用于制造用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器的传感器元件的密封装置的方法

摘要

本发明提出一种用于制造用于传感器(10)的传感器元件(30)的密封装置(42，46)的方法，所述传感器用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一个特性，尤其用于检测在测量气体中气体组份的份额或者测量气体的温度。所述方法包括以下步骤：提供陶瓷材料，所述陶瓷材料至少具有氮化硼和三氧化硼，其中三氧化硼相对于陶瓷材料的份额为2.0％至6.0％(重量)；将所述陶瓷材料成形压合成密封装置(42，46)并且热处理所述密封装置(42，46)。

说明书

背景技术

由现有技术已知多种用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器元件和方法。在此，原则上可以涉及测量气体的任何的物理和/或化学特性，其中可以检测一个或多个特性。以下，尤其参照测量气体的气体组份的份额的定性和/或定量的检测来描述本发明，尤其参照测量气体中的氧气份额的检测。氧气份额例如可以以部分压力的形式和/或以百分比的形式检测。替代地或附加地，然而也可以检测测量气体的其他特性、例如温度。

例如，所述传感器元件可以构型为所谓的λ探测器，如其例如由KonradReif(出版者)《SensorenimKraftfahrzeug》(2010年第一版，第160-165页)已知的那样。借助宽带λ传感器、尤其借助平面的宽带λ探测器例如可以以大的范围确定废气中的氧气浓度并且因此推断出燃烧室中的空气燃料比。空气系数λ描述所述空气燃料比。

由现有技术尤其已知具有陶瓷传感器元件的传感器，所述传感器元件基于确定的固体的电解特性的使用，即基于所述固体的离子导通的特性。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)和钪掺杂的二氧化锆(ScSZ)，它们可以包含氧化铝(Al₂O₃)和/或二氧化硅(SiO₂)的少的添加。

所述传感器通常具有密封装置。密封装置由以下材料制造：所述材料包括由氮化硼和氧化物陶瓷的组份、例如皂石(Steatit)组成的混合物。所述传感器例如在DE10009597A1、DE19532090A1和DE19714203A1中描述。同样已知的是，制造由氮化硼构成的统一的密封装置和由皂石构成的其他密封装置。所述密封装置以交替的顺序在传感器中使用。所述密封装置片状地构造。在那里所描述的材料考虑好的密封效果、尤其相对于燃料，以及高的温度耐受性。在那里所描述的密封装置由六边形氮化硼制造并且由均压热压的烧结体切削地加工。由皂石制造的密封装置涉及没有烧结的成形压制的皂石原料。

DE19750107C1描述了一种用于制造由六边形氮化硼粉末构成的密封装置的方法，所述氮化硼粉末压合密封体。此外描述了，通过纯化(Auswaschen)使氮化硼粉末摆脱(entziehen)自由的三氧化硼并且添加粘合剂。

虽然由现有技术已知的制造方法具有优点，然而这些方法仍具有改善潜力。因此，通过切削加工制造的密封装置的制造是非常昂贵的。由于多个方法步骤，所以在使用粘合剂的情况下借助压合的制造是耗费的并且因此同样昂贵。此外，密封效果不是最优。此外，烧结的密封装置具有制造决定的密封差别，所述密封差别导致不同的质量。这在后置的用于调节恒定的含水量的制造工艺中又是有问题的。

发明内容

因此，提出一种用于制造用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器的传感器元件的密封装置的方法，所述方法至少尽可能避免已知制造方法的上述不利，所述方法是显著更成本有利的并且能够实现制造具有相对于废气和潮湿改善的密封效果的密封装置。

根据本发明的用于制造用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一个特性、尤其用于检测测量气体中的气体组份的份额或者测量气体的温度的传感器的传感器元件的密封装置的方法包括以下步骤，优选以所说明的顺序：

-提供陶瓷材料，所述陶瓷材料至少具有氮化硼和三氧化硼，其中三氧化硼相对于陶瓷材料的份额为2.0％至6.0％(重量)；

-将所述陶瓷材料成形压合成密封装置；

-热处理所述密封装置。

成形压合可以干式地实施。在本发明的范畴内，干式压合理解为以下压合工艺：在所述压合工艺中不发生用于去除三氧化硼的纯化工艺。

热处理可以在475℃至1250℃的温度时实施。换言之，热处理在以下温度时实施：所述温度在氧化硼的熔化温度以上但是在皂石的烧结温度以下。陶瓷材料可以作为粉末或者或颗粒提供。粉末可以由碎粒(Brechkorn)或者喷涂粒(Sprühkorn)制造。碎粒可以通过研磨具有低的石墨化指数[<<2]的紧凑化的六边形氮化硼粉末或者通过研磨热压的烧结体来制造。喷涂粒可以由基于溶剂的充填料制造。可以湿处理陶瓷材料。优选地，湿处理有针对性地并且均匀地实现。湿处理有助于改善地运输以硼酸形式的三氧化硼到密封装置与由皂石制造的密封装置、传感器元件以及壳体的边界面。替代地，可以在压合之后湿处理陶瓷材料。由于多孔性，潮湿可以更好地引入到密封装置中。密封装置可以构造为可变形体。密封装置可以如此构造，使得所述密封装置可以置于传感器的壳体的纵向孔中。热处理可以在将密封装置置于传感器的壳体的纵向孔中之后实施。

可以具有所述密封装置的用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器包括传感器元件和壳体。壳体具有纵向孔，在所述纵向孔中布置传感器元件。传感器还具有至少一个根据以上实施的密封装置。密封装置可以如此设置并且压入到纵向孔中，使得密封装置变形并且压到传感器元件和壳体上。

传感器元件可以是陶瓷的传感器元件。例如，传感器元件包括至少一个固体电解质。固体电解质可以由多个固体电解质层构造。在本发明的范畴内，固体电解质或者固体电解质层通常理解为具有电解质特性、即具有离子导通的特性的物体或者对象。尤其可以涉及陶瓷的固体电解质、例如二氧化锆(ZrO₂)、尤其钇稳定的二氧化锆(YSZ)和钪掺杂的二氧化锆(ScSZ)，它们可以包含氧化铝(Al₂O₃)和/或二氧化硅(SiO₂)的少的添加。这也包括固体电解质的原材料并且因此包括作为所谓的生坯或者熟坯的构造，所述生坯或者熟坯在烧结之后才成为固体电解质。固体电解质尤其可以构造为固体电解质层或者由多个固体电解质层构造。

传感器元件可以具有至少一个电极。在本发明的范畴内，电极通常理解为能够如此接触固体电解质的元件，使得通过固体电解质和电极可以保持电流。相应地，电极可以包括以下元件：在所述元件上离子可以嵌入到固体电解质中和/或从固体电解质脱出(ausbauen)。典型地，电极包括贵金属电极，所述贵金属电极例如可以作为金属陶瓷电极或者施加在固体电解质上或者通过其他方式与固定电解质连接。典型的电极材料是铂金陶瓷电极。然而，原则上也可以使用其他贵金属、例如金或钯。

在本发明的范畴内，没有烧结的皂石原材料理解为基于自然的原材料的陶瓷材料，所述陶瓷材料由主要组分皂石(Mg(Si₄O₁₀)(OH)₂)、自然的硅酸镁组成并且由陶土和长石或者碳酸钡的添加组成。皂石原材料作为矩阵起作用，而氧化钡起非定形的粘合相的作用。在本发明的范畴内，皂石/三氧化硼混合在热作用下密封，其方式是，非定形的粘合相使细孔闭合。在此，温度位于三氧化硼的熔化温度以上并且皂石的烧结温度以下。

本发明的基本设想在于，将由六边形氮化硼粉末组成的密封装置干式地压合成密封体，在所述六边形氮化硼粉末中包含2％至6％(重量)浓度的自由的三氧化硼。

在此期间已知的是，切削地由热压块加工出的密封装置的密封效果主要通过自由的三氧化硼实现。三氧化硼是强烈吸湿的并且在水吸收的情况下容易地过渡成原硼酸()H₃BO₃。硼酸在温度作用时出现，其中温度在此应当位于三氧化硼的熔化温度以上并且皂石的烧结温度以下，并且与邻接的皂石原材料一同构成硼酸玻璃。在此，三氧化硼起非定形的粘合相的作用，所述皂石原材料作为矩阵起作用。此外，接合间隙以及通过不同的热膨胀系数决定的间隙在比通过非定形的氮化硼密封装置能够实现的更高的温度时相对于壳体和传感器元件改善地闭合并且补偿。

制造为成形压体的包含2-6％(重量)的自由的三氧化硼的氮化硼密封装置具有以下优点：所述H₃BO₃在废气传感器的加热时由于较大的多孔性和由此决定的较大的表面可以改善地出现并且改善地填充毛细管。此外，实施为(粉末)压合体的氮化硼密封装置在安装时变形，即在密封封装(皂石元件/氮化硼密封装置/皂石元件)的压合时比紧凑的切削地由热压块加工出的氮化硼密封装置显著更好，所述氮化硼密封装置具有显著更高的坚固性。此外，由此避免由密封封装和传感器元件组成的系统中的刚性阶跃。此外，粉末加工提供以下优点：在此避免烧结块的制造决定的密封差别，因为可以通过不同氮化硼原料的混合(Blenden)来调节粉末原料的均匀的氮化硼质量。

另一优点是以下可能性：在制造成形压合的氮化硼密封装置时有针对性地且均匀地湿处理压合颗粒。湿处理有助于将以硼酸形式存在的三氧化硼改善地运输到与皂石、传感器元件和壳体的边界面处。湿处理可以替代地在成形压合体上实现并且在此也带来以下优点：潮湿由于多孔性可以改善地置入到氮化硼密封装置中。

相对于通过切削加工制造的氮化硼密封装置，成形压合的氮化硼密封装置的相对密度为大约80％。与此相反，在切削加工的氮化硼密封装置中，潮湿可以仅仅侵入边缘层中。成形压合的氮化硼密封装置的另一优点是成形中的自由度。因此，可以以小的附加耗费地引入标识、例如用于可区分性的标识。

在根据本发明的方法中所使用的用于密封装置的压合颗粒优选可以由碎粒或者替代地由喷涂粒制造。碎粒可以通过紧凑化的六边形BN-B₂O₃粉末的研磨或者通过热压合的烧结体的研磨制造。碎粒可以由基于溶剂的充填料制造。在此，颗粒大小分布取决于最终产品的相应的应用要求并且可以由本领域技术人员应用相关地确定。附加的粘合剂不是必须的，因为三氧化硼起粘合相的作用。干压的氮化硼密封装置的生坯坚固性如果仍不足够则可以通过热处理提高。生坯坚固性是一个因素，所述因素对于运输和安装时的处理是非常重要的。热处理的温度和持续时间取决于最终产品的相应要求并且可以由本领域技术人员情形相关地确定。

附图说明

本发明的其他可选择的细节和特性由优选实施例的以下描述得出，所述优选实施例在附图中示意性示出。附图示出：

图1：根据本发明的传感器的横截面视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的传感器10的横截面视图。传感器10可以用于证明测量气体的物理和/或化学的特性，其中可以检测一个或多个特性。以下尤其参照测量气体的气体组份的定性和/或定量的检测来描述本发明，尤其参照测量气体中的氧气组份的检测。氧气份额例如可以以部分压力的形式和/或以百分比的形式检测。然而，原则上也可检测其他气体组份、例如氮氧化物、碳氢化合物和/或氢气。然而，替代地或附加地也可以检测测量气体的其他特性。本发明尤其可以用于机动车技术的领域中，从而测量气体空间尤其可以涉及内燃机的排气装置，而测量气体尤其涉及废气。

传感器10具有壳体12，所述壳体可以由金属制造并且具有作为用于安装到没有示出的测量气体管中的固定模块的螺纹14。壳体12具有纵向孔16，所述纵向孔具有肩状的环形面18。金属密封环20例如位于所述肩状的环形面18上，在所述金属密封环上施加测量气体侧的陶瓷成形部22。测量气体侧的陶瓷成形部22朝纵向孔16的方向延伸地具有连续的测量气体侧的裂口24。与测量气体侧的陶瓷成形部22间隔开地，在纵向孔16中还布置连接侧的陶瓷成形部26。连接侧的陶瓷成形部26同样朝纵向孔16的方向延伸地具有中央布置的并且连续的连接侧的裂口28。测量气体侧的陶瓷成形部22的测量气体侧的裂口24和连接侧的陶瓷成形部26的连接侧的裂口28彼此对齐地延伸。具有测量气体侧的端部区段32和连接侧的端部区段34的板形的传感器元件30位于裂口24、28中。

传感器元件30的测量气体侧的端部区段32从壳体12突出并且由保护管36包围，所述保护管固定在壳体12上。保护管36具有用于待测量气体的进口和出口38。连接侧的端部区段32具有连接接触40，所述连接接触同样从壳体12突出。连接接触40与没有示出的设置有连接线缆的接触插接部接触。从壳体12突出的连接侧的端部区段34由没有示出的封装包围，所述封装保护连接侧的端部区段34免受周围环境影响。

密封装置42位于测量气体侧的陶瓷成形部22和连接侧的陶瓷成形部26之间。密封装置42包括至少一个密封装置44。在所示出的实施例中，密封装置42仅仅示例性地并且没有限制地由第一密封装置44、第二密封装置46和第三密封装置48组成。理解为，根据应用可以设置或多或少的密封装置。例如，本发明的另一没有详细示出的实施方式可以设想：在所述实施方式中密封装置42仅仅由一个唯一的密封元件组成，所述密封元件具有在图1中所描述的第一密封装置44的特性。

第一密封装置44位于测量气体侧的陶瓷成形部22上。与之连接的是第二密封装置46。第三密封装置48位于第二密封装置46上，连接侧的陶瓷成形部26压到所述第三密封装置上。连接侧的陶瓷成形部26的压紧力由金属套50施加。金属套50例如具有多个向后指向的夹紧装置52，所述夹紧装置啮合到模制在壳体12上的切槽54中。但也可以设想，金属套50与壳体12焊接。

第一密封装置44和第三密封装置48可以由氧化物陶瓷材料制造。氧化物陶瓷材料可以具有多个氧化物陶瓷化合物，它们通常具有皂石。第二密封装置46由陶瓷材料制造，所述陶瓷材料至少具有氮化硼。第一密封装置44和第三密封装置48可以替代地由与第二密封装置46相同的材料制造。本发明的特别的但非唯一的焦点在于第二密封装置46和所述第二密封装置的制造。根据本发明的用于制造第二密封装置46的方法以下更详细地描述。

第二密封装置46尤其可以如下制造。首先提供陶瓷材料，所述陶瓷材料至少具有氮化硼和三氧化硼。三氧化硼相对于陶瓷材料的份额为2.0％至6.0％(重量)并且优选为3.0％至5.0％(重量)、例如为4.0％(重量)。陶瓷材料尤其作为粉末或者颗粒提供。粉末可以由碎粒或者喷涂粒制造。碎粒可以通过研磨紧凑化的三氧化硼粉末或者通过研磨热压的烧结体来制造。喷涂粒可以由基于溶剂的充填料制造。附加的粘合剂是不必须的，因为三氧化硼起粘合相的作用。粉末可以湿处理并且随后借助成形压合成形成密封装置。替代地，陶瓷材料可以借助成形压合成形成密封装置42，其中干地实施成形压合并且随后在压合之后湿处理陶瓷材料。优选地，有针对性地实施均匀的湿处理。

密封装置42通过这种方式构造成可变形体。相应地，密封装置42首先作为生坯存在。通过热处理可以提高生坯坚固性并且因此改善密封装置42在运输和进一步处理期间的稳健性。密封装置42如此构造，使得密封装置42可以置于传感器10的壳体12的纵向孔16中。

最后，将密封装置42置于传感器10的壳体12的纵向孔16中。如此构造的第二密封装置46与第一密封装置44和第三密封装置48一同置于已经包含传感器元件30的纵向孔16中。在如此构造的密封装置42上布置连接侧的陶瓷成形部26。随后，将金属套50放置到连接侧的陶瓷成形部26上。随后，借助压印将力施加到金属套50上，所述力通过连接侧的陶瓷成形部26作用到密封装置42的密封装置44、46、48上。在此，使密封装置44、46、48的预制造的环如此变形，使得密封装置44、46、48的材料与传感器元件30和壳体12匹配。在安装之前和/或之后，例如可以通过感应式加热将剩余水从密封装置44、46、48排出。

在设置第二密封装置46之前可以热处理第二密封装置46。热处理在475℃至1250℃的温度、例如650°时实施。替代地且优选地，在将第二密封装置46置于传感器10的壳体12的纵向孔16中之后实施热处理。以上所描述的温度如此选择，使得热处理在以下温度时实施：所述温度在三氧化硼的熔化温度以上，但是在皂石的烧结温度以下，由所述皂石制造第一密封装置44和第三密封装置48。

后一替代方案利用三氧化硼的确定的特性，如以下更详细描述的那样。三氧化硼是强烈吸湿的并且在水吸收的情况下容易过渡成邻硼酸H₃BO₃。硼酸在上述热处理时出现，因为在此温度位于三氧化硼的熔化温度以上并且皂石的烧结温度以下，并且与第一密封装置44和第三密封装置48的邻接的皂石原材料一同构成硼酸玻璃。在此，三氧化硼起非定形的粘合相的作用，第一密封装置44和第三密封装置48的皂石原材料作为矩阵起作用。此外，接合间隙以及由不同热膨胀系数决定的间隙在比通过非定形的由氮化硼制造的密封装置能够实现的更高的温度时相对于壳体12和传感器元件30改善地闭合并且补偿。