用于制造用于确定测量气体的至少一个特性的探测器的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于制造探测器尤其传感器的方法，用于检测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性，尤其用于证实测量气体内的气体成分或者测量气体的温度。该方法包括步骤：在探测器壳体内设置至少一个传感器元件，将传感器元件与至少一个接触元件连接；提供至少一个连接电缆；将连接电缆与接触元件形状锁合和/或力锁合地连接；将连接电缆与接触元件材料锁合地连接。本发明还涉及一种上述探测器、尤其传感器。该探测器包括探测器壳体和探测器壳体内的至少一个传感器元件，传感器元件与至少一个接触元件连接，接触元件与至少一个连接电缆形状锁合地和/或力锁合地连接，接触元件与连接电缆尤其借助焊接连接材料锁合地连接。
【专利说明】用于制造用于确定测量气体的至少一个特性的探测器的方法
【背景技术】
[0001]从现有技术知晓多种用于确定测量气体空间内的测量气体的至少一个特性的探测器和方法。这里基本上可以涉及测量气体的任意的物理的和/或化学的特征，可以检测一种或者多种特征。下面特别关于定性地和/或定量地检测测量气体的某种气体分量说明本发明，特别关于测量气体内的氧气成分的检测。氧气成分例如可以以部分压力的形式和/或百分比的形式检测。然而代之或者附加地也可以检测测量气体的其他的特征，例如测量气体的温度。
[0002]这种探测器例如可以作为所谓的进气量探测器构造，如其例如从Konrad Reif (出版):汽车中的传感器，2010年第一版，160—165页，所公开的那样。使用宽带进气量探测器，特别使用平面式宽带进气量探测器，例如能够在大的区域内确定废气中的氧气浓度从而能够推定燃烧室内的空气燃料比。然而另外同样可以构成指形探测器。空气系数λ说明该空气燃料比。
[0003]在此，探测器的传感器元件一般在探测器的纵长延伸方向上从探测器壳体中突出。该纵长延伸方向或者探测器的纵轴线在这里可以同时预先确定探测器的对称轴线，因为已知的探测器具有扩展的旋转对称的结构并且是对于所述的纵轴线。为保护传感器元件不被损坏它通常由至少一个保护管包围。此外通常决定性的是，必须使传感器元件直接与测量气体接触。因此在这种探测器中保护管总具有适宜的开口，以便使环流的测量气体通过。
[0004]通常传感器元件在探测器壳体内部与一个接触元件例如卷曲触点(Crimpkontakt)连接。接触元件又与连接电缆连接。连接电缆从探测器壳体中引出。传感器元件和接触元件之间以及接触元件和连接电缆之间的连接是电气连接。由此能够把由传感器元件提供的信号从探测器壳体内传输出去。接触元件和连接电缆之间的连接通常作为形状锁合的连接以卷曲连接的形式实现。
[0005]尽管从现有技术知晓的探测器和用于制造该探测器的方法具有大量的优点，但是它们仍然有改进的可能性。通常接触元件用钢制造以及连接电缆构造为镀镍铜线，也就是说构造为具有铜芯的导电线，所述铜芯由镍层包围。镀镍铜线和钢制的接触元件的结实可靠的电气连接由于连接电缆和钢制的接触元件的表面上的硬的氧化层仅能十分困难地实现。因此尝试借助激光焊接来封闭所述卷曲连接，以便改进形状锁合，使得电气连接更加可靠。然而由于接触元件和连接电缆的材料不能使用产生熔融的焊接方法或者会引起材料的削弱，从而使得探测器在运行期间不再能够满足要求。
【发明内容】
[0006]因此建议一种用于制造用于确定测量空间内的测量气体的至少一个物理特征的探测器的方法以及一种探测器，它们能够至少在很大程度上避免已知的探测器和制造方法的缺点。[0007]本发明的用于制造探测器特别是传感器的方法用于检测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性，特别是用于证实测量气体内的气体成分或者测量气体的温度，包括下面的步骤:
[0008]-在探测器壳体内设置至少一个传感器元件，
[0009]-将传感器元件与至少一个接触元件连接，
[0010]-提供至少一个连接电缆，
[0011]-将连接电缆与接触元件形状锁合地和/或力锁合地连接，和
[0012]-将所述连接电缆与所述接触元件材料锁合地连接。
[0013]接触元件可以至少部分地包围连接电缆。接触元件可以具有一个卷曲套筒，所述连接电缆设置在所述卷曲套筒中，其中，接触元件和连接电缆通过卷曲连接形状锁合地和/或力锁合地连接。接触元件可以至少部分用不锈钢制造。连接电缆可以至少部分用具有镍涂层的铜芯制造。接触元件和连接电缆可以通过焊接连接材料锁合地连接。为制造焊接连接，可以将接触元件和连接电缆放置在第一电极内，其中，在接触元件和连接电缆上如此设置第二电极，使得焊接电流从第二电极通过接触元件和连接电缆流向第一电极。接触元件和连接电缆可以位于第一电极和第二电极之间。在焊接期间以预先确定的力使第一电极和第二电极彼此相对运动，用于使接触元件和连接电缆变形。在接触元件和连接电缆达到预先确定的变形时，焊接电流可以从第二电极通过接触元件在绕过连接电缆的情况下流向第一电极。第一电极和第二电极可以彼此相对平行于一个垂直于接触元件和连接电缆的延伸方向的平面运动。为了产生所述焊接连接，提供至少一个第三电极，接触元件和连接电缆通过预先确定的力如此变形，使得接触元件接触第三电极，其中，在接触元件和第三电极之间有接触时，焊接电流从第二电极通过接触元件并且通过第三电极流向第一电极。
[0014]本发明的探测器、特别是传感器用于检测测量气体空间内的测量气体的至少一个特性，特别用于证实测量气体内的气体成分或者测量气体的温度，其包括探测器壳体和探测器壳体内的至少一个传感器元件，其中，传感器元件与至少一个接触元件连接，接触元件与至少一个连接电缆形状锁合地和/或力锁合地连接，接触元件与连接电缆材料锁合地、特别借助焊接连接而连接。
[0015]所谓形状锁合的连接，在本发明的范围内应该理解为这样一种连接，在这种连接中，连接配对件的一个位于另一个的路径上并且从而防止所述连接配对件在至少一个方向上相对运动，在所述方向上，所述一个连接配对件位于另一个路径上。在运行负荷的情况下压力法向地作用，也就是说相对于连接配对件的面成直角并且从而防止运动。这种“阻止”在至少一个方向上发生。对于形状锁合地连接例如有燕尾槽连接、齿耦合、槽槽连接、棱键、连接五金件、拉链、咬口连接、和热填缝。
[0016]所谓力锁合的连接，在本发明的范围内应该理解为这样一种连接，其以作用在连接配对件的待相互连接的面上的法向力为前提。只要不超过通过静摩擦引起的反力，则连接配对件的相互移动被禁止。力锁合连接的实例是借助夹紧或者螺钉的连接。
[0017]所谓材料锁合的连接，在本发明的范围内应该理解为这样一种连接，在这种连接中，连接配对件通过原子力或者分子力保持在一起。它同时是一种不可松开的连接，该连接只能通过破坏连接介质才能够分开。材料锁合连接的实例是钎焊、融焊、粘接和硫化。
[0018]所谓不锈钢，在本发明的范围内应该理解为合金化的或者具有特别的纯度的非合金化的钢，例如其硫和磷的成分、即所谓的铁伴生物不超过0.025 %。例如为不锈钢有具有下面的材料号的钢:1.4003 (X2CrNil2)、1.4006 (X12Crl3)、1.4016 (X6Crl7)、1.4021(X20Crl3), 1.4104(X14CrMoS17,早先的 X12CrMoS17)、1.4301(X5CrNil8_10)、1.4303 (X4CrNil8-12)、1.4305 (X8CrNiS18-9)、1.4306 (X2CrNi I 9 - 11)、1.4307 (X2CrNi18-9)、1.43 10(X I 0 CrNi I 8 - 8)、1.43 16(XlCrNi19-9)、1.4401 (X5CrNiMol7-12-2)、1.4404(X2CrNiMol7-12_2)、1.4440(X2CrNiMo19-12)、1.4435(X2CrNiMol8-14-3)、1.4452(X13CrMnMoN18-14-3)、1.4462(X2CrNiMoN22-5-3)、1.4541 (X6CrNiTil8-10)、1.4571 (X6CrNiMoTil7-12_2)、1.4581 (GX5CrNiMoNbl9_l1-2)、1.4841(X15CrNiSi25-21)和 1.7218(25CrMo4)。
[0019]所谓卷曲，其也称为卷边，在本发明的范围内应该理解为这样一种接合工艺，在该接合工艺中，两个连接配对件通过塑性形变彼此连接。因此其涉及卷边的一种特殊的形式。卷曲连接仅可有条件地松开，大多不可修复。
[0020]所述探测器可以用于证实气体的物理的和/或化学的特性，其中，可以检测一个或者多个特性。下面特别参照对该气体的某种气体成分的定性的和/或定量的检测说明本发明，特别是检测该气体中的氧气成分。氧气成分例如可以以分压力的形式和/或以百分比的形式检测。然而原则上也可以检测其他种类的气体成分，例如氮氧化物、碳氢化合物和/或氢气。然而也可以取而代之或者附加地检测所述气体的其他特性。本发明特别可以在汽车技术的领域中应用，从而所述测量气体空间特别是可以涉及内燃机的排气装置并且所述气体特别是涉及废气。
[0021]导线芯材料由具有1083°C的熔点温度的铜组成。给该芯套上一个熔点温度为1455°C的镍涂层。该镍涂层必须材料锁合地与接触元件的熔点温度约为1500°C的钢例如
1.4310连接。制造过程这样进行，使得通过加热结合提高压力在内部在镍涂层和钢之间发生扩散过程(扩散焊接)，而铜不熔化。避免铜熔化是有利的，因为否则内部组织会变化并且变弱。
[0022]该处理流程粗略描述如下:
[0023]1.把卷曲部放入电极内，
[0024]2.把电极移动到一起，
[0025]3.用精确规定的力把电极压在一起，
[0026]4.以规定的时间施加规定的电流，由此材料被加热。较软的、被加热的材料变形并且填满下电极。由此在内部实现均匀的压力分布并且通过压力和温度的结合在边界面之间发生扩散过程，该过程使得导线彼此连接并且与卷曲材料连接。下电极的设计可以如此选择，使得当下电极被填满时该过程自身限制自己。然后，通过卷曲触点与侧面电极的接触使得电流流过它们并且在内部不进行其他加热。
[0027]5.切断电流，保持压电极的力，直到卷曲部被足够冷却。
[0028]6.打开电极。
[0029]7.取出卷曲部。
[0030]通过本发明的用于制造探测器的方法使接触元件和连接电缆的氧化层断裂并且将金属材料锁合地直接彼此连接。该结构部件关于电气接触明显地更稳固。本发明的目标是，将接触配对件材料锁合地彼此连接并且由此保证导电。【专利附图】
【附图说明】
[0031]本发明的另外可选的细节和特征从后面对于优选的实施例的说明得出，这些实施例在附图中不意不出。附图中:
[0032]图1示出探测器的示意的横截面图，
[0033]图2示出接触元件的侧视图，
[0034]图3示出接触元件的俯视图，
[0035]图4示出接触元件和连接电缆之间的卷曲连接在制造材料锁合的连接的方法步骤前的俯视图，
[0036]图5示出接触元件和连接电缆之间的卷曲连接在制造材料锁合的连接的方法步骤后的俯视图，
[0037]图6示出沿图5的线A— A的截面图，
[0038]图7示出制造材料锁合的连接的方法步骤的示意图，
[0039]图8示出“U”形的第一电极的透视图，
[0040]图9示出第二电极的透视图。
【具体实施方式】
[0041]图1示出探测器10的示意的横截面图。探测器10例如作为进气量探测器构造。进气量探测器用于控制内燃机的空气燃料混合物，以便通过测量废气中的氧气成分的浓度能够调节出尽可能化学计量的混合物，使得通过尽可能优化的燃烧把有害物质排放减到最少。因此所述测量空间在本发明的范围内可以涉及内燃机的排气装置。基本结构和功能方式例如在Konrad Reif (出版):汽车中的传感器，2010年第一版，160—165页中说明。使用宽带进气量探测器，特别使用平面式宽带进气量探测器，例如能够在大的区域内确定废气中的氧气浓度从而能够推断燃烧室内的空气燃料比。然而另外同样可以构造为指形探测器。空气系数λ说明该空气燃料比。
[0042]下面把该进气量探测器作为用于确定测量气体的至少一种物理特性和/或化学特性(特别是内燃机的废气中的特别是气体成分的温度或者浓度)的探测器10的实施例进行说明。
[0043]探测器10具有一个传感器元件12，它以一个暴露在测量气体下的、气体侧的传感器段14从探测器壳体16中突出。传感器元件12的该气体侧的传感器段14从外向内看时首先由一个多普勒保护管18包围。该多普勒保护管18包括外保护管20和内保护管22。传感器元件12与至少一个接触元件24连接。在一个进气量探测器中例如提供四个接触元件24。接触元件24例如构造为卷曲触点26，如其在图2和3中所示的那样。
[0044]图2示出卷曲触点26的侧视图，图3示出卷曲触点26的俯视图。卷曲触点26特别具有一个传感器元件侧的端部28和一个接头侧的端部30。传感器元件12与卷曲触点26连接，特别是电连接。该连接可以通过传感器侧的端部28上的一个接触弓32实现，在所述端部中，所述接触弓32接触所述传感器元件12。例如接触弓32可弹性变形并且如此张紧，使得它被朝着传感器元件12压。在连接侧的端部30上，卷曲触点26具有一个卷曲套筒34。卷曲触点26用导电材料制造，例如材料号1.4310的不锈钢。特别是，卷曲套筒34用不锈钢制造，例如材料号1.4310的不锈钢。
[0045]如图1所示，接触元件24与至少一个连接电缆36连接，特别是电连接。例如提供四条连接电缆36，每一个连接电缆与一个接触元件24连接。接触元件24和连接电缆36之间的连接是形状锁合的和/或力锁合的连接。例如接触元件24借助卷曲连接与连接电缆36连接。
[0046]图4举例示出接触元件24和连接电缆36之间的卷曲连接的俯视图。连接电缆36例如作为具有铜芯38的导线实现，所述铜芯具有外面的镍涂层40。相应地，铜芯38在围绕其延伸方向的圆周方向上由镍涂层40包套(图6)。卷曲套筒34包围连接电缆36。图4在这里示出卷曲连接的在接触元件24与连接电缆36根据本发明进行材料锁合连接前的俯视图。
[0047]图5举例示出接触元件24和连接电缆36之间的卷曲连接在该材料锁合的连接后的俯视图。在该实施例中，接触元件24和连接电缆36之间的材料锁合的连接通过熔焊连接42实现。如图5所示，该熔焊连接平行于一个垂直于连接电缆36和接触元件24的延伸方向的平面延伸。
[0048]图6示出沿图5的线A— A的截面图。从图6清楚地看到连接电缆36的铜芯38和镍涂层40。此外从图6清楚地看到，接触元件24的卷曲套筒34如何包围连接电缆36。特别是在这里示出卷曲套筒34的不锈钢和接触元件的镍涂层40之间而不是与铜芯38之间存在材料锁合的连接。也就是说铜芯38没有通过所述熔焊连接熔化。这是强制要求的，因为否则内部组织会变化并且变弱，这将导致结构部件失灵。
[0049]现在说明本发明的用于制造探测器10的方法。下面特别根据图7到9说明接触元件24和连接电缆36之间的材料锁合连接是如何产生的。
[0050]首先提供连接电缆36。特别把该连接电缆36放入接触元件24的接头侧的端部30处的卷曲套筒34内并且以公知的方式借助未图示的卷曲工具形状锁合地和/或力锁合地连接。接着把接触元件24和连接电缆36在它们彼此连接的区域内放入第一电极44内。这种电极例如在图8内示出。为了在卷曲连接的区域内把接触元件24和连接电缆36放入，第一电极44具有一个留空46。例如第一电极44 一体地基本上成“U”形构造。留空46因此可以由第一电极44的“U”形的两条侧边和底限定。然后在接触元件24和连接电缆36上在卷曲连接部上靠置或者接上第二电极48。这种第二电极48例如在图9中示出。第二电极48具有一个尖端50。该尖端50例如构造为近似方形的凸起。在此，接触元件24和连接电缆36位于第一电极44和第二电极48之间，如在图7的左边的区域内所示。另外可选的方案是，第一电极44可以是一个下电极44并且通过两个第三电极52组合成基本“U”形。换句话说这些组合在一起的三个电极44和52构成一个具有基本上“U”形的形状的横截面。特别是所述两个第三电极52构成“U”的侧边并且所述下电极44构成“U”的底。因此第三电极52也可以视为第一电极44的侧段或者侧部分。特别是所述第三电极52适合允许电流从第一电极44朝向第二电极48和反过来流动。
[0051]第二电极48在这里通过尖端50如此在接触元件24和连接电缆36上施加例如130N的力，使得所述尖端50基本上垂直于接触元件24和连接电缆36的延伸方向设置。
[0052]在第二电极48和第一电极44上施加焊接电流。这里焊接电流原则上从第二电极48流向第一电极44。该焊接电流例如以IOms上升到例如1600A施加。在焊接电流的该上升期间，第二电极48以例如360N的力相对于第一电极44运动到该第一电极上,如在图7中通过箭头54所示。特别是第二电极48平行于一个垂直于接触元件24和连接电缆36的延伸方向的平面运动。这里焊接电流特别从第二电极48通过卷曲套筒34、镍涂层40、铜芯38流动至第一电极44，如在图7的左边的区域中通过箭头56所示。焊接电流负责加热卷曲套筒34和连接电缆36、特别是镍涂层40。通过加热，卷曲套筒34和连接电缆36的材料软化并且可通过第二电极48的挤压变形。最后，焊接电流在1600A的情况下保持例如60ms。在该保持时间期间内第二电极48以例如360N的力顶着卷曲套筒34和连接电缆36压。由此使得卷曲套筒34和连接电缆36进一步变形。这里该变形作为在侧向朝向第三电极52的变形发生。例如在图7的右边的区域内通过箭头58所示。由此实现卷曲连接内的均匀的压力分布。该过程如此实现，通过加热结合提升压力，在卷曲连接内在镍涂层40和卷曲套筒34的钢之间发生扩散过程。因此进行扩散焊接。这里变形如此进行，直到最终实现接触元件24和连接电缆36的预先确定的变形，在该变形下卷曲套筒34接触第三电极52。因为电流一般寻找最短的导电路径，所以焊接电流在该接触的情况下从第二电极48通过卷曲套筒34流向第三电极52，如在图7右边的区域内通过箭头60所示，并且从第三电极52流向第一电极44，如在图7右边的区域内通过箭头62所示。可理解的是，在第一电极44 一体地构成为“U”的形状的实施方式中，电流从第二电极48通过第一电极44的“U”形的侧面的边朝向底部流动。这里焊接电流绕过所述连接电缆36，因此不再流过连接电缆36，特别是不再流过铜芯38和镍涂层40。因此连接电缆36、特别是铜芯38不被进一步加热，使得铜芯38不发生熔化。第二电极48向第一电极44运动的路径64例如可以是130 μ m到200 μ m0最后切断焊接电流，这例如以超过2ms的下降梯度进行。挤压第二电极48的力还将保持例如50ms，直到卷曲连接足够冷却为止。可理解的是，也可以使第一电极44朝向第二电极48运动。电流流动也可以是从第一电极44朝向第二电极48。
[0053]最后，在冷却后打开第一电极44和第二电极48并且可以取出所述卷曲连接。将传感器元件12设置在探测器壳体16内。然后，与连接电缆36连接的接触元件24以公知的方式以传感器元件侧的端部28与传感器元件12连接，如其例如在图1中所示。可理解的是，可以进行连接电缆36和接触元件24之间的电连接的功能测试。当例如在其上施加一个电流时，良好的电连接表示出最大例如1500mV到2200mV的测量电压。电压的定性的额定设定值例如可以是900mV到1200mV。这里从测量的电压能够推断电阻从而能够推断接触元件24和连接电缆36之间的电连接的导电能力。该功能测试也能够以确定的时间间隔进行，用于检验探测器10。根据本发明提供的接触元件24和连接电缆36之间的材料锁合连接可以根据熔焊连接42在卷曲连接上的可见的压痕和连接电缆36在内部的附着来识别和证实。
【权利要求】
1. 一种用于制造探测器(10)、特别是传感器的方法，所述探测器用于检测一测量气体空间内的测量气体的至少一个特性，特别是用于证实所述测量气体内的气体成分或者所述测量气体的温度，所述方法包括步骤: -在探测器壳体(16)内设置至少一个传感器元件(12)， -将所述传感器元件(12)与至少一个接触元件(24)连接， -提供至少一个连接电缆(36)， -将所述连接电缆(36)与所述接触元件(24)形状锁合地和/或力锁合地连接，和 -将所述连接电缆(36)与所述接触元件(24)材料锁合地连接。
2.根据上一个权利要求所述的方法，其中，所述接触元件(24)至少部分地包围所述连接电缆(36)。
3.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述接触元件(24)具有一卷曲套筒(34)，所述连接电缆(36)设置在所述卷曲套筒中，其中，所述接触元件(24)和所述连接电缆(36)通过卷曲连接形状锁合地和/或力锁合地连接。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述接触元件(24)至少部分地由不锈钢制造。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述连接电缆(36)至少部分地由具有镍涂层(40)的铜芯(38)制造。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述接触元件(24)和所述连接电缆(36)通过焊接连接(42)材料锁合地连接。
7.根据上一个权利要求所述的方法，其中，为了制造所述焊接连接(42)，将所述接触元件(24)和所述连接电缆(36)放置到一第一电极(44)内，其中，将一第二电极(48)如此设置在所述接触元件(24)和所述连接电缆(36)上，使得焊接电流从所述第二电极(48)通过所述接触元件(24)和所述连接电缆(36)流向所述第一电极(44)。
8.根据上一个权利要求所述的方法，其中，在焊接期间以预先确定的力使第一电极(44)和第二电极(48)彼此相对运动，用于使所述接触元件(24)和所述连接电缆(36)变形。
9.根据上一个权利要求所述的方法，其中，在所述接触元件(24)和所述连接电缆(36)达到预先确定的变形时，使焊接电流从所述第二电极(48)通过所述接触元件(24)在绕过所述连接电缆(36)的情况下流向所述第一电极(44)。
10.根据前两个权利要求之一所述的方法，其中，所述第一电极(44)和所述第二电极(48)彼此相对平行于一平面运动，所述平面垂直于所述接触元件(24)和所述连接电缆(36)的延伸方向。
11.根据前三个权利要求之一所述的方法，其中，为了产生焊接连接(42)，设置至少一个第三电极(52)，所述接触元件(24)和所述连接电缆(36)通过预先确定的力如此变形，使得所述接触元件(24)接触所述第三电极(52)，其中，在所述接触元件(24)和所述第三电极(52)之间接触时，焊接电流从所述第二电极(44)通过所述接触元件(24)并且通过所述第三电极(52)流向所述第一电极(44)。
12.—种探测器(10)，特别是传感器，用于检测一测量气体空间内的测量气体的至少一个特性，特别是用于证实所述测量气体内的气体成分或者所述测量气体的温度，其包括探测器壳体(16)和探测器壳体(16)内的至少一个传感器元件(12)，其中，所述传感器元件(12)与至少一个接触元件(24)连接，其中，所述接触元件(24)与至少一个连接电缆(36)形状锁合地和/或力锁合地连接，其中，所述接触元件(24)与所述连接电缆(36)特别是借助焊接连接(42)材料锁合地连接。
【文档编号】G01N27/00GK103630573SQ201310561127
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2012年8月20日
【发明者】P·洪德, P·温克勒, B·米夏埃利斯, T·哈雷尔, S·霍佩 申请人:罗伯特·博世有限公司