DE102004047783A1 - Gasmessfühler und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung zwischen einer Kontaktfläche eines Sensorelements und einem Kontaktteil - Google Patents
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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, die2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kontaktierung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und die3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Kontaktierung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- Ein elektrochemischer Gasmessfühler
10 gemäß den1 bis3 ist in ein Abgasrohr11 eingesetzt und hat einen messgasseitigen metallischen Gehäuseteil12 und einen anschlussseitigen metallischen Gehäuseteil13 , die zusammen ein Gehäuse14 bilden. Im Gehäuse14 ist ein planares Sensorelement16 mit einem messgasseitigen Abschnitt17 und einem anschlussseitigen Abschnitt18 angeordnet. Der messgasseitige Gehäuseteil12 ist ein beispielsweise beidseitig offenes Rohrelement, in dem zwei Keramikformteile33 und ein Dichtelement34 aus beispielsweise Steatitpulver das Sensorelement16 gasdicht halten. Das Sensorelement16 ist messgasseitig von einem doppelwandigen Schutzrohr26 mit Gasöffnungen27 für den Gaseintritt und/oder den Gasaustritt umgeben. - Der anschlussseitige Gehäuseteil
13 ist ebenfalls rohrförmig ausgeführt und besitzt einen Dichtflansch19 . Am messgasnahen Ende ist das anschlussseitige Gehäuseteil13 mit dem messgasseitigen Gehäuseteil12 mittels einer umlaufenden Schweißnaht gasdicht verschweißt. Am gegenüberliegenden messgasfernen Ende ist am anschlussseitigen Gehäuseteil13 ein sich verjüngenden Abschnitt36 mit einer Öffnung37 ausgeführt. In die Öffnung37 ist beispielsweise ein metallisches Mantelrohr38 eingeschweißt. Im Mantelrohr38 sind Anschlusskabel41 geführt. Die Anschlusskabel41 sind mit Kontaktteilen50 verbunden. - Im Abgasrohr
11 ist eine Öffnung15 vorgesehen, in die ein zylindrisches Anschlussstück21 gasdicht eingeschweißt ist. Das Anschlussstück21 weist eine Ringfläche22 auf, auf die der Dichtflansch19 aufliegt. Auf das Anschlussstück21 ist eine Überwurfmutter23 geschraubt, die auf den Dichtflansch19 einwirkt und diesen auf die Ringfläche22 des Anschlussstücks21 drückt. - In
2 ist als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung die Kontaktierung des Sensorelements16 vergrößert dargestellt. Auf gegenüberliegende Außenflächen16a des Sensorelements16 (im Bereich des anschlussseitigen Abschnitts18 ) sind Kontaktflächen60 aufgebracht. Die Kontaktflächen60 sind über entlang der Längsachse des Sensorelements16 verlaufende Leiterbahnen (nicht dargestellt) mit Elementen im messgasseitigen Abschnitt17 des Sensorelements16 verbunden, gegebenenfalls mittels einer Durchkontaktierung55 . Diese in den Figuren nicht dargestellten Elemente sind zum Beispiel in das Sensorelement16 integrierte oder auf eine Außenfläche des Sensorelements16 aufgebrachte Elektroden oder ebenfalls in das Sensorelement16 integrierten Widerstandsheizer. Die Kontaktflächen60 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 Kontaktflächen60 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 Schicht70 beschichtet, die überwiegend aus Gold besteht. Alternativ kann die Schicht70 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 Schicht70 durchsetzt bereichsweise die Poren der porösen Kontaktflächen60 und bildet gleichzeitig eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Kontaktteil50 aus. - Das Kontaktteile
50 , das überwiegend aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel in2 ein flaches Metallband, das ein bogenförmiges Zwischenstück51 aufweist. Anschlussseitig sind die Kontaktteile50 mit dem Anschlusskabel41 elektrisch verbunden, beispielsweise durch Schweißen. Das bogenförmige Zwischenstück51 dient zum Ausgleich von thermischen und/oder mechanischen Ausdehnungen und Bewegungen. - Zur Herstellung der Kontaktierung gemäß
2 werden zunächst die Kontaktflächen60 in Form eines pastösen Cermets durch Siebdruck auf die anschlussseitigen Außenflächen16a des Sensorelements16 aufgebracht und dann gesintert. Durch den Sinterprozess bilden sich dann die porösen Kontaktflächen60 aus, auf die die Schicht70 galvanisch aufgebracht wird. Alternativ kann die Schicht70 auch durch Bedampfen oder Sputtern auf die Kontaktfläche60 aufgebracht werden, oder die Kontaktfläche60 wird mit einer Folie belegt. Danach wird das Kontaktteil50 auf die beschichtete Kontaktfläche60 aufgelegt und durch Spaltschweißen verbunden. Durch das Spaltschweißen dringt zum einen das Material der Schicht70 in die Poren der Kontaktfläche60 ein, und zum anderen bildet sich zwischen der Schicht70 und dem Kontaktteil50 eine stoffschlüssige Verbindung aus. Die stoffschlüssige Verbindung kann alternativ auch durch Laserschweißen hergestellt werden. - Die auf die Kontaktfläche
60 aufgebrachte Schicht70 weist vor dem Spaltschweißen eine Schichtdicke von 10 μm auf. Nach dem Spaltschweißen beträgt die Eindringtiefe der Schicht70 in die Poren der Kontaktfläche60 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 gemäß2 im wesentlichen dadurch, dass das Kontaktteil50 ein Draht ist. Dargestellt sind in seitlicher Aufsicht eine beschichtete70 Kontaktfläche60 ohne Kontaktteil50 (links) und eine beschichtete70 Kontaktfläche60 (rechts), die mit dem Kontaktteil50 verbunden ist. Die Kontaktfläche60 ist jeweils mit einer Durchkontaktierung55 mit einer innerhalb des Sensorelements16 entlang seiner Längsachse verlaufenden Leiterbahn (nicht dargestellt) elektrisch verbunden.
Claims (16)
- 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.
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