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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen
Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration mindestens
einer Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases, nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
bekannter Gassensor oder Messfühler (
WO 95/18965 ) weist ein in einem Fühlergehäuse aufgenommenes,
im Querschnitt rechteckiges Sensorelement mit einem dem Messgas
ausgesetzten, messgasseitigen Endabschnitt und einem anschlussseitigen
Endabschnitt auf. Auf dem anschlussseitigen Endabschnitt in breiteren
Kontaktflächen endende Kontaktbahnen führen zu
im messgasseitigen Endabschnitt angeordneten, messgassensitiven
Sensorelektroden. Die Kontaktflächen sind auf den voneinander
abgekehrten Großflächen des Sensorelements frei
zugänglich und dienen zum Anschluss eines zu einem Steuer-
und Auswertegerät führenden Anschlusskabels. Der
Anschluss einer jeden Kontaktfläche an einen elektrischen
Leiter des Anschlusskabels ist mittels einer U-förmigen
Federklemme vorgenommen, wobei der eine Federarm der Federklemme
auf der Kontaktfläche aufliegt und mit dieser verschweißt
ist und der andere Federarm der Federklemme sich auf der Rückseite
des Sensorelements abstützt. An der Federklemme ist einstückig eine
langgestreckte Anschlussfahne angeformt, auf deren Ende der elektrische
Leiter des Anschlusskabels aufgeschweißt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch einfaches Erwärmen
der Schicht, das induktiv oder im Ofenprozess herbeigeführt
werden kann, das aufschmelzende Schichtmaterial der auf der Kontaktfläche
angeordneten Schicht eine elektrisch und mechanisch sehr gute Verbindung
der Kontaktfläche zu dem Leiter herstellt. Dadurch kann
auf das bekannte Aufschweißen des Leiterendes oder einer
mit dem Leiter fest verbundenen Kontaktzunge auf die Kontaktfläche
verzichtet und die durch das Schweißen bedingten recht
hohen Anlagekosten bei der Fertigung sowie eine Beschädigung
des Sensorelements durch das Schweißen nachhaltig vermieden
werden.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Gassensors möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schicht
aus elektrisch leitfähigem, aufschmelzbarem Material auf
der Kontaktfläche angeordnet, z. B. mittels Siebdruck auf
die Kontaktfläche des Sensorelements aufgedruckt, und in einem
anschließenden Sinterprozess mit der Kontaktfläche
versintert. Das Ende des elektrischen Leiters ist mit einer Federklemme
fest verbunden, die mindestens einen mit mindestens einem Abschnitt auf
der Schicht aufliegenden Federarm aufweist. Durch den Aufschmelzprozess
ist die Schicht mit dem Armabschnitt intensiv vernetzt und stellt
eine mechanische und thermisch stabile Verbindung dar.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Ende
des elektrischen Leiters mit einer Federklemme fest verbunden, die
mindestens einen mit mindestens einem Armabschnitt auf der Kontaktfläche
aufliegenden Federarm aufweist. Die mittels eines Dispensers auf
den Federarm, mindestens auf dessen auf der Kontaktfläche
aufliegenden Armabschnitt, aufgetragene Schicht aus elektrisch leitfähigem,
aufschmelzbarem Material ist durch die im Aufschmelzprozess auftretenden
Kapillarkräfte sehr gut mit der Kontaktfläche
vernetzt. Durch die veränderte Reihenfolge in der Auftragung der
Schicht kann ein Temperaturprozess, z. B. das sog. post firing des
Sensorelements zum Aufsintern der Schicht auf die Kontaktfläche,
eingespart werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens
der mit der Schicht in Berührung stehende Bereich des Federarms
der Federklemme mit Durchbrüchen in Form von Löchern, Schlitzen
und dgl. versehen. Beim Aufschmelzen des Schichtmaterials dringt
dieses in die Durchbrüche ein und stellt eine sehr gute
Vernetzung zwischen dem Schichtmaterial und dem Federarm der Federklemme
her.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Schichtmaterial
ein Glaslot verwendet, das zur Sicherstellung einer ausreichenden
elektrischen Leitfähigkeit mit elektrisch leitfähigen
Partikeln, vorzugsweise Platinpartikeln, versetzt ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Federklemme
zwei über einen Quersteg miteinander verbundene Federarme auf,
so dass sich eine Spangen- oder U-Form der Federklemme ergibt. Der
elektrische Leiter ist endseitig U-förmig ausgebogen und
liegt mit jeweils einem U-Schenkel zumindest teilweise auf je einem
Federarm und mit einem die U-Schenkel verbindenden Verbindungssteg
auf dem Quersteg der Federklemme auf. Der Verbindungssteg ist auf
dem Quersteg befestigt, z. B. durch Hartlöten oder Crimpen.
Durch entsprechende Ausbiegung des Leiterendes wird eine Federwirkung
zwischen den U-Schenkeln erzeugt, so dass die Schenkelenden beim
Befestigungsprozess durch eigene Federwirkung in Position gehalten
werden. Im Falle des Crimpen werden an den Federklemmen entsprechende
Crimpfahnen vorgesehen, die entweder direkt zum Ancrimpen des Leiterendes
genutzt werden oder an die das Leiterende mit Hilfe zusätzlicher
Crimpverbinder angebracht wird. Werden zusätzliche Crimpverbinder
verwendet, so können mehrere Federklemmen für
die Kontaktierung von mehreren Kontaktflächen auch in Form
eines Stanzgitters ausgeführt und dieses auf dem Sensorelement
festgeklemmt werden. Dies führt zu einer erhöhten
mechanischen Stabilität beim anschließenden Vernetzungsvorgang
durch Aufschmelzen des Schichtmaterials. Nach der Vernetzung werden
dann die einzelnen Federklemmen voneinander getrennt und die zwischen
den Federklemmen vorhandenen Stege des Stanzgitters zum Crimpen
herangezogen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die U-förmige
Federklemme eine über ihren Quersteg sich erstreckende,
mittige Längsrinne auf, in die der Verbindungssteg zwischen den
beiden U-Schenkel des U-förmig ausgebogenen Leiterendes
formschlüssig hineinragt. Durch diese Längsrinne
ist die Positionierung des zu befestigenden Leiterendes während
des Löt-, Schweiß- oder Crimpvorgangs sehr präzise
und exakt reproduzierbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt eines Gassensors mit Sensorelement und mit
dem Sensorelement verbundenem Anschlusskabel,
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2 eine
vergrößerte Seitenansicht des Anschlussbereichs
von Sensorelement und Anschlusskabel,
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3 einen
Schnitt längs der Linie III-III in 2.
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Der
in 1 im Längsschnitt dargestellte Gassensor
zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases
dient beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine. Mit einer anderen konzeptionellen
Ausbildung des Sensorelements kann der Gassensor auch zur Bestimmung
der Konzentration von Stickoxiden im Abgas oder zur Messung der Temperatur
des Abgases verwendet werden.
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Der
Gassensor weist ein stabförmiges Sensorelement 11 mit
rechteckigem Querschnitt auf, das in einem Gehäuse 10 aufgenommen
ist und mit einem dem Messgas aussetzbaren, messgasseitigen Endabschnitt 111 aus
dem Gehäuse 10 vorsteht, wobei der messgasseitige
Endabschnitt 111 von einem an das Gehäuse 10 angesetzten
Doppelschutzrohr 12 mit Gasdurchtrittslöchern 13 abgedeckt
ist. Das Sensorelement 11 ist im Gehäuse 10 elektrisch
isoliert und gasdicht gehalten und hierzu von zwei Keramikformstücken 14, 15 mit
dazwischenliegender Dichtung 16, z. B. aus Bornitrid, umschlossen.
Das eine Keramikformstück 14 stützt sich
an einer Schulter im Gehäuse 10 ab, während
das andere Keramikformstück 15 mittels einer auf
dem Gehäuse 10 festgelegten Spannhülse 17 axial
auf die Dichtung 16 aufgepresst wird, so dass diese sich
gasdicht an das Sensorelement 11 und an die Innenwand des
Gehäuses 10 anpresst. Das Sensorelement 11 ragt
aus dem Keramikformstück 15 mit einem anschlussseitigen
Endabschnitt 112 heraus und trägt auf voneinander
abgekehrten Großflächen des anschlussseitigen Endabschnitts 112 mehrere
Kontaktflächen 18, von denen Leiterbahnen 19 (2 und 3)
in den messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 führen.
Wie in 2 und 3 zu sehen ist, sind Leiterbahnen 19,
die auf einer Großfläche des Sensorelements 11 verlaufen,
von einer Isolierschicht 20 abgedeckt. Die Spannhülse 17 und
der daraus vorstehende, anschlussseitige Endabschnitt 112 sind
von einer Schutzhülse 21 umschlossen, die am Gehäuse 10 befestigt
ist. Die Schutzhülse 21 ist endseitig mit einem
elastischen, stopfenartigen Formteil 22 aus einem temperaturbeständigen
Material, z. B. PTFE, abgeschlossen, wobei das Formteil 22 zentral
das Ende eines Anschlusskabels 24 aufnimmt. Das Formteil 22 mit
einliegendem Ende des Anschlusskabels 24 und aufgesetztem
O-Ring 23 ist in das Ende der Schutzhülse 21 eingesetzt,
und der Endabschnitt der Schutzhülse 21 ist auf
dem Formteil 22 verpresst, wodurch eine zuverlässige
Abdichtung sowohl zwischen dem Anschlusskabel 24 und dem Formteil 22 als
auch zwischen der Schutzhülse 21 und dem Formteil 22 hergestellt
ist. Das Anschlusskabel 24 weist eine der Anzahl der Kontaktflächen 18 am
Sensorelement 11 entsprechende Zahl von elektrischen Leitern 25 auf,
deren abisolierte Enden aus dem Kabelende herausgeführt
und mit den Kontaktflächen 18 mechanisch und elektrisch
verbunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind
auf dem anschlussseitigen Endabschnitt 112 des Sensorelements 11 insgesamt
vier Kontaktflächen 18 vorhanden, so dass aus
dem Anschlusskabel 24 die Leiterenden von insgesamt vier
elektrischen Leitern 25 herausgeführt sind (2).
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Jede
Verbindung einer Kontaktfläche 18 mit einem Leiter 25 des
Anschlusskabels 24 ist mittels einer spangen- oder U-förmigen
Federklemme 26 vorgenommen, die zwei durch einen Quersteg 263 miteinander
verbundene Federarme 261, 262 aufweist. Die Federklemme 26 ist
so auf das Sensorelement 11 aufgesteckt, dass der eine
Federarm 261 über die Kontaktfläche 18 hinweggreift
und der andere Federarm 262 sich auf der von der die Kontaktfläche 18 tragenden
Großfläche des Sensorelements 11 abgekehrten
Großfläche abstützt. Um eine gute elektrische
und mechanische Verbindung zwischen der Kontaktfläche 18 und
der Federklemme 26 herzustellen, ist auf die Kontaktfläche 18 eine
Schicht aus elektrisch leitfähigem Material aufgebracht,
das durch Zufuhr von Wärme aufgeschmolzen werden kann.
Vorzugsweise wird hierfür ein Glaslot verwendet, das zur Sicherstellung
einer guten Leitfähigkeiten mit Platinpartikel versetzt
ist. Das Glaslot wird auf das fertig gesinterte Sensorelement 11 aufgedruckt und
dann in einem sog. Postfiring-Prozess mit der Kontaktfläche 18 versintert.
Auf der von der die Kontaktfläche 18 tragenden
Großfläche abgekehrten Großfläche
des Sensorelements 11 ist der Kontaktfläche 18 gegenüberliegend
eine elektrische Isolationsschicht 28 angeordnet, auf der
der Federarm 262 kraftschlüssig aufliegt. Die
Isolationsschicht 28 kann aus aufgesintertem Aluminiumoxid
(Al2O3) bestehen oder
als Glaslot, aber ohne Platinzusatz, ausgeführt werden,
das wiederum durch Wärme aufschmelzbar ist. Im ersten Fall
weist nur der Federarm 261 und im zweiten Fall beide Federarme 261 und 262 in
ihrem die Schicht 27 bzw. die Isolationsschicht 28 überdeckenden
Bereich eine Mehrzahl von Durchbrüchen 29 auf,
die im Ausführungsbeispiel als Löcher ausgeführt
sind. Anstelle von Löchern können die Durchbrüche
auch Schlitze sein oder andere Durchbrechungsformen aufweisen.
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Zur
Herstellung der Verbindung zwischen Kontaktfläche 18 und
Federklemme 26 wird die Federklemme 26 auf das
Sensorelement 11 so aufgesetzt, dass der eine Federarm 261 auf
der Schicht 27 aus mit Platinpartikeln dotiertem Glaslot
und der andere Federarm 262 auf der Isolationsschicht 28 aus Glaslot
aufliegt. Durch die Klemmkraft der Federklemme 26 hält
die Federklemme 26 sich selbsttätig auf dem Sensorelement 11.
Dabei wird darauf geachtet, dass der Quersteg 263 einen
geringen Abstand zu der zwischen den beiden Großflächen
liegenden Kleinflächen des Sensorelements 11 einhält,
um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden. Ggf. kann zur Einhaltung
eines solchen Abstandes ein organisches Abstandselement am Quersteg 263 angeordnet
werden, das bei dem thermischen Prozess zum Aufschmelzen des Glaslots
wegbrennt. Dann wird das Sensorelement 11 mit den pro Kontaktfläche 18 aufgesetzten
Federklemmen 26 einem Ofenprozess ausgesetzt, in welchem
das Glaslot in beiden Schichten aufschmilzt und in die Durchbrüche 29 in den
Federarmen 261, 262 eindringt und so eine sehr gute
Vernetzung zwischen dem Glaslot und der Federklemme 26 herstellt.
Anstelle der Erwärmung der Federklemmen 26 in
einem Ofenprozess können die Federklemmen 26 auch
induktiv erwärmt werden.
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Auf
der nach der anschließenden Erstarrungsphase des Glaslots
fest auf dem Sensorelement 11 sitzenden Federklemme 26 wird
der elektrische Leiter 25 befestigt, wozu das Ende des
Leiters 25 U-förmig abgebogen wird, so dass zwei
durch einen Verbindungssteg 253 miteinander verbundene U-Schenkel 251, 252 entstehen
(3). Das so geformte Ende des Leiters 25 wird
auf die Federklemme 26 so aufgesetzt, dass der Verbindungssteg 253 auf dem
Quersteg 263 aufliegt und die U-Schenkel 251, 252 die
Federarme 261, 262 teilweise übergreifen. Für
eine gute Positionierung des U-förmigen Endes des Leiters 25 kann
der Quersteg 263 der Federklemme 26 mit einer
Längsrinne 30 versehen sein, in welche der Verbindungssteg 253 teilweise
formschlüssig hineinragt. Der so auf der Federklemme 26 positionierte
Leiter 25 wird mit seinem Verbindungssteg 253 auf
dem Quersteg 263 der Federklemme 26 befestigt,
z. B. durch Hartlöten oder Laserschweißen, aber
auch durch Crimpen. Um beim Hartlöten oder Laserschweißen
eine selbsttätige Halterung des Leiters 25 auf
der Federklemme 26 sicherzustellen ist die U-förmige
Ausbiegung des Endes des Leiters 25 so vorgenommen, dass
sich die U-Schenkel 251, 252 unter eigener Federwirkung
auf die Federarme 261, 262 aufdrücken.
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Besteht
das Anschlusskabel 24 aus einem thermisch beständigen
Material, ist also beispielsweise als Metallmantelleitung ausgeführt,
so können die Leiterenden bereits vor dem Befestigen der
Federklemmen 26 auf dem Sensorelement 11 an den
Federklemmen 26 z. B. durch einem Schweiß- oder Crimpprozess
befestigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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