-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem Sensorelement für einen Gassensor
zum Bestimmen mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines
Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder
der Temperatur des Messgases, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
Bei
einem bekannten Sensorelement dieser Art (
DE 102 10 974 B4 ) ist die
mindestens eine Kontaktfläche in der Schichtebene zwischen
den beiden Keramikschichten aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid
auf der unteren Keramikschicht angeordnet und die obere Keramikschicht
im Bereich der mindestens einen Kontaktfläche vollständig
entfernt, so dass im Keramikkörper eine endseitig frei
auslaufende Aussparung zum Einlegen des elektrischen Leiters vorhanden
ist. Die Aussparung wird durch Ausstanzen, Bohren, oder Fräsen
in den im Grünzustand sich befindlichen Keramikkörper,
also vor dessen Sintern, eingebracht. In einer bevorzugten Ausführung
des Sensorelements sind zwei nebeneinander angeordnete, identische
Aussparungen mit darin angeordneter Kontaktfläche vorhanden,
wobei jede Aussparung sich zum Ende des stabförmigen Sensorelements
hin stetig erweitert und zwischen den beiden Aussparungen ein Steg
mit zum freien Ende des Sensorelements abnehmender Stegbreite vorhanden
ist, der ein gegenseitiges Berühren der in die Aussparungen eingesetzten
Leiter verhindert.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Sensorelement mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 hat den Vorteil, mit der fertigungstechnisch einfach
zu realisierenden Vertiefung in der oberen Keramikschicht eine Führung
zum Einschieben und exakten Positionieren des elektrischen Leiters
bei dessen Kontaktierungsprozess mit der Kontaktfläche
zu erhalten, wobei der Kontaktierungsprozess z. B. durch Stoffschluss,
insbesondere durch Schweißen, herbeigeführt wird, aber
auch durch Aufschieben eines Federkontakthalters vorgenommen werden
kann. Fertigungstechnisch besonders günstig hat sich insbesondere
das Einprägen der Vertiefung in die noch nicht gesinterte, im
sog. Grünzustand befindliche Keramikschicht erwiesen, da
die Keramikschicht im Gründzustand durch Einsetzen eines
Fließprozesses unter Druck press- und verformbar ist, ohne
dass innere Strukturen zerstört werden oder ungleichmäßige
Verdichtungen entstehen. Das Prägen wird mittels eines
polierten, verchromten Prägestempels mit einem Prägedruck
von 30 kN bis 50 kN bei einer Temperatur zwischen 60 bis 100°C
durchgeführt.
-
Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Sensorelements möglich.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zwei nebeneinander
ausgebildete Vertiefungen mit je einer Kontaktfläche vorgesehen, die
sich in Längsrichtung des Keramikkörpers erstrecken.
Zwischen den beiden Vertiefungen ist ein am freien Stirnende des
Keramikkörpers endender Steg vorhanden, der sich vom Stirnende
des Keramikkörpers bis zu den vom Stirnende des Keramikkörpers abgekehrten
Enden der Vertiefungen zunehmend verbreitert. Durch diesen bei Einprägen
der Vertiefungen in der oberen Keramikschicht verbleibenden Steg
werden die beiden üblicherweise durch eine Dichtungsbuchse
aus Kunststoff oder isolierender Keramik hindurchgeführten
elektrischen Leiter beim Einschieben in die Vertiefungen zuverlässig
getrennt und ohne Kontaktberührung miteinander positioniert.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat der Steg
die Form eines Dreiecks mit zum Ende des Keramikkörpers
weisender Spitze. Dadurch werden im automatisierten Fertigungsprozess
auch aneinanderliegende Leiter beim Aufschieben der elektrischen
Leiter auf das Sensorelement zuverlässig voneinander getrennt
und der Einschiebevorgang nicht behindert.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
-
1 und 2 jeweils
ausschnittweise eine perspektivische Darstellung eines Sensorelements
für einen Gassensor gemäß einem ersten
und zweiten Ausführungsbeispiel,
-
3 und 4 jeweils
ausschnittweise eine Draufsicht von Sensorelement und Anschlussleitung
und 4 des Gassensors vor Kontaktierung des Sensorelements
(3) und nach Kontaktierung des Sensorelements (4),
-
5 eine
gleiche Darstellung wie in 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel.
-
Das
in 1 ausschnittweise mit seinem anschlussseitigen
Ende dargestellte Sensorelement für einen Gassensor zum
Bestimmen mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases
ist beispielsweise für den Einsatz in einer Lambdasonde
im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine bestimmt. Das Sensorelement
weist einen langgestreckten, stabförmigen Keramikkörper 10 aus
einem Festelektrolyten, insbesondere aus yttriumstabilisierten Zirkoniumoxid,
auf, der hier aus zwei Keramikschichten 11, 12 zusammengesetzt
ist, die plan aufeinanderliegen. Der Keramikkörper 10 kann
darüber hinaus weitere Keramikschichten aufweisen, die
teilweise mit Funktionsschichten, wie Heizwiderstand, Referenzelektrode
u. dgl., bedruckt sind. Am Ende des Keramikkörpers 10 sind
in die obere Keramikschicht 11 zwei nebeneinanderliegende
Vertiefungen 13 mit einer Prägtiefe von ungefähr
50 bis 200 μm eingeprägt. Das Einprägen
ist dabei derart vorgenommen, dass die Vertiefungen zu der freien
Stirnseite der oberen Keramikschicht 11 hin frei auslaufen
und zwischen den beiden Vertiefungen 13 ein Steg 14 verbleibt,
der an der freien Stirnseite der Keramikschicht 11 sehr schmal
ist und zu den von der Stirnseite der Keramikschicht 11 abgekehrten
Enden der Vertiefungen 13 hin sich zunehmend verbreitert.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 hat
der Steg eine spitzwinklige, dreieckartige Form, wobei die Spitze des
Dreiecks zum Ende der Keramikschicht 11 weist. Die Kathetenflächen
des dreieckähnlichen Stegs 14 können
eben oder bogenförmig ausgebildet sein. Am Grunde einer
jeden Vertiefung 13 ist eine Kontaktfläche 15 angeordnet.
Wie in 1 für eine der beiden Kontaktflächen 15 strichliniert
dargestellt ist, ist jede Kontaktfläche 15 über
eine vom Grund der Vertiefung 13 aus die obere Keramikschicht 11 durchdringende Durchkontaktierung 16 mit
einer Leiterbahn 17 verbunden. Die Leiterbahn 17 verläuft
in der Schichtebene zwischen den beiden Keramikschichten 11, 12 zu einer
Elektrode des Sensorelements, die am anderen, dem Messgas ausgesetzten
Ende des Sensorelements angeordnet ist. Die Leiterbahn 17 ist
dabei vor Zusammensetzen der beiden Keramikschichten 11, 12 auf
die untere Keramikschicht 12 aufgedruckt.
-
Mittels
der Kontaktflächen 15 ist das Sensorelement an
einer Anschlussleitung angeschlossen, die ihrerseits das Sensorelement
mit einem elektronischen Steuergerät verbindet. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel der 4 ist die
Anschlussleitung als Metallmantelleitung 18 ausgeführt.
Die Metallmantelleitung 18 weist ein metallisches Mantelrohr 19 mit
darin eingepresstem, keramischem Isolationsmaterial auf, in dem
mehrere blanke Leiterdrähte 20 geführt
sind. Jeweils ein Leiterdraht 20 ist auf eine Kontaktfläche 15 kontaktiert.
Dabei sind die aus dem Mantelrohr 19 austretenden, blanken
Leiterdrähte 20 durch eine keramische Dichtungsscheibe 21 geführt, die
in ein das Sensorelement aufnehmendes, hier nicht dargestelltes
Sensorgehäuse gasdicht eingesetzt wird. Die elektrische
und mechanische Verbindung der Leiterdrähte 20 mit
den Kontaktflächen 15 erfolgt stoffschlüssig,
vorzugsweise durch Schweißen oder Löten.
-
Das
in 2 mit seinem anschlussseitigen Endabschnitt perspektivisch
skizzierte Sensorelement unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten
und vorstehend beschriebenen Sensorelement nur insoweit, als die
zu dem messgasseitigen Ende des Sensorelements führenden
Leiterbahnen 22 nicht zwischen den beiden Keramikschichten 11, 12 verlaufen,
sondern auf der von der unteren Keramikschicht 12 abgekehrten
Oberfläche der oberen Keramikschicht 11 angeordnet
sind. Die Kontaktflächen 15 sind einstückig
mit den Leiterbahnen 22 ausgebildet und werden beim Prägen
der Vertiefungen 13 bei auf der Oberfläche verbleibenden
Leiterbahnen 22 in den Grund der Vertiefungen 13 gedrückt.
Die Vertiefungen 13 werden hierzu so eingeprägt,
dass der Niveauübergang von der Oberfläche der
oberen Keramikschicht 11 zum Grunde der Vertiefungen 13 mit Rundungsradien
ausgeführt ist, so dass im Übergang von der Leiterbahn 22 zur
Kontaktfläche 15 keine scharfen Kanten entstehen.
Im übrigen stimmt der Aufbau des Sensorelements gemäß 2 mit
dem zu 1 überein, so dass gleiche Bauteilelemente mit
gleichen Bezugszeichen versehen sind.
-
Die
in 1 und 2 ausschnittweise perspektivisch
skizzierten Sensorelemente werden in der Weise hergestellt, dass
zwei Folien aus einem Festelektrolyten, die die Keramikschicht 11, 12 bilden,
auf ihrer Oberfläche mit den Leiterbahnen und Kontaktflächen
aus elektrisch leitendem Material, z. B. aus Platin, bedruckt werden.
Im Ausführungsbeispiel der 1 wird die
die untere Keramikschicht 12 bildende Folie mit den Leiterbahnen 17 und
die die obere Keramikschicht 11 bildende Folie mit den
Kontaktflächen 15 bedruckt, während im
Ausführungsbeispiel der 2 die die
obere Keramikschicht 11 bildende Folie auf ihrer Oberfläche
sowohl mit den Leiterbahnen 22 als auch mit den Kontaktflächen 15 bedruckt
wird, wobei jeweils eine Leiterbahn 22 und eine Kontaktfläche 15 einstückig
ausgeführt werden. Danach werden die beiden Folien unter
Zwischenlage eines Binders zur Bildung des Keramikkörpers 10 aufeinandergelegt.
Nunmehr werden mittels eines polierten und verchromten Prägestempels,
der im Bereich der Kontaktflächen 15 auf die bedruckte Oberfläche
des Sensorelements aufgesetzt wird, mit einem Druck zwischen 30
kN bis 50 kN bei einer Temperatur zwischen 60°C und 100°C
die beiden Vertiefungen 13 in die obere Keramikschicht 11 eingeprägt. Da
der Keramikkörper 10 sich noch in seinem sog. Grünzustand
befindet, ist die obere Keramikschicht 11 problemlos press-
und verformbar, ohne dass die innere Struktur der Keramikschicht 11 zerstört
wird. Auch die aufgedruckte Paste für Kontaktfeder 15 und Leiterbahn 22 ist
im ungesinterten „Grünzustand" des Keramikkörpers 10 tiefziehfähig,
so dass beim Prägen sich problemlos der Übergang
von Leiterbahn 22 zur Kontaktfläche 15 ergibt.
Nach dem Prägevorgang wird der Keramikkörper 10 einem
Sinterprozess ausgesetzt, und die beiden Keramikschichten 11, 12 versintern
miteinander. Auf das so hergestellte Sensorelement werden die durch
die keramische Dichtungsscheibe 21 hindurchgefädelten,
blanken Leiterdrähte 20 der Metallmantelleitung 18 vom
Ende des Keramikkörpers 10 her aufgeschoben. Dabei
gleiten die freien Enden der Leiterdrähte 20,
die einen Drahtdurchmesser zwischen 100 μm und 150 μm
aufweisen, an den Stegwänden des Stegs 14 entlang
und werden positionsgenau in den Vertiefungen 13 auf den
Kontaktflächen 15 positioniert. Nunmehr werden die
auf den Kontaktflächen 15 aufliegenden Enden der
Leiterdrähte 20 auf den Kontaktflächen 15 verschweißt.
-
Bei
dem in 1 dargestellten Sensorelement können
auch erst die Vertiefungen 13 in die obere Keramikschicht 11 eingeprägt
und dann auf den Grund der Vertiefungen 13 die Kontaktflächen 15 mit
Durchkontaktierungen 16 aufgedruckt werden.
-
Anstelle
der direkten Kontaktierung der Kontaktflächen 15 mit
den Leiterdrähten der Anschlussleitung und deren stoffschlüssige
Verbindung können auch mittels bekannter Kontaktfederhalter
Kontaktfahnen auf die Kontaktflächen 15 aufgeclipst
werden. Die Kontaktfahnen sind dann beispielsweise durch Crimpen
mit den abisolierten Enden eines Anschlusskabels verbunden.
-
Bei
dem in 5 ausschnittweise skizzierten Ausführungsbeispiel
des Sensorelements sind beide Arten der Anordnung von Leiterbahnen
auf der Oberfläche des Sensorelements und in der Ebene
zwischen den beiden Keramikschichten 11, 12 realisiert, die
jeweils mit einer Kontaktfläche 15 verbunden sind,
die auf der Oberfläche des Keramikkörpers 10 am
Grund einer von zwei in die obere Keramikschicht 11 eingeprägter
Vertiefungen 13 angeordnet ist. Die eine Kontaktfläche 15 ist
wiederum einstückig mit der auf der Körperoberfläche
verlaufenden Leiterbahn 22 ausgebildet und die andere Kontaktfläche 15 über
die Durchkontaktierung 16 mit der in der Zwischenebene verlaufenden
Leiterbahn 17 verbunden. Die in 5 verwendeten
Bezugszeichen entsprechen den in 1 und 2.
-
Selbstverständlich
ist es bei dem in 5 skizzierten Sensorelement
möglich, auf der freien Oberfläche der unteren
Keramikschicht 12 gleichartige Vertiefungen 13 mit
Kontaktflächen 15 und einer Leiterbahn 22 vorzusehen.
In der Zwischenebene würde dann – wie bei dem
Ausführungsbeispiel der 1 – eine
zweite Leiterbahn 17 parallel verlaufen, die über
eine durch die untere Keramikschicht 12 hindurchgehende
Durchkontaktierung 16 mit der einen Kontaktfläche 15 verbunden
wäre.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-