DE102011078129A1

DE102011078129A1 - Method for manufacturing sensor element of oxygen sensor for detecting characteristic of gas in gas compartment, involves arranging functional element in unsintered state in mold cavity of molding tool

Info

Publication number: DE102011078129A1
Application number: DE201110078129
Authority: DE
Inventors: Uwe Glanz; Thomas Loibl; Imke Heeren; Petra Kuschel; 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

The method involves arranging a functional element (12) in an unsintered state in a mold cavity of a molding tool, where the functional element has an electrolyte layer (14) and a functional layer. The ceramic mass is placed, particularly injection molded in the mold cavity, where the ceramic mass contains a pore builder, such that the functional element is embedded on two sides, particularly three sides, and a molded blank is generated. The molded blank is sintered, where a mold (24) porous in sections is formed in area of a functional layer.

Description

Stand der TechnikState of the art

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. A large number of sensor elements and methods for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space are known from the prior art. In principle, these can be any physical and / or chemical properties of the gas, one or more properties being able to be detected. The invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the gas can be detected.

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. For example, such sensor elements can be configured as so-called lambda probes, as they are made, for example Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pages 160-165 are known. With broadband lambda probes, in particular with planar broadband lambda probes, it is possible, for example, to determine the oxygen concentration in the exhaust gas over a large range and thus to deduce the air-fuel ratio in the combustion chamber. The air ratio λ describes this air-fuel ratio.

Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf ionenleitenden 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. In particular, ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, ie ion-conducting properties of these solids. In particular, these solids can be ceramic solid electrolytes, such as zirconium dioxide (ZrO ₂ ), in particular yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and / or scandium-doped zirconium dioxide (ScSZ), the small additions of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) and / or silica (SiO ₂ ).

Die DE 10 2009 000 463 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbauungsmoduls eines Gassensors, das aus einem Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen Größe eines Messgases und einem das Sensorelement in einem Sensorelementabschnitt gasdicht umschließenden, zur Verbauung in einem Gehäuse ausgebildeten Keramikkörper besteht, bei dem der Keramikkörper spritzgegossen und gesintert wird. Zur fertigungstechnischen Vereinfachung des Herstellungsverfahrens bei gleich guter Gasdichtigkeit zwischen Sensorelement und Keramikkörper wird das Spritzgießen des Keramikkörpers in einem die Form des Keramikkörpers vorgebenden Spritzgusswerkzeug vorgenommen, in das das Sensorelement zuvor positionsgenau eingelegt wird.The DE 10 2009 000 463 A1 describes a method for producing a Verbures module of a gas sensor, which consists of a sensor element for detecting a physical size of a measurement gas and the sensor element in a sensor element portion gas-tight enclosing, designed for installation in a housing ceramic body, in which the ceramic body is injection molded and sintered. For manufacturing simplification of the manufacturing process with the same good gas tightness between the sensor element and ceramic body, the injection molding of the ceramic body is made in a predetermining the shape of the ceramic body injection molding tool, in which the sensor element is previously inserted in precise position.

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. At such sensor elements increasing functional requirements are made. In particular, a fast operational readiness of lambda sensors after an engine start plays a major role. This is essentially influenced by two aspects. The first aspect relates to a rapid heating of the lambda probe to its operating temperature above 600 ° C, which can be achieved by a corresponding design of a heating element or a reduction of the area to be heated. The other aspect relates to the robustness against thermal shock due to water hammer during operation. Said thermal shock is based on the fact that for a certain period of time after engine start, the temperature in the exhaust pipe is below the dew point for water, so that the water vapor formed in the combustion of fuel in the exhaust pipe can condense. This causes the formation of drops of water in the exhaust pipe. The heated ceramic of the lambda probe can be damaged or even destroyed by the impact of water droplets due to thermal stresses or fractures in the sensor ceramic. Therefore, lambda sensors have been developed which have a porous ceramic protective layer on their surface, which is also referred to as a thermal shock protection layer. This protective layer ensures that drops of water impinging on the lambda probe are distributed over a large area and thus the occurring local temperature gradients in the solid electrolyte or the probe ceramic are reduced. This lambda probes tolerate in the heated state so a certain drop size of condensation, without being damaged. The protective layer is usually applied to the sensor element in an additional method step. Various materials, such as alumina or spinel (MgAl ₂ O ₄ ), and application techniques, such as spraying or dipping processes, are used for this.

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 Sensorelementes 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.Despite the numerous advantages of the methods known from the prior art for the production of sensor elements for lambda probes, these still contain room for improvement. In order not to influence the functionality of the sensor element and at the same time to reliably protect it from water drops, such as from the exhaust system of an internal combustion engine, the thickness and the porosity of the thermal shock protection layer must be optimally selected. This results in the optimization of the sensor element with respect to the two factors mentioned different conflicting goals. For example, a thick thermal shock protection layer reliably protects against water hammer, but influences the heating behavior of the thermal barrier as an additional thermal mass Sensor element unfavorable. Likewise, the use of alumina as a good thermally conductive thermo-shock-protection layer material can lead to increased heat leakage from the sensor element. Finally, a slimming down of the ceramic carrier allows faster heating times, but makes the sensor element mechanically more fragile.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es werden daher ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder einer Temperatur des Gases, sowie ein nach diesem Verfahren herstellbares Sensorelement vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden. Therefore, a method is proposed for producing a sensor element for detecting at least one property of a gas in a gas space, in particular for detecting a gas component in the gas or a temperature of the gas, as well as a sensor element which can be produced by this method, which disadvantages the known methods and sensor elements at least largely avoided.

Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, vorzugsweise in der genannten Reihenfolge:

– Anordnen mindestens eines Funktionselements in einem ungesinterten Zustand in mindestens einem Formnest eines Formgebungswerkzeugs, wobei das Funktionselement mindestens einen Elektrolyten und mindestens eine Funktionsschicht umfasst;
– Einbringen, insbesondere Einspritzen, insbesondere Spritzgießen, insbesondere Mehrkomponentenspritzgießen, mindestens einer keramischen Masse in das Formnest, wobei die keramische Masse mindestens einen Porenbildner enthält, derart, dass das Funktionselement von der keramischen Masse an mindestens zwei Seiten, bevorzugt mindestens drei Seiten, eingebettet wird, wobei ein Formling entsteht; und
– Sintern des Formlings, wobei ein zumindest abschnittsweise poröser Formkörper zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht entsteht.

The method comprises the following steps, preferably in the order named:

Arranging at least one functional element in an unsintered state in at least one mold cavity of a forming tool, wherein the functional element comprises at least one electrolyte and at least one functional layer;
- Introducing, in particular injection molding, in particular injection molding, in particular multi-component injection molding, at least one ceramic mass in the mold cavity, wherein the ceramic mass contains at least one pore former, such that the functional element of the ceramic mass on at least two sides, preferably at least three sides embedded , wherein a molded product is formed; and
- Sintering of the molding, wherein an at least partially porous molded body is formed at least in the region of at least one functional layer.

Die keramische Masse kann zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht mit ungleichmäßiger Dicke um das Funktionselement vorgesehen werden. In anderen Bereichen des mindestens einen Funktionselements als denjenigen Bereichen, die die mindestens Funktionsschicht umfassen, kann eine zweite keramische Masse in das Formnest eingebracht werden, die eingerichtet ist, einen gasdichten Formkörper zu bilden. Die beiden keramischen Massen können derart in das Formnest eingebracht werden, dass sie nach dem Sintern formschlüssig verbunden sind. Die formschlüssige Verbindung der keramischen Massen kann dadurch eingerichtet werden, dass diese in Form einer Keilnut oder eines Wellenprofils im Verbindungsbereich eingebracht werden. Das mindestens eine Funktionselement kann in dem Formnest von einem Zugkern derart gehalten werden, dass durch Ziehen des Zugkerns zuerst die keramische Masse mit dem mindestens einen Porenbildner in das Formnest eingebracht wird und durch weiteres Ziehen des Zugkerns die zweite keramische Masse in das Formnest eingebracht wird. Das Funktionselement kann Anschlusskontakte aufweisen und das Funktionselement kann derart in dem Formnest angeordnet werden, dass im Bereich der Anschlusskontakte mindestens eine Aussparung gebildet wird. Die keramische Masse mit dem mindestens einen Porenbildner kann wenigstens ein keramisches Material enthalten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinell (MgAl₂O₄), Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und Forsterit (Mg₂SiO₄). Das Funktionselement kann planar ausgebildet sein. Die keramische Masse mit dem mindestens einen Porenbildner kann im Bereich der Seitenflächen des Funktionselements dicker aufgetragen werden als in den übrigen Bereichen. Die keramische Masse mit dem mindestens einen Porenbildner kann im Bereich der Seitenflächen des Funktionselements derart dicker aufgetragen werden als in den übrigen Bereichen, dass der poröse Formkörper einen im Wesentlichen hantelförmigen Querschnitt aufweist. Die keramische Masse mit dem mindestens einen Porenbildner kann derart in das Formnest eingebracht werden, dass sie das Funktionselement zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht in Umfangsrichtung vollständig umgibt.The ceramic mass may be provided around the functional element at least in the region of the at least one functional layer of uneven thickness. In other regions of the at least one functional element than those regions which comprise the at least functional layer, a second ceramic mass can be introduced into the mold cavity, which is set up to form a gas-tight molded body. The two ceramic masses can be introduced into the mold cavity in such a way that they are positively connected after sintering. The positive connection of the ceramic masses can be set up by introducing them in the form of a keyway or a wave profile in the connection area. The at least one functional element can be held in the mold cavity by a tension core such that the ceramic mass with the at least one pore former is first introduced into the mold cavity by pulling the tensile core and the second ceramic mass is introduced into the mold cavity by further pulling the tension core. The functional element may have connection contacts and the functional element may be arranged in the mold cavity such that at least one recess is formed in the region of the connection contacts. The ceramic composition with the at least one pore-forming agent may contain at least one ceramic material selected from the group consisting of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), spinel (MgAl ₂ O ₄ ), yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and forsterite (Mg ₂ SiO ₄ ). The functional element may be planar. The ceramic mass with the at least one pore-forming agent can be applied thicker in the region of the side surfaces of the functional element than in the remaining regions. The ceramic mass with the at least one pore-forming agent can be applied in the area of the side surfaces of the functional element in such a thicker manner than in the remaining regions that the porous shaped body has a substantially dumbbell-shaped cross section. The ceramic mass with the at least one pore-forming agent can be introduced into the mold cavity such that it completely surrounds the functional element in the circumferential direction at least in the region of the at least one functional layer.

Das Sensorelement kann beispielsweise als planare Sonde, insbesondere als planare Lambdasonde, ausgeführt werden, also beispielsweise als Lambdasonde mit schichtförmigem Aufbau. Beispielsweise lassen sich Sprungsonden und/oder Breitband-Lambdasonden realisieren. The sensor element can be designed, for example, as a planar probe, in particular as a planar lambda probe, that is to say for example as a lambda probe with a laminar structure. For example, jump probes and / or broadband lambda probes can be realized.

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, zumindest an den gegenüber Wasserschlag empfindlichen Stellen, wie beispielsweise den Seitenkanten, durch eine dickere Thermoschockschutzschicht zu umgeben als in den übrigen Bereichen, wobei die Thermoschockschutzschicht zumindest in den Bereichen der Funktionsschicht als ein poröser Formkörper ausgeführt wird, der gleichzeitig mechanische Stützfunktionen und Thermoschockschutz des Funktionselementes übernimmt, 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 Formkörper 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.A basic idea of the invention is that at least one functional element which comprises at least one solid electrolyte and at least one functional layer, for example by means of a so-called ceramic injection molding process, by a thicker, at least at the areas sensitive to water hammer, such as the side edges Thermal shock protection layer to surround than in the other areas, wherein the thermal shock protection layer is at least in the areas of the functional layer as a porous molded body, which simultaneously performs mechanical support functions and thermal shock protection of the functional element, but a gas access is possible through the porous molding to at least one functional layer. This shaped body is therefore designed to be porous, for example, at least in the region of the at least one functional layer, in order to ensure gas access to the functional layers, ie a percolation threshold is exceeded in the region of the functional layer. As a molding material are suitable For example, alumina, spinel, yttrium-stabilized zirconia or forsterite. Percolation describes the formation of contiguous areas (clusters) by randomly occupying structures (lattices). In point percolation, lattice points are occupied with a certain probability, in edge percolation occupied points are connected to each other. As the likelihood that one field of the grid is occupied, larger clusters form. The occupation probability is defined as the value at which at least one cluster reaches a size that extends through the entire system, eg has an extension on a two-dimensional grid from the right to the left or from the upper to the lower side. It is said that the cluster percolates through the system. This value of the occupation probability is the so-called percolation threshold. In the example mentioned, therefore, the percolation threshold describes the percolation probability with which at least one cavity extending through the molded body is formed or a plurality of interconnected cavities are formed, such that the gas moves from one side of the molded body facing away from the functional layer to the side of the molded body facing the functional layer can get.

Unter einem Elektrolyten 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. In the context of the present invention, an electrolyte is to be understood as meaning a body or article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green or brownling, which only becomes a solid electrolyte after sintering.

Unter dem Einbringen einer keramischen Masse ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Einspritzen, insbesondere ein Spritzgießen, insbesondere ein Mehrkomponentenspritzgießen, der keramischen Masse oder der keramischen Massen zu verstehen. Das Einbringen, insbesondere das Einspritzen, umfasst dabei beispielsweise ein Umspritzen oder Hinterspritzen oder Inmold-Verfahren. Unter einem Mehrkomponentenspritzgießen ist dabei ein Spritzgießen zu verstehen, bei dem mehrere verschiedene Materialien oder Massen, insbesondere keramische Rohmassen, durch gleiche oder verschiedene Öffnungen nacheinander oder gleichzeitig eingespritzt werden.In the context of the present invention, the introduction of a ceramic mass is to be understood in particular to mean injection, in particular injection molding, in particular multi-component injection molding, the ceramic mass or the ceramic masses. The introduction, in particular the injection, comprises, for example, an encapsulation or injection molding or inmold process. In this context, multicomponent injection molding is to be understood as meaning injection molding in which several different materials or masses, in particular ceramic raw materials, are injected successively or simultaneously through identical or different openings.

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. In the context of the present invention, a functional layer is to be understood as meaning an element which is selected from the group consisting of: electrode, conductor track, diffusion barrier, diffusion gap, reference gas channel, heating element, Nernst cell and oxygen pumping cell. In particular, these include those elements which fulfill the essential chemical and / or physical and / or electrical and / or electrochemical functions of a lambda probe.

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, Polymerfasern, insbesondere Kurzfasern, oder Glaskohle. Insbesondere sind darunter kohlenstoffbasierte Materialien zu verstehen, die beim so genannten Sintern verbrennen und dabei Hohlräume hinterlassen. In the context of the present invention, a pore-forming agent is to be understood as meaning any material which is designed to render the ceramic mass porous and lighter. These are, for example, sawdust and cork powder, starch, pulverized coal, polymer spheres, polymer fibers, in particular short fibers, or glassy carbon. In particular, this means carbon-based materials that burn during so-called sintering and leave cavities.

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. For the purposes of the present invention, a binder is to be understood as meaning any material which is set up to encase the ceramic powder of the ceramic mass, to destroy agglomerates and to ensure the production of a homogeneous granulate. For example, polyalcohols, polyvinyl alcohols, polyvinyl butyrols or wax-based binders can be used.

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 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 und perkolieren. For the purposes of the present invention, porosity means the ratio of void volume to total volume of a substance or mixture of substances as a dimensionless measured variable. This metric can be specified in percent. Under the open porosity here is the proportion of the void volume of those cavities to understand the total void volume, which communicate with each other and with the ambient air and percolate.

Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lässt sich ein Sensorelement herstellen, bei dem die Thermoschockrobustheit eines Funktionselements, wie beispielsweise eines Einfoliensensorelements, durch Gestaltung einer porösen Thermoschockschutzschicht mit variabler Dicke erhöht ist. Ferner wird die mechanische Stabilität eines Funktionselements, wie beispielsweise eines Einfoliensensorelements, verbessert und das Handling für die Kontaktierung vereinfacht. Aufgrund der Positionierung des Funktionselements lässt sich die fragile Funktionsschicht vor mechanischem Angriff schützen. 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. Thermospannungen durch Wasserschlag werden reduziert und um die schnelle Betriebsbereitschaft der Gesamtsonde nicht zu beeinträchtigen und dennoch maximalen Schutz zu bieten, ist eine Ausführung des Mantels mit einem hantelförmigen Querschnitt vorteilhaft. So ist gewährleistet, dass die empfindlichen Seitenkanten des Funktionselements durch eine dicke Schicht geschützt werden, während für den Schutz der Großflächen eine wesentlich dünnere Schicht ausreicht. So wird die gesamte thermische Masse des Mantelmaterials nicht höher als erforderlich. Hierbei wird die Flexibilität des Ceramic Injection Molding-Prozesses bezüglich Freiformausführungen genutzt. Sofern als Materialien Aluminiumoxid und Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid verwendet werden, kann deren Funktionalität gekoppelt werden, das heißt, dass als Trägermaterial 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 und/oder durch eine Ausführung als Einfoliensensor. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität kann in einem Zwei-Komponenten-Spritzguss beispielsweise der untere Teil des Trägers in gasdichter Keramik ausgeführt werden. Im unteren Teil des Funktionselements können im Bereich der Anschlusskontakte geeignete Aussparungen vorgesehen werden, in die später ein Kontaktstecker angesetzt werden kann. Zwei oder mehrere separate Sensorfunktionen sind in den teilporösen Träger verteilt integrierbar. Durch die räumliche Trennung der Sensorzellen ist der gleichzeitige Betrieb derselben bei unterschiedlichen Temperaturen möglich. Damit ist ein Maßschneidern der Thermoschutzschicht möglich, deren Querschnitt so ausgelegt werden kann, dass bei minimaler thermischer Masse ein optimaler Schutz kritischer Bereiche erzielt wird.The manufacturing method according to the invention makes it possible to produce a sensor element in which the thermal shock robustness of a functional element, such as a single-foil sensor element, is increased by designing a porous thermal shock protection layer of variable thickness. Furthermore, the mechanical stability of a functional element, such as a Einfoliensensorelements, improved and simplifies the handling for contacting. Due to the positioning of the functional element, the fragile functional layer can be protected against mechanical attack. With this high-precision manufacturing process, different process steps can be combined and thus costs can be saved. In particular, an alternative design for a lambda probe can be specified with which the thermal shock robustness is improved without increasing the thermal mass. At the same time, the design offers potential for miniaturization of the functional zone and thus further cost reduction. In particular, the total mass can be reduced by eliminating a massive carrier. Furthermore, a reduction of the functional volume to be heated due to thin functional layers and thus a reduced heating power requirement, a shorter heating time to the operating temperature and a cost reduction can be achieved by a lower heating power. Due to the porous design of the ceramic layer, at least in the region of the functional layers, good gas access to the functional layer as well as good probe dynamics are ensured at the same time. Thermal stresses due to water hammer are reduced and, in order not to impair the fast operational readiness of the entire probe and nevertheless to provide maximum protection, an embodiment of the jacket with a dumbbell-shaped cross section is advantageous. This ensures that the sensitive side edges of the functional element are protected by a thick layer, while a much thinner layer is sufficient to protect the large areas. Thus, the total thermal mass of the sheath material does not become higher than necessary. Here, the flexibility of the Ceramic Injection Molding process is used with respect to free-form designs. If alumina and yttrium-stabilized zirconia are used as materials, their functionality can be coupled, that is to say that alumina can be used as a good electrical insulator, good heat conductor and thermal shock protection layer, and the electrolyte function can be achieved by the yttria-stabilized zirconia Shape of a layer can be performed. This results in an added benefit by omitting a through insulation by the aluminum oxide-based, electrically insulating contact area and / or by a design as a single-sheet sensor. To improve the mechanical stability, in a two-component injection molding, for example, the lower part of the carrier can be made in gas-tight ceramic. In the lower part of the functional element suitable recesses may be provided in the region of the connection contacts, in which later a contact plug can be attached. Two or more separate sensor functions can be integrated into the partially porous carrier. Due to the spatial separation of the sensor cells, the simultaneous operation of the same at different temperatures is possible. Thus, a tailoring of the thermal protection layer is possible, the cross section can be designed so that with minimal thermal mass optimum protection of critical areas is achieved.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen:Show it:

1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement, 1 a longitudinal section through a sensor element according to the invention,

2 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Sensorelement, und 2 a cross section through the sensor element according to the invention, and

3 einen vergrößerten Ausschnitt eines Verbindungsbereichs der keramischen Massen. 3 an enlarged section of a connecting portion of the ceramic masses.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den Figuren wird eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Das 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. In the figures, an embodiment of a sensor element according to the invention 10 shown in a schematic representation. The sensor element 10 can be used to detect physical and / or chemical properties of a gas, wherein one or more properties can be detected. The invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. In principle, however, other types of gas components are also detectable, for example nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen. Alternatively or additionally, however, other properties of the gas can be detected. The invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measuring gas chamber can be, in particular, an exhaust gas tract of an internal combustion engine and, in particular, an exhaust gas in the case of the gas.

In 1 ist das Sensorelement 10 exemplarisch Bestandteil einer planaren Lambdasonde. Das Sensorelement 10 weist ein Funktionselement 12 mit einem Festelektrolyten in Form einer Festelektrolytschicht 14, die Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthält, und mehrere nicht gezeigte Funktionsschichten auf. Die Funktionsschichten umfassen ein Heizelement, das zum Erwärmen der Festelektrolytschicht 14 eingerichtet ist, eine elektrochemische Zelle mit zwei Elektroden, 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 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 in an sich bekannter Weise möglich ist. Insbesondere weist das Funktionselement 12 eine planare Festelektrolytschicht 14 auf, d.h. die Festelektrolytschicht 14 weist die Form eines dünnen Quaders auf. Gemäß der Schnittansicht der 1 ist eine Seitenfläche 16 der Festelektrolytschicht 14 zu sehen. Bei dem dünnen Quader als Form für die Festelektrolytschicht 14 ist insbesondere diejenige Fläche als Seitenfläche zu verstehen, die die zweitgrößte Fläche der Oberfläche einer Quaderform bildet. Der Anteil an Yttriumoxid in der Festelektrolytschicht 14 kann zwischen 3,5 und 10 mol-%, insbesondere zwischen 4,5 und 5 mol-%, liegen.In 1 is the sensor element 10 exemplary part of a planar lambda probe. The sensor element 10 has a functional element 12 with a solid electrolyte in the form of a solid electrolyte layer 14 containing yttrium-stabilized zirconia and a plurality of functional layers not shown. The functional layers comprise a heating element which is used to heat the solid electrolyte layer 14 is set up, an electrochemical cell with two electrodes, over the solid electrolyte layer 14 and a Nernst cell. It is also possible to provide further functional layers, such as further electrodes, a conductor track, a diffusion barrier, a diffusion gap, a reference gas channel, a further heating element and / or an oxygen pumping cell. These functional layers can be incorporated or integrated in the solid electrolyte layer. The optional Nernst cell in the solid electrolyte layer 14 is preferably provided to measure in a combustion exhaust gas, the respective residual oxygen content in order to be able to regulate the ratio of combustion air to fuel for further combustion so that neither a Fuel still an excess of air occurs. Since the temperature is still far below 300 ° C. when the engine is cold, the lambda probe and thus the control does not work very slowly, or only very slowly, during a cold start. That is why the functional element is 12 of the sensor element 10 preferably equipped with the electric heating element, so that the probe can be brought to the required temperature already shortly after the cold start. This makes it possible to ensure emission-optimized operation already in the warm-up phase of the engine. Since the operation of a lambda probe is well known, for example, from the above-mentioned prior art, a detailed description of the operation will be omitted. Such incorporation or integration of the described functional layers is also known from the above-described prior art, so that a structure of the functional element as a component of, for example, a planar lambda probe in a conventional manner is possible. In particular, the functional element has 12 a planar solid electrolyte layer 14 on, ie the solid electrolyte layer 14 has the shape of a thin cuboid. According to the sectional view of 1 is a side surface 16 the solid electrolyte layer 14 to see. In the thin cuboid as a form for the solid electrolyte layer 14 is to be understood in particular that surface as a side surface, which forms the second largest surface of the surface of a parallelepiped shape. The proportion of yttrium oxide in the solid electrolyte layer 14 may be between 3.5 and 10 mol%, in particular between 4.5 and 5 mol%.

Gemäß der Darstellung der 1 lässt sich das Funktionselement 12 gedanklich in drei Abschnitte 18, 20, 22 in der Längsrichtung einteilen. Ein vorderer Endabschnitt 18 des Funktionselements 12 befindet sich in der Darstellung der 1 links und ein hinterer Endabschnitt 20 des Funktionselements 12 befindet sich in der Darstellung der 1 rechts. Zwischen dem vorderen Endabschnitt 18 und dem hinteren Endabschnitt 20 befindet sich ein mittlerer Abschnitt 22. Die Festelektrolytschicht 14 ist in dem vorderen Endabschnitt 18 von einem porösen Formkörper 24 aus einem keramischen Material, das Aluminiumoxid enthält, umgeben. Der poröse Formkörper 24 weist eine offene Porosität von zwischen 20 % und 90 %, bevorzugt zwischen 35 % und 75 %, noch bevorzugter von 40 % auf. Durch die Porosität kann zu messendes Gas den Formkörper 24 durchdringen und somit zu mindestens einer Elektrode einer Funktionsschicht gelangen. In dem mittleren Abschnitt 22 ist die Festelektrolytschicht 14 von einem gasdichten Formkörper 26 aus einem keramischen Material, das Aluminiumoxid enthalten kann, umgeben. Alternativ oder zusätzlich kann das keramische Material Zirkoniumdioxid, Spinell oder Forsterit enthalten. Der gasdichte Formkörper 26 aus dem keramischen Material dient als mechanische Verstärkung. In dem hinteren Endabschnitt 20 ist die Festelektrolytschicht 14 nicht von einem Formkörper umgeben, sondern diese weist eine Aussparung 28 auf. Die Aussparung 28 ist vorgesehen, damit in dem hinteren Endabschnitt 20 vorgesehene Anschlusskontakte für die Elektroden und das Heizelement freiliegen und mit einem nicht gezeigten Kontaktstecker für die Versorgung mit elektrischer Energie verbunden werden können. Der Feststoffgehalt des Aluminiumoxids in dem porösen Formköper 24 kann zwischen 45 bis 65 vol-% und insbesondere zwischen 54 bis 56 vol-% liegen.According to the presentation of the 1 can be the functional element 12 mentally in three sections 18 . 20 . 22 in the longitudinal direction. A front end section 18 of the functional element 12 is in the representation of the 1 left and a rear end section 20 of the functional element 12 is in the representation of the 1 right. Between the front end section 18 and the rear end portion 20 there is a middle section 22 , The solid electrolyte layer 14 is in the front end portion 18 from a porous shaped body 24 surrounded by a ceramic material containing alumina. The porous shaped body 24 has an open porosity of between 20% and 90%, preferably between 35% and 75%, more preferably 40%. Due to the porosity, gas to be measured can be the shaped body 24 penetrate and thus reach at least one electrode of a functional layer. In the middle section 22 is the solid electrolyte layer 14 from a gas-tight molded body 26 surrounded by a ceramic material that may contain alumina. Alternatively or additionally, the ceramic material may contain zirconia, spinel or forsterite. The gas-tight molded body 26 from the ceramic material serves as a mechanical reinforcement. In the rear end section 20 is the solid electrolyte layer 14 not surrounded by a molding, but this has a recess 28 on. The recess 28 is provided so that in the rear end portion 20 provided connection contacts for the electrodes and the heating element exposed and can be connected to a contact plug, not shown, for the supply of electrical energy. The solids content of the alumina in the porous shaped body 24 may be between 45 to 65% by volume, and more preferably between 54 to 56% by volume.

Wie der Darstellung der 2 zu entnehmen ist, ist der poröse Formkörper 24 im Bereich der Seitenflächen 16 dicker ausgeführt als im Bereich der Oberseite 30 und der Unterseite 32 der Festelektrolytschicht 14. Insbesondere ist der poröse Formkörper 24 im Wesentlichen hantelförmig im Querschnitt, d.h. die äußeren Bereiche des porösen Formkörpers 24, die die Seitenflächen 16 der Festelektrolytschicht 14 umgeben, sind kugelförmig oder kalottenförmig ausgeführt, wohingegen der mittlere Bereich des porösen Formkörpers 24, der die Oberseite 30 und die Unterseite 32 der Festelektrolytschicht 14 umgibt und die äußeren Bereich verbindet, im Wesentlichen eben oder mit relativ geringen Erhebungen, die fertigungstechnisch unvermeidbar und im Toleranzbereich liegen, ausgeführt ist. Da die Seitenflächen 16 bei einer derartigen planaren Festelektrolytschicht 16 im Allgemeinen empfindlicher gegenüber Wasserschlag als die Oberseite 30 und die Unterseite 32 sind, sorgt die erfindungsgemäße Ausbildung des Formkörpers 24 für eine größere Robustheit gegenüber Wasserschlag in den empfindlicheren Bereichen, wohingegen es für die Oberseite 30 und die Unterseite 32 als relativ unempfindliche Bereiche ausreichend ist, wenn der Formkörper 24 dünner ausgeführt wird. Dies verringert die Masse, die die Festelektrolytschicht 14 umgibt und aufgeheizt werden muss, ohne dass die mechanische Stabilität des Funktionselements 12 negativ beeinträchtigt wird. Insbesondere dient der poröse, keramische Formkörper 24, der Aluminiumoxid enthalten kann, aber auch aus Forsterit, Zirkoniumdioxid oder Spinell bestehen könnte, als Thermoschockschutzschicht, die als guter elektrischer Isolator dient und deren Wärmeleitung über die Porosität hemmbar ist.As the representation of 2 it can be seen, is the porous shaped body 24 in the area of the side surfaces 16 thicker than in the area of the top 30 and the bottom 32 the solid electrolyte layer 14 , In particular, the porous shaped body 24 essentially dumbbell-shaped in cross-section, ie the outer regions of the porous molding 24 that the side surfaces 16 the solid electrolyte layer 14 are spherical or dome-shaped, whereas the central portion of the porous body 24 that the top 30 and the bottom 32 the solid electrolyte layer 14 surrounds and connects the outer region, substantially flat or with relatively small elevations, which are technically unavoidable and in the tolerance range is executed. Because the side surfaces 16 in such a planar solid electrolyte layer 16 generally more sensitive to water hammer than the top 30 and the bottom 32 are, provides the inventive design of the molding 24 for greater ruggedness against water hammer in the more sensitive areas, whereas it is for the top 30 and the bottom 32 is sufficient as relatively insensitive areas when the molding 24 is made thinner. This reduces the mass that the solid electrolyte layer 14 surrounds and needs to be heated without the mechanical stability of the functional element 12 is adversely affected. In particular, the porous, ceramic molding serves 24 , which may contain aluminum oxide, but could also consist of forsterite, zirconium dioxide or spinel, as a thermal shock protective layer, which serves as a good electrical insulator and whose heat conduction is inhibited by the porosity.

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 in an sich bekannter Weise bedruckt wird oder die Funktionsschichten 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. In einem nicht gezeigten Formnest eines Formgebungswerkzeugs, wie beispielsweise eines Spritzwerkzeugs, befindet sich ein nicht gezeigter Zugkern, der zunächst den Hohlraum des Formnests einnimmt. Das Funktionselement 12 wird in dem Formnest derart angeordnet, dass es von dem Zugkern gehalten wird. Insbesondere verschließt der Zugkern die Zutrittsöffnung für die jeweiligen keramischen Rohmassen für die oben genannten Formkörper 24 und 26. Das Funktionselement 12 wird insbesondere derart angeordnet, dass sich der hintere Endabschnitt 20 nicht in dem Formgebungswerkzeug befindet. Dann wird begonnen, den Zugkern aus dem Formgebungswerkzeug herauszuziehen, wodurch Zutrittsöffnungen für die keramische Rohmasse für den oben genannten Formkörper 24, die einen Binder und einen Porenbildner enthält, freigegeben werden und diese in das Formwerkzeug einströmen kann. Dabei überströmt die keramische Rohmasse für den oben genannten Formkörper 24 das Funktionselement 12 und umschließt dieses in dem vorderen Endabschnitt 18 allseitig. Durch weiteres Herausziehen des Zugkerns werden schließlich die Zutrittsöffnungen für die zweite keramische Rohmasse für den oben genannten Formkörper 26, die keinen Porenbildner enthält, aber ansonsten mit der ersten keramischen Rohmasse identisch ist, freigegeben. Dabei überströmt die keramische Rohmasse für den oben genannten Formkörper 26 das Funktionselement 12 und umschließt dieses in dem mittleren Abschnitt 22 allseitig. Die Anspritzung in dem mittleren Abschnitt 22 des Funktionselements 12 kann dabei über laterale Einführungsöffnungen für die keramische Masse erfolgen. Die keramischen Rohmassen können insbesondere mindestens ein Material enthalten aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Spinell, Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und Forsterit.The sensor element 10 can be prepared in particular as follows. At the beginning, the functional element becomes 12 formed by the electrolyte layer 14 is printed with the above-mentioned functional layers in a conventional manner or the functional layers in the electrolyte layer 14 to get integrated. In particular, the electrolyte layer 14 in this stage of the process, a ceramic raw material which is present as a so-called green compact and is therefore unsintered. In a mold cavity, not shown, a forming tool, such as an injection molding tool, there is a tension core, not shown, the first Cavity of the mold nest occupies. The functional element 12 is placed in the mold cavity such that it is held by the puller core. In particular, the tension core closes the access opening for the respective ceramic raw materials for the abovementioned shaped bodies 24 and 26 , The functional element 12 is arranged in particular such that the rear end portion 20 not located in the forming tool. Then, it is started to pull out the tension core from the forming tool, whereby access openings for the ceramic raw material for the above-mentioned molded body 24 , which contains a binder and a pore-forming agent, are released and this can flow into the mold. The ceramic raw material overflows for the abovementioned molding 24 the functional element 12 and encloses this in the front end portion 18 on all sides. By further pulling out of the tension core finally the access openings for the second ceramic raw material for the above-mentioned molding 26 that does not contain a pore-forming agent but is otherwise identical to the first ceramic raw material. The ceramic raw material overflows for the abovementioned molding 26 the functional element 12 and encloses this in the middle section 22 on all sides. The gating in the middle section 22 of the functional element 12 can be done via lateral insertion openings for the ceramic mass. The ceramic raw materials may in particular contain at least one material selected from the group consisting of aluminum oxide, spinel, yttrium-stabilized zirconium dioxide and forsterite.

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 ist das Funktionselement 12 allseitig in dem vorderen Endabschnitt 20 von dem Formkörper 24 und in dem mittleren Abschnitt 22 von dem Formkörper 26 umgeben. 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 und der Porenbildner verbrannt und es entstehen in dem Material der keramischen Rohmasse für den Formkörper 24 gezielt Hohlräume, so dass der Formkörper 24 die oben genannte Porosität aufweist, wohingegen der Formkörper 26 aufgrund des Fehlens des Porenbildners in der zweiten keramischen Rohmasse gasdicht ausgebildet wird. Dadurch wird ein poröser Formkörper 24 in der oben genannten Form in dem vorderen Endabschnitt 18 des Funktionselements 12, der die Elektroden umfasst, gebildet, wohingegen der gasdichte Formköper 26 für die erforderliche mechanische Stabilität sorgt. Dadurch, dass der hintere Endabschnitt des Funktionselements 12 nicht in dem Formwerkzeug angeordnet wird, wird dieser nicht von einer keramischen Masse bedeckt und die sich in diesem Bereich befindenden Anschlusskontakte bleiben in einer Aussparung 28 freiliegend. Das Sintern kann bei einer Temperatur zwischen 1350 und 1550 °C, insbesondere 1385 °C erfolgen, wobei die Temperatur für beispielsweise 5,5 Stunden konstant gehalten wird.In particular, to avoid a separation of the two ceramic raw materials in the form of cracking or the like during the thermal processes described below, a positive connection profile can be selected. After injection of the two ceramic raw materials is the functional element 12 on all sides in the front end portion 20 from the shaped body 24 and in the middle section 22 from the shaped body 26 surround. Subsequently, the shaped body 20 with the functional element attached thereto 12 demolded from the mold cavity. The thus formed molding is thermally debinded and sintered, whereby both steps can be performed simultaneously. By sintering the binder and the pore-forming agent is burned and arise in the material of the ceramic raw material for the molding 24 targeted cavities, so that the molding 24 the above-mentioned porosity, whereas the molding 26 is formed gas-tight due to the absence of the pore-forming agent in the second ceramic raw material. This will be a porous shaped body 24 in the above-mentioned shape in the front end portion 18 of the functional element 12 , which comprises the electrodes formed, whereas the gas-tight molded body 26 ensures the required mechanical stability. Characterized in that the rear end portion of the functional element 12 is not placed in the mold, this is not covered by a ceramic mass and the terminals located in this area remain in a recess 28 exposed. The sintering can be carried out at a temperature between 1350 and 1550 ° C, in particular 1385 ° C, wherein the temperature is kept constant for example for 5.5 hours.

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. Eine beispielhafte, vergrößerte Darstellung aus einem wellenförmigen Verbindungsbereich der beiden keramischen Materialien für die Formkörper 24 und 26 nach dem Sintern ist in 3 gezeigt. Deutlich erkennbar sind die Unterschiede der Zusammensetzungen und/oder des Aufbaus der keramischen Materialien für die Formkörper 24 und 26. Insbesondere sind die porösen und die gasdichten Eigenschaften erkennbar. Said connection profile of the two ceramic masses can be configured wave-shaped or according to the tongue and groove principle. But also freely configurable undercuts are possible. An exemplary, enlarged view of a wave-shaped connection region of the two ceramic materials for the moldings 24 and 26 after sintering is in 3 shown. Clearly recognizable are the differences in the compositions and / or the structure of the ceramic materials for the moldings 24 and 26 , In particular, the porous and the gas-tight properties are recognizable.

Insbesondere werden nach dem oben beschriebenen Verfahren die keramischen Formkörper 24 und 26 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 für den gasdichten Formkörper 26 ist als optional anzusehen. So kann das Funktionselement 12 stattdessen vollständig in das Material für den porösen Formkörper 24 eingebettet werden. Insbesondere kann die porös sinternde Masse des Materials für den porösen Formkörper 24 während der Schwindung beim Sintern ein viskoses Fließen zeigen und somit Schwindungsunterschiede zu der dicht sinternden Keramikmasse des Materials für den gasdichten Formkörper 26 und/oder aber zu der Masse des Funktionselements 12 kompensieren. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Gesamtschwindung des Materials für den porösen Formkörper 24 gegenüber den Funktionsschichten der Festelektrolytschicht höher gewählt wird, so dass diese dann extrem innig mit dem Formkörper verbunden werden können. Eine rissfreie Kosinterung wird durch die Einstellung gleicher Entschwindung der jeweiligen Komponenten und die aufeinander angepasste Sinterkinetik der Rohstoffe gewährleistet.In particular, according to the method described above, the ceramic moldings 24 and 26 and the functional element 12 , in particular the electrolyte layer and the functional layers, sintered together as green bodies. However, it is also possible that the functional element 12 is introduced as Braunling, ie in a debindered state, as sintered white or completely sintered in the mold cavity of the forming tool. The injection of the raw material of the material for the gas-tight molded body 26 is to be regarded as optional. So can the functional element 12 instead completely in the material for the porous molding 24 be embedded. In particular, the porous sintering mass of the material for the porous molding 24 During shrinkage during sintering show a viscous flow and thus Schwindungsunterschiede to the dense sintering ceramic material of the material for the gas-tight molded body 26 and / or to the mass of the functional element 12 compensate. This is particularly advantageous if the total shrinkage of the material for the porous molding 24 is selected higher compared to the functional layers of the solid electrolyte layer, so that they can then be extremely intimately connected to the molding. Crack-free cosintering is ensured by the setting of the same shrinkage of the respective components and the adjusted sintering kinetics of the raw materials.

Alternativ zu der Halterung des Funktionselements 12 über den Zugkern ist es möglich, dieses während der Umspritzung durch Zusammenfahren von Stützpins in dem hinteren Endabschnitt 20 gegen Verschiebung oder Verwellung zu fixieren. Diese Pins werden nach Abschluss der Umspritzung gezogen, wobei die resultierenden Löcher über eine Nachdruckphase versiegelt werden können. Diese Stützpins dienen dabei als Art Klammern, die im Bereich der Aussparung 28 angesetzt werden. Alternatively to the holder of the functional element 12 over the Zugkern it is possible, this during the encapsulation by moving together of support pins in the rear end portion 20 to fix against displacement or Verwellung. These pins are pulled after completion of the overmolding, whereby the resulting holes can be sealed via a holding pressure phase. These support pins serve as a kind of brackets, in the area of the recess 28 be set.

Die gezeigte Festelektrolytschicht muss nicht als eine einzige Schicht ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, einen üblichen planaren Lambdasondenaufbau zu erzielen, d.h. einen Aufbau aus mehreren übereinander angeordneten Schichten in einer Stapelform.The solid electrolyte layer shown does not have to be formed as a single layer. Furthermore, it is possible to achieve a conventional planar lambda probe assembly, i. a structure of several superimposed layers in a stacked form.

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.It is explicitly pointed out that all features disclosed in the description and / or the claims are considered separate and independent of each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the feature combinations in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range indications or indications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as the limit of a range indication.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009000463 A1 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pages 160-165 [0002]

Claims

Method for producing a sensor element ( 10 ) for detecting at least one property of a gas in a gas space, in particular for detecting a gas component in the gas or a temperature of the gas, comprising the steps: - arranging at least one functional element ( 12 ) in an unsintered state in at least one mold cavity of a forming tool, wherein the functional element comprises at least one electrolyte ( 14 ) and at least one functional layer; Introducing, in particular injecting, in particular injection molding, in particular multi-component injection molding, at least one ceramic mass into the mold cavity, wherein the ceramic mass contains at least one pore-forming agent, such that the functional element ( 12 ) is embedded by the ceramic mass on at least two sides, preferably at least three sides, whereby a molding is formed; and sintering the molding, wherein an at least partially porous molding ( 24 ) arises at least in the region of the at least one functional layer.

Method according to the preceding claim, wherein the ceramic mass at least in the region of the at least one functional layer with non-uniform thickness around the functional element ( 12 ) is provided.

Method according to claim 1 or 2, wherein in other regions of the at least one functional element ( 12 ) as the areas that comprise the at least functional layer, a second ceramic mass is introduced into the mold cavity, which is adapted to a gas-tight molded body ( 26 ) to build.

The method of claim 3, wherein the two ceramic masses are introduced into the mold cavity so that they are positively connected after sintering.

The method of claim 4, wherein the positive connection of the ceramic masses is set up by being introduced in the form of a keyway or a wave profile in the connection region.

Method according to one of claims 3 to 5, wherein the at least one functional element ( 12 ) is held in the mold cavity of a tension core such that by pulling the tension core first the ceramic mass is introduced with the at least one pore-forming agent in the mold cavity and by further pulling the tension core, the second ceramic mass is introduced into the mold cavity.

Method according to one of the preceding claims, wherein the functional element ( 12 ) Has terminal contacts and the functional element ( 12 ) is arranged in the mold cavity so that at least one recess is formed in the region of the connection contacts.

Method according to one of the preceding claims, wherein the ceramic mass with the at least one pore-forming agent contains at least one ceramic material selected from the group consisting of alumina, spinel, yttrium-stabilized zirconia and forsterite.

Method according to one of the preceding claims, wherein the functional element ( 12 ) is planar.

Method according to the preceding claim, wherein the ceramic mass with the at least one pore-forming agent in the region of the side surfaces of the functional element ( 12 ) is applied thicker than in the other areas.

Method according to one of the preceding claims, wherein the ceramic mass is introduced with the at least one pore-forming agent in the mold cavity in such a way that it is the functional element ( 12 ) completely surrounds at least in the region of the at least one functional layer in the circumferential direction.

Sensor element ( 10 ) for detecting at least one property of a gas in a gas space, in particular for detecting a gas component in the gas or a temperature of the gas, preparable by a method according to any one of the preceding claims.