[发明专利]固体电解质传感器元件的制造方法，其含两多孔陶瓷层用于探测测量气体腔室中测量气体的至少一特性

说明书

用于制造传感器元件(10)的方法，传感器元件用于探测测量气体腔室中测量气体的至少一个特性，尤其用于检测测量气体的气体组分的含量或者测量气体的温度。所述方法包括以下步骤：提供至少一个固体电解质(12)，其具有至少一个功能元件(14、16、18)；至少区段地将至少一个由陶瓷材料形成的第一层(42)施加到所述固体电解质(12)上，其中，所述第一层(42)在施加后具有第一孔隙率；和至少区段地施加至少一个由陶瓷材料形成的第二层(44)，其中，所述第二层(44)在施加后具有第二孔隙率，所述第一层(42)在至少一个材料特性方面不同于所述第二层(44)。还提出了一种能根据该方法制造的传感器元件。

背景技术

由现有技术已知多种用于探测测量气体腔室中测量气体的至少一个特性的传感器元件和方法。在此，原则上涉及测量气体的任意物理和/或化学特性，其中一个或多个特性可被探测。本发明在下文中尤其参考测量气体的气体组分分量的定性和/或定量探测进行描述，特别地，参照测量气体中氧气含量的探测进行描述。氧气含量例如能以分压的形式和/或以百分含量的形式被探测。然而，替代地或附加地，也可探测测量气体的其它特性，例如温度。

例如，这种传感器元件被构造为所谓拉姆达传感器(Lambdasonde)，如从KonradReif(编者)：Sensoren im Kraftfahrzeug(2010年第一版,160-165页)已知。借助于宽带拉姆达传感器，尤其是平面宽带拉姆达传感器，可确定例如大的区域中废气内的氧气浓度，并因而推测得到燃烧室中的空气-燃料比。空气系数λ描述该空气-燃料比。

由现有技术尤其已知一种陶瓷传感器元件，其基于使用电解特性已被确定的固体，即基于该固体的离子导电特性。特别地，该固体可以是陶瓷固体电解质，如二氧化锆(Zr0₂)，尤其是钇稳定氧化锆(YSZ)和掺杂钪的氧化锆(ScSZ)，其可包含少量的氧化铝和/或氧化硅辅料。

对这种传感器元件提出了更高的功能要求。特别地，在发动机启动后，拉姆达传感器的快速运行待命具有很重要的意义。这基本上对两个方面产生影响。第一方面涉及拉姆达传感器迅速加热到它的工作温度(通常高于600℃)，这通过加热元件的相应配置或者缩小待加热区域可实现。另一方面涉及运行期间通过水冲击抑制热冲击的鲁棒性。所谓热冲击的产生原因是在发动机启动后的一段确定时间内，废气管内的温度低于水的露点，从而燃料燃烧时产生的水蒸气可能在废气管中凝结。由此，在废气管中形成水滴。因水滴的出现而在传感器陶瓷中引起热应力或破裂，拉姆达传感器的已加热的陶瓷被损坏或者甚至被毁坏。

于是，拉姆达传感器得到了发展：在它的表面上具有多孔陶瓷防护层，这种防护层也被称作热冲击防护层或热冲击保护层。这种防护层使拉姆达传感器上出现的水滴分布在大的面积上，并因而减小在固体电解质或探头陶瓷中出现的局部温度梯度。因此，该拉姆达传感器在加热状态下虽出现一定水滴大小的凝结水，但不被损坏。防护层通常以额外的方法步骤施加到传感器元件上。为此应用不同材料，例如氧化铝或尖晶石(MgAl₂0₄)，和不同涂覆技术，例如喷涂或浸渍过程。例如已知借助于大气等离子体喷射来施加由多孔氧化铝构成的均匀厚度的热冲击防护层。利用这个热覆层过程，引入的颗粒被熔化并且在固体电解质表面上被加速，从而所述热冲击防护层被涂覆在整个固体电解质表面上。所述热冲击防护层在低温范围(即从约300℃至400℃的温度范围)内因它的有限的渗透性而减小水对该传感器元件的固体电解质的渗透，所述固体电解质至少部分地由氧化锆形成，并且在高温范围(即从约400℃至600℃的温度范围)内通过热传导引起的冷却受到限制。在更高的温度下，莱登弗罗斯特效应抑制了所述冷却。