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Stand der Technik
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In verschiedenen Bereichen der Technik müssen eine oder mehrere Eigenschaften fluider Medien erfasst werden. Hierbei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften der fluiden Medien, also der Gase und/oder Flüssigkeiten, handeln. Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorvorrichtungen, die insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gas verwendet werden. Sensorvorrichtungen zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gas werden beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben. Bei den dort dargestellten Sensorvorrichtungen handelt es sich um sogenannte Zweipunkt-Lambda-Sonden, deren Arbeitsweise auf dem Prinzip einer galvanischen Konzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt beruht. Beschrieben werden insbesondere sogenannte Finger-Lambda-Sonden und planare Lambda-Sonden. Finger-Lambda-Sonden haben die Form eines einseitig geschlossenen Rohres. Die Oberflächen einer Sondenkeramik sind beidseitig mit Elektroden aus einer mikroporösen dünnen Edelmetallschicht versehen. Planare Lambda-Sonden umfassen hingegen in der Regel eine planare Messzelle, welche zumeist, wie Finger-Lambda-Sonden, von weiteren Komponenten umgeben ist.
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Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, umfassen gewöhnlich ein oder mehrere keramische Dichtelemente. Aufgabe dieser keramischen Dichtelemente ist beispielsweise die Trennung einer Anschlussseite des Sensorelements von einer Seite, die mit dem fluiden Medium aus dem Messraum beaufschlagbar ist. Keramische Dichtelemente in Form keramischer Beschichtungen der Sensorelemente werden verwendet, um einen Durchtritt des Messgases zum Sensorelement zu ermöglichen aber andere Stoffe daran zu hindern, mit der Oberfläche des Sensorelements zu reagieren. Die Beschichtung dient hierbei als Diffusionsbarriere.
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Aus
DE 101 23 168 C1 ist eine Dichtungsanordnung für einen Gasmessfühler und ein Verfahren zur Herstellung der Dichtungsanordnung bekannt. Zur Herstellung der Dichtungsanordnung wird aus einem Gemisch aus einem keramischen Pulver und einem glasbildenden Pulver ein vorgefertigter Dichtring in ein Gehäuse, welches auch ein Sensorelement umfasst, eingesetzt. Hierbei wird der vorgefertigte Dichtring unter einer Presskraft in einer Längsbohrung des Gehäuses plastisch verformt und einer Wärmebehandlung ausgesetzt, bei der das Glas aufgeschmolzen wird.
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Aus
WO 2004/099596 A1 ist eine Methode zur keramischen Beschichtung eines konischen Sensors bekannt. Der Grünling der keramischen Beschichtung umfasst zwei keramische Pulver mit unterschiedlichen Sintertemperaturen, ein flüchtiges Füllmaterial und einen Binder. Bei der vorgestellten Methode wird der beschichtete Sensor auf eine Temperatur erhitzt, die zwischen den beiden Sintertemperaturen liegt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Sensorvorrichtungen zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum, welche mit einem keramischen Dichtelement oder einer keramischen Beschichtung ausgestattet sind, erfordern, wie oben beschrieben, vergleichsweise aufwändige Herstellungsverfahren. Insbesondere werden Packungsteile, wie beispielsweise Dichtelemente, häufig lose und nicht fixiert auf das Sensorelement aufgeschoben, was insbesondere ein Drehen des Sensorelements während der Herstellung ohne unerwünschte Positionsänderung des Packungsteils erschweren oder sogar unmöglich machen kann. Wünschenswert wäre daher eine Sensorvorrichtung, welche die Nachteile bekannter Sensorvorrichtungen zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere sollte die Sensorvorrichtung mittels eines Verfahrens herstellbar sein, welches technisch einfach und dennoch zuverlässig zu realisieren ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensorvorrichtungen zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere kann es sich, wie oben beschrieben, bei dem fluiden Medium um einen Gas handeln, beispielsweise um ein Abgas einer Verbrennungsmaschine. Bei der mindestens einen Eigenschaft, welche grundsätzlich eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft sein kann, kann es sich insbesondere um einen Anteil, beispielsweise einen Prozentsatz und/oder einen Partialdruck, einer Gaskomponente handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der mindestens einen Eigenschaft des fluiden Mediums auch beispielsweise um die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, die Konzentration des fluiden Mediums oder eine aus den genannten Eigenschaften abgeleitete Messgröße oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Messgrößen handeln. Bei dem fluiden Medium kann es sich prinzipiell um beliebige Gase oder Flüssigkeiten handeln. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, sodass es sich bei dem Messraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem fluiden Medium insbesondere um ein Abgas.
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Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein planares Sensorelement mit einer Längserstreckung, also einer Ausdehnung in einer Längserstreckungsrichtung. Beispielsweise kann die Längserstreckungsrichtung eine Richtung parallel zu einer längsten Kante des Sensorelements sein. Das Sensorelement kann beispielsweise einen ebenen keramischen Schichtaufbau aufweisen. Auch der Einsatz andersartiger Sensorelemente ist prinzipiell möglich. Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens ein das Sensorelement quer zur Längserstreckung zumindest teilweise umschließendes Dichtelement. Bei dem Dichtelement kann es sich insbesondere um ein keramisches Dichtelement handeln. Auch der Einsatz von Dichtelementen, die aus anderen Materialien oder Materialkombinationen bestehen, ist prinzipiell möglich. Das Dichtelement trennt eine Anschlussseite des Sensorelements von einer mit dem fluiden Medium aus dem Messraum beaufschlagbaren Messseite des Sensorelements. Beide Bereiche sollten dadurch vorzugsweise fluid-dicht gegeneinander abgedichtet sein, so dass insbesondere kein fluides Medium von der Messseite zu der Anschlussseite gelangen kann. Das Sensorelement weist an mindestens zwei in der Längserstreckungsrichtung gegeneinander versetzten Stellen in einem Fixierbereich zur Fixierung des Dichtelements unterschiedliche Breiten senkrecht zu der Längserstreckung auf.
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Der Fixierbereich beinhaltet insbesondere den Bereich. des Sensorelements, der von dem Dichtelement bedeckt wird. Das Sensorelement weist in diesem Fixierbereich insbesondere eine kontinuierliche Änderung der Breite auf. Bei dieser kontinuierlichen Änderung kann es sich insbesondere um eine Verjüngung handeln. Auch konische Änderungen der Breite sowie Änderungen der Breiten in Form von Formschrägen oder Kombinationen aus den genannten kontinuierlichen Änderungen der Breite sind prinzipiell möglich.
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Das Sensorelement kann zumindest in dem Fixierbereich in einer Schnittebene senkrecht zu der Längserstreckung abgerundete Kanten aufweisen. Die Anzahl der abgerundeten Kanten kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Vorzugsweise sollte das Sensorelement im Fixierbereich auschließlich abgerundete Kanten aufweisen, um beispielsweise Beschädigungen bei der Herstellung durch auftretende Spannungen zu verhindern.
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Das planare Sensorelement kann einen ebenen Schichtaufbau aufweisen, insbesondere einen keramischen Schichtaufbau. Das Sensorelement kann auf der Messseite mindestens eine mit dem fluiden Medium beaufschlagbare Messelektrode aufweisen, wobei das Sensorelement auf der Anschlussseite mindestens einen elektrisch kontaktierbaren Anschlusskontakt aufweist. Insbesondere kann das Sensorelement mindestens ein auf mindestens eine Oberfläche des Schichtaufbaus angeordneten Kontaktpad aufweisen.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum, insbesondere einer Sensorvorrichtung gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen, vorgeschlagen, wobei mindestens ein planares Sensorelement mit einer Längserstreckung bereitgestellt wird. Hierbei wird mindestens ein Dichtelement zur Trennung einer Anschlussseite des Sensorelements von einer mit dem fluiden Medium aus dem Messraum beaufschlagbaren Messseite des Sensorelements auf das Sensorelement derart aufgeschoben, dass dieses das Sensorelement quer zur Längserstreckung zumindest teilweise umschließt. Das Sensorelement weist an mindestens zwei in Längserstreckungsrichtung gegeneinander versetzten Stellen in einem Fixierbereich unterschiedliche Breiten senkrecht zu der Längserstreckung auf. Ein Aufschieben des Dichtelements auf das Sensorelement über den Fixierbereich hinaus wird hierbei verhindert. Dies resultiert in einer deutlichen Aufwandsreduktion des Herstellungsverfahrens.
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Das Dichtelement kann bei dem Aufschieben auf das Sensorelement eine Ringform, insbesondere eine Kreisringform, aufweisen. Andere Ausgestaltungen des Dichtelements sind jedoch prinzipiell möglich beispielsweise Ausgestaltungen mit einer nichtkreisförmigen Ringform, beispielsweise einer polygonalen Ringform.
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Das Dichtelement kann nach dem Aufschieben auf das Sensorelement verpresst werden, wobei es insbesondere mit dem Sensorelement verpresst werden kann. Dies sollte vorzugsweise zu einer Abdichtung, besonders bevorzugt zu einer fluid-dichten Abdichtung, des Übergangs zwischen Dichtelement und Sensorelement führen. Das Aufschieben und Verpressen des Dichtelements mit dem Sensorelement sollte dabei vorzugsweise zu einer guten Wärmeableitung des Sensorelements führen und Spannungen, die während der Montage auftreten, sollten vom Sensorelement großflächig aufgenommen werden. Aufgrund der Geometrie des Sensorelements und des Dichtelements kann auf eine Vorpositionierung verzichtet werden.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum kann das Dichtelement nach dem Aufschieben auf das Sensorelement mindestens einem Wärmebehandlungsschritt, insbesondere mindestens einem Sinterschritt, unterzogen werden.
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Diese Verfahrensschritte ergeben sich beispielsweise daraus, dass das Dichtelement während des Aufschiebens auf das Sensorelement verformbar ausgestaltet sein kann. Bei dem Dichtelement kann es sich dabei insbesondere um einen verformbaren Keramikkörper, insbesondere um einen keramischen Grünling oder Braunling handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Sensorelement auch um eine Vorform des Sensorelements handeln, welche beispielsweise nach den beschriebenen Schritten noch weiter behandelt und/oder bearbeitet wird, beispielsweise durch thermische Behandlung.
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Bei dem Aufschieben des Dichtelements auf das Sensorelement kann das Dichtelement insbesondere in dem Fixierbereich in einer Aufschieberichtung gegen das Sensorelement gepresst werden. Die Aufschieberichtung verläuft vorzugsweise in Richtung zunehmender Breite des Sensorelements in dem Fixierbereich, beispielsweise parallel oder antiparallel zu der Längserstreckungsrichtung. Insbesondere kann das Dichtelement beispielsweise gegen eine Formschräge oder konische Seitenkante des Sensorelements gepresst werden. Bei diesem Aufpressen kann bereits eine Fixierung erfolgen, beispielsweise durch einen Formschluss zwischen dem Dichtelement und dem Sensorelement, sodass beispielsweise das Dichtelement drehfest mit dem Sensorelement verbunden wird. Auch andere oder zusätzliche hier nicht dargestellte Verfahrensschritte können prinzipiell durchgeführt werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1A und 1B ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum in Draufsicht (1A) und in perspektivischer Darstellung (1B).
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den 1A und 1B ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum dargestellt, wobei 1A eine Draufsicht und 1B eine perspektivische Darstellung zeigt.
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Die dargestellte Sensorvorrichtung 110 umfasst mindestens ein planares Sensorelement 112 mit einer Längserstreckung entlang einer Längserstreckungsrichtung 113. Bei dem planaren Sensorelement 112 kann es sich beispielsweise um ein Sensorelement 112 mit einem ebenen keramischen Schichtaufbau handeln. Andere Ausgestaltungen sind jedoch prinzipiell möglich.
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Die Sensorvorrichtung 110 umfasst weiterhin mindestens ein das Sensorelement 112 quer zur Längserstreckung zumindest teilweise umschließendes Dichtelement 114. Bei dem Dichtelement 114 kann es sich beispielsweise um ein keramisches Dichtelement 114 handeln. Das Dichtelement 114 trennt eine Anschlussseite 116 des Sensorelements 112 von einer mit dem fluiden Medium aus dem Messraum beaufschlagbaren Messseite 118 des Sensorelements 112. Diese Trennung sollte vorzugsweise fluiddicht abdichten.
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Die Sensorvorrichtung 110 kann darüber hinaus weitere, nicht dargestellte Teile, umfassen.
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Das Sensorelement 112 weist an mindestens zwei in Längserstreckungsrichtung 113 gegeneinander versetzten Stellen, welche in den Figuren symbolisch mit der Bezugsziffer 120 bezeichnet sind und welche prinzipiell willkürlich ausgewählte Stellen sein können, in einem Fixierbereich 122 zur Fixierung des Dichtelements 114 unterschiedliche Breiten senkrecht zu der Längserstreckung auf. Beispielsweise weist das Sensorelement 112 zumindest in dem Fixierbereich 122 eine kontinuierliche Änderung der Breite auf. Die Stellen 120 sind somit Stellen des Fixierbereichs 122 im Bereich der kontinuierlichen Änderung der Breite.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich exemplarisch um ein konisches Sensorelement 112 mit abgerundeten Kanten 124. Dadurch kann das Sensorelement 112 Wärme gut ableiten und Spannungen während der Herstellung gut aufnehmen und/oder einen Aufbau von Spannungen zumindest reduzieren. Die konische Form des Sensorelements 112 erlaubt ein Verfahren zur Herstellung der Sensorvorrichtung 110 ohne Vorpositionierung, da bereits beim Aufschieben des Dichtelements 114 entlang einer Aufschieberichtung 125, aus den genannten geometrischen Gründen, der Fixierbereich 122 vom Dichtelement 114 eingenommen wird.
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Das Sensorelement 112 und das Dichtelement 114 kann bei dem Verfahren zur Herstellung der Sensorvorrichtung 110 direkt verpresst und dadurch fixiert werden. Die Sensorvorrichtung 110, welche das Sensorelement 112 und das Dichtelement 114 umfasst, können in dem Verfahren zur Herstellung der Sensorvorrichtung 110 nach dieser direkten Fixierung beliebig gedreht werden, ohne dass sich das Dichtelement 114 von dem Fixierbereich 122 des Sensorelements 112 wegbewegt. Grundsätzlich sind jedoch auch andere geometrische Ausgestaltungen des Sensorelements 112 und des Dichtelements 114 möglich.
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Das dargestellte Sensorelement 112 weist auf der Messseite 118 mindestens eine mit dem fluiden Medium beaufschlagbare Messelektrode 126 auf. Auf der Anschlussseite 116 umfasst das Sensorelement 112 mindestens einen elektrisch kontaktierbaren Anschlusskontakt 128 und insbesondere mindestens ein auf mindestens einer Oberfläche des Schichtaufbaus angeordnetes Kontaktpad 130. Andere Ausgestaltungsformen des Sensorelements 112 sind möglich.
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Das dargestellte Dichtelement 114 ist vorzugsweise ringförmig ausgestaltet und kann während der Herstellung der dargestellten Sensorvorrichtung 110 insbesondere zunächst verformbar ausgestaltet sein, insbesondere in Form eines verformbaren Keramikkörpers, insbesondere als keramischer Grünling oder Braunling. Nach oder während der Herstellung kann das Dichtelement 114 mindestens einem Wärmebehandlungsschritt unterzogen werden, insbesondere mindestens einem Sinterschritt. Andere als die hier dargestellte Ausführung eines Dichtelements 114 sowie dessen Positionierung sind jedoch grundsätzlich möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10123168 C1 [0003]
- WO 2004/099596 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 [0001]
