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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Sensors, insbesondere für den Einsatz in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen, der ein streifenförmig ausgebildetes Sensorelement mit einem Messbereich an einem Ende und eine das Sensorelement umgebende Schutzhülle aufweist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Hochtemperatur-Sensor, insbesondere für den Einsatz in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen, mit einem Sensorelement und einer das Sensorelement umgebenden Schutzhülle.
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Hochtemperatur-Sensoren bzw. Sensoren für den Hochtemperatureinsatz sind bekannt. Solche Sensoren finden insbesondere in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen Verwendung, beispielsweise als sogenannte Lambda-Sonden, aber auch als Rußsensoren. Die Sensoren besitzen beispielsweise ein streifenförmig ausgebildetes Sensorelement, beispielsweise aus einer geeigneten Keramik, das an einem Ende den eigentlichen Messbereich aufweist. Dieser Messbereich kann beispielsweise eine kammförmig ausgebildete Elektrode (Interdigitalelektrode) besitzen, die über entsprechende Leiterbahnen, welche sich in Längsrichtung über das streifenförmige Element erstrecken, mit Strom versorgt wird. Die Elektrode kann hierbei beispielsweise als Extrasubstrat über ein Dünnschichtverfahren auf das Keramiksubstrat aufgebracht sein, während die Leiterbahnen als Substrat über ein Dickschichtverfahren auf das Keramiksubstrat aufgebracht sind.
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Es ist Stand der Technik, solche streifenförmig ausgebildeten Sensorelemente in einer diese umgebenden Schutzhülle anzuordnen. Bei diesen Schutzhüllen handelt es sich um einstückig ausgebildete zylindrische Hülsen. Das konventionelle Verfahren zum Zusammenbau von solchen Sensoren ist jedoch recht aufwendig. Darüber hinaus sind auf diese Weise hergestellte Sensoren in Bezug auf ihre Handhabbarkeit sowie ihre Einbaumöglichkeiten bestimmten Beschränkungen unterworfen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Sensors sowie einen Hochtemperatur-Sensor zu schaffen, die sich durch eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung und Einbaumöglichkeit auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Bereitstellen einer einen ersten Teil der Schutzhülle bildenden ersten Halbschale;
- – Einlegen des Sensorelementes in die erste Halbschale;
- – Auflegen einer einen zweiten Teil der Schutzhülle bildenden zweiten Halbschale und
- – Zusammenfügen der beiden Halbschalen zur Schutzhülle.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine besonders einfache Fertigung des Sensors erreicht. Das Sensorelement wird hierbei nicht mehr in eine dieses umgebende Schutzhülle bzw. Schutzhülse gesteckt, sondern der Sensor wird mit Hilfe eines Sandwich-Konzeptes Schicht für Schicht aufgebaut. Es kann dabei mit gestanzten Teilen gearbeitet werden, die in einfachen Arbeitsschritten aufeinandergelegt und schließlich zusammengefügt werden können.
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Erfindungsgemäß wird dabei nicht mehr mit einer einstückigen Schutzhülse gearbeitet, sondern die Schutzhülse wird hierbei von zwei Halbschalen gebildet, die nach dem Einlegen des eigentlichen Sensorelementes zusammengefügt werden. Die Halbschalen sind vorzugsweise entsprechend der Form des Sensorelementes ausgebildet und bilden einen mechanischen Schutz für dieses. Das Zusammenfügen der beiden Halbschalen kann über bekannte Verbindungstechniken erfolgen, beispielsweise und vorzugsweise durch Verspannen, Verschweißen oder Bördeln.
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Es versteht sich, dass die beiden Halbschalen mit entsprechenden Verbindungseinrichtungen versehen sein können, die das nachfolgende Zusammenfügen ermöglichen bzw. erleichtern. Hierbei kann es sich beispielsweise um Ansätze, Nasen, Klemmelemente, Bördelelemente etc. handeln.
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Die Halbschalen bestehen vorzugsweise aus einem Metall, das für die gewünschte Verbindungstechnik geeignet ist (kaltverformbar, schweißbar etc.).
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Vorzugsweise wird ein streifenförmiges Sensorelement verwendet, das einen Messbereich an einem Ende aufweist. Dies schließt nicht aus, dass auch andere Formen von Sensorelementen Verwendung finden können, beispielsweise runde Ausführungsformen. Das Sensorelement besitzt mindestens einen Messbereich, der bei der streifenförmigen Ausführungsform vorzugsweise an einem Ende des Sensorelementes angeordnet ist. Natürlich können generell auch mehrere räumlich getrennte Messbereiche vorhanden sein.
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Das streifenförmig ausgebildete Sensorelement besitzt vorzugsweise an einem Ende den eigentlichen Messbereich. Dieser Messbereich steht im Betrieb vorzugsweise zumindest teilweise mit der den Sensor umgebenden Atmosphäre in Verbindung, um einen direkten Kontakt des Messbereiches mit der Umgebungsatmosphäre zu Messzwecken zu ermöglichen. Bei einer solchen Ausführungsform wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise mindestens eine Halbschale verwendet, die eine dem Messbereich des Sensorelementes entsprechende Öffnung aufweist, welche von einer bügelförmigen Umrandung umgeben wird. Über diese Öffnung kann dann der Messbereich im montierten Zustand des Sensors mit der Umgebungsatmosphäre in Kontakt stehen. Die andere Halbschale kann ebenfalls eine solche Öffnung aufweisen, so dass der Messbereich beidseitig freiliegt. Sie kann jedoch auch entsprechend kürzer ausgebildet sein, so dass der Messbereich ohnehin freiliegt.
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Durch die bügelförmige Umrandung wird ein mechanischer Schutz für den Messbereich gebildet. Hierdurch werden sowohl die beiden Seiten als auch die Stirnseite des Messbereiches geschützt.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird mindestens eine Halbschale verwendet, die in dem dem Messbereich des Sensorelementes zugeordneten Bereich eine Vielzahl von kleinen Öffnungen aufweist. Die entsprechende Halbschale ist daher in diesem Bereich nach Art eines Lochbleches ausgebildet, wobei durch die Vielzahl der Öffnungen im montierten Zustand der Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre hergestellt wird. Eine Halbschale oder beide Halbschalen können in dieser Form ausgebildet sein. Beliebige Kombinationsmöglichkeiten zwischen einer solchen mit Öffnungen versehenen Halbschale, einer kürzer ausgebildeten Halbschale und/oder einer eine einzige Messbereichsöffnung aufweisende Halbschale sind möglich.
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Bei noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf das den Messbereich des Sensorelementes aufweisende Ende des Sensors eine Endschutzkappe aufgebracht. Die Endschutzkappe kann lösbar oder unlösbar mit dem Sensor verbunden werden, beispielsweise durch Aufstecken, Anschweißen etc. Natürlich kann auch die Endschutzkappe mit entsprechenden Öffnungen bzw. Löchern versehen sein, um einen Atmosphärenkontakt mit dem Messbereich des Sensorelementes herzustellen. Die Endschutzkappe kann auch bereits in die Form einer Halbschale integriert sein.
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Bei noch einer anderen Ausführungsform wird eine Lösung bevorzugt, bei der eine Halbschale den Messbereich auf einer Seite abdeckt, während die andere Halbschale den Messbereich auf der gegenüberliegenden Seite zumindest teilweise freigibt, so dass im eingebauten Zustand ein einseitiger Kontakt des Messbereiches mit der umgebenden Atmosphäre möglich ist. Um dies bei der Herstellung des Sensors zu ermöglichen, wird vorzugsweise eine Halbschale verwendet, die länger ausgebildet ist als das Sensorelement und nach dem Zusammenbau über das Messbereichsende des Sensorelementes vorsteht. Auf diese Weise wird, wie erwähnt, die eine Seite des Sensorelementes abgedeckt. Darüber hinaus wird durch die über den Messbereich vorstehende Halbschale auch am stirnseitigen Rand des Sensorelementes ein mechanischer Schutz zur Verfügung gestellt, der auch die Stirnseite des Sensorelementes und damit des Messbereiches vor mechanischen Beschädigungen schützt.
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Was die andere (zweite) Halbschale anbetrifft, so wird vorzugsweise eine solche verwendet, die kürzer ist als das Sensorelement, so dass nach dem Zusammenbau des Sensors der Messbereich nicht abgedeckt ist und mit der umgebenden Atmosphäre in Kontakt treten kann.
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Um einen direkten Kontakt (Reibkontakt) zwischen den Halbschalen und dem Sensorelement zu vermeiden, wird vorzugsweise zwischen den Halbschalen und dem Sensorelement ein Lagermaterial für das Sensorelement, insbesondere eine Presspackung oder eine (verformbare) Klebemasse (aus Keramik), angeordnet. Dabei kann das Lagermaterial beispielsweise durch das Zusammenfügen der beiden Halbschalen oder durch andere Maßnahmen komprimiert werden. Bei einer solchen Presspackung kann es sich beispielsweise um einer Packung aus einem mineralischen Pulver (einem Keramikpulver) handeln, oder es kann auch eine knetgummiartige Formmasse (Keramikmasse) zur Anwendung kommen. Weiterhin sind Isoliermaterialien möglich. Beliebige Kombinationen dieser Materialien sind denkbar. Ein Verpressen des Lagermateriales ist erwünscht. Um ein Anbacken bzw. Anschmelzen des Lagermateriales an die Halbschalen bzw. das Sensorelement zur ermöglichen, kann das Lagermaterial auch entsprechende schmelzbare Bestandteile enthalten, beispielsweise Glasanteile, so dass es als Lötglas wirken kann. Derartige Beimischungen dienen gleichzeitig zur Abdichtung. Das Lagermaterial kann zwischen beiden Halbschalen und dem Sensorelement oder nur zwischen einer Halbschale und dem Sensorelement angeordnet werden.
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Zur Fixierung des Sensorelementes innerhalb der beiden Halbschalen können auch spezielle Halterelemente eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dieses daher durch die folgenden Schritte aus:
- – Bereitstellen einer ersten Halbschale;
- – Einlegen eines ersten Halterelementes für das Sensorelement in die erste Halbschale;
- – Auflegen des Sensorelementes auf das erste Halterelement;
- – Auflegen eines zweiten Halterelementes für das Sensorelement auf das Sensorelement;
- – Auflegen einer zweiten Halbschale auf das zweite Halterelement;
- – Zusammenfügen der beiden Halbschalen.
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Die entsprechenden Halterelemente sind vorzugsweise kürzer ausgebildet als das Sensorelement, insbesondere so, dass sie sich nur über den vom Messbereich abgewandten anderen Endbereich des Sensorelementes (Anschlusskontaktbereich) erstrecken. Generell werden die beiden Halterelemente vorzugsweise durch das Zusammenfügen der beiden Halbschalen gegeneinander geklemmt, wobei sie das Sensorelement oder einen Teil desselben zwischen sich aufnehmen.
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Vorzugsweise werden zusammen mit dem Einlegen der Halterelemente für das Sensorelement Steckerteile eingelegt, um auf diese Weise beim Zusammenbau des Sensors direkt einen Stecker zum Anschluss an ein elektrisches Versorgungssystem bereitzustellen. Diese Steckerteile können beispielsweise als zwei Steckerhälften ausgebildet sein. Bei den Halterelementen und den Steckerteilen handelt es sich vorzugsweise um Halterformteile und Steckerformteile. Es können auch Anschlussdrähte direkt angeschlossen, beispielsweise angeschweißt, werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können optional die entsprechenden Kontakte verschweißt werden, beispielsweise nach dem Einlegen der Steckerteile. Bei den Kontakten handelt es sich um die Anschlüsse der auf der Oberseite des entsprechenden streifenförmigen Sensorelementes angeordneten Anschlussleiterbahnen der Messbereichselektrode.
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Um den auf die vorstehend beschriebene Weise fertiggestellten Sensor einbaufertig zu machen, beispielsweise in ein Rohr des Abgassystems eines Kraftfahrzeuges, wird der fertiggestellte Sensor mit einer Sensorschutzkappe versehen, die die aus den beiden Halbschalen zusammengesetzte Schutzhülle umgibt. Ferner kann der fertig gestellte Sensor mit einem Sechskanteinschrauber, einer Zugentlastung und/oder einer Kabeldichtung versehen werden. Der Zwischenraum zwischen der aus den Halbschalen gebildeten Schutzhülle und der äußeren Sensorschutzkappe kann mit geeigneten Hochtemperaturmassen als Ausgleichsmassen aufgefüllt werden, beispielsweise Keramikmassen, Glasmassen etc. Vorzugsweise wird hierbei für eine dichte Abdichtung zwischen der Schutzhülle aus Metall und der äußeren Sensorschutzkappe gesorgt, beispielsweise durch Anschmelzen.
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Insgesamt ermöglicht daher das erfindungsgemäße Verfahren einen einfachen und kostengünstigen Zusammenbau des Hochtemperatur-Sensors. Zur Kontaktierung des Sensorelementes muss kein eigener Stecker benutzt werden. Vielmehr ergibt sich der Stecker aus den beim Zusammenbau durchgeführten Montageschritten von Stecker-Einzelteilen. Durch die großen Führungsflächen am Sensorelement (Keramiksubstrat) erreicht man einen sehr hohen mechanischen Schutz des Sensorelementes. Durch die verlängerte Ausbildung einer Halbschale gegenüber dem Sensorelement wird auch für die Stirnseite des Messbereiches ein mechanischer Schutz in der Form eines „umlaufenden Bügels” erreicht. Kurze gewinkelte Kabelabgänge sind möglich.
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Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Sensorelement (Keramiksubstrat) auch mit einer oder beiden Halbschalen verbunden (verschmolzen) werden, beispielsweise mit Hilfe eines geeigneten Lötglases. Hierdurch wird eine besonders gute Fixierung mit Dichtwirkung erreicht.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner durch einen Hochtemperatur-Sensor der eingangs wiedergegebenen Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die Schutzhülle aus zwei zusammengefügten Halbschalen zusammensetzt.
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Der Hochtemperatur-Sensor weist vorzugsweise ein streifenförmig ausgebildetes Sensorelement auf, das an einem Ende einen Messbereich besitzt. Generell können beliebige Formen von Sensorelementen Anwendung finden, und es können auch beliebig viele Messbereiche vorgesehen sein.
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Vorzugsweise wird mindestens eine Halbschale verwendet, die eine dem Messbereich des Sensorelementes entsprechende Öffnung aufweist, welche von einer bügelförmigen Umrandung umgeben wird. Bei einer anderen Ausführungsform findet mindestens eine Halbschale Verwendung, die in dem dem Messbereich des Sensorelementes zugeordneten Bereich eine Vielzahl von kleinen Öffnungen aufweist. Bei noch einer anderen Ausführungsform ist auf das den Messbereich des Sensorelementes aufweisende Ende des Sensors eine Endschutzkappe aufgebracht.
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Zwischen mindestens einer Halbschale und dem Sensorelement ist vorzugsweise ein Lagermaterial für das Sensorelement, insbesondere eine Presspackung oder eine (verformbare) Klebemasse (Keramikkleber), angeordnet. Weitere Möglichkeiten sind Isoliermaterialien oder Blechstreifen, beispielsweise Federbleche.
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Eine Halbschale kann über das Messbereichsende des Sensorelementes vorstehen, beispielsweise in Form der erwähnten bügelförmigen Umrandung, und kann einen mechanischen Schutz bilden. Eine zweite Halbschale kann kürzer ausgebildet sein und den Messbereich des Sensorelementes nicht abdecken. Auch kann zwischen Sensorelement und mindestens einer Halbschale mindestens ein Halterelement angeordnet sein, das sich vorzugsweise nur über den dem Messbereich abgewandten Endbereich des Sensorelementes erstreckt. Ferner kann mindestens ein Steckerteil in der Schutzhülle angeordnet sein, wobei zwei Steckerteile zweckmäßigerweise einen Stecker bilden.
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Im einbaubereiten Zustand weist der Sensor vorzugsweise eine die Schutzhülle umgebende Schutzkappe auf, ferner einen Sechskanteinschrauber, eine Zugentlastung und/oder eine Kabeldichtung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Hochtemperatur-Sensors.
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Bei den in der einzigen Figur dargestellten Verfahrensschritten a.–e. zur Herstellung eines Hochtemperatur-Sensors wird eine erste streifenförmige Halbschale 1 bereitgestellt, die aus irgendeinem geeigneten Metall bestehen kann. Diese Halbschale 1 weist an dem in der Figur rechten Ende eine Öffnung 3 auf, die von einer Umrandung der Halbschale in der Form eines Bügels 2 umgeben ist. Diese Halbschale 1 soll das eigentliche streifenförmige Sensorelement 6 aufnehmen. Um diese Aufnahme zu ermöglichen, werden gemäß Schritt a. ein Halterelement 4 und ein Lagermaterial 5, bei dem es sich um eine Presspackung aus einem mineralischen Pulvermaterial handelt, in der Halbschale 1 angeordnet. Die Presspackung 5 wird dabei so angeordnet, dass die Öffnung 3 frei bleibt.
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Das Halterelement 4 kann auch bereits von Anfang an in der Halbschale 1 eingelassen sein.
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In Schritt b. wird dann das eigentliche streifenförmige Sensorelement auf das Halterelement 4 und die Presspackung gelegt. Das Sensorelement 6 weist in seinem in der Figur rechten Ende einen nur schematisch dargestellten Messbereich 7 auf, der über der Öffnung 3 zu liegen kommt. Der Messbereich 7 erstreckt sich dabei bis zur bügelförmigen Umrandung 2 und wird von dieser an den beiden Seiten und an der Stirnseite geschützt. Der Messbereich 7 ist daher von der Unterseite her nicht von der ersten Halbschale 1 abgedeckt.
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In Schritt c. wird ein zweites Halterelement 8 auf das Sensorelement 6 gesetzt. Im folgenden Schritt d. wird ein zweites Lagermaterial 9 in der Form einer Presspackung auf dem freiliegenden Teil des Sensorelementes 6 angeordnet, und zwar soweit, dass der Messbereich 7 von oben frei bleibt.
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Schließlich wird in Schritt e. eine zweite obere Halbschale 10 auf die gebildete Einheit aufgesetzt. Diese zweite Halbschale 10 ist kürzer ausgebildet als die erste Halbschale 1 und erstreckt sich bis zum Messbereich 7, so dass dieser nach oben frei bleibt. Schließlich wird die zweite obere Halbschale 10 über hierzu vorgesehene Bleche 11 mit der ersten Halbschale verbunden, so dass insgesamt ein sandwichartig aufgebauter flacher Sensor in Streifenform entsteht. Entsprechende, sich nach unten erstreckende Vorsprünge 12 dienen zur Positionierung der zweiten Halbschale 10 auf der gemäß Schritt d. gebildeten Einheit, indem sie in entsprechende Löcher der Presspackung 9 eingreifen.
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Durch das Zusammenfügen der beiden Halbschalen werden die beiden Lagermaterialien 5 und 9 (Presspackungen) komprimiert und bilden somit ein festes und dichtes Lager für das Sensorelement 6, so dass dieses reibungs- und vibrationsfrei innerhalb der beiden Halbschalen 1 und 10 gelagert wird. Der Messbereich 7 ist von beiden Seiten offen und kann nach Montage des Sensors direkt mit der umgebenden Atmosphäre in Kontakt treten.
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Zusammen mit oder getrennt von den Halterelementen 4, 8 für das aus einer geeigneten Keramik bestehende Sensorelement 6 können geeignete Steckerteile für das Sensorelement vorgesehen werden. Diese sind in der Figur nicht dargestellt. Gleiches trifft für die Leitungen und Leiterbahnen für die Stromversorgung des Messbereiches 7 zu.
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Der auf diese Weise hergestellte Sensor kann mit verschiedenartigen Sensorschutzhülsen bzw. Sensorschutzkappen versehen werden. Er kann beispielsweise mit einem geeigneten Keramikkleber in einer solchen Hülse bzw. Kappe fixiert werden. Ferner kann er mit Einschraubmitteln, Dichtungsmitteln, einer Zugentlastung etc. versehen werden. Da die Anordnung dieser Teile Stand der Technik ist, sind sie hier nicht gesondert dargestellt.
