由現(xiàn)有技術(shù)已知多種用于檢測測量氣體室內(nèi)測量氣體的至少一種特性的傳感器元件和方法。在此可以原則上涉及測量氣體的任意的物理的和/或化學(xué)的特性，其中，可以檢測一種或多種特性。本發(fā)明在下文中尤其參考對測量氣體的氣體組分的含量的質(zhì)量的和/或數(shù)量的檢測加以說明，特別是參考對在測量氣體內(nèi)的氧氣成分含量的檢測。氧氣成分含量可以例如以分壓力的形式和/或以百分比的形式被檢測。但作為備選或附加地也能檢測測量氣體的其它的特性，例如溫度。

這種傳感器元件例如可以被設(shè)計成所謂的進(jìn)氣量探測器，其例如由康拉德·海夫(發(fā)行人)的《機(jī)動車中的傳感器》(2010年第1版)，160-165頁公開。用寬帶進(jìn)氣量探測器，特別是用平面的寬帶進(jìn)氣量探測器，可以例如在很大范圍內(nèi)確定廢氣中的氧氣濃度以及因此推斷出燃燒室內(nèi)的空燃比。空氣系數(shù)λ說明這個空燃比。

由現(xiàn)有技術(shù)尤其已知若干陶瓷的傳感器元件，該陶瓷的傳感器元件以特定固體的電解特性的應(yīng)用為基礎(chǔ)，亦即以這個固體的離子導(dǎo)電的特性為基礎(chǔ)。這種固體尤其可以是陶瓷的固體電解質(zhì)，如二氧化鋯(ZrO₂)，特別是釔穩(wěn)定二氧化鋯(YSZ)，也就是說摻氧化釔二氧化鋯，以及摻鈧二氧化鋯(ScSZ)，它們可能包含氧化鋁(Al₂O₃)和/或氧化硅(SiO₂)添加物。

這種傳感器元件通常具有至少一個電極。該電極由所謂的金屬陶瓷制成，也就是說，由陶瓷的材料在金屬的母體中制造而成的復(fù)合材料構(gòu)成。電極的陶瓷的材料除了真正的陶瓷的材料外還相應(yīng)地具有金屬的材料的含量。金屬的材料通常是鉑族金屬以及優(yōu)選是鉑。

DE 198 33 087 A1說明了一種氣體傳感器，其具有帶至少一個測量電極的固體電解質(zhì)。測量電極設(shè)計有導(dǎo)電的基礎(chǔ)層和另一個層，其中，另一個層與基礎(chǔ)層相鄰地在多孔的覆蓋層的細(xì)孔中被電鍍地分離。

DE 100 20 082 A1說明了一種電化學(xué)的測量傳感器，其帶有離子導(dǎo)電的固體電解質(zhì)體和布置在該固體電解質(zhì)體上的電極。電極具有至少兩個層，其中，面朝氣體室的第二層相比面朝固體電解質(zhì)體的第一層具有更高的電子導(dǎo)電能力。

WO 2010/072460 A1說明了一種用于陶瓷的傳感器元件的結(jié)構(gòu)化的電極。在固體電解質(zhì)層和電極之間布置著中間層。

盡管由現(xiàn)有技術(shù)公開的用于進(jìn)氣量探測器的傳感器元件有大量優(yōu)點，但這些傳感器元件還蘊含改善潛力。因為電極在上述的現(xiàn)有技術(shù)中不是在傳感器元件的整個使用壽命期間都是高效率的。高效率在上下文中意味著電極的每單位面積的最大的材料移置(電極容量)、針對碳?xì)浠衔锏难趸?HC氧化)的高度的催化活性以及氧氣的離析(O2離析)和良好的低溫特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此建議一種用于檢測測量氣體室內(nèi)測量氣體的至少一種特性的傳感器元件，其至少盡量避免了已知的傳感器元件的缺陷以及在傳感器元件的整個使用壽命期間尤其提供了高效率的電極。電極可以是內(nèi)部的泵電極(IPE)、外部的泵電極(APE)、內(nèi)部的參考?xì)怏w電極(IE)以及特別是外部的測量氣體電極(AE)。

按本發(fā)明的用于檢測測量氣體室內(nèi)測量氣體的至少一種特性的，特別是用于證明測量氣體內(nèi)的氣體組分的含量或測量氣體的溫度的傳感器元件，包括至少一個固體電解質(zhì)層和至少一個觸點接通固體電解質(zhì)層的電極。電極在此可以直接或間接觸點接通固體電解質(zhì)層。電極具有至少部分由陶瓷的材料制成的至少一個第一層和至少部分由陶瓷的材料制成的第二層。第一層背對固體電解質(zhì)層。第二層面朝固體電解質(zhì)層。第一層的陶瓷的材料和第二層的陶瓷的材料具有摻釔二氧化鋯，特別是摻氧化釔二氧化鋯。第一層的陶瓷的材料具有比第二層的陶瓷的材料更高的釔摻雜度。第一層具有比第二層更高的孔隙度。

第一層的陶瓷的材料可以具有8.0%至11.5%的摩爾百分比的氧化釔摻雜度。第二層的陶瓷的材料可以具有3.5%至6.5%的摩爾百分比的，例如5.5%摩爾百分比的氧化釔摻雜度。第一層可以具有10%至40%的體積百分比的孔隙度。第二層可以具有0%至8%的體積百分比的孔隙度。第一層可以比第二層更厚。第一層的層厚與第二層的層厚之比可以為1.25至50。第一層具有5.0μm至25.0μm的層厚。第二層可以具有0.5μm至4.0μm的層厚。第一層的陶瓷的材料還可以具有至少一種鉑族金屬材料的成分。第二層的陶瓷的材料還可以具有惟一一種鉑族金屬材料的成分。第一層的陶瓷的材料的鉑族金屬材料可以具有至少鉑和銠。第二層的陶瓷的材料的鉑族金屬材料僅具有鉑。在第二層的陶瓷的材料的鉑族金屬材料中的鉑的份額可以至少為99.0%的重量百分比，優(yōu)選至少99.5%的重量百分比以及還要優(yōu)選為99.9%的重量百分比。在此力求特別優(yōu)選為100%的重量百分比值。在第一層的陶瓷的材料的鉑族金屬材料中的銠的份額可以是1.0%至5.0%的重量百分比。第一層的陶瓷的材料可以是細(xì)粒的。第二層的陶瓷的材料可以是細(xì)粒和粗粒的混合。在第一層的陶瓷的材料中的摻雜二氧化鋯的份額可以為2.0%至8.0%的重量百分比以及優(yōu)選4.0%至8.0%的重量百分比。在第二層的陶瓷的材料中的摻釔二氧化鋯的份額可以是10.0%至18.0%的重量百分比以及優(yōu)選為10.0%至15.0%的重量百分比。

在本發(fā)明的框架內(nèi)，固體電解質(zhì)指的是有電解特性的，亦即有離子導(dǎo)電特性的本體或物體。尤其可以是陶瓷的固體電解質(zhì)。這種陶瓷的固體電解質(zhì)也包括固體電解質(zhì)的原材料以及因此包括作為在燒結(jié)后才變成固體電解質(zhì)的所謂的生坯或棕坯。

孔隙度在本發(fā)明的框架內(nèi)指的是材料或材料混合物的空腔體積與總體積之比。

鉑族金屬材料指的是這樣一種材料，其具有鉑族金屬，也就是說，元素周期表的第五周期和第六周期的VIII至X族的元素的金屬。這些尤其包括釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑。

層在本發(fā)明的框架內(nèi)指的是由統(tǒng)一的材料沿平坦的延伸長度構(gòu)成的有特定的高度或?qū)雍竦奈矬w或本體，其可以被布置在其它物體上、下、之間或上方。

本發(fā)明的基本思想在于，用盡可能少量的所使用的鉑來建造廢氣傳感器的高效的電極。鉑-金屬陶瓷電極在此通常在絲網(wǎng)印刷工藝中被安裝在陶瓷的載體上且在燒結(jié)后具有典型在5μm至25μm之間的層厚。作為備選，直接與固體電解質(zhì)處于連接的第二電極層尤其也通過蒸發(fā)工藝或借助墨印/旋轉(zhuǎn)，也就是說用與絲網(wǎng)印刷膏相比稀液狀的、低粘性的懸浮液或“墨水”，或作為金屬蒸汽被涂覆。效率在此定義為電極活性，特別是催化活性，以及電極的每單位面積的最大可能的材料移置。這種電極滿足兩個子任務(wù)，這兩個子任務(wù)對材料組分、結(jié)構(gòu)(也就是說孔隙度和密度)以及金屬陶瓷的燒結(jié)特性提出了部分相反的要求。按照本發(fā)明建議，電極由至少兩個層構(gòu)成，這兩個層鑒于它們各自的任務(wù)而被優(yōu)化。因此面朝測量氣體室的第一層例如具有這樣的任務(wù)，即，實現(xiàn)到氣體室的連接，負(fù)責(zé)金屬表面和測量氣體之間的最大的材料交換以及最大的催化活性。在此滿足了形式為高孔隙度、納米級的鉑、分裂的表面、金屬陶瓷每體積單元的三態(tài)點或反應(yīng)中心的最大數(shù)量的材料要求，以及滿足了帶有肉眼可見的空腔和用于最大化氧離子導(dǎo)電能力的、有很高摩爾的氧化釔摻雜度的精細(xì)分配的YSZ或ScSZ的結(jié)構(gòu)化。面朝固體電解質(zhì)層的第二層具有連接到固體電解質(zhì)層上的任務(wù)。因此例如必須用有低氧化釔摻雜度的YSZ制成的載體陶瓷完成例如到能斯脫單元上的連接。材料要求在此是良好的機(jī)械的連接、優(yōu)化的材料接合、通過機(jī)械的制齒以及通過很高份額的有和載體材料相同的組分的YSZ的附著、可能時用燒結(jié)輔助劑的燒結(jié)以及很高的密度、很小的孔隙度、沒有空腔、針對如電子或氧離子這樣的充電載體的低通過阻力以及良好的低溫導(dǎo)電率。

附圖說明

本發(fā)明的其它可選的細(xì)節(jié)和特征由接下來對在附圖中示意性示出的優(yōu)選的實施例的說明得出。

附圖中：

圖1是按本發(fā)明的傳感器元件的分解圖；以及

圖2是傳感器元件的橫剖面視圖。

具體實施方式

圖1示出了按本發(fā)明的傳感器元件10的分解圖。在圖1中示出的傳感器元件10可以用于證明測量氣體的物理特性和/或化學(xué)特性，其中，可以檢測一種或多種特性。本發(fā)明在下文中尤其參考對測量氣體的氣體組分的質(zhì)量的檢測和/或數(shù)量的檢測加以說明，特別參考對測量氣體中的氧氣成分含量的檢測。氧氣成分含量可以例如以分壓力的形式和/或百分比的形式被檢測。不過原則上也可以檢測其它類型的氣體組分，例如氧化氮、碳?xì)浠衔锖?或氫。但也可以備選或附加地檢測測量氣體的其它特性，例如溫度。本發(fā)明尤其使用在機(jī)動車技術(shù)領(lǐng)域中，因而測量氣體室尤其是內(nèi)燃機(jī)的排氣側(cè)且測量氣體尤其是廢氣。

傳感器元件10作為平面的進(jìn)氣量探測器的示例性的組成部分具有至少一個第一固體電解質(zhì)層12。固體電解質(zhì)層12可以尤其是陶瓷的固體電解質(zhì)層12，例如二氧化鋯，特別是釔穩(wěn)定二氧化鋯和/或摻鈧二氧化鋯，它們可能包含少量氧化鋁和/或氧化硅添加物。傳感器元件10例如還具有第二固體電解質(zhì)層14。在第二固體電解質(zhì)層14的面朝第一固體電解質(zhì)層12的上側(cè)16上例如布置著埋在兩個絕緣層18之間的加熱元件20。

傳感器元件10還具有至少一個電極22。傳感器元件10例如具有第一電極22和第二電極26，第一電極被布置在第一固體電解質(zhì)層12的面朝測量氣體室的上側(cè)24上，第二電極被布置在面朝第二固體電解質(zhì)層14的參考?xì)怏w室28中。面朝測量氣體室的第一電極22、第一固體電解質(zhì)層12以及第二電極26例如形成了一個所謂的能斯脫單元。

圖2示出了傳感器元件10的橫剖面視圖?？梢栽趫D2中更為精確地看到第一固體電解質(zhì)層12以及第一電極22。第一電極22例如是外部的測量氣體電極。例如借助第一電極22說明電極22的按本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。明確強(qiáng)調(diào)，第二電極26可以被一致地構(gòu)造。第二電極26例如是內(nèi)部的測量氣體電極。第一電極22觸點接通第一固體電解質(zhì)層12。第一電極22具有至少部分由陶瓷的材料制成的第一層30和至少部分由陶瓷的材料制成的第二層32。第一層30背對固體電解質(zhì)層12。因此第一層30面朝測量氣體室。第二層32面朝固體電解質(zhì)層12。第一層30的陶瓷的材料和第二層32的陶瓷的材料具有摻釔二氧化鋯。第一層30的陶瓷的材料和第二層32的陶瓷的材料具有例如摻氧化釔二氧化鋯。第一層30的陶瓷的材料在此具有比第二層32的陶瓷的材料更高的釔摻雜度。第一層30的陶瓷的材料例如具有8.0%的摩爾百分比至11.5%的摩爾百分比的，例如9.5%的摩爾百分比的氧化釔摻雜度，反之，第二層32的陶瓷的材料具有3.5%的摩爾百分比至6.5%的摩爾百分比的，例如5.5%的摩爾百分比的氧化釔摻雜度。在第一層30的陶瓷的材料中的較高的氧化釔摻雜份額負(fù)責(zé)最大化電子和氧離子導(dǎo)電性。反之，在第二層32的陶瓷的材料中的較低的氧化釔摻雜份額則負(fù)責(zé)改善強(qiáng)度性能和燒結(jié)性能。此外，第一層30具有比第二層32更高的孔隙度。第一層30例如具有10%至40%的體積百分比，例如25%的體積百分比的孔隙度，反之，第二層32則具有0%至8%的體積百分比，例如2%的體積百分比的孔隙度。第一層30的更高的孔隙度負(fù)責(zé)擴(kuò)大表面以最大化氣體交換，反之，第二層32的較低的孔隙度則造成很高的材料密度，這種材料密度促成到固體電解質(zhì)層12上的更好的連接。

即使在圖2中沒有明確示出，第一層30也比第二層32要厚。第一層30的層厚與第二層32的層厚之比為1.25至50，例如為49。更精確地說，第一層具有5.0μm至25.0μm，例如24.5μm的層厚，反之，第二層則具有0.5μm至4.0μm，例如0.5μm的層厚。第一層30的更大的層厚例如可以通過絲網(wǎng)印刷工藝可能時憑借適孔劑實現(xiàn)。反之，較薄的第二層32則可以借助薄層涂覆工藝被涂覆，例如氣相噴鍍、濺鍍、懸浮涂層或類似工藝。

無論是第一層30還是第二層32都可以由金屬陶瓷制造，這就是說，陶瓷的材料分別具有真正的陶瓷的材料以及部分摻和物或鉑族金屬材料的成分。第二層32的陶瓷的材料可選具有唯一一種鉑族金屬材料的成分。換句話說，第二層32的陶瓷的材料的金屬陶瓷的金屬的成分僅包括鉑族金屬的惟一一種元素，例如鉑。反之，第一層30的陶瓷的材料的鉑族金屬材料可以具有至少鉑和銠。在第二層32的陶瓷的材料的鉑族金屬材料中的鉑的份額可以至少為99.0%的重量百分比，優(yōu)選至少99. 5%的重量百分比以及還要優(yōu)選為99.9%的重量百分比。在此力求100%的重量百分比的值。因此在第一層30的陶瓷的材料的鉑族金屬材料中的銠的份額例如可以是1.0%至5.0%的重量百分比，優(yōu)選3.0%的重量百分比。在此優(yōu)選使用細(xì)粒的銠粉。更精確而言通常優(yōu)選的是，第一層30的陶瓷的材料是細(xì)粒的以及第二層32的材料是細(xì)粒和粗粒的混合。在本發(fā)明的框架內(nèi)，術(shù)語“細(xì)粒的”和“粗粒的”涉及制造所使用的粉末的顆粒大小，其中，在此可以再次區(qū)分初級顆粒和結(jié)塊的顆粒，以及涉及使用在如膏、懸浮液、墨等的配制品中的陶瓷粉末的單位表面積。在本發(fā)明的框架內(nèi)，細(xì)粒的陶瓷的粉末可以借助不大于0.20μm的直徑D10、0.20μm至0.50μm的直徑D50、0.50μm至10.0μm的直徑D90以及按10㎡/g至50㎡/g的比表面積(BET)的單位表面積被描述特征。反之，粗粒的陶瓷的粉末則可以借助50μm至200μm的直徑D10、200μm至500μm的直徑D50、大于500.0μm的直徑D90以及按0.1㎡/g至2.0㎡/g的比表面積(BET)的單位表面積被描述特征。

在燒結(jié)時形成的鉑-銠相極為有效地防止了鉑顆粒燒結(jié)成更大的晶粒以及因此防止了使用壽命期間活躍的表面的減少。也減少了鉑通過蒸發(fā)排出。反之，構(gòu)造沒有銠添加物的第二層32，因為這減小了由鉑-銠相的銠的很高的熔點和氧化窗口引起的燒結(jié)惰性以及因而到固體電解質(zhì)層12的更糟糕的機(jī)械的電的連接。因為按照本發(fā)明可選建議，取消銠在第二層32中的使用，所以改善了第二層32到固體電解質(zhì)層12上的機(jī)械的連接。

此外，在第一層30的陶瓷的材料中的摻釔二氧化鋯的份額可選為2.0%至8.0%的重量百分比，以及優(yōu)選為4.0%至8.0%的重量百分比，例如6.0%的重量百分比。反之，在第二層32的陶瓷的材料中的摻釔二氧化鋯的份額可以為10.0%至18.0%的重量百分比，以及優(yōu)選為12.0%至15.0%的重量百分比，例如14.0%的重量百分比。通過摻釔二氧化鋯在第一層30中的較小的份額實現(xiàn)了一種有很大的內(nèi)表面的多孔的敞開式結(jié)構(gòu)。通過在第二層32中使用粗粒的鉑并結(jié)合很高份額的摻釔二氧化鋯，實現(xiàn)了良好地與固體電解質(zhì)層12燒結(jié)的緊密的層。