DE102011078123A1

DE102011078123A1 - Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum

Info

Publication number: DE102011078123A1
Application number: DE201110078123
Authority: DE
Inventors: Imke Heeren; Kathy Sahner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2012-12-27

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder einer Temperatur des Gases, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte Anordnen mindestens eines Funktionselements (12) in mindestens einem Formnest eines Formgebungswerkzeugs, wobei das Funktionselement (12) mindestens einen Festelektrolyten (14) und mindestens eine Funktionsschicht (16, 18) umfasst; Einbringen, insbesondere Einspritzen, mindestens einer keramischen Masse in das Formnest, wobei die keramische Masse mindestens einen Porenbildner enthält, wobei ein Formling entsteht, wobei das Funktionselement (12) auf mindestens einer Seitrmlings, wobei ein zumindest abschnittsweise poröser Formkörper (20) entsteht.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Gases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Gases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Gas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Gases erfassbar.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliciumoxid (SiO₂) enthalten können.
Die DE 10 2008 054 631 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes, das mindestens eine auf einem spritzgegossenen Keramikkörper angeordnete Funktionsschicht aufweist. Zur integrierten Herstellung von Keramikkörper und Funktionsschicht in einem Arbeitsgang wird die mindestens eine Funktionsschicht auf mindestens eine Kunststofffolie aufgebracht, die beim Spritzgießen des Keramikkörpers in das Spritzwerkzeug eingelegt ist. Nach Entformen des im Spritzwerkzeug entstandenen Spritzgussteils wird die mindestens eine Kunststofffolie von der mindestens einen Funktionsschicht entfernt.
An derartige Sensorelemente werden steigende Funktionsanforderungen gestellt. Insbesondere spielt eine schnelle Betriebsbereitschaft von Lambdasonden nach einem Motorstart eine große Rolle. Diese wird im Wesentlichen von zwei Aspekten beeinflusst. Der erste Aspekt betrifft ein rasches Aufheizen der Lambdasonde auf ihre Betriebstemperatur oberhalb von 600 °C, was durch eine entsprechende Auslegung eines Heizelementes oder eine Verkleinerung des zu beheizenden Bereichs erreicht werden kann. Der andere Aspekt betrifft die Robustheit gegen Thermoschock durch Wasserschlag während eines Betriebs. Der genannte Thermoschock beruht darauf, dass für einen bestimmten Zeitraum nach dem Motorstart die Temperatur im Abgasrohr unterhalb des Taupunktes für Wasser liegt, so dass der bei der Verbrennung von Kraftstoff entstehende Wasserdampf im Abgasrohr kondensieren kann. Dadurch kommt es im Abgasrohr zur Bildung von Wassertropfen. Die aufgeheizte Keramik der Lambdasonde kann durch Auftreffen von Wassertropfen durch thermische Spannungen oder Brüche in der Sensorkeramik beschädigt oder sogar zerstört werden. Daher wurden Lambdasonden entwickelt, die eine poröse keramische Schutzschicht an ihrer Oberfläche aufweisen, die auch als Thermo-Shock-Protection-Schicht bezeichnet wird. Diese Schutzschicht sorgt dafür, dass auf die Lambdasonde auftreffende Wassertropfen über eine große Fläche verteilt werden und somit die auftretenden lokalen Temperaturgradienten in dem Festkörperelektrolyt bzw. der Sondenkeramik verringert werden. Diese Lambdasonden vertragen im beheizten Zustand also eine gewisse Tropfengröße an Kondenswasser, ohne beschädigt zu werden. Die Schutzschicht wird üblicherweise in einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf das Sensorelement aufgebracht. Verschiedene Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Spinell (MgAl₂O₄), und Auftragtechniken, wie beispielsweise Sprüh- oder Tauchprozesse, sind hierfür im Einsatz.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen für Lambdasonden beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Um die Funktionalität des Sensorelements nicht zu beeinflussen und es gleichzeitig zuverlässig vor Wassertropfen, wie beispielsweise aus dem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, zu schützen, müssen die Dicke und die Porosität der Thermo-Shock-Protection-Schicht optimal gewählt werden. Dabei ergeben sich bei der Optimierung des Sensorelements in Bezug auf die beiden genannten Einflussgrößen verschiedene Zielkonflikte. So schützt eine dicke Thermo-Shock-Protection-Schicht zuverlässig vor Wasserschlag, beeinflusst jedoch als zusätzliche thermische Masse das Aufheizverhalten des Sensorelements ungünstig. Desgleichen kann die Verwendung von Aluminiumoxid als gut wärmeleitfähigem Thermo-Shock-Protection-Schichtmaterial zu einem erhöhten Wärmeaustrag aus dem Sensorelement führen. Eine Verschlankung des keramischen Trägers schließlich ermöglicht zwar schnellere Aufheizzeiten, macht das Sensorelement jedoch mechanisch fragiler.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum sowie ein nach diesem Verfahren herstellbares Sensorelement vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden und bei denen die Robustheit gegenüber Thermoschock verbessert werden kann, ohne die thermische Masse zu erhöhen.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, vorzugsweise in der genannten Reihenfolge:

– Anordnen mindestens eines Funktionselements in mindestens einem Formnest eines Formgebungswerkzeugs, wobei das Funktionselement mindestens einen Festelektrolyten und mindestens eine Funktionsschicht umfasst;
– Einbringen, insbesondere Einspritzen, mindestens einer keramischen Masse in das Formnest, wobei die keramische Masse mindestens einen Porenbildner enthält, wobei ein Formling entsteht, wobei das Funktionselement auf mindestens einer Seite des Formlings angeordnet ist;
– Sintern des Formlings, wobei ein zumindest abschnittsweise poröser Formkörper entsteht.

Der Formkörper kann zumindest im Bereich des Funktionselements und insbesondere im Bereich der Funktionsschicht einen Hohlkörper mit einem Innenhohlraum bilden, wobei sich das Funktionselement auf einer dem Innenhohlraum zugewandten Seite des Hohlkörpers befinden kann. Der Hohlkörper kann rotationssymmetrisch ausgebildet werden. Der Hohlkörper kann als einseitig geschlossener Tubus ausgebildet werden. Die mindestens eine Funktionsschicht kann auf einem in das Formgebungswerkzeug einbringbaren Kern aufliegen. Die Funktionsschicht kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Elektrode, Leiterbahn, Diffusionsbarriere, Diffusionsspalt, Referenzgaskanal, Heizelement, Nernstzelle und Sauerstoff-Pumpzelle. Das Funktionselement kann mindestens eine elektrochemische Zelle umfassen, wobei die elektrochemische Zelle mindestens zwei Elektroden umfasst, wobei der Festelektrolyt die Elektroden verbindet. Der Formkörper kann derart porös ausgestaltet werden, dass ein Gaszutritt von einer dem Funktionselement gegenüberliegenden Seite durch den Formkörper hindurch zu dem Funktionselement ermöglicht wird. Die keramische Masse kann wenigstens ein keramisches Material enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinell (MgAl₂O₄), Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und Forsterit (Mg₂SiO₄). Der Porenbildner kann eingerichtet sein, dass der Formkörper, insbesondere der Hohlkörper, nach dem Sintern eine offene Porosität von zwischen 20 %, bevorzugt zwischen 35 % und 75 %, noch bevorzugter von 40%, aufweist. Das Verfahren kann weiterhin mindestens einen Schritt eines Entbinderns umfassen, wobei das Entbindern über ein thermisches Entbinderungsverfahren erfolgen kann.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, zumindest ein Funktionselement, das mindestens einen Festelektrolyten und mindestens eine Funktionsschicht umfasst, mittels beispielsweise eines so genannten Ceramic-Injection-Molding-Verfahrens auf oder innerhalb eines porösen Formkörpers, der gleichzeitig mechanische Stützfunktionen und Thermoschockschutz des Funktionselementes übernimmt, derart vorzusehen, dass es vor mechanischen Angriffen geschützt ist, aber ein Gaszutritt durch den porösen Formkörper zu mindestens einer Funktionsschicht möglich ist. Dieser Formkörper ist daher beispielsweise zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht porös ausgeführt, um den Gaszutritt zu den Funktionsschichten zu gewährleisten, d.h. im Bereich der Funktionsschicht wird eine Perkolationsschwelle überschritten. Als Formkörpermaterial eignen sich dafür beispielsweise Aluminiumoxid, Spinell Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid oder Forsterit. Die Perkolation beschreibt das Ausbilden von zusammenhängenden Gebieten (Clustern) bei zufallsbedingtem Besetzen von Strukturen (Gittern). Bei der Punktperkolation werden Gitterpunkte mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit besetzt, bei der Kantenperkolation werden besetzte Punkte untereinander verbunden. Mit dem Ansteigen der Wahrscheinlichkeit, dass ein Feld des Gitters besetzt ist, bilden sich größere Cluster aus. Die Besetzungswahrscheinlichkeit ist als der Wert definiert, bei dem mindestens ein Cluster eine Größe erreicht, dass er sich durch das gesamte System erstreckt, also beispielsweise eine Ausdehnung auf einem zweidimensionalen Gitter von der rechten zur linken oder von der oberen zur unteren Seite hat. Man sagt: Der Cluster perkoliert durch das System. Dieser Wert der Besetzungswahrscheinlichkeit ist die so genannte Perkolationsschwelle. Bei dem genannten Beispiel beschreibt daher die Perkolationsschwelle die Perkolationswahrscheinlichkeit, mit der zumindest ein sich durch den Träger erstreckender Hohlraum gebildet wird oder mehrere miteinander verbundene Hohlräume gebildet werden, dass das Gas von einer der Funktionsschicht abgewandten Seite des Formkörpers zu der der Funktionsschicht zugewandten Seite des Formkörpers gelangen kann.
Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyt handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird.
Unter dem Einbringen einer keramischen Masse ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Einspritzen der keramischen Masse zu verstehen. Das Einbringen, insbesondere das Einspritzen, umfasst dabei beispielsweise ein Umspritzen oder Hinterspritzen oder Inmold-Verfahren.
Unter einer Funktionsschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Elektrode, Leiterbahn, Diffusionsbarriere, Diffusionsspalt, Referenzgaskanal, Heizelement, Nernstzelle und Sauerstoff-Pumpzelle. Insbesondere sind darunter diejenigen Elemente zu verstehen, die die wesentlichen chemischen und/oder physikalischen und/oder elektrischen und/oder elektrochemischen Funktionen einer Lambdasonde erfüllen.
Unter einem Porenbildner ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes Material zu verstehen, das eingerichtet ist, die keramische Masse porös und leichter zu machen. Dies sind beispielsweise Säge- und Korkmehl, Stärke, Kohlenstaub, Polymerkugeln oder Polymerfasern, insbesondere Kurzfasern. Insbesondere sind darunter kohlenstoffbasierte Materialien zu verstehen, die beim so genannten Sintern verbrennen und dabei Hohlräume hinterlassen.
Unter einem Binder ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes Material zu verstehen, das eingerichtet ist, das keramische Pulver der keramischen Masse zu ummanteln, Agglomerate zu zerstören und für eine Herstellung eines homogenen Granulats zu sorgen. Beispielsweise können Polyalkohole, Polyvinylalkohole, Polyvinylbutyrole oder wachsbasierte Binder verwendet werden.
Unter der Porosität ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches als dimensionslose Messgröße zu verstehen. Diese Messgröße kann insbesondere in Prozent angegeben werden. Unter der offenen Porosität ist dabei der Anteil des Hohlraumvolumens derjenigen Hohlräume am Gesamthohlraumvolumen zu verstehen, die untereinander und mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen.
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lässt sich ein Sensorelement herstellen, bei dem aufgrund der Positionierung des Funktionselementes die fragile Funktionsschicht vor mechanischem Angriff schützen lässt. Mit diesem hochpräzisen Herstellungsverfahren können verschiedene Prozessschritte zusammengefasst und somit Kosten eingespart werden. Insbesondere lässt sich ein alternativer Aufbau für eine Lambdasonde angeben, mit dem die Thermoschockrobustheit verbessert wird, ohne die thermische Masse zu erhöhen. Gleichzeitig bietet das Design Potenzial zur Miniaturisierung der Funktionszone und damit weitere Kostenreduktion. Insbesondere lässt sich die Gesamtmasse durch Entfall eines massiven Trägers reduzieren. Ferner kann eine Verkleinerung des zu beheizenden Funktionsvolumens aufgrund von dünnen Funktionsschichten und somit ein verringerter Heizleistungsbedarf, eine kürzere Aufheizzeit auf die Betriebstemperatur und eine Kostenreduktion durch eine geringere Heizleistung erzielt werden. Durch die poröse Ausführung der keramischen Schicht zumindest im Bereich der Funktionsschichten wird gleichzeitig ein guter Gaszutritt zu der Funktionsschicht als auch eine gute Sondendynamik gewährleistet. Sofern als Materialien Aluminiumoxid und Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid verwendet werden, kann deren Funktionalität gekoppelt werden, das heißt, dass als Trägermaterial, wie beispielsweise als Röhrenmaterial, Aluminiumoxid als guter elektrischer Isolator, guter Wärmeleiter und als eine geeignete Thermoschockschutzschicht eingesetzt werden kann und die Elektrolytfunktion durch das Yttrium-stabilisierte Zirkoniumdioxid in Form einer Schicht ausgeführt werden kann. Dies ergibt einen Zusatznutzen durch Entfall einer Durchisolation durch den Aluminiumoxid-basierten, elektrisch isolierenden Kontaktbereich. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität kann in einem Zwei-Komponenten-Spritzguss beispielsweise der untere Teil einer Trägerröhre in gasdichter Keramik ausgeführt werden. Zwei oder mehrere separate Sensorfunktionen sind über den inneren Umfang des teilporösen Tubus verteilt integrierbar. Durch die räumliche Trennung der Sensorzellen ist der gleichzeitige Betrieb derselben bei unterschiedlichen Temperaturen möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
1 eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
2 eine Draufsicht auf einen Innenbereich eines Ausschnitts der 1 und
3 Darstellungen in unterschiedlichen Vergrößerungen von Ausschnitten der keramischen Masse.
Ausführungsformen der Erfindung
Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Gases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Gases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Gas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Gases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Gas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 als exemplarischer Bestandteil einer Lambdasonde weist ein Funktionselement 12 mit einem Festelektrolyten in Form einer Festelektrolytschicht 14, die Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthält, und mehrere Funktionsschichten 16 und 18 auf. Die Dotiergehalte für Yttriumoxid liegen zwischen 3,5 bis 10 mol-%, insbesondere zwischen 4,5 bis 5 mol-%. Alternativ ist der Einsatz von Scandiumoxid mit diesen Dotiergehalten möglich. Die Funktionsschichten 16 und 18 umfassen ein Heizelement 16, das zum Erwärmen der Festelektrolytschicht 14 eingerichtet ist, eine elektrochemische Zelle mit zwei Elektroden 18, die über die Festelektrolytschicht 14 miteinander verbunden sind, und eine Nernstzelle. Es können auch weitere Funktionsschichten vorgesehen werden, wie beispielsweise weitere Elektroden, eine Leiterbahn, eine Diffusionsbarriere, ein Diffusionsspalt, ein Referenzgaskanal, ein weiteres Heizelement und/oder eine Sauerstoff-Pumpzelle. Diese Funktionsschichten können in die Festelektrolytschicht eingebaut oder integriert sein. Die optionale Nernstzelle in der Festelektrolytschicht 14 ist vorzugsweise vorgesehen, um in einem Verbrennungsabgas den jeweiligen Restsauerstoffgehalt zu messen, um daraus das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff für die weitere Verbrennung so regeln zu können, dass weder ein Kraftstoff- noch ein Luftüberschuss auftritt. Da bei kaltem Motor die Temperatur noch weit unter 300 °C liegt, arbeitet die Lambdasonde und damit die Regelung bei Kaltstart nicht oder nur sehr träge. Deshalb ist das Funktionselement 12 des Sensorelements 10 vorzugsweise mit dem elektrischen Heizelement 16 ausgestattet, so dass die Sonde bereits kurz nach dem Kaltstarten auf die erforderliche Temperatur gebracht werden kann. Dadurch ist es möglich, bereits in der Warmlaufphase des Motors einen emissionsoptimierten Betrieb zu gewährleisten. Da der Betrieb einer Lambdasonde hinreichend bekannt ist, beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik, wird auf eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise verzichtet. Ein derartiges Einbauen oder Integrieren der beschriebenen Funktionsschichten ist ebenfalls aus dem oben beschriebenen Stand der Technik bekannt, so dass ein Aufbau des Funktionselements als Bestandteil beispielsweise einer planaren Lambdasonde oder Fingersonde in an sich bekannter Weise möglich ist. Die Elektroden 18 sind in 1 dargestellt, dass sie die Festelektrolytschicht 12 vollständig oder vollflächig bedecken. Es ist jedoch ausreichend, wenn die Elektroden 18 lediglich bereichsweise aufgetragen sind, wie beispielsweise in 2 angedeutet ist.
Das Sensorelement 10 umfasst ferner einen Formkörper 20, der als Träger für das Funktionselement 12 dient. Der Formkörper 20 ist als Hohlkörper in Form eines einseitig geschlossenen Tubus ausgebildet. Der Formkörper 20 ist somit rotationssymmetrisch ausgebildet. Insbesondere weist der Formkörper 20 einen Innenhohlraum 22 auf, in dem sich das Funktionselement 12 befindet. Das Funktionselement 12 ist auf einer dem Innenhohlraum 22 zugewandten Seite des Formkörpers 20 angeordnet. Die 2 zeigt die Anordnung des Funktionselements in dem Formkörper 20 in einer vergrößerten, ausschnittsweisen Draufsicht von dem Innenhohlraum 22 aus gesehen.
Der Träger 20 ist zumindest abschnittsweise aus einem keramischen Material 24, das poröses Aluminiumoxid enthält. Insbesondere weist das keramische Material 24 des Formkörpers 20 zumindest im Bereich des Funktionselements 12, insbesondere zumindest im Bereich 26 der Elektroden 18, eine offene Porosität zwischen 20 % und 90 %, bevorzugt zwischen 35 % und 75%, noch bevorzugter von 40 % auf. Bei höheren Werten als 50 % für die Porosität kann es zu einer Festigkeitsabnahme des keramischen Materials 24 kommen. In einem Bereich 28, der sich in Richtung zu dem offenen, freien Ende des Formkörpers 20 erstreckt, ist der Hohlkörper aus einem gasdichten, keramischen Material 30 gebildet. Das Material 30 kann ebenfalls Aluminiumoxid enthalten, ist aber nicht porös ausgeführt. Dies kann beispielsweise durch einen so genannten Zwei-Komponenten-Spritzguss erfolgen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Das poröse, keramische Material 24 des Formkörpers 20 dient als Thermoschockschutzschicht und schützt so das Funktionselement 12 vor mechanischen Angriffen, wie beispielsweise Wasserschlag. Durch das poröse, keramische Material 24 des Formkörpers 20 ist gewährleistet, dass zumindest in dem Bereich 26 das Abgas den Formkörper passieren und zu den Elektroden 18 gelangen kann. Das gasdichte, keramische Material 30 sorgt für eine ausreichende mechanische Stabilität des Formkörpers 20. Der Feststoffgehalt des Aluminiumoxids in dem Formköper 20 kann zwischen 45 bis 65 vol-% und insbesondere zwischen 54 bis 56 vol-% liegen.
Das Sensorelement 10 kann insbesondere wie folgt hergestellt werden. Zu Beginn wird das Funktionselement 12 gebildet, indem die Elektrolytschicht 14 mit den oben genannten Funktionsschichten 16 und 18 in an sich bekannter Weise bedruckt wird oder die Funktionsschichten 16 und 18 in die Elektrolytschicht 14 integriert werden. Insbesondere ist die Elektrolytschicht 14 in diesem Verfahrensstadium eine keramische Rohmasse, die als so genannter Grünling vorliegt und daher ungesintert ist. Das Funktionselement 12 wird auf einem nicht gezeigten Kern in Form eines Fingers aufliegend in ein Formnest eines Formgebungswerkzeugs, wie beispielsweise ein Spritzwerkzeug, eingebracht. In dieses Formnest wird dann über nicht gezeigte Zutrittsöffnungen zuerst die Rohmasse des porösen, keramischen Materials 24 eingespritzt und dann über weitere nicht gezeigte Zutrittsöffnungen die Rohmasse des gasdichten Materials 30 eingespritzt. Die keramische Rohmasse des Materials 24 enthält mindestens einen Binder und mindestens einen Porenbildner. Da der Kern die Form eines Fingers aufweist, wird die keramische Masse des Materials 24 und des Materials 30 um das Funktionselement 12 in Form des einseitig geschlossenen Tubus gespritzt. Insbesondere enthält die Rohmasse des Materials 30 keinen Porenbildner. Dadurch wird die Form des Formkörpers 20 gebildet. Die Rohmasse der Materialien 24 und 30 kann insbesondere Material enthalten aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Spinell und Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid.
Insbesondere kann zur Vermeidung einer Trennung der beiden keramischen Rohmassen in Form einer Rissbildung oder dergleichen während der nachstehend beschriebenen thermischen Prozesse ein formschlüssiges Verbindungsprofil gewählt werden. Nach dem Einspritzen der beiden keramischen Rohmassen befindet sich das Funktionselement 12 auf der dem Innenhohlraum 22 zugewandten Seite des Formkörpers 20. Anschließend wird der Formkörper 20 mit dem darauf angebrachten Funktionselement 12 aus dem Formnest entformt. Der so gebildete Formling wird thermisch entbindert und gesintert, wobei beide Schritte gleichzeitig vollzogen werden können. Durch das Sintern wird der Binder verdampft und der Porenbildner verbrannt und es entstehen in dem Material 24 gezielt Hohlräume, so dass der Formkörper die oben genannte Porosität aufweist. Dadurch wird ein poröser Formkörper 20 in der oben genannten Form gebildet, die sich beispielsweise für den Einsatz als Fingersonde eignet. Das Sintern kann bei einer Temperatur zwischen 1350 bis 1550 °C, insbesondere bei 1385 °C, erfolgen, wobei die Temperatur für beispielsweise 5,5 Stunden konstant gehalten wird.
Das genannte Verbindungsprofil der beiden keramischen Massen kann wellenförmig oder nach dem Nut- und Federprinzip ausgestaltet sein. Es sind aber auch frei konfigurierbare Hinterschneidungen möglich. Beispielhafte Darstellungen unterschiedlicher Vergrößerungen aus dem Verbindungsbereich der beiden keramischen Materialien 24 und 30 nach dem Sintern sind in 3 gezeigt. Deutlich erkennbar sind die Unterschiede der Zusammensetzungen und/oder des Aufbaus der keramischen Materialien 24 und 30. Insbesondere sind die porösen und die gasdichten Eigenschaften erkennbar.
Insbesondere werden nach dem oben beschriebenen Verfahren der keramische Formkörper 20 und das Funktionselement 12, insbesondere die Elektrolytschicht und die Funktionsschichten, als Grünlinge gemeinsam gesintert. Es ist jedoch auch möglich, dass das Funktionselement 12 als Braunling, d.h. in einem entbinderten Zustand, als angesinterter Weißling oder vollständig gesintert in das Formnest des Formgebungswerkzeugs eingebracht wird. Das Einspritzen der Rohmasse des Materials 30 ist als optional anzusehen. So kann der Formkörper 20 stattdessen vollständig aus dem Material 24 gebildet werden. Insbesondere kann die porös sinternde Masse des Materials 24 während der Schwindung beim Sintern ein viskoses Fließen zeigen und somit Schwindungsunterschiede zu der dicht sinternden Keramikmasse des Materials 30 und/oder aber zu der Masse des Funktionselements 12 kompensieren. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Gesamtschwindung des porösen Materials 24 gegenüber den Funktionsschichten der Festelektrolytschicht höher gewählt wird, so dass diese dann extrem innig mit dem Formkörper verbunden werden können.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008054631 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder einer Temperatur des Gases, umfassend die Schritte: – Anordnen mindestens eines Funktionselements (12) in mindestens einem Formnest eines Formgebungswerkzeugs, wobei das Funktionselement (12) mindestens einen Festelektrolyten (14) und mindestens eine Funktionsschicht (16, 18) umfasst; – Einbringen, insbesondere Einspritzen, mindestens einer keramischen Masse in das Formnest, wobei die keramische Masse mindestens einen Porenbildner enthält, wobei ein Formling entsteht, wobei das Funktionselement (12) auf mindestens einer Seite des Formlings angeordnet ist; – Sintern des Formlings, wobei ein zumindest abschnittsweise poröser Formkörper (20) entsteht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Formkörper (20) zumindest im Bereich des Funktionselements (12) und insbesondere im Bereich der Funktionsschicht (16, 18) einen Hohlkörper mit einem Innenhohlraum (22) bildet, wobei sich das Funktionselement (12) auf einer dem Innenhohlraum (22) zugewandten Seite des Hohlkörpers befindet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Hohlkörper rotationssymmetrisch ausgebildet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Hohlkörper als einseitig geschlossener Tubus ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Funktionsschicht (16, 18) auf einem in das Formgebungswerkzeug einbringbaren Kern aufliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktionsschicht (16, 18) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Elektrode, Leiterbahn, Diffusionsbarriere, Diffusionsspalt, Referenzgaskanal, Heizelement, Nernstzelle und Sauerstoff-Pumpzelle
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Funktionselement (12) mindestens eine elektrochemische Zelle umfasst, wobei die elektrochemische Zelle mindestens zwei Elektroden (18) umfasst, wobei der Festelektrolyt (14) die Elektroden (18) verbindet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Formkörper (20) derart porös ausgestaltet wird, dass ein Gaszutritt von einer dem Funktionselement (12) gegenüberliegenden Seite durch den Formkörper (20) hindurch zu dem Funktionselement (12) ermöglicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die keramische Masse wenigstens ein keramisches Material (24) enthält aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Spinell, Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und Forsterit.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Porenbildner eingerichtet ist, dass der Formkörper (20), insbesondere der Hohlkörper, nach dem Sintern eine offene Porosität zwischen 20 % und 90 %, bevorzugt zwischen 35 % und 75 %, noch bevorzugter von 40 %, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens einen Schritt eines Entbinderns, wobei das Entbindern über ein thermisches Entbinderungsverfahren erfolgt.
Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder einer Temperatur des Gases, herstellbar nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.