用于感测测量气体的至少一个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感测在测量气体空间(4)中的测量气体的至少一个特性的传感器元件，所述传感器元件具有至少一个传导氧离子的膜片(20)。所述至少一个膜片(20)沿层厚度方向(22)至少区段式地(S1.1、S1.2、S1.3)具有至少一个双层体(30)。所述双层体(30)由第一层(31)和第二层(32)构成，该第一层主要包含第一材料(41)，该第二层主要包含不同于所述第一材料(41)的第二材料(42)。

A sensor element for sensing at least one characteristic of a gas.

The invention relates to a sensor element for sensing at least one characteristic of a measuring gas in the measurement of gas space (4), which has at least one diaphragm (20) for conducting oxygen ions. At least one diaphragm (20) has at least one double layer (30) in the direction of layer thickness (22), at least (S1.1, S1.2, S1.3). The double-layer body (30) is made up of the first layer (31) and the second layer (32), and the first layer mainly comprises the first material (41), the second layer mainly contains second materials (42) which are different from the first material (41).

【技术实现步骤摘要】
用于感测测量气体的至少一个特性的传感器元件
本专利技术涉及一种用于感测在测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器元件以及一种用于制造这种传感器元件的方法。
技术介绍
由现有技术已知多种用于感测在测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器元件和方法。在此，基本上涉及测量气体的任意的物理和/化学特性，其中，可以感测一个或多个特性。下面尤其关于测量气体的气体成分含量的定性和/或定量感测来说明本专利技术，尤其关于测量气体中的氧含量或二氧化氮含量的感测。氧含量可以例如以分压力形式和/或以百分比形式来感测。替代地或附加地，也可以感测测量气体的其他特性，例如温度。由现有技术尤其已知陶瓷传感器元件，该陶瓷传感器元件基于一定固体的电解特性的利用，即基于该固体的离子传导特性。这种固体尤其是陶瓷固体电解质。这类传感器元件例如可以构型为所谓的λ传感器或构型为二氧化氮传感器，如由K.Reif,Deitsche,K-H.等人编著的“KraftfahrtechnischesTaschenbuch”SpringerVieweg，Wiesbaden，2014年1338～1347页中所知。通过宽带λ传感器、尤其通过平面的宽带λ传感器，可以例如在很大范围内确定废气中的氧浓度并从而推断出燃烧室中的空燃比。空气系数入(Lambda)描述该空燃比。二氧化氮传感器确定废气中的二氧化氮含量和氧含量。尽管由现有技术已知的传感器元件和用于制造传感器的方法具有多个优点，但其仍有改进潜力。现在固体电解质-气体传感器例如作为呈λ传感器形式的氧气传感器使用。作为对此的技术基础使用陶瓷厚层技术，该厚层技术在结构宽度方面(该结构宽度典型地大于30μm)和在层厚度方面(该层厚度典型地大于10μm)只允许大的最小尺寸。
技术实现思路
本专利技术由以下认知出发：替代于厚层技术传感器元件可以有利地使用微电化学的传感器元件(MECS)。则与厚层技术相比沿层厚度方向较薄的、尤其是传导离子的膜片可以作用为传感器元件的敏感元件。在膜片的下侧和上侧布置的电极在本申请的上下文中被视为不属于膜片，并且在确定膜片层厚度时也不被考虑。而是将由电极、膜片和其他电极组成的系统称为能斯特电池(Nernstcell)，因为通过量取沿着膜片的层厚度方向与膜片分开的两个电极之间的电压，可以感测能斯特电压，由该能斯特电压可以推断出测量气体和与其分开的参考气体之间的氧比例。但是已表明，在使用这种膜片时需要相对较高、例如高于750℃的温度，以便保证通过膜片的足够的离子传导能力。这引起传感器元件的高功率消耗，该功率消耗对例如汽车的车载电网造成负担。此外，由于高运行温度造成相对较长(例如数秒)的启动时间，直到传感器元件由冷的状态变为准备好使用并且能够以需要的精度感测测量气体的特性。因此可存在这样的需求，提供一种薄层技术传感器元件，该传感器元件在较低温度的情况下提供足够高的离子传导能力。根据本专利技术的一方面，提出一种用于感测测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器元件。该传感器元件可以例如适用于感测测量气体中的气体成分或者测量气体的温度。传感器元件具有至少一个传导氧离子的膜片或者说该传感器元件以至少一个传导氧离子的膜片构成。膜片至少区段式地具有至少一个双层体。在此，沿着层厚度方向观察，所述双层体由第一层和第二层构造，该第一层主要包含第一材料，该第二层主要包含不同于第一材料的第二材料。在此要理解，概念“区段式地具有双层体”是关于平面延伸方向而言的。换言之，膜片的至少面积区段具有至少一个双层体。通过由具有不同材料的两个层构造的双层体实现两个层体相对彼此的机械张紧。因为在原子或分子层级上观察，两个层的晶格常数必须至少在两个层之间的边界面中相互均衡。已经令人吃惊地表明，通过第一层借助于第二层的有针对性的机械张紧、即通过构成具有至少一个双层体的膜片，膜片的离子传导能力可以明显改进。以该方式，有利地在与不具有这种双层体的膜片相比更低的运行温度中就可以实现对于感测测量气体的特性必要的灵敏性。也就是说，在相同的敏感性的情况下可以实现明显小于700℃或800℃的运行温度，例如运行温度可以降低100℃以上，例如从700℃降低到小于600℃或从800℃降低到小于700℃。有利地，可以由此在传感器元件的运行中减少必需的热功率。此外，有利地在传感器元件“冷启动”时降低传感器元件达到必需的运行温度之前的时间间隔。在此，离子传导能力σIon基本上由下面的公式给出：σIon∝exp(EA/RT)即，离子传导能力与指数函数成正比，该指数函数在指数中具有活化能EA除以通用气体常数R和温度T的乘积的项。通过膜片或者说双层体中的两个层的机械张紧引起必需的活化能EA的减小。由此可以通过较低的温度T实现同样的离子传导能力σIon。“膜片”通常在本专利技术的框架内应理解为层或层序列，它的(沿延伸方向)横向伸展超过该层或层序列(沿着垂直于膜片的面状延伸的层厚度方向)的厚度至少10倍、优选以至少100倍。在当前情况下，膜片可以具有由第一和第二层构造的双层体。在此，层序列理解为沿着膜片的层厚度方向观察。但是膜片可以附加地具有一个或多个其他层。在本申请的上下文中，电极不是膜片的组成部分，尤其不用于层厚度确定。电极在本专利技术的框架内应一般性地理解为下述元件，该元件能够这样接触膜片，使得通过膜片和电极能够维持电流。与此相应地，电极可以包括一元件，在该元件上离子可以进入到膜片中和/或从膜片脱离出来。典型地，电极包括贵金属电极，该贵金属电极例如可以作为金属-陶瓷电极施加在膜片上或者可以以其他方式与膜片连接。典型的电极材料是铂-金属陶瓷电极。但是其他贵金属、例如金或钯基本上也可使用。例如膜片可以具有沿层厚度方向从30nm到10μm、优选从100nm到2μm(例如600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm)的层厚度。由此能够实现例如氧离子通过膜片的可特别好地控制的扩散，因为该扩散不必经过通过膜片的长的路径。膜片可以具有不变的厚度。由此实现氧离子在膜片的整个横向延伸上的均匀扩散。膜片作为用于传感器元件的薄膜可以例如沉积到作为一种衬底或载体材料的氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)上。两种材料也可以非化学计量式地使用并且可以无定形地构造。Si3N4或SiO2可以作为电绝缘体使用，该电绝缘体将膜片与硅分开，因为硅在高温时能够好地导电。膜片可以具有固体电解质的特性。固体电解质在本专利技术的框架内应理解为具有电解特性、即具有离子传导特性的物体或对象。固体电解质尤其可以构造为固体电解质层或由多个固体电解质层构造。层在本专利技术的框架内应理解为一定高度的面式伸展中的整体物质，该物质位于其他元件上面、下面或中间。不必要的是，双层体的第一层和第二层具有同样好的离子传导特性。重要的是，通过膜片的面总体上给出足够的离子传导能力、优选氧离子传导能力。膜片可以微机械式地构造或者制造。概念“微机械式”在本专利技术的框架内应一般性地理解为三维结构的特性，该结构具有在毫米范围内、即在小于1mm的范围内的尺寸。这例如可以是凹口的宽度、膜片的层厚度或位于该范围内的类似的代表性尺寸。相对于传统的、一般以厚层技术在使用丝网印刷方法的情况下制造的传感器装置，微机械传感器装置至少大部分以微系统技术的工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于感测在测量气体空间(4)中的测量气体的至少一个特性、尤其用于感测所述测量气体中的气体成分的含量或所述测量气体的温度的传感器元件，所述传感器元件具有至少一个传导氧离子的膜片(20)，其中，所述膜片(20)至少区段式地(S1.1、S1.2、S1.3)具有至少一个双层体(30)，其中，所述双层体(30)由第一层(31)和第二层(32)构成，该第一层主要包含第一材料(41)，该第二层主要包含不同于所述第一材料(41)的第二材料(42)。

【技术特征摘要】
2016.04.28 DE 102016207300.11.用于感测在测量气体空间(4)中的测量气体的至少一个特性、尤其用于感测所述测量气体中的气体成分的含量或所述测量气体的温度的传感器元件，所述传感器元件具有至少一个传导氧离子的膜片(20)，其中，所述膜片(20)至少区段式地(S1.1、S1.2、S1.3)具有至少一个双层体(30)，其中，所述双层体(30)由第一层(31)和第二层(32)构成，该第一层主要包含第一材料(41)，该第二层主要包含不同于所述第一材料(41)的第二材料(42)。2.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述膜片(20)至少区段式地由多个沿层厚度方向(22)观察彼此相继的双层体(30)、尤其由至少三个双层体(30)构成。3.根据权利要求1或2所述的传感器元件，其中，所述第一材料从下述组中选择：钇稳定的氧化锆(YSZ)、氧化锆(ZrO)、锆石钪(ZrScO)、钙稳定的氧化锆(Zr1-xCaxO2-d，CSZ)、钆铈氧化物(CGO)、钛酸锶(SrTiO3)、钛酸钡(BaTiO3)、BICUVOX.10(Bi2V1.9Cu0.1O5.35)、镓酸镧(LaGaO3)，其中，尤其选择使用具有大于8％的Y2O3摩尔含量的、钇稳定的氧化锆，和/或，其中，所述第二材料(42)从下述组中选择：氧化钪(Sc2O3)、氧化钇(Y2O3)、二氧化铈(CeO2)、碳钡钇矿(BYC5)、LSGM(LaGaO3(La1-xSrxGa1-yMgyO3-0.5(x+y)))、氧化钛(TiO)、二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、钌酸锶(Sr2RuO4)和氧化钨(WO3)或者从所述材料的混合物中选择。4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其中，在所述第一层(31)中的所述第一材料(41)具有第一晶格常数(K1)，其中，在所述第二层(32)中的所述第二材料(42)具有第二晶格常数(K2)，其中，所述晶格常数这样选择，使得所述两个晶格常数中的较小晶格常数的最接近的整数倍数(n)与所述两个晶格常数中的较大晶格常数的差别至少为1％并且最多为10％，其中，尤其借助于所述第二晶格常数(K2)使所述第一晶格常数(K1)增大。5.根据前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·赫尔梅斯，F·霍伊克，
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