不同于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的相應(yīng)的機(jī)制或者易受侵蝕性。所述傳感器元件的設(shè)計(jì)必須考慮到這個(gè)事實(shí)，并且不僅在所述擴(kuò)散路徑中的積炭方面而且在中毒方面都必須在電極設(shè)計(jì)中和/或電極空腔設(shè)計(jì)中進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地提出一種用于確定測量氣體室中的氣體的至少一種特性的傳感器元件，尤其一種按上面所描述的傳感器元件中的一種或多種所述的傳感器元件。尤其所述傳感器元件可以用于確定測量氣體室中的氣體成分的份額。所述傳感器元件包括至少一個(gè)第一電極、至少一個(gè)第二電極和至少一個(gè)將所述第一電極與第二電極連接起來的固體電解質(zhì)。所述第一電極能夠通過氣體進(jìn)入路徑用來自所述測量氣體室的氣體來加載。比如所述第一電極可以布置在所述傳感器元件的內(nèi)部，比如布置在層構(gòu)造的內(nèi)部。所述氣體進(jìn)入路徑比如可以包括一個(gè)或者多個(gè)通道和/或孔，通過所述通道和/或孔在總體上來自測量氣體室的氣體和/或氣體成分比如可以通過流動(dòng)機(jī)制和/或擴(kuò)散機(jī)制到達(dá)所述第一電極處。所述氣體進(jìn)入路徑具有至少一個(gè)擴(kuò)散屏障。擴(kuò)散屏障在本說明書的范圍內(nèi)是指一種元件，借助于該元件通過相應(yīng)的擴(kuò)散機(jī)制和/或流動(dòng)機(jī)制的調(diào)節(jié)，比如能夠調(diào)節(jié)極限電流。尤其所述擴(kuò)散屏障如下面詳細(xì)解釋的一樣可以包括至少一種多孔的材料。所述擴(kuò)散屏障應(yīng)該在總體上設(shè)置用于至少限制氣體簡單地流往第一電極并且由此比如也可以或者主要作為流動(dòng)屏障起作用，以便布置在后面的敞開的通道在總體上可以作為擴(kuò)散阻力起作用并且不會(huì)被穿流所克服。與傳統(tǒng)的擴(kuò)散屏障不同的是，對于所述按本發(fā)明的傳感器來說提出，所述擴(kuò)散屏障構(gòu)造為至少雙構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。因此所述擴(kuò)散屏障具有至少一個(gè)第一擴(kuò)散屏障區(qū)域和至少一個(gè)第二擴(kuò)散屏障區(qū)域。所述至少兩個(gè)擴(kuò)散屏障區(qū)域可以優(yōu)選直接彼此相鄰接，但是也可以以彼此隔開的方式布置在氣體進(jìn)入路徑中。所述傳感器元件尤其可以如此構(gòu)成，使得來自測量氣體室的氣體首先穿過所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域或者所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第一部分，然后穿過所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域并且隨后再度穿過所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域或者所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第二部分?？梢匀绱嗽O(shè)計(jì)這種布置方式，使得氣體尤其垂直于所述傳感器元件的層構(gòu)造的層結(jié)構(gòu)地垂直地從所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域中穿過比如穿流和/或擴(kuò)散通過，并且比如平行于所述層結(jié)構(gòu)地側(cè)向地從所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域中穿過比如穿流和/或擴(kuò)散通過。因此比如可以如此構(gòu)成所述傳感器元件，從而首先通過所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第一部分進(jìn)行垂直的穿流和/或垂直的氣體擴(kuò)散，接下來通過所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域進(jìn)行側(cè)向的穿流和/或氣體擴(kuò)散，再接下來通過所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域或者所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第二部分再度進(jìn)行垂直的穿流和/或再度進(jìn)行垂直的擴(kuò)散。 所述擴(kuò)散屏障尤其可以如此構(gòu)成，使得所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域占主要部分地提供所述擴(kuò)散屏障的擴(kuò)散阻力，其中所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域在擴(kuò)散屏障的始端和/或末端作為流動(dòng)屏障和/或均勻器起作用。 沿所述氣體進(jìn)入路徑的方向，尤其可以以合適的方式來布置所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域和所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域，使得所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域或者所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的部分作為流動(dòng)屏障和/或作為均勻器起作用，并且所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域作為真正的擴(kuò)散屏障起作用。在這種情況下比如所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第一部分可以布置在擴(kuò)散屏障的始端，所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第一部分比如作為流動(dòng)屏障具有多孔的結(jié)構(gòu)并且在總擴(kuò)散阻力中占有最小的份額。在所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第一部分的后面可以跟隨設(shè)有所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域，該第一擴(kuò)散屏障區(qū)域比如可以包括敞開的結(jié)構(gòu)并且可以引起所述擴(kuò)散屏障的擴(kuò)散阻力的主要份額。在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域上又可以連接著所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第二部分，所述第二部分可以作為均勻器起作用并且由此可以均勻地將電極連接到所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域的敞開的結(jié)構(gòu)上。所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第二部分比如可以具有比所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第一部分更小孔隙的結(jié)構(gòu)。所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第二部分也可以完全或者部分與第一部分相同，比如方法是所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域構(gòu)造為層，該層被多次穿流。如果在所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的作為均勻器起作用的第二部分的后面布置了電極連接空腔，但是該電極連接空腔也可以省去，從而可以直接連接到所述電極上，那么一般來說應(yīng)該如此選擇這個(gè)均勻器的擴(kuò)散阻力，從而盡可能均勻地向所述第一電極加載氣體。 尤其所述第一電極和/或電極連接空腔可以將所述第一擴(kuò)散屏障的一個(gè)區(qū)域覆蓋，該區(qū)域的氣體濃度梯度比如氧氣濃度梯度應(yīng)該比如沿通道的縱向方向通過所述均勻器得到均勻處理。所述氣體進(jìn)入路徑在此應(yīng)該如此構(gòu)成，使得所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域布置在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域的前面和/或后面。這意味著，比如氣體在從測量氣體室到第一電極的路徑上首先必須經(jīng)過所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域，以進(jìn)入到所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域中(前面)，和/ 或氣體在從測量氣體室到第一電極的路徑上穿過所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域，以通過所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域到達(dá)所述第一電極處。也可以考慮所提到的可能性的組合，使得比如氣體在而后進(jìn)入到所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域中之前首先穿過所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第一部分，以最后穿過所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第二部分到達(dá)所述第一電極處。所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域在此應(yīng)該構(gòu)造得比所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域孔隙更細(xì)。這一般來說意味著，在所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域中克努森擴(kuò)散的份額應(yīng)該比在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域中高，反之在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域中氣相擴(kuò)散的份額應(yīng)該比在所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域中大?？紫抖鹊母拍钤诖瞬灰欢ㄒ馕吨?，所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域也完全設(shè)有多孔的材料。 如下面還要詳細(xì)解釋的一樣，所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域原則上可以構(gòu)造為多孔的(但是比所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域孔隙更粗)，或者作為替代方案也可以構(gòu)造為開孔的結(jié)構(gòu)和/或完全敞開的結(jié)構(gòu)，但是一如既往地限定著擴(kuò)散。所述構(gòu)造為細(xì)孔結(jié)構(gòu)的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域由此至少主要地作為流動(dòng)限制結(jié)構(gòu)起作用，反之所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域至少主要地作為擴(kuò)散屏障起作用。因而提出一種擴(kuò)散屏障，該擴(kuò)散屏障在功能上代表著流動(dòng)屏障-擴(kuò)散屏障組合。
所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域如上面所描述的一樣尤其可以具有一種多孔的材料，該材料具有以下特性中的至少一個(gè)特性處于0. 03 μ m與3 μ m之間的孔隙大小；處于5%與60% 之間的孔隙度尤其小于40%的孔隙度。所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域尤其可以具有處于10 μ m與 200 μ m之間尤其處于20 μ m與100 μ m之間的厚度，也就是平行于所述氣體進(jìn)入路徑的局部方向的延展。所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域尤其可以包括多條也就是說比如2、3、4條或者更多條沿著所述氣體進(jìn)入路徑延伸的通道。這些通道優(yōu)選具有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微米的寬度和500到5000微米尤其1200到3000微米的長度。在此所述氣體進(jìn)入路徑可以如此構(gòu)成，使得來自測量氣體室的氣體在通往所述第一電極的路徑上基本上垂直于所述通道進(jìn)入到這些通道中。比如所述氣體進(jìn)入路徑可以為此目的而構(gòu)造為折彎的。但是原則上也可以稍許偏離垂直的進(jìn)入方式，比如考慮以小于 45°的角度的偏差。所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域比如至少可以部分地構(gòu)造為流動(dòng)屏障層和/或包括至少一個(gè)這樣的流動(dòng)屏障層。這個(gè)流動(dòng)屏障層尤其可以具有側(cè)向的延展，該側(cè)向的延展基本上平行于所述通道的縱向延展。所述流動(dòng)屏障層在這種情況下尤其至少可以部分地將所述通道覆蓋。所述氣體進(jìn)入路徑可以如此構(gòu)成，使得來自所述測量氣體室的氣體在通往所述第一電極的路徑上首先至少從所述流動(dòng)屏障層中穿過一次，而后穿過所述通道并且隨后可選至少再一次穿過所述流動(dòng)屏障層?？梢栽O(shè)想一種設(shè)計(jì)方案，在該設(shè)計(jì)方案中來自所述測量氣體室的氣體在通往所述第一電極的路徑上在沒有事先穿過所述流動(dòng)屏障層的情況下立即進(jìn)入到所述通道中，以便而后在從所述通道中出來之后穿過所述流動(dòng)屏障層，以到達(dá)所述第一電極處。所述傳感器元件尤其可以具有層構(gòu)造，該層構(gòu)造具有多個(gè)層面。所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域和第二擴(kuò)散屏障區(qū)域在這種情況下可以布置在不同的優(yōu)選彼此鄰接的層面中。比如可以將所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域完全或者部分地印刷到所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域上或者相反。 比如可以將所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的流動(dòng)屏障層印刷到所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域的通道上。 除此以外，所述氣體進(jìn)入路徑可以具有所述第一電極的布置在另一個(gè)優(yōu)選與所提到的層面不同的層面中的電極空腔。電極空腔在此是指與所述電極鄰接的敞開的或者用透氣的多孔的介質(zhì)充填的空腔，該空腔在所述電極之前形成蓄氣室。所述電極空腔在這種情況下應(yīng)該布置在所述擴(kuò)散屏障的后面。此外，所述氣體進(jìn)入路徑可以具有布置在另一個(gè)也可以與所述電極空腔的層面相同的層面中的連接空腔。該連接空腔布置在所述擴(kuò)散屏障的前面，并且優(yōu)選在沒有擴(kuò)散限制和/或流動(dòng)限制的情況下與所述測量氣體室處于連接之中。為此目的，比如在垂直于所述層面和/或平行于所述層面的情況下比如在所述傳感器元件的端面上設(shè)置進(jìn)氣孔。如上面已經(jīng)解釋的一樣，所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域尤其所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的布置在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域后面的部分優(yōu)選可以具有比所述連接空腔的氣體擴(kuò)散阻力大的擴(kuò)散阻力。所述按上面所描述的實(shí)施方式中的一種或者多種所述的傳感器元件相對于已知的傳感器元件具有大量的優(yōu)點(diǎn)。在此提出一種新穎的擴(kuò)散屏障方案，該擴(kuò)散屏障方案不僅在可加工性方面而且關(guān)于靜態(tài)的和/或動(dòng)態(tài)的功能測量參量的調(diào)節(jié)以及對積炭抵抗力和/ 或中毒抵抗力的提高的要求都符合將來幾代的傳感器元件的要求。所提出的流動(dòng)屏障-擴(kuò)散屏障組合結(jié)合最佳的電極空腔連接和連接到廢氣上的連接結(jié)構(gòu)可以考慮到這些要求。所述主擴(kuò)散阻力也就是所述擴(kuò)散屏障的全部擴(kuò)散阻力的較大的份額應(yīng)該在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域處下降。所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域如上面所描述的一樣比如應(yīng)該通過通道比如通過敞開的通道來實(shí)現(xiàn)。與此相反，所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域尤其可以構(gòu)造為細(xì)孔的層(流動(dòng)屏障層)比如具有處于0. 03 μ m與3 μ m之間的孔隙大小和/或處于5%與60%之間的孔隙度并且比如可以大面積地將所述通道遮蓋。通過這種處于擴(kuò)散路徑上的流動(dòng)屏障層的構(gòu)成，不僅實(shí)現(xiàn)較大的用于氣體的進(jìn)入?yún)^(qū)域而且實(shí)現(xiàn)最小的擴(kuò)散路徑長度。由此這個(gè)流動(dòng)屏障層主要作為流動(dòng)屏障也就是作為阻尼元件起作用，該流動(dòng)屏障在所述總擴(kuò)散阻力中占有微小的但是能夠通過層厚度調(diào)節(jié)的份額。通往擴(kuò)散路徑的進(jìn)氣口比如通過將這種流動(dòng)屏障-擴(kuò)散屏障組合遮蓋的氣密的遮蓋層中的開口來得到實(shí)現(xiàn)。這些開口比如一方面能夠通過連接空腔以及尤其進(jìn)氣孔(比如側(cè)面、端面和/或鉆孔的孔)能夠?qū)崿F(xiàn)廢氣側(cè)的連接，并且另一方面能夠通過可選的電極空腔來實(shí)現(xiàn)與所述第一電極之間的連接。所述傳感器元件的按本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)尤其在于得到改進(jìn)的可加工性、k值的調(diào)節(jié)的可能性以及提高的積炭抵抗力和/或中毒抵抗力。總之，所提出的設(shè)計(jì)考慮到提高的對用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的新一代極限電流傳感器或者傳感器元件的要求。對于柴油應(yīng)用方案來說尤其可以調(diào)節(jié)較小的k值，或者對于其它應(yīng)用方案來說可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)k值。微小的通過細(xì)孔的介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)散阻力(克努森擴(kuò)散)通過所提出的設(shè)計(jì)由于較大的進(jìn)入?yún)^(qū)域、較小的垂直于所述流動(dòng)屏障的壓力方向的擴(kuò)散路徑而以能夠可靠地可再現(xiàn)的方式得到保證。在與敞開的通道結(jié)構(gòu)和較高的擴(kuò)散阻力(氣相擴(kuò)散)的組合中，能夠?qū)崿F(xiàn)較小的k值。這些能夠彼此獨(dú)立地關(guān)于k值和擴(kuò)散阻力調(diào)節(jié)的流動(dòng)阻力及擴(kuò)散阻力由于所述流動(dòng)-擴(kuò)散屏障-組合的特殊的布置方式而能夠在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所述靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的參量的匹配和/或調(diào)節(jié)。此外，以較小的k 值產(chǎn)生微小的平均值偏移和/或動(dòng)態(tài)的壓力相關(guān)性。因此比如所述前置的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域可以具有大于0. 2bar或者更大的k值。所述后置的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域比如可以具有小于 0. 2bar的k值。對于較小的總k值來說，通過比如布置在所述構(gòu)造為第一擴(kuò)散屏障區(qū)域的形式的主擴(kuò)散阻力后面的、構(gòu)造為后置的具有與被遮蓋的表面相匹配的擴(kuò)散阻力的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的形式的流動(dòng)屏障，所述電極連接空腔的流動(dòng)負(fù)荷在通往擴(kuò)散屏障的過渡帶的區(qū)域中得到均勻處理并且相應(yīng)地將該體積降低到最低限度。由此可以在實(shí)現(xiàn)較小的k值時(shí)抑制所述DDA/MWV的上升，因?yàn)樗鲭姌O空腔體積直接與所述動(dòng)態(tài)的參量相關(guān)聯(lián)。除了這種通過所述電極空腔體積實(shí)現(xiàn)的作用之外，所述流動(dòng)屏障作為布置在所述主擴(kuò)散阻力前面的并且也可選布置在其后面的克努森擴(kuò)散阻力(流動(dòng)屏障)通常作為阻尼元件起作用。如果在作為均勻器起作用的所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的第二部分的后面設(shè)置了電極連接空腔(但是該電極連接空腔也可以省去，從而可以直接連接到所述電極上)，那么通常應(yīng)該如此選擇該均勻器的擴(kuò)散阻力，從而盡可能均勻地向所述第一電極加載氣體。尤其所述第一電極和/ 或電極連接空腔比如可以沿所述通道的縱向方向?qū)⑺龅谝粩U(kuò)散屏障的一個(gè)區(qū)域覆蓋，該區(qū)域的氣體濃度梯度比如氧氣濃度梯度應(yīng)該通過所述均勻器得到均勻處理。其它的優(yōu)點(diǎn)在蝕班抵抗力方面獲得。前置的細(xì)孔的構(gòu)造為比如具有小于40%的孔隙度的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域的形式的流動(dòng)屏障象前置的過濾器一樣起作用。所提出的設(shè)計(jì)提供這樣的可能性，也就是將進(jìn)口區(qū)域設(shè)計(jì)為大面積的結(jié)構(gòu)并且由此獲得較小的流動(dòng)密度并且通過在過濾器中實(shí)現(xiàn)流動(dòng)梯度這種方式來將積炭也就是過濾孔的堵塞的對特性曲線的影響降低到最低限度。通過前置的過濾器中的流動(dòng)密度梯度，可以建立平行的傳導(dǎo)路徑， 所述平行的傳導(dǎo)路徑可以對于一定程度的積炭，也就是說通過在進(jìn)口區(qū)域中摻有顆粒的氣孔，對這種積炭進(jìn)行補(bǔ)償，而沒有在所述傳感器元件的使用壽命期間超過允許的公差而影響所述功能性的參量。此外，通過所提出的設(shè)計(jì)來獲得提高的中毒抵抗力。均勻的電極負(fù)荷以及由此得到改進(jìn)的中毒抵抗力通過也稱為電極連接空腔的電極空腔的均勻的流動(dòng)負(fù)荷得到保證。所述電極空腔的均勻的流動(dòng)負(fù)荷則通過以下方式得到保證，即在作為真正的擴(kuò)散屏障起作用的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域的后面布置了作為流動(dòng)屏障起作用的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域，所述第一擴(kuò)散屏障的擴(kuò)散阻力可以與電極空腔幾何形狀相匹配和/或尤其與被所述電極和/或電極連接空腔覆蓋的通道端部的沿側(cè)向方向的擴(kuò)散阻力相匹配。其它的前提在此可以是所述第一電極的原則上能夠通過所述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的在出氣口上面的中心布置。其它的優(yōu)點(diǎn)在極限電流偏差和/或k值偏差方面獲得，所述極限電流偏差和/或 k值偏差在許多情況中是用于滑移調(diào)準(zhǔn)(Schubabgleich)的前提。所述氣體擴(kuò)散路徑的得到改進(jìn)的可加工性以及所述極限電流和k值的由此引起的更小的偏差通過所述擴(kuò)散屏障的組成部分的所提出的布置方式得到保證。對于傳統(tǒng)的傳感器元件來說尤其在壓力層的邊緣區(qū)域中出現(xiàn)的沾污和/或重疊的對所述極限電流和/或k值的偏差的影響的最小化通過可選的垂直于壓力方向從所述擴(kuò)散屏障的印刷的組成部分和/或氣體進(jìn)入路徑的其它組成部分、尤其連接元件中穿流這種方式來實(shí)現(xiàn)。


本發(fā)明的實(shí)施例在附圖中示出并且在緊接著的說明中進(jìn)行詳細(xì)解釋。附圖示出如下
圖1是按本發(fā)明的傳感器元件的一種實(shí)施例的剖面圖； 圖2是按圖1的傳感器元件的擴(kuò)散屏障的透視的詳細(xì)示意圖；并且圖3是按本發(fā)明的傳感器元件的第二種實(shí)施例的透視圖。
具體實(shí)施例方式圖1和2以不同的示意圖示出了按本發(fā)明的傳感器元件110的第一種實(shí)施例。 在此涉及寬帶-氧傳感器的一種實(shí)施例。為獲得這樣的寬帶-氧傳感器的其它細(xì)節(jié)和這樣的氧傳感器的運(yùn)行方式，比如可以參照上面已經(jīng)提到的現(xiàn)有技術(shù)或者比如可以參照DE 10 2006 062 060 Al。在此涉及具有明確的特性曲線的極限電流-稀薄混合氣傳感器 (Magersensor)。所述傳感器元件110具有層構(gòu)造，該層構(gòu)造具有第一電極112、第二電極 114和將這兩個(gè)電極112、114連接起來的固體電解質(zhì)116比如釔穩(wěn)定的二氧化鋯。所述兩個(gè)電極112、114在此在所示出的實(shí)施例中布置在同一個(gè)層面中。但是原則上也可以考慮其它的布置方式，比如具有上下疊置的電極112、114的布置方式，在這些布置方式中所述電極112、114比如布置在所述固體電解質(zhì)116的對置的側(cè)面上。此外，所述傳感器元件110在所示出的實(shí)施例中可選具有布置在該傳感器元件 110的表面上的還原電極118。這個(gè)還原電極118用于減小包括所述第一電極112、第二電極114和固體電解質(zhì)116的泵單元的內(nèi)阻并且可選用于其內(nèi)阻的可調(diào)節(jié)性。所述還原電極的作用原理比如在DE 10 2006 062 060 Al中得到說明，關(guān)于所述傳感器元件110的其它可能的細(xì)節(jié)也可以參照該專利文件。所述第二電極114在所示出的實(shí)施例中布置在基準(zhǔn)空氣通道120中。這條基準(zhǔn)空氣通道120比如可以將所述第二電極114與基準(zhǔn)空氣室比如機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)室連接起來。 “基準(zhǔn)空氣通道” 120這個(gè)概念在此應(yīng)該廣義地來理解并且比如也可以包括排氣通道。因此比如在所述第二電極114上抽出的氣體可以通過基準(zhǔn)空氣通道120逸出。在這種情況中， 所述基準(zhǔn)空氣通道120代表著排氣通道。原則上也可以考慮其它的設(shè)計(jì)方案，比如這樣一些設(shè)計(jì)方案，對于這些設(shè)計(jì)方案來說所述第二電極114直接或者間接地與測量氣體室122 處于連接之中。所述第一電極112能夠通過氣體進(jìn)入路徑1 用來自所述測量氣體室122的氣體來加載。這條氣體進(jìn)入路徑1 在所示出的實(shí)施例中包括布置在所述電極112、114的層面中的連接空腔126、區(qū)段128、設(shè)有擴(kuò)散屏障130的區(qū)段1 和同樣布置在所述電極112、 114的層面中的電極空腔132。在圖1中未示出所述連接空腔126的連接到所述測量氣體室122上的連接結(jié)構(gòu)，該連接結(jié)構(gòu)比如可以通過端面的孔、所述層面中的通道和/或垂直于所述層面的進(jìn)氣孔來實(shí)現(xiàn)。所述氣體在穿過氣體進(jìn)入路徑1 的路徑上經(jīng)過的擴(kuò)散路徑在圖1中象征性地通過箭頭134來表示。所述擴(kuò)散屏障130在所述層構(gòu)造中布置在具有電極112、114的層面的下方并且通過遮蓋層136與這個(gè)層面分開。如尤其可以從圖2中的透視的詳細(xì)示意圖中看出的一樣， 所述擴(kuò)散屏障130按本發(fā)明構(gòu)造為雙構(gòu)件的結(jié)構(gòu)并且具有構(gòu)造為平行于所述擴(kuò)散路徑134 伸展的通道140的形式的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138以及處于其上面的構(gòu)造為細(xì)孔的流動(dòng)屏障層144的形式的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142。將這兩個(gè)區(qū)域138、142在概念上合并為擴(kuò)散屏障 130，而在實(shí)際上所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142真正地作為流動(dòng)屏障起作用，反之真正的擴(kuò)散屏障則通過所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138構(gòu)成。所述流動(dòng)屏障層144在此在所示出的實(shí)施例中完全將所述通道140遮蓋，使得氣體在所述氣體進(jìn)入路徑IM上首先必須穿過所述流動(dòng)屏障層144，而后進(jìn)入到所述通道140中，通過所述通道140朝所述電極空腔132的方向流動(dòng)并且接著必須第二次穿過所述流動(dòng)屏障層144進(jìn)入到所述電極空腔132中。所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138可以以不同的方式構(gòu)成并且比如可以包括構(gòu)造為多孔地填充的、較小孔隙填充的、部分填充的和/或結(jié)構(gòu)化的通道的形式的通道140。這個(gè)第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138代表著主擴(kuò)散阻力并且在此比如用于調(diào)節(jié)較小的比如處于 0. OlbaKKO. 3bar之間的范圍內(nèi)的k值。但是按填充情況，也可以調(diào)節(jié)經(jīng)過調(diào)準(zhǔn)的比如處于0. 01bar<k<5bar的范圍內(nèi)的k值。相反，所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142的流動(dòng)屏障層144代表著細(xì)孔的流動(dòng)屏障。這涉及具有較高的比如k>0. 3bar的k值的范圍。這個(gè)流動(dòng)屏障層144大面積地將所述通道遮蓋，這產(chǎn)生阻尼和過濾作用。此外，這個(gè)流動(dòng)屏障層144引起流入密度梯度。此外，它保證了所述電極空腔132和/或連接空腔126的均勻的流動(dòng)負(fù)荷和/或擴(kuò)散負(fù)荷。它稍微提供總擴(kuò)散阻力以及由此的總極限電流Ip和總k值。通過這個(gè)流動(dòng)屏障層144的厚度和/或孔隙度，可以影響動(dòng)態(tài)的和/或靜態(tài)的參量，比如所述參量MWV、DDA和k值。由此比如可以以給定的k值和平均值變化在探測器精度方面調(diào)節(jié)最佳值。
與傳統(tǒng)的探測器幾何形狀相反(其中比如所述連接空腔126、擴(kuò)散屏障130和電極空腔132通過重疊的壓力層來制成，其是所述極限電流Ip和k值的偏差的原因)，對于所述傳感器元件110以及尤其多構(gòu)件式的擴(kuò)散屏障130的按本發(fā)明的設(shè)計(jì)來說，通過印刷時(shí)的不精確性引起的空腔臟污對擴(kuò)散阻力沒有影響并且由此也對功能性的參量比如Ip和k值沒有影響。此外，通過多孔的具有較大的進(jìn)入面也就是微小的流入密度和經(jīng)過通道140的足夠平行的流動(dòng)路徑和/或擴(kuò)散路徑的流動(dòng)屏障層144，通過進(jìn)入面上的流入密度梯度的實(shí)現(xiàn)，來獲得提高的積炭抵抗力。所述電極空腔132和所述第一電極112的表面尤其可以上下疊置地并且在所述擴(kuò)散屏障130的上方布置在中心處，其中比如所述第一電極112可以在所述電極空腔132的上面布置在中心處，所述電極空腔132也作為電極連接空腔起作用?？傊枋龅氖痉缎缘卦趫D1和2中示出并且擁有多構(gòu)件式的擴(kuò)散屏障130的傳感器元件110相對于傳統(tǒng)的傳感器元件110具有一系列的優(yōu)點(diǎn)和附加的選擇可能性。因此傳統(tǒng)的寬帶探測器通常遵循這種方案，即擴(kuò)散路徑平行于壓力方向來構(gòu)成并且擴(kuò)散元件被氣體側(cè)向地先后從中流過。為此有必要將多孔的擴(kuò)散屏障的流入?yún)^(qū)域和/或流出區(qū)域通過空腔連接到氣體路徑比如鉆孔的進(jìn)氣孔上。為此用厚層技術(shù)(Dickschicht-Technik)F 僅將擴(kuò)散屏障而且將空腔多次并排地?cái)D壓到具有安全重疊結(jié)構(gòu)(SicherheitsUberIapp)W 膜墊上。所述壓力層的不可避免的臟污和泄漏在擴(kuò)散元件比如空腔和擴(kuò)散屏障重疊時(shí)引起相當(dāng)大的偏差。因?yàn)榭涨恢?氣相擴(kuò)散占優(yōu)勢)和擴(kuò)散屏障(克努森擴(kuò)散和氣相擴(kuò)散，按照孔隙大小分布以0. 1到5的比例)擴(kuò)散形式大為不同，所以從中產(chǎn)生較高的總擴(kuò)散阻力的偏差的數(shù)值并且由此在極限電流Ip和k值方面產(chǎn)生較高的數(shù)值。因此，以往對于所有系列傳感器元件來說通常在新的傳感器元件上必須對極限電流進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)。與此相反，所述擴(kuò)散屏障130的在圖1和2中示出的新穎的方案規(guī)定，所述擴(kuò)散路徑原則上必須垂直于壓力方向通過所述擴(kuò)散屏障130的比如在絲網(wǎng)印刷中在這種情況下上下疊置地制造的元件來產(chǎn)生。尤其所述氣體基本上垂直地穿過所述擴(kuò)散屏障層144，以到達(dá)所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138的通道140中。由此排除在所述壓力層的棱邊上的以及在連接到所述擴(kuò)散屏障130上的側(cè)向的擴(kuò)散屏障-空腔連接結(jié)構(gòu)上的臟污的影響，并且將由于加工引起的關(guān)于極限電流和/或k值的偏差降低到最低限度。剩余的由于在疊層(Laminat) 上的不一致的層厚度引起的偏差比如必要時(shí)可以通過滑移調(diào)準(zhǔn)策略進(jìn)一步加以排除。比如通過壓力層尤其所述至少一個(gè)流動(dòng)屏障層144來連接到所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138的作為擴(kuò)散屏障130的真正的擴(kuò)散阻力起作用的通道140上。通過這種方式可以保證所述提供真正的擴(kuò)散阻力的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138連接到所述空腔1 和/或132上。所述流動(dòng)屏障層144被垂直地穿流。所述通道140(即這樣的區(qū)域，也就是在該區(qū)域中所述主擴(kuò)散阻力下降)垂直于所述流動(dòng)屏障層144的壓力層獲得面狀的垂直于壓力方向伸展的進(jìn)入擴(kuò)散。Ip 和k值沒有受到所有確定擴(kuò)散阻力的壓力層的臟污的影響。所述電極空腔132也可以構(gòu)造為多構(gòu)件式的結(jié)構(gòu)并且如在圖1中示出的一樣可以在所述真正的電極空腔132的下方包括連接到所述流動(dòng)屏障層144上的電極連接空腔146。 在氣體垂直地流入到所述電極連接空腔146中并且可以均勻地分布在電極空腔132中之前，所述氣體擴(kuò)散到所述提供主擴(kuò)散阻力的通道140中。所述通道140中的擴(kuò)散路徑的長度以及由此所述擴(kuò)散阻力的大小尤其可以通過遮蓋層136中的開口的間距并且由此僅僅通過一個(gè)很好地定義的過程步驟來確定。所述通道140尤其可以具有處于0. 5與5mm之間尤其1. 5mm的長度。如此定位所述遮蓋層136中的開口，使得所述通道140的伸出的通道端部無助于擴(kuò)散阻力。由此可以得到排除所述通道140的端部上的臟污的對極限電流和/ 或k值的影響。此外，在加工技術(shù)上比如在印刷遮蓋層136時(shí)通過泄漏和/或臟污而引起的在所述開口幾何形狀中留下的差異對擴(kuò)散阻力的大小只有邊際的影響，因?yàn)樗鰯U(kuò)散路徑的長度大約比所述開口幾何形狀中的可預(yù)料的差異大100倍。所提出的設(shè)計(jì)由此在有利于通過在柴油應(yīng)用方案中的滑移調(diào)準(zhǔn)策略實(shí)施的調(diào)準(zhǔn)的情況下，滿足了對極限電流的微小的新值偏差的要求以排除傳感器元件調(diào)準(zhǔn)，所述傳感器元件調(diào)準(zhǔn)引起較高的成本。此外，可以容易地對所述傳感器元件110的在圖1和2中示出的設(shè)計(jì)進(jìn)行匹配，用于對動(dòng)態(tài)的和/或靜態(tài)的測量參量進(jìn)行優(yōu)化。因此比如對于柴油廢氣中的測量的精度來說，對于整個(gè)的擴(kuò)散屏障130需要較小的比如k<0. 3bar的k值。這個(gè)k值小于通常在傳統(tǒng)的氧傳感器中實(shí)現(xiàn)的典型地高于0.4bar的k值。借助于所述按本發(fā)明的設(shè)計(jì)來如此形成所述擴(kuò)散路徑134，從而可以相對于克努森擴(kuò)散來相應(yīng)地提升氣相擴(kuò)散的在總擴(kuò)散阻力中所占份額。此外可能必要的是，如此構(gòu)造用于較小的k值的設(shè)計(jì)，從而沒有如此提高平均值偏移，以致其毀掉在k值較小時(shí)得到改進(jìn)的精度的優(yōu)點(diǎn)。由于在降低k值時(shí)所述平均值偏移上升這個(gè)趨勢，對于在柴油排氣系中運(yùn)行時(shí)探測器精度的最大值來說必須找到并且有針對性地調(diào)節(jié)用于這兩個(gè)數(shù)值的最佳值。通過具有作為流動(dòng)屏障起作用的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域 142和作為真正的擴(kuò)散阻力起作用的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138的擴(kuò)散屏障130的按本發(fā)明的設(shè)計(jì)，能夠精確地實(shí)現(xiàn)這種優(yōu)化，其中所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138具有其敞開的或者開孔的通道140。如此形成所述氣體進(jìn)入路徑124，使得所述主擴(kuò)散阻力在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138的敞開的或者開孔的通道140處下降。所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142通過大面積的構(gòu)造為細(xì)孔結(jié)構(gòu)的流動(dòng)屏障層144得到實(shí)現(xiàn)。進(jìn)氣口通過密封的遮蓋層136中的開口得到實(shí)現(xiàn)。通過所述敞開的或者開孔的通道140，所述主擴(kuò)散阻力主要通過氣相擴(kuò)散來承擔(dān)，并且所要求的處于0. Olbar與0. 3bar之間的k值按用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用情況的通道140 的結(jié)構(gòu)化、寬度和高度得到實(shí)現(xiàn)。在所述敞開的通道140的擴(kuò)散阻力的前面和/或后面布置了構(gòu)造為流動(dòng)屏障層144的形式的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142。這個(gè)第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142 可以作為由細(xì)孔的材料制成的層得到實(shí)現(xiàn)并且可以大面積地將通道140遮蓋。通往這個(gè)第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142的進(jìn)氣口如上面示出的一樣通過所述遮蓋層136中的開口得到實(shí)現(xiàn)， 所述開口在附圖中普遍地用附圖標(biāo)記148、150來表示。因?yàn)樗龆嗫椎牧鲃?dòng)屏障層144中的擴(kuò)散阻力比所述通道140中的擴(kuò)散阻力大了許多倍，所以廢氣垂直地穿過這個(gè)比如構(gòu)造為壓力層的比如具有20到100 μ m的厚度的流動(dòng)屏障層144擴(kuò)散到所述通道144中?？梢匀绱藰?gòu)造這種設(shè)計(jì)，使得所述多孔的擴(kuò)散屏障層144的擴(kuò)散阻力由于垂直地從該層中穿流并且通過微小的層厚度(路徑長度)而與所述通道140中的阻力相比小了幾個(gè)等級。該設(shè)計(jì)因而保證，所產(chǎn)生的總極限電流和所產(chǎn)生的總k值僅僅有限地受到這個(gè)作為流動(dòng)屏障起作用的擴(kuò)散屏障層144的限制。所述通道140的k值和極限電流確定所述傳感器元件110的k值或者極限電流。此外，所述多孔的流動(dòng)屏障層144可以具有阻尼效應(yīng)， 所述阻尼效應(yīng)不會(huì)讓所述DDA和MWV過度地上升。這個(gè)構(gòu)造為流動(dòng)屏障層144的形式的細(xì)孔的流動(dòng)屏障在所述擴(kuò)散屏障130的流出區(qū)域中在總體上也使后面的電極空腔132和/或其電極連接空腔146均勻地受到負(fù)荷。如果針對擴(kuò)散阻力來如此構(gòu)造所述作為流動(dòng)屏障起作用的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142比如所述流動(dòng)屏障層144，使得已經(jīng)在到這個(gè)流動(dòng)屏障層144 的總的界面上均勻地從所述電極空腔132和/或電極連接空腔146中流過，因此可以以最小化的連接空腔高度來實(shí)現(xiàn)所述第一電極112的均勻的電極負(fù)荷。但是，將所述電極空腔 132的體積降低到技術(shù)上的最小值這種做法是用于所述DDA或者M(jìn)WV的較低的數(shù)值的基本前提。所提出的具有擴(kuò)散屏障和流動(dòng)屏障的特殊的布置方式的設(shè)計(jì)因而首次提供以最小化的電極空腔高度將較小的k值、均勻的電極負(fù)荷以及適度的MWV/DDA彼此統(tǒng)一起來的方案。 如果所述流動(dòng)屏障層144在整個(gè)連接表面的范圍內(nèi)起到完全均勻化的作用，那就必要時(shí)可以將所述電極空腔高度降低到零。如果所述流動(dòng)屏障層144由于太高的孔隙度和/或太小的層厚度而起到有限制地均勻化的作用，那就應(yīng)該通過所述電極空腔高度的擴(kuò)大來實(shí)現(xiàn)均勻化。所述電極空腔146比如可以具有處于20與200微米之間的高度。所述流動(dòng)屏障層144也可以僅僅布置在所述可以作為擴(kuò)散屏障層起作用的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138的后面或者僅僅布置在其前面。尤其這一點(diǎn)可以結(jié)合將所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138構(gòu)造為通道140的形式這種做法來實(shí)現(xiàn)。通過這種方式，所述流動(dòng)屏障比如可以作為均勻化層來起作用或者構(gòu)造為均勻化層。所述均勻化層尤其在這種情況下并且為了均勻化的目的而應(yīng)該具有比所述優(yōu)選構(gòu)造為通道140的形式的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138小的孔隙度。在此按照所述流動(dòng)屏障層144的層厚度和孔隙度，這個(gè)層的擴(kuò)散阻力的在總擴(kuò)散阻力中所占份額以及由此在所述極限電流中、在k值中、在DDA中和在MWV中所占份額以及氣體分布，即使沒有彼此獨(dú)立，但是也可以按使用條件而有針對性地得到調(diào)節(jié)，以獲得較高的精度。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，在所提出的用于有針對性地調(diào)節(jié)這些靜態(tài)的和/或動(dòng)態(tài)的參量的設(shè)計(jì)方案中，僅僅需要在非常有限的范圍內(nèi)進(jìn)行布局匹配。如果比如所述MWV對于較小的有待調(diào)節(jié)的k值來說太高，那么通過所述流動(dòng)屏障層144的層厚度的匹配和/或所述材料的孔隙度的減小就已經(jīng)可以提高所述多孔的流動(dòng)屏障層144的擴(kuò)散阻力(克努森擴(kuò)散)在總擴(kuò)散阻力中所占份額，隨之出現(xiàn)k值的提高和MWV的減小。因此，按要求和使用條件可以實(shí)現(xiàn)探測器精度的最優(yōu)值。結(jié)合通過所述通道140的通道幾何形狀和/或通道充填程度來額外地向所述擴(kuò)散阻力份額和/或擴(kuò)散特性并且由此向所述動(dòng)態(tài)的和/或靜態(tài)的參量施加影響的方案，來提高所述優(yōu)化的可能性。因此，利用所述作為擴(kuò)散阻力或者作為流動(dòng)阻力起作用的能夠彼此獨(dú)立地變化的擴(kuò)散屏障區(qū)域138、142的設(shè)計(jì)，可以在較寬的范圍內(nèi)尤其對于高溫極限電流探測器來說比較容易并且廣泛地改變動(dòng)態(tài)的和/或靜態(tài)的參量，方法是比如一方面可以相應(yīng)地設(shè)計(jì)通道結(jié)構(gòu)化(比如通過能夠再現(xiàn)的狹窄部位)、通道幾何形狀(比如通過入口橫截面和/或長度)、 通道充填程度(敞開、多孔、敞開并且多孔)，并且另一方面可以相應(yīng)地構(gòu)造所述流動(dòng)屏障層 144的材料(孔隙度)和幾何形狀(厚度、進(jìn)入面)。所述傳感器元件110的所提出的設(shè)計(jì)的突出之處也在于相對于傳統(tǒng)的傳感器元件顯著地得到改進(jìn)的積炭抵抗力和中毒抵抗力。因此如此形成所述組合的流動(dòng)/擴(kuò)散屏障 130的進(jìn)口區(qū)域，使得顆粒按大小并且根據(jù)所述作為流動(dòng)屏障起作用的流動(dòng)屏障層144的厚度及孔隙度或者組成而在那里被阻止繼續(xù)輸送。流往所述第一電極112的顆粒流通過所述多孔的流動(dòng)屏障層144的過濾作用在保持較小的k值的情況下至少在很大程度上受到阻止，因?yàn)橥ㄟ^所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142形成的流動(dòng)屏障借助于所提出的設(shè)計(jì)方案可以構(gòu)造得很薄并且由此可以將這個(gè)克努森擴(kuò)散阻力對總擴(kuò)散阻力的貢獻(xiàn)保持在微小的程度上。為了在此將作為過濾器起作用的入口區(qū)域的積炭降低到最低限度，所提出的設(shè)計(jì)能夠?qū)⑺鲎鳛榱鲃?dòng)屏障起作用的流動(dòng)屏障層144的進(jìn)口區(qū)域構(gòu)造得大于傳統(tǒng)的傳感器元件110許多倍。由此將流入密度減小了 3到15倍，并且顯著降低易積炭性。此外，通過所述設(shè)計(jì)來產(chǎn)生流入密度梯度(能夠通過面積、厚度和孔隙度來調(diào)節(jié))。由此將比如由于所述流動(dòng)屏障層144、擴(kuò)散屏障進(jìn)口區(qū)域的氣孔的堵塞引起的積炭的對探測器信號的影響降低到最低限度，方法是首先具有最大的流入密度的區(qū)域出現(xiàn)積炭并且具有一開始較小的流入密度的區(qū)域可以在所述傳感器元件110的使用壽命期間對此進(jìn)行補(bǔ)償。因?yàn)檫@些平行的傳導(dǎo)路徑在所提出的設(shè)計(jì)中僅僅微不足道地延長處于下面的通道140的主擴(kuò)散阻力的擴(kuò)散路徑，所以這在某種積炭程度之內(nèi)對所述傳感器元件10的特性曲線沒有影響或者只有微不足道的影響。盡管較小的k值，所提出的設(shè)計(jì)因而也提供通過較大的進(jìn)入面、流入密度梯度和所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142的厚度和/或孔隙度的變化來決定性地改進(jìn)積炭抵抗力的方案。得到改進(jìn)的中毒抵抗力也就是所述電極112的更小的易中毒性通過所述作為嵌入式電極起作用的第一電極112上的均勻的電流密度分布來得到保證。與既有的具有擴(kuò)散阻力和/或電極空腔的側(cè)向穿流以及由此引起的不均勻的電極負(fù)荷(電流密度分布)這些特征的方案相反，在所述傳感器元件110的所提出的設(shè)計(jì)方案中所述電極112以其電極表面垂直于擴(kuò)散路徑134來布置，比如布置在垂直于擴(kuò)散方向布置的電極空腔132上面。因?yàn)檫@個(gè)電極空腔132也可以均勻地受到負(fù)荷，所以所述作為流動(dòng)屏障起作用的流動(dòng)屏障層 144可以在所述擴(kuò)散屏障130的出氣口上起作用。在此要指出，這個(gè)作為流動(dòng)屏障起作用的流動(dòng)屏障層144在通往電極空腔132的第二開口 150上可以與通往連接空腔1 的第一開口 144上的流動(dòng)屏障層144相同或者分開。在圖1和2所示出的實(shí)施例中，在此它是一個(gè)共同的流動(dòng)屏障層144。但是，原則上也可以考慮其它的設(shè)計(jì)方案。為獲得更好的可加工性和/或過程可靠性，優(yōu)選使用一個(gè)唯一的流動(dòng)屏障層144。但是，所述作為流動(dòng)屏障起作用的流動(dòng)屏障層144的厚度、孔隙度和出口表面對于這種均勻的負(fù)荷來說應(yīng)該與所述空腔高度、電極表面和總的擴(kuò)散阻力相匹配。為獲得均勻的電極負(fù)荷和較小的MWV，最佳的是，對于所述電極連接空腔146來說尤其在所述第二開口 150的區(qū)域中實(shí)現(xiàn)具有相匹配的厚度和/或孔隙度的流動(dòng)屏障，該流動(dòng)屏障的擴(kuò)散阻力高于所述通道140的在第二開口 150的區(qū)域中的擴(kuò)散阻力。由此在所述電極空腔132的連接到作為流動(dòng)屏障起作用的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142上的連接面的整個(gè)區(qū)域的范圍內(nèi)保證均勻的負(fù)荷，并且所述電極空腔132可以在高度方面降低到最低限度并且由此也可以將所述通過電極空腔132的容積引起的DDA和/或MWV降低到最低限度。作為替代方案，在所述電極空腔132的連接面上的流動(dòng)不均勻性可以通過用于均勻的電極負(fù)荷的空腔高度的擴(kuò)大也就是更為均勻的電流密度分布部分地得到平衡，但是這通常以動(dòng)態(tài)的探測器特性為代價(jià)而得到實(shí)現(xiàn)。因而所提出的設(shè)計(jì)提供盡管最小的電極空腔高度和由此引起的較小的MWV也提高中毒抵抗力的方案，方法是后置的作為流動(dòng)阻力起作用的具有相匹配的擴(kuò)散阻力的擴(kuò)散屏障層144作為所述作為在真正的擴(kuò)散屏障起作用的具有較小的k值的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域 138 (通道140)上面的遮蓋層，保證了所述第一電極112的均勻的電極空腔負(fù)荷和均勻的電流密度分布。從上面的解釋中也可以清楚地看出，對所述作為流動(dòng)屏障起作用的第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138的要求在所述擴(kuò)散屏障130的第一開口 148的進(jìn)口區(qū)域中以及在其第二開口 150 的出口區(qū)域中，可以按照用于調(diào)節(jié)極限電流和/或k值并且用于構(gòu)造傳感器元件尤其泵單元的擴(kuò)散屏障設(shè)計(jì)的所要求的構(gòu)造而有區(qū)別。通過這種方式比如可以保證與不同的電極幾何形狀、不同的電流密度及類似參量相匹配。比如對所述處于開口 148處的進(jìn)氣口的區(qū)域中的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142的要求可以要求所述流動(dòng)屏障層144的更小的層厚度并且在所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142的這個(gè)部分的在所述擴(kuò)散屏障130的總擴(kuò)散阻力中所占的擴(kuò)散阻力份額較小時(shí)要求較高的孔隙度和較小的孔隙大小。由此在入口區(qū)域中的過濾作用以及流動(dòng)密度梯度的形成可以以所述傳感器元件的較小的k值來保證積炭抵抗力。與此相反，所述布置在第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138后面也就是布置在所述第二開口 150的區(qū)域中的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142的結(jié)構(gòu)則可以有所區(qū)別。因此比如所述布置在第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138后面也就是比如布置在所述第二開口 150的區(qū)域中的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域 142的擴(kuò)散阻力的匹配在用于氣體均勻地從電極連接空腔146中穿流并且由此用于均勻的電極負(fù)荷的出口區(qū)域中為保證中毒穩(wěn)定性而要求比在所述第一開口 148處的進(jìn)口區(qū)域中也就是在布置在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域138前面的區(qū)域中高的擴(kuò)散阻力。對于所述按本發(fā)明的傳感器元件110來說也可以對這種想法加以考慮。這種設(shè)計(jì)提供匹配的可能性，因?yàn)樵谥圃炝鲃?dòng)屏障層144時(shí)比如在絲網(wǎng)印刷時(shí)這個(gè)流動(dòng)屏障層144 比如在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)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數(shù)目的印刷步驟， 并且由此通過所述前置的或者后置的流動(dòng)屏障層144的高度調(diào)節(jié)不同的用于進(jìn)口及出口區(qū)域的擴(kuò)散特性。作為替代方案，可以按所述通道140的擴(kuò)散阻力和所述作為流動(dòng)屏障起作用的流動(dòng)屏障層144的構(gòu)造來匹配用于所述作為流動(dòng)屏障起作用的流動(dòng)屏障層144的進(jìn)口區(qū)域及出口區(qū)域中的空腔連接結(jié)構(gòu)的遮蓋層136中的開口 148、150的大小，并且由此可以有區(qū)別地構(gòu)成擴(kuò)散阻力。為了在所述作為流動(dòng)屏障起作用的第二擴(kuò)散屏障區(qū)域142尤其流動(dòng)屏障層144的擴(kuò)散阻力通常較高時(shí)為保證均勻的電極空腔高度而在進(jìn)口區(qū)域中也產(chǎn)生流動(dòng)密度梯度，應(yīng)該優(yōu)選相應(yīng)地將所述進(jìn)口區(qū)域中的開口 148選擇得如此之大，用于減小在這個(gè)位置上的擴(kuò)散阻力。圖3示出了按本發(fā)明的傳感器元件110的第二種實(shí)施例。該實(shí)施例首先在大部分部件方面相當(dāng)于圖1和2中的實(shí)施例，因而可以在很大程度上參照上面關(guān)于這兩張附圖的說明。與上面的實(shí)施例不同的是，圖3示出，原則上所述第一電極112和第二電極114也可以布置在所述層構(gòu)造的不同的層面中。因此在按圖3的實(shí)施例中所述比如可以構(gòu)造為雙構(gòu)件結(jié)構(gòu)的第二電極114布置在較高的層面中并且布置在一個(gè)固體電解質(zhì)116或者多個(gè)固體電解質(zhì)層的對置的側(cè)面上。
此外，在按圖1和2的實(shí)施例中進(jìn)氣口 152布置在所述傳感器元件110的端面154 上。但也并非務(wù)必如此。因此圖3中的實(shí)施例示出，所述進(jìn)氣口 152也可以設(shè)置在所述傳感器元件110的層構(gòu)造的上側(cè)面156上并且比如可以通過穿過所述層構(gòu)造并且比如可以構(gòu)造為孔眼的出氣孔158與所述擴(kuò)散屏障130或者可選的連接空腔1 相連接。
權(quán)利要求
1.傳感器元件(110)，用于確定測量氣體室(122)中的氣體的至少一種特性，尤其用于確定所述測量氣體室(122)中的氣體成分的份額，該傳感器元件(110)包括至少一個(gè)第一電極(112)，此外包括至少一個(gè)第二電極(114)和至少一個(gè)將所述第一電極(112)與第二電極(114)連接起來的固體電解質(zhì)(116)，其中所述第一電極(112)能夠通過氣體進(jìn)入路徑 (124)用來自所述測量氣體室(122)的氣體來加載，其中所述氣體進(jìn)入路徑(124)具有至少一個(gè)擴(kuò)散屏障(130)，其中所述擴(kuò)散屏障(130)具有至少一個(gè)第一擴(kuò)散屏障區(qū)域(138)和至少一個(gè)第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)，其中所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)構(gòu)造成比所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域(138)孔隙更細(xì)。
2.按前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器元件(110)，其中所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)布置在所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域(138)的前面和/或后面。
3.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(110)，其中來自所述測量氣體室 (122)的氣體首先從所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)中穿過，而后從所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域 (138)中穿過并且接著再度從所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域中穿過。
4.按前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器元件(110)，其中所述氣體垂直于層結(jié)構(gòu)從所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)中穿過并且側(cè)向于所述層結(jié)構(gòu)從所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域(138)中穿過。
5.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(110)，其中所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域 (138)占主要部分地提供所述擴(kuò)散屏障(130)的擴(kuò)散阻力，其中所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域 (142)在所述擴(kuò)散屏障(130)的始端和/或末端作為流動(dòng)屏障和/或均勻器起作用。
6.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(110)，其中所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域 (142)具有一種帶有以下特性中的至少一種特性的多孔材料處于0. 03 μ m與3 μ m之間的孔隙大??；處于5%與60%之間的孔隙度，尤其小于40%的孔隙度。
7.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(110)，其中所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域 (142)具有處于10 μ m與200 μ m之間的厚度，尤其處于20 μ m與100 μ m之間的厚度。
8.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(110)，其中所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域 (138)包括多條沿著所述氣體進(jìn)入路徑(124)延伸的通道(140)。
9.按前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器元件(110)，其中所述來自測量氣體室(122)的氣體在通往所述第一電極(112)的路徑上基本上垂直于所述通道(140)進(jìn)入到所述通道 (140)中。
10.按前兩項(xiàng)權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(110)，其中所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)至少部分地構(gòu)造為流動(dòng)屏障層(144)和/或包括至少一個(gè)流動(dòng)屏障層(144)，其中所述流動(dòng)屏障層(144)具有側(cè)向的延展，該側(cè)向的延展基本上平行于所述通道(140)的縱向延展。
11.按前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器元件(110)，其中所述流動(dòng)屏障層(144)至少部分地將所述通道(140)遮蓋。
12.按前兩項(xiàng)權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(110)，其中如此設(shè)置所述氣體進(jìn)入路徑(1M)，使得所述來自測量氣體室(122)的氣體在通往所述第一電極(112)的路徑上首先至少從所述流動(dòng)屏障層(144)中穿過一次，而后從所述通道(140)中穿過并且隨后至少再一次從所述流動(dòng)屏障層(144)中穿過。
13.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(110)，其中所述傳感器元件(110)具有層構(gòu)造，其中所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域(138)和第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)布置在不同的優(yōu)選彼此鄰接的層面中。
14.按前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器元件(110)，其中所述氣體進(jìn)入路徑(124)此外包括所述第一電極(112)的布置在另一個(gè)層面中的電極空腔(132)，其中所述電極空腔(132) 布置在所述擴(kuò)散屏障(130)的后面。
15.按前兩項(xiàng)權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(110)，其中所述氣體進(jìn)入路徑 (124)此外具有布置在另一個(gè)層面中的連接空腔(1 )，其中該連接空腔(1 )布置在所述擴(kuò)散屏障(130)的前面。
16.按前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器元件(110)，其中所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)尤其所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)的布置在第一擴(kuò)散屏障區(qū)域(138)后面的部分具有比所述連接空腔(1 )的氣體擴(kuò)散阻力大的擴(kuò)散阻力。
全文摘要
提出一種傳感器元件(110)，該傳感器元件(110)用于確定測量氣體室(122)中的氣體的至少一種特性尤其用于確定所述測量氣體室(122)中的氣體成分的份額。所述傳感器元件(110)包括至少一個(gè)第一電極(112)、至少一個(gè)第二電極(114)和至少一個(gè)將所述第一電極(112)與第二電極(114)連接起來的固體電解質(zhì)(116)。所述第一電極(112)能夠通過氣體進(jìn)入路徑(124)用來自所述測量氣體室(122)的氣體來加載。所述氣體進(jìn)入路徑(124)具有至少一個(gè)擴(kuò)散屏障(130)，該擴(kuò)散屏障(130)則具有至少一個(gè)第一擴(kuò)散屏障區(qū)域(138)和至少一個(gè)第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)。所述第二擴(kuò)散屏障區(qū)域(142)構(gòu)造成比所述第一擴(kuò)散屏障區(qū)域(138)孔隙更細(xì)。
文檔編號G01N27/419GK102483389SQ201080040575
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
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