(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガス室（１６４）内のガスの少なくとも１つの特性を検出するためのセンサ素子（１１２）であって、該センサ素子（１１２）が、少なくとも２つの電極（１１４，１１６）と、該電極（１１４，１１６）を接続する少なくとも１つのセラミック製の固体電解質（１１８）とを備える少なくとも１つの層構造（１１０）を有しており、該層構造（１１０）が、該層構造（１１０）の単数又は複数の層平面に対して平行に、長さＬを有する長手方向延在と、幅Ｂを有する横方向延在とを有しており、Ｌ／Ｂの比が１０より小であり、
前記層構造（１１０）が、少なくとも１つの貫通接続部（１３６，１４８，１５０）を有しており、該貫通接続部（１３６，１４８，１５０）が、少なくとも１つの層平面を貫通しており、該貫通接続部（１３６，１４８，１５０）は、貫通された層平面の材料に対して電気的に絶縁されており、
前記貫通された層平面の材料は、固体電解質材料であり、
前記貫通接続部（１３６，１４８，１５０）が、前記層構造（１１０）に設けられた少なくとも１つの孔（１５４）と、少なくとも部分的に前記孔（１５４）を充填する少なくとも１つの充填物とを有しており、前記孔（１５４）が直径ｄを有しており、Ｂ／ｄの比が、３．８〜５．０の範囲にあることを特徴とする、測定ガス室内のガスの少なくとも１つの特性を検出するためのセンサ素子。
【請求項２】
前記比Ｌ／Ｂが最大８．５である、請求項１記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記比Ｌ／Ｂが６．０〜８．５の範囲にある、請求項１又は２記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記比Ｌ／Ｂが７．５〜８．５の範囲にある、請求項３記載のセンサ素子。
【請求項５】
前記層構造（１１０）が、前記少なくとも１つの層平面に対して垂直に全層厚さＤを有しており、該全層厚さＤは、０．３ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲にある、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項６】
全層厚さＤは、焼結された状態における全層厚さである、請求項５記載のセンサ素子。
【請求項７】
前記全層厚さＤが０．７ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲にある、請求項５又は６記載のセンサ素子。
【請求項８】
前記長さＬが、長手方向延在方向での最大の長さであり、前記幅Ｂが、前記長手方向延在方向に対して横方向での最大の幅である、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項９】
前記幅Ｂは、前記長手方向延在方向に対して垂直な方向での最大の幅である、請求項８記載のセンサ素子。
【請求項１０】
前記長さＬが６５ｍｍより小である、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１１】
前記層構造（１１０）が、少なくとも１つのリード（１２４，１２６）を有しており、該少なくとも１つのリード（１２４，１２６）が、少なくとも１つの接続コンタクト（１２８，１３０）から、前記電極（１１４，１１６）の少なくとも１つに延在しており、前記リード（１２４，１２６）が、少なくとも部分的に前記長手方向延在に対して平行に延びている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１２】
前記充填物は、絶縁材料（１５６）の単数又は複数の層を有する充填物及び／又は電気伝導性の材料（１５８）を有する完全な又は部分的な充填物である、請求項１から１１までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１３】
前記Ｂ／ｄの比が４．０〜４．５の範囲にある、請求項１から１２までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１４】
前記貫通接続部（１３６，１４８，１５０）が、前記層構造（１１０）の貫通接続領域（１５２）内に配置されており、前記幅Ｂが、前記貫通接続領域（１５２）における前記層構造（１１０）の幅である、請求項１から１３までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１５】
前記層構造（１１０）が、該層構造（１１０）の層平面に対して平行に、以下に挙げる断面の１つ、すなわち長方形の断面、台形の断面、先細りした断面から選択される断面を有している、請求項１から１４までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１６】
前記層構造（１１０）が、先細りした断面を有し、
前記先細りした断面は、前記貫通接続領域（１５２）に最大の幅を有し、前記電極（１１４，１１６）の領域に先細り部を有する断面である、請求項１５記載のセンサ素子。
【請求項１７】
前記貫通接続部を形成する貫通接続穴は、絶縁層を有して形成されており、
前記絶縁層は、少なくとも３０μｍの厚さを有する、請求項１から１６までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【請求項１８】
前記貫通接続穴の絶縁層は、５００℃を超える温度で１ＭΩを超える境界抵抗を有する、請求項１７記載のセンサ素子。
【請求項１９】
前記センサ素子（１１２）は、ガス成分の割合を測定するためのセンサ素子（１１２）である、請求項１から１８までのいずれか１項記載のセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
従来技術において、測定ガス室内のガスの少なくとも１つの特性を検出するためのセンサ素子が公知である。原則、ガスの多数の特性を検出可能である。以下に本発明について、質的かつ／又は量的に検出可能なその他の可能な特性を排除することなく、測定ガス室内のガス成分の割合の測定に基づいて説明する。割合とは、例えば測定ガス室内のガスの分圧及び／又は百分率で表した割合、例えば化学量論的な割合であってよい。この種のセンサ素子は、例えば、いわゆるラムダセンサの形態で従来技術において公知である。ラムダセンサにより、ガス中、例えば内燃機関の排ガス中の酸素の割合が測定可能である。この種のラムダセンサの実施の形態については、例示的に、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｂｏｓｃｈ  ＧｍｂＨ社の「Ｓｅｎｓｏｒｅｎ  ｉｍ  Ｋｒａｆｔｆａｈｒｚｅｕｇ（２００７年版、第１５４頁〜１５９頁）」を参照されたい。
【０００２】
この種のセンサ素子は、一般に、少なくとも１つの固体電解質を備えるセラミック製の層構造を有している。公知の固体電解質は、例えばイットリウム安定化二酸化ジルコニウム（Ｙｔｔｒｉｕｍ−ｓｔａｂｉｌｉｓｉｅｒｔｅｓ  Ｚｉｒｋｏｎｄｉｏｘｉｄ（ＹＳＺ））又は別のドープされた金属酸化物、例えばスカンジウムドープ二酸化ジルコニウムである。セラミック製の層構造は、一般に、接続領域から測定領域にかけて延在している。接続領域には、単数又は複数の電気的なコンタクトが設けられている。一般に、層構造のより深部の層平面も電気的に接続されなければならないので、いわゆる貫通接続部（Ｄｕｒｃｈｋｏｎｔａｋｔｉｅｒｕｎｇ）あるいはスルーホールが設けられている。貫通接続部は、例えば層構造内に単数又は複数の孔及び／又は打ち抜き部を有している。孔は、電気伝導性の材料で完全に又は部分的に充填されているか、又は少なくともコーティングされている。しかし、公知の固体電解質材料、例えばＹＳＺが、比較的高い温度、例えば３５０℃以上の温度でイオン伝導性を示すという技術的試練が生じる。このとき、貫通接続部自体が電極として機能する。
【０００３】
この問題を解決するために、複数の端緒が公知である。例えばドイツ連邦共和国特許第１００１４９９５号明細書には、ガス成分を測定するための電気化学式の測定フィーラが記載されている。この公知の測定フィーラにおいて、貫通接続部の電気伝導性の材料は、固体電解質材料に対して手間のかかる絶縁層により絶縁されている。別の端緒は、センサ素子を比較的長くかつ細く形成することにある。その結果、貫通接続領域は、空間的に本来の電極の領域から離間される。例えば、センサ素子の公知の層構造は、１０：１より大の、幅に対する長さの比（Ｌ／Ｂ）を有している。細い構造形式は、従来技術では、センサ素子の長さにわたって十分に大きな温度勾配のために必要である。十分に大きな温度勾配は、セラミックの温度が貫通接続穴の領域でセンサ運転時に常に臨界温度の下、例えば３５０℃の下にあることに至らしめる。しかしながら、両解決策は、実際の使用において不都合をはらんでいる。特に排ガスセンサの長さが長いことは、多くの場合、不都合である。それというのも、一部において、特に短く形成された排ガスセンサ、特に６５ｍｍより小のサイズを有する化学量論的なラムダセンサ又はワイドバンドラムダセンサのためのセンサ素子が所望されるからである。他方、上述の手間のかかる貫通接続部は、製造コスト及び製造手間を著しく上昇させる。
【０００４】
発明の概略
それゆえ、上述の目的対立を少なくとも大幅に解決する、測定ガス室内のガスの少なくとも１つの特性を検出するためのセンサ素子、特にガス成分の割合を測定するためのセンサ素子を提案する。提案するセンサ素子は、特に測定ガス室内のガス中の酸素の割合及び／又は別のガス成分の割合を質的かつ／又は量的に測定するために使用可能である。
【０００５】
本発明は、排ガスセンサ、特にラムダセンサを可及的小型に設計することが有利であるという認識に基づくものである。例えばリード及び／又は加熱素子中の貴金属の節約及び／又は固体電解質基板、例えば二酸化ジルコニウム基板の材料量の節約による低い材料コストに加え、とりわけ、ユーザによるエンジン設計時の拡張された使用自由度が重要である。小型のセンサ素子、例えば６５ｍｍより小のセラミック製の層構造の所要長手方向スペースを有する小型のセンサ素子のためには、相応に短いセラミック製のセンサ素子が必要となる。このより小さな排ガスセンサについて、原則、頑強性及び耐熱性に関して、従来技術における従来慣用のセンサ素子のためと同等の要求が成立する。しかしながら、センサ素子自体、特にセラミック製のセンサ素子については、以下に説明するように、耐熱性に関する要求が大幅に上昇する。
【０００６】
センサ素子の長さを最小化するにあたり、上述のように、複数の重要な、一部において矛盾する要求が充足されなければならない。短いセンサ素子の接続領域が、センサ素子の高温の構成要素の近傍、例えばセンサ素子のハウジングの高温の六角部の近傍にあるため、貫通接続穴（以下、ＤＫ（Ｄｕｒｃｈｋｏｎｔａｋｔｉｅｒｕｎｇ）穴とも呼ぶ）は、センサ素子の運転時、より長いセンサ素子の場合と比べて高温となる。上述のように、それゆえセンサ素子の層構造は、従来技術において、長くて細い構造形式により、二酸化ジルコニウムセラミックが最大温度、例えば３５０℃の最大温度を貫通接続領域において超過しないように設計される。このことが技術的な理由から不可能である場合、この最大温度を上回る温度が発生するとき、一般に、貫通接続穴間の短絡を回避するために、貫通接続穴が手間のかかるプロセスで少なくとも１つの絶縁構造を備えて形成されなければならない。
【０００７】
しかし、短く形成されたセンサ素子、例えば本発明の範囲内で有利であるような、６５ｍｍより小の層構造の長さを有するセンサ素子において、この最大温度は、一般に大幅に超過される。この場合、上述の絶縁層は、多くの場合、必須である。それにもかかわらず、本発明は、絶縁層の製造のために行わなければならない手間をかなり軽減することを保証する。加えて、絶縁ペーストによる製造信頼性の高いコーティングと、結果として生じる閉鎖された絶縁層が保証される。例えば、少なくとも３０．０μｍの厚さを有する、結果として生じる閉鎖された絶縁層を確実に保証することができる。絶縁層を製造するために、一般に、絶縁ペーストが貫通接続穴を通して吸引されるか、又は別の形式で貫通接続穴内に注入される。
【０００８】
それゆえ、例えば少なくとも３０．０μｍの、結果として生じる閉鎖された絶縁層を確実に保証することができるように、一般に、穿孔方法に対して択一的な可能な製造方法を排除することなしに以下に「孔」とも呼ぶ貫通接続穴の十分な穴直径が必要である。例えば、一般に、ペースト吸引のために、５００μｍのセラミック製のシート厚さにおいて、少なくとも１．０ｍｍの穴直径が必要である。しかし、接続コンタクト領域に単数又は複数の穿孔穴を配置すると、センサ素子は、この領域においてこの種の大きな孔により明らかに弱化する。従来技術では、センサ素子のボディに組み込まれる層構造は、一般に、２つの位置で固定される。つまり層構造の固定は、一般に、一方では、センサ素子のハウジング内の層構造のシール領域で実施される。第２の固定は、コンタクトホルダにおいて層構造の端子側の端部で実施される。しかし、センサ素子の組み立て時、例えば接合プロセス時、及び特に車両使用時、曲げ負荷が層構造に加わる。それゆえ本発明は、過度に弱いセンサ素子が貫通接続領域における破断により故障する場合があるという認識に基づいている。
【０００９】
一方では、大きな直径、例えば０．５ｍｍを上回る直径、特に少なくとも１．０ｍｍの直径を有する孔を設ける、多くの場合に生じる必要性にあり、他方では、十分な機械的な安定性の保証にある目的対立の認識に基づいて、体系的に実験列をセンサ素子のための層構造において実施した。その際、層構造の長さの幅に対する比が大きな役割を果たしていることが判った。このことから、本発明に係るセンサ素子の以下の特徴が生じる。
【００１０】
提案するセンサ素子は、少なくとも２つの電極と、電極を接続する少なくとも１つのセラミック製の固体電解質とを備える少なくとも１つの層構造を有している。少なくとも２つの電極は、例えば固体電解質層の同じ側かつ／又は固体電解質層の反対側に配置されていてよい。電極は、例えば貴金属‐セラミック‐電極、例えばいわゆるサーメット‐電極を有していてよい。この種の電極は、セラミック製のセンサ素子の分野から原則公知である。電極と固体電解質とは、センサ素子の単数又は複数のセルを形成可能である。これによりセンサ素子は、単セル又は複セルのセンサ素子として形成可能である。センサ素子の可能な形態に関しては、従来技術を参照されたい。例えばステップチェンジセンサあるいはナローバンドセンサ（Ｓｐｒｕｎｇｓｏｎｄｅ）又はワイドバンドセンサ（Ｂｒｅｉｔｂａｎｄｓｏｎｄｅ）が実現可能である。さらに層構造は、別の要素、例えば電極コンタクト、貫通接続部（以下、参照）、リード、単数若しくは複数の加熱素子又は従来技術から公知であるような類似の要素を有していてよい。
【００１１】
層構造は、単数又は複数の層平面を有している。これらの層平面は、有利には互いに平行に配置可能である。層平面は、層平面に対して平行に層構造の長手方向延在を規定し、かつ長手方向延在に対して横方向、例えば長手方向延在に対して垂直に層構造の横方向延在を規定する。長手方向延在方向は、層構造の延びが横方向延在の方向よりも大きい、層構造の方向である。例えば、長手方向延在方向は、センサ素子及び／又はセンサ素子の層構造が測定ガス室に差し込まれる差し込み方向に対して平行であってよい。例えばセンサ素子は、長手方向延在軸線、例えばセンサ素子の回転対称の軸線を有するハウジングを有していてよい。これにより、長手方向延在方向は、例えばセンサ素子の長手方向延在軸線に対して平行な方向であってよい。層構造は、相応にセンサ素子のハウジング内に挿入可能である。横方向延在は、この場合、有利にはセンサ素子全体の長手方向延在軸線に対して垂直な方向である。
【００１２】
本発明は、層構造の長手方向延在が長さＬを有し、かつ層構造の横方向延在が幅Ｂを有し、Ｌ／Ｂの比が１０より小であるように、層構造を形成することを提案する。長さは、原則、任意の箇所において長手方向延在方向で測定可能であり、幅は、原則、任意の箇所において層構造の横方向延在の方向で測定可能である。しかし、長さが長手方向延在の方向で最大の長さ、つまり層構造の最大の長さであると特に有利である。幅は、例えば層構造の最も広幅の箇所の幅、つまり層構造の最大の幅、及び／又は下で詳述するように、貫通接続領域における幅であってよい。比Ｌ／Ｂが最大８．５であると、特に有利である。特に、比Ｌ／Ｂが６．０〜８．５の範囲、有利には７．５〜８．５の範囲にあると、有利である。例えば、７．５＜Ｌ／Ｂ＜８．５が成立可能である。層構造は、特に、少なくとも１つの層平面に対して垂直に全層厚さを有していてよい。この全層厚さは、特に、セラミック製の層構造の焼結された状態において測定可能である。全層厚さは、特に０．３ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲、特に有利には０．７ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲にあってよい。長さＬは、特に、長手方向延在方向での最大の長さであり、幅Ｂは、長手方向延在方向に対して横方向、特に長手方向延在方向に対して垂直な方向での最大の幅であってよい。長さＬが６５ｍｍより小である、つまりセンサ素子が短い層構造を備えるセンサ素子であると、特に有利である。
【００１３】
層構造は、特に、少なくとも１つのリードを有していてよい。少なくとも１つのリードは、特に、少なくとも１つの接続コンタクトから、例えば層構造の単数又は複数の表面上を、電極の少なくとも１つに向かって延在していてよい。リードが、少なくとも部分的に長手方向延在に対して平行に延びていると、特に有利である。特に、リード、又はリードの少なくとも１つは、層構造のより深部の層平面内に配置されていてもよい。つまり、層構造の単数又は複数の表面上に配置されていなくてもよい。層構造は、特に、少なくとも１つの層平面を貫通する少なくとも１つの貫通接続部を有していてよい。貫通接続部は、上述のように、貫通された層平面の材料、特に固体電解質材料に対して電気的に絶縁可能である。これに関しては、例えば従来技術を参照されたい。例えば、電気的な絶縁の厚さは、少なくとも２０．０μｍ、有利には少なくとも３０．０μｍを有していてよい。
【００１４】
貫通接続部は、特に、層構造に設けられた少なくとも１つの孔と、少なくとも部分的に孔を充填する少なくとも１つの充填物を有していてよい。特に、貫通接続部は、絶縁材料の単数又は複数の層を有する充填物及び／又は電気伝導性の材料の単数又は複数の層を有する充填物を有していてよい。例えば、孔の壁には、まず単数又は複数の絶縁層が被着可能である。続いて、電気伝導性の材料の単数又は複数の層及び／又は単数又は複数の充填物が被着可能である。少なくとも１つの孔は、特に直径ｄ、例えば少なくとも０．５ｍｍ、有利には少なくとも１．０ｍｍの直径ｄを有していてよい。特に、直径ｄに対する幅Ｂの比は、３．８〜５．０の範囲、特に４．０〜４．５の範囲にあってよい。
【００１５】
少なくとも１つの貫通接続部は、特に、層構造の貫通接続領域内に配置されていてよい。貫通接続領域とは、少なくとも１つの貫通接続部の周囲、例えば貫通接続部の縁部から最大２ｍｍの分だけ層構造の長手方向延在方向で両方向に延在する領域と解すべきである。上で規定した幅Ｂは、特に、貫通接続領域における層構造の幅であってよく、つまり、特に、長手方向延在方向に対して垂直に貫通接続領域において計測可能である。
【００１６】
層構造は、特に、層構造の層平面に対して平行に、以下の断面の１つ、すなわち長方形の断面、台形の断面、先細りした断面、特に貫通接続領域に最大の幅を有し、電極の領域に先細り部を有する断面から選択される断面を有していてよい。しかし、その他の断面も原則可能である。
【００１７】
つまり、提案するセンサ素子は、長さＬ及び幅Ｂ並びに有利には少なくとも１つの任意選択的な貫通接続穴あるいは孔の直径ｄのサイズ比の特定の設定を提案する。提案する比は、試験で証明されているように、セラミック製のセンサ素子に対する上述の矛盾する要求、特に排ガスセンサのための要求を充足可能とする前提をなす。特に、貫通接続穴に確実かつ大規模工業的に、単数又は複数の絶縁層、例えば５００℃を上回る温度においても高い境界抵抗、例えばＲ＞１ＭΩの境界抵抗を有することが可能な絶縁層を設けるために、十分に大きく貫通接続穴を設計可能であることを保証することができる。このような大きな境界抵抗を達成するためには、少なくとも３０μｍの層厚さの絶縁層が有利であるか、又はそれどころか必要であることが判っている。
【００１８】
さらにセンサ素子の層構造は、８０Ｎの曲げ破断負荷及び例えば３０ｇの振動負荷に、５００℃を上回る温度においても使用寿命にわたって故障せずに耐えるために、十分な強度を有しているように形成可能である。提案するセンサ素子は、特に自動車の、特に高い負荷が発生する領域で使用可能である。同時に、層構造及び／又はセンサ素子全体は、６５ｍｍより小の所要スペースを有するセンサに組み付けるのに適しているように短く設計可能である。
【００１９】
これらの目的対立の問題の本発明の解決手段は、特に、有利には８．５より小の有利な比Ｌ／Ｂから、貫通接続領域の設計時の矛盾する要求が充足可能であるという認識に基づく。特に８．５〜７．５のＬ／Ｂの範囲で、貫通接続領域の設計時の矛盾する要求は、特に良好に充足される。これに応じて、単数又は複数の貫通接続部を有する安定なセンサ素子が製造可能である。これらの貫通接続部には、特に絶縁ペーストからなる単数又は複数の層が設けられ、かつ導電性ペーストがコーティング可能である。貫通接続部は、部分的に又は完全に充填されて形成されていてよい。貫通接続部は、例えば内側に位置するヒータ電極及び／又は内側に位置する電極リードの接続を請け負うことができる。上で提案した層構造の比Ｌ／Ｂは、任意選択的には、貫通接続領域でのみ維持されてよい。これにより、長方形の断面を有する形態に対して択一的な形態、例えば台形の断面及び／又は丸み付け部、例えばコンピュータにより最適化された丸み付け部、特に丸み付けられた先細り部の形態の丸み付け部を有する断面が生じる。
【００２０】
単数又は複数の提案した形態に係る提案したセンサ素子は、特に、上述のように、ラムダセンサの形態で自動車、定置のエンジン又は焼却施設において使用される。
【００２１】
本発明のその他の任意選択的な個々の構成及び特徴は、図面に示した有利な実施の形態の以下の説明から看取される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】センサ素子の層構造の一実施の形態を示す図である。
【図２】長短の層構造の熱負荷を対比して示す図である。
【図３】図２に示した短く形成されたセンサ素子の貫通接続領域を示す図である。
【図４】センサ素子内の層構造の貫通接続領域の電気的な接続の詳細図である。
【図５】層構造の曲げ負荷の実験の一例を示す図である。
【図６】曲げ負荷後の層構造の典型的な破断を示す図である。
【図７】センサ素子内の層構造の組み付けと、力が主にかかる場所との概略図である。
【図８】従来慣用の層構造の長さの幅に対する比を示す図である。
【図９】本発明に係る層構造の長さの幅に対する比を示す図である。
【図１０】層構造の長さの幅に対する比の関数として破断の度数分布を示す図である。
【図１１】図１１Ａ及びＢは、貫通接続部の様々な図である。
【図１２】図１２Ａ乃至１２Ｃは、本発明に係るセンサ素子の層構造の有利な断面の種々異なる形態を示す図である。
【００２３】
実施の形態
図１は、（図示しない）測定ガス室内のガスの特性を検出するためのセンサ素子１１２の層構造１１０の典型例を示している。図示の実施の形態では、センサ素子１１２は、例えばステップチェンジセンサとして形成されたラムダセンサである。層構造は、図示の形態では、２つの電極１１４，１１６を有している。電極１１４，１１６は、例示的に、固体電解質１１８、例えばイットリウム安定化二酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）からなる固体電解質層の、互いに反対側の面に配置されている。電極１１４には、ガス透過性の保護層１２０を介して、測定ガス室からガスを供給可能である。電極１１４は、外側電極（ＡＥ）とも呼ばれる。これに対して第２の電極１１６は、層構造１１０のより深部の平面内に配置されており、例えば基準ガス通路１２２、例えば空気基準を介して、基準ガス室、例えば内燃機関の周囲空間と連通可能である。第２の電極１１６は、図示の実施の形態において、しばしば基準電極（ＲＥ）とも呼ばれる。
【００２４】
電極１１４，１１６は、リード１２４，１２６を通して、かつ接続コンタクト１２８，１３０を介して、層構造１１０の第１の表面１３２で電気的に接点接続可能である。リード１２４は、長手方向延在方向（図１に
0005631412.tif 000002
で図示）に対して平行に、接続コンタクト１２８，１３０から電極１１４，１１６に向かって延在している。第１のリード１２４は、第１の表面１３２上に配置されており、カバー層１３４によりシールされ、任意選択的に固体電解質１１８に対して絶縁されて形成されていてよい。他方、第２のリード１２６は、固体電解質１１８の反対側の面で層構造１１０のより深部の層平面内を延在している。これに応じて、この第２のリード１２６は、貫通接続部あるいはスルーホール１３６により接続コンタクト１３０に電気的に接続されなければならない。貫通接続部１３６については、下で詳述する。
【００２５】
さらに層構造１１０は、任意選択的に基板１３８及び加熱素子１４０を有している。加熱素子１４０は、２つの絶縁シート１４２間に埋設可能である。加熱素子１４０は、第１の表面１３２の反対側に位置する第２の表面１４４に配置される２つのヒータコンタクト１４６を介して接点接続可能である。ヒータコンタクト１４６自体は、貫通接続部あるいはスルーホール１４８，１５０を介して加熱素子１４０に電気的に接続されている。貫通接続部１３６，１４８，１５０及び／又は接続コンタクト１２８，１３０及び／又はヒータコンタクト１４６が配置されている領域は、図１に符号１５２で示されており、この領域を貫通接続領域とも呼ぶ。
【００２６】
層構造１１０は、図面に示した実施の形態において、長手方向延在方向
0005631412.tif 000003
に長さＬを有し、長手方向延在方向に対して横方向に幅Ｂを有している。さらに層構造１１０は、焼結された状態で全層厚さＤを有している。
【００２７】
固体電解質１１８が貫通接続部１３６，１４８，１５０の領域においても典型的には約３５０℃の温度からイオン伝導性となることによる上述の問題を解決するために、貫通接続部１３６，１４８，１５０は、実際の使用ではしばしば電気的に絶縁される。このことは、図１１Ａ及び図１１Ｂに示してある。図１１Ａは、貫通接続部１３６，１４８，１５０の平面図であり、図１１Ｂは、側方から見た断面図である。これらの図面は、貫通接続部１３６，１４８，１５０が、一般に、直径ｄを有する孔１５４を有していることを示している。これらの孔は、絶縁材料１５６の単数又は複数の層により電気的に絶縁される。絶縁材料１５６は、例えば絶縁性のペーストとして製造時に孔１５４を通して吸い込み可能である。次に孔１５４は、完全に又は部分的に、少なくとも１つの伝導性の材料１５８で充填される。この伝導性の材料１５８は、例えば、やはりペーストとして孔１５４を通して吸い込み可能である。絶縁材料１５６は、有利には、少なくとも３０μｍの層厚さを有している。
【００２８】
図３は、典型的な貫通接続領域１５２の平面図である。貫通接続領域１５２は、例示的に、貫通接続部１３６，１４８，１５０を備えるこの種の貫通接続領域の形態を、表面１３２，１４４の一方から見た状態で示している。
【００２９】
図２には、例示的に、それぞれ異なる長さＬ１あるいはＬ２の層構造を有するそれぞれ異なるセンサ素子１１２が対比されている。その際、左半図は、長尺の層構造１１０を備えるセンサ素子１１２を示しており、これに対して右半図は、短尺の層構造１１０を備えるセンサ素子１１２を示している。それぞれには、層構造１１０と、センサ素子のハウジング１６０内への、層構造１１０の組み込みとが示されている。ハウジング１６０は、六角部１６２を備え、六角部１６２を介してハウジングは、測定ガス室１６４に結合可能である。例えばハウジング１６０は、六角部１６２により内燃機関の排ガス管路の壁１６６に螺入可能である。ハウジング１６０内には、シール領域１６８が設けられている。シール領域１６８において、層構造１１０が保持され、シールされる。その結果、測定ガス室１６４からガスの供給が実施される測定領域１７０は、シール領域１６８の反対側に位置する接続領域１７２から隔離される。
【００３０】
さらに図２には、典型的な温度表示がなされている。左半図は、ＬＳＦ４．２の型式の典型的なステップチェンジセンサを示している。このステップチェンジセンサでは、層構造１１０の先端において、測定領域１７０では、８５０℃より高い温度が発生する場合がある。これに対して、反対側に位置する端部において、貫通接続領域１５２では、２５０℃以下の温度が発生する。
【００３１】
これに対して右半図は、短く形成されたセンサ素子を示している。このセンサ素子の長さＬ２は、長さＬ１と比較して約２／３に短縮されている。本図において看守可能であるように、この短く形成されたセンサ素子１１２の貫通接続領域１５２における温度は、なおも約５００℃である。層構造１１０の固体電解質１１８のセラミックは、典型的には３００℃を上回るとイオン伝導性となるので、これにより、層構造１１０の短縮は、貫通接続領域１５２における手間のかかるデザインの必要性を意味する。こうして、絶縁材料１５６による電気的な絶縁に対する要求は増大する。付加的に、多くの場合、一定の高い品質を保証することができるように、絶縁検査が必要とされる。
【００３２】
図４は、典型的なセンサ素子１１２の接続領域１７２を再度示している。本図は、層構造１１０が少なくとも２つの位置で固定されていることを示している。つまり、一方では、固定がシール領域１６８で行われており、他方では、固定がコンタクトホルダ１７４により、層構造１１０の電気的な接続が行われる貫通接続領域１５２で行われている。これに応じて、図４に示した負荷領域１７６において、高い機械的な負荷が発生する。このことは、図５及び図７に再度示してある。図７は、センサ素子１１２内の貫通接続領域１５２を再度概略的に平面図で示しており、力Ｆ、特に曲げ力が、特にシール領域１６８と、コンタクトホルダ１７４による固定の領域との間で発生する場合があることを示している。図５は、概略図で、力Ｆを負荷領域１７６において２つの支持点１７８間で加えることによる、単数又は複数の貫通接続部１３６，１４８，１５０を備える層構造１１０の典型的な曲げ負荷試験を示している。
【００３３】
図５に示した実験構造を用いて、種々異なる曲げ負荷実験を実施した。その際、種々異なる比を試した。つまり、例えば幅Ｂに対する長さＬの最適な比、孔直径ｄに対する長さＬの最適な比、孔直径ｄに対する幅Ｂの最適な比その他の比を調べた。図１０は、典型的な実験結果を示している。本図において、水平軸には、所定の比、例えば幅Ｂに対する長さＬの比（つまりＬ／Ｂ）又は類似の比を示してあり、これに対して鉛直軸には、度数Ｈを示してある。本図において、曲線１８０は、層構造１１０の、例えば破断による故障が発生しなかった試験の度数分布、つまり「良好な検体」の度数分布を示している。これに対して曲線１８２は、破断に至った試験の度数分布を示している。つまり図１０は、例示的に、センサ素子の２つの群を含む試験結果を示している。曲線１８０は、例えば１００Ｎの曲げ負荷時に破断せず、その比Ｌ／Ｂが例えば上述の範囲内にあるセンサ素子の群を示している。これに対して曲線１８２は、例えば１００Ｎの曲げ負荷時に破断し、その比Ｌ／Ｂが例えば上述の範囲側にあるセンサ素子の群を示している。試験では、体系的な実験列で、絶縁コーティングが施された貫通接続部１３６，１４８，１５０において、層構造１１０の十分な破断強度を臨界的な使用においても保証するために必要なＬ／Ｂ比を求めた。その際、老化効果、例えば微細き裂成長の形態の老化効果も考慮した。
【００３４】
図６は、例示的に、図５に示した負荷試験において破断１８８が発生した貫通接続領域１５２の平面図を示している。本図から看守可能であるように、破断１８８は、特に貫通接続部１３６，１４８，１５０の１つを通っている。その結果、高い可能性で、貫通接続部１３６，１４８，１５０の孔１５４による層構造１１０の弱化が、破断１８８の原因とみなすことができる。
【００３５】
結果は、上述の最適の比に至った。例えば図８に例示的に示すような従来技術に相当する層構造１１０が、典型的には比Ｌ／Ｂ＞１０を有しているのに対して、本発明により、図９にシンボリックに示すように、６．０〜８．５の間、有利には７．５〜８．５の間にある比Ｌ／Ｂが最適と認められた。有利には、全層厚さＤは、焼結後０．７〜２．５ｍｍの間にある。さらに、３．８〜５．０の間、特に有利には４．０〜４．５の間にある、幅Ｂと孔１５４の直径ｄとの間の最適な比が求められた。
【００３６】
上述のように、層構造１１０の幅は、有利には貫通接続領域１５２において採寸される。その結果、上述の比は、特にこの貫通接続領域１５２において成立可能である。貫通接続領域１５２は、貫通接続部１３６，１４８，１５０が配置されている領域である。例えば貫通接続領域１５２は、電極１１４，１１６から最も遠く離れた貫通接続部１３６，１４８，１５０の最も外側の縁部から、最も近い貫通接続部１３６，１４８，１５０の、電極１１４，１１６に対して最も近くに位置する縁部にかけて延在している。任意選択的に貫通接続領域１５２は、なおも長手方向延在方向に対して平行な一方向又は両方向でこの領域を超えて、例えば５ｍｍ以下、有利には２ｍｍ以下の分だけこの領域を超えて延在していてよい。例えば幅Ｂは、この貫通接続領域１５２の最も広幅の箇所における互いに反対側に位置する稜間の間隔であってよい。択一的には、幅Ｂは、接続領域１７２において、かつ／又は層構造１１０の、電極１１４，１１６から最も離れて配置されている端部において計測されてもよい。
【００３７】
本発明の範囲内で特許請求されるか、又は特に有利である上述の比は、特に貫通接続領域１５２においてのみ維持されていてもよい。このことは、例示的に図１２Ａ乃至１２Ｃに示してある。これらの図面は、平面図で、本発明により形成された層構造１１０の種々異なる断面を示している。図１２Ａは、上述の比Ｌ／Ｂを有する長方形の断面を示している。これに対して図１２Ｂは、台形の断面を示している。台形の断面の場合、幅Ｂは、貫通接続領域１５２から、層構造１１０の、反対側に位置する端部、つまり電極１１４，１１６（図１２Ｂには図示せず）の領域に位置する端部に向かって減少している。これに対して図１２Ｃは、電極１１４，１１６の領域における先細り部１８４を備える層構造１１０の形態を示している。先細り部１８４は、特に、例えばコンピュータによる最適化（ＣＡＯ、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）により算出可能な丸み付け部１８６を備えるように形成可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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