用于检测测量气体室内的测量气体的至少一种特性的传感器元件制造技术

本发明专利技术涉及一种用于检测测量气体室内测量气体的至少一种特性的，特别是用于证明测量气体中的气体组分的含量或测量气体的温度的传感器元件(10)。该传感器元件(10)包括至少一个固体电解质层(12)和至少一个触点接通该固体电解质层(12)的电极(22)。电极(22)具有至少部分由陶瓷的材料制成的至少一个第一层(30)和至少部分由陶瓷的材料制成的第二层(32)。第一层(30)背对固体电解质层(12)。第二层(32)面朝固体电解质层(12)。第一层(30)的陶瓷的材料和第二层(32)的陶瓷的材料具有掺钇二氧化锆，尤其是掺氧化钇二氧化锆。第一层(30)的陶瓷的材料具有比第二层(32)的陶瓷的材料更高的钇掺杂度。第一层(30)具有比第二层(32)更高的孔隙度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
由现有技术已知多种用于检测测量气体室内测量气体的至少一种特性的传感器元件和方法。在此可以原则上涉及测量气体的任意的物理的和/或化学的特性，其中，可以检测一种或多种特性。本专利技术在下文中尤其参考对测量气体的气体组分的含量的质量的和/或数量的检测加以说明，特别是参考对在测量气体内的氧气成分含量的检测。氧气成分含量可以例如以分压力的形式和/或以百分比的形式被检测。但作为备选或附加地也能检测测量气体的其它的特性，例如温度。这种传感器元件例如可以被设计成所谓的进气量探测器，其例如由康拉德·海夫(发行人)的《机动车中的传感器》(2010年第1版)，160-165页公开。用宽带进气量探测器，特别是用平面的宽带进气量探测器，可以例如在很大范围内确定废气中的氧气浓度以及因此推断出燃烧室内的空燃比。空气系数λ说明这个空燃比。由现有技术尤其已知若干陶瓷的传感器元件，该陶瓷的传感器元件以特定固体的电解特性的应用为基础，亦即以这个固体的离子导电的特性为基础。这种固体尤其可以是陶瓷的固体电解质，如二氧化锆(ZrO2)，特别是钇稳定二氧化锆(YSZ)，也就是说掺氧化钇二氧化锆，以及掺钪二氧化锆(ScSZ)，它们可能包含氧化铝(Al2O3)和/或氧化硅(SiO2)添加物。这种传感器元件通常具有至少一个电极。该电极由所谓的金属陶瓷制成，也就是说，由陶瓷的材料在金属的母体中制造而成的复合材料构成。电极的陶瓷的材料除了真正的陶瓷的材料外还相应地具有金属的材料的含量。金属的材料通常是铂族金属以及优选是铂。DE19833087A1说明了一种气体传感器，其具有带至少一个测量电极的固体电解质。测量电极设计有导电的基础层和另一个层，其中，另一个层与基础层相邻地在多孔的覆盖层的细孔中被电镀地分离。DE10020082A1说明了一种电化学的测量传感器，其带有离子导电的固体电解质体和布置在该固体电解质体上的电极。电极具有至少两个层，其中，面朝气体室的第二层相比面朝固体电解质体的第一层具有更高的电子导电能力。WO2010/072460A1说明了一种用于陶瓷的传感器元件的结构化的电极。在固体电解质层和电极之间布置着中间层。尽管由现有技术公开的用于进气量探测器的传感器元件有大量优点，但这些传感器元件还蕴含改善潜力。因为电极在上述的现有技术中不是在传感器元件的整个使用寿命期间都是高效率的。高效率在上下文中意味着电极的每单位面积的最大的材料移置(电极容量)、针对碳氢化合物的氧化(HC氧化)的高度的催化活性以及氧气的离析(O2离析)和良好的低温特性。
技术实现思路
因此建议一种用于检测测量气体室内测量气体的至少一种特性的传感器元件，其至少尽量避免了已知的传感器元件的缺陷以及在传感器元件的整个使用寿命期间尤其提供了高效率的电极。电极可以是内部的泵电极(IPE)、外部的泵电极(APE)、内部的参考气体电极(IE)以及特别是外部的测量气体电极(AE)。按本专利技术的用于检测测量气体室内测量气体的至少一种特性的，特别是用于证明测量气体内的气体组分的含量或测量气体的温度的传感器元件，包括至少一个固体电解质层和至少一个触点接通固体电解质层的电极。电极在此可以直接或间接触点接通固体电解质层。电极具有至少部分由陶瓷的材料制成的至少一个第一层和至少部分由陶瓷的材料制成的第二层。第一层背对固体电解质层。第二层面朝固体电解质层。第一层的陶瓷的材料和第二层的陶瓷的材料具有掺钇二氧化锆，特别是掺氧化钇二氧化锆。第一层的陶瓷的材料具有比第二层的陶瓷的材料更高的钇掺杂度。第一层具有比第二层更高的孔隙度。第一层的陶瓷的材料可以具有8.0%至11.5%的摩尔百分比的氧化钇掺杂度。第二层的陶瓷的材料可以具有3.5%至6.5%的摩尔百分比的，例如5.5%摩尔百分比的氧化钇掺杂度。第一层可以具有10%至40%的体积百分比的孔隙度。第二层可以具有0%至8%的体积百分比的孔隙度。第一层可以比第二层更厚。第一层的层厚与第二层的层厚之比可以为1.25至50。第一层具有5.0μm至25.0μm的层厚。第二层可以具有0.5μm至4.0μm的层厚。第一层的陶瓷的材料还可以具有至少一种铂族金属材料的成分。第二层的陶瓷的材料还可以具有惟一一种铂族金属材料的成分。第一层的陶瓷的材料的铂族金属材料可以具有至少铂和铑。第二层的陶瓷的材料的铂族金属材料仅具有铂。在第二层的陶瓷的材料的铂族金属材料中的铂的份额可以至少为99.0%的重量百分比，优选至少99.5%的重量百分比以及还要优选为99.9%的重量百分比。在此力求特别优选为100%的重量百分比值。在第一层的陶瓷的材料的铂族金属材料中的铑的份额可以是1.0%至5.0%的重量百分比。第一层的陶瓷的材料可以是细粒的。第二层的陶瓷的材料可以是细粒和粗粒的混合。在第一层的陶瓷的材料中的掺杂二氧化锆的份额可以为2.0%至8.0%的重量百分比以及优选4.0%至8.0%的重量百分比。在第二层的陶瓷的材料中的掺钇二氧化锆的份额可以是10.0%至18.0%的重量百分比以及优选为10.0%至15.0%的重量百分比。在本专利技术的框架内，固体电解质指的是有电解特性的，亦即有离子导电特性的本体或物体。尤其可以是陶瓷的固体电解质。这种陶瓷的固体电解质也包括固体电解质的原材料以及因此包括作为在烧结后才变成固体电解质的所谓的生坯或棕坯。孔隙度在本专利技术的框架内指的是材料或材料混合物的空腔体积与总体积之比。铂族金属材料指的是这样一种材料，其具有铂族金属，也就是说，元素周期表的第五周期和第六周期的VIII至X族的元素的金属。这些尤其包括钌、铑、钯、锇、铱和铂。层在本专利技术的框架内指的是由统一的材料沿平坦的延伸长度构成的有特定的高度或层厚的物体或本体，其可以被布置在其它物体上、下、之间或上方。本专利技术的基本思想在于，用尽可能少量的所使用的铂来建造废气传感器的高效的电极。铂-金属陶瓷电极在此通常在丝网印刷工艺中被安装在陶瓷的载体上且在烧结后具有典型在5μm至25μm之间的层厚。作为备选，直接与固体电解质处于连接的第二电极层尤其也通过蒸发工艺或借助墨印/旋转，也就是说用与丝网印刷膏相比稀液状的、低粘性的悬浮液或“墨水”，或作为金属蒸汽被涂覆。效率在此定义为电极活性，特别是催化活性，以及电极的每单位面积的最大可能的材料移置。这种电极满足两个子任务，这两个子任务对材料组分、结构(也就是说孔隙度和密度)以及金属陶瓷的烧结特性提出了部分相反的要求。按照本专利技术建议，电极由至少两个层构成，这两个层鉴于它们各自的任务而被优化。因此面朝测量气体室的第一层例如具有这样的任务，即，实现到气体室的连接，负责金属表面和测量气体之间的最大的材料交换以及最大的催化活性。在此满足了形式为高孔隙度、纳米级的铂、分裂的表面、金属陶瓷每体积单元的三态点或反应中心的最大数量的材料要求，以及满足了带有肉眼可见的空腔和用于最大化氧离子导电能力的、有很高摩尔的氧化钇掺杂度的精细分配的YSZ或ScSZ的结构化。面朝固体电解质层的第二层具有连接到固体电解质层上的任务。因此例如必须用有低氧化钇掺杂度的YSZ制成的载体陶瓷完成例如到能斯脱单元上的连接。材料要求在此是良好的机械的连接、优化的材料接合、通过机械的制齿以及通过很高份额的有和载体材料相同的组分的YSZ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测测量气体室内测量气体的至少一种特性的，特别是用于证明测量气体中的气体组分的含量或测量气体的温度的传感器元件(10)，该传感器元件包括至少一个固体电解质层(12)和至少一个触点接通该固体电解质层(12)的电极(22)，其中，电极(22)具有至少部分由陶瓷的材料制成的至少一个第一层(30)和至少部分由陶瓷的材料制成的第二层(32)，其中，第一层(30)背对固体电解质层(12)，其中，第二层(32)面朝固体电解质层(12)，其中，第一层(30)的陶瓷的材料和第二层(32)的陶瓷的材料具有掺钇二氧化锆，尤其是掺氧化钇二氧化锆，其中，第一层(30)的陶瓷的材料具有比第二层(32)的陶瓷的材料更高的钇掺杂度，其中，第一层(30)具有比第二层(32)更高的孔隙度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.18 DE 102014211782.81.一种用于检测测量气体室内测量气体的至少一种特性的，特别是用于证明测量气体中的气体组分的含量或测量气体的温度的传感器元件(10)，该传感器元件包括至少一个固体电解质层(12)和至少一个触点接通该固体电解质层(12)的电极(22)，其中，电极(22)具有至少部分由陶瓷的材料制成的至少一个第一层(30)和至少部分由陶瓷的材料制成的第二层(32)，其中，第一层(30)背对固体电解质层(12)，其中，第二层(32)面朝固体电解质层(12)，其中，第一层(30)的陶瓷的材料和第二层(32)的陶瓷的材料具有掺钇二氧化锆，尤其是掺氧化钇二氧化锆，其中，第一层(30)的陶瓷的材料具有比第二层(32)的陶瓷的材料更高的钇掺杂度，其中，第一层(30)具有比第二层(32)更高的孔隙度。2.按照前述权利要求所述的传感器元件(10)，其中，所述第一层(30)的陶瓷的材料具有8.0%至11.5%的摩尔百分比的氧化钇掺杂度，其中，所述第二层(32)的陶瓷的材料具有3.5%至6.5%的摩尔百分比的氧化钇掺杂度。3.按照前述权利要求任一项所述的传感器元件(10)，其中，所述第一层(30)具有10%至40%的体积百分比的孔隙度，其中，所述第二层(32)具有0%至8%的体积百分比的孔隙度。4.按照前述权利要求任一项所述的传感器元件(10)，其中，所述第一层(30)比所述第二层(32)更厚。5.按照前述权利要求任一项所述的传感器元件(10)，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：J施奈德，F施坦格迈尔，L迪尔，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE