用於確定測量氣體的物理特性的氣體傳感器的傳感單元的製作方法

2023-05-15 21:58:11 3

專利名稱：用於確定測量氣體的物理特性的氣體傳感器的傳感單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確定測量氣體的物理特性、尤其是測量氣體 中的氣體組分濃度的氣體傳感器的傳感單元，包括由多個基底組成 的傳感器體，在它們之間設置多個印製導線；置入到所述基底中的、 用導電的材料至少加襯的通孔，所述通孔在所述印製導線之間形成電 的貫穿導通裝置。
背景技術：
在己知的用於所謂的寬帶A探頭的傳感單元(DE 199 52 595 Al) 中，傳感器體具有由三個構成為固體電解質薄膜的基底和由陶瓷材料 製成的用作加熱載體的絕緣基底構成的層結構。在各基底之間設置有 通到電極和電加熱件的加熱電阻線的印製導線。在各基底中設置通 孔，印製導線穿過所述通孔藉助於所謂的貫穿導通裝置與設置在傳感 器體表面上的連接觸頭導電地連接。
在同樣已知的用於平板式寬帶A探頭的傳感單元(DE 102 35 195 Al)中，傳感器體僅由兩個構成為固體電解質薄膜的基底組成，在它 們之間設置多個電極以及電加熱件的埋入到由氧化鋁製成的絕緣裝 置中的電阻線。在此，在第一基底的構成傳感器體的外側的表面上設 置一個外電極並且在第一基底的背離該外表面的表面上設置一個內 電極和一個參考電極。參考電極設置在用參考氣體加載的參考氣體室 內並且內電極設置在測量室內，該測量室經由一個擴散阻擋與測量氣 體連接。參考氣體通道和測量室構成在由糊狀的固體電解質材料製成 中間層中，該中間層藉助於絲網印刷印製到第一基底的內側上。在測
量室內還設置有一個測量電極或能脫斯電極，後者與參考電極和中間 層的固體電解質一起構成電化學室、即所謂的能脫斯室。可選擇地， 中間層也可以印製到位於第二基底上的加熱絕緣裝置上。所有電極以 及電加熱件的加熱電阻線連接在控制器上，因此在各基底之間設置通 到電極的印製導線。

發明內容
根據本發明，提出了一種用於確定測量氣體的物理特性、尤其是 測量氣體中的氣體組分濃度的氣體傳感器的傳感單元，包括由多個 基底組成的傳感器體，在它們之間設置多個印製導線；置入到所述基 底中的、用導電的材料至少加襯的通孔，所述通孔在所述印製導線(之 間形成電的貫穿導通裝置，其中，該傳感器體由將所述印製導線包圍 在其間的第一與第二基底構成並且所述貫穿導通裝置這樣設置在兩 個基底內，使得在傳感器體的內部，第一基底中的每個貫穿導通裝置 相對於第二基底中的每個貫穿導通裝置錯位。
本發明的傳感單元具有其優點，即通過基底中的貫穿導通裝置的 相互錯位，傳感器體中的貫穿導通裝置不彼此對準並且從而不損壞陶 瓷強度。因此也排除在貫穿導通裝置對準的情況下存在的提高的在貫 穿導通裝置的區域內在陶瓷中形成裂紋的危險，它僅用一個在對準的 接觸部之間的絕緣裝置是不可實現的。
在貫穿導通裝置的合適的布置中，傳感器體的每個基底中的通孔 可被用同一個工具製造，例如用一個衝壓工具衝壓或者用一個鑽削工 具鑽削。當按本發明的一種優選的實施形式所述基底具有兩個貫穿導 通裝置並且這兩個貫穿導通裝置位於一條與基底的縱軸線形成一個 銳角的連接線上時，能實現貫穿導通裝置的這種布置。如果將這兩個 用同樣的工具打孔的基底組合成一個傳感器體，那麼這兩個基底這樣
彼此接合，使得其放置工具的基底側構成傳感器體的外表面。因此在
其中一個基底中的兩個貫穿導通裝置相對於另外的基底中的兩個貫 穿導通裝置自動地產生錯位。示例地，用於寬帶入探頭、用於氮氧化 物測量探頭和用於氨測量探頭的傳感器體可以以平面的結構形式由 相同打孔的、優選薄膜形式的基底組成。 一個被相同地打孔的薄膜也 可以作為載體薄膜用於平板式寬帶入探頭中的電加熱件。通過使用同 一個工具用於在用於不同傳感器類型、例如平板式寬帶A探頭、平板
式躍變探頭(Sprimgsonde)、平板式氮氧化物-和氨測量探頭的基底 中製造通孔的可能性，可以使不同傳感器類型的作業線變細並且從而 降低加工成本。此外，在傳感器體尺寸未改變的情況下，每個基底中 的貫穿導通裝置的彼此錯位、確切地說沿縱向方向彼此錯位使得所述 貫穿導通裝置之間的間距增大，這一方便提高陶瓷強度並且另一方面 開闢了一種可能性，即，在傳感器體的橫向於貫穿導通裝置延伸的平 面中、例如在其外表面上、在沿傳感單元的縱向彼此錯位的貫穿導通 裝置之間設置另一印製導線。
通過其他描述給出該傳感單元的有利的進一步方案和改進。 有利的是，所述貫穿導通裝置由連接觸頭出發，所述連接觸頭設 置在傳感器體的彼此背離的外側上。
有利的是，第一和第二基底中的兩個貫穿導通裝置的通過所述通 孔的孔軸線的間距確定的錯位大於所述通孔的孔直徑，優選大於雙倍 的孔直徑。
有利的是，至少一個基底具有至少兩個貫穿導通裝置並且這兩個 貫穿導通裝置位於一個連接線上，該連接線與基底的縱軸線形成一個 銳角。
有利的是，用於第一基底中的貫穿導通裝置的通孔和用於第二基 底中的貫穿導通裝置的通孔被用同一個工具從相同的基底側開設並 且這兩個被打了孔的基底這樣接合成傳感器體，使得其由工具加載的 基底側構成傳感器體的外側。
有利的是，在第二基底的朝內指向的表面上設置兩個平行的印製 導線，所述印製導線使加熱電阻線分別與第二基底中的貫穿導通裝置
連接；在第二基底的構成傳感器體的外側的外表面上設置兩個分別與 所述貫穿導通裝置之一接觸接通的連接觸頭並且所述印製導線和加 熱電阻線被埋入由陶瓷材料構成的電絕緣裝置內。
有利的是，在第一基底的構成傳感器體的外側的外表面上設置印 制導線和第二連接觸頭，該印製導線使外電極與第一連接觸頭連接， 該第二連接觸頭設有貫穿導通裝置；在第一基底的背離所述外表面的 內表面上設置印製導線，該印製導線使設置在第一基底的內側上的參 考電極與貫穿導通裝置連接；至少第一基底是一個引導氧離子的固體 電解質。
有利的是，第二基底由電絕緣的陶瓷材料、優選氧化鋁構成。
有利的是，第二基底由固體電解質構成並且在第二基底的內表面 與設置其上的印製導線和加熱電阻線之間設置陶瓷的絕緣層，該絕緣 層優選印製到第二基底上。
有利的是，在第一基底的外表面上設置第三連接觸頭，後者設有 第一基底中的第二貫穿導通裝置；在第一基底的內表面上設置第二印 制導線，該第二印製導線使內電極和測量電極與第二貫穿導通裝置連 接；內電極和測量電極設置在構造在固體電解質層中的測量室內，該 測量室經由擴散阻擋由測量氣體加載。
有利的是，所述連接觸頭在第一基底的外表面上的布置這樣進
行，使得所述將外電極與第一連接觸頭連接的印製導線在第二連接觸 頭與第三連接觸頭之間穿過地延伸。
有利的是，該第一和第二基底是陶瓷的薄膜。


在下面的說明中藉助於附圖中示出的實施例詳細解釋本發明。其
中
圖1示意性示出平板式躍變探頭的傳感單元的分解圖，
圖2示出圖i中的部分n的俯視圖， 圖3示出傳感單元的沿圖i中的箭頭m方向的底視圖， 圖4示出圖3中的部分iv的放大的視圖，
圖5示意性示出用於寬帶A探頭的傳感單元的沿圖6中的線V-V 的剖視圖，
圖6示出沿圖5中的線VI-VI的剖視圖，
圖7部分地示出傳感單元的沿圖5中的箭頭VII方向的俯視圖， 圖8部分地示出傳感單元的沿圖5中的箭頭VIII方向的底視圖。
具體實施例方式
圖1中所示的、用於平板式躍變探頭或入=1探頭用於確定內燃機 廢氣中的氧濃度的、作為用於確定測量氣體的物理特性尤其是氣體組 分濃度的普通氣體傳感器的實施例的傳感單元具有一個傳感器體10, 該傳感器體由兩個基底ll、 12組成。每個基底ll、 12是引導氧離子 的固休電解質，該固體電解質優選以薄膜的形式製成。在第一基底ll 的構成傳感器體10的外側的外表面上設置一個外電極14，該外電極 通過印製導線13與第一連接觸頭15連接。外電極14被一個多孔的、 例如由氧化鋁(A1203)製成的保護層16覆蓋。在印製導線13上印上 絕緣層17。
在第一基底11的背離所述外表面的內表面上設置一個具有參考 氣體通道19的參考電極18，該參考電極印製在第一基底11的內表面 上。在第一基底11的內表面上還設置有印製導線21。印製導線21的 一個端部連接到參考電極18上並且在印製導線21的另一端部上成型 出一個接觸孔眼211。在第一基底11中具有一個貫穿導通裝置22，
該貫穿導通裝置使接觸孔眼211與設置在第一基底11的構成傳感器 體10的外側的外表面上的第二連接觸頭23電連接。貫穿導通裝置22 由一個垂直貫穿第一基底11的通孔24構成，該通孔被用一種有導電 能力的材料加襯，也就是說其孔壁敷設有所述材料的層。該通孔24 可被完全填充。在第二基底24的處於傳感器體10內部的內表面上印 制一個絕緣層25。在該絕緣層25與另一絕緣層26之間嵌入一個電加 熱件27，該加熱件被印製在絕緣層25上並且通過絕緣層26的印製進 行覆蓋。電加熱件27包括一個曲折形的電阻線28和兩個從該電阻線 一體地伸出的、彼此平行延伸的印製導線29、 30，該電阻線在傳感器 體10的內部位於參考電極18和外電極14的區域內，在所述印製導 線的端部上分別成型出一個接觸孔眼291或301。這兩個接觸孔眼 291、 301通過兩個貫穿導通裝置31、 32分別與一個連接觸頭33、 34 電連接，後者設置在第二基底12的構成傳感器體10的另外的外側的 外表面上(圖3禾B4)。這些貫穿導通裝置31、 32又通過垂直貫穿第 二基底12的通孔35、 36實現，所述通孔用導電的材料加襯。所述通 孔35、 36藉助於一個衝壓工具衝壓到基底12內，可選擇地用一個鑽 削工具鑽削。在此，所述通孔35、 36這樣設置在基底12中，使得它 們在承載有電極14、 18的第一基底11和承載有電加熱件27的第二 基底12相互接合之後相對於第一基底11中的通孔24在空間上錯位， 使得第二基底12中的貫穿導通裝置31、 32不與在第一基底11中的 貫穿導通裝置22對準。該接合這樣進行，使得電加熱件27上的上絕 緣層26貼靠在中間層20上。例如由圖3和4可見的那樣，通孔35、 36在第二基底12上的布置這樣進行，使得它們位於一條直線37上， 該直線與第二基底12的縱軸線38——從而與傳感器體10的縱軸線一 —形成一個銳角a 。所述通孔35、 36之間的大間距保證第二基底12 中的高的陶瓷強度，該間距通過所述通孔35、 36沿第二基底12的縱
向的錯位獲得。第二基底12中的通孔35、 36的孔軸線的錯位為一方、 相對於第一基底11中的通孔24的孔軸線的錯位為另一方同樣有助於 整個傳感器體10的陶瓷強度。每個錯位都大於通孔35、 36、 24的孔 直徑並且例如可以大於孔直徑的雙倍。
傳感器體10中的第二基底12也可以由陶瓷的絕緣材料例如氧化 鋁(A1203)作為薄膜製成。在這種情況下可取消電加熱件27上的下 絕緣層25。
在圖5和6中示意地以兩種不同的剖視形式表示一個用於平板式 寬帶A探頭的傳感單元，其中傳感器體10'又用所謂的雙薄膜技術實 現並且具有兩個構成為固體電解質薄膜的基底ll、 12。傳感單元的結 構與上述的傳感單元的區別僅在於，接收參考電極18的參考通道19 構造在一個設置在這兩個基底11、 12之間的中間層20中並且在該中 間層中除了參考通道19之外還構造有一個與其隔開的測量氣體室40。 測量氣體室40相對於置入到基底11中的氣體入口 42藉助於一個擴 散阻擋41覆蓋。測量氣體可以經由擴散阻擋41擴散到測量氣體室40 內。在測量氣體室40內設置一個內電極43和一個能斯脫電極或測量 電極44。外電極14和內電極43與第一基底11的固體電解質一起構 成一個加壓室，並且測量電極44與參考電極18和中間層20的固體 電解質一起構成一個能斯脫室。例如在圖6中的剖視圖示出的那樣， 設置在基底11的內表面上的內電極43與一個同樣構造在第一基底11 的內表面上的印製導線45連接，在該印製導線的端部上又成型出一 個接觸孔眼451。測量電極44與內電極43處於相同的電勢。在第一 基底11內除了用於使參考電極18連接到第二連接觸頭23上的貫穿 導通裝置22外還具有另一貫穿導通裝置46，該貫穿導通裝置使印製 導線45與一個第三連接觸頭47電連接，該連接觸頭與第一和第二連 接觸頭15、 23 —起設置在第一基底11的構成傳感器體10的外側的
外表面上(圖7)。貫穿導通裝置46又通過一個用導電的材料加襯的 通孔48實現，該通孔衝壓或鑽入到基底11內。在第一基底11的外 表面上由連接觸頭15出發的接觸所述外電極14的印製導線13在兩 個連接觸頭23與47之間穿過。由於所述貫穿導通裝置22和46沿基 底11的縱向的這樣地錯位，使得它們位於對角線37上，所以對於印 制導線13在貫穿導通裝置23與47之間的成角度的延伸具有足夠的 空間。所述貫穿導通裝置22、 46的通過彼此錯位獲得的大間距保證 了第一基底11中的高的陶瓷強度。
第二基底12如針對圖1至4說明的那樣構成傳感單元，因此在 此方面可以參考上述說明並且使用了相同的附圖標記。因此，圖8中 部分示出的傳感器體的底視圖與圖4中部分地示出的圖1中的傳感單 元的底視圖相同，使得對於圖5的傳感單元中的第二基底12可以採 用相同的衝壓工具或鑽削工具來製造所述通孔35和36。圖5的傳感 器體10中的第一基底11為了製造貫穿導通裝置24和26同樣用相同 的衝壓工具或鑽削工具加工，例如這由在圖7中的俯視圖可見的那樣。 在將兩個基底11、 12接合成傳感器體l(T的時，這兩個基底11、 12 以其印製的功能層彼此相靠，使得其由工具加載的基底側如它們在圖 7和8中的俯視圖可見的那樣構成傳感器體l(T的彼此背離的外側。 因此僅需將一個基底、例如第二基底12繞其縱軸38旋轉180° 。從 而通過一個唯一的工具就能對用於寬帶入探頭(圖5)的傳感單元的 兩個基底11、 12和用於躍變探頭(圖1)的傳感單元的第二基底12 進行打孔。因為用於氮氧化物-和氨測量傳感器的傳感單元在傳感器體 的結構方面(如圖5所示)相同地構成，所以可用相同的工具對用於 大量不同的氣體傳感器的傳感單元的幾乎所有基底或者薄膜進行打 孔，這使製造成本降低。
權利要求
1.用於確定測量氣體的物理特性、尤其是測量氣體中的氣體組分濃度的氣體傳感器的傳感單元，包括由多個基底(11、12)組成的傳感器體(10；10′)，在所述基底之間設置多個印製導線(13、21、29、30、45)；置入到所述基底(11、12)中的、用導電的材料至少加襯的通孔(24、35、36、48)，所述通孔在所述印製導線(13、21、29、30、45)之間形成電的貫穿導通裝置(22、31、32、46)，其特徵在於該傳感器體(10；10′)由將所述印製導線(13、21、29、30、45)包圍在其間的第一和第二基底(11、12)構成並且所述貫穿導通裝置(22、31、32、46)這樣設置在兩個基底(11、12)內，使得在傳感器體(10；10′)的內部，第一基底(11)中的每個貫穿導通裝置(22、46)相對於第二基底(12)中的每個貫穿導通裝置(31、32)錯位。
2. 按權利要求1所述的傳感單元，其特徵在於所述貫穿導通 裝置(22、 31、 46)由連接觸頭(14、 23、 33、 34、 47)出發，所述 連接觸頭設置在傳感器體(10; 10')的彼此背離的外側上。
3. 按權利要求1或2所述的傳感單元，其特徵在於第一和第 二基底(11、 12)中的兩個貫穿導通裝置(22、 46、 31、 32)的通過 所述通孔(24、 35、 36; 24、 48、 35、 36)的孔軸線的間距確定的錯 位大於所述通孔的孔直徑，優選大於雙倍的孔直徑。
4. 按權利要求1至3任一項所述的傳感單元，其特徵在於至 少一個基底(11、 12)具有至少兩個貫穿導通裝置(22、 46或31、 32)並且這兩個貫穿導通裝置(22、 46或31、 32)位於一個連接線(37)上，該連接線與基底(11、 12)的縱軸線(38)形成一個銳角 (a )。
5. 按權利要求4所述的傳感單元，其特徵在於用於第一基底(11) 中的貫穿導通裝置(22、 46)的通孔(24、 48)和用於第二基 底(12)中的貫穿導通裝置(31、 32)的通孔(35、 36)被用同一個 工具從相同的基底側開設並且這兩個被打了孔的基底(11、 12)這樣 接合成傳感器體(IO')，使得其由工具加載的基底側構成傳感器體GO')的外側。
6. 按權利要求4或5所述的傳感單元，其特徵在於在第二基 底(12)的朝內指向的表面上設置兩個平行的印製導線(29、 30)， 所述印製導線使加熱電阻線(28)分別與第二基底(12)中的一個貫 穿導通裝置(31、 32)連接；在第二基底(12)的構成傳感器體(10; 10')的外側的外表面上設置兩個分別與所述貫穿導通裝置(31、 32) 之一接觸接通的連接觸頭(33、 34)並且所述印製導線(29、 30)和 加熱電阻線(28)被埋入由陶瓷材料製成的電絕緣裝置(25、 26)內。
7. 按權利要求6所述的傳感單元，其特徵在於在第一基底(ll) 的構成傳感器體(10; 10')的外側的外表面上設置有印製導線(13) 和第二連接觸頭(23)，該印製導線使外電極(14)與第一連接觸頭(15)連接，所述第二連接觸頭設有貫穿導通裝置(22);在第一基 底(11)的背離所述外表面的內表面上設置有印製導線(21)，該印 制導線使設置在第一基底(11)的內側上的參考電極(18)與貫穿導 通裝置(22)連接；至少第一基底(11)是引導氧離子的固體電解質。
8. 按權利要求6或7所述的傳感單元，其特徵在於第二基底(12) 由電絕緣的陶瓷材料、優選氧化鋁構成。
9. 按權利要求6或7所述的傳感單元，其特徵在於第二基底 (12)由固體電解質構成並且在第二基底(12)的內表面與設置其上的印製導線(29、 30)和加熱電阻線(28)之間設置有陶瓷的絕緣層 (25),該絕緣層優選印製到第二基底(12)上。
10. 按權利要求7至9任一項所述的傳感單元，其特徵在於在 第一基底(11)的外表面上設置第三連接觸頭(47)，後者設有第一 基底(11)中的第二貫穿導通裝置(46);在第一基底(11)的內表 面上設置第二印製導線(45)，該第二印製導線使內電極和測量電極(43、 44)與第二貫穿導通裝置(46)連接；內電極和測量電極(43、 44)設置在構造在固體電解質層(20)中的測量室(40)內，該測量 室經由擴散阻擋(41)由測量氣體加載。
11. 按權利要求10所述的傳感單元，其特徵在於所述連接觸 頭(15、 23、 47)在第一基底(11)的外表面上的布置這樣進行，使 得所述將外電極(14)與第一連接觸頭(15)連接的印製導線(13) 在第二連接觸頭(23)與第三連接觸頭(47)之間穿過地延伸。
12. 按權利要求1至11任一項所述的傳感單元，其特徵在於 該第一和第二基底(11、 12)是陶瓷的薄膜。
全文摘要
本發明涉及用於確定測量氣體的物理特性的傳感單元，具有由多個基底(11、12)組成的傳感器體(10；10′)，在它們之間設置多個印製導線(21、29、30)；置入到所述基底(11、12)中的、用導電的材料至少加襯的通孔(24、35、36)，所述通孔在設置在傳感器體(10)的彼此背離的外側上的連接觸頭(15、33、34)與印製導線(21、29、30)之間形成貫穿導通裝置(22、31、32)。本發明提出，所述貫穿導通裝置(22、31、32)這樣設置在兩個基底(11、12)內，使得在傳感器體(10)內，第一基底(11)中的每個貫穿導通裝置(22)相對於第二基底(12)中的每個貫穿導通裝置(31、32)錯位。
文檔編號G01N27/407GK101191784SQ200710193489
公開日2008年6月4日 申請日期2007年11月27日 優先權日2006年11月27日
發明者C·倫格爾, O·多特魏希 申請人:羅伯特·博世有限公司