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 ...的制作方法
【专利说明】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
【背景技术】
[0001] 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。
[0002] 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Konrad Reif (出 版者）《Sensoren im Kraftfahrzeug》(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。
[0003] 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（Zr0 2)、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（A120 3)和/或二氧化硅（Si02)的少的添加。
[0004] 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DE 100 09 597 A1、DE 195 32 090 A1和DE 197 14 203 A1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。
[0005] DE 197 50 107 C1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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 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：
[0009] -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）；
[0010] -将所述陶瓷材料成形压合成密封装置；
[0011] -热处理所述密封装置。
[0012] 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。
[0013] 热处理可以在475°C至1250°C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（SprUhkorn)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。
[0014] 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。
[0015] 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（Zr0 2)、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（A120 3)和/或二氧化硅（Si02)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。
[0016] 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。
[0017] 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(Si401(]) (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。
[0018] 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。
[0019] 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 (ortho-Borsiiure )Η3Β03。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。
[0020] 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Η3Β03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勾的氮化硼质量。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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ΒΝ-Β 203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