DE102009000853A1 - Verfahren zur Herstellung von keramischen Bauelementen - Google Patents

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Hans-Joerg Renz
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements (110) vorgeschlagen, insbesondere eines Sensorelements (112) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Das Bauelement (110) umfasst mindestens ein Widerstandselement (114), insbesondere mindestens ein Heizelement (116). Zur Herstellung des Widerstandselements (114) wird mindestens eine metallische Folie (118) in mindestens einem Laminierschritt auf einen Träger (126) aufgebracht und in mindestens einem Strukturierungsschritt strukturiert.

Description

  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Offenbarung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1A und 1B Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 eine Modifikation des in den 1A und 1B dargestellten Verfahrens mit einer Zwischenschicht zwischen Träger und Heizelement; und
  • 3A und 3C eine Übersicht über drei verschiedene Verfahrensvarianten des vorgeschlagenen Verfahrens.
  • Ausführungsbeispiele
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • - Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, Seite 154–159 [0001]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauelements (110), insbesondere eines Sensorelements (112) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, wobei das Bauelement (110) mindestens ein Widerstandselement (114) umfasst, insbesondere mindestens ein Heizelement (116), wobei zur Herstellung des Widerstandselements (114) mindestens eine metallische Folie (118) in mindestens einem Laminierschritt auf einen Träger (126) aufgebracht wird und in mindestens einem Strukturierungsschritt strukturiert wird.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die metallische Folie (118) eine Schichtdicke zwischen 1 μm und 50 μm, insbesondere zwischen 5 μm und 25 μm und besonders bevorzugt bei 15 μm aufweist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallische Folie (118) eine Platin-Folie umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (126) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst: ein keramisches Festelektrolytmaterial; ein keramisches Isolatormaterial.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strukturierungsschritt zumindest teilweise vor dem Laminierschritt durchgeführt wird und das Widerstandselement (114) zumindest teilweise als strukturiertes Widerstandselement (114) auf den Träger (126) aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strukturierungsschritt und der Laminierschritt zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden, wobei die metallische Folie (118) beim Aufbringen auf den Träger (126) zumindest teilweise zu dem Widerstandselement (114) strukturiert wird.
  7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Prägeverfahren verwendet wird, insbesondere ein Heißprägeverfahren.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strukturierungsschritt zumindest teilweise nach dem Laminierschritt durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Strukturierungsschritt mindestens einen ersten Teilschritt umfasst, wobei in dem ersten Teilschritt eine strukturierte Klebeschicht (136) auf den Träger (126) und/oder die metallische Folie (118) aufgebracht wird, wobei anschließend der Laminierschritt durchgeführt wird, wobei die metallische Folie (118) derart auf den Träger (126) aufgebracht wird, dass die strukturierte Klebeschicht (136) zwischen der metallischen Folie (118) und dem Träger (126) angeordnet ist, wobei anschließend mindestens ein zweiter Teilschritt des Strukturierungsschritts durchgeführt wird, wobei über die strukturierte Klebeschicht (136) überstehende Bestandteile der metallischen Folie (118) zumindest weitgehend entfernt werden.
  10. Keramisches Bauelement (110), insbesondere herstellbar nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement (110) mindestens ein Widerstandselement (114) umfasst, insbesondere mindestens ein Heizelement (116), wobei das Widerstandselement (114) mindestens eine metallische Folie (118) umfasst, welche auf mindestens einen Träger (126) des Bauelements (110) aufgebracht ist und/oder zwischen mindestens zwei Träger (126) des Bauelements (110) eingebettet ist.
  11. Keramisches Bauelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bauelement (110) mindestens ein Sensorelement (112) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum umfasst, insbesondere mindestens eine Lambdasonde, wobei das Widerstandselement (114) mindestens ein Heizelement (116) zur Beheizung des Sensorelements (112) und/oder mindestens einer Zelle des Sensorelements (112) umfasst.
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Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, Seite 154-159

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