阅读说明：本技术 用于测定气体参数的传感器 (Sensor for determining gas parameters ) 是由 M·穆齐奥尔 T·艾斯慕斯 S·迭蒂曼 于 2018-05-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种传感器,特别是高温传感器,其具有至少一个全陶瓷加热器(3,3’)；和至少一个至少局部地布置在所述全陶瓷加热器(3,3’)的第一侧上的第一传感器结构(9)。本发明还涉及一种制造传感器的方法(1000)。(The invention relates to a sensor, in particular a high-temperature sensor, comprising at least one all-ceramic heater (3, 3'); and at least one first sensor arrangement (9) arranged at least partially on a first side of the all-ceramic heater (3, 3'). The invention also relates to a method (1000) of manufacturing a sensor.)

用于测定气体参数的传感器

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求1所述的用于测定气体参数的传感器。本发明还涉及一种制造传感器的方法。

背景技术

现有技术中揭示过各种用于分析气体的传感器。这类传感器通常用于内燃机的排气系统，例如碳烟传感器，例如用作温度传感器、碳烟传感器、流量传感器以及用作可包括不同传感器类型的组合的多传感器。燃烧气体或这类内燃机的废气可以根据传感器在排气系统中相对于发动机的位置而具有极高的温度。因此，在冷却传感器时通常可能相应地出现极大的温度梯度，其可能对传感器的工作方式产生不利影响。同样地，必须视具体用途，为确保工作能力而持续地或以一定的时间间隔主动地使得这些传感器达到用于热解清洁的某个温度水平。因此，传感器应具有较强的耐热性，也就是相对于较强的温度变化的具有较强的耐受性。例如可以通过施加冷凝液滴来产生这类温度变化。

WO 2007/048573 A1中描述过可以在内燃机的排气系统中应用的传感器的一个示例。这个传感器包括具有测温元件和加热元件的流量传感器元件。这些元件布置在支承元件上，其中测温元件具有用于温度测量的基于陶瓷衬底的铂薄膜电阻，并且借助另一铂薄膜电阻被加热。

WO 2006/111386 A1示出具有加热元件的碳烟传感器的一个示例。所描述的碳烟传感器具有处于衬底上的用于测定烟灰覆盖的传感器结构。为使得炭黑自由燃烧，发热体布置在实施为由铂制成的薄层结构的衬底上。

但现有技术揭示过的传感器的缺点在于，传感器结构和加热元件在衬底上占据较大的面积。同样地，由于低电阻加热元件中的较高贵金属含量，现有技术揭示过的传感器的制造成本相应地较高。现有技术揭示过的加热元件的另一缺点在于，耐温度冲击性较低。这个相对快速的温度变化的较低耐受性通常表现为裂纹和/或衬底材料中的其他变化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供克服现有技术的缺点的改进型传感器。特别是提供一种耐高温的传感器，其制造成本较低。

本发明用以达成上述目的的解决方案为根据权利要求1的主题的传感器。

为此，本发明的传感器(特别是高温传感器)具有：

至少一个全陶瓷加热器；和

至少一个至少局部地布置在所述全陶瓷加热器的第一侧上的第一传感器结构。

术语“全陶瓷加热器”可以指某个加热器，其包括由导电陶瓷制成的发热体和电绝缘陶瓷制成的护套。导电陶瓷与电绝缘陶瓷可以被烧结成均质体。

优选将导电陶瓷的区域与电绝缘陶瓷的区域合并成生坯，并且通过共烧结，也就是在共用的烧结步骤中制成全陶瓷加热器。因此，在本发明的示例中，全陶瓷加热器同样被称为“共烧结全陶瓷加热器”。

在本发明的范围内，“传感器结构”可以指任一适于对流过的气体的至少一个气体参数进行检测的结构。

本发明基于以下出人意料的认识：可以制造具有有所减少的贵金属含量的传感器，因为全陶瓷加热器大体上不采用贵金属组件构建。可以仅应用电极，例如可能包括贵金属成分的馈电线来与陶瓷接触。在本发明的示例中，这些电极进一步有利地同样可以由大体不包括任何贵金属成分的导电陶瓷形成。

借助本发明首次成功地提供一种用于高温用途的传感器，其耐受超过1000℃的高温以及快速的温度变化，而不会在此过程中导致损伤或漂移，也就是在未导致待测量大小发生变化的情况下导致传感器的输出信号发生变化。

进一步有利地，与现有技术中揭示过的大小相似的传感器相比，所述传感器具有更大的用于传感器结构的空间，因为在本发明的传感器中，支承元件或衬底的表面上的围绕传感器结构布置或布置在传感器结构中的加热装置并非必不可少的。

同样地，陶瓷的良好的耐老化性和耐磨性确保加热器的较长使用寿命。借助以上述方式构建的全陶瓷加热器可以可靠地检测最高1000℃的温度。全陶瓷加热器的其他优点在于较短的加热时间、较少的余热、改进的可控性、在高温下的有所增加的使用寿命以及较高的机械强度。

全陶瓷加热器上的传感器的另一优点在于，可以在导电的介质，例如液体或电离气体中应用。不同于裸露的加热器，基于全陶瓷加热器的电绝缘护套而不存在短路风险。

在一个示例中，所述全陶瓷加热器具有至少一个导电陶瓷，所述导电陶瓷优选在至少两个相互分离的位置上与电极接触。此外，所述全陶瓷加热器具有至少一个电绝缘陶瓷，其中所述电绝缘陶瓷至少局部地包围，优选完全地包围所述导电陶瓷。

导电陶瓷同样可以被称为发热体或热电阻。导电陶瓷的任务是将电能转换为热能。为此，导电陶瓷优选具有较低的比电阻，例如在5*10^-3Ωcm至5*10^-1Ωcm范围内的比电阻，使得陶瓷在通电的情况下升温。可以通过电极在陶瓷上的空间布局来确定发热体的电阻，并且通过电极之间的电阻路径形成该电阻。

就此而言，可以应用术语“电极”来表示电导体或电导体的一个区域，例如连接垫，该区域与导电陶瓷电连接。

根据本发明，导电陶瓷至少局部地被电绝缘陶瓷包围。在一个示例中，导电陶瓷被封装在电绝缘陶瓷中，甚至是被气密封装。因此，可以用电绝缘陶瓷形成全陶瓷加热器的表面，并且将第一传感器结构布置在电绝缘陶瓷上。

可以使得电极穿过电绝缘陶瓷，这样就能与全陶瓷加热器电接触，例如可以借助电极将全陶瓷加热器连接电源。电极例如可以为金属线。

例如可以通过将至少一个陶瓷粉末挤压成适宜的形状来将全陶瓷加热器成形为所谓的“生坯”。但同样可以根据期望的用途而应用其他成形工艺，例如流延成型、挤压成型、注射成型和压力注浆等来制造生坯。在制造生坯后，可以在氮气气氛下对生坯实施烧结。例如在EP 0 384 342 A1中描述过一种可行的制造方法。

此外，电绝缘或导电陶瓷可以包括由两个或两个以上的粉末形成的混合物，从而更好地确定例如陶瓷的机械性能。

有利地，可以视所产生的传感器的具体预期的使用范围来改变粉末之间的比例，使得陶瓷可以根据粉末含量而具有不同的电和/或热性质。

粉末同样可以被均匀混合，使得陶瓷的材料特性在陶瓷的整个延伸度范围内大体相同。作为替代方案，陶瓷同样可以在某些区域内具有不规则混合的粉末，以便视所产生的传感器的具体预期的使用范围而在这些区域内具有更好/更差的导电和/或导热能力。

在一个示例中，导电陶瓷由陶瓷粉末形成，包括硅化物、碳酸盐和/或氮化物粉末，和至少一个由钨、钽、铌、钛、钼、锆、铪、钒和/或铬基团组成的元素，以及，电绝缘陶瓷由导热的陶瓷粉末形成，包括硅亚硝酸盐和/或氮化铝。

导电陶瓷的陶瓷粉末的元素有利地起作用，使得导电陶瓷具有较小的比电阻。此外，电绝缘陶瓷的陶瓷粉末的元素有利地起作用，使得电绝缘陶瓷具有较大的强度值和较强的抗氧化性。

在另一示例中，全陶瓷加热器具有0.3mm至3mm的厚度，全陶瓷加热器优选具有0.5mm至1.5mm的厚度。

有利地，可以实现极薄的全陶瓷加热器，可以将第一传感器结构布置在这些加热器上，并且这些加热器已经能够提供足够的热功率以加热第一传感器结构。

在另一示例中，所述传感器具有：

至少一个至少局部地布置在所述全陶瓷加热器的第一侧上的第一绝缘层和/或

至少一个至少局部地布置在所述全陶瓷加热器的与第一侧相对布置的第二侧上的第二绝缘层。

根据所应用的全陶瓷加热器，第一和/或第二绝缘层要么可以布置在导电陶瓷上，要么已经布置在电绝缘陶瓷上并且用作导电陶瓷与传感器结构之间的电绝缘体。进一步有利地，第一和/或第二绝缘层可以用作用于传感器结构的增粘剂。

在另一示例中，第一绝缘层和/或第二绝缘层包括电绝缘陶瓷。

电绝缘陶瓷可以具有良好的导热性能，因此，可以使得所产生的热穿过电绝缘陶瓷。在一个示例中，第二绝缘层可以包括与第一绝缘层相同的材料。但第二绝缘层同样可以具有包含与第一绝缘层不同的绝缘和/或导热性能的电绝缘陶瓷。

在一个示例中，布置在全陶瓷加热器的第一侧上或第二侧上的第一传感器结构和/或第二传感器结构包括至少一个用于温度测量的电阻结构，特别是回形的测量电阻。

测量电阻可以由在这两个电极之间具有弧形走向的电路形成。电路例如可以设计为回形。这种测量电阻可以仅布置在全陶瓷加热器的一侧上，要么布置在第一侧上，要么布置在第二侧上。在另一示例中，同样可以在全陶瓷加热器这两侧上均布置有一个测量电阻。

有利地，传感器结构可以在全陶瓷加热器的整个表面上延伸，因为无需将任何独立的加热元件布置在全陶瓷加热器的表面上。

在另一示例中，布置在全陶瓷加热器的第一侧上或第二侧上的第一传感器结构和/或第二传感器结构包括至少一个用于测量碳烟(soot)粒子的沉积物的浓度的梳状结构，IDK结构。

通常可以将IDK结构用于测定碳烟传感器中的碳烟粒子。

在一个示例中，布置在全陶瓷加热器的第一侧上或第二侧上的第一传感器结构和/或第二传感器结构包括至少一个电加热元件和至少一个用于风力测量的温度传感器。

可以在同样可以被称为流量传感器的通流传感器中使用这类传感器结构，以便测量通道中，例如排气系统中的流量。

在全陶瓷加热器的两侧上同样可以布置有不同的传感器结构，以测定不同的大小。这种传感器可以被称为多传感器。

在另一示例中，第一传感器结构和/或第二传感器结构包括至少一个铂材料。

传感器结构有利地可以具有铂电阻作为测量电阻。

在另一示例中，所述传感器元件具有：

至少一个至少局部地布置在第一传感器结构上的第一陶瓷中间层；和/或至少一个至少局部地布置在第二传感器结构上的第二陶瓷中间层，其中第一和/或第二陶瓷中间层优选包括氧化铝和/或氧化镁。

正如DE10 2007 046 900 B4描述过的那样，这类陶瓷中间层可以有利地用作扩散阻挡层。

在另一示例中，所述传感器具有：

至少一个至少局部地布置在第一陶瓷中间层上的第一覆盖层；和/或

至少一个至少局部地布置在第二陶瓷中间层上的第二覆盖层。

同样如DE10 2007 046 900 B4描述过的那样，这种覆盖层可以作为钝化层布置在陶瓷中间层上，该钝化层例如可以包含石英玻璃且可选地包含陶瓷。

本发明还提出一种根据上述权利要求中任一项所述的传感器，其特别是在汽车的排气系统中实施为温度传感器、碳烟传感器、流量传感器和/或多传感器，该多传感器包括由温度传感器、碳烟传感器和/或流量传感器组成的组合。

此外，本发明提出一种制造传感器，特别是高温传感器的方法，包括如下步骤：

提供至少一个全陶瓷加热器；以及

将至少一个第一传感器结构至少局部地设置至所述全陶瓷加热器的第一侧上。

正如EP 0 763 693 B1描述过的那样，可以有利地将陶瓷加热器用作衬底，并且可以将传感器结构布置在所述陶瓷加热器上。这样就能有利地以简单且低成本的方式制造传感器。

在一个示例中，所述方法的特征在于，所述提供包括：

借助导电与电绝缘陶瓷的共烧结来制造所述全陶瓷加热器；以及/或者

其中所述设置包括：

特别是以薄膜技术用铂材料印刷第一绝缘层。

但例如同样可以以厚膜技术将铂材料设置至衬底上。为此，可以将铂粉末与氧化物和粘合剂混合，并且通过丝网印刷设置至衬底上。随后，可以实施退火。

附图说明

本发明的更多特征和优点参阅下文结合示意图对本发明的优选实施方式的进行的描述。

图中：

图1为根据本发明的实施方式的传感器的分解示意图；

图2为根据本发明的实施方式的全陶瓷加热器的分层示意图；

图3a、3b为根据本发明的实施方式的全陶瓷加热器的作为分解图的示意图，以及处于合并状态下的全陶瓷加热器的视图；以及

图4为制造根据本发明的实施方式的传感器的方法。

具体实施方式

图1示出根据本发明的实施方式的传感器1的分解示意图。示例性地示出的传感器1具有全陶瓷加热器3，其包括由导电陶瓷制成的发热体和电绝缘陶瓷制成的护套。在所示实施方式中，导电陶瓷与电绝缘陶瓷被烧结成均质体。

图1还示出布置在全陶瓷加热器3上的两个电极5a、5b。在所示实施方式中，电极5a、5b设计为馈电线。电极5a、5b在两个不同的位置上与导电陶瓷接触，使得导电陶瓷在电极5a、5b之间的区域构建为发热体或热电阻。可以将能量源，例如(未在图1中示出的)电流源连接电极5a、5b，使得陶瓷在通电的情况下升温。可以通过将电极5a、5b布置在陶瓷上来测定发热体的电阻，并且通过电极5a、5b之间的电阻路径形成该电阻。在图1所示实施方式中，电极5a、5b并排布置在全陶瓷加热器3的一侧上。但本领域技术人员知晓，在未示出的实施方式中，电极5a、5b同样可以布置在全陶瓷加热器3的其他位置上，例如布置在全陶瓷加热器3的的相对侧上。此外，在未示出的实施方式中，同样可以有超过两个电极布置在全陶瓷加热器3上。例如可以有四个电极布置在全陶瓷加热器3上并且可以与导电陶瓷电接触，以便将两个相互独立的电路接合。这样就能在该未示出的实施方式中构建两个可独立接通的热电阻，其在全陶瓷加热器中具有不同的热功率。

可选地，图1所示实施方式示出第一绝缘层7，其布置在全陶瓷加热器3的第一侧上。第一绝缘层7例如可以通过电绝缘的陶瓷膏的丝网印刷制成。作为替代方案，同样可以借助如溅射、热蒸镀或气溶胶沉积等方法，通过涂布金属氧化物来制造第一绝缘层7。第一绝缘层7可以全面地覆盖全陶瓷加热器3的表面，或者仅布置在全陶瓷加热器3的表面的一个分区上。在未示出的实施方式中，同样可以在第一绝缘层的材料中引入凹槽，使得电极能够通过第一绝缘层接触。

在全陶瓷加热器3上或在可选地设置的第一绝缘层7上布置有第一传感器结构9，其例如可以实施为铂电阻结构。所示第一传感器结构9示出例如可以应用于温度测量的回形电阻结构。如图1所示，回形电阻结构可以具有两个连接触点，以便电阻结构连接电子分析设备(图1未示出)。作为所示电阻结构的替代或补充方案，在未示出的实施方式中，还可以有其他传感器结构和/或加热元件布置在全陶瓷加热器3的第一表面上。

例如可以布置有IDK结构作为回形电阻结构的替代或补充，以测定碳烟粒子。

此外，图1仅可选地示出，第一传感器结构9和全陶瓷加热器3的未被第一传感器结构9覆盖的区域可以被陶瓷的中间层11至少部分地覆盖。陶瓷的中间层11又可以仅可选地被覆盖层13至少部分地覆盖。但本领域技术人员知晓，中间层11和/或覆盖层13就图1所示实施为汽车的排气系统中的温度传感器、碳烟传感器、流量传感器和/或多传感器的传感器1的应用而言并非必要的。

在图1所示实施方式中，在全陶瓷加热器3的第二侧上布置有第二绝缘层7'，其可包括与第一绝缘层7相同的材料。

在所示实施方式中，用于测定碳烟粒子的IDK结构示例性地作为第二传感器结构9'安装在全陶瓷加热器3上。在未示出的替代实施方式中，第二传感器结构9'还可以包括其他/替代结构，这些结构适于对流过的气体的一或数个气体参数进行检测。

正如已就全陶瓷加热器3的第一侧所描述过的那样，同样可以在第二传感器结构9'上至少局部地布置有陶瓷的中间层11'，在该中间层上又可以至少局部地布置有覆盖层13'。

但这些结构布置在衬底3的第二侧上的布置方案对本发明而言并非至关重要。本发明的传感器1同样可以仅包括全陶瓷加热器3、第一绝缘层7和第一传感器结构9。

图2示出根据本发明的实施方式的全陶瓷加热器3'的分层示意图。图2所示分层图可以为已在图1中示出的全陶瓷加热器3的结构图。

图2中的左列示出用作所谓的“生坯”的压紧的电绝缘陶瓷粉末的数个大体相同的层15-23。如图2所示，层15-23大体设计为矩形。但在未示出的实施方式中，这些层也可以具有其他几何形状，这些层例如可以为圆形或椭圆形。

图2的中间列示出三个层17'-21'，这些层可以为左列所示的层17-21，具有例如可以通过冲压而被引入的凹槽。在层17'和21'中成型有用于使得发热体与电极接触的几何形状。在层19'中成型有用于发热体的几何形状。所示几何尺寸仅为示例性的，同样可以根据期望的用途设计不同于所示的几何形状，发热体例如可以设计为棒形或回形。

图3的右列示出三个层17”-21”，这些层可以为中间列所示的层17'-21'，具有被引入凹槽的导电陶瓷粉末。

图3a和图3b示出根据本发明的实施方式的全陶瓷加热器3'的作为分解图的示意图和处于合并状态下的视图。

图3a示出，图2所示层15、17”、19”、21”和23布置在堆垛层上。在图2所示触点上布置有图3a所示实施方式中形式为触针或连接线的电极5a'、5b'，以便与发热体接触。

图3b示出图3a中处于合并状态的堆垛层。例如可以借助烧结将这些层相互连接。例如可以在1600-2000℃的温度下，在氮气气氛下实施烧结。

图4示出制造根据本发明的实施方式的传感器1的方法1000。所述方法1000具有如下步骤：

提供1010至少一个全陶瓷加热器3；以及

将至少一个第一传感器结构9至少局部地设置1015至全陶瓷加热器3的第一侧上。

此外，提供1010也可以包括，借助导电与电绝缘陶瓷的共烧结来制造1005全陶瓷加热器3、3'。在图4中以虚线示出这个步骤的边框，因为全陶瓷加热器的制造1005仅为可选的。

上述说明书、权利要求书和图式中的特征既可以单独地又可以以任意组合在其不同实施方式中对本发明具有重要意义。

附图标记表

1 传感器

3、3' 全陶瓷加热器

5a、5a'、5b、5b' 电极

7、7' 绝缘层

9、9' 传感器结构

11、11' 陶瓷中间层

13、13' 覆盖层

15 第一层

17、17'、17” 第二层

19、19'、19” 第三层

21、21'、21” 第四层

23 第五层

1000 制造传感器的方法

1005 制造

1010 提供

1015 设置