用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性的传感器元件以及用用于制造所述传感器元件的方法与流程

由现有技术已知用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性的多种传感器元件和方法。在此，基本上可以涉及任意的物理特性和/或化学特性，其中，可以检测一种或多种特性。以下尤其参考测量气体的气体组分的份额的定性检测和/或定量检测、尤其参考测量气体中的氧份额的检测来描述本发明。例如可以以分压的形式和/或百分比的形式来检测氧份额。然而替代地或附加地，也可检测测量气体的其他特性——例如温度。例如可以将这种传感器元件构型为所谓的λ探测器(Lambdasonden)，如其例如由KonradReif(著作者)的《SensorenimKraftfahrzeug》(2010年第一版，第160-165页)已知的那样。借助宽带λ探测器、尤其借助平面的宽带λ探测器例如可以在大范围中确定废气中的氧浓度并且因此推断出燃烧室中的空气燃料比。空气系数(Luftzahl)λ描述了所述空气燃料比。由现有技术尤其已知陶瓷传感器元件，其基于确定的固体的电解特性的应用，即基于所述固体的离子传导特性。所述固体尤其可以涉及陶瓷固体电解质——例如二氧化锆(ZrO2)、尤其钇稳定的二氧化锆(YSZ)和掺杂钪的二氧化锆(ScSZ)，它们可以包含氧化铝(Al2O3)和/或氧化硅(SiO2)的少量添加物。因此，在这种传感器元件中，例如已知由具有内置加热结构和电极结构的陶瓷薄膜制成的层压结构，所述加热结构和电极结构通过覆镀通孔与电压源和/或分析处理单元连接。虽然由现有技术已知的传感器元件的大量优点，但其仍包含改善潜力。在这种传感器元件上提出增长的功能需求。对于所述覆镀通孔的稳健的和可靠的构型，必须满足不同的和部分彼此矛盾的需求。因此，在高于500℃的运行温度下也必须提供所述覆镀通孔之间的高电阻。这例如可以通过由电绝缘材料——例如氧化铝制成的绝缘层来实现。YSZ载体本体陶瓷的基本机械强度允许通过引入多个覆镀通孔仅仅微小地被消弱。这可以通过所述覆镀通孔的小的直径和平滑的、无缝的壁来实现。所述覆镀通孔应通过稳定的和成本有利的、可应用于多用途的生产工艺来制造。这例如可以通过多重冲压、穿孔或堆叠抽吸(Stapelsaugen)来实现。另外，必须通过在所述传感器元件的使用寿命上阻止YSZ载体陶瓷的通过湿热老化引起的损坏。所述湿热老化尤其引起二氧化锆由四方相至单斜晶相的相变，这可能导致所述被消弱的陶瓷在振动或敲击时的机械损坏或甚至于破裂。所述相变尤其可能在冲压毛边、薄的覆镀通孔、无铌的连接接触膏和不足的绝缘的区域中开始。技术实现要素：因此，提出一种用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性的传感器元件以及用于制造所述传感器元件的方法，所述传感器元件以及用于制造传感器元件的方法至少在很大程度上避免已知传感器元件的缺点并且在所述传感器元件以及用于制造传感器元件的方法中尤其提供防止通过相变引起的损坏的提高的稳定性。根据本发明的用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性、尤其用于探测测量气体中的气体组分的份额或者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，其中，所述固体电解质层具有至少一个覆镀通孔；所述传感器元件还包括传导元件，所述传导元件建立从所述固体电解质层的上侧至所述固体电解质层的下侧贯通所述覆镀通孔的导电连接。所述固体电解质层在所述覆镀通孔中通过绝缘元件从所述传导元件电绝缘。所述覆镀通孔的至少一个开口区域借助防相变的稳定元件稳定。所述稳定元件至少部分地由一种材料制造，所述材料具有贵金属和选自以下组的元素：所述组由V(钒)、Nb(铌)、Ta(钽)、Sb(锑)、Bi(铋)、Cr(铬)、Mo(钼)、W(钨)组成。所述贵金属可以是铂。所述材料中的所述元素的份额可以是2wt％(重量百分比)至10wt％。所述元素以至少一种化合物形式存在，所述化合物选自由以下组成的组：氧化物、氯氧化物、碳酸盐、碳化物和氯化物。所述稳定元件沿周向方向完全包围所述开口区域。所述稳定元件例如环形地包围所述开口区域。所述绝缘元件可以至少部分地由如下材料制造：所述材料是氧化物电介质。所述电介质例如是金属氧化物或碱土尖晶石(Erdalkalispinell)。根据本发明的用于制造一种传感器元件的方法，所述传感器元件用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一种特性、尤其用于探测测量气体中的气体组分的份额或者测量气体的温度，所述方法包括以下步骤，优选地以给出的顺序：提供至少一个固体电解质层；将至少一个覆镀通孔引入到所述固体电解质层中，所述至少一个覆镀通孔从所述固体电解质层的上侧延伸至所述固体电解质层的下侧；将绝缘膏引入到所述覆镀通孔中；将传导膏引入到所述覆镀通孔中；将防相变的稳定膏施加到所述覆镀通孔的至少一个开口区域上，其中，所述稳定膏具有一种材料，所述材料具有贵金属和选自以下组的元素：所述组由V、Nb、Ta、Sb、Bi、Cr、Mo、W组成；并且借助绝缘膏、传导膏和/或稳定膏烧结所述传感器元件。所述贵金属可以是铂。所述材料中的所述元素的份额可以是2wt％至10wt％。所述元素以至少一种化合物形式存在，所述化合物选自由以下组成的组：氧化物、氯氧化物、碳酸盐、碳化物和氯化物。根据以上四个权利要求中任一项所述的方法，其中，如此施加稳定膏，使得所述稳定膏沿周向方向完全包围所述开口区域。可以如此施加稳定膏，使得所述稳定膏环形地包围所述开口区域。所述绝缘膏可以具有一种材料，材料是氧化物电介质。所述电介质例如是金属氧化物或碱土尖晶石。可以层状地施加稳定膏。可以在引入绝缘膏前施加稳定膏，其中，在引入传导膏前施加绝缘膏。可以借助印刷方法施加稳定膏。可以通过至少一种抽吸方法(Durchsaugverfahren)或者可以通过至少一种合适的印刷方法引入绝缘膏和/或传导膏。在本发明的范畴内，固体电解质层应理解为具有电解特性、即具有离子传导特性的层状的体或物。尤其可以涉及陶瓷固体电解质层。这也包括固体电解质层的原材料并且因此包括作为所谓的毛坯件(Grünling)或脱脂坯的构造，其在烧结之后才变成固体电解质。在本发明的范畴内，层应理解为整体的质量在一定的高度中的平坦延展，延展可以位于其他元件之间，位于其他元件上方，位于其他元件下方或位于其他元素上面。在本发明的范畴内，绝缘元件应理解为具有电绝缘特性的体或物。类似地，绝缘膏应理解为如下膏状的材料：所述材料在处理步骤之后，尤其在热学处理步骤——例如烧结之后构成绝缘元件。在本发明的范畴内，传导元件应理解为具有导电特性的体或物。类似地，传导膏应理解为如下膏状的材料：所述材料在处理步骤之后，尤其在热学处理步骤——例如烧结之后构成传导元件。在本发明的范畴内，稳定元件应理解为具有防止通过湿热老化引起的损坏的稳定特性的体或物，所述湿热老化可以导致相变。类似地，稳定膏应理解为如下膏状的材料：所述材料在处理步骤之后，尤其在热学处理步骤——例如烧结之后构成稳定元件。在本发明的范畴内，材料的相应理解为材料的以不同的显现形式出现的特性。因此，所述材料具有相同的化学组成(化学计量)，但是在原子的空间排布上不同并且具有不同的特性。在本发明的范畴内，相变应理解为材料从一种相到另一种相的过渡。所述过渡因此可以引起所述材料的不同结构。通过如印刷和/或温度那样的影响引起所述相变。因此，二氧化锆例如出现在多种相中。二氧化锆在1173℃的温度以下以单斜晶相存在，在1173℃以上以四方相存在并且在2370℃以上以立方晶相存在。二氧化锆在2690℃以上以熔融状态存在。附图说明本发明的其他优选的细节和特征由后续的优选实施例的描述得到，这些优选的实施例在附图中示意性地示出。附图示出：图1示出根据本发明的传感器元件的分解示图；图2示出所述传感器元件在覆镀通孔区域中的部分横截面视图；图3示出所述传感器元件的一部分的底视图；图4示出所述传感器元件的一部分的分解视图。具体实施方式图1示出根据本发明的一种实施方式的传感器元件10的分解示图。图1中示出的传感器元件10可以用于探测测量气体的物理特性和/或化学特性，其中，可以检测一个或多个特性。以下尤其参考所述气体的气体组分的定性的和/或定量的检测，尤其参考测量气体中的氧份额的检测来描述本发明。例如可以以分压的形式和/或百分比的形式来检测氧份额。然而原则上也可检测其他类型的气体组分，例如氮氧化物、碳氢化合物、碳黑颗粒和/或氢。然而替代地或附加地，也可检测测量气体的其他特性，例如温度。本发明尤其可以被应用在机动车技术的领域中，从而所述测量气体空间尤其可以涉及内燃机的排气装置，并且所述测量气体尤其可以涉及废气。传感器元件10可以相应地示例性地是平面λ探测器的组成部分并且具有至少一个固体电解质层12。固体电解质层12尤其可以涉及陶瓷固体电解质层12，例如二氧化锆、尤其钇稳定的二氧化锆和掺杂钪的二氧化锆，所述固体电解质层可以包含氧化铝和/或氧化硅的少量添加物。仅仅示例性地设置有第一固体电解质层14和第二固体电解质层16。第一固体电解质层14和第二固体电解质层16分别具有150μm至850μm的层厚度，例如500μm。在第一固体电解质层14的上侧18上布置有外部电极20和连接接触部22。外部电极20由多孔的保护层24至少部分地覆盖。在第一固体电解质层14的下侧26上，在参考气体通道30中布置有可以用作参考电极的内部电极28。在第一固体电解质层14上布置有第二固体电解质层16。在第二固体电解质层16的上侧32上布置有加热元件34，该加热元件嵌入到两个绝缘层36之间。在第二固体电解质层16的下侧38上布置有连接接触部40。总体上，在传感器元件10中为了内部电极28的电接触和加热元件34的电接触而设置有多个覆镀通孔42，所述多个覆镀通孔邻接连接接触部22、40，如下面还将详细描述的那样。更确切地说，第一固体电解质层14具有一个覆镀通孔42并且第二固体电解质层16具有两个覆镀通孔42。覆镀通孔42可以构造为钻孔和/或冲孔。这些覆镀通孔42分别具有400μm至1000μm的直径，例如具有600μm的直径。因为覆镀通孔42用于电部件的电接触，显然，覆镀通孔42的数目与待接触的部件的数目相关。相应地，根据待接触的部件数目设置比如上所述更多或更少的覆镀通孔42。覆镀通孔42延伸完全穿过或贯穿第一固体电解质层14和第二固体电解质层16。换言之，第一固体电解质层14的覆镀通孔42从上侧18延伸至下侧26或者反之，并且第二固体电解质层16的覆镀通孔42从上侧32延伸至下侧38。以下仅仅示例性地借助第二固体电解质层16描述传感器元件10在覆镀通孔42的区域中的结构。传感器元件10在第一固体电解质层16的覆镀通孔42的区域中的结构基本上是相同的，从而以下不研究第一固体电解质层14与第二固体电解质层16之间的共性，而是仅仅研究它们的区别。图2示出传感器元件10在覆镀通孔的区域中的部分横截面视图。更确切地说，在图2中示出第二固体电解质层16的部分横截面。在上侧32上布置有绝缘层36。尽管未较详细地在图2中示出，但是在第二固体电解质层16的下侧38上同样可以布置有绝缘层36。在此，覆镀通孔42从上侧32延伸至下侧38。在此，覆镀通孔42也贯穿36。在覆镀通孔42内部布置有层状构造的绝缘元件44。层状构造的绝缘元件44具有5μm至40μm的层厚度，例如20μm的层厚度。绝缘元件44由至少一种电绝缘的材料制造。绝缘元件44尤其至少部分地由以下材料制造：所述材料是氧化物电介质。所述电介质可以是金属氧化物或碱土尖晶石。所述电绝缘材料例如具有氧化铝(Al2O3)。绝缘元件44完全覆盖覆镀通孔42的壁46。因此，绝缘元件44在绝缘层36的区域中也覆盖覆镀通孔42的壁46。在绝缘元件44上布置有传导元件48。传导元件48同样构造成层状。层状的传导元件48具有5μm至15μm的层厚度，例如具有10μm的层厚度。传导元件48由导电材料制造。导电材料例如具有贵金属、尤其铂。导电材料可以具有其他添加物、例如铌氧化物。在此，传导元件48完全覆盖绝缘元件44。通过该结构，传导元件48制造从第二固体电解质层16的上侧32至第二固体电解质层16的下侧38穿过覆镀通孔42的导电连接。第二固体电解质层16还在覆镀通孔42中通过绝缘元件44从传导元件48电绝缘。覆镀通孔42的开口区域50借助防相变的稳定元件52稳定。稳定元件52由一种材料制造，所述材料具有贵金属和选自以下组的元素：所述组由V、Nb、Ta、Sb、Bi、Cr、Mo、W组成。所述贵金属例如是铂。所述元素可以以至少一种化合物形式存在，所述化合物选自由以下组成的组：氧化物、氯氧化物、碳酸盐、碳化物和氯化物。稳定元件52的材料中的所述元素的份额在任何情况下是2wt％至10wt％、例如5wt％。所述元素例如是铌并且作为化合物以铌氧化物形式存在。因此，稳定元件52的材料此外包括铂和铌氧化物。稳定元件52同样构造为层状。层状构造的稳定元件52具有7μm至11μm的层厚度，例如9μm。稳定元件52沿周向方向完全包围开口区域50。稳定元件52例如如此布置，使得稳定元件52环形地包围开口区域50。开口区域50可以理解为覆镀通孔42的入口区域，从而稳定元件52也部分地延伸进入到覆镀通孔42中。图3示出传感器元件10的一部分的底视图。更确切地说，在图3中示出第二固体电解质层16的下侧38。如在图3中可看出的那样，在下侧38上同样布置有绝缘层36。还可以分别在每一个覆镀通孔42的开口区域50中看出稳定元件52的环形构造。在此，各一个稳定元件52电接触一个连接接触部40。图4示出传感器元件10的部分分解示图。更确切地说，在图4中示出第二固体电解质层16的上侧32。如在图4中可出的那样，在上侧32上同样布置有绝缘层36。还可以分别在每一个覆镀通孔42的开口区域50中看出稳定元件52的环形构造。在此，各一个稳定元件52电接触加热元件34的一个输送轨道(Zuleitungsbahn)54。通过绝缘元件44，第二固体电解质层16从传导元件48电绝缘。但是，通过稳定元件52和传导元件48产生从连接接触部40至加热元件34贯通覆镀通孔42的电接触。传感器元件10在第一固体电解质层14的覆镀通孔42的区域中的结构与传感器元件10在第二固体电解质层16的覆镀通孔42的区域中的结构的区别仅仅在于，在第一固体电解质层14中不设置绝缘层36。因此，类似地在第一固体电解质层14中产生从连接接触部22至内部电极28贯通覆镀通孔42的电接触。通过根据本发明的覆镀通孔42连同绝缘元件44、传导元件48和稳定元件52的设置，在高的温度时也实现连接接触部22、40之间的更大的绝缘电阻，例如在500℃的温度时100kΩ的电阻，并且同时实现在100℃至400℃的中等温度区域中在湿度和/或水存在的情况下防止通过相变引起的损坏的可靠的恢复能力。传感器元件10能够如下制造。在此，所述方法仅仅示例性地根据在第二固体电解质层16中的结构来描述。所述方法与在第一固体电解质层16的情况下是相同的，以上描述的区别除外。首先提供固体电解质层16。以未烧结的状态提供第二固体电解质层16。将绝缘层36施加到上侧32和下侧34上。例如将绝缘层36作为薄膜层压到上侧32和下侧34上。将覆镀通孔42引入到第二固体电解质层14中。在此，覆镀通孔42的引入如此实现，使得覆镀通孔42从第二固体电解质层16的上侧32延伸直至第二固体电解质层16的下侧38并且穿过绝缘层36。所述引入例如可以通过冲压、铸造和/或单侧或双侧钻孔、尤其借助激光照射实现。随后将绝缘膏单一地或多重地引入到覆镀通孔42中。所述膏也可以作为悬浮部存在。所述绝缘膏尤其至少部分地由如下材料制造：所述材料是氧化物电介质。所述电介质可以是金属氧化物或碱土尖晶石。所述电绝缘材料例如具有氧化铝(Al2O3)。所述引入例如可以通过印刷、丝网印刷、单侧或双侧抽吸、压制、喷溅和/或滴注来实现。绝缘膏例如通过抽吸方法来引入。绝缘膏尤其层状地以5μm至40μm的层厚度被引入。最后并且在多重引入的情况下附加地也可以在此期间进行干燥。随后将传导膏单一地或多重地引入到覆镀通孔42中。传导膏由导电材料制造。所述导电材料例如具有贵金属、尤其铂。所述导电材料可以具有其他添加物、例如铌氧化物。所述引入例如可以通过印刷、丝网印刷、单侧或双侧抽吸、压制、喷溅和/或滴注来实现。传导膏例如通过抽吸方法来引入。传导膏尤其层状地以5μm至15μm的层厚度被引入。最后并且在多重引入的情况下附加地也可以在此期间进行干燥。随后将防相变的稳定膏施加到开口区域50上。稳定膏可以具有一种材料，所述材料具有贵金属——例如铂——和选自以下组的元素：所述组由V、Nb、Ta、Sb、Bi、Cr、Mo、W组成。所述元素可以以至少一种化合物形式存在，所述化合物选自由以下组成的组：氧化物、氯氧化物、碳酸盐、碳化物和氯化物。稳定膏的材料中的所述元素的份额在任何情况下是2wt％至10wt％、例如5wt％。所述元素例如是铌并且以铌氧化物形式的化合物存在。因此，稳定膏的材料此外还包括铂和铌氧化物。稳定膏可以通过印刷方法来施加。例如层状地印刷稳定膏。稳定膏尤其层状地以5μm至15μm的层厚度被施加。在此，可以环形围绕开口区域50施加稳定膏。绝缘膏的内含材料的、传导膏的内含材料的以及稳定膏的内含材料的精确组成可以如下：A.绝缘膏原料wt％软化剂2.0-5.0％溶剂25-45％胶结聚合物5.0-10％Al2O3或尖晶石粉40-60％炭黑(Flammruβ)2.0–6.0％B.传导膏原料wt％溶剂+胶结剂25-45％铂粉45-70％钯粉/树脂酸盐0-5％铑粉/树脂酸盐0-5％锆混氧化物2-10％C.稳定膏原料wt％溶剂+胶结剂25-45％M(V)/m(VI)化合物2-15％铂粉40-65％钯粉/树脂酸盐0-5％铑粉/树脂酸盐0-5％稳定的二氧化锆0-10％在本实施例中，传导膏的配方和稳定膏的配方非常相似。但是，这不是必然必需的。起决定作用的是具有氧化阶段+V或+VI的金属的金属化合物的至少2.0wt％的份额用于在第二固体电解质层16的陶瓷的相稳定的二氧化锆中具有氧化阶段+II或+III的金属的金属离子的反掺杂(Gegendotierung)。这相应地适用于第一固体电解质层14。随后借助全部所施加的膏和所有彼此重叠布置的固体电解质层12、14、16进行传感器元件10的烧结过程。所述烧结例如可以在1350℃至1450℃的温度下进行。在此，发生固体电解质层12、14、16、绝缘层36、绝缘膏、传导膏和稳定膏的共烧结(Kosintern)。通过烧结过程由绝缘膏、传导膏和稳定膏构成绝缘元件44、传导元件48和稳定元件52。当前第1页1 2 3