DE102009055421A1 - Sensor element with improved gas access - Google Patents

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Gerhard 96175 Schneider
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes

Abstract

Es wird ein Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (114) vorgeschlagen. Das Sensorelement (110) umfasst einen Schichtaufbau (112) mit mindestens einer ersten Elektrode (118), mit mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mit mindestens einem die erste Elektrode (118) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (122). Die zweite Elektrode (124) ist durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus (112) von dem Messgasraum (114) getrennt ausgebildet. Die zweite Elektrode (124) ist über mindestens einen Gaszutrittsweg (128) mit dem Messgasraum (114) verbunden. Der Gaszutrittsweg (128) weist mindestens ein Gaszutrittsloch (130) in dem Schichtaufbau (112) auf. Das Gaszutrittsloch (130) weist mindestens zwei Bereiche (148, 152) unterschiedlichen Durchmessers auf.A sensor element (110) is proposed for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space (114). The sensor element (110) comprises a layer structure (112) with at least one first electrode (118), with at least one second electrode (124) and with at least one solid electrolyte (122) connecting the first electrode (118) and the second electrode (124). . The second electrode (124) is separated from the measurement gas space (114) by at least one layer of the layer structure (112). The second electrode (124) is connected to the measurement gas space (114) via at least one gas access path (128). The gas access path (128) has at least one gas access hole (130) in the layer structure (112). The gas access hole (130) has at least two areas (148, 152) of different diameters.

Description

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind Sensorelemente zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bekannt, welche auf der Verwendung eines oder mehrerer Festelektrolyte basieren. Festelektrolyte sind Festkörper, insbesondere keramische Festkörper, welche in der Lage sind, bestimmte Ionenarten zu leiten, beispielsweise Sauerstoffionen. Diese Eigenschaft tritt üblicherweise oberhalb einer Grenztemperatur oder eines Grenztemperaturbereichs auf. Typische Festelektrolyte sind beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid oder andere Arten von Metalloxiden, typischerweise dotierte Metalloxide. Derartige Sensorelemente werden beispielsweise zur Erfassung einer physikalischen und/oder einer chemischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum eingesetzt. Ein typisches Beispiel ist der qualitative und/oder quantitative Nachweis mindestens einer Gaskomponente in einem Gas des Messgasraums. Insbesondere kann es sich bei dieser Gaskomponente um Sauerstoff handeln. Auch andere Gaskomponenten sind jedoch grundsätzlich nachweisbar. Der Anteil der Gaskomponente kann beispielsweise als prozentualer Anteil oder auch als Partialdruck des Gases in dem Messgasraum erfasst werden. Beispiele derartiger Sensorelemente sind so genannte Lambdasonden, wie sie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154 bis 159 , beschrieben sind. Derartige Lambdasonden dienen dem Nachweis von Sauerstoff und werden beispielsweise im Abgastrakt von Brennkraftmaschinen oder in Verbrennungsanlagen eingesetzt. Lambdasonden sind beispielsweise als so genannte Sprungsonden oder auch als so genannte Breitbandsonden bekannt. Beispielsweise kann aus einer Nernstspannung direkt oder indirekt auf die Luftzahl λ geschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise aus einem Pumpstrom durch den Festelektrolyten auf den Sauerstoffanteil geschlossen werden.From the prior art sensor elements for detecting a property of a gas in a measuring gas space are known, which are based on the use of one or more solid electrolytes. Solid electrolytes are solids, in particular ceramic solids, which are capable of conducting certain types of ions, for example oxygen ions. This property usually occurs above a threshold temperature or a threshold temperature range. Typical solid electrolytes include yttria-stabilized zirconia or other types of metal oxides, typically doped metal oxides. Such sensor elements are used for example for detecting a physical and / or a chemical property of a gas in a measuring gas space. A typical example is the qualitative and / or quantitative detection of at least one gas component in a gas of the measuring gas space. In particular, this gas component may be oxygen. However, other gas components are basically detectable. The proportion of the gas component can be detected, for example, as a percentage or as a partial pressure of the gas in the sample gas space. Examples of such sensor elements are so-called lambda sensors, as they are for example in Robert Bosch GmbH: Sensors in motor vehicles, issue 2007, pages 154 to 159 , are described. Such lambda probes are used to detect oxygen and are used for example in the exhaust system of internal combustion engines or in incinerators. Lambda probes are known, for example, as so-called jump probes or else as so-called broadband probes. For example, it can be concluded from a Nernst voltage directly or indirectly to the air ratio λ. Alternatively or additionally, for example, be concluded from a pumping current through the solid electrolyte to the oxygen content.

Bei vielen Sensorelementen gemäß dem Stand der Technik ist mindestens eine der Elektroden, wobei beispielsweise zwei oder auch mehrere Elektroden vorgesehen sein können, im Inneren eines keramischen Schichtaufbaus angeordnet, also von mindestens einer Schicht des Schichtaufbaus bedeckt. In vielen Fällen steht diese innere Elektrode mit dem Messgasraum über ein so genanntes Gaszutrittsloch (GZL), welches den Schichtaufbau zumindest teilweise durchdringt, in Verbindung. Die Verbindung enthält typischerweise eine Diffusionsbarriere, welche außerhalb des Gaszutrittslochs angeordnet ist und welche ein Nachströmen von Sauerstoff zu der inneren Elektrode begrenzt. Das Gaszutrittsloch weist typischerweise eine zylindrische Form mit einheitlichem Durchmesser auf. Obwohl diese typischerweise von vergleichsweise einfacher Konstruktion und Ausgestaltung sind, müssen Gaszutrittslöcher eine Vielzahl von Anforderungen hinsichtlich ihrer Eigenschaften und hinsichtlich ihrer Herstellbarkeit erfüllen. So ist in vielen Fällen ein hoher Durchmesser des Gaszutrittslochs erforderlich, um einen offenen Gaszutritt einzustellen, so dass das Gaszutrittsloch selbst nicht als diffusionshemmendes Element wirkt. Beispielsweise sind bei moderneren Breitbandsonden mit einer Thermoschockschutzschicht (TSP) Gaszutrittslöcher mit Durchmessern von mehr als 0,45 mm erforderlich, um einen Gaszutritt offen zu halten. Weiterhin können bei der Herstellung der Gaszutrittslöcher Beschädigungen des Sensorelements auftreten. So werden Gaszutrittslöcher bei üblichen Herstellungsverfahren typischerweise in den keramischen Schichtaufbau gebohrt, bevor der Schichtaufbau dem endgültigen Sinterprozess unterzogen wird. Bei diesem Bohrverfahren können jedoch mechanische Beschädigungen oder Verunreinigungen auftreten. So können beispielsweise Diffusionsbarrieren im Inneren des Schichtaufbaus beschädigt werden. Der TSP wird in der Regel nachträglich mittels eines atmosphärischen Plasmasprayens aufgebracht. Typischerweise erfolgt dies unter einem Winkel von 60° zur Sensoroberfläche, wodurch eine Beschichtung der Sensor-Stirnfläche gewährleistet werden soll. Aufgrund des Sprühwinkels kann es zu einem TSP-Eintrag in das Gaszutrittsloch kommen, welcher die Diffusionsbarriere verunreinigen oder sogar verstopfen kann und damit den Diffusionswiderstand deutlich erhöhen kann.In many sensor elements according to the prior art, at least one of the electrodes, wherein, for example, two or more electrodes may be provided, is arranged in the interior of a ceramic layer structure, ie covered by at least one layer of the layer structure. In many cases, this inner electrode communicates with the measuring gas space via a so-called gas inlet hole (GZL), which at least partially penetrates the layer structure. The compound typically includes a diffusion barrier disposed outside the gas access hole and which limits post-flow of oxygen to the inner electrode. The gas inlet hole typically has a cylindrical shape of uniform diameter. Although typically of comparatively simple construction and design, gas access holes must meet a variety of requirements in terms of their properties and manufacturability. Thus, in many cases, a large diameter of the gas inlet hole is required to adjust an open gas inlet, so that the gas inlet hole itself does not act as a diffusion-inhibiting element. For example, more modern broadband probes with a thermal shock protection layer (TSP) require gas access holes with diameters greater than 0.45 mm to keep gas access open. Furthermore, damage to the sensor element may occur during the production of the gas access holes. Thus, in conventional manufacturing processes, gas access holes are typically drilled in the ceramic layer structure before undergoing the final sintering process. In this drilling process, however, mechanical damage or contamination may occur. For example, diffusion barriers in the interior of the layer structure can be damaged. The TSP is usually applied retrospectively by means of atmospheric plasma spraying. Typically, this is done at an angle of 60 ° to the sensor surface, whereby a coating of the sensor end face is to be ensured. Due to the spray angle, there may be a TSP entry into the gas access hole, which may contaminate or even clog the diffusion barrier and thus significantly increase the diffusion resistance.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es werden daher ein Sensorelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensorelemente und Herstellungsverfahren zumindest weitgehend vermeiden. Das vorgeschlagene Sensorelement kann insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein, und das vorgeschlagenen Verfahren kann insbesondere zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements eingesetzt werden. Grundsätzlich kann daher bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Beschreibung möglicher Ausgestaltungen des Sensorelements verwiesen werden und umgekehrt. Auch die Verwendung anderer Herstellungsverfahren und/oder die Herstellung anderer Arten von Sensorelementen ist jedoch grundsätzlich möglich.Therefore, a sensor element and a method for producing a sensor element are proposed which at least largely avoid the disadvantages of known sensor elements and production methods. The proposed sensor element can in particular be produced by a method according to the invention, and the proposed method can be used in particular for producing a sensor element according to the invention. In principle, therefore, with regard to possible embodiments of the method, reference may be made to the description of possible embodiments of the sensor element and vice versa. However, the use of other manufacturing methods and / or the production of other types of sensor elements is in principle possible.

Das vorgeschlagene Sensorelement dient der Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Wie oben dargestellt, kann es sich bei dieser mindestens einen Eigenschaft insbesondere um eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft handeln, insbesondere einen Anteil einer Gaskomponente in dem Gas, beispielsweise einen Sauerstoffanteil, welcher qualitativ und/oder quantitativ ermittelt werden kann und welcher beispielsweise in Prozent oder als Partialdruck ermittelt werden kann. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen dieser Sensorelemente kann grundsätzlich auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. Das Sensorelement kann insbesondere im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, beispielsweise im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors im Kraftfahrzeugbereich. Auch andere Einsatzgebiete sind möglich, beispielsweise ein Einsatz in Verbrennungsanlagen oder in der Prozesssteuerung.The proposed sensor element is used to detect at least one property of a gas in a sample gas space. As described above, this at least one property may be, in particular, a physical and / or chemical property, in particular a proportion of a gas component in the gas, for example an oxygen content which is qualitatively and / or or can be determined quantitatively and which can be determined, for example, in percent or as partial pressure. With regard to possible configurations of these sensor elements, reference may in principle be made to the above description of the prior art. Other configurations are possible in principle. The sensor element can be used in particular in the exhaust gas tract of an internal combustion engine, for example in the exhaust gas tract of an internal combustion engine in the motor vehicle sector. Other applications are possible, such as use in incinerators or in process control.

Das vorgeschlagene Sensorelement umfasst mindestens einen Schichtaufbau mit mindestens einer ersten Elektrode, mit mindestens einer zweiten Elektrode und mit mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Unter einem Schichtaufbau ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus bedingt unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein. Unter einem Festelektrolyten ist dabei, wie oben dargestellt, ein Festkörper zu verstehen, welcher, zumindest ab einer vorgegebenen Grenztemperatur, ionenleitende Eigenschaften aufweist für bestimmte Ionen, beispielsweise Sauerstoffionen. Insbesondere kann der Festelektrolyt ein Metalloxid umfassen, insbesondere ein dotiertes Metalloxid, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid. Auch andere Festelektrolytmaterialien sind einsetzbar. Unter einer Elektrode ist allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf den Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle wie beispielsweise Gold und/oder Palladium sind jedoch grundsätzlich einsetzbar und aus dem Stand der Technik bekannt.The proposed sensor element comprises at least one layer structure with at least one first electrode, with at least one second electrode and with at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. Under a layer structure is generally an element to understand, which has at least two superimposed layers and / or layer planes. The layers can be made conditionally distinguishable by the production of the layer structure and / or from different materials and / or starting materials. In particular, the layer structure can be designed completely or partially as a ceramic layer structure. A solid electrolyte is, as shown above, to be understood as meaning a solid which, at least above a predetermined limit temperature, has ion-conducting properties for certain ions, for example oxygen ions. In particular, the solid electrolyte may comprise a metal oxide, in particular a doped metal oxide, such as yttria-stabilized zirconia. Other solid electrolyte materials can be used. By an electrode is generally meant an element which is capable of contacting the solid electrolyte such that current can be maintained through the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode may comprise an element on which ions can be incorporated into the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte. Typically, the electrodes comprise a noble metal electrode, which may, for example, be applied to the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other noble metals such as gold and / or palladium are basically usable and known from the prior art.

Der Schichtaufbau kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf einander gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten angeordnet sind, beispielsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Festelektrolytschicht wie beispielsweise einer Festelektrolytfolie oder einer Festelektrolytpaste. Alternativ oder zusätzlich können die mindestens zwei Elektroden jedoch auch auf gleichen Seiten des Festelektrolyten angeordnet sein. Die Elektroden und der Festelektrolyt bilden vorzugsweise gemeinsam mindestens eine Zelle. Das Sensorelement kann als einzelliges Sensorelement ausgestaltet sein, mit lediglich einer einzelnen Zelle, die beispielsweise als Nernstzelle oder auch als Pumpzelle eingesetzt werden kann. Alternativ kann das Sensorelement jedoch auch als mehrzelliges Sensorelement ausgestaltet sein, mit mehreren derartigen Zellen, welche auch unterschiedliche Funktionen verwirklichen können. Beispielsweise kann mindestens eine Pumpzelle und zusätzlich mindestens eine Nernstzelle vorgesehen sein, wie unten exemplarisch noch beschrieben wird.The layer structure may, for example, be configured such that the first electrode and the second electrode are arranged on opposite sides of the solid electrolyte, for example on opposite sides of a solid electrolyte layer such as a solid electrolyte film or a solid electrolyte paste. Alternatively or additionally, however, the at least two electrodes can also be arranged on the same sides of the solid electrolyte. The electrodes and the solid electrolyte preferably together form at least one cell. The sensor element can be designed as a single-cell sensor element, with only a single cell, which can be used, for example, as a Nernst cell or as a pump cell. Alternatively, however, the sensor element can also be designed as a multicell sensor element, with a plurality of such cells, which can also realize different functions. For example, at least one pump cell and additionally at least one Nernst cell can be provided, as will be described below by way of example.

Mindestens eine der mindestens zwei Elektroden, welche im Folgenden auch als die zweite Elektrode bezeichnet wird (ohne eine Wichtung oder eine Reihenfolge dieser Elektroden vorzunehmen) ist dabei erfindungsgemäß im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet. In anderen Worten ist die zweite Elektrode durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus von dem Messgasraum getrennt ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei dieser mindestens einen Schicht um mindestens eine Festelektrolytschicht handeln. Die mindestens eine zweite Elektrode ist so in einer tieferen Schichtebene des Schichtaufbaus angeordnet, also in einer Schichtebene, welche entfernt von einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche des Festelektrolyten ausgestaltet ist. Die mindestens eine weitere Elektrode, also nach der hier verwendeten Nomenklatur die mindestens eine erste Elektrode, kann ebenfalls in einer tieferen Schichtebene angeordnet sein, kann jedoch auch oben angeordnet sein, also beispielsweise auf einer Oberfläche des Schichtaufbaus, welche dem Messgasraum zuweist. Beispielsweise kann die erste Elektrode als Außenelektrode ausgestaltet sein und von dem Messgasraum beispielsweise lediglich durch eine gasdurchlässige poröse Schutzschicht getrennt sein und ansonsten beispielsweise in einem unmittelbaren Gasaustausch mit dem Messgasraum stehen. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.At least one of the at least two electrodes, which is also referred to below as the second electrode (without performing a weighting or an order of these electrodes) is arranged according to the invention in the interior of the layer structure. In other words, the second electrode is formed separated from the sample gas space by at least one layer of the layer structure. In particular, this at least one layer may be at least one solid electrolyte layer. The at least one second electrode is thus arranged in a lower layer plane of the layer structure, that is to say in a layer plane which is configured away from a surface of the solid electrolyte facing the measurement gas space. The at least one further electrode, that is to say according to the nomenclature used here, the at least one first electrode, can likewise be arranged in a lower layer plane, but can also be arranged at the top, that is to say, for example, on a surface of the layer structure which assigns the measurement gas space. For example, the first electrode may be designed as an outer electrode and be separated from the measurement gas space, for example, only by a gas-permeable porous protective layer and otherwise be in direct gas exchange with the sample gas space, for example. Various configurations are possible.

Die mindestens eine zweite Elektrode ist dabei über mindestens einen Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum verbunden. Unter einem Gaszutrittsweg ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, über welches ein Austausch von Gas zwischen dem Messgasraum und der zweiten Elektrode stattfinden kann, wobei ein vollständiger Gasaustausch oder auch lediglich ein Austausch einzelner Gaskomponenten gewährleistet sein kann. Beispielsweise kann der Gaszutrittsweg eine oder mehrere Bohrungen, Kanäle, Öffnungen oder ähnliches umfassen. Der Gaszutrittsweg kann insbesondere ausgestaltet sein, um ein Nachströmen und/oder eine Nachdiffusion von Gas zu der zweiten Elektrode von dem Messgasraum oder in umgekehrter Richtung zu gewährleisten, beispielsweise ein Nachströmen und/oder eine Nachdiffusion von Sauerstoff. Der Gaszutrittsweg weist mindestens ein Gaszutrittsloch in dem Schichtaufbau auf. Unter einem Gaszutrittsloch ist dabei eine Öffnung zu verstehen, welche sich durch mindestens eine Schichtebene des Schichtaufbaus hindurch erstreckt, insbesondere durch die mindestens eine Schicht hindurch, welche die mindestens eine zweite Elektrode von dem Messgasraum trennt. Das Gaszutrittsloch kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden Querschnitt oder einen polygonalen Querschnitt. Das Gaszutrittsloch kann insbesondere senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus verlaufen und kann beispielsweise eine zylindrische Gestalt aufweisen, beispielsweise eine kreiszylindrische Gestalt.The at least one second electrode is connected via at least one Gaszutrittsweg with the sample gas space. In this context, a gas access path is generally understood to mean an element via which an exchange of gas can take place between the sample gas space and the second electrode, wherein a complete gas exchange or even an exchange of individual gas components can be ensured. For example, the Gaszufrittsweg one or more holes, Channels, openings or the like include. The gas inlet path may in particular be designed to ensure a subsequent flow and / or a postdiffusion of gas to the second electrode from the sample gas space or in the opposite direction, for example an afterflow and / or a postdiffusion of oxygen. The gas access path has at least one gas access hole in the layer structure. A gas access hole is to be understood as meaning an opening which extends through at least one layer plane of the layer structure, in particular through the at least one layer which separates the at least one second electrode from the measurement gas space. The gas inlet hole can basically have any desired cross section, for example a round cross section or a polygonal cross section. The gas access hole may in particular run perpendicular to the layer planes of the layer structure and may, for example, have a cylindrical shape, for example a circular cylindrical shape.

Erfindungsgemäß wird dabei vorgeschlagen, das Gaszutrittsloch derart auszugestalten, dass dieses mindestens zwei Bereiche unterschiedlichen Durchmessers aufweist. Unter einem Durchmesser ist dabei allgemein eine Quantifizierung einer lateralen Ausdehnung des Querschnitts des Gaszutrittslochs zu verstehen. Ist das Gaszutrittsloch beispielsweise von kreisförmigem Querschnitt, so ist unter dem Durchmesser der Durchmesser dieses Kreises zu verstehen. Liegt eine andere Querschnittsgeometrie vor, so kann unter dem Durchmesser beispielsweise ein Äquivalentdurchmesser verstanden werden, also der Durchmesser eines Kreises, welcher die gleiche Fläche aufweist wie der tatsächlich vorliegende Querschnitt. Die mindestens zwei Bereiche können beispielsweise entlang einer Achse des Gaszutrittslochs direkt oder indirekt aneinander angrenzen oder unterschiedliche Abschnitte auf dieser Achse einnehmen. Es können zwei oder auch mehr Bereiche vorgesehen sein.According to the invention it is proposed to design the gas inlet hole such that it has at least two regions of different diameters. A diameter is to be understood in general as a quantification of a lateral extent of the cross section of the gas access hole. If, for example, the gas inlet hole is of circular cross-section, then the diameter is to be understood as meaning the diameter of this circle. If another cross-sectional geometry is present, the diameter can be understood to mean, for example, an equivalent diameter, that is to say the diameter of a circle which has the same area as the actual cross-section. The at least two regions may, for example, directly or indirectly adjoin one another along an axis of the gas access hole or occupy different sections on this axis. There may be two or more areas.

Das Gaszutrittsloch kann in einer Oberfläche des Schichtaufbaus münden, beispielsweise in einer Oberfläche, welche dem Messgasraum zuweist. Das Gaszutrittsloch kann insbesondere an dieser Oberfläche seinen maximalen Durchmesser aufweisen. Ausgehend von dieser Oberfläche kann sich der Durchmesser des Gaszutrittslochs in den Schichtaufbau hinein, beispielsweise kontinuierlich und/oder stufenweise verringern. Beispielsweise kann eine stufenweise Verringerung derart vorgesehen sein, dass, ausgehend von der Oberfläche, zunächst ein erster Bereich mit einem ersten Durchmesser folgt, an welchen sich im Inneren des Schichtaufbaus mindestens ein zweiter Bereich direkt oder indirekt, das heißt nach einem Übergangsbereich, anschließt, welcher einen zweiten Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der erste Durchmesser. In diesem Fall kann das Gaszutrittsloch also beispielsweise eine gestufte Gestalt aufweisen. Die mindestens zwei Bereiche können also beispielsweise konisch, zylindrisch, abgerundet oder auf sonstige Weise ausgestaltet sein.The gas inlet hole may open in a surface of the layer structure, for example, in a surface which allocates to the measurement gas space. The gas inlet hole may have its maximum diameter, in particular on this surface. Starting from this surface, the diameter of the gas inlet hole may decrease into the layer structure, for example continuously and / or stepwise. For example, a stepwise reduction can be provided such that, starting from the surface, first follows a first region with a first diameter, at which at least a second region directly or indirectly, ie after a transition region, connects in the interior of the layer structure, which has a second diameter that is smaller than the first diameter. In this case, for example, the gas access hole may have a stepped shape. The at least two regions can therefore be, for example, conical, cylindrical, rounded or otherwise configured.

Dabei können die mindestens zwei Bereiche konzentrisch oder koaxial zueinander angeordnet sein, das heißt beispielsweise dieselbe Symmetrieachse oder Bohrungsachse aufweisen. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. So ist es bevorzugt, wenn die mindestens zwei Bereiche nicht konzentrisch bzw. nicht-koaxial zueinander angeordnet sind. So können die mindestens zwei Bereiche beispielsweise versetzt zueinander angeordnet sein. Unter einer versetzten Anordnung ist dabei eine Anordnung zu verstehen, bei welcher eine zentrale Achse oder Symmetrieachse eines oder mehrerer der Bereiche nicht mit einer zentralen Achse oder Symmetrieachse eines oder mehrerer anderer Bereiche des Gaszutrittslochs angeordnet ist. Beispielsweise kann dieser Versatz in einer Richtung senkrecht zur Erstreckung des Gaszutrittslochs erfolgen.In this case, the at least two regions may be arranged concentrically or coaxially to each other, that is, for example, have the same axis of symmetry or bore axis. However, this is not necessarily the case. It is thus preferred if the at least two regions are not arranged concentrically or non-coaxially with one another. For example, the at least two regions can be arranged offset from one another. An offset arrangement is understood to mean an arrangement in which a central axis or axis of symmetry of one or more of the regions is not arranged with a central axis or axis of symmetry of one or more other regions of the gas access hole. For example, this offset can take place in a direction perpendicular to the extension of the gas inlet hole.

Das Sensorelement kann beispielsweise eine Längserstreckungsachse parallel zu seiner Längserstreckung und parallel zu den Ebenen eines Schichtaufbaus aufweisen. Beispielsweise ragt das Sensorelement in Richtung dieser Längserstreckungsachse verkapselt oder unverkapselt in den Messgasraum hinein. Das am weitesten in Richtung des Messgasraums angeordnete Ende des Schichtaufbaus kann beispielsweise als Stirnseite bezeichnet werden. Die versetzte Anordnung kann insbesondere derart erfolgen, dass der erste Bereich, welcher einen größeren Durchmesser aufweist und näher an der Oberfläche angeordnet ist, im Vergleich zu dem mindestens einen zweiten Bereich mit geringerem Durchmesser von der Stirnseite weg versetzt ist. In anderen Worten kann beispielsweise die zentrale Achse oder Symmetrieachse des ersten Bereichs im Längserstreckungsrichtung weiter von der Stirnseite entfernt sein als die Achse oder Symmetrieachse des zweiten Bereichs, welcher tiefer im Schichtaufbau Sensorelements angeordnet ist.The sensor element may, for example, have a longitudinal axis parallel to its longitudinal extension and parallel to the planes of a layer structure. For example, the sensor element projects encapsulated or unencapsulated into the measurement gas space in the direction of this longitudinal extension axis. The end of the layer structure arranged furthest in the direction of the measuring gas space can be referred to, for example, as an end face. The staggered arrangement can in particular be such that the first area, which has a larger diameter and is arranged closer to the surface, is offset away from the end face in comparison to the at least one second area with a smaller diameter. In other words, for example, the central axis or axis of symmetry of the first region in the longitudinal direction can be further from the end face than the axis or axis of symmetry of the second region, which is arranged lower in the layer structure sensor element.

Diese versetzte Anordnung kann beispielsweise ein schräges Aufbringen mindestens einer Thermoschockschutzschicht begünstigen, ohne dass Material der Thermoschockschutzschicht ins Innere des Gaszutrittslochs gelangen kann. Insbesondere kann ein Spritzverfahren zum Aufbringen der mindestens einen Thermoschockschutzschicht verwendet werden, beispielsweise ein Plasmaspritzen oder Plasmasprayverfahren unter einem schrägen Winkel zu den Schichtebenen, also aus einer Richtung, welche von einer Normalen zum Schichtaufbau abweicht. Beispielsweise kann das Spritzverfahren derart eingesetzt werden, dass die Thermoschockschutzschicht auch auf die Stirnseite aufgebracht wird. Die versetzte Anordnung der mindestens zwei Bereiche, bei welcher beispielsweise der erste Bereich weiter von der Stirnseite weg versetzt ist als der mindestens eine zweite, tiefer liegende Bereich mit geringerem Durchmesser, kann ein Eindringen von Material der Thermoschockschutzschicht wirksam verhindern.This staggered arrangement may favor, for example, an oblique application of at least one thermal shock protection layer without material of the thermal shock protection layer being able to get into the interior of the gas access hole. In particular, a spraying method for applying the at least one thermal shock protective layer can be used, for example a plasma spraying or plasma spraying process at an oblique angle to the layer planes, ie from a direction which deviates from a normal to the layer structure. For example, the spray method can be used such that the thermal shock protection layer on the front side is applied. The staggered arrangement of the at least two regions, in which, for example, the first region is offset further away from the end face than the at least one second, lower-lying region of smaller diameter, can effectively prevent penetration of material of the thermal shock protective layer.

Beispielsweise kann eine Achse oder Symmetrieachse (beispielsweise eine Bohrungsachse und/oder eine Fräsungsachse) des ersten Bereichs um 50 bis 700 Mikrometer gegenüber einer Achse oder Symmetrieachse des zweiten Bereichs versetzt sein, beispielsweise von der Stirnseite weg, vorzugsweise um 80–500 Mikrometer und besonders bevorzugt um 115 bis 420 Mikrometer.For example, an axis or axis of symmetry (eg, a bore axis and / or a milling axis) of the first region may be offset by 50-700 microns from an axis or axis of symmetry of the second region, for example, away from the face, preferably 80-500 microns, and more preferably around 115 to 420 microns.

Das Gaszutrittsloch kann somit beispielsweise an der Oberfläche einen ersten Durchmesser aufweisen, wobei das Gaszutrittsloch mindestens einen ersten Bereich mit dem ersten Durchmesser und mindestens einen zweiten Bereich mit mindestens einem zweiten Durchmesser aufweist, wobei der zweite Bereich tiefer in dem Schichtaufbau angeordnet sein kann und wobei der zweite Durchmesser kleiner sein kann als der erste Durchmesser. Der erste Bereich und/oder der zweite Bereich und/oder gegebenenfalls vorhandene weitere Bereiche können zylindrisch oder konisch ausgebildet sein.Thus, for example, the gas inlet hole may have a first diameter at the surface, the gas access hole having at least a first region with the first diameter and at least a second region with at least a second diameter, wherein the second region may be disposed deeper in the layer structure and wherein second diameter may be smaller than the first diameter. The first region and / or the second region and / or optionally existing further regions may be cylindrical or conical.

Das Gaszutrittsloch kann insbesondere gestuft ausgebildet sein, insbesondere mit mindestens einem stufenförmigen oder als Schulter ausgebildeten Übergang zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich. Unter einem stufenförmigen Übergang ist dabei ein Übergang von einem ersten Durchmesser zu einem zweiten Durchmesser mit mindestens einer ebenen Fläche zu verstehen, welche sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse des Gaszutrittslochs erstreckt. Unter einer Schulter ist ein Übergang mit einer gekrümmten oder ebenen Fläche zu verstehen, wobei sich in letzterem Fall die Fläche vorzugsweise nicht-senkrecht, beispielsweise unter einem Winkel zwischen 80° und 10°, zu der Achse des Gaszutrittslochs erstrecken kann. Da der mindestens eine erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich auch gegeneinander versetzt angeordnet sein können, wie oben ausgeführt wurde, kann die Schulter entsprechend auch asymmetrisch ausgestaltet sein.In particular, the gas access hole can be stepped, in particular with at least one step-shaped or shoulder-shaped transition between the first region and the second region. A step-shaped transition is to be understood as a transition from a first diameter to a second diameter having at least one planar surface which extends substantially perpendicular to an axis of the gas access hole. By a shoulder is meant a transition having a curved or flat surface, in which case the surface may preferably extend non-perpendicularly, for example at an angle between 80 ° and 10 °, to the axis of the gas access hole. Since the at least one first region and the at least one second region can also be offset relative to one another, as stated above, the shoulder can also be configured asymmetrically.

Sind beispielsweise mindestens zwei Bereiche vorhanden, beispielsweise mindestens zwei Bereiche mit einer zylindrischen und/oder einer konischen Gestalt, wobei die mindestens zwei Bereiche mindestens einen ersten Durchmesser bzw. mindestens einen zweiten Durchmesser aufweisen, so kann der erste Durchmesser beispielsweise um einen Faktor k größer sein als der zweite Durchmesser. Der Faktor k kann insbesondere größer sein als 1,2, vorzugsweise größer als 1,8 und besonders bevorzugt mindestens 2,0 betragen. Der Faktor k kann insbesondere im Bereich von 1,2 bis 5 liegen, vorzugsweise im Bereich von 1,8 bis 4,0 und besonders bevorzugt im Bereich von 2,0 bis 3,0.If, for example, at least two regions are present, for example at least two regions with a cylindrical and / or a conical shape, wherein the at least two regions have at least one first diameter or at least one second diameter, the first diameter can be larger by a factor k, for example as the second diameter. The factor k may in particular be greater than 1.2, preferably greater than 1.8 and more preferably at least 2.0. In particular, the factor k can be in the range from 1.2 to 5, preferably in the range from 1.8 to 4.0 and particularly preferably in the range from 2.0 to 3.0.

Sind mindestens zwei Bereiche mit mindestens zwei Durchmessern, also mindestens einem ersten Durchmesser und mindestens einem zweiten Durchmesser, vorgesehen, wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser, so kann der erste Durchmesser beispielsweise im Bereich von 0,15 mm bis 1,0 mm liegen, insbesondere im Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 mm bis 0,75 mm. Der zweite Durchmesser kann insbesondere im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,2 mm bis 0,4 mm und besonders bevorzugt bei 0,25 mm liegen. Beispielsweise kann der erste Durchmesser 0,6 mm oder 0,8 mm oder 1,0 mm betragen. Der zweite Durchmesser kann beispielsweise 0,25 mm betragen. Beispielsweise kann der erste Durchmesser 0,8 mm sein und der zweite Durchmesser 0,25 mm.If at least two regions with at least two diameters, that is to say at least one first diameter and at least one second diameter, are provided, wherein the first diameter is greater than the second diameter, the first diameter can be, for example, in the range from 0.15 mm to 1.0 mm, in particular in the range of 0.4 mm to 0.8 mm and more preferably in the range of 0.5 mm to 0.75 mm. The second diameter may in particular be in the range of 0.1 mm to 0.5 mm, in particular in the range of 0.2 mm to 0.4 mm and particularly preferably 0.25 mm. For example, the first diameter may be 0.6 mm or 0.8 mm or 1.0 mm. The second diameter may be, for example, 0.25 mm. For example, the first diameter may be 0.8 mm and the second diameter 0.25 mm.

Die mindestens eine zweite Elektrode kann insbesondere in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Dieser Elektrodenhohlraum kann im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet sein und kann beispielsweise als offener Hohlraum ausgestaltet sein. Alternativ kann dieser Elektrodenhohlraum auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen, porösen Material gefüllt sein, beispielsweise einem gasdurchlässigen Aluminiumoxid. Der Elektrodenhohlraum kann insbesondere über mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Gaszutrittsloch verbunden sein. In diesem Fall umfasst der Gaszutrittsweg zu der mindestens einen zweiten Elektrode also das Gaszutrittsloch, die Diffusionsbarriere oder einen Kanal, in weichem die Diffusionsbarriere angeordnet ist, sowie den Elektrodenhohlraum. Unter eine Diffusionsbarriere ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, welches ein unmittelbares Nachströmen von Gas aus dem Gaszutrittsloch in den Elektrodenhohlraum verhindert oder zumindest bremst. Eine Diffusionsbarriere ist also ein Element, welche einen hohen Strömungswiderstand bereitstellt, wohingegen eine Diffusion von Gas oder Gaskomponenten durch die Diffusionsbarriere vergleichsweise einfach möglich ist. Die Diffusionsbarriere kann beispielsweise ein poröses keramisches Element umfassen, insbesondere ein feinporiges Aluminiumoxid. Ist eine derartige Diffusionsbarriere vorgesehen, so ist es besonders bevorzugt, wenn diese Diffusionsbarriere gegenüber dem Gaszutrittsloch zurückversetzt ausgebildet ist. Unter einer zurückversetzten Diffusionsbarriere ist dabei eine Diffusionsbarriere zu verstehen, welche nicht unmittelbar an das Gaszutrittsloch angrenzt sondern gegenüber diesem zurückgezogen ist. Beispielsweise kann die Diffusionsbarriere in einem Kanal oder einer sonstigen Öffnung angeordnet sein, welche Bestandteil des Gaszutrittswegs ist, wobei jedoch die Diffusionsbarriere nicht bis unmittelbar an den Übergang zwischen diesem Kanal bzw. dieser Öffnung und dem Gaszutrittsloch heranreicht sondern von diesem Übergang beabstandet endet. Beispielsweise kann die Diffusionsbarriere um einen Abstand von mindestens 0,05 mm, vorzugsweise von mindestens 0,1 oder sogar mindestens 0,2 mm von diesem Übergang enden. Der Vorteil dieser zurückversetzten oder zurückgezogenen Diffusionsbarriere besteht, wie unten noch näher ausgeführt wird, darin, dass diese beim Herstellen des Gaszutrittslochs nicht beschädigt wird, wodurch eine Verschmutzung der Diffusionsbarriere auftreten könnte oder wodurch Unregelmäßigkeiten bei der Einstellung des Grenzstroms, welcher durch die Breite der Diffusionsbarriere bestimmt wird, auftreten könnten. Zudem verbessert die genannte Ausgestaltung eine Dauerlaufstabilität im Betrieb, insbesondere hinsichtlich einer Versottung, beispielsweise durch Partikel aus Asche (beispielsweise Ölasche) und/oder Metalloxiden.The at least one second electrode can be arranged in particular in an electrode cavity. This electrode cavity can be arranged in the interior of the layer structure and can be designed, for example, as an open cavity. Alternatively, this electrode cavity may also be completely or partially filled with a gas-permeable, porous material, for example a gas-permeable aluminum oxide. The electrode cavity can in particular be connected to the gas inlet hole via at least one diffusion barrier. In this case, the gas access path to the at least one second electrode thus includes the gas inlet hole, the diffusion barrier or a channel in which the diffusion barrier is arranged, and the electrode cavity. In this case, a diffusion barrier is generally understood to mean an element which prevents or at least brakes an immediate subsequent flow of gas from the gas inlet hole into the electrode cavity. A diffusion barrier is thus an element which provides a high flow resistance, whereas a diffusion of gas or gas components through the diffusion barrier is comparatively easily possible. The diffusion barrier may comprise, for example, a porous ceramic element, in particular a fine-pored alumina. If such a diffusion barrier is provided, then it is particularly preferred if this diffusion barrier is formed offset from the gas inlet hole. A staggered diffusion barrier is to be understood as meaning a diffusion barrier which does not directly adjoin the gas access hole but is retracted relative to it. For example, the diffusion barrier in a channel or other opening, which is part of the Gaszufrittswegs, but the diffusion barrier does not reach right up to the transition between this channel and this opening and the gas inlet hole but ends spaced from this transition. For example, the diffusion barrier may end by a distance of at least 0.05 mm, preferably of at least 0.1 or even at least 0.2 mm from this transition. The advantage of this recessed or retreated diffusion barrier, as will be explained below, is that it will not be damaged in making the gas access hole, which could cause fouling of the diffusion barrier or irregularities in the adjustment of the limiting current passing through the width of the diffusion barrier is determined could occur. In addition, said embodiment improves a continuous running stability during operation, in particular with regard to sooting, for example by particles of ash (for example oil ash) and / or metal oxides.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, insbesondere eines Sensorelements gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen. Bei dem Verfahren wird ein Schichtaufbau mit mindestens einer ersten Elektrode, mit mindestens einer zweiten Elektrode und mit mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten hergestellt. Beispielsweise kann dieser Schichtaufbau durch Verwendung von Folientechniken und/oder von Dickschichttechniken und/oder anderen keramischen Schichttechniken hergestellt werden. Die zweite Elektrode wird dabei durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus von dem Messgasraum getrennt ausgebildet, insbesondere durch mindestens eine Schicht des Festelektrolyten. Die zweite Elektrode wird über mindestens einen Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum verbunden, wobei der Gaszutrittsweg mindestens ein Gaszutrittsloch im Schichtaufbau aufweist. Das Gaszutrittsloch wird dabei erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass dieses mindestens zwei Bereiche unterschiedlichen Durchmessers aufweist. Für weitere Ausgestaltung kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden.In a further aspect of the present invention, a method is proposed for producing a sensor element for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, in particular a sensor element according to one or more of the embodiments described above. In the method, a layer structure is produced with at least one first electrode, with at least one second electrode and with at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. For example, this layer construction can be made using film techniques and / or thick film techniques and / or other ceramic layering techniques. The second electrode is formed by at least one layer of the layer structure separated from the sample gas space, in particular by at least one layer of the solid electrolyte. The second electrode is connected via at least one Gaszutrittsweg with the sample gas space, wherein the Gaszutrittsweg has at least one gas inlet hole in the layer structure. The gas inlet hole is inventively designed such that it has at least two regions of different diameters. For further embodiment, reference may be made to the above description.

Die Herstellung des Gaszutrittslochs kann dabei auf verschiedene Weisen erfolgen. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gaszutrittsloch unter Verwendung mindestens eines mechanischen Bohrverfahrens und/oder mindestens eines mechanischen Fräsverfahrens erzeugt wird.The production of the gas access hole can be done in various ways. It is particularly preferred if the gas access hole is produced using at least one mechanical drilling method and / or at least one mechanical milling method.

Sind, wie oben ausgeführt, mindestens zwei Bereiche vorgesehen, so kann insbesondere ein Bohrverfahren mit mindestens einem Stufenbohrer verwendet werden. Unter einem Stufenbohrer ist dabei ein Bohrer zu verstehen, welcher mindestens zwei axial zueinander versetzt angeordnete Bohrabschnitte unterschiedlichen Durchmessers aufweist. Zwischen diesen Bohrabschnitten können Übergänge ausgebildet sein, wie beispielsweise Schultern. Ein Bohrverfahren mit einem Stufenbohrer kann jedoch in der Regel nur bei koaxial oder konzentrisch zueinander ausgerichteten Bereichen eingesetzt werden. Bei zueinander versetzten Bereichen können beispielsweise mehrfach-Bohrungen eingesetzt werden, beispielsweise mindestens eine erste Bohrung zur Herstellung des ersten Bereich und mindestens eine zweite Bohrung zur Herstellung des zweiten Bereich, wobei die Bohrungsachsen gegeneinander versetzt angeordnet werden können. Alternativ oder zusätzlich zu dem mechanischen Bohrverfahren kann auch ein mechanisches Fräsverfahren eingesetzt werden. Ein derartiges Fräsverfahren kann auch zur Herstellung gegeneinander versetzter Bereiche eingesetzt werden, wobei ein einziger Frässchritt verwendet werden kann, oder auch mehrere Frässchritte, beispielsweise separate Frässchritte für den mindestens einen ersten Bereich und den mindestens einen zweiten Bereich.If, as stated above, at least two regions are provided, then in particular a drilling method with at least one stepped drill can be used. Under a stepped drill is to understand a drill, which has at least two axially offset from each other arranged drill sections of different diameters. Transitions may be formed between these drill portions, such as shoulders. However, a boring method with a stepped drill bit can usually only be used in coaxial or concentrically aligned areas. In mutually offset areas, for example, multiple holes can be used, for example, at least one first bore for producing the first region and at least one second bore for producing the second region, wherein the bore axes can be arranged offset from one another. Alternatively or in addition to the mechanical drilling method, a mechanical milling method can also be used. Such a milling method can also be used to produce staggered areas, wherein a single milling step can be used, or even several milling steps, for example, separate milling steps for the at least one first area and the at least one second area.

Jedoch auch mindestens ein weiteres Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise ein Laserbohrverfahren oder eine andere Art eines Bohr- und/oder Stanzverfahrens. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.However, at least one further method can also be used, for example a laser drilling method or another type of drilling and / or punching method. Various configurations are possible.

Das mindestens eine Bohrverfahren kann insbesondere zu einem Zeitpunkt der Herstellung eingesetzt werden, zu welchem der Schichtaufbau nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Beispielsweise kann das Bohrverfahren zu einem Zeitpunkt eingesetzt werden, zu welchem der Schichtaufbau in einem Grünlings-Zustand und/oder in einem Braunlings-Zustand vorliegt, also noch nicht vollständig ausgehärtet ist, wobei die eigentliche Aushärtung in mindestens einem nachgelagerten Temperaturbehandlungsschritt, dem so genannten Sinterschritt, hergestellt wird.The at least one drilling method can be used in particular at a point in time of production to which the layer structure is not cured or not yet fully cured. For example, the drilling method can be used at a point in time at which the layer structure is present in a green state and / or in a brown state, ie not yet fully cured, the actual curing taking place in at least one subsequent temperature treatment step, the so-called sintering step , will be produced.

Das vorgeschlagene Sensorelement sowie das vorgeschlagene Herstellungsverfahren weisen gegenüber bekannten Sensorelementen und bekannten Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So erhöht das Gaszutrittsloch mit den Bereichen unterschiedlichen Durchmessers, beispielsweise das abgestufte Gaszutrittsloch, insbesondere das versetzt abgestufte Gaszutrittsloch, grundsätzlich die Herstellbarkeit und die Funktionalität des Sensorelements. Dies macht sich insbesondere bei Breitbandsensorelementen vorteilhaft bemerkbar. Insbesondere lassen sich Gaszutrittslöcher mit großem Durchmesser herstellen, beispielsweise mit einem Durchmesser von mehr als 0,45 mm. Auf diese Weise lässt sich insbesondere ein offener Gaszutritt einstellen oder gewährleisten. Ohne gestuftes Gaszutrittsloch oder ohne Realisierung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Gaszutrittslochs bestünde dabei jedoch grundsätzlich die Gefahr, dass die mindestens eine Diffusionsbarriere beim Herstellen des Gaszutrittsloch beschädigt wird, beispielsweise angebohrt wird. Hierdurch kann es zu einer zusätzlichen Streuung des Grenzstroms führen. Zudem kann bei diesem herkömmlichen Verfahren eine zurückgezogene Diffusionsbarriere, welche nicht unmittelbar an das Gaszutrittsloch angrenzt, nicht mehr vollständig gewährleistet werden. Bei derartigen Diffusionsbarrieren, welche unmittelbar an das Gaszutrittsloch angrenzen, besteht jedoch grundsätzlich im Betrieb des Sensorelements die Gefahr, dass die Diffusionsbarriere durch Verunreinigungen aus dem Messgasraum beschmutzt wird, was typischerweise als Versottung bezeichnet wird. Hierdurch kann sich wiederum der durch die Diffusionsbarriere maßgeblich beeinflusste Grenzstrom ändern, welcher maßgeblich von den Diffusionseigenschaften der Diffusionsbarriere abhängen kann. Erfindungsgemäß kann das Gaszutrittsloch jedoch nunmehr derart ausgestaltet werden, dass dies insbesondere im Bereich der Diffusionsbarriere einen kleineren Durchmesser aufweist, so dass nach wie vor eine zurückgezogene Diffusionsbarriere möglich ist. Hierdurch kann sowohl die Gefahr einer Beschädigung der Diffusionsbarriere als auch die Gefahr einer Versottung der Diffusionsbarriere vermieden werden.The proposed sensor element and the proposed manufacturing method have numerous advantages over known sensor elements and known methods. Thus, the gas inlet hole having the different diameter portions, for example, the stepped gas inlet hole, particularly the staggered gas inlet hole, basically increases the manufacturability and the functionality of the sensor element. This is particularly noticeable in broadband sensor elements. In particular, large diameter gas access holes can be made, for example, with a diameter greater than 0.45 mm. That way in particular open or ensure open gas access. However, without a stepped gas access hole or without realizing the inventive design of the gas access hole, there would basically be the risk that the at least one diffusion barrier would be damaged during the production of the gas access hole, for example being drilled. This can lead to an additional scattering of the limiting current. In addition, in this conventional method, a retreated diffusion barrier, which does not immediately adjoin the gas access hole, can no longer be completely ensured. However, in the case of such diffusion barriers, which adjoin the gas access hole directly, there is in principle the danger during operation of the sensor element that the diffusion barrier is contaminated by impurities from the sample gas space, which is typically referred to as sooting. As a result, in turn, the limiting current, which is decisively influenced by the diffusion barrier, can change, which can depend decisively on the diffusion properties of the diffusion barrier. According to the invention, however, the gas access hole can now be configured such that this has a smaller diameter, in particular in the region of the diffusion barrier, so that a retracted diffusion barrier is still possible. In this way, both the risk of damaging the diffusion barrier and the risk of sooting of the diffusion barrier can be avoided.

Weiterhin kann das Sensorelement mindestens eine Thermoschockschutzschicht (TSP) aufweisen. Diese mindestens eine Thermoschockschutzschicht kann beispielsweise auf mindestens einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche des Schichtaufbaus angeordnet sein und/oder auf einer Stirnfläche des Schichtaufbaus. Derartige Thermoschockschutzschichten werden beispielsweise in DE 10 2004 054 014 A1 beschrieben. Die Thermoschockschutzschichten umfassen typischerweise zwei oder mehr Schichten, welche das Thermoschockverhalten des Schichtaufbaus verbessern und beispielsweise Rissbildungen im Keramikkörper verhindern oder zumindest vermindern. Durch die Ausgestaltung des Gaszutrittslochs mit unterschiedlichen Durchmessern, beispielsweise die gestufte Ausgestaltung des Gaszutrittslochs, insbesondere die versetzt gestufte Ausgestaltung, kann verhindert werden, dass Material der Thermoschockschutzschicht ins Innere des Schichtaufbaus getragen werden, insbesondere hin zur Diffusionsbarriere. Wie oben ausgeführt, kann die Thermoschockschutzschicht beispielsweise nach einem Sinterprozess des Schichtaufbaus aufgebracht werden. Als Beschichtungsverfahren kann beispielsweise ein Spritzverfahren eingesetzt werden, optional in Kombination mit anderen Beschichtungsverfahren. Durch die gestufte Ausgestaltung des Gaszutrittslochs, insbesondere mit versetzten Bereichen, kann eine Verunreinigung tieferer Schichtebenen verhindert werden, welche zu einer Absenkung und einer zusätzlichen Streuung des Grenzstroms führen könnten. Insbesondere kann verhindert werden, dass Material der Thermoschockschutzschicht zur Diffusionsbarriere gelangt.Furthermore, the sensor element can have at least one thermal shock protection layer (TSP). This at least one thermal shock protection layer may, for example, be arranged on at least one surface of the layer structure facing the measurement gas space and / or on an end face of the layer structure. Such thermal shock protection layers are, for example, in DE 10 2004 054 014 A1 described. The thermal shock protective layers typically comprise two or more layers, which improve the thermal shock behavior of the layer structure and prevent or at least reduce, for example, cracking in the ceramic body. By configuring the gas inlet hole with different diameters, for example the stepped configuration of the gas access hole, in particular the staggered configuration, it is possible to prevent the material of the thermal shock protection layer from being carried into the interior of the layer structure, in particular towards the diffusion barrier. As stated above, the thermal shock protection layer can be applied, for example, after a sintering process of the layer structure. As a coating method, for example, a spraying method can be used, optionally in combination with other coating methods. Due to the stepped design of the gas inlet hole, in particular with offset areas, contamination of deeper layer planes can be prevented, which could lead to a reduction and an additional scattering of the limiting current. In particular, it can be prevented that material of the thermal shock protection layer reaches the diffusion barrier.

Mit einem Stufenbohrer und/oder einem Fräser kann insbesondere ein Gaszutrittsloch hergestellt werden, dessen unterer Durchmesser beispielsweise 0,25 mm beträgt, was dem Durchmesser üblicher Gaszutrittslöcher entspricht. Im oberen Bereich, also im Bereich der Oberfläche, kann mindestens ein zweiter Bereich mit einem größeren Durchmesser vorgesehen werden, beispielsweise einem Durchmesser von 0,6 mm, 0,8 mm oder 1,0 mm. Auf diese Weise kann im Bereich der Oberfläche ein offener Gaszutritt gewährleistet werden, beispielsweise auch nach der Beschichtung mit der Thermoschockschutzschicht. Bedingt durch das Gaszutrittslochs-Design wird ein Eintrag von Thermoschockschutzschicht-Material in den unteren, vorzugsweise schmaleren Teil des Gaszutrittslochs beim Beschichten und/oder beim Herstellen der Thermoschockschutzschicht, was beispielsweise nach dem Bohren des Gaszutrittslochs erfolgen kann, unterbunden werden. Zusammenfassend verringert das vorgeschlagene Gaszutrittslochs-Design, insbesondere das versetzt gestufte Design, die Streuung des Grenzstroms, erhöht die Versottungsresistenz der Diffusionsbarriere und erhöht die Dauerlaufstabilität.In particular, a stepping drill and / or a milling cutter can be used to produce a gas inlet hole whose lower diameter is, for example, 0.25 mm, which corresponds to the diameter of conventional gas inlet holes. In the upper region, ie in the region of the surface, at least one second region with a larger diameter can be provided, for example a diameter of 0.6 mm, 0.8 mm or 1.0 mm. In this way, an open gas access can be ensured in the region of the surface, for example, even after the coating with the thermal shock protective layer. Due to the gas access hole design, an entry of thermal shock protection layer material into the lower, preferably narrower part of the gas access hole during coating and / or during the production of the thermal shock protection layer, which can take place after drilling of the gas access hole, for example. In summary, the proposed gas access hole design, particularly the staggered design, reduces the spread of the boundary current, increases the soot resistance of the diffusion barrier, and increases the endurance stability.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail in the following description.

Es zeigen:Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements und eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens; und 1 a first embodiment of a sensor element according to the invention and a manufacturing method according to the invention; and

2 bis 4 verschiedene Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit versetzt gestuftem Gaszutrittsloch. 2 to 4 different views of a second embodiment of a sensor element according to the invention with staggered stepped gas inlet hole.

Ausführungsbeispieleembodiments

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 dargestellt. Anhand dieser Darstellung soll auch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens eines derartigen Sensorelements 110 erläutert werden. Das Sensorelement 110 weist einen Schichtaufbau 112 auf, welcher in einem keramischen Folien- und/oder Dickschichtverfahren hergestellt werden kann. Der Schichtaufbau 112 umfasst eine einem Messgasraum 114 zuweisende Oberfläche 116, auf welcher eine erste Elektrode 118 angeordnet ist. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die erste Elektrode 118 beispielsweise ringförmig ausgestaltet sein, da das Sensorelement 110 in 1 in weiten Teilen einen rotationssymmetrischen Aufbau aufweisen kann. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Die erste Elektrode 118 ist von dem Messgasraum 114 beispielsweise durch eine gasdurchlässige Schutzschicht 120 getrennt. Weiterhin umfasst der Schichtaufbau 112 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen oder mehrere Festelektrolyte 122. Beispielsweise können diese Festelektrolyte 122 als Festelektrolytfolien und/oder mittels Dickschicht-Technik hergestellt sein. Beispielsweise kann der Festelektrolyt 122 Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) umfassen.In 1 is a first embodiment of a sensor element according to the invention 110 shown. On the basis of this illustration is also an embodiment of a manufacturing method according to the invention of such a sensor element 110 be explained. The sensor element 110 has a layer structure 112 which can be produced in a ceramic film and / or thick film process. The layer structure 112 includes a measuring gas space 114 assigning surface 116 on which a first electrode 118 is arranged. In the in 1 illustrated embodiment, the first electrode 118 be designed, for example, annular, since the sensor element 110 in 1 can have a rotationally symmetrical structure in large parts. However, other embodiments are possible. The first electrode 118 is from the sample gas chamber 114 for example, by a gas-permeable protective layer 120 separated. Furthermore, the layer structure comprises 112 in the illustrated embodiment, one or more solid electrolytes 122 , For example, these solid electrolytes 122 be produced as solid electrolyte films and / or by means of thick-film technology. For example, the solid electrolyte 122 Yttrium-stabilized zirconia (YSZ).

Weiterhin umfasst der Schichtaufbau 112 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf einer der ersten Elektrode 118 gegenüberliegenden Seite des Festelektrolyten 122 mindestens eine zweite Elektrode 124. Diese zweite Elektrode 124 kann beispielsweise ebenfalls wiederum rotationssymmetrisch angeordnet sein und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrteilig ausgestaltet. Die zweite Elektrode 124 ist in einem Elektrodenhohlraum 126 angeordnet. Der Elektrodenhohlraum 126 ist Teil eines Gaszutrittswegs 128, über welchen die zweite Elektrode 124 mit dem Messgasraum 114 in Verbindung steht. Als weiteren Bestandteil umfasst der Gaszutrittsweg 128 ein Gaszutrittsloch 130, welches sich senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus 112 von der Oberfläche 116 aus ins Innere des Schichtaufbaus 112 erstreckt. Der Elektrodenhohlraum 126 kann beispielsweise das Gaszutrittsloch 130 ringförmig umgeben. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Zwischen dem Gaszutrittsloch 130 und dem Elektrodenhohlraum 126 ist ein Kanal 132 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 128 ist. In diesem Kanal 132 ist eine Diffusionsbarriere 134 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum 114 in den Elektrodenhohlraum 126 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere 134 lässt sich ein Grenzstrom einer die erste Elektrode 118, die zweite Elektrode 124 und den Festelektrolyten 122 umfassenden Pumpzelle 136 einstellen.Furthermore, the layer structure comprises 112 in the embodiment according to 1 on one of the first electrode 118 opposite side of the solid electrolyte 122 at least one second electrode 124 , This second electrode 124 For example, it may likewise be arranged rotationally symmetrical again and is designed in several parts in the illustrated embodiment. The second electrode 124 is in an electrode cavity 126 arranged. The electrode cavity 126 is part of a gas access route 128 over which the second electrode 124 with the sample gas chamber 114 communicates. As another component, the Gaszufrittsweg includes 128 a gas entry hole 130 which is perpendicular to the layer planes of the layer structure 112 from the surface 116 out into the interior of the layer structure 112 extends. The electrode cavity 126 For example, the gas entry hole 130 surrounded by a ring. Other embodiments are possible. Between the gas access hole 130 and the electrode cavity 126 is a channel 132 arranged, which is also part of the Gaszutrittswegs 128 is. In this channel 132 is a diffusion barrier 134 arranged, which is a subsequent flow of gas from the sample gas space 114 into the electrode cavity 126 diminished or even prevented and only allows diffusion. About this diffusion barrier 134 can be a limiting current of the first electrode 118 , the second electrode 124 and the solid electrolyte 122 comprehensive pumping cell 136 to adjust.

Weiterhin umfasst das Sensorelement 110 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Luftreferenzkanal 138, welcher beispielsweise mit einer Umgebung mit bekanntem Sauerstoffgehalt verbunden sein kann. In diesem Luftreferenzkanal 138 kann beispielsweise eine Referenzelektrode 140 angeordnet sein. Über diese Referenzelektrode 140 und die zweite Elektrode 124 oder eine weitere in dem Elektrodenhohlraum 126 angeordnete Messelektrode kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 136 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 126 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Weiterhin kann das Sensorelement 110 mindestens ein Heizelement 142 umfassen, mittels dessen die Temperatur des Festelektrolyten 122 und/oder des gesamten Schichtaufbaus 112 oder von Teilen davon auf eine Arbeitstemperatur eingestellt werden kann. Das Heizelement 142 kann auch eine oder mehrere Isolationsschichten 144 umfassen.Furthermore, the sensor element comprises 110 in the illustrated embodiment, an air reference channel 138 which may be associated, for example, with an environment of known oxygen content. In this air reference channel 138 For example, a reference electrode 140 be arranged. About this reference electrode 140 and the second electrode 124 or another in the electrode cavity 126 arranged measuring electrode, for example, a pumping current through the pumping cell 136 be adjusted so that in the electrode cavity 126 the condition λ = 1 or another known composition prevails. Furthermore, the sensor element 110 at least one heating element 142 include, by means of which the temperature of the solid electrolyte 122 and / or the entire layer structure 112 or parts thereof can be adjusted to a working temperature. The heating element 142 can also have one or more isolation layers 144 include.

Das Sensorelement 110 ist somit in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als zweizelliges Sensorelement ausgestaltet, welches neben der Pumpzelle 136 weiterhin eine die Referenzelektrode 140, den Festelektrolyten 122 und die zweite Elektrode 124 und/oder eine weitere, in dem Elektrodenhohlraum 126 angeordnete Messelektrode umfassende Messzelle 146 umfasst. Das Sensorelement 110 kann beispielsweise als Breitbandsonde ausgestaltet sein und kann beispielsweise insoweit bekannten, kommerziell verfügbaren Sensorelementen 110 entsprechen, beispielsweise Sensorelementen vom Typ LSU 4.9. Weiterhin kann auf der Oberfläche 116 eine Thermoschockschutzschicht (TSP) zur Vermeidung von Beschädigungen des Schichtaufbaus 112 durch Thermoschockbelastungen aufgebracht sein. Weiterhin ist in 1 erkennbar, dass das Gaszutrittsloch 130 erfindungsgemäß mehrere Bereiche aufweist. So ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, ausgehend von der Oberfläche 116, zunächst ein erster Bereich 148 mit einem ersten Durchmesser d1 vorgesehen, an welchen sich, nach einem Schulter-förmigen Übergangsbereich 150 ein zweiter Bereich 152 anschließt, welcher einen Durchmesser d2 aufweist. Der erste Bereich 148 und der zweite Bereich 152 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils exemplarisch als zylindrische Bereiche ausgestaltet. Auch eine andere Ausgestaltung ist möglich. Der Übergangsbereich 150 kann beispielsweise konisch ausgestaltet sein. Auch der zweite Bereich 152 kann beispielsweise an seinem Ende konisch zulaufen oder mit einer Spitze ausgestaltet sein. Alternativ ist auch eine flache Ausgestaltung dieses Endes des zweiten Bereichs 152 denkbar. Wiederum alternativ sind zusätzliche Bereiche optional möglich. Der erste Durchmesser d1 ist dabei größer ausgestaltet als der zweite Durchmesser d2. Beispielsweise kann der Durchmesser d1 0,55 mm, 0,65 mm oder 0,75 mm betragen. Der zweite Bereich 152 kann beispielsweise einen Durchmesser d2 von 0,25, 0,3 oder 0,35 aufweisen.The sensor element 110 is thus in the in 1 shown embodiment configured as a two-cell sensor element, which next to the pumping cell 136 furthermore, the reference electrode 140 , the solid electrolyte 122 and the second electrode 124 and / or another, in the electrode cavity 126 arranged measuring electrode comprising measuring cell 146 includes. The sensor element 110 For example, it can be configured as a broadband probe and can, for example, insofar known, commercially available sensor elements 110 correspond, for example, sensor elements of the type LSU 4.9. Furthermore, on the surface 116 a thermal shock protection layer (TSP) to avoid damage to the layer structure 112 be applied by thermal shock loads. Furthermore, in 1 recognizable that the gas entry hole 130 According to the invention comprises several areas. Thus, in the illustrated embodiment, starting from the surface 116 , first a first area 148 provided with a first diameter d 1 , to which, after a shoulder-shaped transition region 150 a second area 152 connects, which has a diameter d 2 . The first area 148 and the second area 152 are in the illustrated embodiment, each exemplary configured as cylindrical areas. Another embodiment is possible. The transition area 150 may be configured conical, for example. Also the second area 152 For example, it may be tapered at its end or be formed with a point. Alternatively, it is also a flat configuration of this end of the second region 152 conceivable. Again, alternatively, additional areas are optionally possible. The first diameter d 1 is made larger than the second diameter d 2 . For example, the diameter d 1 may be 0.55 mm, 0.65 mm or 0.75 mm. The second area 152 may for example have a diameter d 2 of 0.25, 0.3 or 0.35.

Wie weiterhin aus 1 erkennbar ist, ist die Diffusionsbarriere 132 gegenüber dem Gaszutrittsloch 130 zurückgezogen, das heißt zurückgesetzt und grenzt nicht unmittelbar in dem Kanal 132 an das Gaszutrittsloch 130 an. Hierdurch wird in der Praxis eine Versottung der Diffusionsbarriere 134 vermieden. Durch die Wahl des kleineren Durchmessers d2 für den zweiten Bereich 152 des Gaszutrittslochs 130 kann beispielsweise verhindert werden, dass die Diffusionsbarriere 134 bei der Herstellung des Gaszutrittslochs 130 angebohrt wird. Hierdurch bleibt die zurückgezogene Diffusionsbarriere 134 erhalten. Eine Beschädigung der Diffusionsbarriere 134, welche zu einer Streuung des Grenzstroms hier führen würde, kann hierdurch vermieden werden. Weiterhin bildet der Übergangsbereich 150 auch ein Auffangplateau, welcher einen Eintrag von Material der Thermoschockschutzschicht hin zur Diffusionsbarriere 134 verhindern kann. Auch dies hat einen positiven Einfluss auf eine Verminderung der Grenzstromstreuung. Zur Herstellung des Gaszutrittslochs 130 kann beispielsweise ein Stufenbohrer 154 eingesetzt werden. Der Stufenbohrer 154 kann beispielsweise einen ersten Bohrabschnitt 156 mit dem Durchmesser d1 und einem zweiten Bohrabschnitt 158 mit dem Durchmesser d2 sowie einen entsprechenden Übergangsbereich 160 aufweisen, der dem Übergangsbereich 150 entsprechen kann. Ein Anbohren der Heizer-Isolationsschicht 144 kann wirksam verhindert werden.How to continue 1 is recognizable, is the diffusion barrier 132 opposite the gas entry hole 130 withdrawn, that is reset and not immediately adjacent to the channel 132 to the gas access hole 130 at. As a result, in practice a Versottung the diffusion barrier 134 avoided. By choosing the smaller diameter d 2 for the second range 152 of the gas access hole 130 For example, it can prevent the diffusion barrier 134 in the production of the gas access hole 130 is bored. This leaves the retreated diffusion barrier 134 receive. Damage to the diffusion barrier 134 , which would lead to a dispersion of the limiting current here, can be avoided. Furthermore, the transition area forms 150 also a collecting plateau, which provides an entry of material of the thermal shock protection layer towards the diffusion barrier 134 can prevent. This also has a positive influence on a reduction in the limiting current scattering. For the production of the gas access hole 130 For example, a step drill 154 be used. The step drill 154 for example, a first drill section 156 with the diameter d 1 and a second drill section 158 with the diameter d 2 and a corresponding transition region 160 have the transition area 150 can correspond. A tapping of the heater insulation layer 144 can be effectively prevented.

In den 2 bis 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 dargestellt. Dabei zeigt 2 eine Ansicht analog zu 1, wohingegen 3 eine Detailansicht des Gaszutrittslochs 130 zeigt und 4 eine mikroskopische Schliffdarstellung des in 3 dargestellten Ausschnitts. Das Sensorelement 110 entspricht im wesentlichen der Ausgestaltung gemäß 1, so dass für den Aufbau und die Funktion der einzelnen Elemente weit gehend auf die Beschreibung dieser 1 oben verwiesen werden kann. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 1 ist jedoch das Gaszutrittsloch 130 bei dem Ausführungsbeispiel in den 2 bis 4 versetzt gestuft ausgestaltet. Wiederum weist das Gaszutrittsloch 130 in den dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Bereiche 148, 152 auf, wobei der erste Bereich 148 einen ersten Durchmesser ∅1 aufweist, und der zweite Bereich 152 einen zweiten Durchmesser ∅2. Beispielsweise kann der erste Durchmesser 600 bis 1000 Mikrometer betragen. Der zweite Durchmesser kann beispielsweise 150 bis 300 Mikrometer betragen. Die am nächsten zu einer Stirnseite 166 des Sensorelements 110 angeordneten Kanten der Bereiche 148 und 152 können beispielsweise um einen Betrag δ gegeneinander versetzt sein, welcher beispielsweise mehr als 5 Mikrometer und weniger als 70 Mikrometer betragen kann. Die Schichtdicke d des Festelektrolyten 122, beispielsweise eine Foliendicke, beträgt vorzugsweise mindestens 320 Mikrometer. Die beiden Bereiche 148 und 152 weisen jeweils eine erste Achse 162 bzw. eine zweite Achse 164 auf, beispielsweise eine Bohrungsachse oder eine Fräsachse. Diese Achsen 162 und 164 können beispielsweise um einen Versatz Δ gegeneinander versetzt sein, welcher beispielsweise 115 Mikrometer bis 420 Mikrometer betragen kann. Dieser Versatz Δ kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Achse 162 des ersten Bereichs 148 um den Betrag Δ weiter von der Stirnseite 166 entfernt angeordnet ist als die zweite Achse 164.In the 2 to 4 is a second embodiment of a sensor element according to the invention 110 shown. It shows 2 a view analogous to 1 , whereas 3 a detailed view of the gas access hole 130 shows and 4 a microscopic cross section of the in 3 section shown. The sensor element 110 corresponds essentially to the embodiment according to 1 so that for the structure and function of each element is largely based on the description of this 1 can be referred to above. In contrast to the embodiment according to 1 is however the gas entry hole 130 in the embodiment in the 2 to 4 staggered staggered. Again, the gas access hole points 130 in the illustrated embodiment, two areas 148 . 152 on, the first area 148 a first diameter ∅ 1 , and the second area 152 a second diameter ∅ 2 . For example, the first diameter may be 600 to 1000 micrometers. The second diameter may be, for example 150 to 300 microns. The closest to a front 166 of the sensor element 110 arranged edges of the areas 148 and 152 For example, they may be offset from each other by an amount δ which may be, for example, more than 5 microns and less than 70 microns. The layer thickness d of the solid electrolyte 122 For example, a film thickness is preferably at least 320 microns. The two areas 148 and 152 each have a first axis 162 or a second axis 164 on, for example, a bore axis or a milling axis. These axes 162 and 164 For example, offset Δ can be offset from one another by an offset Δ, which can be, for example, 115 microns to 420 microns. This offset Δ can for example be such that the axis 162 of the first area 148 by the amount Δ farther from the front 166 is arranged remotely as the second axis 164 ,

Die Herstellung der Bereiche 148 und 152 kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Beispielsweise können getrennte Bohrungen verwendet werden, mit zueinander versetzten Bohrungsachsen. Alternativ oder zusätzlich können die Bereiche 148 und 152 jedoch auch durch andere Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch ein oder mehrere Fräsverfahren.The production of the areas 148 and 152 can be done in different ways. For example, separate bores may be used with staggered bore axes. Alternatively or additionally, the areas 148 and 152 However, also be prepared by other methods, for example by one or more milling methods.

Das Sensorelement 110 kann beispielsweise mit einer in den 1 bis 3 nicht dargestellten Thermoschockschutzschicht 168 beschichtet werden, beispielsweise nach einem Sinterprozess. Dabei kann beispielsweise ein Spritzverfahren eingesetzt werden, beispielsweise ein Plasmaspritzen. Dieses Spritzen erfolgt vorzugsweise nicht senkrecht zur Oberfläche 116. In 3 ist symbolisch eine Spritzrichtung dargestellt und mit der Bezugsziffer 170 bezeichnet. Diese Spritzrichtung 170 kann beispielsweise derart gewählt sein, dass auch die Stirnseite 166 zumindest teilweise mit der Thermoschockschutzschicht 168 beschichtet wird. In 4 ist ein Schliffbild des in 3 gezeigten Ausschnitts des Sensorelements 110 gezeigt. Exemplarisch sind hier zudem Dimensionen angegeben. Aus dieser 4 ist erkennbar, dass bei der in 3 dargestellten Spritzrichtung 170 kein Material der Thermoschockschutzschicht 168 oder lediglich äußerst geringe Mengen dieses Materials in den zweiten Bereich 152 gelangen und dort insbesondere hin zur Öffnung zur Diffusionsbarriere 134.The sensor element 110 For example, with one in the 1 to 3 not shown thermal shock protection layer 168 be coated, for example after a sintering process. In this case, for example, a spraying method can be used, for example a plasma spraying. This spraying is preferably not perpendicular to the surface 116 , In 3 is symbolically represented an injection direction and the reference numeral 170 designated. This injection direction 170 may for example be chosen such that the front side 166 at least partially with the thermal shock protective layer 168 is coated. In 4 is a microsection of the in 3 shown section of the sensor element 110 shown. As an example, dimensions are given here as well. From this 4 is recognizable that at the in 3 illustrated injection direction 170 no material of the thermal shock protection layer 168 or only very small amounts of this material in the second area 152 reach there and in particular towards the opening to the diffusion barrier 134 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102004054014 A1 [0026] DE 102004054014 A1 [0026]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154 bis 159 [0001] Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, edition 2007, pages 154 to 159 [0001]

Claims (13)

Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (114), umfassend einen Schichtaufbau (112) mit mindestens einer ersten Elektrode (118), mit mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mit mindestens einem die erste Elektrode (118) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (122), wobei die zweite Elektrode (124) durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus (112) von dem Messgasraum (114) getrennt ausgebildet ist, wobei die zweite Elektrode (124) über mindestens einen Gaszutrittsweg (128) mit dem Messgasraum (114) verbunden ist, wobei der Gaszutrittsweg (128) mindestens ein Gaszutrittsloch (130) in dem Schichtaufbau (112) aufweist, wobei das Gaszutrittsloch (130) mindestens zwei Bereiche (148, 152) unterschiedlichen Durchmessers aufweist.Sensor element ( 110 ) for detecting at least one property of a gas in a sample gas space ( 114 ), comprising a layer structure ( 112 ) with at least one first electrode ( 118 ), with at least one second electrode ( 124 ) and at least one of the first electrode ( 118 ) and the second electrode ( 124 ) connecting solid electrolyte ( 122 ), the second electrode ( 124 ) by at least one layer of the layer structure ( 112 ) from the sample gas space ( 114 ) is formed separately, wherein the second electrode ( 124 ) via at least one gas access path ( 128 ) with the sample gas space ( 114 ), wherein the gas access path ( 128 ) at least one gas access hole ( 130 ) in the layer structure ( 112 ), wherein the gas access hole ( 130 ) at least two areas ( 148 . 152 ) of different diameters. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Gaszutrittsloch (130) in einer Oberfläche (116) des Schichtaufbaus (112) mündet.Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the gas access hole ( 130 ) in a surface ( 116 ) of the layer structure ( 112 ) opens. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Gaszutrittsloch (130) an der Oberfläche (116) einen maximalen Durchmesser aufweist.Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the gas access hole ( 130 ) on the surface ( 116 ) has a maximum diameter. Sensorelement (110) einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gaszutrittsloch (130) an der Oberfläche (116) einen ersten Durchmesser aufweist, wobei das Gaszutrittsloch (130) mindestens einen ersten Bereich (148) mit dem ersten Durchmesser und mindestens einen zweiten Bereich (152) mit mindestens einem zweiten Durchmesser aufweist, wobei der zweite Bereich (152) tiefer in dem Schichtaufbau (112) angeordnet ist als der erste Bereich (148) und wobei der zweite Durchmesser kleiner ist als der erste Durchmesser.Sensor element ( 110 ) one of the two preceding claims, wherein the gas inlet hole ( 130 ) on the surface ( 116 ) has a first diameter, wherein the gas inlet hole ( 130 ) at least a first area ( 148 ) with the first diameter and at least one second area ( 152 ) having at least a second diameter, wherein the second region ( 152 ) deeper in the layer structure ( 112 ) is arranged as the first area ( 148 ) and wherein the second diameter is smaller than the first diameter. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Bereich (148) und/oder der zweite Bereich (152) zylindrisch oder konisch ausgebildet sind.Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the first area ( 148 ) and / or the second area ( 152 ) are cylindrical or conical. Sensorelement (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gaszutrittsloch (130) gestuft ausgebildet ist, insbesondere mit mindestens einem stufenförmigen oder als Schulter ausgebildeten Übergang (150) zwischen dem ersten Bereich (148) und dem zweiten Bereich (152).Sensor element ( 110 ) according to one of the two preceding claims, wherein the gas access hole ( 130 ), in particular with at least one step-shaped or shoulder-shaped transition ( 150 ) between the first area ( 148 ) and the second area ( 152 ). Sensorelement (110) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Bereich (148) und/oder der zweite Bereich (152) versetzt zueinander angeordnet sind.Sensor element ( 110 ) according to one of the three preceding claims, wherein the first area ( 148 ) and / or the second area ( 152 ) are offset from one another. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gaszutrittsloch (130) mindestens einen ersten Bereich (148) mit mindestens einem ersten Durchmesser und mindestens einen zweiten Bereich (152) mit mindestens einem zweiten Durchmesser aufweist, wobei der erste Durchmesser um einen Faktor k größer ist als der zweite Durchmesser, wobei der Faktor k größer ist als 1,2, vorzugsweise größer als 1,8 und besonders bevorzugt mindestens 2,0 beträgt.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the gas access hole ( 130 ) at least a first area ( 148 ) having at least a first diameter and at least one second area ( 152 ) having at least a second diameter, wherein the first diameter is larger by a factor k than the second diameter, wherein the factor k is greater than 1.2, preferably greater than 1.8 and particularly preferably at least 2.0. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Faktor k im Bereich von 1,2 bis 5 liegt, insbesondere im Bereich von 1,8 bis 4,0 und besonders bevorzugt im Bereich von 2,0 bis 3,0.Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the factor k is in the range of 1.2 to 5, in particular in the range of 1.8 to 4.0 and particularly preferably in the range of 2.0 to 3.0. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gaszutrittsloch (130) mindestens einen ersten Bereich (148) mit mindestens einem ersten Durchmesser und mindestens einen zweiten Bereich (152) mit mindestens einem zweiten Durchmesser aufweist, wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser, wobei der erste Durchmesser im Bereich von 0,15 mm bis 1,0 mm liegt, insbesondere im Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 0,55 mm bis 0,75 mm, und wobei der zweite Durchmesser im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,2 mm bis 0,4 mm und besonders bevorzugt bei 0,25 mm.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the gas access hole ( 130 ) at least a first area ( 148 ) having at least a first diameter and at least one second area ( 152 ) having at least a second diameter, wherein the first diameter is greater than the second diameter, wherein the first diameter is in the range of 0.15 mm to 1.0 mm, in particular in the range of 0.4 mm to 0.8 mm and more preferably in the range of 0.55 mm to 0.75 mm, and wherein the second diameter in the range of 0.1 mm to 0.5 mm, in particular in the range of 0.2 mm to 0.4 mm, and particularly preferably at 0.25 mm. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (124) in einem Elektrodenhohlraum (126) angeordnet ist, wobei der Elektrodenhohlraum (126) über mindestens eine Diffusionsbarriere (134) mit dem Gaszutrittsloch (130) verbunden ist, wobei die Diffusionsbarriere (134) gegenüber dem Gaszutrittsloch (130) zurückversetzt ist.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the second electrode ( 124 ) in an electrode cavity ( 126 ), wherein the electrode cavity ( 126 ) via at least one diffusion barrier ( 134 ) with the gas access hole ( 130 ), the diffusion barrier ( 134 ) opposite the gas access hole ( 130 ) is set back. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (114), insbesondere eines Sensorelements (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Schichtaufbau (112) mit mindestens einer ersten Elektrode (118), mit mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mit mindestens einem die erste Elektrode (118) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (122) hergestellt wird, wobei die zweite Elektrode (124) durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus (112) von dem Messgasraum (114) getrennt ausgebildet wird, wobei die zweite Elektrode (124) über mindestens einen Gaszutrittsweg (128) mit dem Messgasraum (114) verbunden wird, wobei der Gaszutrittsweg (128) mindestens ein Gaszutrittsloch (130) in dem Schichtaufbau (112) aufweist, wobei das Gaszutrittsloch (130) derart ausgestaltet wird, dass dieses mindestens zwei Bereiche (148, 152) unterschiedlichen Durchmessers aufweist.Method for producing a sensor element ( 110 ) for detecting at least one property of a gas in a sample gas space ( 114 ), in particular a sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein a layer structure ( 112 ) with at least one first electrode ( 118 ), with at least one second electrode ( 124 ) and at least one of the first electrode ( 118 ) and the second electrode ( 124 ) connecting solid electrolyte ( 122 ), wherein the second electrode ( 124 ) by at least one layer of the layer structure ( 112 ) from the sample gas space ( 114 ) is formed separately, wherein the second electrode ( 124 ) via at least one gas access path ( 128 ) with the sample gas space ( 114 ), wherein the gas access path ( 128 ) at least one gas access hole ( 130 ) in the layer structure ( 112 ), wherein the gas access hole ( 130 ) is designed such that this at least two areas ( 148 . 152 ) of different diameters. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zur Herstellung des Gaszutrittslochs (130) mindestens ein Bohrverfahren und/oder mindestens ein Fräsverfahren verwendet wird. Method according to the preceding claim, wherein for the production of the gas access hole ( 130 ) at least one drilling method and / or at least one milling method is used.
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