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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements
für einen Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen
Eigenschaft eines Messgases, insbesondere des Abgases einer Brennkraftmaschine,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
bekanntes, nach dem Grenzstromprinzip arbeitendes Sensorelement
für einen Gassensor, auch elektrochemischer Messfühler
genannt, zur Bestimmung des Lambda-Wertes als Maß für
die Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine (
DE 198 57 471 A1 )
weist einen aus Festelektrolytschichten, z. B. aus Zirkoniumoxid,
und Isolierschichten, z. B. aus Aluminiumoxid, zusammenlaminierten,
planen Sensorkörper auf, in dem mittels einer äußeren
und inneren Pumpelektrode und einer ersten Festelektrolytschicht
eine Pumpzelle und mittels einer Nernst- und Referenzelektrode und
einer zweiten Festelektrolytschicht eine Nernst- und Messzelle realisiert
ist. Zwischen den beiden Festelektrolytschichten ist ein Hohlraum
ausgebildet. Der Hohlraum ist durch eine ringförmige Diffusionsbarriere
in einen ringförmigen Außenraum, in dem die innere Pumpelektrode
und die Nernstelektrode angeordnet sind, und in einen zentralen
Innenraum unterteilt. Zum Innenraum führt ein die die äußere
Pumpelektrode tragende Festelektrolytschicht durchdringendes, an
der Körperoberfläche des Sensorkörpers mündendes
Gaszutrittsloch. Die äußere Pumpelektrode ist
als Ringelektrode im Radialabstand von der Mündung des
Gasdurchtrittslochs auf der Körperoberfläche des
Sensorkörpers angeordnet. Die Oberfläche des Sensorkörpers
ist im Bereich der äußeren Pumpelektrode mit einer
porösen Schutzschicht überdeckt, die das Gaszutrittsloch
freigibt.
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Bei
der Herstellung des Sensorelements werden die Festelektrolytschichten
in Form von Folien mit den Elektroden und den zugehörigen
Leiterbahnen belegt, vorzugsweise bedruckt. Ebenso wird die poröse
Schutzschicht auf die eine Festelektrolytschicht und die Diffusionsbarriere
sowie eine Hohlraumpaste zur späteren Ausbildung von Außen-
und Innenraum des Hohlraums auf die andere Festelektrolytfolie aufgedruckt.
Die fertig bedruckten Festelektrolytfolien werden zusammenlaminiert.
Nach dem Laminieren wird in den Sensorkörper das Gaszutrittsloch
mittels konventioneller Bohrtechnik eingebracht, wobei durch die
poröse Schutzschicht, die obere Festelektrolytschicht und
die den Innenraum des Hohlraums ausfüllende Hohlraumpaste
bis in die zweite Festelektrolytschicht hinein gebohrt wird. Danach
wird das Sensorelement gesintert, wobei die Hohlraumpaste ausbrennt
und der Hohlraum mit ringförmigem Außenraum und
zentralem Innenraum entsteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass beim Auftragen einer Schutzschicht
auf den Sensorkörper, die zusätzlich das Sensorelement
vor Thermoschock schützt, durch die erfindungsgemäße
Gestaltung der Geometrie des Gaszutrittslochs und durch das Auftragen
des Schichtmaterials in der angegebenen Beschichtungsrichtung sichergestellt
ist, dass das Gaszutrittsloch nicht durch das Auftragen des Schichtmaterials
zuwächst und die Schutzschicht das Gaszutrittsloch verschließt.
Zwar setzt sich beim Beschichtungsprozess noch etwas Schichtmaterial
in geringer Menge an dem der Beschichtungsrichtung zugekehrten Lochwandbereich an,
doch führt dies nicht zu einem Verschließen des Gaszutrittslochs.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Verfahrens möglich.
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Gemäß alternativen
Ausgestaltungen des Verfahrens wird das Gaszutrittsloch entweder
als Zylinderbohrung mit einer Ausrichtung der Bohrungsachse, die
mit der Normalen des die Mündung des Gaszutrittslochs enthaltenden
Mündungsoberflächenbereichs des Sensorkörpers
einen spitzen Winkel einschließt, oder als Kegelstumpfbohrung
mit rechtwinklig zum Mündungsoberflächenbereich
ausgerichteter Bohrungsachse ausgeführt, wobei die durchmesserkleinere
Grundfläche des Kegelstumpfes die Mündung des
Gaszutrittslochs bildet. In beiden Fällen lässt
sich in fertigungstechnisch vorteilhafter Weise die Bohrung in die
entsprechende, als Folie vorhandene Schicht mittels herkömmlicher Bohrtechnik
einbringen. Im Falle der Herstellung der Zylinderbohrung wird die
Folie auf eine schräge Bohrungsunterlage bei vertikal ausgerichtetem
Bohrer aufgelegt. Im Falle der Herstellung der Kegelstumpfbohrung
wird die Folie auf eine ebene Bohrungsunterlage aufgelegt und mit
einem Senker von der Rückseite der Folie her durchbohrt.
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Ein
nach dem Verfahren hergestelltes Sensorelement ist in Anspruch 9
angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Sensorelements
sind in den weiteren Ansprüchen 10 bis 12 angegeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen jeweils in schematisierter Darstellung:
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1 ausschnittweise
einen Längsschnitt eines Sensorelements für eine
Breitband-Lambdasonde, dessen Oberfläche im Bereich des
dem Abgas ausgesetzten Endabschnitts mit einer Schutzschicht belegt
ist,
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2 eine
Seitenansicht des Sensorelements in 1 ohne Schutzschicht,
teilweise geschnitten, mit angedeutetem Beschichtungsprozess für
das Aufbringen der Schutzschicht,
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3 eine
Beschichtungsvorrichtung zur Illustration des Beschichtungsprozesses
mittels Plasmasprühens,
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4 eine
gleiche Darstellung wie in 1 eines Sensorelements
mit modifiziertem Sensorkörper.
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Das
in 1 ausschnittweise im Längsschnitt schematisiert
dargestellte Sensorelement für eine Breitband-Lambdasonde
zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine
als Beispiel für einen allgemeinen Gassensor zur Bestimmung
einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, weist einen üblicherweise laminierten
Sensorkörper 11 aus keramischem Material mit einem
Gaszutrittsloch 12 auf, das zu einem im Inneren des Sensorkörpers 11 vorhandenen
Hohlraum 13 führt. Die Körperoberfläche
des Sensorkörpers 11 ist in dem in 1 gezeigten,
dem Abgas ausgesetzten Endabschnitt des Sensorelements mit einer
Schutzschicht 14 belegt, die im Bereich der Mündung 121 des
Gaszutrittslochs 12 ausgespart ist. Das die Schutzschicht 14 bildende
Schichtmaterial ist beispielsweise Spinell oder Aluminiumoxid (Al2O3). Der Hohlraum 13 ist
durch eine ringförmige Diffusionsbarriere 15,
z. B. aus Aluminiumoxid, in einen ringförmigen Außenraum 131 und
in einen zentralen Innenraum 132 unterteilt, der koaxial
mit dem Gaszutrittsloch 12 ausgerichtet ist.
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Im
Einzelnen besteht der aus mehreren Schichten zusammengesetzte, plane
Sensorkörper 11 aus einer oberen, ersten Festelektrolytschicht 16, deren
Außenseite eine obere Körperoberfläche
des Sensorkörpers 10 bildet, einer mittleren,
zweiten Festelektrolytschicht 17 und einer unteren, dritten Festelektrolytschicht 18,
deren Außenseite eine untere Körperoberfläche
des Sensorkörpers 10 bildet. Alle Festelektrolytschichten 16 bis 18 sind
z. B. Folien aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2). Zwischen der dritten Festelektrolytschicht 18 und
der zweiten Festelektrolytschicht 17 ist ein in einer elektrischen
Isolierung 19, z. B. aus Aluminiumoxid, eingebetteter elektrischer
Heizer 20 in Form einer elektrischen Widerstandsbahn 30 mit
Zuleitung 31 angeordnet. Die zweite Festelektrolytschicht 17 ist
auf ihrer von dem Heizer 20 abgekehrten Oberseite mit einer
Nernstelektrode 21 und einer davon beabstandeten Referenzelektrode 22 nebst
Zuleitung 29 belegt. Nernst- und Referenzelektrode 21, 22 bilden
zusammen mit der zweiten Festelektrolytschicht 17 eine Nernst-
oder Messzelle. Außerdem ist auf die zweite Festelektrolytschicht 17 die
Diffusionsbarriere 15 sowie eine ausbrennbare Paste zur
Bildung des Außenraums 131 des Hohlraums 13 und
eines Referenzkanals 23 aufgedruckt, wobei die Paste die
Nernstelektrode 21 und die Referenzelektrode 22 mit
Zuleitung 29 überdeckt. Beim späteren
Sintern des Sensorkörpers 11 brennt die Paste
aus und lässt so den Außenraum 131 und
den Referenzkanal 23 entstehen. Die das Gaszutrittsloch 12 enthaltende,
erste Festelektrolytschicht 16 ist auf voneinander abgekehrten
Seiten mit einer äußeren Pumpelektrode 24 nebst
Zuleitung 28 zu dieser und einer inneren Pumpelektrode 25 belegt,
die zusammen mit der ersten Festelektrolytschicht 16 eine
Pumpzelle bilden. Die innere Pumpelektrode 25 auf der ersten
Festelektrolytschicht 16 und die Nernstelektrode 21 auf
der zweiten Festelektrolytschicht 17 sind so angeordnet,
dass sie im Außenraum 131 des Hohlraums 13 liegen.
Die so bedruckten Festelektrolytschichten 16 bis 18 sind
aufeinandergelegt und zusammenlaminiert.
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Nach
dem Laminieren wird auf die Körperoberfläche des
Sensorkörpers 11 die Schutzschicht 14 aufgebracht,
die den Endabschnitt des Sensorkörpers 11 allseitig
umschließt. Damit das Gaszutrittsloch 12 beim
Beschichtungsprozess nicht durch sich im Gaszutrittsloch 12 ablagerndes
Schichtmaterial verschlossen wird, ist einerseits die Geometrie
des Gaszutrittslochs 12 so gestaltet, dass mindestens ein Bereich
der Lochwand 122 gegen die Normale 26 des die
Mündung 121 des Gaszutrittslochs 12 aufweisenden
Oberflächenbereichs des Sensorkörpers 11,
nachfolgend Mündungsoberflächenbereich genannt,
um einen spitzen Winkel α geneigt ist, der mit einem Wert
zwischen 20° und 70° gewählt wird, und wird
andererseits das Auftragen des Schichtmaterials in eine Beschichtungsrichtung
(Pfeile 32 in 2) vorgenommen, die mit dem Mündungsoberflächenbereich
des Sensorkörpers 11 einen spitzen Winkel β einschließt,
der mit einem Wert zwischen 10° und 80° gewählt
wird. Da der mindestens eine Bereich der Lochwand 122 in
Beschichtungsrichtung 32 geneigt ist, ist dieser Lochwandbereich
gegen das auf den Sensorkörper 12 auftreffende
Schichtmaterial abgeschirmt. Zur Herstellung eines solchen Lochwandbereichs
ist im Ausführungsbeispiel des Sensorelements 10 gemäß 1 und 2 das
Gaszutrittsloch 12 als Zylinderbohrung 27 mit
einer Ausrichtung der Bohrungsachse 271 ausgeführt,
die mit der Normalen 26 des Mündungsoberflächenbereichs
den genannten spitzen Winkel α einschließt. Eine
solche Zylinderbohrung 27 wird mit herkömmlicher
Bohrtechnik vor dem Bedrucken und Zusammenlaminieren der als Grünfolie
vorliegenden ersten Festelektrolytschicht 16 eingebracht,
indem die Grünfolie auf eine entsprechend geneigte Bohrunterlage
aufgelegt und mit einem vertikal geführten Bohrer durchbohrt wird.
Danach wird die Grünfolie wie vorstehend beschrieben bedruckt
und mit den übrigen Festelektrolytschichten 17, 18 zu
dem Sensorkörper 11 zusammenlaminiert.
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Das
Aufbringen des Schichtmaterials wird mittels Sputtern oder Plasmasprühen
vorgenommen. In 3 ist eine Beschichtungsvorrichtung
zur Illustration des Beschichtungsprozesses durch Plasmasprühen
dargestellt. Der Sensorkörper 11 ist in einer
Haltevorrichtung 40 so aufgenommen, dass der zu beschichtende
Endabschnitt des Sensorkörpers 11 aus dieser herausragt.
Die Haltevorrichtung 40 wird während des Beschichtungsprozesses
um eine Rotationsachse 41 gedreht, wobei der Sensorkörper 11 so
in der Haltevorrichtung 40 eingespannt ist, dass die Rotationsachse 41 sich
parallel zu dem Mündungsoberflächenbereich des
Sensorkörpers 11 erstreckt. Einem z. B. mit einem
Gasgemisch aus Helium und Argon betriebenen Plasmabrenner 42 wird mittels
einer Pulverzuführung 44 das Schichtmaterial zugeführt.
Als Schichtmaterial wird z. B. Spinell oder Aluminiumoxid verwendet.
Während der Rotation der Haltevorrichtung 40 wird
das Schichtmaterial gleichmäßig auf die Oberfläche
des Endabschnitts des Sensorkörpers 11 aufgesprüht
und bleibt dort infolge der Hafteigenschaft der Oberfläche
des Sensorkörpers 11 haften. Durch die Geometrie
des Gaszutrittslochs 12 entstehende Abschattungseffekte
sorgen für ein nach dem Beschichtungsprozess komplett oder
teilweise offenes Gaszutrittsloch 12, wobei sich kleinere
Restmengen an Schichtmaterial an einem gegen die Beschichtungsrichtung 32 weisenden Lochwandbereich
anlagern können, wie dies in 1 durch die
an der Lochwand 122 angelagerte Schutzschichtzunge 141 angedeutet
ist.
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Gleiche
Abschattungseffekte, die zu dem beim Beschichtungsprozess freibleibenden
Gaszutrittsloch 12 führen, werden auch dann erzielt,
wenn das Gaszutrittsloch 12 als Kegelstumpfbohrung 33 ausgeführt
wird, wie dies in 4 dargestellt ist. Die Kegelstumpfbohrung 33 wird
dabei in die erste Festelektrolytschicht 16 so eingebracht,
dass die durchmesserkleinere Grundfläche der Kegelstumpfbohrung 33 die
Mündung 121 des Gaszutrittslochs 12 bildet.
Auch die Kegelstumpfbohrung 33 wird in herkömmlicher
Bohrtechnik mit einem Senker in die auf einer planen Bohrunterlage
aufliegende Grünfolie, die die Festelektrolytschicht 16 bildet,
eingebracht. Der Beschichtungsprozess des laminierten Sensorkörpers 11 wird
in gleicher Weise durchgeführt wie vorstehend beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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