DE102011082173A1 - Sensor element e.g. lambda probe for detecting e.g. temperature of e.g. nitrogen oxide in gas space, used in motor car, has porous shaped portion that embeds sides of functional element and is spaced by air gap from functional element - Google Patents

Sensor element e.g. lambda probe for detecting e.g. temperature of e.g. nitrogen oxide in gas space, used in motor car, has porous shaped portion that embeds sides of functional element and is spaced by air gap from functional element Download PDF

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Martin Schubert
Ulrich Eisele
Thomas Loibl
Imke Heeren
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

The sensor element (10) comprises a functional element (12) that includes the electrolytes (14) and a function layer. A section-wise porous shaped portion (28) embeds the sides of the functional element. The porous shaped portion is spaced by an air gap from the functional element. An independent claim is included for method for manufacturing 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, wie beispielsweise die Temperatur des Gases.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 are detectable, such as the temperature of the gas.

Beispielsweise können derartige Sensorelemente als sogenannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 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, pp. 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 Siliziumoxid (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.

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 steigend 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 einer 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 oder 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 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 probes have been developed which have a porous ceramic protective layer on their surface, which is also referred to as a thermal shock protection layer or 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 Sensorelements nicht zu beeinflussen und es gleichzeitig zuverlässig von Wassertropfen, beispielsweise aus dem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, zu schützen, müssen die Dicke und die Porosität der Thermoschockschutzschicht optimal gewählt werden. Dabei ergeben sich bei der Optimierung des Sensorelements in Bezug auf die beiden genannten Einflussgrößen verschiedene Zielkonflikte. So schützt eine dicke Thermoschockschutzschicht zuverlässig vor Wasserschlag, beeinflusst jedoch als zusätzliche thermische Masse das Aufheizverhalten des Sensorelements ungünstig. Desgleichen kann die Verwendung von Aluminiumoxid als gut wärmeleitfähigem Thermoschockschutzschicht-Material zu einem erhöhten Wärmeaustrag aus dem Sensorelement führen. Eine Verschlankung des keramischen Trägers schließlich ermöglicht zwar schnellere Aufheizzeiten, macht das Sensorelement jedoch mechanisch fragil. Ferner werden bei herkömmlichen Lambdasonden die Funktionsschichten auf massiven Keramikkörpern bzw. in Folienlaminiertechnik aufgebaut. In einem zusätzlichen Beschichtungsschritt wird die Thermoschockschutzschicht aufgebracht. Ein Spalt, insbesondere Luftspalt, zwischen der Thermoschockschutzschicht und dem Keramikkörper ist auf diesem Wege nicht realisierbar.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 reliably protect it from drops of water, for example from the exhaust gas line 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. A thick thermal shock protection layer reliably protects against water hammer, However, as an additional thermal mass adversely affects the heating behavior of the sensor element. Similarly, the use of alumina as a good thermally conductive thermal shock protective layer material can lead to increased heat leakage from the sensor element. Finally, slimming down the ceramic support allows faster heating times, but makes the sensor element mechanically fragile. Furthermore, in conventional lambda probes, the functional layers are built up on solid ceramic bodies or in film lamination technology. In an additional coating step, the thermal shock protective layer is applied. A gap, in particular air gap, between the thermal shock protective layer and the ceramic body can not be realized in this way.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es werden daher ein Sensorelement 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 Verfahren zu dessen Herstellung vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden.Therefore, a sensor element is proposed 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, and a method for its production, which at least largely avoid the disadvantages of known methods and sensor elements.

Das Sensorelement weist ein Funktionselement, wobei das Funktionselement mindestens einen Elektrolyten und mindestens eine Funktionsschicht aufweist, und einen porösen Formkörper auf, der das Funktionselement an mindestens zwei Seiten, bevorzugt mindestens drei Seiten, einbettet. Der poröse Formkörper kann von dem Funktionselement durch einen Spalt beabstandet sein, wobei der Spalt vorzugsweise durch eine chemische und/oder thermische Behandlung des Funktionselements und des Formkörpers gebildet ist, vorzugsweise durch eine gemeinsame chemische und/oder thermische Behandlung des Funktionselements und des Formkörpers.The sensor element has a functional element, wherein the functional element has at least one electrolyte and at least one functional layer, and a porous molded body which embeds the functional element on at least two sides, preferably at least three sides. The porous shaped body may be spaced from the functional element by a gap, wherein the gap is preferably formed by a chemical and / or thermal treatment of the functional element and the shaped body, preferably by a common chemical and / or thermal treatment of the functional element and the shaped body.

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

  • – Bereitstellen eines Funktionselements, wobei das Funktionselement mindestens einen Elektrolyten und mindestens eine Funktionsschicht umfasst,
  • – Vorsehen eines zumindest abschnittsweisen porösen Formkörpers derart, dass er das Funktionselement an mindestens zwei Seiten, bevorzugt mindestens drei Seiten, einbettet, und
  • – chemisches und/oder thermisches Behandeln des Funktionselements und des Formkörpers derart, dass der Spalt gebildet wird, wobei der Formkörper von dem Funktionselement durch den Spalt beabstandet ist.
The method comprises the following steps, preferably in the order named:
  • Providing a functional element, wherein the functional element comprises at least one electrolyte and at least one functional layer,
  • - Providing an at least partially porous shaped body such that it embeds the functional element on at least two sides, preferably at least three sides, and
  • - Chemical and / or thermal treatment of the functional element and the shaped body such that the gap is formed, wherein the shaped body is spaced from the functional element by the gap.

Das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen:

  • – Bereitstellen des Funktionselements in einem ungesinterten Zustand,
  • – Aufbringen einer Hohlraumbildnerschicht auf das Funktionselement zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht,
  • – Anordnen des Funktionselements mit der Hohlraumbildnerschicht in einem ungesinterten Zustand in mindestens einem Formnest eines Formgebungswerkzeugs,
  • – 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 der zumindest abschnittsweise poröse Formkörper zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht entsteht, der von der Funktionsschicht beabstandet ist.
The method may further comprise the following steps:
  • Providing the functional element in an unsintered state,
  • Applying a cavity-forming layer to the functional element at least in the area of the at least one functional layer,
  • Arranging the functional element with the cavity-forming layer in an unsintered state in at least one mold cavity of a forming tool,
  • - 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 the at least partially porous molded body arises at least in the region of the at least one functional layer, which is spaced from the functional layer.

Die Hohlraumbildnerschicht kann mit einer Dicke von 5 µm bis 200 µm, bevorzugt 10 µm bis 180 µm und noch bevorzugter von 20 µm bis 150 µm aufgebracht werden, beispielsweise mit einer Dicke von 100 µm. Die Hohlraumbildnerschicht kann abschnittsweise aufgebracht werden, insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens, und in die nicht von der Hohlraumbildnerschicht bedeckten Bereiche kann eine Stützmasse eingebracht werden, insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens. 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 eine 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 in dem Formnest kann 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, Spinell, yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid und Forsterit. 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 derart in das Formnest eingebracht werden, dass sie das Funktionselement zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht in Umfangsrichtung vollständig umgibt.The cavity-forming layer may be applied at a thickness of 5 .mu.m to 200 .mu.m, preferably 10 .mu.m to 180 .mu.m, and more preferably from 20 .mu.m to 150 .mu.m, for example, having a thickness of 100 .mu.m. The cavity-forming layer can be applied in sections, in particular by means of a screen-printing process, and a support mass can be introduced into the regions not covered by the cavity-forming layer, in particular by means of a screen printing process. 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 one 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 in the mold cavity can be held by a tension core such that by pulling the tension core first the ceramic mass with the at least one pore former is introduced into the mold cavity and by further pulling the tension core, the second ceramic mass is introduced into the mold cavity. The functional element may have connection contacts, and the functional element may be so in the mold cavity be arranged that at least one recess is formed in the region of the connection contacts. The ceramic composition having the at least one pore-forming agent may contain at least one ceramic material selected from the group consisting of alumina, spinel, yttria-stabilized zirconia and forsterite. 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 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-Moulding-Verfahrens zumindest an den gegenüber Wasserschlag empfindlichen Stellen, wie beispielsweise den Seitenkanten, durch eine Thermoschockschutzschicht zu umgeben, wobei die Thermoschockschutzschicht zumindest in den Bereichen der Funktionsschicht als ein poröser Formkörper ausgeführt wird, der von der Funktionsschicht beabstandet ist und gleichzeitig mechanische Stützfunktion und Thermoschockschutz des Funktionselements übernimmt, aber ein Gaszutritt durch den porösen Formkörper zu mindestens einer Funktionsschicht möglich ist. Entsprechend ist zumindest zwischen dem porösen Formkörper und der mindestens einen Funktionsschicht beispielsweise ein Luftspalt gebildet. Dieser Formkörper ist daher beispielsweise zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht porös ausgeführt, um den Gaszutritt zu der Funktionsschicht zu gewährleisten, d.h. im Bereich der Funktionsschicht wird eine Perkolationsschwelle in dem Formkörper überschritten. Als Formkörpermaterial eignen sich dafür beispielsweise Aluminiumoxid, Spinell, yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid oder Forsterit.A basic idea of the invention is to provide at least one functional element which comprises at least one solid electrolyte and at least one functional layer by means of, for example, a so-called ceramic injection molding process by means of a thermal shock protection layer at least at the sites sensitive to water hammer, such as the side edges surrounded, wherein the thermal shock protective layer is carried out at least in the areas of the functional layer as a porous molded body, which is spaced from the functional layer and at the same time takes over mechanical support function and thermal shock protection of the functional element, but a gas access is possible through the porous molded body to at least one functional layer. Accordingly, at least between the porous molded body and the at least one functional layer, for example, an air gap is formed. 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 layer, i. In the area of the functional layer, a percolation threshold in the shaped body is exceeded. Aluminum oxide, spinel, yttrium-stabilized zirconium dioxide or forsterite are suitable as the molding material for this purpose.

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 einer 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, so dass das Gas von einer der Funktionsschicht abgewandten Seite des Formkörpers zu der der Funktionsschicht zugewandten Seite des Formkörpers gelangen kann.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, ie, for example, 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 so that the gas moves from one side of the molded body facing away from the functional layer to the side facing the functional layer Shaped body can get.

Unter einem Elektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder ein Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. In the context of the present invention, an electrolyte is to be understood as meaning a body or an article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte.

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. Als Braunling wird dabei ein Grünling nach einem Entbinderungsschritt, wie beispielsweise einem thermischen Entbinderungsschritt, bezeichnet.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. As a Braunling while a green compact after a debinding step, such as a thermal binder removal step called.

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 In-Mould-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.Within the scope of the present invention, the introduction of a ceramic mass is to be understood as meaning, in particular, an injection, in particular an injection molding, in particular a multi-component injection molding, the ceramic mass or the ceramic masses. The introduction, in particular the injection, comprises, for example, an encapsulation or in-mold or in-mold 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 Element 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, this includes 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 sogenannten 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 includes carbon-based materials that burn during so-called sintering and thereby 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, Polyvinylbutyrale 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 butyrals 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.

Unter einer Hohlraumbildnerschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht aus zumindest einem Material zu verstehen, das sich durch chemische, wie beispielsweise Hydrolyse, Lösungsmittelextraktion, und/oder thermische Prozesse, wie beispielsweise Freibrand, Entbinderung, Sinterung, vorzugsweise rückstandsfrei entfernen lassen und so einen Hohlraum hinterlassen. Dieses Material kann beispielsweise einen Hohlraumbildner enthalten, der beim Sintern verbrennt. Dies sind beispielsweise Stärke, Kohlenstaub oder Polymerkugeln. Insbesondere sind darunter kohlenstoffbasierte Materialien zu verstehen, die beim sogenannten Sintern verbrennen und dabei Hohlräume hinterlassen. Für die Herstellung planarer Lambdasonden kann als Hohlraumbildner beispielsweise Kohlenstaub in Form von Flammruß verwendet werden. Auch rein organische Komponenten und/oder eine Kohlenstoffmodifikation sind verwendbar, wie beispielsweise Graphit, Glaskohle, Ruß. In the context of the present invention, a cavity-forming layer is to be understood as meaning a layer of at least one material which can be removed without residue, such as by hydrolysis, solvent extraction, and / or thermal processes, such as free edge, debindering, sintering, and so on Leave a cavity. For example, this material may contain a voiding agent which burns on sintering. These are, for example, starch, coal dust or polymer balls. In particular, this includes carbon-based materials that burn during so-called sintering and thereby leave cavities. For the production of planar lambda probes, for example coal dust in the form of flame black can be used as a cavity former. Also purely organic components and / or a carbon modification are useful, such as graphite, glassy carbon, carbon black.

Unter einer abschnittsweisen Ausbildung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine nicht-vollflächige, sondern mit Unterbrechungen versehene Ausbildung zu verstehen. Diese kann beispielsweise aus einem unregelmäßigen oder regelmäßigen Muster bestehen. So ist es beispielsweise möglich, eine Schicht abschnittsweise mittels eines Siebdruckverfahrens aufzubringen, so dass manche Stellen mit einer keramischen Stütz-Schicht versehen sind, die insbesondere bei großen Luftspalten nach der Sinterung als sogenannte Stützpins für den Thermoschockschutzmantel dienen.In the context of the present invention, section-wise training means a non-full-surface, but intermittent, design. This can for example consist of an irregular or regular pattern. It is thus possible, for example, to apply a layer in sections by means of a screen-printing process, so that some points are provided with a ceramic support layer, which serve as so-called support pins for the thermal shock protection jacket, especially in the case of large air gaps after sintering.

Unter einer Stützmasse ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Masse aus einem Material zu verstehen, insbesondere aus einem keramischen Material, das eingerichtet ist, während des Sinterns einen formschlüssigen und/oder monolithischen Verbund mit dem porösen Formkörper und dem Elektrolyten zu bilden und den porösen Formkörper an dem Elektrolyten abzustützen bzw. diesen zu tragen.In the context of the present invention, a support mass is to be understood as meaning a mass of a material, in particular of a ceramic material, which is designed to form a positive and / or monolithic bond with the porous shaped body and the electrolyte during sintering and the porous shaped body to support the electrolyte or to wear this.

Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lässt sich ein Sensorelement herstellen, bei dem die Thermoschock-Robustheit 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 mechanischen Angriffen 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 Thermoschock-Robustheit verbessert wird, ohne die thermische Masse zu erhöhen. Gleichzeitig bietet das Design Potenzial zur Miniaturisierung der Funktionszone und damit weiteren Kostenreduktion. Insbesondere lässt sich die Gesamtmasse durch Entfall eines massiven Trägers reduzieren. Ferner kann durch eine Verkleinerung des zu beheizenden Funktionsvolumens aufgrund von dünnen Funktionsschichten und somit einem verringerten 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 Funktionsschicht, 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-Moulding-Prozesses bezüglich Freiformausführung genutzt. Sofern als Materialien Aluminiumoxid und yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid verwendet werden, kann deren Funktionalität gekoppelt werden, d.h. als Trägermaterial Aluminiumoxid als guter elektrischer Isolator, guter Wärmeleiter und als eine geeignete Thermoschockschutzschicht eingesetzt werden kann und die Elektrolytfunktion durch das yttriumstabilisierte Zirkoniumdioxid in Form einer Schicht ausgeführt werden kann. Dies ergibt einen Zusatznutzen durch Entfall einer Durchisolation durch den aluminiumoxidbasierten, elektrisch isolierenden Kontaktbereich und/oder durch eine Ausführung als ein Foliensensor. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität kann in einem Zwei-Komponenten-Spitzguss 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 eingesetzt werden kann. Zwei oder mehrere separate Sensorfunktionen sind in dem teilporösen Träger verteilt integrierbar. Durch die räumliche Trennung der Sensorzellen ist der gleichzeitige Betrieb desselben bei unterschiedlichen Temperaturen möglich. Damit ist ein Maßschneidern der Thermoschockschutzschicht möglich, deren Querschnitt so ausgelegt werden kann, dass bei minimaler thermischer Masse ein optimaler Schutz kritischer Bereiche erzielt wird. Insbesondere wird durch das Vorsehen eines dünnen, schichtförmigen Hohlraums zwischen der Thermoschockschutzschicht und dem Funktionselement dafür gesorgt, dass sich Thermospannungen durch einen Thermoschock, wie beispielsweise durch Wasserschlag, nur in der Thermoschockschutzschicht einstellen und durch die mechanische Entkopplung nicht in das heiße Funktionselement eingeleitet werden. Dieses Prinzip erlaubt neben hoher Thermoschockfestigkeit einen relativ dünn dimensionierten Thermoschockschutzschichtmantel, wodurch bedingt durch den leichten Gaszutritt zu den Funktionsschichten eine gute Sondendynamik resultiert. Die dadurch erwirkte Verkleinerung des Gesamtvolumens ermöglicht neben der zu erwartenden Ratio, d.h. Einsparung der Kosten, eine verbesserte Funktionsbereitschaft. 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 attacks. 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, by reducing the volume of the function 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 by a lower heating power can be achieved. Due to the porous design of the ceramic layer, at least in the region of the functional layer, 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 total probe and yet to provide maximum protection, an embodiment of the sheath 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 is the flexibility of the ceramic injection molding process used in free form execution. If alumina and yttrium-stabilized zirconia are used as materials, their functionality can be coupled, ie, as support material alumina can be used as a good electrical insulator, good heat conductor and as a suitable thermal shock protection layer and the electrolyte function can be performed by the yttrium-stabilized zirconia in the form of a layer. This results in an added benefit by omitting a through insulation by the aluminum oxide-based, electrically insulating contact region and / or by a design as a film 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 into which a contact plug can later be inserted. 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. This makes it possible to tailor the thermal shock protection layer whose cross-section can be designed so that optimum protection of critical areas is achieved with minimal thermal mass. In particular, provided by the provision of a thin, layered cavity between the thermal shock protective layer and the functional element that thermoelectric shock by a thermal shock, such as by water hammer, set only in the thermal shock protective layer and are not introduced by the mechanical decoupling in the hot functional element. This principle allows not only high thermal shock resistance but also a relatively thin dimensioned thermal shock protective layer jacket, which results in good probe dynamics due to the slight gas access to the functional layers. The resulting reduction in the total volume allows, in addition to the expected ratio, ie saving costs, an improved operational readiness.

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 eine perspektivische Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement, 1 a perspective view of a sensor element according to the invention,

2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht auf einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Sensorelements, 2 an enlarged perspective view of a section of a sensor element according to the invention,

3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement, 3 a top view of a sensor element according to the invention,

4 eine Schnittansicht gemäß der Linie A-A der 3, 4 a sectional view along the line AA of 3 .

5 eine Schnittansicht gemäß einer Linie B-B der 3, 5 a sectional view along a line BB of 3 .

6 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts der 4, 6 an enlarged view of a section of the 4 .

7 einen vergrößerten Ausschnitt eines Verbindungsbereichs der keramischen Massen, und 7 an enlarged section of a connecting portion of the ceramic masses, and

8 eine Modifikation des erfindungsgemäßen Sensorelements in einer Schnittansicht gemäß der Linie A-A der 3. 8th a modification of the sensor element according to the invention in a sectional view along the line AA of 3 ,

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 yttriumstabilisiertes 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 weiter 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. Es sei erwähnt, dass zum schichtförmigen Vorsehen der Funktionsschichten beispielsweise die Dickschichttechnik, Dünnschichttechnik, Folienlaminiertechnik, Siebdrucktechnik und/oder Transfertechnik, Tauchen oder Aufrollern, verwendet werden kann.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, which 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 nor an excess of air occurs. Since the temperature is still lower than 300 ° C when the engine is cold, the lambda probe and thus the control does not work at all 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. It should be mentioned that the layered provision of the functional layers can be used, for example, the thick-film technique, thin-film technology, film lamination technology, screen printing technology and / or transfer technology, dipping or reeling.

Insbesondere weist das Funktionselement 12 eine planare Festelektrolytschicht 14 auf, d.h. die Festelektrolytschicht 14 weist die Form eines dünnen Quaders auf. Gemäß der Darstellung der 1 ist eine Seitenfläche 16 der Festelektrolytschicht 14 und deren Oberseite 18 zu sehen. Bei dem dünnen Quader als Form für die Festelektrolytschicht 14 ist insbesondere diejenige Fläche als Seitenfläche 16 zu verstehen, die die zweitgrößte Fläche der Oberfläche einer Quaderform bildet, und als Oberseite 18 bzw. Unterseite 20 diejenige Fläche, die die größte Fläche 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 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 presentation of the 1 is a side surface 16 the solid electrolyte layer 14 and its top 18 to see. In the thin cuboid as a form for the solid electrolyte layer 14 In particular, that surface is the side surface 16 to understand, which forms the second largest surface of the surface of a cuboid shape, and as the top 18 or bottom 20 the surface which forms the largest 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 22, 24, 26 in der Längsrichtung einteilen. Ein vorderer Endabschnitt 22 des Funktionselements 12 befindet sich in der Darstellung der 1 rechts im Bild und ein hinterer Endabschnitt 24 des Funktionselements 12 befindet sich in der Darstellung der 1 links im Bild. Zwischen dem vorderen Endabschnitt 22 und dem hinteren Endabschnitt 24 befindet sich der mittlere Abschnitt 26. Die Festelektrolytschicht 14 ist in dem vorderen Endabschnitt 22 von einem porösen Formkörper 28 aus einem keramischen Material, das Aluminiumoxid enthält, umgeben. Der poröse Formkörper 28 weist eine offene Porosität zwischen 20% und 90%, bevorzugt zwischen 35% und 75% und noch bevorzugter von 40% auf. Durch die Porosität kann zu messendes Gas den Formkörper 28 durchdringen und somit zu mindestens einer Elektrode einer Funktionsschicht gelangen. In dem mittleren Abschnitt 26 ist die Festelektrolytschicht 14 von einem gasdichten Formkörper 30 aus einem keramischen Material, das Aluminiumoxid enthalten kann, umgeben. Alternativ oder zusätzlich kann das keramische Material Zirkoniumdioxid, Mischungen aus Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, Spinell oder Forsterit enthalten. Der gasdichte Formkörper 30 aus dem keramischen Material dient als mechanische Verstärkung. In dem hinteren Abschnitt 24 ist die Festelektrolytschicht 14 nicht von einem Formkörper umgeben, sondern diese weist eine Aussparung 32 auf. Die Aussparung 32 ist vorgesehen, damit in dem hinteren Endabschnitt 24 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 Formkörper 28 kann zwischen 35 Vol.-% und 68 Vol.-% und insbesondere zwischen 54 Vol.-% und 56 Vol.-%, beispielsweise bei 55 Vol.-% liegen.According to the presentation of the 1 can be the functional element 12 mentally in three sections 22 . 24 . 26 in the longitudinal direction. A front end section 22 of the functional element 12 is in the representation of the 1 right in the picture and a rear end section 24 of the functional element 12 is in the representation of the 1 On the left side of the picture. Between the front end section 22 and the rear end portion 24 is the middle section 26 , The solid electrolyte layer 14 is in the front end portion 22 from a porous shaped body 28 surrounded by a ceramic material containing alumina. The porous shaped body 28 has an open porosity between 20% and 90%, preferably between 35% and 75%, and more preferably 40%. Due to the porosity, gas to be measured can be the shaped body 28 penetrate and thus reach at least one electrode of a functional layer. In the middle section 26 is the solid electrolyte layer 14 from a gas-tight molded body 30 surrounded by a ceramic material that may contain alumina. Alternatively or additionally, the ceramic material may contain zirconia, mixtures of alumina and zirconia, spinel or forsterite. The gas-tight molded body 30 from the ceramic material serves as a mechanical reinforcement. In the back section 24 is the solid electrolyte layer 14 not surrounded by a molding, but this has a recess 32 on. The recess 32 is provided so that in the rear end portion 24 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 solid content of the alumina in the porous shaped body 28 may be between 35% by volume and 68% by volume and in particular between 54% by volume and 56% by volume, for example 55% by volume.

Wie der Darstellung der 2 zu entnehmen ist, die eine vergrößerte Ansicht des vorderen Endabschnitts 22 ist, ist der poröse Formkörper 28 im Bereich der Seitenflächen 16 dicker ausgeführt als im Bereich der Oberseite 18 und der Unterseite 20 der Festelektrolytschicht 14. Insbesondere ist der poröse Formkörper 28 im Wesentlichen hantelförmig im Querschnitt, d.h. die äußeren Bereiche des porösen Formkörpers 28, die die Seitenflächen 16 der Festelektrolytschicht 14 umgeben, sind kugelförmig oder kalottenförmig ausgeführt, wohingegen der mittlere Bereich des porösen Formkörpers 28, der die Oberseite 18 und die Unterseite 20 der Festelektrolytschicht 14 umgibt und die äußeren Bereiche verbindet, im Wesentlichen eben oder mit relativ geringen Erhebungen, die fertigungstechnisch unvermeidbar sind und im Toleranzbereich liegen, ausgeführt ist. Da die Seitenflächen 16 bei einer derartigen planaren Festelektrolytschicht 14 im Allgemeinen empfindlicher gegenüber Wasserschlag als die Oberseite 18 und die Unterseite 20 sind, sorgt die erfindungsgemäße Ausbildung des Formkörpers 28 für eine größere Robustheit gegenüber Wasserschlag in empfindlicheren Bereichen, wohingegen es für die Oberseite 18 und die Unterseite 20 als relative unempfindliche Bereiche ausreichend ist, wenn der Formkörper 28 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 28, der Aluminiumoxid enthalten kann, aber auch aus Forsterit, Zirkoniumdioxid, Mischungen aus Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid 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 that an enlarged view of the front end portion 22 is, is the porous shaped body 28 in the area of the side surfaces 16 thicker than in the area of the top 18 and the bottom 20 the solid electrolyte layer 14 , In particular, the porous shaped body 28 essentially dumbbell-shaped in cross-section, ie the outer regions of the porous molding 28 that the side surfaces 16 the solid electrolyte layer 14 are spherical or dome-shaped, whereas the central portion of the porous body 28 that the top 18 and the bottom 20 the solid electrolyte layer 14 surrounds and connects the outer regions, substantially flat or with relatively small elevations that are unavoidable manufacturing technology and are within tolerance. Because the side surfaces 16 in such a planar solid electrolyte layer 14 generally more sensitive to water hammer than the top 18 and the bottom 20 are, provides the inventive design of the molding 28 for greater resistance to water hammer in more sensitive areas, whereas it is for the top 18 and the bottom 20 is sufficient as relative insensitive areas when the molding 28 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 28 , which may contain alumina, but could also consist of forsterite, zirconia, mixtures of alumina and zirconia or spinel, as a thermal shock protective layer, which serves as a good electrical insulator and whose heat conduction is inhibited by the porosity.

3 zeigt eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Sensorelement 10. Insbesondere ist zu erkennen, dass der gasdichte Formkörper 30 in dem mittleren Abschnitt 26 zwei Löcher 34 aufweist. Diese Löcher 34 sind fertigungstechnisch bedingt, wie später ausführlich beschrieben wird, und stammen von Haltepins. Diese Löcher 34 können jedoch versiegelt werden, falls erwünscht. Insbesondere durchdringen die Löcher 34 lediglich den gasdichten Formkörper 30 in dem mittleren Abschnitt 26, nicht jedoch die Festelektrolytschicht 14. 3 shows a plan view of the sensor element according to the invention 10 , In particular, it can be seen that the gas-tight molded body 30 in the middle section 26 two holes 34 having. These holes 34 are production-related, as will be described in detail later, and come from holding pins. These holes 34 however, they can be sealed if desired. In particular, the holes penetrate 34 only the gas-tight molded body 30 in the middle section 26 but not the solid electrolyte layer 14 ,

4 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 3. Wie 4 zeigt, befindet sich zwischen dem porösen, keramischen Formkörper 28 und der Festelektrolytschicht 14 in dem vorderen Endabschnitt 20 ein Luftspalt 36. Der Luftspalt 36 kann eine Dicke von 5 µm bis 200 µm, bevorzugt 10 µm bis 180 µm und noch bevorzugter von 200 µm bis 150 µm aufweisen, beispielsweise eine Dicke von 100 µm. Entsprechend ist der poröse, keramische Formkörper 28 von der Festelektrolytschicht 14 durch den Luftspalt 36 beabstandet. 4 shows a sectional view taken along the line AA of 3 , As 4 shows is located between the porous ceramic molding 28 and the solid electrolyte layer 14 in the front end portion 20 an air gap 36 , The air gap 36 may have a thickness of 5 microns to 200 microns, preferably 10 microns to 180 microns and more preferably from 200 microns to 150 microns, for example, a thickness of 100 microns. Accordingly, the porous, ceramic molded body 28 from the solid electrolyte layer 14 through the air gap 36 spaced.

5 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B der 3. Wie 5 zeigt, ist der Luftspalt 36 in dem vorderen Endabschnitt 22 so ausgebildet, dass er die Oberseite 18, die Unterseite 20 und die Seitenflächen 16 in Umfangsrichtung vollständig umgibt. Ferner befindet sich der Luftspalt 36 auch an der Vorderseite 38 der Festelektrolytschicht 14. Der Luftspalt 36 ist vorgesehen, um für eine mechanische Entkopplung von möglichen Thermospannungen durch Thermoschock zu sorgen, so dass diese nicht in die Festelektrolytschicht 14 eingeleitet werden können, da der poröse, keramische Formkörper 28 in dem vorderen Endabschnitt 22 nicht mit der Festelektrolytschicht 14 verbunden ist. In 5 gut erkennbar ist die hantelförmige Ausbildung des porösen, keramischen Formkörpers 28. 5 shows a sectional view taken along the line BB of 3 , As 5 shows is the air gap 36 in the front end portion 22 designed so that it is the top 18 , the bottom 20 and the side surfaces 16 completely surrounds in the circumferential direction. Furthermore, there is the air gap 36 also at the front 38 the solid electrolyte layer 14 , The air gap 36 is intended to provide a mechanical decoupling of possible thermal stresses due to thermal shock, so that they are not in the solid electrolyte layer 14 can be initiated, since the porous, ceramic molding 28 in the front end portion 22 not with the solid electrolyte layer 14 connected is. In 5 clearly recognizable is the dumbbell-shaped design of the porous, ceramic molding 28 ,

6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts der 4 aus dem Verbindungsbereich zwischen dem porösen, keramischen Formkörper 28 und dem gasdichten Formkörper 30, der durch einen gestrichelten Kreis angedeutet ist. Das genannte Verbindungsprofil der beiden Formkörper 28, 30 kann wellenförmig oder nach dem Nut-und-Feder-Prinzip ausgestaltet sein. Es sind aber auch frei konfiguierbare Hinterschneidungen möglich. 6 shows an enlarged view of a section of the 4 from the connection area between the porous, ceramic shaped body 28 and the gas-tight molded body 30 which is indicated by a dashed circle. The said connection profile of the two moldings 28 . 30 may be wavy or designed according to the tongue and groove principle. But there are also freely configurable undercuts possible.

Eine beispielhafte, noch stärker vergrößerte Darstellung aus einem wellenförmigen Verbindungsbereich der beiden keramischen Formkörper 28, 30 ist in 7 gezeigt. Deutlich erkennbar sind die Unterschiede der Zusammensetzung und/oder des Aufbaus der keramischen Materialien für die Formkörper 28, 30. Insbesondere sind die porösen und die gasdichten Eigenschaften erkennbar. An exemplary, even more enlarged representation of a wave-shaped connection region of the two ceramic molded body 28 . 30 is in 7 shown. Clearly recognizable are the differences in the composition and / or the structure of the ceramic materials for the moldings 28 . 30 , In particular, the porous and the gas-tight properties are recognizable.

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 Festelektrolytschicht 14 integriert werden. Insbesondere ist die Elektrolytschicht 14 in diesem Verfahrensstadium eine keramische Rohmasse, die als so genannter Grünling vorliegt und daher ungesintert ist. Auf die Elektrolytschicht 14 und die Funktionsschichten wird eine Hohlraumbildnerschicht aufgebracht. Diese kann durch ein Tauchbad, durch Aufsprühen, durch ein Siebdruckverfahren, durch ein Tampondruckverfahren oder durch Aufrollen aufgebracht werden. Insbesondere wird die Hohlraumbildnerschicht ausschließlich in dem vorderen Endabschnitt 22 aufgetragen, nicht aber in dem hinteren Endabschnitt 24 und dem mittleren Abschnitt 26. Die Schichtdicke der Hohlraumbildnerschicht kann zwischen 5 µm bis 200 µm, bevorzugt 10 µm bis 180 µm und noch bevorzugter zwischen 20 µm und 150 µm betragen, beispielsweise 100 µm. Bei größeren Dicken wird die Hohlraumbildnerschicht beispielsweise in dem vorderen Endabschnitt 22 lediglich abschnittsweise mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht, so dass diese in der Form eines unregelmäßigen oder regelmäßigen Musters aufgebracht ist. Dadurch gibt es Stellen, wie beispielsweise an den Seitenfläche 16 und/oder der Unterseite 18 und/oder Oberseite 20, in dem vorderen Endabschnitt 22, die von der Hohlraumbildnerschicht bedeckt sind, und es gibt Stellen, die von der Hohlraumbildnerschicht nicht bedeckt sind. In die nicht von der Hohlraumbildnerschicht bedeckten Stellen kann eine Stützmasse eingefüllt werden. Diese ist eingerichtet, durch Sintern mit der Elektrolytschicht 14 einen formschlüssigen und/oder monolithischen Verbund zu bilden und kann daher aus dem gleichen Material wie die Elektrolytschicht 14 sein. 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 solid 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. On the electrolyte layer 14 and the functional layers, a voiding layer is applied. This can be applied by a dipping bath, by spraying, by a screen printing process, by a pad printing process or by rolling up. In particular, the cavity forming layer becomes exclusive in the front end portion 22 applied, but not in the rear end portion 24 and the middle section 26 , The layer thickness of the cavity-forming layer may be between 5 .mu.m to 200 .mu.m, preferably 10 .mu.m to 180 .mu.m, and more preferably between 20 .mu.m and 150 .mu.m, for example 100 .mu.m. For larger thicknesses, the cavity-forming layer becomes, for example, in the front end portion 22 only partially applied by means of a screen printing process, so that it is applied in the form of an irregular or regular pattern. There are places like the side surface 16 and / or the bottom 18 and / or top 20 in the front end section 22 which are covered by the cavity forming layer, and there are spots which are not covered by the cavity forming layer. In the areas not covered by the cavity forming layer, a supporting mass can be filled. This is set up by sintering with the electrolyte layer 14 form a positive and / or monolithic composite and therefore can be made of the same material as the electrolyte layer 14 be.

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. Zur zusätzlichen Fixierung des Funktionselements 12 werden vier Haltepins in das Formnest eingefahren, von denen jeweils zwei den mittleren Abschnitt 26 an der Oberseite 18 und der Unterseite 20 in Längsrichtung verteilt klammern. Dabei liegen sich jeweils zwei Haltepins mit der Elektrolytschicht 14 dazwischen gegenüber. Insbesondere verschließt der Zugkern die Zutrittsöffnungen für die jeweiligen keramischen Rohmassen für die oben genannten Formkörper 28, 30. Das Funktionselement 12 wird insbesondere derart angeordnet, dass sich der hintere Endabschnitt 24 nicht in dem Formgebungswerkzeug befindet. Dann wird begonnen, den Zugkern aus dem Formgebungswerkzeug herauszuziehen, wodurch die Zutrittsöffnungen für die keramische Rohmasse für den oben genannten Formkörper 28, 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 28 das Funktionselement 12 und umschließt dieses in dem vorderen Endabschnitt 20 allseitig. Durch weiteres Herausziehen des Zugkerns werden schließlich die Zutrittsöffnungen für die zweite keramische Rohmasse für den oben genannten Formkörper 30, die keinen Porenbildner enthält, aber ansonsten mit der ersten keramischen Rohmasse identisch sein kann, freigegeben. Dabei überströmt die keramische Rohmasse für den oben genannten Formkörper 30 das Funktionselement 12 und umschließt dieses in dem mittleren Abschnitt 26 allseitig. Die Anspritzung in dem mittleren Abschnitt 26 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, Mischungen aus Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, Spinell, yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid und Forsterit. Da die Elektrolytschicht 14 eine Dicke von kleiner 1 mm, beispielsweise 800 µm oder gar nur 500 µm aufweist, besteht die Gefahr, dass sich diese in dem Formgebungswerkzeug leicht verbiegt. Daher kann sie durch die Haltepins, die das Funktionselement 12 in dem mittleren Abschnitt 26 an der Oberseite 18 und der Unterseite 20 halten und zusammengefahren werden, fixiert werden. Diese bleiben bis zum Schluss des Spritzvorgangs zusammengefahren und werden erst anschließend entfernt, so dass die oben genannten Löcher 34 in dem Formkörper 30 entstehen.In a mold cavity, not shown, of a forming tool, such as an injection molding tool, there is a tension core (not shown), which initially holds the cavity of the mold cavity occupies. The functional element 12 is placed in the mold cavity such that it is held by the puller core. For additional fixation of the functional element 12 four retaining pins are retracted into the mold cavity, of which two are the middle section 26 at the top 18 and the bottom 20 cling distributed in the longitudinal direction. In each case there are two holding pins with the electrolyte layer 14 in between. In particular, the tension core closes the access openings for the respective ceramic raw materials for the abovementioned shaped bodies 28 . 30 , The functional element 12 is arranged in particular such that the rear end portion 24 not located in the forming tool. Then, it is started to pull out the tension core from the forming tool, whereby the access openings for the ceramic raw material for the above-mentioned molding 28 , 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 28 the functional element 12 and encloses this in the front end portion 20 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 30 that does not contain a pore-forming agent but otherwise may be identical to the first ceramic raw material released. The ceramic raw material overflows for the abovementioned molding 30 the functional element 12 and encloses this in the middle section 26 on all sides. The gating in the middle section 26 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, mixtures of aluminum oxide and zirconium oxide, spinel, yttrium-stabilized zirconium dioxide and forsterite. As the electrolyte layer 14 has a thickness of less than 1 mm, for example 800 microns or even only 500 microns, there is a risk that this bends easily in the forming tool. Therefore, it can by the retaining pins, which is the functional element 12 in the middle section 26 at the top 18 and the bottom 20 be held and put together, fixed. These remain together until the end of the spraying process and are subsequently removed, leaving the holes above 34 in the shaped body 30 arise.

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 22 von dem Formkörper 28 und in dem mittleren Abschnitt 26 von dem Formkörper 30 umgeben. Anschließend wird der Formkörper 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 in den keramischen Massen der Formkörper 28, 30 und der Porenbildner in der keramischen Masse für den Formköper 28 verbrannt. Dadurch entstehen in der ersten keramischen Masse für den Formkörper 28 gezielt Hohlräume, so dass der Formkörper 28 die oben genannte Porosität aufweist, wohingegen der Formkörper 30 aufgrund des Fehlens des Porenbildners in der zweiten keramischen Rohmasse dicht sintert und gasdicht ausgebildet wird. Ferner verbrennt der Hohlraumbildner in der Hohlraumbildnerschicht rückstandsfrei, so dass der Luftspalt 36 zwischen dem Formkörper 28 und der Elektrolytschicht 14 gebildet wird. Sofern der Hohlraumbildner nicht auf Kohlenstoff basiert, sondern auf anderen Materialien, kann dieser vor dem Sintern beispielsweise durch chemische Prozesse, wie die Hydrolyse oder die Lösungsmittelextraktion, entfernt werden. Dadurch wird ein poröser Formkörper 28 in der oben genannten Form in dem vorderen Endabschnitt 22 des Funktionselements 12, der die Elektroden umfasst, gebildet, wohingegen der gasdichte Formkörper 30 für die erforderliche mechanische Stabilität sorgt. Dadurch, dass der hintere Endabschnitt 24 des Funktionselements 12 nicht in dem Formwerkzeug angeordnet wird, wird dieser nicht von einer keramischen Masse bedeckt, und die sich in diesem Bereich befindlichen Anschlusskontakte bleiben in einer Aussparung 32 freiliegend. Das Sintern kann bei einer Temperatur zwischen 1350 °C und 1550 °C, insbesondere bei 1385 °C erfolgen, wobei die Temperatur für beispielsweise 5,5 Stunden konstant gehalten wird. Der genannte Luftspalt 36 sorgt für eine mechanische Entkopplung von möglichen Thermospannungen durch Thermoschock und diese können nicht in die Elektrolytschicht 14 eingeleitet werden bzw. gelangen.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 22 from the shaped body 28 and in the middle section 26 from the shaped body 30 surround. Subsequently, the molded body 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 in the ceramic masses of the moldings 28 . 30 and the pore-forming agent in the ceramic mass for the molded body 28 burned. This results in the first ceramic mass for the shaped body 28 targeted cavities, so that the molding 28 the above-mentioned porosity, whereas the molding 30 due to the lack of the pore-forming agent in the second ceramic raw material is dense sintered and gas-tight. Furthermore, the cavity-forming agent burns without residue in the cavity-forming layer, so that the air gap 36 between the molding 28 and the electrolyte layer 14 is formed. If the cavity-forming agent is not based on carbon but on other materials, it can be removed before sintering, for example by chemical processes such as hydrolysis or solvent extraction. This will be a porous shaped body 28 in the above-mentioned shape in the front end portion 22 of the functional element 12 whereas the gas-tight molded body is formed, which comprises the electrodes 30 ensures the required mechanical stability. Due to the fact that the rear end section 24 of the functional element 12 is not placed in the mold, it is not covered by a ceramic mass, and located in this area terminal contacts remain in a recess 32 exposed. The sintering can be carried out at a temperature between 1350 ° C and 1550 ° C, in particular at 1385 ° C, wherein the temperature is kept constant for example 5.5 hours. The mentioned air gap 36 ensures a mechanical decoupling of possible thermoelectric shocks due to thermal shock and these can not enter the electrolyte layer 14 be initiated or arrive.

Insbesondere werden nach den oben beschriebenen Verfahren die keramischen Formkörper 28, 30 und das Funktionselement 12, insbesondere die Elektrolytschicht 14 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 30 ist als optional anzusehen. So kann das Funktionselement 12 stattdessen vollständig in das Material für den porösen Formkörper 28 eingebettet werden. Insbesondere kann die porös sinternde Masse des Materials für den porösen Formkörper 28 während der Schwindung beim Sintern ein viskoses Fließen zeigen und somit Schwindungsunterschiede zu der dicht sinternden Keramikmasse des Materials für den gasdichten Formkörper 30 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 28 gegenüber den Funktionsschichten der Festelektrolytschicht höher gewählt wird, so dass diese dann extrem innig mit dem Formkörper 28 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 methods described above, the ceramic shaped bodies 28 . 30 and the functional element 12 , in particular the electrolyte layer 14 and the functional layers, sintered together as green compacts. However, it is also possible that the functional element 12 as Braunling, ie in a debindered state, as sintered white, or completely sintered is introduced into the mold cavity of the forming tool. The injection of the raw material of the material for the gas-tight molded body 30 is to be regarded as optional. So can the functional element 12 instead completely in the material for the porous molding 28 be embedded. In particular, the porous sintering mass of the material for the porous shaped body 28 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 30 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 28 is selected higher compared to the functional layers of the solid electrolyte layer, so that they then extremely intimately with the molding 28 can be connected. 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 oder zusätzlich zu der Halterung des Funktionselements 12 über den Zugkern ist es möglich, dieses während der Umspritzung durch Zusammenfahren der oben genannten Haltepins in dem mittleren Abschnitt 26 gegen Verschiebung oder Verwellung zu fixieren. Diese Haltepins werden nach Abschluss der Umspritzung gezogen, wobei die resultierenden Löcher in einer Nachdruckphase versiegelt werden können. Diese Haltepins dienen als eine Art Klammern, die im Bereich des mittleren Abschnitts 26 angesetzt werden.Alternatively or in addition to the holder of the functional element 12 via the tension core, it is possible to do this during the encapsulation by moving together the abovementioned holding pins in the middle section 26 to fix against displacement or Verwellung. These retaining pins are pulled after completion of the encapsulation, the resulting holes can be sealed in a Nachdruckphase. These retaining pins serve as a kind of braces, which are in the area of the middle section 26 be set.

Insbesondere bei größeren Luftspalten 36 von mehr als 100 µm ist ein Aufbringen der Hohlraumbildnerschicht durch ein Siebdruckverfahren vorzuziehen, da in die unbedeckten Stellen die Stützmasse eingefüllt werden kann. Nach dem Bedecken der Hohlraumbildnerschicht und dieser Stützmasse mit dieser porös sinternden keramischen Masse und nachfolgendem Sintern verflüchtigt sich die Hohlraumbildnerschicht und die Stützmasse bleibt als Stützpins 40 zurück, wie in 8 gezeigt ist. 8 ist eine Schnittdarstellung, die der Schnittdarstellung der 4 entspricht, mit der Ausnahme, dass in dem vorderen Endabschnitt 22 von der Oberseite 18 und der Unterseite 20 ausgehend die Stützpins 40 zwischen der Elektrolytschicht 14 und dem porösen Formkörper 28 vorgesehen sind. Die Stützpins 40 können zusätzlich oder alternativ auch an den Seitenflächen 16 vorgesehen werden. Auch das Vorsehen von Stützpins 40 an nur einer Fläche oder Seite der Elektrolytschicht 14 ist möglich. Durch das Vorsehen der Stützpins 40 an allen Seiten der Elektrolytschicht 14 kann eine besonders stabile Anordnung des porösen Formkörpers 28 an der Elektrolytschicht 14 geschaffen werden. Die Stützpins 40 können sowohl mit dem porösen keramischen Formkörper 28 als auch mit der Elektrolytschicht 14 eine formschlüssige und/oder monolithische Verbindung eingehen, so dass sich der poröse Formkörper 28 an diesen Stützpins 40 und der Elektrolytschicht 14 abstützen kann bzw. von diesen getragen wird. Die Stützpins 40 stehen somit beispielsweise in der Art eines Pfeilers von der Oberfläche der Elektrolytschicht 14 vor. Die Stützpins 40 erlauben somit das Vorsehen von größeren Luftspalten 36 und können als Verbindungsglieder zum Verbinden der Elektrolytschicht 14 und des porösen Formkörpers 28 dienen. Sollte man die Stützpins 40 nicht benötigen, sind andere Verfahren zur Applikation der den Luftspalt 36 bildenden Hohlraumbildnerschicht, wie Tauchen, Tampondruck oder Aufrollen, denkbar.Especially with larger air gaps 36 of more than 100 .mu.m, it is preferable to apply the cavity-forming layer by a screen-printing method, since the support mass can be introduced into the uncovered areas. After covering the cavity-forming layer and this supporting mass with this porous sintering ceramic mass and subsequent sintering, the cavity-forming layer volatilizes and the supporting mass remains as supporting pins 40 back, as in 8th is shown. 8th is a sectional view of the sectional view of the 4 corresponds, with the exception that in the front end portion 22 from the top 18 and the bottom 20 starting the support pins 40 between the electrolyte layer 14 and the porous shaped body 28 are provided. The support pins 40 may additionally or alternatively also on the side surfaces 16 be provided. Also the provision of support pins 40 on only one face or side of the electrolyte layer 14 is possible. By providing the support pins 40 on all sides of the electrolyte layer 14 may be a particularly stable arrangement of the porous shaped body 28 at the electrolyte layer 14 be created. The support pins 40 can both with the porous ceramic molding 28 as well as with the electrolyte layer 14 form a positive and / or monolithic connection, so that the porous molding 28 on these support pins 40 and the electrolyte layer 14 can be supported or carried by them. The support pins 40 Thus, for example, they are in the manner of a pillar from the surface of the electrolyte layer 14 in front. The support pins 40 thus allow the provision of larger air gaps 36 and may as connecting members for connecting the electrolyte layer 14 and the porous shaped body 28 serve. Should you use the support pins 40 Do not need other methods of applying the air gap 36 forming cavity forming layer, such as dipping, pad printing or rolling, conceivable.

Die gezeigte Elektrolytschicht 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 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.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009000463 A1 [0004] DE 102009000463 A1 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0002] Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 [0002]

Claims (14)

Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder einer Temperatur des Gases, wobei das Sensorelement (10) umfasst: – ein Funktionselement (12), wobei das Funktionselement (12) mindestens einen Elektrolyten (14) und mindestens eine Funktionsschicht aufweist, und – einen zumindest abschnittsweisen porösen Formkörper (28), der das Funktionselement (12) an mindestens zwei Seiten, bevorzugt mindestens drei Seiten, einbettet, wobei der poröse Formkörper (28) von dem Funktionselement (12) durch einen Spalt (36) beabstandet ist.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, wherein the sensor element ( 10 ) comprises: a functional element ( 12 ), wherein the functional element ( 12 ) at least one electrolyte ( 14 ) and at least one functional layer, and - an at least partially porous shaped body ( 28 ), which is the functional element ( 12 ) embedded on at least two sides, preferably at least three sides, wherein the porous shaped body ( 28 ) of the functional element ( 12 ) through a gap ( 36 ) is spaced. Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Gasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder einer Temperatur des Gases, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Funktionselements (12), wobei das Funktionselement (12) mindestens einen Elektrolyten (14) und mindestens eine Funktionsschicht umfasst, – Vorsehen eines zumindest abschnittsweisen porösen Formkörpers (28) derart, dass er das Funktionselement (12) an mindestens zwei Seiten, bevorzugt mindestens drei Seiten, einbettet, und – chemisches und/oder thermisches Behandeln des Funktionselements (12) und des Formkörpers (28) derart, dass der Spalt (36) gebildet wird, wobei der Formkörper (28) von dem Funktionselement (12) durch den Spalt (36) beabstandet ist.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: - providing a functional element ( 12 ), wherein the functional element ( 12 ) at least one electrolyte ( 14 ) and at least one functional layer, - providing an at least partially porous shaped body ( 28 ) such that it is the functional element ( 12 ) at least two sides, preferably at least three sides, embeds, and - chemical and / or thermal treatment of the functional element ( 12 ) and the shaped body ( 28 ) such that the gap ( 36 ) is formed, wherein the shaped body ( 28 ) of the functional element ( 12 ) through the gap ( 36 ) is spaced. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner mit: – Bereitstellen des Funktionselements (12) in einem ungesinterten Zustand, – Aufbringen einer Hohlraumbildnerschicht auf das Funktionselement (12) zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht, – Anordnen des Funktionselements (12) mit der Hohlraumbildnerschicht in einem ungesinterten Zustand in mindestens einem Formnest eines Formgebungswerkzeugs, – 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 (12) von der keramischen Masse an mindestens zwei Seiten, bevorzugt mindestens drei Seiten, eingebettet wird, wobei ein Formling entsteht; und – Sintern des Formlings, wobei der zumindest abschnittsweise poröse Formkörper (28) zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht entsteht und von der Funktionsschicht beabstandet ist.Method according to the preceding claim, further comprising: - providing the functional element ( 12 ) in an unsintered state, - applying a cavity-forming layer to the functional element ( 12 ) at least in the region of the at least one functional layer, - arranging the functional element ( 12 ), in particular injection molding, 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 former, 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 molded article, wherein the at least partially porous molded article ( 28 ) arises at least in the region of the at least one functional layer and is spaced from the functional layer. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hohlraumbildnerschicht mit einer Dicke von 5 µm bis 200 µm, bevorzugt 10 µm bis 180 µm und noch bevorzugter von 20 µm bis 150 µm aufgebracht wird, beispielsweise mit einer Dicke von 100 µm.Process according to the preceding claim, wherein the cavity-forming layer is applied with a thickness of 5 μm to 200 μm, preferably 10 μm to 180 μm and more preferably of 20 μm to 150 μm, for example with a thickness of 100 μm. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die Hohlraumbildnerschicht abschnittsweise aufgebracht wird, insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens, und in die nicht von der Hohlraumbildnerschicht bedeckten Bereiche eine Stützmasse eingebracht wird, insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die keramische Masse zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht mit ungleichmäßiger Dicke um das Funktionselement (12) vorgesehen wird.Method according to one of claims 3 to 4, wherein the cavity-forming layer is applied in sections, in particular by means of a screen printing process, and in the not covered by the cavity forming layer areas a supporting mass is introduced, in particular by means of a screen printing process. Method according to one of claims 3 to 5, 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei in anderen Bereichen des mindestens einen Funktionselements (12) als denjenigen Bereichen, die die mindestens Funktionsschicht umfassen, eine zweite keramische Masse in das Formnest eingebracht wird, die eingerichtet ist, einen gasdichten Formkörper (30) zu bilden. Method according to one of claims 3 to 5, wherein in other areas 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 ( 30 ) to build. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die beiden keramischen Massen derart in das Formnest eingebracht werden, dass sie nach dem Sintern formschlüssig verbunden sind.Method according to the preceding claim, wherein the two ceramic masses are introduced into the mold cavity in such a way that they are positively connected after sintering. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die formschlüssige Verbindung der keramischen Massen dadurch eingerichtet wird, dass diese in Form einer Keilnut oder eines Wellenprofils im Verbindungsbereich eingebracht werden. Method according to the preceding claim, wherein the positive connection of the ceramic masses is established by being introduced in the form of a keyway or a wave profile in the connection region. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das mindestens eine Funktionselement (12) in dem Formnest von einem Zugkern derart gehalten wird, 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.Method according to one of claims 7 to 9, 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei das Funktionselement (12) Anschlusskontakte aufweist und das Funktionselement (12) derart in dem Formnest angeordnet wird, dass im Bereich der Anschlusskontakte mindestens eine Aussparung (32) gebildet wird.Method according to one of claims 3 to 10, wherein the functional element ( 12 ) Has terminal contacts and the functional element ( 12 ) is arranged in the mold cavity such that in the region of the connection contacts at least one recess ( 32 ) is formed. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei die keramische Masse mit dem mindestens einen Porenbildner wenigstens ein keramisches Material enthält ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, einer Mischung aus Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, Spinell, yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid und Forsterit. The method of any one of claims 3 to 11, wherein the ceramic composition having the at least one pore-forming agent contains at least one ceramic material selected from the group consisting of alumina, a mixture of alumina and zirconia, spinel, yttria-stabilized zirconia, and forsterite. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei das Funktionselement (12) planar ausgebildet ist.Method according to one of claims 3 to 12, wherein the functional element ( 12 ) is planar. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die keramische Masse mit dem mindestens einen Porenbildner im Bereich der Seitenflächen (16) des Funktionselements (12) dicker aufgetragen wird als in den übrigen Bereichen. 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 ( 16 ) of the functional element ( 12 ) is applied thicker than in the other areas. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, wobei die keramische Masse mit dem mindestens einen Porenbildner derart in das Formnest eingebracht wird, dass sie das Funktionselement (12) zumindest im Bereich der mindestens einen Funktionsschicht in Umfangsrichtung vollständig umgibt.Method according to one of claims 3 to 13, 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.
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