DE102008001928B4

DE102008001928B4 - Sensorelement für einen Gassensor und Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung in einem Sensorkörper eines Sensorelements

Info

Publication number: DE102008001928B4
Application number: DE102008001928.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Opp; Hans-Joerg Renz; Marius Heinkele
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: FR2931554B1; DE102008001928A1; FR2931554A1

Abstract

Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere von Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einem Sensorkörper (10), mindestens einer im Sensorkörper (10) isoliert eingebetteten elektrischen Leiterbahn (20, 27, 28) und mindestens einer mittels eines elektrisch leitenden Materials (36) hergestellten Durchkontaktierung (21, 29, 30) von der Körperoberfläche zur Leiterbahn (20, 27, 28), wobei das elektrisch leitende Material (36) im Inneren eines Isolierkörpers (33) aufgenommen ist, der in ein in den Sensorkörper (10) eingebrachtes, bis zur Leiterbahn (20, 27, 28) reichendes Loch (35) eingesetzt ist, wobei das elektrisch leitende Material (36) ein in den Isolierkörper (33) eingebrachtes Bohrloch (34) mindestens teilweise ausfüllt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekanntes Sensorelement für eine Lambdasonde ( DE 199 37 163 A1 ) weist eine als Heizerfolie bezeichnete Trägerschicht aus Zirkoniumoxid auf, auf die mittels Siebdruck eine untere Isolationsschicht aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht ist. Auf die Isolationsschicht sind eine elektrische Heizeinrichtung in Form einer mäandernden Widerstandsbahn sowie zwei Zuleitungen zu der Widerstandsbahn bildende elektrische Leiterbahnen aufgebracht. Widerstandsbahn und Leiterbahnen sind durch eine obere Isolationsschicht abgedeckt. Die Leiterbahnen sind über Durchkontaktierungen in der Heizerfolie und in der unteren Isolationsschicht mit auf der Außenfläche der Heizerfolie angebrachten Anschlusskontakten verbunden. In einer die obere Isolationsschicht abdeckenden Referenzluftkanalfolie aus Zirkoniumoxid ist ein Referenzluftkanal ausgebildet, in dem eine Referenzelektrode mit einer als Leiterbahn ausgebildeten Zuleitung angeordnet ist. Die Referenzelektrode mit Zuleitungs-Leiterbahn sowie eine Außenelektrode mit Zuleitung sind auf voneinander abgekehrten Seiten einer Sensorfolie aus Zirkoniumoxid angeordnet, die die Referenzkanalfolie überdeckt. Die zu der Referenzelektrode führende Leiterbahn ist über eine Durchkontaktierung durch die Sensorfolie mit einem auf der Oberfläche der Sensorfolie aufgebrachten Anschlusskontakt verbunden.
Weitere Sensorelemente für Gassensoren sind aus der JP S61 - 134 655 A und der DE 102 24 057 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf fertigungstechnisch kostengünstiger Weise die Durchkontaktierung gegenüber dem Keramikkörper zuverlässig elektrisch isoliert ist. Die Eigenschaft des Materials des Sensorkörpers auf Zirkoniumoxid-Basis, bei höherer Temperatur elektrisch leitfähig zu werden, führt damit nicht zu von der Durchkontaktierung ausgehenden, parasitären elektrischen Strömen, so dass die Funktionsfähigkeit und Messgenauigkeit des Sensorelements auch bei diesen hohen Temperaturen uneingeschränkt erhalten bleibt. Gerade für kurzbauende Sensorelemente in Abgassensoren ist dies von besonderem Vorteil, da der die Durchkontaktierung enthaltende Bereich des Sensorkörpers durch die größere Nähe zum heißen Abgas deutlich höheren Temperaturen ausgesetzt ist.
Durch die in den weiteren Ansprüchen 2 bis 8 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Sensorelements möglich.
Das im Anspruch 9 angegebene Verfahren zur Herstellung der Durchkontaktierung im Sensorelement ist kostengünstig durchzuführen und fertigungstechnisch einfach in den Herstellungsprozess des Sensorelements einzugliedern. Es führt zu einem reproduzierbar qualitativ guten Arbeitsergebnis mit vernachlässigbar kleiner Ausschussquote.
Figurenliste
Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Explosionszeichnung eines Sensorelements für eine planare Sprungsonde, schematisiert dargestellt,
2 ausschnittweise eine Unteransicht des Sensorelements in Richtung Pfeil II in 1 mit Anschlusskontakten für einen im Sensorelement integrierten elektrischen Heizer,
3 bis 9 eine Illustrierung verschiedener Verfahrensstadien bei der Herstellung der Durchkontaktierungen zwischen den Anschlusskontakten und dem Heizer,

Das in 1 dargestellte Sensorelement für eine planare Sprung- oder λ = 1-Sonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine ist ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements für einen allgemeinen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases. Weitere Ausführungsbeispiele sind Gassensoren zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas, Rußsensoren zur Bestimmung der Rußbeladung des Abgases und Temperatursensoren zur Bestimmung der Abgastemperatur. Das Sensorelement für einen solchen Gassensor weist generell einen Sensorkörper 10 auf, in dem mindestens eine elektrische Leiterbahn elektrisch isoliert eingebettet ist, die über eine Durchkontaktierung aus elektrisch leitendem Material mit einem auf der Körperoberfläche angeordneten Anschlusskontakt verbunden ist.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Sensorkörper 10 aus zwei Substratschichten 11, 12 zusammengesetzt. Jede Substratschicht 11, 12 ist ein Sauerstoffionen leitender Festelektrolyt, vorzugsweise Zirkoniumoxid, der in Form einer Folie hergestellt ist. Die erste, in 1 obere Substratschicht 11 bildet eine Trägerschicht für eine Nernst- oder Messzelle und entsprechende Anschlusskontakte und Zuleitungen zu dieser. Hierzu ist auf der, die eine Außenseite des Sensorkörpers 10 bildenden, äußeren Oberfläche der ersten, Substratschicht 11 eine Außenelektrode 14 angeordnet, die über eine Leiterbahn 13 mit einem ersten Anschlusskontakt 15 verbunden ist. Die Außenelektrode 14 ist von einer porösen Schutzschicht 16, z.B. aus Aluminiumoxid, abgedeckt. Auf die Leiterbahn 13 ist eine Isolationsschicht 17 aufgedruckt. Auf der von der äußeren Oberfläche abgekehrten inneren Oberfläche der ersten Substratschicht 11 ist eine Referenzelektrode 18 mit einem Referenzgaskanal 19 angeordnet, die üblicherweise auf die Substratschicht aufgedruckt werden. Weiterhin ist auf die innere Oberfläche der ersten Substratschicht 11 eine mit der Referenzelektrode 18 verbundene zweite Leiterbahn 20 aufgedruckt, die mit einer Isolierschicht unterlegt ist und über eine die erste Substratschicht 11 durchdringende Durchkontaktierung 21 mit einem auf der äußeren Oberfläche der ersten Substratschicht 11 angeordneten zweiten Anschlusskontakt 22 verbunden ist.
Die zweite, in 1 untere Substratschicht 12 bildet eine Trägerschicht für einen elektrischen Heizer 25 mit Anschlusskontakten und Zuleitungen zu diesem. Auf der innerhalb des Sensorkörpers 10 liegenden inneren Oberfläche der zweiten Substratschicht 12 ist eine untere Isolationsschicht 23 angeordnet. Zwischen dieser Isolationsschicht 23 und einer auf dieser aufliegenden oberen Isolationsschicht 24 ist der elektrische Heizer 25 eingebettet, der auf die Isolationsschicht 25 aufgedruckt ist. Der elektrische Heizer 27 weist eine als Heizmäander ausgeführte elektrische Widerstandsbahn 26, die innerhalb des Sensorkörpers 10 im Bereich der Referenzelektrode 18 und der Außenelektrode 14 liegt, und zwei mit der Widerstandsbahn 26 verbundene, parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen 27, 28 auf, die die Stromzuleitungen zu der Widerstandsbahn 26 bilden. Die von der Widerstandsbahn 26 abgekehrten Enden der Leiterbahnen 27, 28 sind durch jeweils eine die untere Isolationsschicht 23 und die zweite Substratschicht 12 durchdringende Durchkontaktierung 29 bzw. 30 mit jeweils einem Anschlusskontakt 31 bzw. 32 verbunden. Die beiden Anschlusskontakte 31, 32 sind auf der die andere Außenseite des Sensorkörpers 10 bildenden äußeren Oberfläche der zweiten Substratschicht 12 angeordnet (2 und 9).
Jede der Durchkontaktierungen 21, 29, 30 im Sensorkörper 10 besteht aus einem Isolierkörper 33 aus elektrisch isolierendem Material und einem im Inneren des Isolierkörpers 33 verlaufenden Pfad aus einem elektrisch leitenden Material 36, z.B. Platin. Hierzu ist in den Isolierkörper 33, vorzugsweise mittig, ein Bohrloch 34 eingebracht, das mit dem elektrisch leitenden Material 36 ausgefüllt ist. Das elektrisch leitende Material 36 kann dabei den gesamten Querschnitt des Bohrlochs 34 ausfüllen, aber auch nur die Bohrlochwand als Schicht belegen. In jedem Fall erstreckt sich das elektrisch leitende Material 36 zusammenhängend über die gesamte Länge des Bohrlochs 34. Der Isolierkörper 33 ist in ein im Sensorkörper 10, genauer gesagt in der ersten Substratschicht 11 bzw. zweiten Substratschicht 12, vorgehaltenes Loch 35 eingesetzt, das z.B. durch Ausstanzen hergestellt ist.
Das Verfahren zur Herstellung der Durchkontaktierungen wird nachfolgend für die Durchkontaktierungen 29, 30 zu den Leiterbahnen 27, 28 des elektrischen Heizers 25 anhand der 3 bis 9 beschrieben, wobei in 3 und 5 bis 9 jeweils ein Endabschnitt der die Trägerschicht für den elektrischen Heizer 25 bildenden zweiten Substratschicht 12 perspektivisch dargestellt ist.
In die sich im Grünzustand befindende Substratschicht 12, die vorzugsweise als Grünfestelektrolytfolie vorliegt, wird für jede Durchkontaktierung 29, 30 ein die Substratschicht 12 vollständig durchdringendes Loch 35 eingebracht, was vorzugsweise mittels eines Stanzwerkzeugs erfolgt (3). Die in 4 dargestellten Isolierkörper 33 werden als Stanzlinge mit einem an den Durchmesser des Lochs 35 angepassten Außendurchmesser und einer axialen Höhe, die der Dicke der Substratschicht 12 entspricht, hergestellt. Die Isolierkörper 33 werden in jeweils eines der beiden Löchern 35 fest eingesetzt, vorzugsweise eingepresst (5). Auf die Oberfläche der zweiten Substratschicht 12 wird die untere Isolationsschicht 23 aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt (6). In jeden Isolierkörper 33 wird das Bohrloch 34 eingebracht, das auch die untere Isolationsschicht 23 durchdringt (7). Das Bohrloch 34 wird mit dem elektrischen leitenden Material 36 verfüllt, was vorzugsweise in Form einer metallischen Paste eingebracht wird (8). Auf die untere Isolationsschicht 23 wird die Widerstandsbahn 26 mit den Leiterbahnen 27, 28 aufgedruckt, wobei die Leiterbahnen 27, 28 die metallische Verfüllung im Bohrloch 34 kontaktieren (9). Die so vorbereitete und noch mit den Anschlusskontakten 31, 32 belegte zweite Substratschicht 12 wird mit der wie beschrieben ausgeführten ersten Substratschicht 11 zum Sensorkörper 10 gemäß 1 zusammengesetzt, und der Sensorkörper 10 wird gesintert.

Claims

Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere von Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einem Sensorkörper (10), mindestens einer im Sensorkörper (10) isoliert eingebetteten elektrischen Leiterbahn (20, 27, 28) und mindestens einer mittels eines elektrisch leitenden Materials (36) hergestellten Durchkontaktierung (21, 29, 30) von der Körperoberfläche zur Leiterbahn (20, 27, 28), wobei das elektrisch leitende Material (36) im Inneren eines Isolierkörpers (33) aufgenommen ist, der in ein in den Sensorkörper (10) eingebrachtes, bis zur Leiterbahn (20, 27, 28) reichendes Loch (35) eingesetzt ist, wobei das elektrisch leitende Material (36) ein in den Isolierkörper (33) eingebrachtes Bohrloch (34) mindestens teilweise ausfüllt.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (33) in das Loch (35) eingepresst ist.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (35) in den Sensorkörper (10) eingestanzt ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (36) das in den Isolierkörper (33) eingebrachte Bohrloch (34) ganz ausfüllt.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkörper (10) zumindest im Bereich der Durchkontaktierung (21, 29, 30) aus einem Festelektrolyten, vorzugsweise aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid, besteht.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkörper (10) mehrere Substratschichten (11, 12) aufweist, von denen mindestens eine eine Trägerschicht für die mindestens eine Leiterbahn (20, 27, 28) bildet, und dass die mindestens eine Durchkontaktierung (21, 29, 30) die Trägerschicht durchdringt, deren von der Leiterbahn (20, 27, 28) abgekehrte Schichtfläche die Oberfläche des Sensorkörpers (10) bildet.
Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht auf ihrer einen Oberfläche zwei mit einer als Heizmäander ausgeführten elektrischen Widerstandsbahn (26) verbundene Leiterbahnen (27, 28) trägt und in der Trägerschicht zwei Durchkontaktierungen (29, 30) vorhanden sind, wobei jeweils genau eine der beiden Durchkontaktierungen (29, 30) zu genau einer der beiden Leiterbahnen (27, 28) führt, und wobei die Durchkontaktierungen (29, 30) mit auf einer äußeren Oberfläche der Trägerschicht angeordneten Anschlusskontakten (31, 32) belegt sind.
Sensorelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht eine Festelektrolytfolie aus yttriumstabilisierten Zirkoniumoxid ist.
Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung (29, 30) zu einer in einer elektrischen Isolierung (23, 24) eingebetteten Leiterbahn (27, 28) in einem eine mit der Leiterbahn (27, 28) belegten Trägerschicht (12) aufweisenden Sensorkörper (10) eines Sensorelements für einen Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere von Abgas einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass in der im Grünzustand sich befindlichen Trägerschicht ein die Trägerschicht durchdringendes Loch (35) erzeugt wird, dass in das Loch (35) ein Isolierkörper (33) aus elektrisch isolierendem Material eingesetzt wird, und dass in den Isolierkörper (33) ein diesen durchdringendes Bohrloch (34) eingebracht und das Bohrloch (34) mit einer Paste aus elektrisch leitendem Material (36) verfüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor Einbringen des Bohrlochs (34) in den Isolierkörper (33) auf die Oberfläche der Trägerschicht eine Isolationsschicht (23) aufgebracht wird, die von dem Bohrloch (34) durchstoßen wird.