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Stand der Technik
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Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche elektrische oder elektronische
Bauelemente bekannt, welche vollständig oder teilweise
als keramische Bauelemente ausgeführt sind. Beispielsweise
kann es sich hierbei um Bauelemente für die Abgassensorik
handeln, beispielsweise Partikelsensoren und/oder Lambdasonden,
oder, alternativ oder zusätzlich, Bauelemente aus dem Bereich
des Schaltungsdrucks. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Einsatzgebiete
wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf
Sensorelemente zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases
in einem Messgasraum. Insbesondere kann es sich dabei um eine physikalisch
und/oder chemisch messbare Eigenschaft handeln, beispielsweise einen
Anteil (z. B. eine prozentuale Konzentration und/oder einen Partialdruck)
einer Gaskomponente in diesem Gas. Beispielsweise kann ein Anteil
an Sauerstoff in dem Gas, beispielsweise einem Abgas einer Brennkraftmaschine,
ermittelt werden. Viele derartiger Sensorelemente basieren auf der
Verwendung elektrolytischer Eigenschaften bestimmter Festkörper,
insbesondere keramischer Festkörper, als der Fähigkeit
dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Insbesondere
werden Sensorelemente dieser Art in so genannten Lambdasonden eingesetzt und
spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen
in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie.
Als Beispiel für mögliche Aufbauten derartiger
Sensorelemente kann auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug,
2. Ausgabe, April 2007, Seite 154–159 verwiesen
werden. Die dort dargestellten Sensorelemente können auch
im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert
werden und/oder hergestellt werden. Auch auf andere Arten von Sensorelementen,
welche insbesondere Festelektrolyte der beschriebenen Art umfassen,
ist die Erfindung jedoch grundsätzlich anwendbar.
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Keramische
Bauelemente, insbesondere die oben genannten Sensorelemente, weisen
in vielen Fällen ein oder mehrere Widerstandselemente auf. Insbesondere
können derartige Widerstandselemente als Heizelemente eingesetzt
werden, beispielsweise um eine Temperatur eines Festelektrolyten und/oder
anderer Bereiche eines Sensorelements auf einen gewünschten
Wert einzustellen. Beispielsweise können auf diese Weise
die elektrolytischen Eigenschaften des Festelektrolyten beeinflusst
werden.
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Widerstandselemente,
insbesondere Heizelemente, werden in planaren Sensorelementen, jedoch
auch in anderen Arten keramischer Bauelemente, in vielen Fällen
drucktechnisch in einer Dickschichttechnologie hergestellt. Dabei
wird eine Dickschichtpaste mit einer metallischen Komponente, beispielsweise
Platin, sowie optional weiteren Komponenten, wie beispielsweise
Lösemitteln, Bindern oder ähnlichem, auf einem
Träger aufgebracht. Beispielsweise kann dieses Aufbringen
mit Hilfe einer Siebdrucktechnik und/oder einer anderen Drucktechnik
erfolgen. Anschließend werden gegebenenfalls weitere Schichten
aufgebracht, und das derartig vorgefertigte Bauelement wird schließlich
einem oder mehreren Wärmebehandlungsschritten, insbesondere
Sinterschritten, unterzogen. Bei diesem Sinterschritt werden organische
Bestandteile entfernt, und aus der Dickschichtpaste entstehen die
fertigen Strukturen der Widerstandselemente.
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Nachteilig
an diesen bekannten Verfahren zur Herstellung von Widerstandselementen,
insbesondere von Heizelementen, ist jedoch, dass beim Sintern die
einzelnen Edelmetall-Teilchen, beispielsweise die einzelnen Platinpigmente
einer Paste, nicht den Zustand eines optimalen Kontakts erreichen.
Infolge dessen erreichen beispielsweise in Dickschichttechnik gedruckte
Edelmetall-Leiterbahnen im Fall von Platin nur etwa den doppelten
spezifischen elektrischen Widerstand, den vergleichsweise ein aus
reinem Platin-Metall (Platin-Folie oder Draht) hergestellter Heizwiderstand
erreichen würde. Dies liegt nicht nur daran, dass in Dickschichtpasten
für niederohmige Leiterbahnen ein geringer keramischer Stützgerüstanteil
vorhanden sein kann, sondern auch daran, dass in Pasten aus Platin-Pulver
oder anderem Edelmetall-Pulver nicht die kompakte Packung entstehen
kann, wie bei reinem massiven Metall. Binder und Lösungsmittel
hinterlassen beim Abdampfen während des Sinterns Hohlräume.
Zudem entstehen, insbesondere in Schichttechnologien, unterschiedliche
Sintergeschwindigkeiten zwischen den einzelnen Schichten. So kann
beispielsweise bei Lambdasonden in Planartechnologie die Sintergeschwindigkeit
einer Festelektrolytfolie, beispielsweise einer Zirkondioxid-Trägerfolie,
nicht mit der Sintergeschwindigkeit eines Heizelements übereinstimmen.
Bei Platin-Pasten mit Stützgerüstanteil erhöht sich
der Widerstand entsprechend.
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Diese
nicht-optimale Struktur der in Dickschichttechnologie hergestellten
Widerstandselemente, insbesondere der Heizelemente, bewirkt jedoch,
dass der Verbrauch an Edelmetall vergleichsweise hoch ist. Da die
Widerstandselemente eine bestimmte Stromtragfähigkeit aufweisen
müssen, müssen diese Widerstandselemente, was
deren Zuleitungen einschließt, in der Regel erheblich dicker
und voluminöser ausgestaltet werden, als dies bei reinen metallischen
Widerstandselementen der Fall wäre. Entsprechend erhöhen
sich die Kosten und der Aufwand für die Herstellung der
Bauelemente.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
werden daher ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements
und ein keramisches Bauelement vorgeschlagen, welche die Nachteile
bekannter Verfahren und Bauelemente zumindest weitgehend vermeiden.
Unter einem keramischen Bauelement wird dabei allgemein ein Bauelement
verstanden, welches mindestens eine elektrische, elektronische,
sensorische oder aktorische Funktion oder Kombinationen der genannten und/oder
anderer Funktionen aufweist. Insbesondere wird im Folgenden Bezug
genommen auf Bauelemente, welche ganz oder teilweise als Sensor-Bauelemente
ausgestaltet sind, beispielsweise die eingangs beschriebenen Bauelemente,
insbesondere Lambdasonden.
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Ein
Grundgedanke des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen
Bauelemente besteht darin, dass sich Widerstandselemente, insbesondere
Heizelemente, erheblich einfacher und kostengünstiger herstellen
lassen, wenn die herkömmliche Dickschichttechnologie vollständig
oder teilweise durch die Verwendung von metallischen Folien ersetzt
wird. Durch das neue Herstellungsverfahren, welches auf der Strukturierung
metallischer Folien basiert, beispielsweise der Strukturierung von
Platin-Folien, können beispielsweise Edelmetall-Heizelemente
mit einem deutlich geringeren Materialverbrauch als in bisheriger
Dickschichttechnik hergestellt werden. So erscheinen Edelmetalleinsparungen von
bis zu 50% zumindest rechnerisch möglich. Zudem lassen
sich genauere Strukturierungen erzielen, beispielsweise genauere
Strukturierungen von Heizelement-Designs (Fineline). Zudem lassen
sich Streuungen in den Heizelementen reduzieren, und aufwendige
Heizervorversuche können zumeist entfallen.
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Das
vorgeschlagene Verfahren lässt sich insbesondere zur Herstellung
planarer Bauelemente, insbesondere von Bauelementen, welche in planarer Schichttechnologie
hergestellt sind, einsetzen. Insbesondere lassen sich die oben beschriebenen
Sensorelemente, insbesondere für den Einsatz in der Abgassensorik,
herstellen. Auch andere Einsatzgebiete sind möglich.
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Das
Bauelement umfasst mindestens ein Widerstandselement, also ein Element,
welches mindestens einen Strompfad in Form eines metallischen Leiters
aufweist, welcher in der Lage ist, aufgrund seines ohmschen Widerstandes
Wärme an die Umgebung abzugeben. Insbesondere kann dieses
Widerstandselement also mindestens ein Heizelement umfassen oder
ganz oder teilweise als derartiges Heizelement ausgestaltet sein.
Beispielsweise kann dieses Heizelement ein oder mehrere Heizmäander umfassen,
um gezielt einen oder mehrere Bereiche des Bauelements zu erwärmen.
Beispielsweise kann dies der Bereich einer oder mehrerer Zellen
einer Lambdasonde sein, beispielsweise einer Nernstzelle und/oder
einer Pumpzelle.
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Zur
Herstellung des Widerstandselements wird mindestens eine metallische
Folie verwendet. Unter einer metallischen Folie ist dabei ein Element zu
verstehen, welches mindestens einen metallischen Werkstoff in Reinform
oder in Legierungsform aufweist, im Gegensatz beispielsweise zu
herkömmlichen Dickschichtpasten mit Binderanteil und/oder Keramikanteil.
Vorzugsweise umfasst die metallische Folie keine nicht-metallischen
Komponenten, wobei jedoch nicht-metallische Komponenten als Beimischung
im Metall enthalten sein können. Zudem kann die metallische
Folie auch als Mehrschicht-Folie ausgestaltet sein, wobei auch ein
oder mehrere nicht-metallische Schichten umfasst sein können. Die
metallische Folie soll allgemein eine Dicke aufweisen, sowie eine
laterale Ausdehnung senkrecht zu dieser Dicke, welche die Dicke
erheblich übersteigt. Beispielsweise kann die metallische
Folie eine Schichtdicke zwischen 1 μm und 50 μm
aufweisen, insbesondere zwischen 5 μm und 25 μm,
besonders bevorzugt bei ca. 15 μm. Die metallische Folie
kann beispielsweise eine Edelmetall-Folie umfassen oder vollständig
als Edelmetall-Folie ausgestaltet sein. Die Edelmetall-Folie kann
insbesondere eine Platin-Folie umfassen. Auch andere Edelmetalle
sind jedoch, alternativ oder zusätzlich zu Platin grundsätzlich
einsetzbar.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in mindestens
einem Laminierschritt die mindestens eine metallische Folie auf
einen Träger aufgebracht und in mindestens einem Strukturierungsschritt strukturiert.
Unter einem Laminierschritt ist dabei allgemein ein direktes oder
indirektes Verbinden zwischen der metallischen Folie und dem Träger
zu verstehen, beispielsweise ein stoffschlüssiges Verbinden,
beispielsweise unter Einwirkung eines erhöhten Drucks und/oder
einer erhöhten Temperatur. Unter einem Träger
wird allgemein ein beliebiges Element verstanden, welches die metallische
Folie aufnehmen kann. Beispielsweise kann dieser Träger
eine oder mehrere Folienschichten und/oder keramische Schichten
umfassen, beispielsweise ein keramisches Festelektrolytmaterial
und/oder ein keramisches Isolatormaterial. Der Träger kann
beispielsweise mechanisch stabile Eigenschaften aufweisen, so dass dieser
sich beispielsweise unter Einwirkung seines eigenen Gewichts im
Normalfall zumindest nicht wesentlich verformt. Beispielsweise kann
der Träger ebenfalls als Folie ausgestaltet sein. Anstelle
eines einzelnen Trägers können auch mehrere Träger
vorgesehen sein, und es können mehrere Laminierschritte
durchgeführt werden, so dass das Widerstandselement beispielsweise
zwischen mehrere Träger, insbesondere zwischen mehrere
Trägerschichten, eingebettet werden kann. Der mindestens eine
Strukturierungsschritt kann ganz oder teilweise vor dem mindestens
einen Laminierschritt, gleichzeitig mit dem mindestens einen Laminierschritt
oder nach dem mindestens einen Laminierschritt durchgeführt
werden. Auch Kombinationen der genannten Möglichkeiten
sind denkbar.
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So
kann in einer ersten Verfahrensvariante der Strukturierungsschritt
beispielsweise zumindest teilweise vor dem Laminierschritt durchgeführt
werden, wobei das Widerstandselement zumindest teilweise bereits
als fertig strukturiertes Widerstandselement auf den Träger
aufgebracht wird. Beispielsweise kann die metallische Folie bereits
vollständig oder teilweise zu dem Widerstandselement strukturiert werden,
bevor diese auf den Träger aufgebracht wird. Diese Strukturierung
kann durch übliche Strukturierungsverfahren für
metallische Folien erfolgen, beispielsweise durch Stanzverfahren,
Schneidverfahren, Erodierverfahren oder andere bekannte Strukturierungsverfahren
oder Kombinationen der genann ten oder anderer Verfahren. Anschließend kann
der Laminierschritt erfolgen, bei welchem die bereits zum Widerstandselement
strukturierte metallische Folie auf den Träger auflaminiert
wird.
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In
einer weiteren Verfahrensvariante, welche auch mit der vorgenannten
Variante kombinierbar ist, können der Strukturierungsschritt
und der Laminierschritt auch zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt
werden. Dabei kann die metallische Folie direkt beim Aufbringen
auf den Träger zumindest teilweise zu dem Widerstandselement
strukturiert werden. Dieses gleichzeitige Aufbringen und Strukturieren, wobei
unter „gleichzeitig” auch ein lediglich teilweiser zeitlicher Überlapp
verstanden werden kann, kann ebenfalls mittels grundsätzlich
bekannter Technologien erfolgen. Insbesondere lassen sich Prägeverfahren
einsetzen, insbesondere Heißprägeverfahren. Bei
derartigen Prägeverfahren wird mittels mindestens eines
Prägestempels aus der metallischen Folie heraus die Struktur
des Widerstandselements auf den Träger aufgeprägt.
Beispielsweise kann der Prägestempel scharfkantige Strukturen
umfassen, welche den Strukturen des Widerstandselements entsprechen.
Beim Aufprägen wird die Struktur des Widerstandselements
aus der übrigen metallischen Folie herausgelöst
und auf den Träger aufgebracht. Dies kann durch Einwirkung
eines erhöhten Drucks und/oder einer erhöhten
Temperatur unterstützt werden. Die metallische Folie kann,
zusätzlich zum eigentlichen metallischen Material, weiterhin
mindestens eine Trägerfolie umfassen, beispielsweise eine Kunststofffolie,
auf welcher die eigentliche metallische Folie aufgebracht ist. Beim
Prägen wird die metallische Struktur des Widerstandselements
von dieser nicht-metallischen Trägerfolie gelöst.
Anschließend kann die Trägerfolie mit dem verbleibenden, überschüssigen
metallischen Material vom Träger mit dem aufgeprägten
Widerstandselement abgezogen werden.
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In
einer dritten Verfahrensvariante, welche ebenfalls wiederum ganz
oder teilweise auch mit einer oder beiden der oben beschriebenen
Verfahrensvarianten kombinierbar ist, kann der Strukturierungsschritt
auch zumindest teilweise nach dem Laminierschritt durchgeführt
werden. Dabei kann beispielsweise zunächst ein großflächiges
Aufbringen der mindestens einen metallischen Folie auf den Träger erfolgen,
gefolgt von einem oder mehreren Strukturierungsschritten, bei welchen überschüssiges
Material der metallischen Folie entfernt wird. Dieses Entfernen
kann beispielsweise mittels eines Ablationsverfahrens, also eines
Ab tragsverfahrens, erfolgen, bei welchem in Bereichen, in welchen
kein metallisches Material gewünscht wird, die metallische
Folie zumindest teilweise von dem Träger entfernt wird. Beispielsweise
lassen sich hierbei Erodierverfahren, Laserablationsverfahren oder
auch mechanische Abtragsverfahren oder Kombinationen der genannten und/oder
anderer Verfahren einsetzen.
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Besonders
bevorzugt ist es jedoch, wenn der Strukturierungsschritt einen ersten
Teilschritt umfasst, welcher vor dem Laminierschritt durchgeführt wird,
und einen zweiten Teilschritt, welcher nach dem Laminierschritt
durchgeführt wird. So kann in mindestens einem ersten Teilschritt
eine strukturierte Klebeschicht auf den Träger und/oder
die metallische Folie aufgebracht werden. Diese strukturierte Klebeschicht kann
beispielsweise der späteren Gestalt des Widerstandselements
entsprechen. Die Strukturierung kann beispielsweise mittels eines
Druckverfahrens erfolgen, beispielsweise mittels eines oder auf
der folgenden Druckverfahren: eines Siebdruckverfahrens; eines Schablonendruckverfahrens;
eines Flexodruckverfahrens; eines Tampondruckverfahrens; eines Dispenserverfahrens.
Auch andere Techniken sind jedoch einsetzbar. Anschließend
kann der Laminierschritt durchgeführt werden, wobei die
metallische Folie derart auf den Träger aufgebracht wird, dass
die strukturierte Klebeschicht zwischen der metallischen Folie und
dem Träger angeordnet ist und vorzugsweise eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen der metallischen Folie und dem Träger
gewährleistet. Anschließend kann mindestens ein
zweiter Teilschritt des Strukturierungsschritts durchgeführt
werden, wobei über die strukturierte Klebeschicht überstehende
Bestandteile der metallischen Folie zumindest weitgehend entfernt
werden. Dieses Entfernen überschüssiger Bestandteile,
welche nicht mit dem Träger verklebt sind, kann beispielsweise durch
Zug erfolgen, so dass die metallische Folie mit ihren überschüssigen
Bestandteilen einfach vom Träger abgezogen werden kann.
Die Struktur des Widerstandselements verbleibt dabei auf dem Träger.
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Unter
Verwendung einer oder mehrerer der beschriebenen Verfahrensvarianten
lassen sich die oben beschriebenen Vorteile erzielen. So kann beispielsweise,
ersatzweise zu einem Siebdruckverfahren, eine strukturierte Platin-Folie,
beispielsweise mit einer entsprechenden Schichtdicke von 15 ± 10 μm, als
Heizelement eingesetzt und/oder auflaminiert werden. Alternativ
oder zusätzlich lassen sich, entsprechend der zweiten oben
beschriebenen Verfahrensvariante, Platin-Folien beim Einprägen
strukturieren, beispielsweise mittels der beschriebenen Prägetechnik.
Wiederum alternativ oder zusätzlich lassen sich, entsprechend
der dritten oben beschriebenen Verfahrensvariante, auf eine Klebeschicht,
die dem Heizerdesign entsprechen kann, eine oder mehrere Platin-Folien
auflaminieren und überstehende Folienflächen entfernen.
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Neben
dem beschriebenen Herstellungsverfahren in einer oder mehreren der
oben beschriebenen Verfahrensvarianten wird weiterhin ein keramisches
Bauelement vorgeschlagen, welches insbesondere nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren in einer oder mehreren der beschriebenen Verfahrensvarianten
herstellbar ist. Dementsprechend kann bezüglich optionaler
Ausgestaltungen des keramischen Bauelements auf die obige Beschreibung
des Verfahrens verwiesen werden. Das Bauelement umfasst mindestens
ein Widerstandselement, insbesondere mindestens ein Heizelement.
Das Widerstandselement weist mindestens eine metallische Folie auf, insbesondere
eine nicht-keramische metallische Folie, welche auf mindestens einen
Träger des Bauelements aufgebracht ist, insbesondere auflaminiert
ist, und/oder zwischen mindestens zwei Träger des Bauelements
eingebettet ist.
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Das
Bauelement kann, wie oben beschrieben, beispielsweise ein Sensorelement
zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem
Messgasraum umfassen, beispielsweise zur Bestimmung eines Anteils
einer Gaskomponente des Gases. Insbesondere kann das Bauelement
mindestens eine Lambdasonde umfassen. Das Widerstandselement kann
dann insbesondere mindestens ein Heizelement zur Beheizung des Sensorelements und/oder
mindestens einer Zelle des Sensorelements umfassen, also insbesondere
mindestens einer Nernstzelle und/oder mindestens einer Pumpzelle
des Sensorelements. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich
möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1A und 1B Verfahrensschritte
einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine
Modifikation des in den 1A und 1B dargestellten
Verfahrens mit einer Zwischenschicht zwischen Träger und
Heizelement; und
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3A und 3C eine Übersicht über
drei verschiedene Verfahrensvarianten des vorgeschlagenen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele
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Anhand
der 3A bis 3C sollen
drei mögliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Bauelements 110 erläutert
werden. Das keramische Bauelement 110 ist dabei in den
Figuren lediglich symbolisch angedeutet und in einer Zwischenform dargestellt,
welche nicht notwendigerweise der fertigen Form entspricht. Beispielsweise
kann das dargestellte Bauelement 110 ein Grünling
eines fertigen, in planarer Schichttechnologie hergestellten Sensorelements 112 sein.
Dieses Sensorelement 112 kann beispielsweise in weiteren,
in den Figuren nicht dargestellten Schichtebenen weitere Elemente
umfassen, wie beispielsweise ein oder mehrere Sensorzellen. Diesbezüglich
kann auf den Stand der Technik verwiesen werden.
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Das
dargestellte Verfahren in einer der drei beschriebenen Verfahrensvarianten
dient der Herstellung eines Widerstandselements 114 in
Form eines Heizelements 116. Auch dieses Heizelement 116 ist
in den 3A bis 3C gegebenenfalls
in einer Zwischenform dargestellt, welche nicht notwendigerweise
der endgültigen Form des Heizelements 116 entsprechen
muss. Darüber hinaus kann das Heizelement 116 wiederum
zusätzliche, in den Figuren nicht dargestellte Elemente
umfassen.
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In 3A ist
eine Verfahrensvariante dargestellt, bei welcher zunächst
in einem (nicht dargestellten) Strukturierungsschritt eine metallische
Folie strukturiert wird. Dies ist in perspektivischer Darstellung
in 1A exemplarisch gezeigt. So kann die metallische
Folie 118 beispielsweise derart strukturiert werden, dass
diese Zuleitungen 120 des Heizelements 116 sowie
einen mit den Zuleitungen 120 verbundenen Heizmäander 122 umfasst.
Die Strukturierung der metallischen Folie 118 kann dabei durch übliche
Folienstrukturierungstechniken erfolgen, wie sie beispielsweise
oben beschrieben wurden. Die metallische Folie 118 kann
beispielsweise eine Platin-Folie umfassen, beispielsweise mit einer Schichtdicke
von 15 ± 10 μm. Auch andere Schichtdicken sind
jedoch grundsätzlich möglich.
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Wie
in 3A durch den Pfeil 124 symbolisiert wird,
wird in einem anschließenden Verfahrensschritt die derartig
strukturierte metallische Folie 118, welche grundsätzlich
das fertige Heizelement 116 umfasst, auf einen Träger 126 aufgebracht.
Beispielsweise kann es sich dabei, wie aus den perspektivischen
Darstellungen in den 1A und 1B ersichtlich
ist, um einen planaren Träger handeln, beispielsweise einen
planaren keramischen Träger. 1B zeigt
das Sensorelement 112 nach Aufbringen des Heizelements 116 auf
den Träger 126.
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Der
Träger 126 kann beispielsweise ein Festelektrolytmaterial
umfassen, beispielsweise ein keramisches Festelektrolytmaterial
wie Zirkondioxid oder Yttriumstabilisiertes Zirkondioxid (YSZ).
Um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Widerstandselement 114 und
dem Festelektrolytmaterial zu vermeiden, kann der Träger 126 alternativ
oder zusätzlich jedoch, wie in 2 angedeutet,
weiterhin eine oder mehrere Isolatorschichten 128 umfassen.
Insbesondere zur Herstellung eines Heizelements 116 kann
das Widerstandselement 114 auch zwischen zwei oder mehrere
Isolatorschichten 128 eingebettet sein. Die Verwendung
einer Isolatorschicht 128 ist in einer perspektivischen
Darstellung in einem Ausführungsbeispiel in 2 gezeigt.
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Der
Träger 126 kann darüber hinaus weitere Funktionen
umfassen. So umfasst der Träger 126 bei dem in
den 1A und 1B dargestellten
Ausführungsbeispiel zusätzlich zwei Durchkontaktierungen 130,
welche die Schichten des keramischen Bauelements 110 vollständig
oder teilweise durchsetzen. Diese Durchkontaktierungen 130 werden
beim Aufbringen 124 der metallischen Folie 118 mit
den Zuleitungen 120 kontaktiert, so dass die Zuleitungen 120 von
einer anderen Schichtebene des keramischen Bauelements 110 auskontaktierbar
sind. Beispielsweise kann auf diese Weise das Heizelement 116 von
der in den 1A und 1B verdeckt
dargestellten Rückseite des keramischen Bauelements 110 auskontaktiert
werden.
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Das
Aufbringen 124 der metallischen Folie 118, welches
allgemein als Laminierschritt bezeichnet wird, kann auf verschiedene
Weisen erfolgen. Beispielsweise können hierbei ein erhöhter
Druck und/oder eine erhöhte Temperatur eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich lassen sich auch Klebeschichten
zwischen die metallische Folie 118 und den Träger 126 einbringen.
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Im
Gegensatz zum Aufbringen einer bereits strukturierten metallischen
Folie 118 kann der Strukturierungsschritt auch gleichzeitig
mit dem Aufbringen 124 erfolgen. Ein Ausführungsbeispiel
einer derartigen gleichzeitigen Strukturierung und Laminierung ist
in 3B gezeigt. Als Beispiel ist hier ein Prägeverfahren
mit einem Prägestempel 132 dargestellt. Dieser
Prägestempel 132, welcher beispielsweise als metallischer
Block ausgestaltet sein kann, weist Vorsprünge 134 auf,
welche der späteren Struktur des Heizelements 116 bzw.
des Widerstandselements 114 entsprechen. Diese Vorsprünge 134 können
beispielsweise scharfkantig ausgestaltet sein und auch beheizt ausgestaltet
sein (Heißprägen).
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Ausgangspunkt
des dargestellten Prägeverfahrens ist beispielsweise eine
unstrukturierte metallische Folie 118, welche neben dem
metallischen Material auch ein oder mehrere Trägerfolien,
beispielsweise Kunststofffolien, umfassen kann, insbesondere auf
der dem Prägestempel 132 zuweisenden Seite. Beim
Prägen wird die metallische Folie 118 in den Bereichen
der Vorsprünge 134 auf den Träger 126 aufgebracht.
Anschließend kann die überschüssige metallische
Folie 118 vom Träger 126 abgezogen werden,
und lediglich das Widerstandselement 114 verbleibt auf
der Oberfläche des Trägers 126.
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In 3C ist
eine dritte Verfahrensvariante dargestellt, bei welcher die Strukturierung
vor und nach dem Aufbringen 126 der metallischen Folie 118 erfolgt.
Zu diesem Zweck wird zunächst in einem ersten Teilschritt
des Strukturierungsschritts eine strukturierte Klebeschicht 136 auf
den Träger 126 aufgebracht. Diese strukturierte
Klebeschicht 136 kann beispielsweise in ihrer Gestalt dergestalt
des späteren Heizelements 116 bzw. des Widerstandselements 114 entspre chen.
Anschließend wird die metallische Folie 118 unstrukturiert
auf die derart vorbereitete Oberfläche des Trägers 126 aufgebracht,
so dass die metallische Folie 118 auf die strukturierte Klebeschicht 136 aufgeklebt
wird. Die strukturierte Klebeschicht 136 verbindet also
in den Bereichen, in welchen später das Widerstandselement 114 entstehen
soll, die metallische Folie 118 und den Träger 126 stoffschlüssig,
wohingegen in den übrigen Bereichen keine Verbindung erfolgt.
Anschließend kann, beispielsweise nach einem vollständigen
oder teilweisen Aushärten der Klebeschicht 136,
ein Abziehen der übrigen, nicht benötigten metallischen
Folie 118 erfolgen. Dabei verbleiben lediglich die Bereiche, in
welchen die metallische Folie 118 auf der strukturierten
Klebeschicht 136 aufliegt, auf dem Träger 126,
wohingegen die übrigen Bereiche der metallischen Folie 118 abgezogen
werden. Zu diesem Zweck kann die metallische Folie 118 wiederum,
analog zur 3B, auch eine oder mehrere Trägerfolien umfassen,
beispielsweise Kunststofffolien, auf der der strukturierten Klebeschicht 136 abgewandten Seite
der metallischen Folie 118.
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Die
drei dargestellten Ausführungsbeispiele stellen lediglich
verschiedene Möglichkeiten der Realisierung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dar. Ein Grundgedanke basiert also in der Verwendung
einer metallischen Folie 118 anstelle oder zusätzlich
zu drucktechnisch hergestellten Dickschichtpasten. Naturgemäß können
weiterhin jedoch auch, beispielsweise zur Herstellung weiterer Bauelemente,
wie beispielsweise Elektroden eines Sensorelements 112, Dickschichttechniken
eingesetzt werden. Zudem kann das beschriebene Verfahren zur Herstellung des
keramischen Bauelements 110 eine Mehrzahl weiterer, in
den Figuren nicht dargestellter Verfahrensschritte umfassen, beispielsweise
zur Herstellung übriger Elemente des keramischen Bauelements 110 bzw.
Sensorelements 112. Beispielsweise können anschließend
ein oder mehrere Sinterschritte durchgeführt werden.
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Zur
Verdeutlichung der Vorteile der Verwendung einer metallischen Folie 118 anstelle
oder zusätzlich zur Verwendung von Dickschichtpasten sei die
folgende Beispielrechnung aufgeführt. So weist eine im
Siebdruck hergestellte Leiterbahn mit den gesinterten Maßen
L × B × H von 46 mm × 0,9 mm × 0,012
mm, was einer Leiterbahn eines 3 Ohm Heizers entspricht, einen Endwiderstand
von ca. 0,75 Ω bei 20°C auf. Rechnerisch hat die
gleiche Struktur aus reinem Platin mit einem spezifischen elektrischen
Widerstand von σ = 0,106 μΩm einen Wider stand
von R = σ·L/A = 0,106·46/(0,9·0,012)·10–6 Ω = 0,439 Ω.
Dies bedeutet eine Platinersparnis von ca. 43%. Alternativ ergibt
sich, da die reine Platin-Struktur keine Sinterschwindung aufweist,
aus den grünen Längenmaßen ein Widerstand
von 0,359 Ω, was einer Platinersparnis von ca. 52% entspricht.
Die Platin-Struktur wird vorzugsweise vor dem Sintern eingebracht.
Ob eine Sinterschwindung von typischerweise ca. 20% den Widerstand
hier noch beeinflusst, ist nicht im Detail bekannt.
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Weiterhin
ist an dem vorgeschlagenen Verfahren positiv zu vermerken, dass
die metallische Folie 118 ihren Widerstand während
eines Sinterprozesses im wesentlichen unverändert erhält.
Der Widerstand gedruckter Leiterbahnen hingegen ist in der Regel
auch von den Sinterparametern abhängig.
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Problematisch
bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist jedoch möglicherweise,
dass im Falle einer planaren Vielschichtstruktur eine Sinterschwindung,
beispielsweise eine Sinterschwindung des Trägers 126,
auftreten kann. Beispielsweise kann bei einem planaren Multilayer
auf ZrO2-Basis eine Sinterschwindung von
ca. 20% stattfinden. In diesem Fall wird die metallische Folie 118,
beispielsweise die Edelmetallfolie, entsprechend gestaucht. Da Edelmetalle
jedoch vergleichsweise flexibel sind und da sich eine derartige
Stauchung durch ein entsprechendes Design des Widerstandselements 114 ausgleichen
lässt, verkraftet das Widerstandselement 114 jedoch
diese Stauchung in der Regel störungsfrei. Beispielsweise
lassen sich in der Struktur des Heizelements 116 bzw. des
Widerstandselements 114 entsprechende Entlastungsschnitte
und/oder Entlastungsstrukturen vorsehen, welche bei der Stauchung
durch das Sintern zusammengepresst werden können, ohne
dass das Widerstandselement 114 beschädigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, Seite 154–159 [0001]