DE102011078569A1

DE102011078569A1 - Sensor element for detecting property of gas in measurement gas space, has layer structure with two electrodes, and solid electrolyte is connected to two electrodes

Info

Publication number: DE102011078569A1
Application number: DE201110078569
Authority: DE
Inventors: Hans-Joerg Renz; Dieter Bieck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2013-01-10

Abstract

The sensor element (10) has a layer structure (12) with two electrodes. A solid electrolyte (18) is connected to the two electrodes. A layer of the layered structure is formed by the latter electrode that is separated from the measurement gas space (14). The latter electrode is formed separately from the measurement gas space by a layer of the layer structure. The latter electrode is connected to the measurement gas space through a gas access way (20). The gas access way has a gas inlet hole (22) in the layered structure. An independent claim is included for a method for producing a sensor element.

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 yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder scandiumdotiertes 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 silicon oxide (SiO ₂ ) may contain.

DE 10 2008 043 335 A1 beschreibt ein keramisches Sensorelement mit einer Deckschicht, die zumindest bereichsweise eine Außenfläche des Sensorelements bildet, und einer Gaszutrittsöffnung, die in einer Festelektrolytschicht eingebracht ist und in die Mitte einer Diffusionsbarriere mündet. Die Deckschicht weist im Bereich der Gaszutrittsöffnung eine Aussparung auf, die angefast ausgebildet ist. DE 10 2008 043 335 A1 describes a ceramic sensor element with a cover layer, which at least partially forms an outer surface of the sensor element, and a gas inlet opening, which is introduced into a solid electrolyte layer and opens into the center of a diffusion barrier. In the region of the gas inlet opening, the cover layer has a recess which is chamfered.

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 Heizelements 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, wie oben beschreiben, Lambdasonden entwickelt, die eine poröse keramische Schutzschicht an ihrer Oberfläche aufweisen, die auch als Thermoschockschutzschicht 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 Festkörperelektrolyten bzw. der Sondenkeramik verringert werden. Diese Lambdasonden vertragen im beheizten Zustand also eine gewisse Tropfengröße an Kondenswasser, ohne beschädigt zu werden. 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, as described above, lambda probes having a porous ceramic protective layer on their surface, also referred to as a thermal shock protective layer, have been developed. 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.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente für Lambdasonden beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So weist die Festelektrolytschicht der oben genannten Lambdasonden in dem Mündungsbereich des Gaszutrittslochs in die Oberfläche eine Kante auf, die senkrecht, d.h. unter einem Winkel von 90 °, zur Oberfläche der Festelektrolytschicht in das Innere der Festelektrolytschicht verläuft. Auch wenn die Oberfläche der Festelektrolytschicht mit der Thermoschockschutzschicht überzogen ist, kann dennoch im Mündungsbereich des Gaszutrittslochs das freiliegende Zirkoniumdioxid der Festelektrolytschicht von Wassertropfen getroffen werden, so dass das Sensorelement an der Kante des Gaszutrittslochs reißen und somit beschädigt werden kann. Despite the advantages of known from the prior art sensor elements for lambda probes, these still have room for improvement. Thus, the solid electrolyte layer of the above-mentioned lambda probes in the mouth area of the gas access hole has an edge in the surface which is perpendicular, i.e., vertical, to the surface. at an angle of 90 ° to the surface of the solid electrolyte layer into the interior of the solid electrolyte layer. Even if the surface of the solid electrolyte layer is covered with the thermal shock protective layer, the exposed zirconia of the solid electrolyte layer may still be struck by water droplets in the mouth area of the gas access hole, so that the sensor element at the edge of the gas access hole may be cracked and thus damaged.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es werden daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden und bei denen die Robustheit gegenüber Thermoschock auch im Mündungsbereich des Gaszutrittslochs verbessert werden kann. Therefore, a sensor element for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space and a method for its production are proposed, which at least largely avoid the disadvantages of known methods and sensor elements and in which the robustness to thermal shock can also be improved in the mouth region of the gas access hole.

Das Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder einer Temperatur des Gases, kann einen Schichtaufbau mit mindestens einer ersten Elektrode, mit mindestens einer zweiten Elektrode und mit mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten umfassen. Die zweite Elektrode kann durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein. Die zweite Elektrode kann über mindestens einen Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum verbunden sein. Der Gaszutrittsweg kann mindestens ein Gaszutrittsloch in dem Schichtaufbau aufweisen, das zumindest teilweise in dem Festelektrolyten ausgebildet ist, wobei das Gaszutrittsloch in einer Oberfläche des Schichtaufbaus mündet, wie beispielsweise einer Grenzfläche Schichtaufbau-Messgasraum. Das Gaszutrittsloch kann eine von der Oberfläche des Schichtaufbaus ausgehende Fase aufweisen, wobei sich die Fase in den Festelektrolyten im Wesentlichen konusförmig hinein erstreckt. Die im Wesentlichen konusförmige Fase kann einen halben Öffnungswinkel von 30 ° bis 60 ° aufweisen. The sensor element for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, in particular for detecting a gas component in the gas or a temperature of the gas, may have a layer structure with at least one first electrode, with at least one second electrode and with at least one of the first electrode and the comprising second electrode connecting solid electrolyte. The second electrode may be formed by at least one layer of the layer structure separated from the sample gas space. The second electrode may be connected via at least one Gaszutrittsweg with the sample gas space. The gas-introducing path may include at least one gas-introducing hole in the layered structure at least partially formed in the solid electrolyte, the gas-introducing hole opening in a surface of the layered structure, such as a layered-structure-measuring-gas-layer interface. The gas inlet hole may have a chamfer emanating from the surface of the layer structure, wherein the chamfer extends substantially conically into the solid electrolyte. The substantially cone-shaped chamfer can have a half opening angle of 30 ° to 60 °.

Die konusförmige Fase kann insbesondere einen halben Öffnungswinkel von 40 ° bis 50 ° und bevorzugt von 45 ° aufweisen. Ein Übergangsbereich der konusförmigen Fase in die Oberfläche des Schichtaufbaus kann abgerundet ausgebildet sein. Die Fase kann zumindest teilweise von einer Thermoschockschutzschicht bedeckt sein. Die Thermoschockschutzschicht kann die konusförmige Fase vollständig und eine Oberfläche des Gaszutrittslochs, die sich von der Oberfläche des Schichtaufbaus weiter innen als die Fase in dem Festelektrolyten befindet, zumindest teilweise bedecken. Die Thermoschockschutzschicht kann in dem Bereich der Fase des Gaszutrittslochs als Überstand über die Fase ausgebildet sein. Das Gaszutrittsloch kann einen ersten Bereich, in dem die Fase ausgebildet ist, und einen zweiten Bereich, der zylindrisch ausgebildet ist, aufweisen. Der erste Bereich kann an seiner größten Stelle der Fase einen Durchmesser von 0,55 mm bis 0,95 mm aufweisen, und der zweite Bereich kann einen Durchmesser von 0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere von 0,2 mm bis 0,4 mm und besonders bevorzugt von 0,25 mm aufweisen.The conical chamfer may in particular have a half opening angle of 40 ° to 50 ° and preferably of 45 °. A transition region of the conical chamfer into the surface of the layer structure may be rounded. The chamfer may be at least partially covered by a thermal shock protection layer. The thermal shock protective layer may completely cover the cone-shaped chamfer and at least partially cover a surface of the gas access hole located farther inside of the surface of the layer structure than the chamfer in the solid electrolyte. The thermal shock protection layer may be formed in the region of the chamfer of the gas access hole as a projection over the chamfer. The gas introduction hole may include a first region where the chamfer is formed and a second region that is cylindrical. The first region may have a diameter of 0.55 mm to 0.95 mm at its largest point of the chamfer, and the second region may have a diameter of 0.1 mm to 0.5 mm, in particular from 0.2 mm to 0 , 4 mm and more preferably 0.25 mm.

Bei einem Herstellungsverfahren eines Sensorelements mit den oben genannten Merkmalen kann das Gaszutrittsloch insbesondere in einem ungesinterten Zustand des Sensorelements ausgebildet werden. Die Herstellung der Fase kann über mindestens ein Bohrverfahren und/oder mindestens ein Fräsverfahren erfolgen. In a manufacturing method of a sensor element having the above-mentioned features, the gas access hole may be formed particularly in an unsintered state of the sensor element. The production of the chamfer can take place via at least one drilling method and / or at least one milling method.

Ein Gedanke der Erfindung besteht darin, die Robustheit gegenüber Wasserschlag zu steigern, in dem die freiliegende Oberfläche des Festelektrolyten, beispielsweise eine freiliegende Zirkoniumdioxidfläche, reduziert wird. Dies kann auch zu einer Reduzierung der Eigenspannung in diesem Bereich führen, wodurch Vorschädigungen während des Beschichtungsprozesses mit einer Thermoschockschutzschicht reduziert werden. Insbesondere ist ein Anfasen des Mündungsbereichs des Gaszutrittslochs einfach herzustellen, da beim Bohren des Gaszutrittslochs unter Verwendung eines Spezialbohrers gleichzeitig eine Fase eingebracht werden kann. Dadurch werden die Eigenspannungen des Materials an dieser Stelle herabgesetzt. Dies hat zur Folge, dass in diesem Bereich die durch den Beschichtungsprozess mit der Thermoschockschutzschicht auftretenden Vorschädigungen verringert werden können. An idea of the invention is to increase the resistance to water hammer by reducing the exposed surface of the solid electrolyte, for example an exposed zirconia surface. This can also lead to a reduction in the residual stress in this area, which reduces previous damage during the coating process with a thermal shock protection layer. In particular, chamfering of the mouth portion of the gas access hole is easy to manufacture because, when drilling the gas access hole using a special drill, a chamfer can be simultaneously introduced. As a result, the residual stresses of the material are reduced at this point. This has the consequence that in this area the damage caused by the coating process with the thermal shock protective layer can be reduced.

Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist im Rahmen der Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.In the context of the present invention, a solid 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 brown, which only becomes a solid electrolyte after sintering. In particular, the solid electrolyte may be formed as a solid electrolyte layer or of a plurality of solid electrolyte layers. In the context of the invention, a layer is to be understood as meaning a uniform mass in a planar extent at a certain height, which lies above, below or between other elements.

Unter einer Fase ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Fläche eines Werkstücks, wie beispielsweise des Festelektrolyten, zu verstehen, die zwei weitere Flächen des Werkstücks verbindet und zu den weiteren Flächen jeweils geneigt ist. Somit weisen die Flächen oder die gemittelten Tangenten an diese Flächen einen Winkel von größer 0 ° auf. Als Winkel ist in diesem Fall der kleinere Ergänzungswinkel zu verstehen, der zwischen den Flächen oder Tangenten gebildet wird. Unter Ergänzungswinkeln sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei benachbarte Winkel zwischen sich schneidenden Geraden, zwischen einer Geraden und einer Ebene, die sich schneiden, oder zwischen zwei sich schneidenden Ebenen, die sich zu 180 ° ergänzen, zu verstehen. So weisen beispielsweise zwei sich schneidende Geraden vier Winkel zwischen sich auf, von denen jeweils zwei benachbarte Winkel Ergänzungswinkel sind. In the context of the present invention, a chamfer is to be understood as an area of a workpiece, such as, for example, the solid electrolyte, which connects two further surfaces of the workpiece and is inclined in each case to the other surfaces. Thus, the surfaces or the averaged tangents to these surfaces at an angle greater than 0 °. In this case, the angle is to be understood as the smaller supplementary angle formed between the surfaces or tangents. Supplementary angles in the context of the present invention mean two adjacent angles between intersecting straight lines, between a straight line and a plane intersecting, or between two intersecting planes which complement each other by 180 °. For example, two intersecting straight lines have four angles between them, of which two adjacent angles are supplementary angles.

Unter einer konusförmigen Fase ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Fase zu verstehen, die zumindest einen Teil einer Mantelfläche eines gedachten Kegels oder Kegelstumpfs bildet. Verbindungslinien zwischen einer Spitze des Kegels und einer Umrandung einer Grundfläche des Kegels können dabei auch als Mantellinien bezeichnet werden. Unter im Wesentlichen konusförmig ist dabei eine Kegelform zu verstehen, deren Mantellinien nicht notwendig geradlinig von der Grundfläche des Kegels zu seiner Spitze verlaufen, sondern beispielsweise auch gekrümmt. Unter dem halben Öffnungswinkel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Winkel zwischen den Mantellinien und einer Achse des Kegels zu verstehen, insbesondere einer Rotationsachse. Sofern die Mantellinien keinen geradlinigen Verlauf aufweisen, wird zur Festlegung des Öffnungswinkels anstelle der Mantellinie die gemittelte Tangente an die Mantellinien herangezogen. Die gemittelte Tangente wird aus dem gemittelten Verlauf der Tangenten an jeden Punkt einer Mantellinie gebildet. Unter einer Fase, die sich von der Oberfläche eines Festelektrolyten bzw. Schichtaufbaus in den Festelektrolyten konusförmig hinein erstreckt, ist daher eine Fläche zu verstehen, die die Mantelfläche eines gedachten Kegels oder einen Teil dieser Mantelfläche bildet, wobei die Grundfläche des Kegels insbesondere in der Ebene der Oberfläche des Festelektrolyten bzw. des Schichtaufbaus liegen kann und wobei sich die Spitze des Kegels insbesondere im Inneren des Festelektrolyten befinden kann. Dabei kann es sich auch um die Mantelfläche eines gedachten Kegelstumpfs handeln, wobei für die Festlegung des halben Öffnungswinkels die Mantellinien gedanklich bis zu der Spitze verlängert werden.In the context of the present invention, a cone-shaped chamfer is to be understood as meaning a chamfer which forms at least part of a lateral surface of an imaginary cone or truncated cone. Connecting lines between a tip of the cone and a border of a base of the cone can also be referred to as generatrices. Under substantially cone-shaped is to understand a conical shape whose generatrices do not necessarily extend straight from the base of the cone to its top, but for example, curved. In the context of the present invention, half the opening angle is to be understood as meaning the angle between the generatrices and an axis of the cone, in particular an axis of rotation. If the surface lines do not have a straight course, the average tangent to the generatrices is used instead of the generatrix to determine the opening angle. The averaged tangent is formed from the averaged trace of tangents at each point on a surface line. A chamfer which extends in a cone shape from the surface of a solid electrolyte or layer structure into the solid electrolyte is therefore to be understood as a surface which forms the lateral surface of an imaginary cone or a part of this lateral surface, the base surface of the cone in particular in the plane the surface of the solid electrolyte or of the layer structure can lie and wherein the tip of the cone can be located in particular in the interior of the solid electrolyte. This can also be the lateral surface of an imaginary truncated cone, wherein for the determination of half the opening angle, the generatrices are theoretically extended to the top.

Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus bedingt unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein. In the context of the present invention, a layer structure is generally to be understood as meaning an element which has at least two layers and / or layer planes arranged one above the other. The layers can be made conditionally distinguishable by the production of the layer structure and / or from different materials and / or starting materials. In particular, the layer structure can be designed completely or partially as a ceramic layer structure.

Unter einer Thermoschockschutzschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht zu verstehen, die eingerichtet ist, die auftretenden lokalen Temperaturgradienten in dem Festelektrolyten bzw. der Sondenkeramik zu verringern, indem sie beispielsweise auf die Lambdasonde auftreffende Wassertropfen über eine große Fläche verteilt. Die Schicht kann aus einem keramischen Material sein und kann porös sein.In the context of the present invention, a thermal shock protection layer is to be understood as meaning a layer which is set up to reduce the local temperature gradients occurring in the solid electrolyte or the probe ceramic, for example, by distributing water droplets incident on the lambda probe over a large area. The layer may be made of a ceramic material and may be porous.

Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrecht erhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf den Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold und/oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. An electrode in the context of the present invention is generally to be understood as meaning an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte. Typically, the electrodes comprise a noble metal electrode, which may, for example, be applied to the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold and / or palladium, are in principle applicable.

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

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

Die mindestens eine zweite Elektrode ist dabei über mindestens einen Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum verbunden. Unter einem Gaszutrittsweg ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, über welches ein Austausch von Gas zwischen dem Messgasraum und der zweiten Elektrode stattfinden kann, wobei ein vollständiger Gasaustausch oder auch lediglich ein Austausch einzelner Gaskomponenten gewährleistet sein kann. Beispielsweise kann der Gaszutrittsweg eine oder mehrere Bohrungen, Kanäle, Öffnungen oder Ähnliches umfassen. Der Gaszutrittsweg kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass er ein Nachströmen und/oder eine Nachdiffusion von Gas zu der zweiten Elektrode von dem Messgasraum oder in umgekehrter Richtung gewährleistet, beispielsweise ein Nachströmen und/oder eine Nachdiffusion von Sauerstoff. Der Gaszutrittsweg weist mindestens ein Gaszutrittsloch in dem Schichtaufbau auf. The at least one second electrode is connected via at least one Gaszutrittsweg with the sample gas space. In this context, a gas access path is generally understood to mean an element via which an exchange of gas can take place between the sample gas space and the second electrode, wherein a complete gas exchange or even an exchange of individual gas components can be ensured. For example, the gas access path may include one or more holes, channels, openings, or the like. The gas inlet path can in particular be designed such that it ensures a subsequent flow and / or a postdiffusion of gas to the second electrode from the measuring gas space or in the opposite direction, for example an afterflow and / or a postdiffusion of oxygen. The gas access path has at least one gas access hole in the layer structure.

Unter einem Gaszutrittsloch ist dabei eine Öffnung zu verstehen, welche sich durch mindestens eine Schichtebene des Schichtaufbaus, insbesondere den Festelektrolyten, hindurch erstreckt, insbesondere durch die mindestens eine Schicht hindurch, welche die mindestens eine zweite Elektrode von dem Messgasraum trennt. Das Gaszutrittsloch kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden Querschnitt oder einen polygonalen Querschnitt. Das Gaszutrittsloch kann insbesondere senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus verlaufen und kann beispielsweise eine zumindest abschnittsweise zylindrische Gestalt aufweisen, beispielsweise eine kreiszylindrische Gestalt. A gas access hole is to be understood as meaning an opening which extends through at least one layer plane of the layer structure, in particular the solid electrolyte, in particular through the at least one layer which separates the at least one second electrode from the measurement gas space. The gas inlet hole can basically have any desired cross section, for example a round cross section or a polygonal cross section. The gas access hole may in particular run perpendicular to the layer planes of the layer structure and may, for example, have an at least partially cylindrical shape, for example a circular cylindrical shape.

Erfindungsgemäß wird dabei vorgeschlagen, dass das Gaszutrittsloch, in dem Bereich, in dem es in eine Oberfläche des Schichtaufbaus, insbesondere des Festelektrolyten, mündet, d.h. in dem Mündungsbereich, eine Fase aufweist. Dieser angefaste Bereich des Festelektrolyten im Mündungsbereich des Gaszutrittslochs kann beispielsweise ein schräges Aufbringen mindestens einer Thermoschockschutzschicht begünstigen, wobei auch eine Oberfläche des Gaszutrittslochs im Inneren des Festelektrolyten, mit Ausnahme des Bereichs einer Diffusionsbarriere, bedeckt werden kann. According to the invention it is proposed that the gas access hole, in the region in which it opens into a surface of the layer structure, in particular of the solid electrolyte, i. in the mouth region, has a chamfer. This chamfered region of the solid electrolyte in the mouth region of the gas access hole may favor, for example, oblique application of at least one thermal shock protection layer, and a surface of the gas access hole may be covered inside the solid electrolyte except for the region of a diffusion barrier.

Insbesondere kann ein thermisches Spritzverfahren zum Aufbringen der mindestens einen Thermoschockschutzschicht verwendet werden, beispielsweise ein Plasmaspritzen oder Laserspritzen, das unter einem schrägen Winkel zu der Oberfläche, also aus einer Richtung, die von einer Senkrechten zu der Oberfläche abweicht, ausgeführt wird. Beispielsweise kann das Spritzverfahren derart eingesetzt werden, dass die Thermoschockschutzschicht auch auf die Fase und Bereiche des Gaszutrittslochs, die weiter Innen in dem Festelektrolyten liegen, aufgebracht wird. In particular, a thermal spraying method may be used to apply the at least one thermal shock protective layer, for example plasma spraying or laser spraying, which is performed at an oblique angle to the surface, that is, from a direction deviating from a normal to the surface. For example, the spraying method may be used such that the thermal shock protective layer is also applied to the land and portions of the gas access hole located further inside in the solid electrolyte.

Unter einem thermischen Spritzverfahren ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Oberflächenbeschichtungsverfahren zu verstehen, bei dem Zusatzwerkstoffe, die so genannten Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschleudert werden. Die Bauteiloberfläche wird dabei nicht oder nur angeschmolzen und in geringem Maße thermisch belastet. Eine Schichtbildung findet statt, da die Spritzpartikel beim Auftreffen auf die Bauteiloberfläche prozess- und materialabhängig mehr oder minder abflachen, vorrangig durch mechanische Verklammerung haften bleiben und lagenweise die Spritzschicht aufbauen. Die erzielten Schichteigenschaften werden maßgeblich beeinflusst von der Temperatur und der Geschwindigkeit der Spritzpartikel zum Zeitpunkt ihres Auftreffens auf die zu beschichtende Oberfläche. Der Oberflächenzustand, wie beispielsweise Reinheit, Aktivierung, Temperatur, übt ebenfalls maßgeblichen Einfluss auf Qualitätsmerkmale wie die Haftfestigkeit aus. Als Energieträger für die An- oder Aufschmelzung des Spritzzusatzwerkstoffes dienen elektrischer Lichtbogen (Lichtbogenspritzen), Plasmastrahl (Plasmaspritzen), Brennstoff-Sauerstoff-Flamme bzw. Brennstoff-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme (konventionelles und Hochgeschwindigkeits-Flammenspritzen), schnelle, vorgewärmte Gase (Kaltgasspritzen) und Laserstrahl (Laserstrahlspritzen). In the context of the present invention, a thermal spraying process is to be understood as meaning a surface coating process in which filler materials, the so-called spray additives, inside or outside a spray burner, are melted or melted, accelerated in a gas flow in the form of spray particles and sprayed onto the surface of the spray jet to be coated component to be coated. The component surface is not or just fused and slightly thermally stressed. A layer formation takes place because the spray particles flatten more or less depending on the process and material when hitting the component surface, stick primarily by mechanical clamping and layer by layer build up the spray layer. The achieved coating properties are significantly influenced by the temperature and the speed of the spray particles at the time of their impact on the surface to be coated. The surface state, such as purity, activation, temperature, also has a significant influence on quality features such as the adhesive strength. As an energy source for the on or melting of the spray additive serve electrical arc (arc spraying), plasma jet (plasma spraying), fuel-oxygen flame or fuel-oxygen high-speed flame (conventional and high-speed flame spraying), fast, preheated gases (cold gas spraying) and Laser beam (laser beam spraying).

Unter einem Plasmaspritzen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein thermisches Spritzverfahren mit einem Plasmastrahl als Energieträger für die An- oder Aufschmelzung des Spritzzusatzwerkstoffes zu verstehen. Üblicherweise sind in einem Plasmabrenner eine Anode und bis zu drei Kathoden durch einen schmalen Spalt getrennt. Durch eine Gleichspannung wird ein Lichtbogen zwischen Anode und Kathode erzeugt. Das durch den Plasmabrenner strömende Gas oder Gasgemisch wird durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert. Die Dissoziation bzw. anschließende Ionisation erzeugt ein hochaufgeheiztes, bis 20.000 K elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen. In diesem erzeugten Plasmajet wird ein Pulver mit einer üblichen Kornverteilung von 5 µm bis 120 µm, bei bestimmten Geräten ist auch eine Körnung von bis hinunter zu 100 nm möglich, eingedüst, das durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die Pulverteilchen mit und schleudert sie auf das zu beschichtende Werkstück oder Bauteil oder Substrat. Die Gasmoleküle kehren bereits nach kürzester Zeit wieder in einen stabilen Zustand zurück und so sinkt die Plasmatemperatur bereits nach kurzer Wegstrecke wieder ab. Die Plasmabeschichtung erfolgt in normaler Atmosphäre, inerter Atmosphäre unter Schutzgas wie Argon, im Vakuum oder auch unter Wasser. Für die Schichtqualität sind die Geschwindigkeit, die Temperatur als auch die Zusammensetzung des Plasmagases von Bedeutung. Verwendete Gase sind Argon, Stickstoff, Wasserstoff oder Helium.In the context of the present invention, plasma spraying is to be understood as meaning a thermal spraying process with a plasma jet as the energy carrier for the application or melting of the spray additive material. Typically, one anode and up to three cathodes are separated by a narrow gap in a plasma torch. A DC voltage creates an arc between the anode and the cathode. The flowing through the plasma torch gas or gas mixture is passed through the arc and thereby ionized. The dissociation or subsequent ionization generates a highly heated, up to 20,000 K electrically conductive gas of positive ions and electrons. In this Plasmajet produced is a powder with a conventional particle size distribution of 5 microns to 120 microns, in certain devices is also a grain size of down to 100 nm possible injected, which is melted by the high plasma temperature. The plasma stream entrains the powder particles and hurls them at the workpiece or component or substrate to be coated. The gas molecules return to a stable state after only a short time State back and so the plasma temperature drops after a short distance again. The plasma coating is carried out in a normal atmosphere, inert atmosphere under inert gas such as argon, under vacuum or under water. For the layer quality, the speed, the temperature as well as the composition of the plasma gas are important. Gases used are argon, nitrogen, hydrogen or helium.

Unter einem Laserspritzen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein thermisches Spritzen mit einem Laserstrahl als Energieträger für die An- oder Aufschmelzung des Spritzzusatzwerkstoffes zu verstehen. Beim Laserspritzen wird ein pulverförmig vorliegender Zusatzwerkstoff, der so genannte Spritzzusatz, mit einer Kornverteilung bis unter 100 nm über eine Düse in dem auf das Werkstück fokussierten Laserstrahl eingebracht und mithilfe eines Gases auf die Werkstückoberfläche geschleudert. Mittels Laserstrahlung wird sowohl das Pulver wie auch ein minimaler Teil der Bauteiloberfläche aufgeschmolzen und der zugeführte Spritzzusatz mit dem Bauteilwerkstoff verbunden. Nach der Fokussieroptik tritt mit dem Laserstrahl das Gas aus, meist Argon, das zum einen die Oxidation der Schmelze verhindert und zum anderen den Spritzzusatz transportiert. Somit ist es Schutzgas und Trägergas zugleich. In the context of the present invention, laser spraying means thermal spraying with a laser beam as the energy source for the application or melting of the spray additive material. In laser spraying, a filler material present in powder form, the so-called spray additive, having a particle size distribution of less than 100 nm, is introduced via a nozzle in the laser beam focused onto the workpiece and thrown onto the workpiece surface with the aid of a gas. By means of laser radiation, both the powder and a minimal part of the component surface is melted and the added spray additive is connected to the component material. After the focusing optics, the gas emerges from the laser beam, usually argon, which on the one hand prevents oxidation of the melt and on the other hand transports the spray additive. Thus, it is inert gas and carrier gas at the same time.

Die mindestens eine zweite Elektrode kann insbesondere in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Dieser Elektrodenhohlraum kann in einem Inneren des Schichtaufbaus angeordnet sein und kann beispielsweise als offener Hohlraum ausgestaltet sein. Alternativ kann dieser Elektrodenhohlraum auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen, porösen Material gefüllt sein, beispielsweise mit einem gasdurchlässigen Aluminiumoxid. Der Elektrodenhohlraum kann insbesondere über mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Gaszutrittsloch verbunden sein. In diesem Fall umfasst der Gaszutrittsweg zu der mindestens einen zweiten Elektrode, also das Gaszutrittsloch, die Diffusionsbarriere oder einen Kanal, in welchem die Diffusionsbarriere angeordnet ist, sowie den Elektrodenhohlraum. The at least one second electrode can be arranged in particular in an electrode cavity. This electrode cavity can be arranged in an interior of the layer structure and can be designed, for example, as an open cavity. Alternatively, this electrode cavity may also be completely or partially filled with a gas-permeable, porous material, for example with a gas-permeable aluminum oxide. The electrode cavity can in particular be connected to the gas inlet hole via at least one diffusion barrier. In this case, the gas access path to the at least one second electrode, that is, the gas access hole, the diffusion barrier or a channel in which the diffusion barrier is disposed, and the electrode cavity.

Unter einer Diffusionsbarriere ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches ein unmittelbares Nachströmen von Gas aus dem Gaszutrittsloch in den Elektrodenhohlraum verhindert oder zumindest bremst. Eine Diffusionsbarriere ist also ein Element, welches einen hohen Strömungswiderstand bereitstellt, wohingegen eine Diffusion von Gas oder Gaskomponenten durch die Diffusionsbarriere vergleichsweise einfach möglich ist. Die Diffusionsbarriere kann beispielsweise ein poröses keramisches Element umfassen, insbesondere ein feinporiges Aluminiumoxid. Ist eine derartige Diffusionsbarriere vorgesehen, so ist es besonders bevorzugt, wenn die Diffusionsbarriere gegenüber dem Gaszutrittsloch zurückversetzt ausgebildet ist. Unter einer zurückversetzten Diffusionsbarriere ist dabei eine Diffusionsbarriere zu verstehen, welche nicht unmittelbar an das Gaszutrittsloch angrenzt, sondern gegenüber diesem zurückversetzt angeordnet ist. Beispielsweise kann die Diffusionsbarriere in einem Kanal oder einer sonstigen Öffnung angeordnet sein, welche Bestandteil des Gaszutrittswegs ist, wobei jedoch die Diffusionsbarriere nicht bis unmittelbar an den Übergang zwischen diesem Kanal bzw. dieser Öffnung und dem Gaszutrittsloch heranreicht, sondern von diesem Übergang beabstandet endet. Der Vorteil dieser zurückversetzten oder zurückgezogenen Diffusionsbarriere besteht darin, dass diese beim Herstellen des Gaszutrittslochs nicht beschädigt wird, wodurch eine Verschmutzung der Diffusionsbarriere auftreten könnte oder wodurch Unregelmäßigkeiten bei der Einstellung des Grenzstroms, welcher durch die Breite der Diffusionsbarriere bestimmt wird, auftreten könnten. Zudem verbessert die genannte Ausgestaltung eine Dauerlaufstabilität im Betrieb, insbesondere hinsichtlich einer Versottung, beispielsweise durch Partikel aus Asche, wie beispielsweise Ölasche, und/oder Metalloxiden. In the context of the present invention, a diffusion barrier is generally to be understood as meaning an element which prevents or at least brakes an immediate subsequent flow of gas from the gas inlet hole into the electrode cavity. A diffusion barrier is therefore an element which provides a high flow resistance, whereas a diffusion of gas or gas components through the diffusion barrier is comparatively easily possible. The diffusion barrier may comprise, for example, a porous ceramic element, in particular a fine-pored alumina. If such a diffusion barrier is provided, then it is particularly preferred if the diffusion barrier is set back in relation to the gas inlet hole. A back-staggered diffusion barrier is to be understood as meaning a diffusion barrier which does not directly adjoin the gas access hole but is set back in relation to it. For example, the diffusion barrier can be arranged in a channel or other opening which is part of the gas access path, but the diffusion barrier does not reach right up to the transition between this channel and the gas access hole, but ends at a distance from this transition. The advantage of this recessed or retreated diffusion barrier is that it will not be damaged in making the gas access hole, which could cause fouling of the diffusion barrier or cause irregularities in the adjustment of the limiting current determined by the width of the diffusion barrier. In addition, said embodiment improves a continuous running stability during operation, in particular with regard to sooting, for example by particles of ash, such as oil ash, and / or metal oxides.

Bei dem Herstellungsverfahren für ein Sensorelement kann der Schichtaufbau durch Verwendung von Folientechniken und/oder von Dickschichttechniken und/oder anderen keramischen Schichttechniken hergestellt werden. Die zweite Elektrode wird dabei durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus von dem Messgasraum getrennt ausgebildet, insbesondere durch mindestens eine Schicht des Festelektrolyten. Die zweite Elektrode wird über mindestens einen Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum verbunden, wobei der Gaszutrittsweg mindestens ein Gaszutrittsloch in dem Schichtaufbau aufweist. Das Gaszutrittsloch wird dabei erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass das Gaszutrittsloch in einer Oberfläche des Schichtaufbaus mündet, wie beispielsweise einer Grenzfläche Schichtaufbau-Messgasraum, wobei das Gaszutrittsloch eine von der Oberfläche des Schichtaufbaus ausgehende Fase aufweist. Die Fase kann sich in den Festelektrolyten im Wesentlichen konusförmig hinein erstrecken, wobei die im Wesentlichen konusförmige Fase einen halben Öffnungswinkel von 30 ° bis 60 ° aufweist.In the sensor element manufacturing method, the layer structure may be fabricated by using film techniques and / or thick film techniques and / or other ceramic layering techniques. The second electrode is formed by at least one layer of the layer structure separated from the sample gas space, in particular by at least one layer of the solid electrolyte. The second electrode is connected to the measuring gas space via at least one gas inlet path, wherein the gas inlet path has at least one gas inlet hole in the layer structure. According to the invention, the gas inlet hole is configured in such a way that the gas inlet hole opens into a surface of the layer structure, such as, for example, an interface layer structure measuring gas space, the gas inlet hole having a chamfer emanating from the surface of the layer structure. The chamfer may extend into the solid electrolyte in a substantially cone-shaped manner, with the substantially conical chamfer having a half opening angle of 30 ° to 60 °.

Die Herstellung des Gaszutrittslochs kann dabei auf verschiedene Weisen erfolgen. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gaszutrittsloch unter Verwendung mindestens eines mechanischen Bohrverfahrens und/oder mindestens eines mechanischen Fräsverfahrens erzeugt wird. Insbesondere kann das Gaszutrittsloch in einem ungesinterten Zustand des Sensorelements eingebracht werden. Es sind jedoch auch weitere Verfahren für das Einbringen des Gaszutrittslochs möglich, beispielsweise ein Laserbohrverfahren oder eine andere Art eines Bohr- und/oder Stanzverfahrens. The production of the gas access hole can be done in various ways. It is particularly preferred if the gas access hole is produced using at least one mechanical drilling method and / or at least one mechanical milling method. In particular, the gas access hole may be introduced in an unsintered state of the sensor element. However, other methods for introducing the gas access hole are possible, for example a Laser drilling method or another type of drilling and / or punching method.

Die erfindungsgemäßen Sensorelemente weisen eine erhöhte Robustheit gegenüber Wasserschlag auf, da die freiliegende Zirkoniumdioxidfläche des Festelektrolyten reduziert wird. Ferner wird die Eigenspannung in diesem Bereich reduziert, wodurch es zu einer Reduzierung von Vorschädigungen während des Beschichtungsprozesses mit einer Thermoschockschutzschicht kommt. Ein Anfasen des Gaszutrittslochs ist einfach, d.h. nicht aufwändig herzustellen, da beim Bohren des Gaszutrittslochs, beispielsweise unter Verwendung eines Spezialbohrers, gleichzeitig eine Fase angebracht werden kann. Dadurch werden die Eigenspannungen des Materials an dieser Stelle herabgesetzt. Dies hat zur Folge, dass in diesem Bereich die durch den Beschichtungsprozess mit der Thermoschockschutzschicht auftretenden Vorschädigungen besonders verringert werden können.The sensor elements according to the invention have an increased resistance to water hammer, since the exposed zirconium dioxide surface of the solid electrolyte is reduced. Furthermore, the residual stress in this area is reduced, which leads to a reduction of pre-damage during the coating process with a thermal shock protection layer. Chamfering the gas access hole is simple, i. not expensive to manufacture, since when drilling the gas access hole, for example using a special drill, a bevel can be attached at the same time. As a result, the residual stresses of the material are reduced at this point. This has the consequence that in this area the damage caused by the coating process with the thermal shock protective layer can be particularly reduced.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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

Es zeigen: Show it:

1 einen Ausschnitt aus einer Querschnittsdarstellung eines bekannten Sensorelements im Bereich eines Gaszutrittslochs, und 1 a detail of a cross-sectional view of a known sensor element in the region of a gas inlet hole, and

2 einen Ausschnitt aus einer Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements im Bereich eines Gaszutrittslochs. 2 a detail of a cross-sectional view of a sensor element according to the invention in the region of a gas inlet hole.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist ein bekanntes Sensorelement 10 zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Gases dargestellt. Das Sensorelement 10 weist einen Schichtaufbau 12 auf, welcher in einem keramischen Folien- und/oder Dickschichtverfahren hergestellt werden kann. Der Schichtaufbau 12 umfasst eine einem Messgasraum 14 zuweisende Oberfläche 16 eines Festelektrolyten 18 auf. In 1 is a known sensor element 10 shown for the detection of physical and / or chemical properties of a gas. The sensor element 10 has a layer structure 12 which can be produced in a ceramic film and / or thick film process. The layer structure 12 includes a measuring gas space 14 assigning surface 16 a solid electrolyte 18 on.

Das Sensorelement 10 weist ferner einen Gaszutrittsweg 20 auf. Der Gaszutrittsweg 20 weist ein Gaszutrittsloch 22 auf, das sich von der Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 ins Innere des Schichtaufbaus 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 18 kann ein Elektrodenhohlraum 24 vorgesehen sein, der das Gaszutrittsloch 22 ringförmig umgibt. Wie der Darstellung der 1 zu entnehmen ist, erstreckt sich das Gaszutrittsloch 22 senkrecht zu der Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 in das Innere des Schichtaufbaus 12. Folglich weist das Gaszutrittsloch 22 in dem Bereich, in dem es in die Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 mündet und Zugang zum Messgasraum 14 hat, eine Kante mit einem rechten Winkel zu der Oberfläche 16 auf. Diese Kante ist anfällig für Wasserschlag, da an dieser keine Thermoschockschutzschicht anhaften kann und das freiliegende Zirkoniumdioxid des Festelektrolyten 18 empfindlich gegenüber Thermoschock ist. Bei Auftreffen von Wassertropfen, d.h. Wasserschlag, kann es daher zu Beschädigungen an dem Festelektrolyten 18, insbesondere im Bereich der rechtwinkligen Kante des Gaszutrittslochs 22 kommen, wie durch angedeutete Risse 26 in dem Festelektrolyten 18 gezeigt ist. The sensor element 10 also has a gas access path 20 on. The gas access route 20 has a gas entry hole 22 up, extending from the surface 16 of the solid electrolyte 18 into the interior of the layer structure 12 extends. In the solid electrolyte 18 can be an electrode cavity 24 be provided, which is the gas access hole 22 surrounds annularly. As the representation of 1 it can be seen, the gas inlet hole extends 22 perpendicular to the surface 16 of the solid electrolyte 18 into the interior of the layer structure 12 , Consequently, the gas access hole has 22 in the area where it is in the surface 16 of the solid electrolyte 18 opens and gives access to the sample gas chamber 14 has an edge at a right angle to the surface 16 on. This edge is prone to waterhammer since it can not adhere to the thermal shock protective layer and the exposed zirconia of the solid electrolyte 18 is sensitive to thermal shock. Upon impact of water drops, ie water hammer, it may therefore damage the solid electrolyte 18 , in particular in the region of the right-angled edge of the gas inlet hole 22 come as indicated by cracks 26 in the solid electrolyte 18 is shown.

2 stellt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 10 zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Gases dar, bei dem diese Nachteile nicht auftreten. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Sensorelement 10 eine oder mehrere Eigenschaften des Gases erfassen. Die Erfindung wird im Folgenden 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 Kraftfahrzeuge einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Gas in dem Messgasraum insbesondere um ein Abgas. 2 represents an inventive embodiment of a sensor element 10 for the detection of physical and / or chemical properties of a gas in which these disadvantages do not occur. In particular, the sensor element according to the invention 10 capture one or more properties of the gas. The invention will be described below 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 vehicles, so that the measurement gas space can be, in particular, an exhaust gas tract of an internal combustion engine and, in particular, an exhaust gas in the gas in the measurement gas space.

Das in 2 gezeigte erfindungsgemäße Sensorelement 10 wird insbesondere unter Herausstellung der Unterschiede zu dem bekannten Sensorelement der 1 beschrieben, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. This in 2 shown sensor element according to the invention 10 is in particular highlighting the differences from the known sensor element of 1 described, wherein the same components are provided with the same reference numerals.

Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 weist einen Schichtaufbau 12 auf, welcher in einem keramischen Folien- und/oder Dickschichtverfahren hergestellt werden kann. Der Schichtaufbau 12 umfasst eine einem Messgasraum 14 zuweisende Oberfläche 16 eines Festelektrolyten 18 auf. Auf der Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 ist eine erste Elektrode 28 angeordnet. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die erste Elektrode 28 beispielsweise ringförmig ausgestaltet sein, da das Sensorelement 10 in weiten Teilen einen rotationssymmetrischen Aufbau aufweisen kann. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Die erste Elektrode 28 kann von dem Messgasraum 14 beispielsweise durch eine nicht gezeigte, gasdurchlässige Thermoschockschutzschicht getrennt sein. The sensor element according to the invention 10 has a layer structure 12 which can be produced in a ceramic film and / or thick film process. The layer structure 12 includes a measuring gas space 14 assigning surface 16 a solid electrolyte 18 on. On the surface 16 of the solid electrolyte 18 is a first electrode 28 arranged. At the in 2 illustrated embodiment, the first electrode 28 be designed, for example, annular, since the sensor element 10 can have a rotationally symmetrical structure in large parts. However, other embodiments are possible. The first electrode 28 can from the sample gas space 14 for example, be separated by a gas-permeable thermal shock protection layer, not shown.

Weiterhin umfasst der Schichtaufbau 12 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen oder mehrere Festelektrolyte 18. Beispielsweise können diese Festelektrolyte 18 als Festelektrolytfolien und/oder mittels Dickschichttechnik hergestellt sein. Beispielsweise kann der Festelektrolyt 18 yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid umfassen. Ferner umfasst der Schichtaufbau 12 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 auf einer der ersten Elektrode 28 gegenüberliegenden Seite des Festelektrolyten 18 mindestens eine zweite Elektrode 30. Diese zweite Elektrode 30 kann beispielsweise ebenfalls wiederum rotationssymmetrisch angeordnet sein und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrteilig ausgestaltet. Die zweite Elektrode 30 ist in einem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet. Der Elektrodenhohlraum 24 ist Teil eines Gaszutrittswegs 20, über welchen die zweite Elektrode 30 mit dem Messgasraum 14 in Verbindung steht. Als weiteren Bestandteil umfasst der Gaszutrittsweg 20 ein Gaszutrittsloch 22, welches sich senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus 12 von der Oberfläche 16 aus ins Innere des Schichtaufbaus 12 erstreckt. Der Elektrodenhohlraum 24 kann beispielsweise das Gaszutrittsloch 22 ringförmig umgeben. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Furthermore, the layer structure comprises 12 in the illustrated embodiment, one or more solid electrolytes 18 , For example, these solid electrolytes 18 be produced as solid electrolyte films and / or by means of thick film technology. For example, the solid electrolyte 18 yttrium stabilized zirconia. Furthermore, the layer structure comprises 12 in the embodiment according to 2 on one of the first electrode 28 opposite side of the solid electrolyte 18 at least one second electrode 30 , This second electrode 30 For example, it may likewise be arranged rotationally symmetrical again and is designed in several parts in the illustrated embodiment. The second electrode 30 is in an electrode cavity 24 arranged. The electrode cavity 24 is part of a gas access route 20 over which the second electrode 30 with the sample gas chamber 14 communicates. As another component, the Gaszufrittsweg includes 20 a gas entry hole 22 which is perpendicular to the layer planes of the layer structure 12 from the surface 16 out into the interior of the layer structure 12 extends. The electrode cavity 24 For example, the gas entry hole 22 surrounded by a ring. Other embodiments are possible.

Zwischen dem Gaszutrittsloch 22 und dem Elektrodenhohlraum 24 ist ein Kanal 32 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 22 ist. In diesem Kanal 32 ist eine Diffusionsbarriere 34 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum 14 in den Elektrodenhohlraum 24 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere 34 lässt sich ein Grenzstrom einer die erste Elektrode 28, die zweite Elektrode 30 und den Festelektrolyten 18 umfassenden Pumpzelle 36 einstellen. Between the gas access hole 22 and the electrode cavity 24 is a channel 32 arranged, which is also part of the Gaszutrittswegs 22 is. In this channel 32 is a diffusion barrier 34 arranged, which is a subsequent flow of gas from the sample gas space 14 into the electrode cavity 24 diminished or even prevented and only allows diffusion. About this diffusion barrier 34 can be a limiting current of the first electrode 28 , the second electrode 30 and the solid electrolyte 18 comprehensive pumping cell 36 to adjust.

Weiterhin umfasst das Sensorelement 10 einen nicht gezeigten Luftreferenzkanal, welcher beispielsweise mit einer Umgebung mit bekanntem Sauerstoffgehalt verbunden sein kann. In diesem Luftreferenzkanal kann beispielsweise eine nicht gezeigte Referenzelektrode angeordnet sein. Über diese Referenzelektrode und die zweite Elektrode 30 oder eine weitere in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnete Messelektrode kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 36 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 24 die Bedingung λ=1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Weiterhin kann das Sensorelement 10 mindestens ein nicht gezeigtes Heizelement umfassen, mittels dessen die Temperatur des Festelektrolyten 18 und/oder des gesamten Schichtaufbaus 12 oder von Teilen davon auf eine Arbeitstemperatur eingestellt werden kann. Das nicht gezeigte Heizelement kann auch eine oder mehrere Isolationsschichten umfassen. Furthermore, the sensor element comprises 10 an air reference channel, not shown, which may for example be connected to an environment with known oxygen content. In this air reference channel, for example, a reference electrode, not shown, may be arranged. About this reference electrode and the second electrode 30 or another in the electrode cavity 24 arranged measuring electrode, for example, a pumping current through the pumping cell 36 be adjusted so that in the electrode cavity 24 the condition λ = 1 or another known composition prevails. Furthermore, the sensor element 10 comprise at least one heating element, not shown, by means of which the temperature of the solid electrolyte 18 and / or the entire layer structure 12 or parts thereof can be adjusted to a working temperature. The heating element, not shown, may also comprise one or more insulating layers.

Das Sensorelement 10 ist somit in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel als zweiteiliges Sensorelement ausgestaltet, welches neben der Pumpzelle 36 weiterhin eine die Referenzelektrode, den Festelektrolyten 18 und die zweite Elektrode 30 und/oder eine weitere in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnete Messelektrode umfassende Messzelle umfasst. Das Sensorelement 10 kann beispielsweise als Breitband-Lambdasonde ausgestaltet sein. The sensor element 10 is thus in the in 2 shown embodiment designed as a two-part sensor element, which next to the pumping cell 36 furthermore a reference electrode, the solid electrolyte 18 and the second electrode 30 and / or another in the electrode cavity 24 arranged measuring electrode comprising measuring cell. The sensor element 10 can be configured for example as a broadband lambda probe.

Weiterhin ist in 2 erkennbar, dass das Gaszutrittsloch 22 erfindungsgemäß in dem Bereich, in dem es in eine Oberfläche des Schichtaufbaus 12 mündet, wie beispielsweise in einer Grenzfläche zwischen dem Schichtaufbau 12 und dem Messgasraum 14, die in diesem Beispiel die Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 ist, eine Fase 38 aufweist. Insbesondere erstreckt sich die Fase 38 von der Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 ausgehend konusförmig in den Festelektrolyten 18 hinein. Somit liegt die gedachte Grundfläche der Konusform der Fase 38 in der Ebene der Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 und die gedachte Spitze der Konusform befindet sich in dem Gaszutrittsloch 22 im Inneren des Festelektrolyten. Insbesondere ist die Fase 38 derart konusförmig ausgebildet, dass die Achse des Konus senkrecht zu der Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 verläuft und mit einer Mittelachse des Gaszutrittslochs 22 überlappt bzw. deckungsgleich ist. Dabei weist die Konusform der Fase 38 einen halben Öffnungswinkel von 30 ° bis 60 °, bevorzugt von 40 ° bis 50 ° und noch bevorzugter von 45 ° auf. Furthermore, in 2 recognizable that the gas entry hole 22 According to the invention in the area in which it is in a surface of the layer structure 12 opens, such as in an interface between the layer structure 12 and the sample gas space 14 that in this example the surface 16 of the solid electrolyte 18 is, a chamfer 38 having. In particular, the chamfer extends 38 from the surface 16 of the solid electrolyte 18 starting conically in the solid electrolyte 18 into it. Thus, the imaginary base of the cone shape of the chamfer lies 38 in the plane of the surface 16 of the solid electrolyte 18 and the imaginary tip of the cone shape is in the gas access hole 22 inside the solid electrolyte. In particular, the chamfer is 38 formed so conical that the axis of the cone perpendicular to the surface 16 of the solid electrolyte 18 runs and with a central axis of the gas inlet hole 22 overlapped or congruent. In this case, the cone shape of the chamfer 38 a half opening angle of 30 ° to 60 °, preferably from 40 ° to 50 ° and more preferably from 45 °.

Das Gaszutrittsloch 22 kann insbesondere einen ersten Bereich 40, in dem die Fase 38 ausgebildet ist, und einen zweiten Bereich 42, der zylindrisch ausgebildet ist, aufweisen. Das Gaszutrittsloch 22 kann in dem ersten Bereich 40 an der Stelle der Fase 38 mit dem größten Durchmesser einen Durchmesser von 0,55 mm bis 0,95 mm aufweisen. Das Gaszutrittsloch 22 kann in dem zweiten Bereich 42 einen Durchmesser von 0,1 mm bis 0,5 mm, insbesondere von 0,2 mm bis 0,4 mm und besonders bevorzugt von 0,25 mm aufweisen. The gas entry hole 22 in particular, a first area 40 in which the chamfer 38 is formed, and a second area 42 having a cylindrical shape. The gas entry hole 22 can in the first area 40 in the place of the chamfer 38 with the largest diameter have a diameter of 0.55 mm to 0.95 mm. The gas entry hole 22 can in the second area 42 have a diameter of 0.1 mm to 0.5 mm, in particular from 0.2 mm to 0.4 mm and particularly preferably from 0.25 mm.

Die Ausbildung einer Fase 38 im Mündungsbereich des Gaszutrittslochs 22 in den Festelektrolyten 18, d.h. in dem Bereich, in dem das Gaszutrittsloch 22 in die Oberfläche 16 mündet, erleichtert ein Aufsprühen einer Thermoschockschutzschicht mittels beispielsweise eines thermischen Spritzverfahrens. Besonders vorteilhaft ist ein Aufsprühen unter einem Winkel zu der Oberfläche 16, d.h. aus einer Richtung, die von einer Senkrechten auf die Oberfläche 16 abweicht, da dadurch nicht nur die eigentliche Oberfläche der Fase 38 in dem ersten Bereich 40 von der Thermoschockschutzschicht bedeckt werden kann, sondern auch ein Einsprühen des Materials in das Gaszutrittsloch 22 in den zweiten Bereich 42 des Gaszutrittslochs bis auf eine Höhe der Diffusionsbarriere 34, die durch eine Linie 44 angedeutet ist, möglich ist. Das heißt, die Thermoschockschutzschicht kann die erste Elektrode 28 überdeckend auf die Oberfläche 16 und die Fase 38 in dem ersten Bereich 40 des Gaszutrittslochs 22 aufgebracht werden, aber auch auf die Oberfläche des Festelektrolyten 18 in dem Gaszutrittsloch 22 in dem zweiten Bereich 42, wobei die Diffusionsbarriere 34 von der Thermoschockschutzschicht nicht bedeckt wird. Das Sprühen der Thermoschockschutzschicht kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Sprührichtung senkrecht zu der Fase 38 ist. Somit ist es möglich einen wirksamen Schutz gegen Wasserschlag, insbesondere in dem Mündungsbereich des Gaszutrittslochs 22, zu gewährleisten, ohne die eigentliche Funktion des Gaszutrittslochs 22 zu behindern. Alternativ ist es möglich, die Thermoschockschutzschicht im Bereich der Fase 38 als einen Überstand über die Fase 38 auszubilden, so dass sie parallel zu der Oberfläche 16 in der Art eines Balkons über die Fase 38 übersteht.The formation of a chamfer 38 in the mouth area of the gas access hole 22 in the solid electrolyte 18 that is, in the area where the gas access hole 22 in the surface 16 opens, facilitates spraying a thermal shock protective layer by means of, for example, a thermal spraying process. Particularly advantageous is spraying at an angle to the surface 16 ie from one direction, from a perpendicular to the surface 16 deviates, because not only the actual surface of the chamfer 38 in the first area 40 covered by the thermal shock protective layer can be, but also a spraying of the material in the gas inlet hole 22 in the second area 42 of the gas access hole up to a height of the diffusion barrier 34 passing through a line 44 is indicated is possible. That is, the thermal shock protective layer may be the first electrode 28 covering on the surface 16 and the chamfer 38 in the first area 40 of the gas access hole 22 be applied, but also on the surface of the solid electrolyte 18 in the gas access hole 22 in the second area 42 where the diffusion barrier 34 is not covered by the thermal shock protective layer. The spraying of the thermal shock protection layer can be carried out, for example, such that the spraying direction is perpendicular to the chamfer 38 is. Thus, it is possible to effectively protect against water hammer, especially in the mouth area of the gas access hole 22 to ensure without the actual function of the gas access hole 22 to hinder. Alternatively, it is possible to use the thermal shock protection layer in the area of the chamfer 38 as a supernatant over the chamfer 38 form so that they are parallel to the surface 16 in the manner of a balcony over the chamfer 38 survives.

Die Herstellung des Sensorelements 10 kann dabei mit der Bereitstellung des an sich bekannten Schichtaufbaus 12 als Grünling, d.h. in einem ungesinterten Zustand, beginnen. Die Herstellung eines derartigen Schichtaufbaus ist hinreichend bekannt, so dass eine Beschreibung der Herstellung desselben entfällt. Geeignete Verfahren sind beispielsweise die Folien- oder Dickschichttechnik. Auch ist ein Bedrucken dieser Schichten mit Funktionsschichten, wie beispielsweise den Elektroden, der Diffusionsbarriere, des Heizelements und dergleichen hinreichend bekannt. Alternativ ist es möglich, den Festelektrolyten 18 und die anderen Bauteile des Sensorelements 10 als Braunling oder angesinterter Weißling bereitzustellen. Durch mindestens ein Bohrverfahren und/oder mindestens ein Fräsverfahren kann an dem Übergang der Oberfläche 16 des Festelektrolyten 18 in das Gaszutrittslochs 22, d.h. in dem Mündungsbereich des Gaszutrittslochs 22, die Fase 38 eingebracht werden. Dies kann insbesondere in dem gleichen Bohrschritt erfolgen, in dem das Gaszutrittsloch 22 eingebracht wird, beispielsweise durch Einsatz eines Spezialbohrers, oder in einem getrennten Bohrschritt, so dass zuerst das Gaszutrittsloch 22 und nachfolgend die Fase 38 ausgebildet werden. Die Fase 38 kann insbesondere derart eingebracht werden, dass ihr Übergang in die Oberfläche 16 abgerundet ausgebildet wird. Die Thermoschockschutzschicht kann vor oder nach dem Sinterprozess aufgebracht werden. The manufacture of the sensor element 10 can with the provision of the known layer structure 12 start as a green body, ie in an unsintered state. The production of such a layer structure is well known, so that a description of the production thereof is omitted. Suitable methods are, for example, the film or thick film technology. Also, printing of these layers with functional layers such as the electrodes, the diffusion barrier, the heating element and the like is well known. Alternatively, it is possible to use the solid electrolyte 18 and the other components of the sensor element 10 to provide as a brownling or a sintered white body. By at least one drilling process and / or at least one milling process can at the transition of the surface 16 of the solid electrolyte 18 into the gas access hole 22 ie in the mouth area of the gas access hole 22 , the chamfer 38 be introduced. This can be done in particular in the same drilling step in which the gas inlet hole 22 is introduced, for example by using a special drill, or in a separate drilling step, so that first the gas inlet hole 22 and subsequently the chamfer 38 be formed. The chamfer 38 can be introduced in particular such that their transition into the surface 16 rounded is formed. The thermal shock protection layer can be applied before or after the sintering process.

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 102008043335 A1 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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

Claims

Sensor element ( 10 ) for detecting at least one property of a gas in a sample gas space ( 14 ), in particular for detecting a gas component in the gas or a temperature of the gas, comprising a layer structure ( 12 ) with at least one first electrode ( 28 ), with at least one second electrode ( 30 ) and at least one of the first electrode ( 28 ) and the second electrode ( 30 ) connecting solid electrolyte ( 18 ), the second electrode ( 30 ) by at least one layer of the layer structure ( 12 ) from the sample gas space ( 14 ) is formed separately, wherein the second electrode ( 30 ) via at least one gas access path ( 20 ) with the sample gas space ( 14 ), wherein the gas access path ( 20 ) at least one gas access hole ( 22 ) in the layer structure ( 12 ), which at least partially in the solid electrolyte ( 18 ) is formed, wherein the gas inlet hole ( 22 ) in a surface ( 16 ) of the layer structure ( 12 ), wherein the gas access hole ( 22 ) one from the surface ( 16 ) of the layer structure ( 12 ) outgoing chamfer ( 38 ), wherein the chamfer ( 38 ) in the solid electrolyte ( 18 ) extends substantially conically, wherein the substantially conical chamfer ( 38 ) has a half opening angle of 30 ° to 60 °.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the cone-shaped chamfer ( 38 ) has a half opening angle of 40 ° to 50 ° and preferably of 45 °.

Sensor element ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein a transition region of the conical chamfer ( 38 ) into the surface ( 16 ) of the layer structure ( 12 ) is rounded.

Sensor element ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the chamfer ( 38 ) is at least partially covered by a thermal shock protection layer.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the thermal shock protective layer is the substantially cone-shaped chamfer ( 38 ) completely and a surface of the gas access hole ( 22 ) extending from the surface ( 16 ) of the layer structure ( 12 ) further inside than the chamfer ( 38 ) in the solid electrolyte ( 18 ), at least partially covered.

Sensor element ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, further comprising a thermal shock protection layer which is in the region of the chamfer ( 38 ) of the gas access hole ( 22 ) as a supernatant over the chamfer ( 38 ) is trained.

Sensor element ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the gas access hole ( 22 ) a first area ( 40 ), in which the chamfer ( 38 ), and a second area ( 42 ), which is cylindrical, has.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the first area ( 40 ) at its largest point of the chamfer ( 38 ) has a diameter of 0.55 mm to 0.95 mm, and the second region ( 42 ) has a diameter of 0.1 mm to 0.5 mm, in particular of 0.2 mm to 0.4 mm and particularly preferably of 0.25 mm.

Sensor element ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the second electrode ( 30 ) in an electrode cavity ( 24 ) and the electrode cavity ( 24 ) via at least one diffusion barrier ( 34 ) with the gas access hole ( 22 ) connected is.

Method for producing a sensor element ( 10 ) for detecting at least one property of a gas in a sample gas space ( 14 ), in particular for detecting a gas component in the gas or a temperature of the gas, in particular a sensor element ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein a layer structure ( 12 ) with at least one first electrode ( 28 ), with at least one second electrode ( 30 ) and at least one of the first electrode ( 28 ) and the second electrode ( 30 ) connecting solid electrolyte ( 30 ), wherein the second electrode ( 30 ) by at least one layer of the layer structure ( 12 ) from the sample gas space ( 14 ) is formed separately, wherein the second electrode ( 30 ) via at least one gas access path ( 20 ) with the sample gas space ( 14 ), wherein the gas access path ( 20 ) at least one gas access hole ( 22 ) in the layer structure ( 12 ), which at least partially in the solid electrolyte ( 18 ) is formed, wherein the gas inlet hole ( 22 ) one from the surface ( 16 ) of the layer structure ( 12 ) outgoing chamfer ( 38 ), wherein the chamfer ( 38 ) in the solid electrolyte ( 18 ) extends substantially conically, wherein the substantially conical chamfer ( 38 ) has a half opening angle of 30 ° to 60 °.

Method according to the preceding claim, wherein the gas inlet hole ( 22 ) in an unsintered state of the sensor element ( 10 ) is formed.

Method according to claim 10 or 11, wherein for the production of the chamfer ( 38 ) at least one drilling method and / or at least one milling method can be used.