ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С КОНТАКТНОЙ ПЛОЩАДКОЙ Российский патент 2018 года по МПК G01N27/407 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к чувствительному элементу, к прототипу которого относятся известные чувствительные элементы, которые используются, например, в качестве датчиков в системах выпуска отработавших газов (ОГ), прежде всего в качестве кислородных датчиков (лямбда-зондов), нашедших очень широкое распространение на автомобилях. Однако изобретение применимо также к чувствительным элементам других типов, например к датчикам для определения других газообразных компонентов ОГ и к датчикам твердых частиц в отработавших газах или к иным аналогичным датчикам.

Настоящее изобретение относится прежде всего к спеченному или спекаемому керамическому чувствительному элементу, изготовленному, например, путем сведения воедино, прежде всего набора в пакет, отдельных, при необходимости снабженных печатным рисунком керамических необожженных пластинок.

Такой чувствительный элемент имеет прежде всего по меньшей мере один электрический, электрохимический и/или электронный функциональный элемент на своем первом, обычно обращенном к ОГ концевом участке. Для возможности электроснабжения чувствительного элемента в данном случае предусмотрена контактная площадка на наружной поверхности чувствительного элемента На его втором, обычно обращенном от ОГ концевом участке.

Наряду с электропроводностью от контактной площадки требуется наличие у нее высокой температуростойкости и химической стойкости при работе и при изготовлении чувствительного элемента. По этой причине распространено использование благородных металлов, таких, например, как платина или иные аналогичные металлы. Поскольку подобные благородные металлы сравнительно дороги, в целом существует стремление по мере возможности к уменьшению контактной площадки.

С другой стороны, уменьшение контактной площадки следует рассматривать как критичный фактор, когда из-за технологических погрешностей, изготовления чувствительных элементов или из-за технологических погрешностей изготовления взаимодействующих с ними в датчике контактных элементов, таких как металлические провода, контактные. штырьки, пружины или иные аналогичные элементы, более не обеспечивается надежное контактирование при любых условиях.

Из DE 10208533 A1, DE 102004047783 А1 и DE 102009055416 А1 уже известны чувствительные элементы с контактными площадками. Такие контактные площадки выполнены на их обращенных от функциональных элементов концевых участках прямоугольной формы.

Преимущества изобретения

Преимущество предлагаемых в изобретении чувствительных элементов с отличительными признаками, представленными в п. 1 формулы изобретения, состоит в возможности их изготовления, соответственно изготовления их контактных площадок с меньшим расходом материала и тем самым с меньшими затратами без увеличения при этом количества монтажных дефектов, влияющих на электрическое контактирование.

С этой целью согласно изобретению предлагается выполнять контактную площадку с закруглением с ее обращенной от первого концевого участка стороны.

Результаты проведенных авторами изобретения исследований технологических колебаний в относительном положении контактной площадки и соответствующего контактного элемента после прежде всего автоматизированного монтажа на работающей с высоким ритмом поточной линии показали, что такие колебания в относительном положении возникают и в продольном, и в поперечном направлениях, и поэтому уменьшение длины и ширины контактных площадок привело бы при соответствующей ширине разброса значений к появлению монтажных дефектов.

Результаты тех же исследований колебаний в относительном положении контактной площадки и соответствующего контактного элемента после прежде всего автоматизированного монтажа показали также, что колебания в продольном направлении не коррелируют, соответственно лишь пренебрежимо слабо коррелируют с колебаниями в поперечном направлении.

Поэтому в итоге было установлено, что у используемых в проверочных целях прямоугольных контактных площадок как раз еще достаточно большого размера контактный элемент при монтаже с некоторой периодичностью попадает на их краевые участки в продольном направлении, равно как и на их краевые участки в поперечном направлении. Однако на обращенные от ОГ угловые участки таких прямоугольных контактных площадок контактные элементы попадают со столь малой периодичностью, которая практически стремится к нулю. Из сказанного становится ясно, почему закругление контактных площадок на этих их участках не приводит к увеличению частоты появления монтажных дефектов.

В этом отношении предусмотренное изобретением закругление прежде всего позволяет также уменьшить контактную площадку, главным образом и у тех чувствительных элементов, которые сами не миниатюризированы или миниатюризированы лишь до определенной степени и к которым в этом отношении предъявляются повышенные требования по монтажу. В результате площадь контактной площадки, нескольких контактных площадок или всех контактных площадок чувствительного элемента (в виде чувствительного элемента в плане, соответственно в виде наибольшей поверхности чувствительного элемента в плане) может быть уменьшена в каждом случае до 2% или менее процентов от площади наибольшей поверхности чувствительного элемента, прежде всего может быть даже уменьшена в каждом случае до 1,5% или менее процентов от площади наибольшей поверхности чувствительного элемента.

Дополнительно к этому или альтернативно этому длина контактной площадки, нескольких контактных площадок или всех контактных площадок чувствительного элемента может быть уменьшена до 9% или менее процентов от длины чувствительного элемента, прежде всего даже до 8% или менее процентов от длины чувствительного элемента. Дополнительно к этому или альтернативно этому и ширина контактной площадки, нескольких контактных площадок или всех контактных площадок чувствительного элемента может быть уменьшена до 35% или менее процентов от ширины чувствительного элемента, прежде всего даже до 31,5% или менее процентов от ширины чувствительного элемента.

В предпочтительном варианте настоящее изобретение может прежде всего использоваться также применительно к чувствительным элементам, у которых их высота (в спеченном состоянии) составляет не менее 1,2 мм и/или их длина (в спеченном состоянии) составляет не менее 50 мм и/или их ширина (в спеченном состоянии) составляет не менее 4,5 мм и к которым в этом отношении предъявляются повышенные требования по монтажу. У неспеченных чувствительных элементов указанные размеры больше на 25%.

Термины "продольное направление", "поперечное направление" и "вертикальное направление" в настоящих материалах в принципе используются лишь как описывающие соответствующее направление в прямоугольной системе координат. Однако помимо этого речь прежде всего может идти о направлениях, которые задаются самим чувствительным элементом, например у чувствительного элемента прежде всего параллелепипеидальной формы продольным может быть направление, в котором ориентированы имеющие наибольшую длину боковые грани чувствительного элемента, вертикальным может быть направление, в котором ориентированы имеющие наименьшую длину боковые грани чувствительного элемента, и/или поперечным может быть направление, в котором ориентированы те боковые грани чувствительного элемента, которые имеют среднюю длину. У, например, стержневидного чувствительного элемента продольное направление может быть ориентировано вдоль оси, вокруг которой такой стержневидный чувствительный элемент является вращательно-симметричным, соответственно в основном вращательно-симметричным.

При ссылке на направление лишь как "в основном" наряду с направлением в узком смысле рассматриваются также направления, которые незначительно отклоняются от этого направления, например не более чем на 15°, и/или направления, которые по меньшей мере не перпендикулярны этому направлению. Дополнительно некоторая структура рассматривается как ориентированная или проходящая в основном в определенном направлении и в том случае, когда соответствующая структура лишь на малом отдельном участке, на который, например, приходится не более 10% такой структуры, отклоняется от указанного направления.

В настоящих материалах под "длиной чувствительного элемента" подразумевается его протяженность в продольном направлении, под "шириной чувствительного элемента" подразумевается его протяженность в поперечном направлении, а под "высотой чувствительного элемента" подразумевается его протяженность в вертикальном направлении. Это последнее из указанных направлений является также определяющим для вида чувствительного элемента в плане.

Под термином "концевой участок чувствительного элемента" в привязке к продольному направлению в настоящих материалах в принципе подразумевается лишь сплошной участок чувствительного элемента, охватывающий соответствующий конец чувствительного элемента и занимающий не более 50% его длины. В этом отношении один концевой участок и противоположный ему концевой участок перекрываются или пересекаются, например, лишь в одной плоскости. В несколько более узком смысле концевой участок чувствительного элемента может прежде всего трактоваться также как сплошной участок чувствительного элемента, охватывающий соответствующий конец чувствительного элемента и занимающий не более трети или даже не более одной четверти его длины.

Термин "функциональный элемент" в данном контексте в принципе не должен трактоваться в узком смысле. Так, например, речь может идти о взаимодействующем с внешним окружением чувствительного элемента электроде из благородного металла или электроде из металлокерамики (кермета) и/или о резистивном электронагревательном элементе, прежде всего с электрическим сопротивлением максимум 30 Ом при 20°С, и/или об ином аналогичном элементе.

Под выражением "закругленная с одной стороны контактная площадка" в настоящих материалах в принципе подразумевается лишь то, что контактную площадку можно представить как выполненную из первоначально прямоугольной контактной площадки такой же длины и такой же ширины, у которой с соответствующей стороны в по меньшей мере одной угловой части был удален материал.

Даже если получаемый в результате контур, прежде всего в узком математическом смысле, полностью или частями может иметь дугообразную форму и прежде всего может проходить по дуге с центральным углом в 90° или 180°, в принципе следует лишь ориентироваться на удаление материала в угловых частях. В этом смысле под значение термина "закругление" подпадает также скос или фаска.

В то время как в первом случае значение термина "радиус кривизны" естественным образом следует из определения самого это понятия, то у дугообразных не в узком математическом смысле закруглений он задается тем радиусом кривизны дугообразного закругления, которое в среднем в наименьшей степени отклоняется от фактического контура. Сказанное дополнительно поясняется ниже на примерах.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения радиус кривизны имеет определенную минимальную величину или превышает ее. В этом случае положительные эффекты изобретения выражены особенно ярко. У спеченных чувствительных элементов наряду с минимальными метрическими размерами, например 0,3 мм, 0,4 мм, 0,5 мм или 0,6 мм, альтернативно им или дополнительно к ним возможно указание минимальных размеров, которые исчисляются в процентах от ширины чувствительного элемента, например 6%, 8%, 10% или 12%, и/или в процентах от ширины контактной площадки, например 15%, 23%, 30% или 45%.

В предпочтительном предельном случае закругление максимально, т.е. концевой участок контактной площадки имеет полукруглую форму или форму, схожую с полукруглой. Радиус кривизны в этом случае равен половине ширины контактной площадки.

Частные варианты осуществления изобретения относятся к чувствительным элементам, у которых на концевом участке, противоположном функциональному элементу, дополнительно к одной контактной площадке расположена другая контактная площадка, например рядом.

Другая контактная площадка может служить для электрического присоединения либо того же функционального элемента, например электронагревательного элемента, что и первая контактная площадка, либо иного функционального элемента, нежели первая контактная площадка, например другого электрода.

В принципе другая контактная площадка также может быть выполнена в соответствии с некоторым признаком, указанным в настоящих материалах для первой контактной площадки, либо в соответствии с комбинацией признаков, указанной в настоящих материалах для первой контактной площадки. Одна контактная площадка и другая контактная площадка прежде всего могут быть расположены зеркально-симметрично или в основном зеркально-симметрично относительно оси, которая проходит в продольном направлении чувствительного элемента, прежде всего по середине его поперечной протяженности.

При наличии двух контактных площадок между ними предусмотрен промежуток, который обычно имеет ширину, достаточно большую для надежного исключения шунтового перемыкания контактных площадок, в том числе и с учетом неизбежных технологических погрешностей изготовления и несовершенства технологического процесса ("размытие контуров"). Обычно сопротивление изоляции между контактными площадками должно составлять порядка мегаом при комнатной температуре, равной 20°С, и порядка сотен тысяч ом при максимальной рабочей температуре, равной, например, 400°С.

По результатам исследований, проведенных авторами настоящего изобретения, было установлено, что защита от шунтового перемыкания контактных площадок дополнительно повышается при закруглении одной или даже обеих контактных площадок предлагаемым в изобретении образом, прежде всего при закруглении обращенных друг к другу угловых частей контактных площадок. Защита от шунтового перемыкания контактных площадок повышается даже в том случае, когда промежуток между ними (кратчайшее соединение) не уменьшается в результате упомянутого процесса закругления. Вероятно, этот эффект обусловлен возникающими в зоне острых углов пиков потенциала, соответственно максимумами напряженности поля и иными аналогичными факторами.

В этом отношении опять же предпочтительно, чтобы радиус кривизны имел определенную минимальную величину или превышал ее. В этом случае положительные эффекты изобретения выражены особенно ярко. В предпочтительном варианте радиус кривизны больше ширины промежутка между выполненными на чувствительном элементе контактными площадками или больше некоторой части ширины промежутка между выполненными на чувствительном элементе контактными площадками, например больше 10%, 30% или 50%.

Частные варианты осуществления изобретения относятся к чувствительным элементам с по меньшей мере одной контактной площадкой, которая взаимодействует с расположенным внутри чувствительного элемента функциональным элементом и/или с расположенной внутри чувствительного элемента токопроводящей дорожкой. Электрическое соединение контактной площадки с находящимися внутри чувствительного элемента частями осуществляется через ввод, который ведет от контактной площадки, например перпендикулярно ей, внутрь чувствительного элемента и который известен как таковой из уровня техники, например из DE 102009028194 А1.

Важное значение имеет то, что ввод представляет собой по технологическим причинам механически и электрически чувствительную часть электрического соединения между контактной площадкой и функциональным элементом. Поэтому целесообразно, чтобы тот участок, где ввод соединяется с контактной площадкой, не взаимодействовал механически с контактным элементом, который извне чувствительного элемента контактирует с ним по контактной площадке, например с силовым замыканием.

В этом отношении прежде всего предусмотрено выполнение контактной площадки состоящей из первой части (ниже называемой основной частью), которая служит для механического взаимодействия с контактным элементом, и второй части (ниже называемой головной частью), которая не предназначена для механического взаимодействия с контактным элементом, а образует соединение с вводом.

В отличие от основной части, которая выполнена прежде всего овальной формы с прямыми боковыми сторонами, головная часть выполнена прежде всего кругообразной или кольцеобразной формы. Между основной частью и головной частью расположена третья часть (ниже называемая шейковой частью), назначение которой состоит в разнесении друг от друга основной части и головной части с обеспечением электрического соединения между ними при минимизированном расходе материала. Для минимизации расхода материала при надежном обеспечении контактируемости и электрического соединения между контактной площадкой и функциональным элементом предусмотрено выполнение контактной площадки в этой ее шейковой части с шириной, которая меньше, чем в основной части и в головной части, а именно с шириной, которая по сравнению с головной частью меньше преимущественно на по меньшей мере 5% или даже 25% и/или по сравнению с основной частью меньше преимущественно на по меньшей мере 15% или даже 50%.

Во избежание смещения вводов на слишком большое расстояние в направлении функционального элемента, где обычно преобладают повышенные температуры и поэтому снижена электрическая прочность изоляции, предпочтительно ограничивать продольную протяженность шейковой части, например ограничивать длиной, которая меньше продольной протяженности основной части и/или головной части.

При создании изобретения было установлено далее, что вводы исходя из расположения контактных площадок со смещением относительно середины поперечной протяженности чувствительного элемента предпочтительно располагать ближе к середине его поперечной протяженности. Соответственно, головные части контактных площадок также следует располагать ближе к середине поперечной протяженности чувствительного элемента.

В одном из особых вариантов осуществления изобретения сказанное реализовано благодаря тому, что дополнительно основная часть контактной площадки имеет первую ось симметрии, которая проходит прежде всего в продольном направлении чувствительного элемента, а головная часть и шейковая часть контактной площадки имеют общую вторую ось симметрии, при этом первая ось симметрии и вторая ось симметрии проходят под углом друг к другу, прежде всего образуют между собой угол от 5 до 25°.

В соответствии с настоящим изобретением может далее оказаться целесообразным выбор специальных материалов для токопроводящих дорожек, токоподводов, вводов и контактных площадок. В принципе при этом предпочтительны материалы с относительным содержанием благородных металлов 83 мас. % или более, что позволяет достичь заданных значений сопротивления постоянному току при минимизированном расходе благородных металлов. Для по меньшей мере одного ведущего к нагревательному устройству токоподвода предпочтительно даже содержание в нем благородных металлов 95 мас. % или более, например 98%. Для возможности точной настройки электрического сопротивления таких структур в качестве оптимального зарекомендовало себя содержание Al₂O₃, составляющее по меньшей мере 1 мас. %, более предпочтительно даже по меньшей мере 1,5 мас. %, особенно предпочтительно максимум 2,5 мас. %. По меньшей мере один токоподвод, ведущий к нагревательному устройству, может быть выполнен за одно целое с ним и из одного и того же материала.

Дополнительно к этому или альтернативно этому для токоподвода, ведущего к металлокерамическому электроду, и/или для по меньшей мере одной контактной площадки предусмотрено меньшее содержание благородных металлов, чем для по меньшей мере одного токоподвода, ведущего к нагревательному устройству, предпочтительно, например, от 83 до 87 мас. %, при этом прежде всего в токоподводе, ведущем к металлокерамическому электроду, предусмотрено суммарное содержание ZrO₂ и Y₂O₃ от 12 до 16 мас. %. Связанное с этим преимущество состоит в возможности изготовления токоподвода, ведущего к металлокерамическому электроду, совместно с ним за одну технологическую операцию и из одного и того же материала. Для токоподвода, ведущего к металлокерамическому электроду, соответственно для самого этого металлокерамического электрода предпочтительно содержание в нем Al₂O₃, особенно предпочтительно в количестве от 0,2 до 1 мас. %.

Дополнительно к этому или альтернативно этому для по меньшей мере одного ввода предусмотрено меньшее содержание в нем благородных металлов, чем для по меньшей мере одного токоподвода, ведущего к нагревательному устройству, предпочтительно, например, от 83 до 87 мас. %, при этом во вводе предусмотрено суммарное содержание ZrO₂ и Y₂O₃ от 3 до 8 мас. % и дополнительно содержание Nb₂O₅ от 6 до 12 мас. %. Связанное с этим преимущество состоит в повышении удобства обращения или работы с такими вводами в технологическом процессе. В этом отношении следует прежде всего назвать улучшение реологических свойств соответствующих паст, которые тем самым обеспечивают лучшее керамическое прикрепление вводов внутри чувствительного элемента. У чувствительных элементов, которые выполнены преимущественно из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, благодаря этому, кроме того, снижается кислород-ионная проводимость в краевых зонах вводов, что улучшает функционирование чувствительного элемента.

В качестве вышеуказанных благородных металлов может использоваться прежде всего платина. Альтернативно платине, прежде всего применительно к по меньшей мере одному вводу, для стабилизации металлической фазы возможно использование родия, предпочтительно в количестве от 0,2 до 0,8 мас. % в пересчете на общий состав материалов, и/или палладия, предпочтительно в количестве от 0,2 до 1 мас. % в пересчете на общий состав материалов.

Всегда возможно использование и других благородных металлов.

Чертежи

На фиг. 1 схематично в аксонометрии показан предлагаемый в изобретении чувствительный элемент в поэлементном виде.

На остальных чертежах в увеличенном масштабе детально показаны различные фрагменты чувствительного элемента.

Описание вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 в качестве одного из вариантов осуществления изобретения в общем виде показан чувствительный элемент 20, который может быть расположен в корпусе газоанализатора (не показан), предназначенного для определения концентрации кислорода в отработавших газах (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (не показан). Очевидно, что при оснащении соответствующими функциональными элементами изобретение применимо также к чувствительным элементам других датчиков, например датчиков для измерения концентрации твердых частиц.

Чувствительный элемент проходит в показанной на фиг. 1 проекции в продольном направлении слева направо, при этом первый концевой участок 201 чувствительного элемента 20 расположен в плоскости чертежа справа, а второй его концевой участок 202 - слева. В смонтированном в соответствии с назначением положении чувствительного элемента 20 и при его работе его первый концевой участок 201 обращен к ОГ, а его второй концевой участок 202 обращен от ОГ.

Помимо этого чувствительный элемент 20 проходит в показанной на фиг. 1 проекции в поперечном направлении спереди назад и в вертикальном направлении снизу вверх.

Чувствительный элемент 20 состоит из снабженных печатным рисунком керамических слоев, которые в данном варианте выполнены в виде первой, второй и третьей твердоэлектролитных пластинок (или пленок) 21, 22, 23 и содержат стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония. Твердоэлектролитные пластинки 21, 22, 23 в данном варианте имеют перед процессом спекания длину 72 мм, ширину 5 мм и высоту 540 мкм. Пластинки спеченного чувствительного элемента 20 имеют меньшую на 20% длину сторон.

Первая твердоэлектролитная пластинка 21 на своей обращенной наружу чувствительного элемента 20 большой поверхности (снизу на фиг. 1) снабжена на втором концевом участке 202 чувствительного элемента 20 одной контактной площадкой 43 и другой контактной площадкой 44, которые в данном случае выполнены печатными (см. также фиг. 3).

Первая твердоэлектролитная пластинка 21 на своей обращенной внутрь чувствительного элемента 20 большой поверхности (сверху на фиг. 1) снабжена на первом концевом участке 201 чувствительного элемента 20 меандрообразным нагревательным устройством 311 в качестве функционального элемента 31, предназначенным для обогрева первого концевого участка 201 чувствительного элемента 20. В продолжение меандрообразного нагревательного устройства 311 к каждому из его концов подсоединена токопроводящая дорожка 321, 322, при этом переход от нагревательного устройства 311 к токопроводящей дорожке 321, 322 характеризуется увеличением ширины и/или высоты элемента топологической структуры, соответственно уменьшением электрического сопротивления по длине.

Токопроводящие дорожки 321, 322 имеют с обращенной к ОГ стороны называемый токоподводом 323, 325 участок, который в данном случае имеет постоянную ширину. Токопроводящие дорожки 321, 322 имеют далее с обращенной от ОГ стороны называемый загибом 324, 326 участок, который в данном случае выполнен кольцеобразным (см. также фиг. 4).

Первая твердоэлектролитная пластинка 21 на своей обращенной внутрь чувствительного элемента 20 большой поверхности (сверху на фиг. 1) имеет далее изоляционные слои 330 и уплотнительную рамку 331, а также связующий пластинки слой 333, выполненные в данном случае печатными.

Первая твердоэлектролитная пластинка 21 имеет на втором концевом участке 202 два ввода 501, 502, которые проходят в вертикальном направлении сквозь эту первую твердоэлектролитную пластинку 21 и каждый из которых электрически соединяет одну из контактных площадок 43, 44 с соответствующим загибом 324, 326 соответствующей токопроводящей дорожки 321, 322 (см. фиг. 6).

Вторая твердоэлектролитная пластинка 22 имеет с обеих сторон по связующему пластинки слою 333, а также имеет газовый канал 35 сравнения, который проходит в продольном направлении от газового отверстия 351 сравнения, расположенного с обращенной от ОГ стороны, вплоть до первого концевого участка 201 чувствительного элемента 20 и при этом расположен по середине поперечной протяженности второй твердоэлектролитной пластинки. Газовый канал 35 сравнения выполнен незаполненным, прежде всего в нем не предусмотрены никакие пористые заполнители.

Третья твердоэлектролитная пластинка 23 на своей обращенной внутрь чувствительного элемента 20 большой поверхности (снизу на фиг. 1) имеет напротив газового канала 35 сравнения металлокерамический электрод 312 в качестве функционального элемента 31 для измерения концентрации кислорода. В продолжение металлокерамического электрода 312 к его концу присоединена токопроводящая дорожка 328, при этом переход от металлокерамического электрода к этой токопроводящей дорожке 328 характеризуется уменьшением ширины элемента топологической структуры.

Токопроводящая дорожка 328 имеет с обращенной к ОГ стороны называемый токоподводом 327 участок, который в данном случае имеет постоянную ширину. Токопроводящая дорожка 328 с обращенной от ОГ стороны имеет далее называемый загибом 239 участок, который в данном случае выполнен кольцеобразным (см. также фиг. 5). С этой стороны третьей твердоэлектролитной пластинки 23 по меньшей мере в тех местах, где в остальном отсутствует печатный рисунок, предусмотрен связующий пластинки слой 333.

Третья твердоэлектролитная пластинка 23 на своей обращенной наружу чувствительного элемента 20 большой поверхности (сверху на фиг. 1) снабжена на втором концевом участке 202 чувствительного элемента 20 одной контактной площадкой 45 и другой контактной площадкой 46, которые в данном случае выполнены печатными (см. также фиг. 2).

К другой контактной площадке 46 подсоединена токопроводящая дорожка 320, которая имеет, например, постоянную ширину и которая проходит до другого металлокерамического электрода 313, расположенного на первом концевом участке 201 чувствительного элемента 20. Токопроводящая дорожка 320 покрыта защитным слоем 361, например непроницаемым защитным слоем, а другой металлокерамический электрод 313 снабжен пористыми слоями 362, благодаря которым обеспечивается взаимодействие между наружным пространством и этим другим металлокерамическим электродом 313.

Третья твердоэлектролитная пластинка 23 имеет на втором концевом участке 202 ввод 503, который проходит в вертикальном направлении сквозь эту третью твердоэлектролитную пластинку 21 и электрически соединяет контактную площадку 45 с загибом 329 (см. фиг. 6).

На фиг. 2 показан второй, обращенный от ОГ концевой участок 202 чувствительного элемента 20 в проекции, соответствующей виду сверху третьей твердоэлектролитной пластинки 23. На ней контактная площадка 45 расположена слева, если смотреть в направлении первого, обращенного к ОГ концевого участка 201 чувствительного элемента 20.

Контактная площадка 45 состоит из трех частей, а именно: основной части 451, головной части 452 и шейковой части 453. Основная часть 451 расположена с обращенной от ОГ стороны контактной площадки 45. Основная часть имеет продолговатую основную форму, получаемую из прямоугольника таких же длины и ширины путем максимального закругления его углов, т.е. путем закругления по радиусу R кривизны, который соответствует половине ширины основной части 451, соответственно контактной площадки 45. В результате таким путем образуются полукруглые концевые участки основной части 451, соответственно контактной площадки 45 с ее обращенной от ОГ стороны.

У неспеченного чувствительного элемента 20 длина основной части 451 в рассматриваемом варианте составляет 2,5 мм или более, а ширина основной части 451 составляет 1,5 мм или более (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше). Основная часть 451 отстоит от левой наружной кромки чувствительного элемента 20 на 0,4 мм или менее, а от передней наружной кромки чувствительного элемента 20 отстоит на 1,3 мм или менее.

Головная часть 452 расположена с обращенной к ОГ стороны контактной площадки 45. Головная часть 452 выполнена, например, кольцеобразной с внутренним диаметром 0,5 мм или менее и наружным диаметром 1 мм или более, при этом данные размеры указаны для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше).

Шейковая часть 453 выполнена между основной частью 451 и головной частью 452. Шейковая часть образует относительно основной части 451 и головной части 452 сужение контактной площадки 45, имеющее минимальную ширину, например, 0,3 мм и длину 0,3 мм, при этом данные размеры указаны для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше).

Основная часть 451 в рассматриваемом варианте обладает зеркальной симметрией относительно оси, обращенной в продольном направлении чувствительного элемента 20. Головная часть 452 и шейковая часть 453 также обладают зеркальной симметрией, но относительно оси, которая в проекции, соответствующей виду сверху чувствительного элемента 20, повернута по отношению к его продольной оси на 9° в математически отрицательном направлении вращения, и поэтому головная часть 452 и шейковая часть 453 слегка отклонены к середине чувствительного элемента, соответственно датчика.

Головная часть 452 контактной площадки 45 электрически соединена с вводом 503, проходящим сквозь третью твердоэлектролитную пластинку 23.

Как показано далее на фиг. 2, рядом с контактной площадкой 45 справа от нее, если смотреть в направлении первого, обращенного к ОГ концевого участка 201 чувствительного элемента 20, расположена другая контактная площадка 46. Расположение и размеры этой другой контактной площадки 46 соответствуют в этом смысле, т.е. при замене левой стороны на правую и наоборот, расположению и размерам основной части 451 контактной площадки 45 при условии, что между одной контактной площадкой 45 и другой контактной площадкой 46 имеется промежуток шириной по меньшей мере 0,6 мм, при этом данный размер указан для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии этот размер на 20% меньше).

Другая контактная площадка 46 состоит лишь из одной части, которая соответствует основной части 451 контактной площадки 45, т.е. не имеет ни головной части, ни шейковой части. Другая контактная площадка не взаимодействует также с вводом, а вместо этого она непосредственно контактирует с токопроводящей дорожкой 328, которая ведет к другому металлокерамическому электроду 313. Проходящая в продольном направлении средняя ось токопроводящей дорожки 328 при этом смещена поперечно внутрь относительно проходящей в продольном направлении средней оси другой контактной площадки 46 на величину в пределах от 0,1 до 0,4 мм, а в рассматриваемом варианте смещена на 0,2 мм, при этом данный размер указан для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии этот размер на 20% меньше).

Контактные площадки 45, 46 содержат благородные металлы в количестве от 83 до 87 мас. % и ZrO₂ и Y₂O₃ в суммарном количестве от 12 до 16 мас. %.

На фиг. 3 показан второй, обращенный от ОГ концевой участок 202 чувствительного элемента 20 в проекции, соответствующей виду снизу обращенной на фиг. 1 вниз первой твердоэлектролитной пластинки 21. На ней контактная площадка 43 расположена слева, если смотреть в направлении первого, обращенного к ОГ концевого участка 201 чувствительного элемента 20.

Контактная площадка 43 состоит из трех частей, а именно: основной части 431, головной части 432 и шейковой части 433. Основная часть 431 расположена с обращенной от ОГ стороны контактной площадки 43. Основная часть имеет продолговатую основную форму, получаемую из прямоугольника таких же длины и ширины путем максимального закругления его углов, т.е. путем закругления по радиусу R кривизны, который соответствует половине ширины основной части 431, соответственно контактной площадки 43. В результате таким путем образуются полукруглые концевые участки основной части 431, соответственно контактной площадки 43 с ее обращенной от ОГ стороны.

У неспеченного чувствительного элемента 20 длина основной части 431 в рассматриваемом варианте составляет 2,5 мм или более, а ширина основной части 431 составляет 1,5 мм или более (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше). Основная часть 431 отстоит от левой наружной кромки чувствительного элемента 20 на 0,4 мм или менее, а от передней наружной кромки чувствительного элемента 20 отстоит на 1,3 мм или менее.

Головная часть 432 расположена с обращенной к ОГ стороны контактной площадки 43. Головная часть 432 выполнена, например, кольцеобразной с внутренним диаметром 0,5 мм или менее и наружным диаметром 1 мм или более, при этом данные размеры указаны для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше).

Шейковая часть 433 выполнена между основной частью 431 и головной частью 432. Шейковая часть образует относительно основной части 431 и головной части 432 сужение контактной площадки 43, имеющее минимальную ширину, например, 0,9 мм и длину 0,3 мм, при этом данные размеры указаны для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше).

Шейковая часть 433 контактной площадки 43 существенно шире, в данном случае более чем в 2 раза шире, шейковой части 433 показанной на фиг. 2 контактной площадки 45. Обусловлено этом тем, что через контактную площадку 43 к нагревательному устройству 311 подводится ток большой силы, тогда как через контактную площадку 45 к металлокерамическому электроду 312 подводится ток лишь сравнительно малой силы. Следовательно, контактная площадка 43 выполнена с уменьшенным сопротивлением постоянному току, соответственно с уширенной шейковой частью 433.

Основная часть 431 в рассматриваемом варианте обладает зеркальной симметрией относительно оси, обращенной в продольном направлении чувствительного элемента 20. Головная часть 432 и шейковая часть 433 также обладают зеркальной симметрией, но относительно оси, которая в проекции, соответствующей виду сверху чувствительного элемента 20, повернута по отношению к его продольной оси на 9° в математически отрицательном направлении вращения, и поэтому головная часть 432 и шейковая часть 433 слегка отклонены к середине чувствительного элемента, соответственно датчика.

Головная часть 432 контактной площадки 43 электрически соединена с вводом 501, проходящим сквозь первую твердоэлектролитную пластинку 21.

Как показано далее на фиг. 3, рядом с контактной площадкой 43 справа от нее, если смотреть в направлении первого, обращенного к ОГ концевого участка 201 чувствительного элемента 20, расположена другая контактная площадка 44. Расположение и размеры этой другой контактной площадки 44 соответствуют в этом смысле, т.е. при замене левой стороны на правую и наоборот и смене отрицательного направления вращения на положительное, расположению и размерам контактной площадки 43 при условии, что между контактной площадкой 43 и другой контактной площадкой 44 имеется промежуток шириной по меньшей мере 0,6 мм, при этом данный размер указан для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии этот размер на 20% меньше).

Контактные площадки 43, 44 содержат благородные металлы в количестве от 83 до 87 мас. % и ZrO₂ и Y₂O₃ в суммарном количестве от 12 до 16 мас. %.

На фиг. 4 показан второй, обращенный от ОГ концевой участок 202 чувствительного элемента 20 в проекции, соответствующей виду сверху обращенной на фиг. 1 вверх первой твердоэлектролитной пластинки 21. На ней токопроводящая дорожка 322 расположена справа, если смотреть в направлении первого, обращенного к ОГ концевого участка 201 чувствительного элемента 20. Токопроводящая дорожка 322 состоит из двух частей, а именно: токоподвода 325 и загиба 326.

Токоподвод 325 образует расположенную со стороны ОГ часть токопроводящей дорожки 322 и проходит от нагревательного устройства 311 со стороны ОГ до загиба 326, расположенного с обращенной от ОГ стороны этого токоподвода 325. В данном случае токоподвод 325 имеет ширину В, равную 1,2 мм, и проходит со стороны ОГ с отступом в поперечном направлении от средней продольной оси чувствительного элемента 20 на 0,25 мм, при этом каждый из вышеприведенных размеров указан для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше). На своем обращенном от ОГ концевом участке токоподвод 325 изогнут вправо, т.е. наружу, под углом 18°.

Загиб 326 выполнен кольцеобразным и в данном случае описывает дугу с центральным углом 180°, наружный диаметр которой равен ширине В токоподвода 325, а внутренний диаметр составляет 0,4 мм. В соответствии с этим ширина загиба составляет 0,3 мм, при этом каждый из вышеприведенных размеров указан для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше). Отношение ширины b загиба к ширине токоподвода составляет 0,33.

Электрическое сопротивление ввода 501 равно или примерно равно электрическому сопротивлению токопроводящей дорожки 322 при распределении температур, которое может возникать, соответственно обычно может возникать при работе датчика. При этом наряду с однородным распределением температур, например наряду с установлением равномерной температуры в 20°С, альтернативно можно также ориентироваться на распределение температур, которое является неоднородным. Так, например, в основу можно положить равномерное повышение температуры в продольном направлении до 1100°С в зоне нагревательного устройства 311 и 200°С, 300°С или даже 400°С в зоне ввода 501.

Электрическое сопротивление электрического соединения функционального элемента, прежде всего нагревательного устройства 311, с контактной площадкой 43 составляет, например, порядка 2,5 Ома при 20°С.

Как показано далее на фиг. 4, в направлении первого, обращенного к ОГ концевого участка 201 чувствительного элемента 20 параллельно токопроводящей дорожке 322 симметрично ей относительно средней продольной оси расположена токопроводящая дорожка 321. Расположение и размеры токопроводящей дорожки 321 соответствуют в этом смысле, т.е. при замене левой стороны на правую и наоборот, расположению и размерам токопроводящей дорожки 322.

Токоподводы 325, 323 содержат благородные металлы в количестве более 95 мас. %, например 98 мас. %, и Al₂O₃ в количестве по меньшей мере 1 мас. %.

Электрическое сопротивление ввода 502 равно или примерно равно электрическому сопротивлению токопроводящей дорожки 321 при распределении температур, которое может возникать, соответственно обычно может возникать при работе датчика. При этом наряду с однородным распределением температур, например наряду с установлением равномерной температуры в 20°С, альтернативно можно также ориентироваться на распределение температур, которое является неоднородным. Так, например, в основу можно положить равномерное повышение температуры в продольном направлении до 1100°С в зоне нагревательного устройства 311 и 200°С, 300°С или даже 400°С в зоне ввода 502.

На фиг. 4а в качестве варианта показан чувствительный элемент 20 с несколько модифицированными токоподводами 323, 325, при этом модификация заключается только в том, что ширина В этих токоподводов 323, 325 составляет всего 1,08 мм вместо 1,2 мм, т.е. она несколько уменьшена (на 10%) по сравнению с загибами 324, 326. Метрические размеры указаны для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше).

На фиг. 5 показан второй, обращенный от ОГ концевой участок 202 чувствительного элемента 20 в проекции, соответствующей виду снизу обращенной на фиг. 1 вниз третьей твердоэлектролитной пластинки 23. На ней токопроводящая дорожка 328 расположена справа, если смотреть в направлении первого, обращенного к ОГ концевого участка 201 чувствительного элемента 20. Токопроводящая дорожка 328 состоит из двух частей, а именно: токоподвода 327 и загиба 329.

Токоподвод 327 образует расположенную со стороны ОГ часть токопроводящей дорожки и проходит от металлокерамического электрода 312 со стороны ОГ до загиба 329, расположенного с обращенной от ОГ стороны этого токоподвода 327. В данном случае токоподвод 325 имеет ширину В, равную 0,4 мм (в неспеченном состоянии, в спеченном состоянии этот размер на 20% меньше), и проходит со стороны ОГ таким образом, что он в вертикальной проекции в виде чувствительного элемента 20 сверху расположен в пределах газового канала 35 сравнения. Тем самым эта часть токоподвода 327 практически полностью защищена от смятия или искривления в процессе изготовления.

На своем обращенном от ОГ концевом участке токоподвод 327 изогнут вправо, т.е. наружу, под углом не более 25°, в данном случае под углом 8°. На этом обращенном от ОГ концевом участке токоподвод пересекается с краем газового канала 35 сравнения в вертикальной проекции в виде чувствительного элемента 20 сверху. Вследствие сравнительно малого угла пересечения образуется длинная зона перекрытия между токопроводящей дорожкой 328 и краем газового канала 35 сравнения и тем самым опять же обеспечивается надежная защита токоподвода 327 от смятия или искривления в процессе изготовления.

Загиб 329 выполнен кольцеобразным. Ширина b загиба составляет 0,3 мм у неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии этот размер на 20% меньше). Отношение ширины b загиба к ширине В токоподвода составляет 0,75.

Токоподвод 327 содержит благородные металлы в количестве от 83 до 87 мас. % и ZrO₂ и Y₂O₃ в суммарном количестве от 12 до 16 мас. %.

Электрическое сопротивление ввода 503 равно или примерно равно электрическому сопротивлению токопроводящей дорожки 328 при распределении температур, которое может возникать, соответственно обычно может возникать при работе датчика. При этом наряду с однородным распределением температур, например наряду с установлением равномерной температуры в 20°С, альтернативно можно также ориентироваться на распределение температур, которое является неоднородным. Так, например, в основу можно положить равномерное повышение температуры в продольном направлении до 750°С в зоне металлокерамического электрода 312 и 200°С, 300°С или даже 400°С в зоне ввода 503.

На фиг. 5а.в качестве варианта показан чувствительный элемент 20 с несколько модифицированным токоподводом 327, при этом модификация заключается только в том, что ширина В этого токоподвода 327 на обращенном от ОГ концевом участке увеличена на 50%, т.е. с 0,4 до 0,6 мм, по сравнению с его шириной на обращенном к ОГ концевом участке. Метрические размеры указаны для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии эти размеры на 20% меньше).

На фиг. 6 исключительно схематично показан представленный на фиг. 1-5 чувствительный элемент 20, который при этом изображен в разрезе плоскостью, проходящей перпендикулярно его продольному направлению через вводы 501, 502, 503.

Вводы 501, 502, 503 выполнены в виде токопроводящего покрытия на радиальных стенках сквозных отверстий 601, 602, 603 чувствительного элемента 20. Диаметр этих сквозных отверстий 601, 602, 603 составляет в рассматриваемом варианте 0,6 мм, при этом данный размер указан для неспеченного чувствительного элемента 20 (в спеченном состоянии этот размер на 20% меньше, т.е. составляет 0,48 мм).

Очевидно, что каждый из вводов 501, 502, 503 выполнен в виде чувствительного элемента 20 сверху без перекрытия с газовым каналом 35 сравнения.

Вводы 501, 502, 503 содержат благородные металлы в количестве от 83 до 87 мас. % и ZrO₂ и Y₂O₃ в суммарном количестве от 3 до 8 мас. %, а также дополнительно содержат Nb₂O₅ в количестве от 6 до 12 мас. %.

На фиг. 7 исключительно схематично показан представленный на фиг. 1-5 чувствительный элемент 20, который при этом изображен в разрезе плоскостью, проходящей перпендикулярно его продольному направлению примерно в середине его продольной протяженности.

Из приведенного на данном чертеже изображения следует, что в виде чувствительного элемента 20 сверху токопроводящая дорожка 328, соответственно токоподвод 327, ведущие к металлокерамическому электроду 312, по всей своей ширине расположены с перекрытием 703 газового канала 35 сравнения. Помимо этого каждая из токопроводящих дорожек 321, 322, соответственно каждый из токоподводов 323, 325, ведущих к резистивному электронагревательному элементу, примерно на 10% своей ширины расположена/расположен с перекрытием 701, 702 газового канала 35 сравнения.

Согласно изобретению чувствительный элемент для определения физического свойства газа, в первую очередь для определения концентрации газового компонента, или температуры, или твердого компонента, или жидкого компонента отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержит твердоэлектролитную пластинку (21) и расположенные друг против друга в его продольном направлении первый концевой участок и второй концевой участок, при этом чувствительный элемент содержит функциональный элемент, который расположен вне второго концевого участка (202), который на первом концевом участке электрически соединен с контактной площадкой (43, 44), расположенной на втором концевом участке (202) чувствительного элемента (20) на его наружной поверхности. Контактная площадка имеет с обращенной от первого концевого участка стороны закругление. Изобретение обеспечивает снижение материалоемкости без увеличения монтажных дефектов, влияющих на электрическое контактирование. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Чувствительный элемент, прежде всего для определения физического свойства газа, в первую очередь для определения концентрации газового компонента, или температуры, или твердого компонента, или жидкого компонента отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания, имеющий расположенные друг против друга в его продольном направлении первый концевой участок (201) и второй концевой участок (202) и имеющий на своем первом концевом участке (201) функциональный элемент (31, 311, 312, 313), который электрически соединен с контактной площадкой (43, 44, 45, 46), расположенной на втором концевом участке (202) чувствительного элемента (20) на его наружной поверхности, отличающийся тем, что контактная площадка (43) имеет закругление со своей обращенной от первого концевого участка (201) стороны.

2. Чувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что радиус (R) кривизны закругления составляет не менее 6%, прежде всего не менее 12%, от ширины чувствительного элемента (20).

3. Чувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что радиус (R) кривизны закругления составляет не менее 0,3 мм, прежде всего не менее 0,6 мм.

4. Чувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что радиус (R) кривизны закругления составляет не менее 15%, прежде всего не менее 30%, от ширины контактной площадки (43, 44, 45, 46), например является максимальным.

5. Чувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что контактная площадка (43, 44, 45) имеет основную часть (431, 441, 451), головную часть (432, 442, 452) и шейковую часть (433, 443, 453), при этом основная часть (431, 441, 451) расположена с обращенной от первого концевого участка (201) стороны контактной площадки (43, 44, 45) и имеет прежде всего овальную форму, головная часть (432, 442, 452) расположена с обращенной к первому концевому участку (201) стороны контактной площадки (43, 44, 45) и имеет прежде всего кругообразную или кольцеобразную форму, а шейковая часть (433, 443, 453) расположена между основной частью (431, 441, 451) и головной частью (432, 442, 452) и в этой шейковой части ширина контактной площадки (43, 44, 45) меньше, чем в ее основной части (431, 441, 451) и головной части (432, 442, 452).

6. Чувствительный элемент по п. 5, отличающийся тем, что основная часть (431, 441, 451) контактной площадки (43, 44, 45) имеет первую ось симметрии, которая проходит прежде всего в продольном направлении чувствительного элемента (20), а головная часть (432, 442, 452) и шейковая часть (433, 443, 453) контактной площадки (43, 44, 45) имеют общую вторую ось симметрии, при этом первая ось симметрии и вторая ось симметрии образуют между собой угол от 5 до 25°.

7. Чувствительный элемент по п. 6, отличающийся тем, что контактная площадка (43, 44, 45) расположена со смещением в поперечном направлении относительно середины чувствительного элемента (20), а головная и шейковая части (432, 442, 452, 433, 443, 453) расположены под наклоном в поперечном направлении чувствительного элемента (20) к его середине, если смотреть со стороны основной части (431, 441, 451).

8. Чувствительный элемент по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что на его втором концевом участке (202) рядом с одной контактной площадкой (43, 44, 45, 46) расположена другая контактная площадка (43, 44, 45, 46), которая электрически соединена с функциональным элементом (31, 311, 312, 313) и/или с другим функциональным элементом (31, 311, 312, 313), при этом между одной контактной площадкой (43, 44, 45, 46) и другой контактной площадкой (43, 44, 45, 46) предусмотрен промежуток, а радиус (R) кривизны закругления составляет не менее 10%, прежде всего не менее 30%, от ширины этого промежутка между одной контактной площадкой (43, 44, 45, 46) и другой контактной площадкой.

9. Чувствительный элемент по п. 8, отличающийся тем, что радиус (R) кривизны закругления не меньше ширины промежутка между одной контактной площадкой (43, 44, 45, 46) и другой контактной площадкой (43, 44, 45, 46).

10. Чувствительный элемент по п. 8, отличающийся тем, что одна контактная площадка (43, 44) и другая контактная площадка (43, 44) расположены зеркально-симметрично относительно оси, проходящей в продольном направлении чувствительного элемента (20).

11. Чувствительный элемент по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что функциональный элемент (31, 311, 312) расположен внутри чувствительного элемента (20), при этом электрическое соединение между функциональным элементом (31, 311, 312) и контактной площадкой (43, 44, 45) обеспечивается токопроводящей дорожкой (321, 322, 328), проходящей внутри чувствительного элемента (20) в основном в его продольном направлении, и имеет ввод (501, 502, 503), проходящий в основном перпендикулярно продольному и поперечному направлениям чувствительного элемента (20).

12. Датчик с чувствительным элементом (20) по одному из пп. 1-11 и с металлическим контактным элементом, который извне чувствительного элемента (20) электрически контактирует с ним по контактной площадке (43, 44, 45, 46) с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием.