BR112015021620B1

BR112015021620B1 - método para a fabricação de um elemento sensor eletrolítico para a detecção de pelo menos uma propriedade de um gás de medição em uma câmara de gás de medição

Info

Publication number: BR112015021620B1
Application number: BR112015021620-0A
Authority: BR
Inventors: Tobias Kuehnlein; Thomas Moser; Harald Guenschel; Lothar Diehl; Christoph Peters
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2020-11-17
Also published as: EP2972278B1; EP2972278A1; US10180409B2; WO2014139691A1; BR112015021620A2; KR20150123256A; DE102014204124A1; KR102125195B1; CN105190300A; CN105190300B; US20160061767A1

Abstract

MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE UM ELEMENTO SENSOR ELETROLÍTICO PARA A DETECÇÃO DE PELO MENOS UMA PROPRIEDADE DE UM GÁS DE MEDIÇÃO EM UMA CÂMARA DE GÁS DE MEDIÇÃO, CONTENDO DUAS CAMADAS CERÂMICAS POROSAS. A invenção refere-se a um método para a fabricação de um elemento sensor (10) para a detecção de pelo menos uma propriedade de um gás de medição em uma câmara de gás de medição, em particular, para a detecção de uma proporção de um componente de gás no gás de medição, ou de uma temperatura do gás de medição. O método compreende as etapas: preparação de, pelo menos, um eletrólito sólido (12) com, pelo menos, um elemento funcional (14,16,18), aplicação pelo menos, parcial de pelo menos, uma primeira camada (42) de um material cerâmico sobre 0 eletrólito sólido (12), sendo que, após a aplicação, a primeira camada (42) apresenta uma primeira porosidade, e aplicação pelo menos, parcial de pelo menos, uma segunda camada (44) de um material cerâmico, sendo que, após a aplicação, a segunda camada (44) apresenta uma segunda porosidade, sendo que, a primeira camada (42) se diferencia da segunda camada (44) com respeito a, pelo menos, uma propriedade de material. Além disso, é sugerido um elemento sensor fabricado de acordo com esse método. (...).

Description

Estado da técnica

[0001] Do estado da técnica é conhecido um grande número de sensores e métodos para a detecção de, pelo menos, uma propriedade de um gás de medição em uma câmara de medição. Neste caso, em princípio pode se tratar de quaisquer propriedades físicas e/ ou químicas do gás de medição, sendo que, podem ser detectadas uma ou várias propriedades. A invenção será descrita a seguir, em particular, com referência a uma detecção qualitativa e/ ou quantitativa de uma parte de um componente de gás do gás de medição, em particular, com referência a uma detecção de uma parte de oxigênio no gás de medição. A parte de oxigênio pode ser detectada, por exemplo, em forma de uma pressão parcial e/ ou em forma de uma porcentagem. De modo alternativo ou adicional, contudo, também podem ser detectadas outras propriedades do gás de medição como, por exemplo, a temperatura.

[0002] Por exemplo, sensores desse tipo podem ser executados como as denominadas sondas lambda, como as que são conhecidas, por exemplo, de Konrad Reif (editor): Sensoren im KraftfahrzeugZ sensores no veículo automotor, 1a. Edição, 2010, pág. 160-165. Com sondas lambda de banda larga, em particular, sondas lambda de banda larga planares pode ser definida, por exemplo, a concentração de oxigênio no gás de exaustão em uma grande área e, com isso, ser concluído sobre a relação de ar e combustível na câmara de combustão. O coeficiente de ar À descreve essa relação de ar e combustível.

[0003] Do estado da técnica são conhecidos, em particular, elementos sensores cerâmicos, os quais se baseiam no emprego de propriedades eletrolíticas de determinados corpos sólidos, portanto em propriedades condutoras de íons desses corpos sólidos. Em particular, no caso desses corpos sólidos pode se tratar de eletrólitos sólidos cerâmicos como, por exemplo, dióxido de zircônio (ZrCh), em particular, dióxido de zircônio ítrio estabilizado (YSZ) e dióxido de zircônio dotado com escândio (ScSZ), os quais podem conter adições pequenas de óxido de alumínio e/ ou óxido de silício (SÍO2).

[0004] A elementos sensores desse tipo são apresentadas exigências de função crescentes. Em particular, uma prontidão de operação rápida de sondas lambda representa um papel importante depois de uma partida do motor. Essa prontidão é influenciada, em essência, por dois aspectos. O primeiro aspecto se refere a um aquecimento rápido da sonda lambda para a sua temperatura de operação, que geralmente se situa acima de 600° C, 0 que pode ser alcançado por meio de aquecimento correspondente de um elemento de aquecimento ou de uma redução da área a ser aquecida. O outro aspecto se refere à resistência ao choque térmico devido ao golpe de ariete durante uma operação. O choque térmico mencionado se baseia no fato de que para um período de tempo determinado depois da partida do motor a temperatura no tubo de escape se situa abaixo do ponto de condensação para água, de tal modo que o vapor de água resultante durante a queima de combustível pode condensar no tubo de escape. Com isso, há formação de gotas de água no tubo de escape. A cerâmica da sonda lambda aquecida pode ser danificada e até mesmo destruída devido à incidência de gotas de água por causa de tensões térmicas ou quebras na cerâmica do sensor.

[0005] Por isso foram desenvolvidas sondas lambda, que apresentam uma camada de proteção cerâmica porosa em sua superfície, que também é designada como camada de thermo-schock- protection ou camada de proteção ao choque térmico. Essa camada de proteção providencia para que as gotas de água que incidem sobre a sonda lambda sejam distribuídas através de uma grande superfície, e com isso, os gradientes de temperatura locais que surgem são reduzidos no eletrólito de corpo sólido ou na cerâmica da sonda. No estado aquecido, portanto, essas sondas lambda suportam um certo tamanho de gotas na água de condensação sem serem danificadas. Geralmente a camada de proteção é aplicada sobre o elemento sensor em uma etapa de processo adicional. Diversos materiais como, por exemplo, óxido de alumínio ou Spinelli (MgAhCXi), e técnicas de aplicação como por exemplo, pulverização ou processos de imersão podem ser empregados para isso. Por exemplo, é conhecido aplicar uma camada de proteção ao choque térmico de espessura uniforme de óxido de alumínio poroso por meio de pulverização de plasma atmosférica. Com um processo de revestimento térmico desse tipo as partículas introduzidas são fundidas e são aceleradas sobre a superfície do eletrólito sólido, de tal modo que a camada de proteção ao choque térmico é aplicada sobre toda a superfície do eletrólito sólido. Essa camada na faixa de baixa temperatura, isto é, em uma faixa de temperatura de aproximadamente 300° C até 4000 C, por meio de sua permeabilidade limitada reduz o acesso à água para o eletrólito sólido do elemento sensor, que é fabricado pelo menos, parcialmente de dióxido de zircônio, e limita na faixa de alta temperatura, isto é, em uma faixa de temperatura de aproximadamente 400° C até 600° C, o resfriamento através da condução de calor. No caso de temperaturas mais altas o efeito de Leidenfrost impede o resfriamento.

[0006] Apesar das inúmeras vantagens dos processos conhecidos do estado da técnica para a fabricação de elementos sensores eles ainda contêm potencial de aperfeiçoamento. A fim de não influenciar a funcionalidade do elemento sensor e, ao mesmo tempo, proteger de modo confiável contra gotas de água como, por exemplo, provenientes do fluxo de gases de escape de uma máquina de combustão interna, a espessura e a porosidade da camada de proteção ao choque térmico precisam ser escolhidas de modo ideal. Neste caso, na otimização do elemento sensor em relação às duas grandezas de influência mencionadas resultam diversos conflitos de objetivos. Assim uma espessa camada de proteção ao choque térmico protege de modo confiável contra golpe de ariete, todavia, como massa adicional influencia o comportamento de aquecimento do elemento sensor de modo desfavorável. A camada de proteção ao choque térmico afeta a dinâmica da sonda lambda. Além disso, o emprego de óxido de alumínio como material da camada de proteção ao choque térmico bom condutor de calor pode levar a uma dissipação de calor do elemento sensor. Uma racionalização do suporte cerâmico afinal possibilita na verdade tempos de aquecimento mais rápidos, contudo torna o elemento sensor mecanicamente mais frágil. Além disso, as camadas pulverizadas são relativamente não homogêneas, pelo que as camadas mais espessas precisam ser pulverizadas como necessárias, a fim de ser suficientemente estável ao choque térmico. Além disso, a porosidade aberta de camadas pulverizadas com plasma se altera em virtude do envelhecimento térmico, de tal modo que a função tanto de sondas de salto como também de sensores de banda larga é afetado com furos de entrada de gás cobertos. A ligação entre o elemento sensor e a camada é dada de modo apenas suficientemente bom através do composto intrínseco da camada de proteção ao choque térmico. Além disso, a camada de proteção ao choque térmico representa uma barreira de difusão adicional, através da qual o gás de medição, que contém, por exemplo, vapor de água e dióxido de carbono, precisa difundir a fim de conseguir chegar ao eletrodo exterior.

Revelação da Invenção

[0007] Por isso é sugerido um método para a fabricação de um elemento sensor para a detecção de pelo menos uma propriedade de um gás de medição em uma câmara de gás de medição, bem como, a um elemento sensor que pode ser fabricado de acordo com esse método, os quais impedem pelo menos, na maior parte as desvantagens de métodos e elementos sensores conhecidos nos quais a resistência pode ser melhorada em relação ao choque térmico, sem aumentar a massa térmica e não é produzido qualquer dano prévio.

[0008] O método de acordo com a invenção compreende as etapas seguintes, de preferência, na sequência mencionada: - preparação de, pelo menos, um eletrólito sólido com, pelo menos, um elemento funcional, - aplicação pelo menos parcial de pelo menos, uma primeira camada de um material cerâmico sobre o eletrólito sólido, sendo que, após a aplicação, a primeira camada apresenta uma primeira porosidade, e - aplicação pelo menos, parcial de pelo menos, uma segunda camada de um material cerâmico, sendo que, após a aplicação, a segunda camada apresenta uma segunda porosidade, sendo que, a primeira camada se diferencia da segunda camada com respeito a, por exemplo, pelo menos, uma propriedade de material.

[0009] A propriedade do material pode ser escolhida a partir do grupo constituído de porosidade, capacidade de condução térmica, coeficiente de dilatação térmica e capacidade térmica.

[00010] A primeira camada e a segunda camada podem ser fabricadas de materiais diferentes. É possível de modo alternativo uma execução de materiais idênticos, que são tratados de modo diferente em virtude do processamento posterior. A primeira porosidade pode ser mais alta do que a segunda porosidade. É possível, por exemplo, uma passagem da porosidade da primeira camada para a segunda camada e, com isso, um gradiente de porosidade. A primeira camada pode apresentar uma capacidade térmica mais baixa do que a segunda camada. A primeira camada e/ ou a segunda camada pode ser fabricada ou aplicada por meio de injeção térmica, como por exemplo, injeção de plasma, imersão, pulverização, processo de pressão ou de nivelamento. Podem ser aplicadas uma ou várias camadas sobre o elemento sensor sinterizado. Uma ou várias camadas podem ser aplicadas sobre o elemento sensor não sinterizado. A primeira camada e/ ou a segunda camada pode ser fabricada de um coloide. Por exemplo, para o revestimento de imersão e/ ou de pulverização pode ser empregado um lodo de cerâmica ou um coloide com enchimentos cerâmicos. Além disso, o método pode compreender, pelo menos, uma etapa de tratamento térmico do eletrólito sólido depois da aplicação do revestimento de pulverização e/ ou de imersão. A etapa de tratamento térmico pode ser realizada de 40° C até 120° C e de preferência, de 50° C até 100°C, por exemplo, 75°C. A etapa de têmpera pode ser realizada em uma temperatura de 1000° C até 1300° C e de preferência, de 1100° C até 1200° C, por exemplo, 1150° C. Além disso, o eletrólito sólido pode compreender um elemento de aquecimento, para o aquecimento do eletrólito sólido, sendo que, o elemento de aquecimento executa a etapa de têmpera. A primeira camada pode ser aplicada por meio de injeção de plasma atmosférica. A segunda camada pode ser aplicada por meio de tratamento térmico, em particular, fusão de uma superfície afastada do eletrólito sólido da primeira camada.

[00011] Um elemento sensor para a detecção de, pelo menos, uma propriedade de um gás de medição em uma câmara de medição, em particular, para a prova de uma parte de um componente de gás na câmara do gás de medição, ou de uma temperatura do gás de medição pode apresentar, pelo menos, um elemento funcional, pelo menos, uma primeira camada de um material cerâmico sobre o eletrólito sólido, sendo que, a primeira camada apresenta uma primeira porosidade e, pelo menos, uma segunda camada de um material cerâmico, sendo que, a segunda camada apresenta uma segunda porosidade e se diferencia com respeito a, pelo menos, uma propriedade de material. Por exemplo, a primeira porosidade pode ser mais alta do que a segunda porosidade.

[00012] No contexto da presente invenção, como um eletrólito sólido deve ser entendido um corpo ou objeto com propriedades eletrolíticas, portanto, com propriedades condutoras de íons. Em particular, pode se tratar de um eletrólito sólido cerâmico. Isso compreende também a matéria-prima de um eletrólito sólido e, por isso a execução como as denominadas parte verde ou parte marrom, que só se tornam eletrólito sólido depois de uma sinterização.

[00013] Como um elemento funcional, no contexto da presente invenção deve ser entendido um elemento, que é escolhido do grupo constituído de: eletrodo, via condutora, barreira de difusão, fenda de difusão, canal do gás de referência, elemento de aquecimento, célula de Nernst e célula de bombeamento. Em particular, entre aqueles elementos devem ser entendidos os que preenchem as funções em essência, químicas e/ ou físicas e/ ou elétricas e/ ou eletroquímicas de uma sonda lambda.

[00014] Como um coloide, no contexto da presente invenção deve ser entendida uma dispersão coloidal de precursores de materiais cerâmicos e, em particular, de óxidos de metal. No caso de precursores de óxidos de metal, no contexto da presente invenção se trata, em particular, de alcoolatos de metal e carboxilatos de metal. Precursores desse tipo são transformados em óxidos de metal por meio de tratamento térmico. As reações básicas escoando neste caso, são hidrólise e condensação. De alcoolatos de metal e água surgem grupos de hidróxido de metal com separação de moléculas de álcool. Reações análogas podem ser formuladas para carboxilatos de metal ou dicetonatos de metal, sendo que, esses grupos, contudo, apresentam uma estabilidade hidrolítica claramente mais alta. Os grupos de hidróxido de metal de molécula hidrolisadas do precursor condensam mediante separação de água entre si. Trímeros, tetrâmeros e outros oligômeros são formados a partir do dímero no tipo de uma reação de policondensação, até que seja formada finalmente uma partícula. De acordo com o solvente distinguem-se entre coloides alcoólicos e hidrossois, sendo que, no contexto da presente invenção podem ser empregados em particular, hidrossois. O crescimento progressivo de partículas e a agregação de partículas de coloides de partículas secundárias levam a um aumento da viscosidade. Assim que uma rede de partículas de coloides se formou fala-se de gelificação. O coloide que flui viscoso consequentemente é passado para um corpo sólido elástico viscoso. O gel é constituído da estrutura de gel e dos solventes incluídos nela, sendo que, contudo, todos os poros estão em ligação entre si. Um exemplo para um coloide, que pode ser empregado no contexto da presente invenção está descrito no documento DE 10 2006 011 224 B4 e aqui incorporado por referência.

[00015] Como uma aplicação parcial do revestimento, no contexto da presente invenção deve ser entendida uma aplicação do revestimento, na qual uma superfície externa ou superfície do eletrólito sólido, ou uma camada já aplicada sobre ela é coberta, pelo menos, parcialmente pela camada seguinte, sem que essa camada necessariamente seja coberta por completo. Por isso é possível aplicar o revestimento somente sobre determinadas seções do eletrólito sólido como, por exemplo, somente sobre determinadas superfícies laterais ou cantos laterais, ou somente em uma área determinada do eletrólito sólido que se encontra, por exemplo, em uma direção de extensão longitudinal do elemento sensor, visto além na câmara de gás de medição como outras áreas do eletrólito sólido.

[00016] Como uma porosidade, no contexto da presente invenção deve ser entendida a relação de volume de espaço oco para o volume total de uma substância ou mistura de substância como grandeza de medição sem dimensão. Essa grandeza de medição pode ser indicada em particular, em porcentagem. Neste caso, como uma porosidade aberta deve ser entendida a parte do volume de espaço oco daqueles espaços ocos no volume de espaço oco total, que estão em ligação entre si e com o ar ambiente. Como uma porosidade definida, neste caso, deve ser entendida uma porosidade de, pelo menos, 20%, de preferência, pelo menos, 30% e de modo ainda mais preferido, pelo menos, 40% como, por exemplo, 60%. Neste caso, por motivos técnicos uma porosidade acima de 80% não é abrangida, uma vez que essa porosidade pode abaixar a estabilidade da camada.

[00017] Como uma etapa de têmpera no contexto da presente invenção deve ser entendido o aquecimento do eletrólito sólido e do coloide ou do lodo de cerâmica a uma temperatura abaixo da temperatura de fusão dos materiais do eletrólito sólido e do coloide.

[00018] No contexto da presente invenção como um formador de poros deve ser entendido todo material, que está estabelecido para tornar poros e mais leve a camada cerâmica aplicada por meio de imersão ou de pulverização. Estes são pó de serra e pó de cortiça, amido, pó de carvão, esferas de polímero ou de fibras poliméricas em particular, fibras curtas. Em particular, entre eles devem ser entendidos materiais baseados em carbono, que durante a denominada sinterização são queimados e, neste caso, deixam espaços ocos.

[00019] Uma ideia básica da presente invenção é criar uma camada de proteção ao choque térmico de várias camadas ou múltipla que possa ser adaptada de modo ideal a determinadas exigências como, por exemplo, proteção ao choque térmico, condutividade térmica, capacidade térmica, permeabilidade à água, capacidade de umedecimento. Por meio da camada de proteção ao choque térmico são ajustadas as propriedades das camadas individuais, de tal modo que o comprometimento da função do elemento sensor é evitado ou reduzido de modo considerável. Sobretudo resultam vantagens no caso do tempo de Fast-Light-Off, e no caso de demanda de tensão de aquecimento. A espessura média de camada no caso de camadas de proteção ao choque térmico tradicionais precisa ser aumentada em virtude das altas oscilações da espessura de camada, para que a espessura de camada mínima necessária seja garantida. Por conseguinte, a capacidade térmica aumenta em elementos sensores tradicionais, de tal modo a ligação rápida do elemento sensor, isto é, o denominado Fast-Light-Off é piorado, por exemplo, em torno de aproximadamente 2,2 segundos ou 1,4 segundos em função do respectivo modelo de sensor.

[00020] Através da produção de uma camada de proteção ao choque térmico a partir de várias camadas individuais, que são adaptadas de modo otimizado às exigências especiais como, por exemplo, proteção ao choque térmico, condutividade térmica, capacidade térmica, permeabilidade à água, capacidade de umedecimento pode ser reduzida a influência da função e dinâmica da sonda lambda, por meio da camada de proteção ao choque térmico aplicada. Por exemplo, as camadas podem se diferenciar através de sua porosidade. Ao mesmo tempo, porém, por meio de variação da cerâmica selecionada como, por exemplo, no caso de uma camada interna dióxido de zircônio, e no caso de uma camada externa óxido de alumínio, além disso, a condutividade térmica e a capacidade térmica podem ser adaptadas parcialmente independente da porosidade. Deste modo, a espessura de camada e a massa térmica da camada de proteção ao choque térmico podem ser mantidas menores possíveis. Além disso, deste modo pode ser obtida uma alta porosidade da camada de proteção ao choque térmico interna, pela qual a massa térmica da camada de proteção ao choque térmico é desacoplada do elemento sensor. Devido ao desacoplamento térmico da camada de proteção ao choque térmico interna podem ser reduzidos a demanda de tensão de aquecimento e o tempo de Fast-Light-Off. Por meio do emprego de uma camada exterior delgada, porosa fina pode ser reduzida a permeabilidade de água, isto é, a camada torna-se hidrófoba sem que a entrada de gás de medição para os eletrodos de medição seja reduzida de forma não permitida. Em outras palavras, a camada exterior apresenta a função de uma membrana. Em particular, a área de captação de uma abertura de entrada de gás da cerâmica de base do elemento sensor é ampliada consideravelmente através da camada interna porosa grosseira da camada de proteção ao choque térmico e com isso a limitação da entrada de gás é reduzida de modo efetivo através da camada de proteção ao choque térmico exterior relativamente mais densa. Deste modo, no caso de uma dispersão de produção da permeabilidade da camada exterior resultam somente ainda dispersões menores da entrada de gás e, com isso, do aumento da curva característica do elemento sensor. Por meio do emprego de diversas cerâmicas as propriedades térmicas como, por exemplo, a condutividade térmica, a dilatação térmica e a capacidade térmica podem ser ajustadas parcialmente, independentes da porosidade. Além disso, as tensões termomecânicas entre o elemento sensor e a camada de proteção ao choque térmico são reduzidas, de tal modo que uma alteração da porosidade em consequência de microfissuras ou fissuras macroscópicas não levam à falha da camada de proteção ao choque térmico ou do elemento sensor. O comportamento de reação dinâmico do elemento sensor no caso de troca de gás rápida pode ser melhorado de tal modo que a capacidade de armazenamento de gás da camada de proteção ao choque térmico delgada, interna de alta porosidade é reduzida em consequência do volume de poros menor, aberto.

[00021] Uma outra ideia básica da invenção é otimizar a camada de proteção ao choque térmico por meio de camadas porosas inorgânicas para sensores de gases de exaustão cerâmicos. Neste caso, estrutura da camada de proteção ao choque térmico é adaptada de modo visado à dinâmica e a proteção ao choque térmico. É vantajosa em particular, uma execução da camada de proteção ao choque térmico, na qual a camada interna apresenta uma alta porosidade. Isto devia ser obtido através de distribuição uniforme de grandes poros. A camada exterior da camada de proteção ao choque térmico é constituída de uma camada com porosidade menor, distribuída finamente. A alta porosidade da camada de proteção ao choque térmico interna, portanto, representa um isolamento térmico muito bom entre o eletrólito sólido e a camada de proteção ao choque térmico residual, uma vez que devido à alta proporção de poros que contêm muito ar, a condutividade térmica é pequena em relação ao eletrólito sólido. Deste modo o eletrólito sólido pode ser aquecido rapidamente, isto é, é obtido um tempo mais curto de Fast-Light-Off, uma vez que a massa da camada de proteção ao choque térmico é desacoplada termicamente do eletrólito sólido. O desacoplamento das massas térmicas da camada de proteção ao choque térmico do eletrólito sólido causa, além disso, uma demanda de tensão de aquecimento mais baixa, uma vez que o resfriamento da camada de proteção ao choque térmico não é transmitido diretamente para a superfície do eletrólito sólido. Por meio do ajuste de uma porosidade fina da camada exterior é obtida uma superfície lisa com rugosidade menor. Isso impede a penetração da água na camada de proteção, o que iria aumentar o tempo de Fast-Light-Off. Por meio da permeabilidade à água reduzida através da produção de uma superfície lisa, além disso, existe uma melhor resistência ao choque térmico. A fim de poder deixar escapar a água penetrada na camada de proteção ao choque térmico durante o aquecimento rápido do eletrólito sólido, a camada exterior, que atua como membrana, por um lado precisa ser estável mecanicamente, a fim de poder resistir à pressão que se eleva rapidamente do vapor de água, e por outro lado precisa ser suficientemente porosa para deixar passar o vapor de água de dentro para fora.

[00022] Por exemplo, a camada de proteção ao choque térmico de multicamadas é realizada por uma combinação de revestimento de plasma e de imersão. Além disso, toda combinação entre revestimento de plasma, de imersão e de pulverização pode ser realizada para a fabricação de uma camada de proteção ao choque térmico de multicamadas. A proteção ao choque térmico de multicamadas pode ser realizada tanto por meio de diversas composições de material com emprego do mesmo método de aplicação ou por meio do emprego de diversos métodos de aplicação. Por exemplo, a camada de proteção ao choque térmico é realizada em uma combinação de uma injeção de plasma atmosférica e de uma suspensão de gel e coloide. A suspensão de gel e coloide forma uma camada lisa e porosa fina sobre a superfície injetada com plasma. Deste modo é evitada a penetração de água na camada injetada com plasma. Por meio da camada injetada com plasma anídrica, durante o aquecimento do elemento sensor não é necessária uma potência de aquecimento para a evaporação de água, pelo qual o tempo de Fast-Light-Off pode ser reduzido.

[00023] Uma possibilidade alternativa para a realização de uma proteção ao choque térmico com gradiente consiste na aplicação de uma camada injetada de suspensão de alta porosidade, cuja superfície é fundida em uma segunda etapa por meio de um tratamento térmico no chapa de um maçarico de plasma. Isto leva a uma redução da permeabilidade na superfície da camada de proteção ao choque térmico.

[00024] Uma proteção ao choque térmico de multicamadas pode ser comprovada por meio de análise óptica e amostras de esmerilhamento de uma sonda lambda.

Breve Descrição do Desenho

[00025] Outras particularidades e características opcionais da invenção resultam da descrição a seguir de exemplos de execução preferidos, os quais estão representados esquematicamente nas figuras. São mostradas:

[00026] Na figura 1, uma vista da seção longitudinal de um elemento sensor de acordo com a invenção, Na figura 2, uma vista da seção transversal de um elemento sensor de acordo com a invenção na área de um furo de entrada de gás, Na figura 3, uma vista da seção transversal ampliada de um elemento sensor de acordo com a invenção na área de um furo de entrada de gás, Na figura 4, uma vista de cima de um elemento sensor de acordo com a invenção na área de um furo de entrada de gás e Na figura 5, uma representação ampliada de um recorte de um elemento sensor de acordo com a invenção na área de um canto lateral com a camada de proteção ao choque térmico.

Formas de Execução da Invenção

[00027] O elemento sensor 10 representado na figura 1 pode ser empregado para a comprovação de propriedades físicas e/ ou químicas de um gás de medição, sendo que, podem ser detectadas uma ou várias propriedades. A invenção será descrita a seguir, em particular, com referência a uma detecção qualitativa e/ ou quantitativa de um componente de gás do gás, em particular, com referência a uma detecção de uma parte de oxigênio no gás de medição. A parte de oxigênio pode ser detectada, por exemplo, em forma de uma pressão parcial e/ ou em forma de uma porcentagem. Em princípio, todavia, também podem ser detectados outros tipos de componentes de gás, por exemplo, óxidos de nitrogênio, hidrocarbonetos e/ ou hidrogênio. De modo alternativo ou adicional, contudo, também podem ser detectadas outras propriedades do gás de medição como, por exemplo, a temperatura. A invenção pode ser empregada em particular, na área da tecnologia de veículos automotores, de tal modo que no caso da câmara de gás de medição pode se tratar em particular, de um coletor de gases de exaustão de uma máquina de combustão interna, e no caso do gás de medição pode se tratar, em particular, de gases de exaustão.

[00028] O elemento sensor 10, como componente exemplar de uma sonda lambda planar apresenta um eletrólito sólido 12. O eletrólito sólido 12 pode ser composto de várias camadas de eletrólito sólido ou pode compreender várias camadas de eletrólito sólido. No caso do eletrólito sólido 12 pode se tratar em particular, de um eletrólito sólido 12 cerâmico como, por exemplo, dióxido de zircônio (ZrO2), em particular, dióxido de zircônio ítrio estabilizado (YSZ) e dióxido de zircônio dotado com escândio (ScSZ), o qual pode conter adições pequenas de óxido de alumínio (AI2O3) e/ ou óxido de silício (SÍO2). O eletrólito sólido 12 apresenta, pelo menos, um elemento funcional. Na forma de execução mostrada o eletrólito sólido 12 apresenta, por exemplo, um primeiro eletrodo 14, um segundo eletrodo 16 e um elemento de aquecimento 18. O primeiro eletrodo 14 está disposto sobre uma superfície 20 do eletrólito sólido 12. O segundo eletrodo 16 está disposto no interior do eletrólito sólido 12.

[00029] Além disso, o elemento sensor 10 apresenta um trajeto de entrada de gás 22. O trajeto de entrada de gás 22 compreende um furo de entrada de gás 24. Tanto 0 primeiro eletrodo 14 como também 0 segundo eletrodo 16 circundam o furo de entrada de gás 24, por exemplo, de forma anelar. Por exemplo, o segundo eletrodo 16 está disposto em um espaço oco do eletrodo não mostrado em detalhes, que está em ligação com o furo de entrada de gás 24 através de um canal. No canal está disposto, por exemplo, uma barreira de difusão, a qual reduz ou até mesmo impede um fluxo posterior de gás para fora da câmara do gás de medição para o espaço oco do eletrodo, e simplesmente possibilita uma difusão. Através da barreira de difusão o segundo eletrodo 16 com isso pode ser admitido com gás proveniente da câmara de gás de medição. O primeiro eletrodo 14 e o segundo eletrodo 16 são ligados entre si através do eletrólito sólido 12, e formam uma célula de bombeamento 26. Através da barreira de difusão pode ser ajustado um fluxo de limitação da célula de bombeamento 26.

[00030] No prolongamento da direção de extensão do furo de entrada de gás 24 o elemento de aquecimento 18 está disposto no eletrólito sólido 12. O elemento de aquecimento 18 está equipado para o aquecimento da célula de bombeamento 26, em particular, a uma temperatura, na qual a célula de bombeamento 26 é condutora para íons, em particular, para íons de oxigênio como, por exemplo, 750° C até 900° C. O elemento de aquecimento 18 compreende uma área de aquecimento 28 e condutores de conexão 30. Por exemplo, o elemento de aquecimento 18 é executado como elemento elétrico de aquecimento por resistência e pode ser ligado com uma fonte de tensão elétrica por meio de condutores de conexão 30.

[00031] Além disso, o eletrólito sólido 12 pode compreender um canal de referência não mostrado em detalhes. O canal de referência pode ser executado como canal de referência macroscópico, no qual o ar existe com uma propriedade conhecida como, por exemplo, uma pressão parcial de oxigênio. De modo alternativo, o canal de referência pode ser executado como canal de referência não macroscópico, mas como referência bombeada, isto é, como referência artificial. No espaço oco do eletrodo está disposto, por exemplo, um terceiro eletrodo. O segundo eletrodo 16 por exemplo, está oposto ao terceiro eletrodo. Um quarto eletrodo pode ser disposto no canal de referência ou no caso de uma referência bombeada pode ser disposto sobre uma camada de isolamento no interior do eletrólito sólido 12.0 terceiro eletrodo, o quarto eletrodo e a parte do eletrólito sólido 12 formam entre eles uma célula eletroquímica como, por exemplo, uma célula de Nernst. Por meio da célula de bombeamento 26 pode ser ajustado, por exemplo, um fluxo de bombeamento através da célula de bombeamento 26 de tal modo que no espaço oco do eletrodo domina a condição À = 1 ou uma outra composição conhecida. Essa composição, por sua vez, é detectada pela célula de Nernst, pela qual uma tensão de Nernst é medida entre o terceiro eletrodo e o quarto eletrodo. Com auxílio da tensão de Nernst medida pode ser concluído sobre a composição no espaço oco do eletrodo e o fluxo de bombeamento eventualmente pode ser alterado, a fim de ajustar a condição À = 1. Com auxílio do fluxo de bombeamento, então pode ser concluído sobre a composição dos gases de exaustão.

[00032] A célula de Nernst opcional no eletrólito sólido 12 está prevista, de preferência, a fim de medir o respectivo teor de oxigênio residual em um gás de escape de combustão, a fim de poder regular disso a relação de ar de combustão do combustível para a outra combustão, de tal modo não surja nem um excesso de combustível nem um excesso de ar. Uma vez que com o motor frio a temperatura se situa ainda muito abaixo de 300° C, a sonda lambda e, com isso, a regulagem com partida a frio não trabalha ou trabalha muito lentamente. Por isso o eletrólito sólido 12 do elemento sensor 10 está equipado de preferência, com o elemento de aquecimento 18 elétrico, de tal modo que a sonda já pode ser levada pouco depois da partida a frio para a temperatura necessária. Deste modo é possível, já na fase de aquecimento do motor, garantir uma operação otimizada quanto a emissões. Uma vez que a operação de uma sonda lambda é suficientemente conhecida, por exemplo, do estado da técnica mencionado acima, é dispensada uma descrição detalhada da forma de funcionamento.

[00033] Além disso, o elemento sensor 10 compreende uma camada de proteção ao choque térmico 32. A camada de proteção ao choque térmico 32 pode ser fabricada, pelo menos, parcialmente de um material cerâmico. Por exemplo, a camada de proteção ao choque térmico 32 contém óxido de alumínio poroso. Por exemplo, a camada de proteção ao choque térmico 32 apresenta uma porosidade de 50%. O eletrólito sólido 12 se estende ao longo de uma direção de extensão longitudinal para a câmara do gás de medição, que referente à representação da figura 1 passa da esquerda para a direita. Consequentemente o elemento sensor 10 compreende uma extremidade 34 no lado de conexão, que se encontra à esquerda, referente à representação da figura 1, e uma extremidade 36 no lado da câmara do gás de medição, que se encontra à direita, referente à representação da figura 1. Como mostrado na figura 1, a célula de bombeamento 26 se encontra na proximidade da extremidade 36 no lado da câmara do gás de medição. Além disso, o eletrólito sólido 12 compreende superfícies laterais 38, das quais uma é a superfície 20, e também superfícies frontais, e cantos laterais 40, que ligam entre si as superfícies laterais 38, ou formam uma passagem entre as superfícies laterais 38. Os cantos laterais 40 podem ser executados arredondados, angulosos ou chanfrados. A camada de proteção ao choque térmico 32 é aplicada somente em um terço referente a uma dimensão na direção de extensão longitudinal na proximidade da extremidade 36 no lado da câmara do gás de medição, e ali cobre todas as superfícies laterais. Por conseguinte, referente à representação da figura 1, a camada de proteção ao choque térmico 32 apresenta uma seção transversal em forma de U. em particular, a camada de proteção ao choque térmico 32 cobre o primeiro eletrodo 14, sendo que, entre o primeiro eletrodo 14 e a camada de proteção ao choque térmico 32 pode ser prevista uma camada de proteção ao eletrodo cerâmica porosa. É salientado que o furo de entrada de gás 24 não está fechado pela camada de proteção ao choque térmico 32, mas tem livre acesso à câmara do gás de medição. De modo alternativo, a camada de proteção ao choque térmico 32 também pode cobrir completamente todas as superfícies laterais 38 ou somente o primeiro eletrodo 14 e o furo de entrada de gás 24. O ponto exato, no qual a camada de proteção ao choque térmico 32 está disposta pode ser escolhido em função do respectivo emprego ou do local de emprego do elemento sensor 10. Em virtude do método de fabricação de acordo com a invenção, que ainda será descrito detalhadamente a seguir, a camada de proteção ao choque térmico 32 pode ser executada mais delgada que nos elementos sensores tradicionais do estado da técnica. Além disso, no caso de espessuras constantes em relação aos elementos sensores tradicionais, pode ser obtida uma proteção ao choque térmico melhorada e uma prontidão de emprego mais rápida, assim, por exemplo, uma primeira camada de alta porosidade de 200 pm pode ser aplicada sobre o elemento sensor, seguida de uma camada de baixa porosidade de 50 pm. No caso de elementos sensores tradicionais do estado da técnica, a camada de proteção ao choque térmico apresenta uma espessura usual de aproximadamente 300 pm. A camada de proteção ao choque térmico 32 de acordo com a invenção em contrapartida pode apresentar uma espessura de menos que 300 pm como, por exemplo, uma espessura de 150 pm até 300 pm e de preferência uma espessura de 200 pm até 280 pm como, por exemplo, 250 pm. Neste caso, as espessuras mencionadas acima indicam a espessura total da camada de proteção ao choque térmico, as relações de espessura entre as camadas individuais podem variar em quaisquer relações.

[00034] A figura 2 mostra uma representação da seção transversal do elemento sensor 10 perpendicular à direção de extensão longitudinal do elemento sensor 10. Como pode ser deduzido da representação da figura 2, a camada de proteção ao choque térmico 32 é formada por uma primeira camada 42 de um material cerâmico, e por uma segunda camada 44 de um material cerâmico. A primeira camada 42 está disposta sobre o eletrólito sólido 12. No plano de corte da figura 2 a primeira camada 42 envolve o eletrólito sólido 12 em toda a volta e com isso cobre as superfícies laterais 38 vistas no plano de corte da figura 2, e os cantos laterais 40 completamente. A segunda camada 44 está disposta sobre a primeira camada 42. No plano de corte da figura 2 a segunda camada 44 envolve a primeira camada 42 em toda a volta. Com isso, a primeira camada 42 está disposta entre o eletrólito sólido 12 e a segunda camada 44. A primeira camada 42 apresenta uma primeira porosidade. Por exemplo, a primeira camada 42 apresenta uma primeira porosidade de 40% até 80% como, por exemplo, 50%. A segunda camada 44 apresenta uma segunda porosidade. Por exemplo, a segunda camada 44 apresenta uma segunda porosidade de 10% até 20%, como por exemplo, 15%. A primeira camada 42 se diferencia da segunda camada 44 com respeito a pelo menos, uma propriedade de material. A propriedade de material é escolhida do grupo constituído de: porosidade, condutividade térmica, coeficiente de dilatação térmica, capacidade térmica e capacidade de umedecimento. De acordo com as execuções acima a primeira porosidade é mais alta do que a segunda porosidade. É salientado explicitamente que a primeira camada 42 e a segunda camada 44 podem ser fabricadas de tal modo que é formada uma passagem sem graduação da porosidade entre essas camadas e com isso é formado um gradiente de porosidade. A primeira camada 42 pode ser mais espessa do que a segunda camada 44. Por exemplo, a primeira camada 42 apresenta uma espessura de 170 pm, e a segunda camada 44, uma espessura de 80 pm.

[00035] A primeira camada 42 e a segunda camada 44 podem ser fabricadas de materiais idênticos, que são tratados de modo diferente durante a fabricação, como ainda será descrito em mais detalhes a seguir. De modo alternativo, a primeira camada 42 e a segunda camada 44 são fabricadas de materiais diferentes. Além disso, as camadas podem ser fabricadas de materiais diferentes, que são tratados de modo igual durante a fabricação, pelo que por exemplo, é empregado o mesmo método de aplicação ou processo de aplicação. Por exemplo, a primeira camada 42 é fabricada, pelo menos, parcialmente de dióxido de zircônio, e a segunda camada 44 é fabricada, pelo menos, parcialmente de óxido de alumínio. Desse modo, a primeira camada 42 apresenta uma capacidade térmica mais baixa do que a segunda camada 44. Através do emprego de diversas cerâmicas para a primeira camada 42 e a segunda camada 44 as propriedades térmicas como, por exemplo, condutividade térmica, dilatação térmica, capacidade térmica são ajustadas parcialmente independentes da porosidade.

[00036] A figura 3 é uma vista da seção transversal ampliada do elemento sensor 10 na área do furo de entrada de gás 24. Através de uma linha 46 está indicada uma área de entrada para o gás de medição para o furo de entrada de gás 24. Pelo fato de que a primeira porosidade da primeira camada 42 é mais alta do que a segunda porosidade da segunda camada 44, a área de entrada dentro da primeira camada 42 está bastante ampliada, e com sua superfície, porém, dentro da segunda camada 44 em virtude da segunda porosidade mais baixa aumenta só um pouco.

[00037] A figura 4 é uma vista de cima do elemento sensor 10 na área do furo de entrada de gás 24. Pode ser bem reconhecida a superfície bastante ampliada da área de entrada 46. A alta porosidade da primeira camada 42 representa, por conseguinte, um isolamento térmico muito bom entre o eletrólito sólido 12 e a segunda camada 44, uma vez que a condutividade térmica devido à alta parte de poros, que contêm muito ar, é pequena em relação ao eletrólito sólido 12. Deste modo o eletrólito sólido 12 pode ser aquecido mais rápido, isto é, é obtido um tempo de Fast-Light-Off mais curto, uma vez que a massa da camada de proteção ao choque térmico 32 é desacoplada termicamente do eletrólito sólido 12. O desacoplamento das massas térmicas da camada de proteção ao choque térmico 32 do eletrólito sólido 12 produz, além disso, uma demanda de tensão de aquecimento mais baixa, uma vez que o resfriamento da camada de proteção ao choque térmico 32 não é transmitido diretamente para a superfície do eletrólito sólido 12. Por meio do ajuste de uma porosidade fina ou baixa da segunda camada 44 é obtida uma superfície lisa com aspereza menor. Isto impede a penetração de água na segunda camada 44, o que iria aumentar o tempo de Fast-Light-Off. Devido à permeabilidade à água reduzida através da produção de uma superfície lisa existe, além disso, uma melhor resistência ao choque térmico. A fim de poder deixar escoar a água penetrada na camada de proteção ao choque térmico 32 durante o aquecimento rápido do eletrólito sólido 12, a segunda camada 44, que atua como membrana através do método de fabricação descrito a seguir, por um lado, é mecanicamente estável, a fim de poder resistir à pressão do vapor de água subindo rapidamente, e por outro lado, suficientemente porosa, a fim de deixar passar o vapor de água de dentro para fora. Em particular, a área de captação ou a área de entrada 46 do furo de entrada de gás 24 do elemento sensor 10 através da camada porosa grosseira interna ou primeira camada 42 da camada de proteção ao choque térmico 32 é ampliada consideravelmente e, com isso, a restrição à entrada de gás é reduzida de maneira efetiva através da camada exterior ou segunda camada 44 relativamente mais espessa. Deste modo, no caso de uma dispersão de produção da permeabilidade da primeira camada 42 resultam somente dispersões menores da entrada de gás e, com isso, da subida da curva característica do elemento sensor 10.

[00038] O elemento sensor 10 de acordo com a invenção pode ser fabricado como a seguir. Primeiramente um eletrólito sólido 12 é preparado com os elementos funcionais 14, 16 e 18 mencionados acima. Por exemplo, o eletrólito sólido 12 é fabricado a partir de várias camadas de eletrólito sólido, as, quais são impressas de forma bastante conhecida, isto é, com o primeiro eletrodo 14, o segundo eletrodo 16 e com o elemento de aquecimento 18. Técnicas conhecidas são, por exemplo, a denominada tecnologia de película ou tecnologia de multicamadas. Em seguida o eletrólito sólido 12 é sinterizado juntamente com o primeiro eletrodo 14, o segundo eletrodo 16 e com o elemento de aquecimento 18. A sinterização pode ocorrer, por exemplo, em uma temperatura entre 1350° C até 1550° C, em particular, a 1385° C, sendo que, a temperatura para, por exemplo, 5,5 horas é mantida constante. Uma execução de um elemento sensor 10 planar é suficientemente conhecida do estado da técnica mencionado acima, de tal modo que não será entrado em pormenores.

[00039] Além disso, é aplicada uma primeira camada de proteção ao choque térmico 42 através de injeções de plasma, sendo que, podem ser empregados diversos óxidos de metal, por exemplo, óxido de alumínio e dióxido de zircônio. Em seguida, é aplicada uma segunda camada de proteção ao choque térmico 44 sobre a primeira camada 42, por exemplo, através de imersão ou de pulverização, que apresenta uma porosidade menor. Com isto é impedida a penetração de água na primeira camada 42 injetada por plasma. Através da primeira camada 42 injetada por plasma, isenta de água, durante o aquecimento do elemento sensor 10 não é necessária uma potência de aquecimento para a evaporação da água, pelo que pode ser reduzido o tempo de Fast-Light-Off.

[00040] Para a segunda camada 44 pode ser preparado, por exemplo, um coloide de, pelo menos, um precursor de um material cerâmico. O precursor pode ser escolhido do grupo constituído de um precursor de óxido de alumínio, de dióxido de zircônio e de óxido de titânio. Além disso, no coloide são dispersas partículas cerâmicas de um ou de vários dos óxidos de metal mencionados acima como material de enchimento com um diâmetro de 0,03 pm até 3,0 pm e, de preferência, de 0,05 pm a 2,0 pm, por exemplo, 0,5 pm a 1,0 pm. Além disso, o coloide pode apresentar, pelo menos, um formador de poros, como, por exemplo, pó de carvão. As duas camadas de proteção ao choque térmico 42 e 44 são aplicadas, pelo menos, parcialmente, sobre o eletrólito sólido 12 sinterizado.

[00041] Após a aplicação do coloide segue uma etapa de tratamento térmico do eletrólito sólido 12. A etapa de tratamento térmico é realizada a uma temperatura de 40 °C até 120 °C e, de preferência, de 50 °C a 100 °C, por exemplo, 75 °C. A etapa de tratamento térmico pode ser realizada, por exemplo, para uma duração de 5 minutos até 30 minutos, por exemplo, a 50 °C por 12 minutos. Com isto ocorre um umedecimento dos componentes orgânicos no coloide 1. Em seguida, é realizada, pelo menos, uma etapa de têmpera do eletrólito sólido 12 depois da aplicação do coloide. A etapa de têmpera pode ser realizada em uma temperatura de 1000 °C até 1300 °C e, de preferência, de 1100 °C até 1200 °C, por exemplo, a 1150 °C. Por exemplo, a etapa de têmpera é realizada por menos de 10 minutos. A etapa de têmpera pode ser realizada através de um dispositivo externo ou através do elemento de aquecimento 18. Por exemplo, é aplicada uma tensão elétrica no elemento de aquecimento 18, pela qual esse elemento se aquece. Devido à etapa de têmpera a estrutura orgânica no coloide é oxidada, e se formam pontes sólidas entre as partículas dos precursores do material cerâmico, as quais surgem tanto através da oxidação das etapas prévias organometálicas, como também através da sinterização das partículas de cerâmica. A realização da etapa de têmpera por meio do elemento de aquecimento 18 pode ser vantajosa, uma vez que, com isso é garantida uma saída de gás melhor dos produtos de oxidação dos componentes orgânicos. Através da etapa de têmpera o formador de poros queima, de tal modo que, na primeira camada 42 cerâmica formada a partir do coloide é formada a primeira porosidade, por exemplo, uma porosidade de 50%. Com isto é garantido que os processos de fases de gás, como, por exemplo, difusão, se alteram somente pouca coisa em comparação com os elementos sensores tradicionais. A porosidade pode ser ajustada através da escolha apropriada e do tipo do coloide, da partícula de enchimento de cerâmica, bem como, do formador de poros. É salientado explicitamente que com isto também podem ser obtidas porosidades mais altas de, por exemplo, 55%, 60% ou 70%.

[00042] Caso tenha que ser evitada uma penetração dos materiais de revestimento no furo de entrada de gás 24 e garantida uma resistência ao choque térmico do furo de entrada de gás 24, então existe a possibilidade de, antes da aplicação das camadas de proteção ao choque térmico sobre o furo de entrada de gás 24, aplicar uma camada cerâmica porosa por meio de serigrafia ou de impressão de estêncil e, em seguida, sinterizar o eletrólito sólido 12. Em seguida, são aplicadas as camadas de proteção ao choque térmico, sendo que, é obtido um fechamento do furo de entrada de gás 24 coberto de modo poroso.

[00043] De modo alternativo, no processo de imersão ou de pulverização descrito acima também pode ser empregada uma solução de coloide e gel, a fim de produzir, com este processo de aplicação, várias camadas com porosidade diferente. A porosidade é ajustada através da escolha apropriada e tipo do coloide, da partícula de enchimento de cerâmica, bem como, do formador de poros. Por exemplo, para a primeira camada 42 é empregada uma proporção do formador de poros maior em comparação ao coloide para a segunda camada 44.

[00044] A segunda camada 44 do coloide é aplicada sobre a primeira camada 42, sendo que, após a etapa de têmpera, a primeira camada 42 apresenta uma porosidade maior do que a segunda camada 44. Por exemplo, a segunda camada 44 é aplicada, de tal modo que após a conclusão ela apresenta a espessura mencionada acima, por exemplo, uma espessura de 50 pm. Deste modo, por exemplo, a camada de proteção ao choque térmico 32 pode ser formada de várias camadas, a qual apresenta um gradiente da porosidade. Também podem ser aplicadas mais que duas camadas. Por exemplo, são aplicadas repetidamente camadas com tratamento térmico em seguida. Quando todas as camadas desejadas foram aplicadas, então estas são temperadas em conjunto. De modo alternativo, a etapa de têmpera pode ser realizada após cada tratamento térmico de uma camada.

[00045] É possível que o coloide para a primeira camada 42 e/ ou para a segunda camada 44 seja aplicado, de tal modo que essas camadas sejam mais espessas nos cantos laterais 40 do que nas superfícies laterais 38. Uma espessura de camada mais alta nos cantos laterais 40 pode ser obtida através do desgaste da suspensão não seca das superfícies laterais 38, e uma aplicação visada sobre o canto lateral 40. Por exemplo, isto pode ser obtido por meio do ajuste visado das propriedades reológicas da suspensão ou por meio da aplicação múltipla do coloide. De modo alternativo ou adicional, uma espessura de camada mais alta nos cantos laterais 40 pode ser obtida através do melhor umedeci mento da mesma através da alteração do esmerilhamento dos cantos do eletrólito sólido 12, por exemplo, nos cantos laterais 40 é realizado um esmerilhamento de chanfro ou de um esmerilhamento de facetas.

[00046] Além disso, podem ser empregados vários métodos de aplicação como pulverização, imersão, injeção térmica, em particular, injeção de plasma, processo de impressão como serigrafia, impressão de estêncil e processo de nivelamento, a fim de produzir as camadas de proteção ao choque térmico individuais. Além disso, podem ser produzidas camadas de materiais diferentes, que são tratados de modo igual durante a produção, pelo fato de que, por exemplo, é empregado o mesmo método de aplicação. Além disso, as camadas podem ser aplicadas sobre o elemento sensor sinterizado ou não sinterizado.

[00047] A figura 5 mostra uma representação ampliada de um recorte do elemento sensor 10 na área de um canto lateral 40 com a camada de proteção ao choque térmico 32, que é formada de uma primeira camada 42 injetada por plasma e de uma segunda camada 44 formada a partir do coloide descrito acima. Pode ser reconhecido que a primeira camada 42 é mais espessa do que a segunda camada 44. Por exemplo, a primeira camada 42 apresenta uma espessura de 170 pm e a segunda camada 44 apresenta uma espessura de 80 pm.

[00048] Uma outra possibilidade alternativa para a realização de uma camada de proteção ao choque térmico 32 com gradiente consiste na aplicação de uma primeira camada 42 de alta porosidade, injetada por suspensão, que apresenta uma espessura de, por exemplo, 250 pm e, com isto, é mais espessa do que a primeira camada 42 de acordo com o método de fabricação descrito acima. A superfície da primeira camada 42, isto é, aquele lado que está afastado do eletrólito sólido 12, em uma segunda etapa é fundida, através de um tratamento térmico, na chama de um maçarico de plasma. Neste caso, a distância do maçarico de plasma, cujo plasma pode apresentar uma temperatura de 10000 °C a 20000 °C, é ajustado, de tal modo que a temperatura sobre a superfície da primeira camada 42 seja de aproximadamente 2000 °C. Isto leva a uma redução da permeabilidade na superfície da camada de proteção ao choque térmico 32, e a segunda camada 44 é formada a partir da primeira camada 42.

Claims

1. Método para a fabricação de um elemento sensor (10) para a detecção de pelo menos uma propriedade de um gás de medição em uma câmara de gás de medição, compreendendo - preparação de pelo menos um eletrólito sólido (12) que inclui pelo menos um elemento funcional (14, 16, 18), - aplicação, pelo menos em seções, de pelo menos uma primeira camada cerâmica (42) ao eletrólito sólido (12), a primeira camada (42) apresentando uma primeira porosidade após a aplicação, e - após aplicação da primeira camada cerâmica (42) ao eletrólito sólido (12), aplicação, pelo menos em seções, de uma segunda camada cerâmica (44), a segunda camada (44) tendo uma segunda porosidade após a aplicação, caracterizado pelo fato de que a primeira camada cerâmica (42) se diferencia da segunda camada cerâmica (44) com relação a pelo menos uma propriedade de material, sendo que pelo menos uma dentre a primeira camada cerâmica (42) e segunda camada cerâmica (44) é feita de um coloide, o coloide sendo uma dispersão coloidal composta de precursores de óxidos de metal, sendo que a segunda camada cerâmica (44) é situada na primeira camada cerâmica (42), a segunda camada cerâmica (44) em conjunto com a primeira camada cerâmica (42) formando uma camada de proteção ao choque térmico, sendo que a camada de proteção ao choque térmico é aplicada somente em um terço do eletrólito sólido (12) com relação a uma direção longitudinal do eletrólito sólido (12), e sendo aplicada em uma extremidade lateral de gás de medição do eletrólito sólido (12) e cobrindo todas as superfícies laterais do eletrólito sólido (12) na extremidade lateral de gás de medição, e sendo que a segunda camada cerâmica (44) é menos porosa e menos espessa que a primeira camada cerâmica (42).

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento sensor (10) é para a detecção de uma dentre uma proporção de um componente de gás no gás de medição e uma temperatura do gás de medição.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a propriedade de material corresponde a um dentre porosidade, condutividade térmica, coeficiente de dilatação térmica, capacidade térmica, capacidade de umedecimento e proteção ao choque térmico.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira camada cerâmica (42) e a segunda camada cerâmica (44) são feitas de materiais cerâmicos diferentes.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira camada cerâmica (42) apresenta uma capacidade térmica mais baixa do que a segunda camada cerâmica (44).

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma dentre a primeira camada cerâmica (42) e a segunda camada cerâmica (44) é aplicada por meio um dentre pulverização de plasma, pulverização, imersão, um método de impressão e um método de revestimento de lâmina dosadora.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma dentre a primeira camada cerâmica (42) e a segunda camada cerâmica (44) é aplicada ao elemento sensor (10) após a sinterização.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma dentre a primeira camada cerâmica (42) e a segunda camada cerâmica (42) é aplicada ao elemento sensor (10) antes da sinterização.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda realizar pelo menos uma etapa de tratamento térmico do eletrólito sólido (12) depois de o coloide ter sido aplicado para converter o coloide em óxidos de metal.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda têmpera do eletrólito sólido (12) depois da aplicação do coloide.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o eletrólito sólido (12) inclui um elemento de aquecimento (18) para o aquecimento do eletrólito sólido (12), e sendo que o elemento de aquecimento (18) executa a etapa de têmpera, e sendo que o coloide é convertido em óxidos de metal com base no aquecimento.

12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira camada cerâmica (42) é aplicada com auxílio de pulverização de plasma atmosférico.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda camada cerâmica (44) é aplicada por tratamento térmico de uma superfície da primeira camada cerâmica (42) afastada do eletrólito sólido (12).

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o tratamento térmico inclui fusão.

15. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os precursores de óxidos de metal incluem pelo menos um dentre alcoolatos de metal e carboxilatos de metal.