DE102004047783A1

DE102004047783A1 - Gasmessfühler und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen einer Kontaktfläche eines Sensorelements und einem Kontaktteil

Info

Publication number: DE102004047783A1
Application number: DE200410047783
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg RENZ; Jürgen Ruth; Gregor Jähnig; Nisreen Rabahi; Andreas Opp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-04-06
Also published as: WO2006037681A1

Abstract

Es wird ein Gasmessfühler (10) vorgeschlagen, der vorzugsweise dem Nachweis mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dem Nachweis der Konzentration einer Komponente des Messgases oder der Temperatur des Messgases, dient. In dem Gasmessfühler (10) ist ein Sensorelement (16) mit mindestens einer Kontaktfläche (60) festgelegt. Ein Kontaktteil (50) ist mittels einer Schicht (70) mit der Kontaktfläche (60) stoffschlüssig verbunden. Die Kontaktfläche (60) ist porös ausgebildet, und die Schicht (70) ist zumindest bereichsweise in den Poren der porösen Kontaktfläche (60) angeordnet. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen einer Kontaktfläche (60) eines Sensorelements (16) und einem Kontaktteil (50) vorgeschlagen, bei dem die Kontaktfläche (60) auf das Sensorelement (16) aufgebracht wird, bei dem die Kontaktfläche (60) mit einer Schicht (70) beschichtet wird und bei dem die beschichtete Kontaktfläche (60) mit einem Kontaktteil (50) stoffschlüssig verbunden wird, wobei vor dem Verbinden oder während des Verbindens von Kontaktfläche (60) und Kontaktteil (50) die Schicht (70) zumindest bereichsweise in die Poren der porösen Kontaktfläche (60) eindringt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen einer Kontaktfläche eines Sensorelements und einem Kontaktteil nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 9.

Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus der DE 196 38 208 A1 bekannt. Das Sensorelement umfasst eine Kontaktfläche, die auf einer Außenseite des Sensorelements im Bereich seines anschlussseitigen Endes aufgebracht ist. Die Kontaktfläche wird mit einem Kontaktteil mittels einer Schicht, insbesondere einer Goldschicht, stoffschlüssig verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Kontaktteil und Kontaktfläche wird durch Diffusionsschweißen hergestellt. Hierzu wird zunächst das Kontaktteil mit der Goldschicht beschichtet, und anschließend das beschichtete Kontaktteil auf die Kontaktfläche aufgelegt und durch Schweißen verbunden.

Hierbei ist nachteilig, dass sich das Kontaktteil bei starker Belastung von der Kontaktfläche lösen kann.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gasmessfühler gemäß dem Kennzeichen des unabhängigen Anspruchs 1 und das beanspruchte Verfahren gemäß dem Kennzeichen des unabhängigen Anspruchs 9 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine zuverlässige Verbindung zwischen Kontaktteil und Kontaktfläche realisiert wird, die starken Belastungen, beispielsweise Zugbelastungen oder Schüttelbelastungen, aber auch Belastungen durch korrodierende Schadstoffe, standhält.

Hierzu wird die Kontaktfläche auf eine Außenseite des Sensorelements aufgebracht und die auf das Sensorelement aufgebrachte Kontaktfläche mit einer metallischen Schicht beschichtet. Danach wird das Kontaktteil auf die beschichtete Kontaktfläche aufgelegt und eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung zwischen Kontaktteil und Kontaktfläche, beispielsweise durch Schweißen, geschaffen. Durch den Schweißprozess bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kontaktteil und der Schicht aus, indem im Übergangsbereich die jeweiligen Materialien von Kontaktteil und Schicht aufschmelzen und eine Legierung bilden. Gleichzeitig dringt das Material der Schicht in die Poren der porösen Kontaktfläche ein, so dass sich zwischen Kontaktfläche und Schicht eine zuverlässige Verbindung ausbildet.

Es hat sich herausgestellt, dass die Schicht dann ausreichend tief in die Poren der porösen Kontaktfläche eindringen kann, wenn die Kontaktfläche vor dem Schweißen flächig mit der metallischen Schicht bedeckt ist. Wird hingegen das Kontaktteil beschichtet, so bildet sich eine sehr gute Verbindung zwischen Kontaktteil und Schicht aus, während die Schicht sich jedoch nur oberflächlich mit der Kontaktfläche verbindet und nicht in die Poren der Kontaktfläche eindringt. Diese oberflächliche Verbindung hält stärkeren Belastungen nicht stand.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem Anspruch 1 genannten Gasmessfühler und des beanspruchten Verfahrens möglich.

Vorzugsweise weist die Kontaktfläche ein Cermet mit einer keramischen und einer metallischen Komponente auf, wobei die metallische Komponente Platin und die keramische Komponente Zirkonoxid und/oder Aluminiumoxid umfasst. Eine derartige Kontaktfläche aus Cermet weist eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und gute Anbindung an das keramische Sensorelement beziehungsweise an eine auf dem Sensorelement angeordnete Isolationsschicht, beispielsweise aus Aluminiumoxid, auf. Zudem kann das Cermet auf einfache, dem Fachmann bekannte Weise so ausgestaltet werden, dass sich nach dem Sintern eine poröse Kontaktfläche ausbildet. Zur Einbringung der Poren in die Kontaktfläche wird beispielsweise ein Porenbildner wie Glaskohlenstoff, Glaskohle, Kohlenfaser oder Flammruß verwendet.

Als geeignete Materialien für die Schicht haben sich Gold, Silber, Kupfer oder Palladium oder eine Legierung aus zwei oder mehr der genannten Elemente erwiesen. Besonders bevorzugt besteht die Schicht überwiegend aus Gold.

Eine ausgezeichnete Anbindung der metallischen Schicht sowohl an das Kontaktteil als auch an die Kontaktfläche kann erreicht werden, wenn die Schichtdicke der Schicht (vor dem Verbinden von Kontaktteil und Kontaktfläche) im Bereich von 1 μm bis 10 μm liegt. Ebenfalls vorteilhaft beträgt die Eindringtiefe der Schicht in die Kontaktfläche (nach dem Verbinden von Kontaktteil und Kontaktfläche) mindestens 10 Prozent, insbesondere mindestens 20 Prozent der oben genannten Schichtdicke der Schicht, beziehungsweise mindestens 4 μm, insbesondere mindestens 10 μm.

Bevorzugt ist das Kontaktteil als Draht oder als flaches Metallband ausgestaltet, und weist (vorzugsweise überwiegend) Nickel und/oder Inconel 600 auf.

Die Schicht wird vorzugsweise auf die Kontaktfläche durch galvanisches Abscheiden, durch Bedampfen, durch Sputtern oder durch Belegen, beispielsweise mit einer Folie, aufgebracht.

Besonders bevorzugt wird das Kontaktteil mit der Kontaktfläche durch Spaltschweißen oder Laserschweißen verbunden. Beim Spaltschweißen wird die Verbindungsstelle zwischen Kontaktteil und Kontaktfläche (mit der zwischen Kontaktteil und Kontaktfläche liegenden Schicht) mit einem Strom beaufschlagt, der zu einem Verschweißen führt. Da hierbei der stromführende Pfad durch die Schicht bestimmt wird, die in flächigem Kontakt mit der Kontaktfläche steht, dringt das Material der Schicht besonders schnell in die Poren der Kontaktfläche ein, während sich die Verbindung mit dem Kontaktteil verlangsamt ausbildet. Wäre dagegen das Kontaktteil beschichtet, so würde sich die Schicht sehr schnell mit dem Kontaktteil verbinden und könnte dann nicht mehr in die Poren der Kontaktfläche eindringen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen die 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasmessfühler, die 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kontaktierung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und die 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Kontaktierung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein elektrochemischer Gasmessfühler 10 gemäß den 1 bis 3 ist in ein Abgasrohr 11 eingesetzt und hat einen messgasseitigen metallischen Gehäuseteil 12 und einen anschlussseitigen metallischen Gehäuseteil 13, die zusammen ein Gehäuse 14 bilden. Im Gehäuse 14 ist ein planares Sensorelement 16 mit einem messgasseitigen Abschnitt 17 und einem anschlussseitigen Abschnitt 18 angeordnet. Der messgasseitige Gehäuseteil 12 ist ein beispielsweise beidseitig offenes Rohrelement, in dem zwei Keramikformteile 33 und ein Dichtelement 34 aus beispielsweise Steatitpulver das Sensorelement 16 gasdicht halten. Das Sensorelement 16 ist messgasseitig von einem doppelwandigen Schutzrohr 26 mit Gasöffnungen 27 für den Gaseintritt und/oder den Gasaustritt umgeben.
Der anschlussseitige Gehäuseteil 13 ist ebenfalls rohrförmig ausgeführt und besitzt einen Dichtflansch 19. Am messgasnahen Ende ist das anschlussseitige Gehäuseteil 13 mit dem messgasseitigen Gehäuseteil 12 mittels einer umlaufenden Schweißnaht gasdicht verschweißt. Am gegenüberliegenden messgasfernen Ende ist am anschlussseitigen Gehäuseteil 13 ein sich verjüngenden Abschnitt 36 mit einer Öffnung 37 ausgeführt. In die Öffnung 37 ist beispielsweise ein metallisches Mantelrohr 38 eingeschweißt. Im Mantelrohr 38 sind Anschlusskabel 41 geführt. Die Anschlusskabel 41 sind mit Kontaktteilen 50 verbunden.
Im Abgasrohr 11 ist eine Öffnung 15 vorgesehen, in die ein zylindrisches Anschlussstück 21 gasdicht eingeschweißt ist. Das Anschlussstück 21 weist eine Ringfläche 22 auf, auf die der Dichtflansch 19 aufliegt. Auf das Anschlussstück 21 ist eine Überwurfmutter 23 geschraubt, die auf den Dichtflansch 19 einwirkt und diesen auf die Ringfläche 22 des Anschlussstücks 21 drückt.
In 2 ist als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung die Kontaktierung des Sensorelements 16 vergrößert dargestellt. Auf gegenüberliegende Außenflächen 16a des Sensorelements 16 (im Bereich des anschlussseitigen Abschnitts 18) sind Kontaktflächen 60 aufgebracht. Die Kontaktflächen 60 sind über entlang der Längsachse des Sensorelements 16 verlaufende Leiterbahnen (nicht dargestellt) mit Elementen im messgasseitigen Abschnitt 17 des Sensorelements 16 verbunden, gegebenenfalls mittels einer Durchkontaktierung 55. Diese in den Figuren nicht dargestellten Elemente sind zum Beispiel in das Sensorelement 16 integrierte oder auf eine Außenfläche des Sensorelements 16 aufgebrachte Elektroden oder ebenfalls in das Sensorelement 16 integrierten Widerstandsheizer. Die Kontaktflächen 60 bestehen beispielsweise aus einem gesinterten Cermet mit einem Platinanteil von über 93 Masseprozent, beispielsweise 95 Masseprozent, und einem Anteil an Aluminiumoxid von unter 7 Masseprozent, beispielsweise 5 Masseprozent. Anstelle von Aluminiumoxid kann auch Zirkonoxid verwendet werden. Die Kontaktflächen 60 sind porös und weisen einen Porenanteil von über 20 Volumenprozent, beispielsweise von 35 Volumenprozent auf. Zur Erzeugung der Porosität wird ein Porenbildner wie Glaskohlenstoff, Glaskohle, Kohlenfaser oder Flammruß verwendet.
Die Kontaktflächen 60 sind mit einer Schicht 70 beschichtet, die überwiegend aus Gold besteht. Alternativ kann die Schicht 70 auch aus Silber, Kupfer oder Palladium oder eine Legierung aus zwei oder mehr der genannten Elemente bestehen, wobei die genannte Legierung zusätzlich auch Gold enthalten kann. Die Schicht 70 durchsetzt bereichsweise die Poren der porösen Kontaktflächen 60 und bildet gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Kontaktteil 50 aus.
Das Kontaktteile 50, das überwiegend aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 ein flaches Metallband, das ein bogenförmiges Zwischenstück 51 aufweist. Anschlussseitig sind die Kontaktteile 50 mit dem Anschlusskabel 41 elektrisch verbunden, beispielsweise durch Schweißen. Das bogenförmige Zwischenstück 51 dient zum Ausgleich von thermischen und/oder mechanischen Ausdehnungen und Bewegungen.
Zur Herstellung der Kontaktierung gemäß 2 werden zunächst die Kontaktflächen 60 in Form eines pastösen Cermets durch Siebdruck auf die anschlussseitigen Außenflächen 16a des Sensorelements 16 aufgebracht und dann gesintert. Durch den Sinterprozess bilden sich dann die porösen Kontaktflächen 60 aus, auf die die Schicht 70 galvanisch aufgebracht wird. Alternativ kann die Schicht 70 auch durch Bedampfen oder Sputtern auf die Kontaktfläche 60 aufgebracht werden, oder die Kontaktfläche 60 wird mit einer Folie belegt. Danach wird das Kontaktteil 50 auf die beschichtete Kontaktfläche 60 aufgelegt und durch Spaltschweißen verbunden. Durch das Spaltschweißen dringt zum einen das Material der Schicht 70 in die Poren der Kontaktfläche 60 ein, und zum anderen bildet sich zwischen der Schicht 70 und dem Kontaktteil 50 eine stoffschlüssige Verbindung aus. Die stoffschlüssige Verbindung kann alternativ auch durch Laserschweißen hergestellt werden.
Die auf die Kontaktfläche 60 aufgebrachte Schicht 70 weist vor dem Spaltschweißen eine Schichtdicke von 10 μm auf. Nach dem Spaltschweißen beträgt die Eindringtiefe der Schicht 70 in die Poren der Kontaktfläche 60 mindestens 4 μm, beispielsweise 10 μm.
Die Dicke der Kontaktfläche 60 liegt im Bereich von 10 bis 100 μm, beispielsweise bei 40 μm.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 im wesentlichen dadurch, dass das Kontaktteil 50 ein Draht ist. Dargestellt sind in seitlicher Aufsicht eine beschichtete 70 Kontaktfläche 60 ohne Kontaktteil 50 (links) und eine beschichtete 70 Kontaktfläche 60 (rechts), die mit dem Kontaktteil 50 verbunden ist. Die Kontaktfläche 60 ist jeweils mit einer Durchkontaktierung 55 mit einer innerhalb des Sensorelements 16 entlang seiner Längsachse verlaufenden Leiterbahn (nicht dargestellt) elektrisch verbunden.

Claims

Gasmessfühler (10), vorzugsweise zum Nachweis mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zum Nachweis der Konzentration einer Komponente des Messgases oder der Temperatur des Messgases, in dem ein Sensorelement (16) mit mindestens einer Kontaktfläche (60) festgelegt ist, wobei ein Kontaktteil (50) mittels einer metallischen Schicht (70) mit der Kontaktfläche (60) stoffschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (60) porös ausgebildet ist, und dass die Schicht (70) zumindest bereichsweise in den Poren der porösen Kontaktfläche (60) angeordnet ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (60) auf einer Außenfläche (16a) des Sensorelements (16) aufgebracht ist, und dass die Kontaktfläche (60) ein Cermet aufweist.
Gasmessfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Cermet der Kontaktfläche (60) eine metallische Komponente und eine keramische Komponente enthält, wobei die metallische Komponente Platin aufweist, und wobei die keramische Komponente Zirkonoxid und/oder Aluminiumoxid aufweist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (70) überwiegend aus Gold besteht.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (70) Gold, Silber, Kupfer oder Palladium oder eine Legierung aus zwei oder mehr der genannten Elemente aufweist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Kontaktfläche (60) im Bereich von 10 bis 100 μm, insbesondere im Bereich von 30 μm bis 50 μm, liegt.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe der Schicht (70) in die poröse Kontaktfläche (60) mindestens 4 μm, insbesondere mindestens 10 μm beträgt.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktteil (50) Nickel enthält oder überwiegend aus Nickel besteht, und/oder dass das Kontaktteil (50) ein Draht oder ein flaches Metallband ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen einer Kontaktfläche (60) eines Sensorelements (16) und einem Kontaktteil (50) mittels einer metallischen Schicht (70), wobei die Kontaktfläche (60) auf das Sensorelement (16) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Sensorelement (16) aufgebrachte Kontaktfläche (60) mit einer Schicht (70) beschichtet wird, und dass die beschichtete Kontaktfläche (60) mit einem Kontaktteil (50) stoffschlüssig verbunden wird, wobei vor dem Verbinden oder während des Verbindens von Kontaktfläche (60) und Kontaktteil (50) die Schicht (70) zumindest bereichsweise in die Poren der porösen Kontaktfläche (60) eindringt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (60) in Siebdrucktechnik auf eine Außenfläche (16a) des Sensorelements (16) aufgebracht und anschließend gesintert wird, wobei sich während des Sinterprozesses die poröse Struktur der Kontaktfläche (60) herausbildet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (70) auf die Kontaktfläche (60) aufgebracht wird durch galvanisches Abscheiden, durch Bedampfen, durch Sputtern oder durch Belegen, beispielsweise mit einer Folie.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (70) mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 bis 10 μm auf die Kontaktfläche (60) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (60) mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 bis 100 μm, insbesondere im Bereich von 30 μm bis 50 μm, auf das Sensorelement (16) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktteil (50) mit der Kontaktfläche (60) durch einen Schweißprozess, insbesondere durch Spaltschweißen oder durch Laserschweißen, verbunden wird, und dass während des Schweißprozesses die Schicht (70) zumindest bereichsweise in die Poren der porösen Kontaktfläche (60) eindringt und gleichzeitig die Schicht (70) zumindest bereichsweise mit dem Kontaktteil (50) eine stoffschlüssige Verbindung eingeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verbindens von Kontaktfläche (60) und Kontaktteil (50) die Schicht (70) in die Poren der porösen Kontaktfläche (60) mit einer Eindringtiefe von mindestens 10 Prozent, insbesondere mindestens 20 Prozent, der Schichtdicke, die die Schicht (70) vor dem Verbinden aufweist, eindringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verbindens von Kontaktfläche (60) und Kontaktteil (50) die Schicht (70) in die Poren der porösen Kontaktfläche (60) mit einer Eindringtiefe von mindestens 4 μm, insbesondere mindestens 10 μm, der Schichtdicke, die die Schicht (70) vor dem Verbinden aufweist, eindringt.