DE102012201977A1

DE102012201977A1 - A sensor and method for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed

Info

Publication number: DE102012201977A1
Application number: DE201210201977
Authority: DE
Inventors: Richard Fix; Stefan Henneck; Alexander Martin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-14
Also published as: FR2986868A1; CN103245710A; JP2013164418A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (100) zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids. Der Sensor (100) weist einen Grundkörper (102) und ein Sensorelement (104) auf. Der Grundkörper (102) weist einem innenliegenden Sensorraum (106) und eine Eintrittsöffnung für das Fluid in den Sensorraum (106) auf. Das Sensorelement (104) ist dazu ausgebildet, das Fluid zu analysieren. Das Sensorelement (104) ist in dem Sensorraum (106) von dem Fluid beaufschlagbar angeordnet, um die Konzentration des Bestandteils zu bestimmen.The invention relates to a sensor (100) for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed. The sensor (100) has a main body (102) and a sensor element (104). The main body (102) has an inner sensor space (106) and an inlet opening for the fluid in the sensor space (106). The sensor element (104) is designed to analyze the fluid. The sensor element (104) is arranged in the sensor space (106) acted upon by the fluid to determine the concentration of the component.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids, auf ein Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors.The present invention relates to a sensor for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed, to a method for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed, and to a method for producing a sensor.

Ein keramischer Gassensor kann eine keramische Presspackung in einem metallischen Einschraubkörper aufweisen. Die sensitive Spitze dieser Sensoren muss funktionsbedingt auf höhere Temperaturen (600–800°C) geheizt werden und wird in einem Schutzrohr in den Abgasstrang hineinragend montiert. So zeigt die DE 10 2005 062 774 A1 eine Sensoreinheit zur Bestimmung eines physikalischen Parameters eines Messgases. Insbesondere eine Sensoreinheit zum Bestimmen eines Sauerstoffgehaltes in einem Abgas einer Brennkraftmaschine. Die Sensoreinheit weist ein Sensorelement sowie ein als Halter des Sensorelements ausgebildetes Sensorgehäuse auf. Das Sensorelement umfasst einen Festelektrolyt und ist zumindest in einem von einem Messgas anströmbaren Bereich beheizbar. Ein metallischer Schutzmantel ist um das Sensorelement angeordnet.A ceramic gas sensor may comprise a ceramic press pack in a metallic screw-in body. Due to its function, the sensitive tip of these sensors must be heated to higher temperatures (600-800 ° C) and is mounted in a protective tube protruding into the exhaust gas system. That's how it shows DE 10 2005 062 774 A1 a sensor unit for determining a physical parameter of a measuring gas. In particular, a sensor unit for determining an oxygen content in an exhaust gas of an internal combustion engine. The sensor unit has a sensor element and a sensor housing designed as a holder of the sensor element. The sensor element comprises a solid electrolyte and can be heated at least in an area that can be flowed by a measuring gas. A metallic protective jacket is arranged around the sensor element.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids, ein Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention provides a sensor for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed, a method for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed, and a method for producing a sensor according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.

Keramische Gassensoren, wie beispielsweise die λ-Sonde (Lambda-Sonde) eines Fahrzeugs, aus ZrO₂ können als stabförmige Elemente mit einer keramischen Presspackung aus Steatit/Bornitrid in einem metallischen Einschraubkörper verbaut werden. Die sensitive Spitze dieser Sensoren benötigt funktionsbedingt eine Heizung auf höhere Temperaturen, beispielsweise 600 bis 800°C, und wird in einem Schutzrohr, welches in der Startphase z. B. vor auftreffenden Kondenswassertropfen schützt, in den Abgasstrang hineinragend montiert. Die auf ZrO₂ basierenden Sensoren werden auf eine Temperatur beheizt, die über dem Temperaturniveau des Abgases liegt, sodass die Abgastemperatur hier keine thermische Belastung darstellt.Ceramic gas sensors, such as the λ-probe (lambda probe) of a vehicle, made of ZrO ₂ can be installed as rod-shaped elements with a ceramic steatite / boron nitride press pack in a metallic screw-in body. The sensitive tip of these sensors requires a function of heating to higher temperatures, for example 600 to 800 ° C, and is in a protective tube, which in the starting phase z. B. protects against impinging condensate drops, mounted protruding into the exhaust system. The ZrO ₂ -based sensors are heated to a temperature above the temperature level of the exhaust gas, so that the exhaust gas temperature is not a thermal load here.

Halbleiter als Sensoren (z. B. ChemFET's, chemikaliensensitive Feldeffekttransistoren) können bei Temperaturen bis zu 500°C über einen längeren Zeitraum betrieben werden, sofern sie aus hochtemperaturbeständigen Materialien, wie SiC oder GaN hergestellt werden. Bei der maximal möglichen Betriebstemperatur lässt sich voraussichtlich die für ein Kfz geforderte hohe Lebensdauer mit geringer Degeneration der Sensoreigenschaften nicht erreichen. Semiconductors as sensors (eg ChemFETs, chemical-sensitive field-effect transistors) can be operated at temperatures up to 500 ° C for a long time, provided that they are made of high-temperature resistant materials such as SiC or GaN. At the maximum possible operating temperature, the long service life required for a motor vehicle with low degeneration of the sensor properties can probably not be achieved.

Um die geforderte Lebensdauer zu erreichen, kann die Dauerbetriebstemperatur des Sensors soweit wie funktionsbedingt möglich, unter 500°C abgesenkt werden. Dazu kann der Sensor zurückversetzt zum Abgasstrang platziert werden. Dies ist möglich, da für einen Sensor, der nur Gasbestandteile oder z. B. den Gasdruck oder Partialdruck der Gasbestandteile und keine Partikel wie Ruß messen soll, ein unmittelbares Einbringen in den Gasstrom nicht unbedingt erforderlich ist.To achieve the required service life, the continuous operating temperature of the sensor can be lowered below 500 ° C as far as possible due to its function. For this purpose, the sensor can be placed back to the exhaust line. This is possible because for a sensor that only gas components or z. B. should measure the gas pressure or partial pressure of the gas components and no particles such as soot, an immediate introduction into the gas stream is not essential.

Zwischen einem Sensor und einem Abgas führenden Rohr kann ein Raum angeordnet sein, in dem das Abgas an Temperatur verlieren kann, um die Betriebstemperatur des Sensors unterhalb der Abgastemperatur zu halten und vor Überhitzung zu schützen.Between a sensor and a pipe carrying exhaust gas, a space may be arranged in which the exhaust gas can lose temperature in order to keep the operating temperature of the sensor below the exhaust gas temperature and to protect against overheating.

Der hier vorgestellte Sensor kann sowohl in einem Fahrzeug als auch in anderen Anwendungsfällen verwendet werden. Zielanwendungen können neben dem Kraftfahrzeugbereich auch Brandmelder, stationäre Motoren usw. sein. Insbesondere bei einem Fluid mit einer höheren Temperatur als eine Betriebstemperatur des Sensors kann das Fluid in dem Raum vor dem Sensor abgekühlt werden.The sensor presented here can be used both in a vehicle and in other applications. Target applications may be in addition to the automotive sector and fire detectors, stationary engines, etc. Particularly with a fluid having a higher temperature than an operating temperature of the sensor, the fluid in the space in front of the sensor can be cooled.

Ein Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids weist die folgenden Merkmale auf:
einen Grundkörper mit einem innenliegenden Sensorraum und einer Eintrittsöffnung für das Fluid in den Sensorraum; und
ein Sensorelement zum Analysieren des Fluids, das in dem Sensorraum von dem Fluid beaufschlagbar angeordnet ist, um die Konzentration des Bestandteils zu bestimmen.A sensor for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed has the following features:
a main body with an inner sensor space and an inlet opening for the fluid in the sensor space; and
a sensor element for analyzing the fluid, which is arranged in the sensor space of the fluid acted upon to determine the concentration of the component.

Unter einem Sensor kann insbesondere ein Gassensor verstanden werden. Ein Fluid kann eine Mehrzahl an Bestandteilen aufweisen. Die Bestandteile können in mehreren Aggregatszuständen vorliegen. Das Fluid kann bei einer Verbrennung entstehen. Beispielsweise kann das Fluid ein Abgas, beispielsweise eines Motors sein. Ein Grundkörper kann ein temperaturbeständiges Fitting sein. Der Grundkörper kann aus einem Metall, beispielsweise Stahl sein. Der Grundkörper kann eine Schnittstelle zum Befestigen des Gassensors an einer Gasleitung oder einem Gasbehälter aufweisen. Beispielsweise kann die Schnittstelle ein Flansch oder ein Gewinde sein. Der Grundkörper kann eine Schnittstelle zu einem Verbinder einer Datenleitung aufweisen. Beispielsweise kann der Grundkörper eine Kontur zum Befestigen einer Kabeltülle aufweisen. An der Schnittstelle zu dem Verbinder kann auch eine Einrichtung zum Verarbeiten eines Signals des Gassensors befestigt werden. Ein Sensorraum kann ein Hohlraum im Inneren des Grundkörpers sein. Beispielsweise kann der Sensorraum zylindrisch ausgeführt sein. Ein Sensorelement kann ein Halbleiterbauelement sein, das dazu ausgebildet ist, Atome des Bestandteils in dem Fluid zu quantifizieren. Das Sensorelement kann dazu ausgebildet sein, mehr als einen Bestandteil des Fluids zu analysieren.A sensor may in particular be understood as a gas sensor. A fluid may have a plurality of constituents. The constituents can be present in several aggregate states. The fluid can arise during combustion. For example, the fluid may be an exhaust gas, for example a motor. A base body can be a temperature-resistant fitting. The base body may be made of a metal, for example steel. The main body may have an interface for attaching the gas sensor to a gas line or a gas container. For example, can the interface may be a flange or a thread. The main body may have an interface to a connector of a data line. For example, the main body may have a contour for attaching a cable grommet. At the interface to the connector, means for processing a signal of the gas sensor may also be attached. A sensor space may be a cavity in the interior of the base body. For example, the sensor space can be cylindrical. A sensor element may be a semiconductor device configured to quantify atoms of the constituent in the fluid. The sensor element may be configured to analyze more than one component of the fluid.

Der Grundkörper kann zwischen der Eintrittsöffnung und dem Sensorelement eine Temperierfläche zum Temperieren des Gases in dem Sensorraum aufweisen. Unter einer Temperierfläche kann eine Wärmeübergangsfläche zum Abkühlen des Fluids verstanden werden. An der Temperierfläche kann das Gas einen vorbestimmten Anteil Wärmeenergie abgeben und dabei auf eine Betriebstemperatur des Sensorelements abkühlen.The base body may have a tempering surface for tempering the gas in the sensor space between the inlet opening and the sensor element. A tempering surface can be understood to mean a heat transfer surface for cooling the fluid. At the temperature control surface, the gas can deliver a predetermined proportion of heat energy and thereby cool to an operating temperature of the sensor element.

Der Sensorraum kann als axiale Bohrung durch den Grundkörper ausgeführt sein. Das Sensorelement kann in einem der Eintrittsöffnung gegenüberliegenden Bereich der Bohrung angeordnet sein. Das Sensorelement kann quer zu der Bohrung ausgerichtet sein. Die Bohrung kann das Sensorelement vor Beschädigung durch Partikel im Fluid schützen, da innerhalb der Bohrung das Fluid nur eine geringe Strömungsgeschwindigkeit aufweist.The sensor space can be designed as an axial bore through the base body. The sensor element can be arranged in a region of the bore opposite the inlet opening. The sensor element may be aligned transversely to the bore. The bore can protect the sensor element from damage by particles in the fluid, since within the bore the fluid has only a low flow velocity.

Der Sensor kann eine Schutzeinrichtung aufweisen, die das Sensorelement überspannt und dazu ausgebildet ist, das Sensorelement von zumindest einem weiteren Bestandteil des Gases abzuschirmen und/oder eine Konzentration von zumindest einem weiteren Bestandteil des Fluids zu verringern. Unter einer Schutzeinrichtung kann ein, zumindest für den zu bestimmenden Bestandteil durchlässiger Filter verstanden werden, der beispielsweise Verschmutzungen zurückhält und/oder undurchlässig für schädliche Gase / Bestandteile ist, die zu einer Vergiftung des Sensors führen könnten. Die Schutzeinrichtung kann als Schutzkappe ausgeführt sein. Ebenso kann die Schutzeinrichtung als Schicht auf dem Sensorelement ausgeführt sein. Die Schutzeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Konzentration eines schädlichen Bestandteils soweit zusenken, dass das Sensorelement davon unbeeinflusst ist. Die Schutzeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Konzentration des schädlichen Bestandteils auf ein tolerables Niveau abzusenken. Beispielsweise kann die Schutzeinrichtung ausgebildet sein, um eine Absenkung einer Verschmutzung des Sensorelements auf ein tolerables Niveau oder einen vollständigen Ausschluss der Verschmutzung zu bewirken.The sensor may comprise a protective device which spans the sensor element and is designed to shield the sensor element from at least one further component of the gas and / or to reduce a concentration of at least one further component of the fluid. A protective device can be understood to mean a filter which is permeable at least to the constituent to be determined and which, for example, restrains dirt and / or is impermeable to harmful gases / constituents which could lead to poisoning of the sensor. The protective device can be designed as a protective cap. Likewise, the protective device can be designed as a layer on the sensor element. The protective device can be designed to reduce the concentration of a harmful constituent to such an extent that the sensor element is unaffected by it. The protective device may be designed to lower the concentration of the harmful component to a tolerable level. For example, the protective device may be designed to bring about a reduction of contamination of the sensor element to a tolerable level or a complete exclusion of the contamination.

Die Schutzeinrichtung kann ein Heizelement aufweisen. Die Schutzeinrichtung kann beispielsweise zumindest eine chemisch aktive Komponente aufweisen, die eine höhere Betriebstemperatur benötigt. Dazu kann das Heizelement die Schutzeinrichtung erwärmen. Somit wird durch das Heizelement primär nicht das Gas temperiert, sondern das Sensorelement. Eine Heizfläche des Heizelements kann nicht im Grundkörper, sondern entweder unterhalb des Sensorelementes oder in der Schutzeinrichtung angeordnet sein. Das Heizelement kann zur konstanten Temperierung des Sensorchips dienen. Eine Temperierfläche des Heizelements befindet sich an der Schutzeinrichtung. Alternativ oder zusätzlich kann eine entsprechende Temperierfläche in einem Träger des Sensorelements angeordnet sein.The protective device may have a heating element. By way of example, the protective device can have at least one chemically active component which requires a higher operating temperature. For this purpose, the heating element can heat the protective device. Thus, not the gas is heated by the heating element primarily, but the sensor element. A heating surface of the heating element can not be arranged in the main body, but either below the sensor element or in the protective device. The heating element can serve for constant temperature control of the sensor chip. A temperature control surface of the heating element is located on the protective device. Alternatively or additionally, a corresponding tempering surface may be arranged in a carrier of the sensor element.

Der Sensor kann einen Sensorträger aufweisen, der in dem Sensorraum angeordnet ist und elektrische Leiterbahnen zum Kontaktieren des Sensorelements aufweist, wobei das Sensorelement auf einer der Einströmöffnung zugewandten Seite des Sensorträgers angeordnet ist. Die elektrischen Leiterbahnen können in den Sensorträger eingebettet sein. Der Sensorträger kann als Scheibe aus Mehrlagenkeramikmaterial ausgeführt sein. Die Leiterbahnen können zwischen Schichten aus Keramik verlaufen. Senkrecht zu den Schichten können die Leiterbahnen als Durchkontaktierungen ausgeführt sein. Durchkontaktierungen können auch als Wärmeleiter ausgebildet sein, um das Sensorelement von einer Rückseite des Sensorelements zu kühlen.The sensor may have a sensor carrier which is arranged in the sensor space and has electrical conductor tracks for contacting the sensor element, wherein the sensor element is arranged on a side of the sensor carrier facing the inflow opening. The electrical conductor tracks can be embedded in the sensor carrier. The sensor carrier can be designed as a disk of multilayer ceramic material. The tracks can run between layers of ceramic. Perpendicular to the layers, the conductor tracks can be designed as plated-through holes. Through-contacts can also be designed as heat conductors in order to cool the sensor element from a rear side of the sensor element.

Der Sensorträger kann ein Heizelement für das Sensorelement aufweisen. Das Heizelement kann in den Sensorträger eingebettet sein. Ein Heizelement kann aus Leiterbahnen mit erhöhtem Widerstand aufgebaut sein. Mit dem Heizelement kann das Sensorelement auf Betriebstemperatur gebracht werden, wenn das Fluid zu kalt ist.The sensor carrier may have a heating element for the sensor element. The heating element can be embedded in the sensor carrier. A heating element may be constructed of printed conductors with increased resistance. With the heating element, the sensor element can be brought to operating temperature when the fluid is too cold.

Der Sensor kann ein Befestigungselement aufweisen, das dazu ausgebildet ist, den Sensorträger und den Grundkörper gasdicht zu verbinden und/oder den Sensorträger an dem Grundkörper zu befestigen, wobei der Sensorraum einen umlaufenden Vorsprung aufweist und das Befestigungselement dazu ausgebildet ist, den Sensorträger an den Vorsprung anzudrücken. Das Befestigungselement kann einen Zwischenraum zwischen dem Grundkörper und dem Sensorträger überbrücken. Das Befestigungselement kann aus einem thermisch widerstandsfähigen Material bestehen. Das Befestigungselement kann thermische Längenänderungsunterschiede zwischen dem Grundkörper und dem Sensorträger ausgleichen. Der Sensorträger kann auf dem Vorsprung schwimmend gelagert sein und so Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Grundkörper und dem Sensorträger ausgleichen. Dadurch kann der Sensorträger nahezu spannungsfrei gelagert sein, wodurch eine Lebenserwartung des Sensors vergrößert werden kann. Das Befestigungselement kann auf einer gasbeaufschlagten Seite des Sensorträgers oder auf einer nicht gasbeaufschlagten Seite des Sensors angeordnet sein. Das Befestigungselement kann gasdicht mit dem Grundkörper und dem Sensorträger verbunden sein. Das Befestigungselement kann stoffschlüssig mit dem Grundkörper und/oder dem Sensorträger verbunden sein. Beispielsweise kann das Befestigungselement angelötet oder angeschweißt sein.The sensor may include a fastener configured to gas-tightly connect the sensor carrier and the body and / or to secure the sensor carrier to the body, wherein the sensor space has a circumferential projection and the fastener is configured to attach the sensor carrier to the projection to press. The fastening element can bridge a gap between the base body and the sensor carrier. The fastener may be made of a thermally resistant material. The fastener can compensate for thermal length changes between the base body and the sensor carrier. The sensor carrier can be mounted floating on the projection and so compensate for differences in thermal expansion coefficient between the body and the sensor carrier. As a result, the sensor carrier can be mounted almost free of stress, whereby a life expectancy of the sensor can be increased. The fastening element can be arranged on a gas-loaded side of the sensor carrier or on a side of the sensor which is not gas-charged. The fastening element can be connected to the base body and the sensor carrier in a gastight manner. The fastening element can be materially connected to the base body and / or the sensor carrier. For example, the fastener may be soldered or welded.

Der Sensor kann zumindest ein Dichtelement aufweisen, das zwischen dem Sensorträger und dem Grundkörper und zusätzlich oder alternativ zwischen dem Sensorträger und dem Befestigungselement angeordnet sein kann. Als Dichtelement kann ein Dichtring eingesetzt werden. Das Dichtelement kann aus Metall sein. Mittels des zumindest einem Dichtelement können Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden.The sensor may comprise at least one sealing element which may be arranged between the sensor carrier and the base body and additionally or alternatively between the sensor carrier and the fastening element. As a sealing element, a sealing ring can be used. The sealing element may be made of metal. By means of the at least one sealing element manufacturing tolerances can be compensated.

Das Befestigungselement kann als Federelement ausgebildet sein. Das Federelement kann mittels einer elastischen Verformung die Wärmeausdehnungsunterschiede ausgleichen. Das Federelement kann als um den Sensorträger umlaufende gasdichte Sicke ausgebildet sein. The fastening element can be designed as a spring element. The spring element can compensate for the thermal expansion differences by means of an elastic deformation. The spring element can be designed as a gas-tight bead surrounding the sensor carrier.

Der Sensorträger und das Federelement können aufeinander angepasste Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Beispielsweise können die Wärmeausdehnungskoeffizienten eine Abweichung kleiner als 15 %, insbesondere 10 %, insbesondere 5% aufweisen. Durch einen kleinen Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben sich geringe thermische Spannungen zwischen den Bauteilen. Dadurch wird die Fügestelle zwischen den Bauteilen nur gering belastet.The sensor carrier and the spring element can have matched thermal expansion coefficients. For example, the thermal expansion coefficients may have a deviation of less than 15%, in particular 10%, in particular 5%. Due to a small difference in the coefficients of thermal expansion, low thermal stresses occur between the components. As a result, the joint between the components is only slightly loaded.

Der Sensor kann eine Einrichtung zur Verarbeitung eines Signals des Sensorelements aufweisen. Die Einrichtung zum Verarbeiten kann auf einer, dem Sensorelement gegenüberliegenden, Seite des Sensorträgers angeordnet sein. Die Einrichtung zum Verarbeiten kann über die elektrischen Leiterbahnen mit dem Sensorelement verbunden sein. Die Einrichtung kann beispielsweise ein rückseitig angeordneter Chip sein, der beispielsweise dazu ausgebildet ist, ein analoges Signal des Sensorelements zu digitalisieren. Die Einrichtung zum Verarbeiten kann auch direkt in das Sensorelement integriert sein. Somit kann die Auswertung onboard auf dem Sensorelement selbst, d. h. auf demselben Chip erfolgen.The sensor may include means for processing a signal of the sensor element. The device for processing can be arranged on a side of the sensor carrier opposite the sensor element. The device for processing can be connected to the sensor element via the electrical tracks. The device may, for example, be a chip arranged on the back, which is designed, for example, to digitize an analog signal of the sensor element. The device for processing can also be integrated directly into the sensor element. Thus, the evaluation onboard on the sensor element itself, d. H. done on the same chip.

Der Sensor kann eine Steuereinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist beispielsweise einen Reinigungszyklus des Sensorelements anzusteuern, indem beispielsweise das Heizelement eine höhere Temperatur als die Betriebstemperatur erzeugt, um beispielsweise einen Katalysator auf dem Sensorelement zu regenerieren.The sensor may include a control device which is designed, for example, to control a cleaning cycle of the sensor element, for example by the heating element generating a higher temperature than the operating temperature in order, for example, to regenerate a catalyst on the sensor element.

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids weist die folgenden Schritte auf:
Bereitstellen eines Sensorraums mit einer Eintrittsöffnung für das Fluid in den Sensorraum;
Einleiten des Fluids in den Sensorraum; und
Analysieren des Fluids mittels eines Sensorelements, das in dem Sensorraum von dem Fluid beaufschlagbar angeordnet ist, um die Konzentration des Bestandteils zu bestimmen.A method for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed comprises the following steps:
Providing a sensor space having an entrance opening for the fluid into the sensor space;
Introducing the fluid into the sensor space; and
Analyzing the fluid by means of a sensor element, which is arranged in the sensor space acted upon by the fluid to determine the concentration of the component.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids weist die folgenden Schritte auf:
Bereitstellen eines Grundkörpers, der eine von einer Einströmöffnung axial durch den Grundkörper verlaufende Durchgangsöffnung mit einem umlaufenden Vorsprung aufweist, wobei zwischen der Einströmöffnung und dem umlaufenden Vorsprung ein Sensorraum ausgebildet wird;
Bereitstellen eines Sensorträgers, der ein Sensorelement aufweist und eines Befestigungselements;
Einführen des Sensorträgers und des Befestigungselements in die Durchgangsöffnung, bis der Sensorträger an dem Vorsprung anliegt, wobei das Sensorelement auf die Einströmöffnung ausgerichtet ist, und das Befestigungselement auf einer der Einströmöffnung gegenüberliegenden Seite des Sensorträgers angeordnet ist; und
Verbinden des Befestigungselements mit dem Grundkörper.A method of manufacturing a sensor for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed comprises the following steps:
Providing a base body which has a through opening extending axially from the inflow opening through the base body with a peripheral projection, wherein a sensor space is formed between the inflow opening and the circumferential projection;
Providing a sensor carrier having a sensor element and a fastener;
Inserting the sensor carrier and the fastening element into the passage opening until the sensor carrier bears against the projection, wherein the sensor element is aligned with the inflow opening, and the fastening element is arranged on a side of the sensor carrier opposite the inflow opening; and
Connecting the fastener to the body.

Das Einführen des Sensorträgers und des Befestigungselements kann von der der Einströmöffnung gegenüberliegenden Öffnung der Durchgangsöffnung aus erfolgen. Der Sensorträger und das Befestigungselement können als eine Einheit in die Durchgangsöffnung eingeführt werden. In diesem Fall kann ein Ende des Befestigungselements bereits mit dem Sensorträger verbunden sein. Alternativ können der Sensorträger und das Befestigungselement als getrennte Elemente eingeführt werden, wobei der Sensorträger zuerst eingeführt werden kann. In diesem Fall kann ein an dem Sensorträger anliegendes Ende des Befestigungselements im Schritt des Verbindens mit dem Sensorträger verbunden werden.The insertion of the sensor carrier and the fastening element can take place from the opening of the passage opening opposite the inlet opening. The sensor carrier and the fastener may be inserted as a unit in the through hole. In this case, one end of the fastener may already be connected to the sensor carrier. Alternatively, the sensor carrier and the fastener may be inserted as separate elements, with the sensor carrier being able to be inserted first. In this case, an end of the fastening element resting against the sensor carrier can be connected to the sensor carrier in the step of connecting.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Darstellung eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a representation of a sensor according to an embodiment of the present invention;

2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 a flowchart of a method for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed according to an embodiment of the present invention;

3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a flowchart of a method of manufacturing a sensor according to an embodiment of the present invention;

4 eine Darstellung eines Sensorträgers mit einem Sensorelement für einen Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 a representation of a sensor carrier with a sensor element for a sensor according to an embodiment of the present invention;

5 eine Darstellung eines Ausschnitts eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 5 a representation of a section of a sensor according to an embodiment of the present invention;

6 eine Darstellung eines Heizelements als Teil eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 6 an illustration of a heating element as part of a sensor according to an embodiment of the present invention; and

7 eine Darstellung eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Peripherie. 7 a representation of a sensor according to an embodiment of the present invention with peripherals.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 100 weist einen Grundkörper 102 und ein Sensorelement 104 auf. Der Sensor 100 kann beispielsweise in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors oder in einem Sensorbereich eines Brandmelders eingesetzt werden. Der Grundkörper 102 ist von einer Durchgangsöffnung durchbrochen. Ein Träger 105 für das Sensorelement 104 teilt die Durchgangsöffnung in zwei Abschnitte. Ein in 1 oben dargestellter Abschnitt bildet einen Sensorraum 106 aus. Der Sensorraum weist eine Einströmöffnung für ein zu analysierendes Fluid auf. Das Sensorelement 104 ist auf einer der Einströmöffnung gegenüberliegenden Seite des Sensorraums 106 angeordnet. Der Träger 105 bildet einen Boden des Sensorraums 106. Das Sensorelement 104 ist somit gegenüber der Einströmöffnung rückversetzt angeordnet. Zwischen der Einströmöffnung und einer der der Einströmöffnung zugewandten Oberfläche des Sensorelements 104 erstreckt sich der Sensorraum 106. Ein Abstand zwischen der Einströmöffnung und der der Einströmöffnung zugewandten Oberfläche des Sensorelements 104 kann ein Mehrfaches einer Dicke des Sensorelements 104 oder ein Mehrfaches einer Dicke des Trägers entsprechen, und beispielsweise eine Abmessung von einem oder mehrere Millimeter aufweisen. Eine durch den Grundkörper 102 gebildete Wand des Sensorraums 106 kann eine Höhe aufweisen, die gleich oder größer als ein Durchmesser des Sensorraums ist. Ein Durchmesser der Durchgangsöffnung durch den Grundkörper 102 kann auf der dem Sensorraum 106 zugewandten Seite des Trägers 105 kleiner als auf einer dem Sensorraum 106 abgewandten Seite des Trägers 105 sein. Aufgrund der von der Einströmöffnung entfernten Anordnung des Sensorelements 104 kann das Sensorelement 104 als ein Halbleitersensor mit begrenzter Maximaltemperatur ausgeführt sein. 1 shows a representation of a sensor 100 according to an embodiment of the present invention. The gas sensor 100 has a basic body 102 and a sensor element 104 on. The sensor 100 For example, it can be used in an exhaust line of an internal combustion engine or in a sensor area of a fire detector. The main body 102 is pierced by a through hole. A carrier 105 for the sensor element 104 divides the passage opening into two sections. An in 1 The section above represents a sensor space 106 out. The sensor space has an inflow opening for a fluid to be analyzed. The sensor element 104 is on a side opposite the inflow opening side of the sensor space 106 arranged. The carrier 105 forms a bottom of the sensor space 106 , The sensor element 104 is thus set back from the inlet opening. Between the inflow opening and one of the inflow opening facing surface of the sensor element 104 extends the sensor space 106 , A distance between the inflow opening and the surface of the sensor element facing the inflow opening 104 may be a multiple of a thickness of the sensor element 104 or a multiple of a thickness of the carrier, and for example have a dimension of one or several millimeters. One through the main body 102 formed wall of sensor room 106 may have a height equal to or greater than a diameter of the sensor space. A diameter of the passage opening through the base body 102 can on the sensor room 106 facing side of the carrier 105 smaller than on the sensor room 106 opposite side of the carrier 105 be. Due to the arrangement of the sensor element remote from the inflow opening 104 can the sensor element 104 be designed as a semiconductor sensor with limited maximum temperature.

Im Folgenden wird der Sensor 100 anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, bei dem der Sensor 100 zur Analyse eines Gases eines Abgasstrangs, beispielsweise eines Fahrzeugs eingesetzt wird. The following is the sensor 100 described with reference to an embodiment in which the sensor 100 is used to analyze a gas of an exhaust line, such as a vehicle.

Durch bereits genannte Einströmöffnung kann das Gas des Abgasstrangs in den Sensorraum 106 im Inneren des Grundkörpers 102 einströmen und in Kontakt mit einer Oberfläche des Sensorelements 104 treten. Der Sensorraum 106 ist damit offen zum Abgasstrang. Der Sensorraum 106 ist als zylindrische Aussparung axial durch den Grundkörper 102 ausgebildet. Der Grundkörper 102 ist in diesem Ausführungsbeispiel als hohles Schraubfitting ausgeführt. Konzentrisch zu dem Sensorraum 106 ist auf dem Grundkörper 102 ein Außengewinde 108 als Schnittstelle angeordnet, um den Gassensor 100 in ein gasführendes Rohr oder einen gasführenden Behälter einschrauben zu können. Die Schnittstelle kann auch beispielsweise als Flansch ausgeführt sein. An einem dem Gewinde 108 gegenüberliegenden Ende, einer „kalten Rückseite“ weist der Grundkörper 102 außen einen Absatz 110 auf, der dazu ausgebildet ist, einen Verbinder zu einer Datenleitung, beispielsweise eine Kabeltülle, aufzunehmen. Ebenso kann dort ein Kabelbaum befestigt werden, beispielsweise über eine Schweißverbindung oder eine Quetschverbindung. By already mentioned inflow opening, the gas of the exhaust gas line in the sensor space 106 inside the body 102 inflow and into contact with a surface of the sensor element 104 to step. The sensor room 106 is thus open to the exhaust system. The sensor room 106 is as a cylindrical recess axially through the body 102 educated. The main body 102 is executed in this embodiment as a hollow screw fitting. Concentric to the sensor room 106 is on the body 102 an external thread 108 arranged as an interface to the gas sensor 100 to be able to screw into a gas-carrying tube or a gas-carrying container. The interface can also be designed, for example, as a flange. At one the thread 108 opposite end, a "cold back" points the body 102 outside a paragraph 110 configured to receive a connector to a data line, such as a cable grommet. Likewise, a cable harness can be attached there, for example via a welded connection or a crimp connection.

Der Grundkörper 102 weist im Sensorraum 106 einen Absatz 112 auf. An dem Absatz 112 erweitert sich ein Durchmesser des Sensorraums 106 zu einer von der Einströmöffnung abgewandten Seite. Auf dem Absatz 112 ist quer zu einer Erstreckungsrichtung des Sensorraums 106 der Sensorträger 105 angeordnet. Auf einer der Einströmöffnung zugewandten Seite des Sensorträgers 105 ist das Sensorelement 104 mittig angeordnet. In dem Sensorträger 105, der aus einem mehrschichtig angeordneten Keramikmaterial aufgebaut ist, erstrecken sich elektrische Leiterbahnen in und/oder zwischen den Schichten des Sensorträgers 105. Die Leiterbahnen verbinden das Sensorelement 104 mit einer Rückseite des Sensorträgers 105 über Durchkontaktierungen (Vias). Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Leiterbahnen teilweise als Heizelemente ausgebildet, um das Sensorelement 104 auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Von Kontaktpins auf der Rückseite des Sensorträgers 105 führen elektrische Leiter 116, beispielsweise zu einem Anschlusskabel. Die elektrischen Leiter können gelötet oder gebondet sein.The main body 102 points in the sensor room 106 a paragraph 112 on. At the heel 112 extends a diameter of the sensor space 106 to a side facing away from the inlet opening side. On the heel 112 is transverse to an extension direction of the sensor space 106 the sensor carrier 105 arranged. On a side of the sensor carrier facing the inflow opening 105 is the sensor element 104 arranged in the middle. In the sensor carrier 105 , which is constructed of a multilayered ceramic material, extending electrical conductors in and / or between the Layers of the sensor carrier 105 , The tracks connect the sensor element 104 with a back of the sensor carrier 105 via vias. According to one embodiment, the conductor tracks are partially formed as heating elements to the sensor element 104 to warm up to operating temperature. From contact pins on the back of the sensor carrier 105 lead electrical conductors 116 For example, to a connection cable. The electrical conductors can be soldered or bonded.

Zum Schutz des Sensorelements 104 vor Verschmutzung und/oder Vergiftung ist über dem Sensorelement 104 eine Schutzkappe 118 angeordnet. Die Schutzkappe 118 besteht aus porösem Keramikmaterial, das als Filter für Partikel ausgebildet sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann das Keramikmaterial katalytisch wirksam ausgerüstet sein, um für das Sensorelement schädliche Gasbestandteile in unschädliche Bestandteile reagieren zu lassen. Dabei wird das Keramikmaterial selbst nicht katalytisch wirksam sein. Das Keramikmaterial kann jedoch modifiziert sein, damit es katalytisch wirksam ist.To protect the sensor element 104 Pollution and / or poisoning is above the sensor element 104 a protective cap 118 arranged. The protective cap 118 consists of porous ceramic material that can be designed as a filter for particles. Additionally or alternatively, the ceramic material may be catalytically effective in order to allow the sensor element harmful gas components to react in innocuous components. The ceramic material itself will not be catalytically effective. However, the ceramic material may be modified to be catalytically effective.

Der Sensorträger 105 ist auf dem Absatz 112 schwimmend gelagert, um von temperaturbedingten Größenänderungen des Grundkörpers 102 entkoppelt zu sein. Der Sensorträger wird von einem ringförmigen, mit einer Sicke ausgebildeten, Federelement 120 gegen den Absatz 112 gepresst, um unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Keramikträgers 105 und des Stahls des Einschraubkörpers 102 auszugleichen. Anstelle des Federelements 120 können, wie in den nachfolgenden Figuren gezeigt, auch andere Befestigungselemente eingesetzt werden. Das Federelement 120 ist mit dem Grundkörper 102 über eine Schweißnaht verbunden, beispielsweise über ein Laserschweißen. Das Federelement 120 ist auf den Sensorträger 105 beispielsweise mittels Hartlot oder Aktivlot aufgelötet. Durch die zwei stoffschlüssigen Verbindungen ist der Gassensor 100 gasdicht ausgeführt.The sensor carrier 105 is on the heel 112 floating to temperature changes of the body 102 to be decoupled. The sensor carrier is of an annular, formed with a bead, spring element 120 against the paragraph 112 pressed to different thermal expansion coefficients of the ceramic substrate 105 and the steel of the screw-in body 102 compensate. Instead of the spring element 120 can, as shown in the following figures, other fasteners are used. The spring element 120 is with the main body 102 connected via a weld, for example via a laser welding. The spring element 120 is on the sensor carrier 105 soldered for example by means of brazing or active solder. Due to the two cohesive connections, the gas sensor 100 gas-tight.

Im Folgenden wird anhand von 1 ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiter-Sensors 100 im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben. Der Halbleiter-Sensor 100 ist so fixiert und kontaktiert, dass er eine Betriebstemperatur unter 500°C erreicht. Gezeigt ist eine Möglichkeit die Temperatur am Gassensor 104 über den gesamten Betriebszeitraum auf eine Temperatur deutlich unter der Spitzentemperatur des Abgases konstant zu halten. Der Aufbau ist thermowechselfest und stoßfest gestaltet, sodass über die Lebensdauer des Sensors 100 eine hermetisch abgedichtete Durchführung der elektrischen Kontakte 116 zum rückseitig anschließenden Kontaktierungsbereich 110 und Kabelbaum möglich ist. Zudem ist der Sensor 104 vor Feststoffablagerungen aus dem Abgas geschützt.The following is based on 1 an embodiment of a semiconductor sensor 100 described in the exhaust system of an internal combustion engine. The semiconductor sensor 100 is fixed and contacted so that it reaches an operating temperature below 500 ° C. Shown is a possibility the temperature at the gas sensor 104 over the entire period of operation to a temperature well below the peak temperature of the exhaust gas constant. The structure is thermo-resistant and shockproof, so over the life of the sensor 100 a hermetically sealed implementation of the electrical contacts 116 to the rear side contacting area 110 and wiring harness is possible. In addition, the sensor 104 protected from solid deposits from the exhaust gas.

Beschrieben ist eine Lösung, mit der thermisch weniger belastbare Halbleiter-Sensoren 104 durch einen vom Gasstrom zurückversetzten Einbau im Abgasstrang genutzt werden können. Weiterhin wird eine alternative, platzsparende, gasdichte und spannungsarme Verbindung einer Trägerkeramik 105 mit einem Einschraubkörper 102 über eine Metallmembran 120, anstatt einer Presspackung, gezeigt. Described is a solution with the thermally less resilient semiconductor sensors 104 can be used by a recessed from the gas flow installation in the exhaust system. Furthermore, an alternative, space-saving, gas-tight and low-tension connection of a carrier ceramic 105 with a screw-in body 102 over a metal membrane 120 instead of a press pack, shown.

Durch eine nicht dargestellte Schutzrohrkonstruktion kann das heiße Abgas in den Einschraubkörper 102 beispielsweise aufgrund eines strömungsmechanisch erzeugten Unterdrucks eingezogen werden. Das Gas gelangt somit passiv zu dem Sensorelement 104.. Dabei gibt das Abgas an der Wandung des Einschraubkörpers 102 einen Teil seiner Wärmeenergie ab, sodass beim Auftreffen des Abgases auf den Sensor 104 eine Temperatur des Abgases von deutlich unter 500°C erreicht wird. Der Halbleitersensor 104 benötigt eine konstante Betriebstemperatur. Auch in den Zeiträumen, in denen die Abgastemperatur niedriger ist. Dies wird durch einen in der Keramikscheibe 105 integrierten Heizwiderstand ermöglicht, der über elektrische Kontakte 116 betrieben werden kann, die auf die Rückseite herausgeführt sind. Ein entsprechender Heizer kann auch in eine Schutzkappe des Sensors 104 integriert sein. Die von der Abgasseite kommenden elektrischen Kontakte des Sensors 104 sind über Vias und interne Leiterbahnen der Keramikscheibe 105 ebenso auf die gegenüberliegende Seite zur Kontaktierung am Kabel geführt und ermöglichen durch die Einbettung in einer dichten Keramik 105 eine hermetische und elektrisch isolierte Durchführung der Kontakte 116. Auf der Rückseite wird der Übergang zum Kabel z. B. durch aufgelötete Pins fortgeführt. Optional ist die Verschaltung der durchgeführten Kontakte mit einem auf der Rückseite montierten Chip möglich, der analoge Signale des Sensors 104 digital aufbereitet und an die Kabelkontakte 116 weiterleitet, was wiederum über Vias und Leiterbahnen in der Keramikscheibe 105 realisiert werden kann.By a protective tube construction, not shown, the hot exhaust gas in the screw-in 102 be retracted, for example, due to a fluidically generated negative pressure. The gas thus passes passively to the sensor element 104 .. This gives the exhaust gas on the wall of the screw-in 102 a part of its heat energy, so that when the exhaust gas hits the sensor 104 a temperature of the exhaust gas of well below 500 ° C is reached. The semiconductor sensor 104 requires a constant operating temperature. Also in the periods in which the exhaust gas temperature is lower. This is done by one in the ceramic disc 105 integrated heating resistor allows, via electrical contacts 116 can be operated, which are led out to the back. A corresponding heater can also be in a protective cap of the sensor 104 be integrated. The coming from the exhaust side electrical contacts of the sensor 104 are via vias and internal tracks of the ceramic disk 105 also led to the opposite side for contacting the cable and allow by embedding in a dense ceramic 105 a hermetic and electrically insulated implementation of the contacts 116 , On the back of the transition to the cable z. B. continued by soldered pins. Optionally, it is possible to interconnect the contacts made with a chip mounted on the back, the sensor's analog signals 104 digitally processed and to the cable contacts 116 forwards, which in turn via vias and tracks in the ceramic disc 105 can be realized.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sensorchip 104 auf einer planen Scheibe 105 aus einer Mehrlagenkeramik, z. B. Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) oder Al₂O₃ Keramik, mechanisch und elektrisch angebunden. Die Herstellung der Mehrlagenkeramik 105 kann entsprechend den Technologien der Herstellung von LTCC-Platinen erfolgen, jedoch mit speziell für diesen Einsatzzweck entwickelten Zusammensetzungen des Keramikmaterials und der Leiterbzw. Widerstandspasten. Diese Trägerscheibe 105 wird in einer bzw. über eine flexible, ringförmige Membran 120 aus einer Metalllegierung, beispielsweise Invar- oder Kovar, fixiert, welche im Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) an die Keramik 105 angepasst ist. Die Geometrie dieser ringförmigen metallischen Membran 120 ermöglicht den Ausgleich des Unterschieds in der thermischen Dehnung zu dem Einschraubkörper 102 aus Stahl, welcher einen wesentlich höheren WAK im Vergleich zur Keramik 105 und der Membran 120 aufweist. Eine feste Einspannung der vorgesehenen Keramikscheibe 105 in einer Presspackung würde hingegen zu deren Bruch führen, sobald der Temperaturanstieg zu einer höheren Dehnung des Einschraubkörpers 102 gegenüber der Keramik 105 führt. Die Keramikscheibe kann auf den niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten des für den Sensor bevorzugten Halbleitermaterials SiC angepasst werden, was die Notwendigkeit der thermomechanisch weitgehend entkoppelten Aufhängung noch steigern kann. Die geringe Wandstärke der Metallmembran 120 führt auch zu einer guten Entkopplung des Wärmeaustausches zwischen der Keramikscheibe 105 und dem massiven Einschraubkörper 102 aus Metall, was eine möglichst autonome Temperaturregelung im Bereich des Sensorchips 104 ermöglicht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Übergang von der Keramikscheibe 105 zum Membranring 120 entweder über eine aufgesinterte Metallisierung zusammen mit einem Hartlot oder mittels eines Aktivlotes, welches direkt mit der Keramik 105 reagiert, hergestellt werden. Die Verbindung der Metallmembran 120 zum Einschraubkörper 102 kann als Schweißverbindung, z. B. mittels Laserschweißen, oder als Lötverbindung ausgeführt werden, womit eine vollständige Gasdichtigkeit erreicht wird. Die Montage des Sensorchips 104 kann auf der zum Abgasraum 106 gerichteten Fläche der Keramikscheibe 105 mit einer Au-Glas-Postfiring-Paste in FlipChip-Technik erfolgen. Ebenso kann auf der Rückseite der Keramikscheibe 105 zusätzlich ein Hochtemperatur-Halbleiterchip montiert werden, der die Auswerteschaltung für die digitale Signalaufbereitung in der Nähe des Sensors 104 ermöglicht. Die Abscheidung von Schmutzpartikeln aus dem Abgas kann durch eine poröse Keramik-Schutzkappe 118 verhindert werden, die mittels eines Glaslotes auf der Keramikträgerscheibe 105 über dem Sensorchip 104 befestigt werden kann. Die poröse Schutzkappe 118 kann zudem Materialien enthalten, die unerwünschte Substanzen aus dem Abgas, wie z. B. Silikone, katalytisch zersetzen und chemisch abbinden können, damit diese den Sensor 104 nicht vergiften können.In the illustrated embodiment, the sensor chip 104 on a plane disk 105 from a multilayer ceramic, z. B. Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) or Al ₂ O ₃ ceramic, mechanically and electrically connected. The production of multilayer ceramics 105 may be made in accordance with the technologies of manufacturing LTCC boards, but with compositions of the ceramic material and conductor designed specifically for this purpose. Resistor pastes. This carrier disk 105 becomes in or over a flexible, annular membrane 120 from a metal alloy, such as Invar or Kovar, fixed, which in the coefficient of thermal expansion (CTE) to the ceramic 105 is adjusted. The geometry of this annular metallic membrane 120 allows the compensation of the difference in the thermal expansion to the Einschraubkörper 102 made of steel, which has a much higher CTE compared to ceramics 105 and the membrane 120 having. A firm clamping of the intended ceramic disc 105 in a press pack, however, would lead to their break as soon as the temperature rise to a higher elongation of the screw-in 102 opposite the ceramic 105 leads. The ceramic disk can be adapted to the low coefficient of thermal expansion of the semiconductor material SiC which is preferred for the sensor, which can further increase the need for the thermomechanically largely decoupled suspension. The small wall thickness of the metal membrane 120 also leads to a good decoupling of the heat exchange between the ceramic disc 105 and the massive screw-in body 102 made of metal, which is an autonomous temperature control in the area of the sensor chip 104 allows. In the embodiment shown, the transition from the ceramic disc 105 to the membrane ring 120 either via a sintered metallization together with a braze or by means of an active solder, which directly with the ceramic 105 reacts, be prepared. The connection of the metal membrane 120 to the screw-in body 102 can be used as a welded joint, z. B. by laser welding, or be performed as a solder joint, whereby a complete gas tightness is achieved. The mounting of the sensor chip 104 Can on the exhaust room 106 directed surface of the ceramic disc 105 done with an Au-glass postfiring paste in flip-chip technique. Likewise, on the back of the ceramic disc 105 In addition, a high-temperature semiconductor chip can be mounted, which is the evaluation circuit for digital signal processing in the vicinity of the sensor 104 allows. The deposition of dirt particles from the exhaust gas can be achieved through a porous ceramic protective cap 118 be prevented by means of a glass solder on the ceramic carrier disc 105 above the sensor chip 104 can be attached. The porous protective cap 118 may also contain materials containing undesirable substances from the exhaust gas, such. As silicones, catalytically decompose and chemically set, so that they are the sensor 104 can not poison you.

Mit dem hier vorgestellten Ansatz kann beispielsweise ein ChemFET-NOx-Sensor oder ein Drucksensor für hohe Einsatztemperaturen, z. B. auf SiC- oder GaN-Basis bereitgestellt werden. Die gezeigte Geometrie ist nur exemplarisch. Es sind auch andere Bauformen, unter Umständen mit anderen Formgebungsverfahren oder Verbindungsverfahren möglich.With the approach presented here, for example, a ChemFET NOx sensor or a pressure sensor for high operating temperatures, eg. For example, be provided on SiC or GaN basis. The geometry shown is only an example. There are also other types, possibly with other molding methods or connection methods possible.

2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines zu analysierenden Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 kann mit einem Gassensor, wie er in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren weist einen Schritt des Bereitstellens 202, einen Schritt des Einleitens 204 und einen Schritt des Analysierens 206 auf. Im Schritt des Bereitstellens 202 wird ein Sensorraum mit einer Eintrittsöffnung für das Fluid in den Sensorraum bereitgestellt. Im Schritt des Einleitens 204 wird das Fluid in den Sensorraum eingeleitet und dabei gegebenenfalls abgekühlt. Im Schritt des Analysierens 206 wird das Fluid mittels eines Sensorelements, das in dem Sensorraum von dem Fluid beaufschlagbar angeordnet ist, analysiert, um die Konzentration des Bestandteils zu bestimmen. Dabei kann ein Sensorsignal erzeugt und ausgeben werden, dass ein Analyseergebnis bezüglich des Bestandteils des Fluids repräsentiert. 2 shows a flowchart of a method 200 for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed according to an embodiment of the present invention. The procedure 200 can use a gas sensor, as in 1 is shown executed. The method has a step of providing 202 , a step of initiation 204 and a step of analyzing 206 on. In the step of providing 202 a sensor space is provided with an inlet opening for the fluid in the sensor space. In the step of initiating 204 the fluid is introduced into the sensor space and optionally cooled. In the step of analyzing 206 the fluid is analyzed by means of a sensor element, which is arranged in the sensor space acted upon by the fluid, to determine the concentration of the component. In this case, a sensor signal can be generated and output that represents an analysis result with regard to the constituent of the fluid.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Herstellen eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren weist zwei Schritte des Bereitstellens 302, 304, einen Schritt des Einführens 306 und einen Schritt des Verbindens 308 auf. Die Schritte des Bereitstellens 302, 304 können zeitgleich ausgeführt werden. 3 shows a flowchart of a method 300 for manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention. The method has two steps of providing 302 . 304 , a step of introducing 306 and a step of connecting 308 on. The steps of deploying 302 . 304 can be executed at the same time.

Im Schritt des Bereitstellens 302 wird ein Grundkörper bereitgestellt. Der Grundkörper weist eine von einer Einströmöffnung axial durch den Grundkörper verlaufende Durchgangsöffnung auf. An einer Wand der Durchgangsöffnung weist der Grundkörper einen umlaufenden Vorsprung auf. Im Schritt des Bereitstellens 304 werden ein Sensorträger und ein Befestigungselement bereitgestellt. Der Sensorträger weist ein Sensorelement auf und ist dazu ausgebildet, auf dem Vorsprung angeordnet zu werden. Im Schritt des Einführens 306 werden der Sensorträger und das Befestigungselement in den Sensorraum eingeführt, bis der Sensorträger an dem Vorsprung anliegt. Dabei ist das Sensorelement auf die Einströmöffnung ausgerichtet. Das Befestigungselement liegt an dem Sensorträger und dem Grundkörper an. Im Schritt des Verbindens 306 wird das Befestigungselement mit dem Grundkörper und, sofern es nicht im Verbund mit dem Sensorträger bereitgestellt wurde, mit dem Sensorträger verbunden, um den Sensorraum gasdicht zu verschließen.In the step of providing 302 a base body is provided. The main body has a passage opening extending axially through the main body from an inflow opening. On a wall of the passage opening, the base body has a circumferential projection. In the step of providing 304 For example, a sensor carrier and a fastener are provided. The sensor carrier has a sensor element and is designed to be arranged on the projection. In the step of introducing 306 The sensor carrier and the fastener are inserted into the sensor space until the sensor carrier rests against the projection. In this case, the sensor element is aligned with the inflow opening. The fastener is applied to the sensor carrier and the main body. In the step of joining 306 the fastening element is connected to the base body and, if it was not provided in conjunction with the sensor carrier, to the sensor carrier to close the sensor space gas-tight.

4 zeigt eine Darstellung eines Sensorträgers 105 mit einem Sensorelement 104 für einen Sensor, wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sensorelement 104 auf einer Vorderseite des Sensorträgers 105 ist durch eine Schutzkappe 118 gegen eine unzulässig hohe Konzentration von Schadfluid und zusätzlich oder alternativ Feststoffen in einem zu analysierenden Fluid geschützt. Der Sensorträger 105 ist als Mehrlagen Composite Material ausgeführt. Im Inneren des Sensorträgers 105 sind, in verschiedenen Lagen übereinander und elektrisch voneinander isoliert, Leiterbahnen 400 aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise Gold, angeordnet. Elektrische Leiter 116 sind als Pins aus Hochtemperatur(HT)-Edelstahldraht ausgeformt und in sacklochförmige Aussparungen 402 von einer Rückseite des Sensorträgers 105 bis auf die jeweilige Ebene der zu kontaktierenden Leiterbahn 400 eingeführt. In den Sacklöchern sind die Pins 116 mit gesinterter Edelmetallpaste kontaktiert und fixiert. In einer weiteren Lage des Sensorträgers 105 ist eine Heizerwiderstandsschicht 404 angeordnet. Die Heizerwiderstandsschicht 404 ist beispielsweise aus einem RuO₂-Glas-Komposit aufgebaut und ist über Leiterbahnen 400 kontaktiert, um das Sensorelement 104 rückseitig beheizen zu können. Das Sensorelement 104 ist rückwärtig mit einer gesinterten Edelmetallpaste 406 auf dem Sensorträger 105 befestigt und über Durchkontaktierungen zu weiteren Leiterbahnen 400 mit den weiteren Leiterbahnen 400 elektrisch verbunden. 4 shows a representation of a sensor carrier 105 with a sensor element 104 for a sensor, such as in 1 is shown, according to an embodiment of the present invention. The sensor element 104 on a front side of the sensor carrier 105 is through a protective cap 118 protected against an inadmissibly high concentration of pollutant fluid and additionally or alternatively solids in a fluid to be analyzed. The sensor carrier 105 is as a multilayer composite material executed. Inside the sensor carrier 105 are, in different layers one above the other and electrically isolated from each other, tracks 400 made of electrically conductive material, such as gold. Electric conductors 116 are formed as pins of high temperature (HT) -Sdelstahldraht and in blind hole-shaped recesses 402 from a rear side of the sensor carrier 105 down to the respective level of the conductor track to be contacted 400 introduced. In the blind holes are the pins 116 contacted with sintered precious metal paste and fixed. In another position of the sensor carrier 105 is a heater resistance layer 404 arranged. The heater resistance layer 404 is constructed, for example, of a RuO ₂ glass composite and is via conductor tracks 400 contacted to the sensor element 104 to be able to heat on the back. The sensor element 104 is back with a sintered precious metal paste 406 on the sensor carrier 105 attached and via vias to other tracks 400 with the other tracks 400 electrically connected.

Mit anderen Worten zeigt 4 ein Ausführungsbeispiel einer Anbindung der elektrischen Kontaktpins 116 auf der Rückseite des Keramikträgers 105 für den Übergang auf die Kabelkontaktierung. Die Kontaktpins 116 können am anderen Ende der Messsonde im thermisch weniger belasteten hinteren Bereich, durch beispielsweise Löten, Laserschweißen oder Quetschverbinden mit den Adern eines Kabels verbunden werden. Am Übergang der elektrischen Kontakte von der beheizten Keramikscheibe 105 auf die Kontaktpins 116 können metallische Lote wie bei der Anbindung des Federelements am Rand der Keramikscheibe 105 in speziellen Situationen angewandt werden.In other words shows 4 an embodiment of a connection of the electrical contact pins 116 on the back of the ceramic carrier 105 for the transition to the cable connection. The contact pins 116 can be connected to the wires of a cable at the other end of the probe in the less thermally stressed rear area, for example by soldering, laser welding or crimping. At the junction of the electrical contacts of the heated ceramic disc 105 on the contact pins 116 can metallic solders as in the connection of the spring element at the edge of the ceramic disc 105 be used in special situations.

Auch hier ist die hohe Prozesstemperatur (über 1000–1200°C) der geeigneten Lote für den hohen Betriebstemperaturbereich der Verbindung schwierig zu vereinbaren mit der Temperaturbeständigkeit (max. 950°C) der LTCC-Keramik. Zudem sind stumpf auf Kontaktpads aufgelötete Metallpins mechanisch empfindlich, weshalb diese stirnseitig eine Verdickung ähnlich einem Nagelkopf aufweisen können, um die Anbindungsfläche zu erhöhen. Die gesamten Zugkräfte, welche prozessbedingt auftreten können (z. B. Handling bei Anbindung an das Kabel), wird dadurch auf eine größere Fläche konzentriert, um die kritische Grenzfläche Keramik-Metall zu entlasten.Here, too, the high process temperature (over 1000-1200 ° C) of the suitable solders for the high operating temperature range of the compound is difficult to reconcile with the temperature resistance (max 950 ° C) of the LTCC ceramic. In addition, blunt metal pins soldered onto contact pads are mechanically sensitive, which is why they may have a thickening similar to a nail head in order to increase the connection surface. The entire tensile forces which can occur due to the process (eg handling when connected to the cable) are thereby concentrated on a larger area in order to relieve the critical ceramic-metal interface.

Eine Fixierung der Metallpins 116 und die gleichzeitige Kontaktierung, der im Inneren der Trägerkeramik 105 liegenden Leiterbahnen 400 können durch die gleiche Edelmetallpaste, welche auch für die Kontaktierung des Sensorchips 104 entwickelt wurde, erreicht werden. Dafür können die Sacklochbohrungen 402 in die, von der dem Gas abgewandten Seite der Trägerkeramikscheibe 105 bis in die Ebenen der Leiterbahnen 400 eingebracht werden, in die diese Metallpins 116 mit der Paste eingeklebt werden und im gleichen Prozess der Chip- und Schutzkappen-Fixierung eingebrannt werden können. Als Material für die Metallpins 116 kann vergoldeter Hochtemperaturstahldraht verwendet werden. Der Einbrennprozess kann unter Luft oder, zum Ausschluss der Oxidation des Stahldrahtes, auch unter Schutzgasatmosphäre erfolgen. Die so in die Keramikscheibe 105 versenkten Metallpins 116 sind mechanisch sehr belastbar und für das weitere Handling unempfindlich. Die gesinterte Edelmetall-Glas-Paste ergibt die gewünschte elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen 400 und der vergoldeten Oberfläche der Stahlpins 116, sowie eine mechanisch stabile Anbindung an die Keramikflächen im Inneren der Sacklöcher 402.A fixation of the metal pins 116 and the simultaneous contacting, inside the carrier ceramic 105 lying tracks 400 can by the same precious metal paste, which also for contacting the sensor chip 104 was developed. For the blind holes 402 in the, from the gas side facing away from the carrier ceramic disc 105 down to the levels of the tracks 400 are introduced, in which these metal pins 116 glued with the paste and can be burned in the same process of the chip and cap fixation. As material for the metal pins 116 Can be used high temperature steel wire. The baking process can take place under air or, to exclude the oxidation of the steel wire, also under a protective gas atmosphere. The so in the ceramic disc 105 recessed metal pins 116 are mechanically very durable and insensitive to further handling. The sintered precious metal glass paste results in the desired electrical contacting of the conductor tracks 400 and the gilded surface of the steel pins 116 , as well as a mechanically stable connection to the ceramic surfaces inside the blind holes 402 ,

5 zeigt eine Darstellung eines Ausschnitts eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Sensor. Der Grundkörper 102 weist den Sensorraum 106 auf, zu dessen Haupterstreckungsrichtung der Sensorträger 105 quer, als Abschluss angeordnet ist. Im Unterschied zu 1 weist der Sensorträger eine Aussparung auf, in der das Halbleiter-Sensorelement 104 angeordnet ist. Die Aussparung ist in diesem Ausführungsbeispiel von einer porösen Keramikscheibe als Schutzeinrichtung 118 mit integriertem Heizer bedeckt. Der Heizer ist von der Rückseite des Sensorträgers 105 elektrisch kontaktiert. Der Grundkörper 102 weist einen um den Sensorraum 106 umlaufenden Vorsprung 500 auf, an dem der Sensorträger 105 mittels eines Befestigungselements 120 fluiddicht angedrückt wird. Das Befestigungselement 120 weist als metallisches Gegenstück einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) gegenüber dem Gehäusematerial auf. In Verbindung mit zwei metallischen Dichtringen 502 und dem Sensorträger 105 aus Keramik, der einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, ergänzen sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einem Gesamt-Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers entspricht. Die zwei metallischen Dichtringe 502 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Sensorträgers 105 angeordnet. Sie sind aus einem duktilen Material, beispielsweise einer Weichmetalllegierung. Die Dichtringe 502 sind dazu ausgebildet, Fertigungstoleranzen zwischen dem Sensorträger 105 und dem Grundkörper 102 über eine plastische Verformung auszugleichen. Das Befestigungselement 120 ist für eine kraftschlüssige Abdichtung mittels einer Laserschweißnaht 504 an dem Grundkörper 102 befestigt. 5 shows a representation of a section of a sensor 100 according to an embodiment of the present invention. The sensor 100 is essentially the same as in 1 shown sensor. The main body 102 indicates the sensor space 106 on, to its main extension direction of the sensor carrier 105 across, arranged as a conclusion. In contrast to 1 the sensor carrier has a recess in which the semiconductor sensor element 104 is arranged. The recess is in this embodiment of a porous ceramic disc as a protective device 118 covered with integrated heater. The heater is from the back of the sensor carrier 105 electrically contacted. The main body 102 has one around the sensor room 106 circumferential lead 500 on, on which the sensor carrier 105 by means of a fastening element 120 is pressed fluid-tight. The fastener 120 has as a metallic counterpart on a higher thermal expansion coefficient (CTE) over the housing material. In conjunction with two metallic sealing rings 502 and the sensor carrier 105 made of ceramic, which has a low coefficient of thermal expansion, the coefficients of thermal expansion complement one another to a total coefficient of thermal expansion, which corresponds to the thermal expansion coefficient of the base body. The two metallic sealing rings 502 are on opposite sides of the sensor carrier 105 arranged. They are made of a ductile material, for example a soft metal alloy. The sealing rings 502 are designed to manufacture tolerances between the sensor carrier 105 and the body 102 compensate for a plastic deformation. The fastener 120 is for a non-positive sealing by means of a laser weld 504 on the body 102 attached.

Die materialschlüssige Verbindung der LTCC-Keramikscheibe 105 mit dem in 1 beschriebenen Federelement ist unter besonderen Voraussetzungen günstig, da die infrage kommenden metallischen Lote für den von der LTCC-Keramik tolerierten Temperaturbereich (bis ca. 950°C) meistens silberhaltig sind. Da Silber (Ag) jedoch sehr leicht migriert, wenn erhöhte Temperaturen und Wasserdampf vorliegen, wie das im z. B. Motor-Abgas der Fall ist, und Silber zur Vergiftung des Gassensors führen kann, ist eine Verwendung dieser Lote beschränkt möglich. Silber freie Lote (z. B. auf Ni-Basis) haben deutlich höhere Prozesstemperaturen, die zu Veränderungen der Keramikscheibe 105 führen können, sofern diese aus LTCC besteht. Lote auf Basis von Zinn (Sn) weisen eine niedrigere Schmelztemperatur auf, als die spätere Betriebstemperatur des Sensors. Mit einem Speziallot, welches alle Anforderungen erfüllt, kann das Befestigungselement 120 an dem Sensorträger 105 angelötet werden.The material-locking connection of the LTCC ceramic disc 105 with the in 1 described spring element is under special Conditions favorable, since the eligible metallic solders for the tolerated by the LTCC ceramic temperature range (up to about 950 ° C) are usually silver. However, since silver (Ag) migrates very easily when elevated temperatures and water vapor are present, as in z. As engine exhaust gas is the case, and silver can lead to poisoning of the gas sensor, a use of these solders is limited possible. Silver-free solders (eg Ni-based) have significantly higher process temperatures leading to changes in the ceramic disk 105 if it consists of LTCC. Solders based on tin (Sn) have a lower melting temperature than the later operating temperature of the sensor. With a special lot that meets all requirements, the fastener 120 on the sensor carrier 105 be soldered.

Als alternatives Abdichtkonzept der Keramikscheibe 105 zum Metallgehäuse 102 kann eine kraftschlüssige Abdichtung der Keramikscheibe 105 mit Dichtringen 502 aus einem duktilen Metall, z. B. Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al), oder Stahlringen mit einer beidseitigen Beschichtung aus einem solchen duktilen Metall verwendet werden. Die kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch eine Verschraubung hergestellt werden, oder durch ein Verstemmen mit Fixierung unter Anpressdruck über eine Laserschweißnaht. Da die Anpresskraft der Dichtringe über den Einsatztemperaturbereich von –40°C bis max. 500°C erhalten bleiben soll, kann der Unterschied zwischen der niedrigen thermischen Dehnung der Keramikscheibe 105 und der deutlich höheren Dehnung des Metallgehäuses 102 durch das verschraubte bzw. verstemmte Gegenstück ausgeglichen werden. Durch die Wahl des Materials und die Dimension des Gegenstücks kann der Minderbetrag der thermischen Dehnung der Keramik gegenüber dem Metall des Gehäuses 102 ausgeglichen werden, d. h., das Gegenstück weist einen höheren Ausdehnungskoeffizienten, als das Gehäuse 102 auf.As an alternative sealing concept of the ceramic disc 105 to the metal housing 102 can be a frictional sealing of the ceramic disc 105 with sealing rings 502 made of a ductile metal, eg. As copper (Cu) or aluminum (Al), or steel rings are used with a double-sided coating of such a ductile metal. The frictional connection can be made for example by a screw, or by caulking with fixation under contact pressure via a laser weld. Since the contact pressure of the sealing rings over the operating temperature range of -40 ° C to max. 500 ° C, the difference between the low thermal expansion of the ceramic disc can be maintained 105 and the significantly higher elongation of the metal housing 102 be compensated by the screwed or caulked counterpart. By choosing the material and dimension of the counterpart, the amount of thermal expansion of the ceramic relative to the metal of the housing can be reduced 102 be balanced, ie, the counterpart has a higher expansion coefficient, as the housing 102 on.

Die Unterschiede der thermischen Dehnung von Keramikscheibe 105 und Metallgehäuse 102 in radialer Richtung werden durch Relativbewegungen an den Dichtflächen und die Duktilität der metallischen Dichtungen 502 ausgeglichen, ohne dass die Dichtwirkung davon beeinflusst wird, da in axialer Richtung der beschriebene Ansatz der abgestimmten Ausdehnungskoeffizienten den Anpressdruck nahezu konstant hält.The differences of thermal expansion of ceramic disc 105 and metal housing 102 in the radial direction are due to relative movements of the sealing surfaces and the ductility of the metallic seals 502 balanced, without the sealing effect is affected, since in the axial direction of the described approach of the adjusted expansion coefficient keeps the contact pressure almost constant.

Bei einem alternativen Schutzkonzept des Gassensors vor unerwünschten Gaskomponenten kann die poröse Schutzkappe 118 des Gassensors eine höhere Betriebstemperatur benötigen, um ihre katalytische Wirkung auf gasförmige Bestandteile entfalten zu können. Dabei können bestimmte Substanzen, wie z. B. Si aus Si-organischen Verbindungen erfolgreich absorbiert werden. Die ideale Betriebstemperatur des Sensorelements 104 liegt dagegen ungefähr um 50–100K niedriger. Um diesen Umstand berücksichtigen zu können, kann einerseits die poröse Schutzkappe 118 selbst beheizt werden, oder eine Zone in der Keramikträgerscheibe 105 außerhalb der Chip-Montagefläche kann beheizt werden, wodurch der Chip 104 indirekt auf einem niedrigeren Temperaturniveau mitbeheizt werden kann. Falls die Beheizung durch einen auf die poröse Keramik aufgebrachte Heizerstruktur, z. B. metallischer Mäander, erfolgt, ist die Form dieses porösen Bauteils als plane Scheibe vorteilhaft, da dies die Möglichkeiten der Druckverfahren bei der Herstellung des Sensorträgers 105 weniger einschränkt, als die dreidimensionale Schutzkappe 118, wie sie in 1 und 4 dargestellt ist. Um die planare Form der porösen Keramik zu ermöglichen, ist eine versenkte Montage des Chips 104 in einer Vertiefung der keramischen Trägerscheibe 105 möglich, die dann mit der porösen Scheibe abgedeckt und durch eine Glaslotverbindung fixiert werden kann. Die elektrischen Durchkontaktierungen aus der Trägerscheibe 105 werden in diesem Ausführungsbeispiel mit aufgetragenen Punkten aus einer Edelmetallpaste mit den elektrischen Kontakten des Heizers verbunden, der sich auf der porösen Keramikscheibe befindet, und zusammen mit der Chip-Anbindung und der Glaslotabdichtung im selben Prozess eingebrannt.In an alternative protection concept of the gas sensor against unwanted gas components, the porous protective cap 118 of the gas sensor require a higher operating temperature in order to develop their catalytic effect on gaseous components. In this case, certain substances, such as. For example, Si can be successfully absorbed from Si-organic compounds. The ideal operating temperature of the sensor element 104 is about 50-100K lower. To take this fact into account, on the one hand, the porous protective cap 118 itself heated, or a zone in the ceramic carrier disc 105 outside the chip mounting surface can be heated, causing the chip 104 can be mitbeheizt indirectly at a lower temperature level. If the heating by a heater applied to the porous ceramic heater structure, for. As metallic meander occurs, the shape of this porous member is advantageous as a flat disc, since this is the possibilities of the printing process in the manufacture of the sensor carrier 105 less restrictive than the three-dimensional protective cap 118 as they are in 1 and 4 is shown. To enable the planar shape of the porous ceramic is a recessed mounting of the chip 104 in a recess of the ceramic carrier disk 105 possible, which can then be covered with the porous disc and fixed by a glass solder connection. The electrical feedthroughs from the carrier disk 105 are in this embodiment connected with applied points of a noble metal paste with the electrical contacts of the heater, which is located on the porous ceramic disc, and burned together with the chip connection and the glass solder in the same process.

6 zeigt eine Darstellung eines Heizelements 600 als Teil eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Heizelement 600 ist an einer Verbindungsstelle eines Sensorträgers und einer Schutzeinrichtung angeordnet, wie sie in den 1, 4 und 5 dargestellt sind. Das Heizelement 600 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine linienartige Form auf, die einer rechteckigen Außenkontur 602 einer nicht dargestellten Schutzeinrichtung folgt. Die Außenkontur 602 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Aufstandsfläche einer Schutzkappe für den Sensorchip. Eine Außenkontur 604 eines Sensorchips ist ebenfalls rechteckig und innerhalb des Heizelements 600 abgebildet. Das Heizelement 600 ist als Heizerwiderstandsschicht mit einem hohen spezifischen Widerstand ausgebildet. Das Heizelement 600 ist entlang seiner Erstreckung von zwei Leiterbahnen 606 mit einem niedrigen spezifischen Widerstand flankiert. Die Leiterbahnen 606 sind dazu ausgebildet, das Heizelement 600 elektrisch zu kontaktieren. Je ein Ende der Leiterbahnen 606 ist von dem Heizelement 600 weggeführt und mit Pin-Kontakt-Bohrungen 608 durch den Sensorträger verbunden. Wenn an die Pins 608 eine elektrische Spannung angelegt wird, fällt die Spannung am Heizelement 600 ab und das Heizelement 600 erwärmt die Schutzeinrichtung vom Rand her. 6 shows a representation of a heating element 600 as part of a sensor according to an embodiment of the present invention. The heating element 600 is arranged at a junction of a sensor carrier and a protective device, as in the 1 . 4 and 5 are shown. The heating element 600 has in this embodiment, a line-like shape, which has a rectangular outer contour 602 a protective device, not shown follows. The outer contour 602 is in this embodiment, a footprint of a protective cap for the sensor chip. An outer contour 604 a sensor chip is also rectangular and inside the heating element 600 displayed. The heating element 600 is formed as a heater resistor layer with a high resistivity. The heating element 600 is along its extension of two tracks 606 flanked by a low resistivity. The tracks 606 are designed to be the heating element 600 to contact electrically. One end of the tracks 606 is from the heating element 600 led away and with pin-contact holes 608 connected by the sensor carrier. When to the pins 608 an electrical voltage is applied, the voltage drops at the heating element 600 off and the heating element 600 heats the guard from the edge.

Die Möglichkeit durch die Heizeranordnung in der Keramikträgerscheibe die Schutzkappenform beizubehalten und die gewünschte höhere Betriebstemperatur der Kappe zu erhalten hat den Vorteil, dass die elektrische Anbindung des Heizers einfacher zu realisieren ist und keine Heizerstruktur die Gaspermeabilität der porösen Keramik beeinträchtigt. Hier sind diverse ring- oder streifenförmige Heizflächen in der Keramikscheibe auf den Flächen außerhalb des Chip-Montagebereichs denkbar, womit primär der Rand der Schutzkappe erhitzt werden könnte. Die geringe Wärmeleitfähigkeit der vorgesehenen LTCC-Trägerkeramik und die hohe Wärmeleitfähigkeit der porösen SiC-Keramik der Schutzkappe ermöglichen eine um 50–100K höhere Kappentemperatur / Temperatur der Schutzeinrichtung gegenüber der Chiptemperatur. Beide vorgestellten Konzepte sind zielführend. Der in der Trägerkeramik integrierte Heizer ist dabei die kostengünstigere und robustere Lösung, da hier die Einbringung einer Vertiefung in den Träger nicht benötigt wird.The ability to maintain the cap shape through the heater assembly in the ceramic carrier disc and the desired higher Operating temperature of the cap has the advantage that the electrical connection of the heater is easier to implement and no heater structure affects the gas permeability of the porous ceramic. Here are various annular or strip-shaped heating surfaces in the ceramic disc on the surfaces outside the chip mounting area conceivable, which primarily the edge of the cap could be heated. The low thermal conductivity of the intended LTCC carrier ceramic and the high thermal conductivity of the porous SiC ceramic of the protective cap allow a 50-100K higher cap temperature / temperature of the protective device compared to the chip temperature. Both presented concepts are effective. The integrated heater in the ceramic heater is the cheaper and more robust solution, since the introduction of a recess in the carrier is not needed.

7 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Peripherie. Die Darstellung in 7 entspricht einer Gesamtansicht des Sensors 100 aus 5. Zusätzlich zu 5 ist hier eine Schnittstelle 700 zu einem Kabel 702 dargestellt. An der Schnittstelle 700 gehen die Stahlpins 116, beispielsweise aus vergoldetem Hochtemperaturstahl, über eine Löt-, Schweiß- oder Quetschverbindung auf das Kabel 702 über. Der Grundkörper 102 ist in ein Volumen 704, in dem ein Abgasstrom fließt, eingeschraubt dargestellt. Von dem Sensorraum in den Abgasstrom hineinragend, ist eine Leiteinrichtung 706 dargestellt, die dazu ausgebildet ist, frisches Abgas, wie durch die Pfeile gekennzeichnet, aus dem Abgasstrom in den Sensorraum einzuleiten und analysiertes Abgas aus dem Sensorraum abzuleiten. Die Leiteinrichtung 706 weist einen Zulaufkanal und einen Ablaufkanal mit konzentrischen Querschnitten auf. Der Zulaufkanal umschließt dabei den Ablaufkanal. Der Zulaufkanal kann einen ringförmigen Querschnitt aufweisen. Der Ablaufkanal kann einen runden Querschnitt aufweisen. Eine Außenwand des Zulaufkanals kann eine erheblich größere Fläche als eine Außenwand des Ablaufkanals aufweisen. Eine Länge des Zulaufkanals und eine Länge des Ablaufkanals können beispielsweise mindestens einem Dreifachen oder Vierfachen eines Querschnitts des Sensorraums entsprechen. Durch den Zulaufkanal wird das frische Abgas in den Sensorraum geführt, wo es an der Temperierfläche des Sensorraums entlanggeführt wird, um abzukühlen, bis es die Betriebstemperatur des Sensors 100 erreicht hat. Das abgekühlte Abgas wird am Boden des Sensorraums von der umlaufenden Außenwand des Sensorraums her seitlich über das Sensorelement 104 geleitet und nach der Analyse durch die zentral über dem Sensorelement 104 angeordnete Öffnung des Ablaufkanals wieder in das Volumen 704 zurückgesaugt. Die Leiteinrichtung 706 kann dazu ausgebildet sein, Abgas von außerhalb der Grenzschicht in den Sensorraum einzuleiten. Der Gasstrom innerhalb der Leiteinrichtung 706 kann durch die Bewegung des Gasstroms innerhalb des Volumens 704 angetrieben werden. 7 shows a representation of a sensor 100 according to an embodiment of the present invention with peripherals. The representation in 7 corresponds to an overall view of the sensor 100 out 5 , In addition to 5 here is an interface 700 to a cable 702 shown. At the interface 700 go the steel pins 116 For example, from gold-plated high temperature steel, via a solder, weld or crimp on the cable 702 above. The main body 102 is in a volume 704 , in which an exhaust gas flow flows, shown screwed. Protruding from the sensor space into the exhaust gas stream is a guiding device 706 illustrated, which is adapted to introduce fresh exhaust gas, as indicated by the arrows, from the exhaust gas flow into the sensor space and to divert analyzed exhaust gas from the sensor space. The guide 706 has an inlet channel and an outlet channel with concentric cross sections. The inlet channel encloses the drainage channel. The inlet channel may have an annular cross-section. The drainage channel may have a round cross section. An outer wall of the inlet channel may have a considerably larger area than an outer wall of the outlet channel. A length of the inlet channel and a length of the outlet channel may correspond, for example, to at least three times or four times a cross section of the sensor space. Through the inlet channel, the fresh exhaust gas is guided into the sensor space, where it is guided along the temperature control surface of the sensor space to cool down until it reaches the operating temperature of the sensor 100 has reached. The cooled exhaust gas is at the bottom of the sensor space from the peripheral outer wall of the sensor space forth laterally over the sensor element 104 passed and after analysis through the centrally above the sensor element 104 arranged opening of the drainage channel back into the volume 704 sucked back. The guide 706 may be configured to introduce exhaust gas from outside the boundary layer into the sensor space. The gas flow within the guide 706 can be due to the movement of gas flow within the volume 704 are driven.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005062774 A1 [0002]

Claims

Sensor ( 100 ) for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed, wherein the sensor ( 100 ) has the following features: a base body ( 102 ) with an internal sensor space ( 106 ) and an inlet opening for the fluid in the sensor space ( 106 ); and a sensor element ( 104 ) for analyzing the fluid that is in the sensor space ( 106 ) is acted upon by the fluid to determine the concentration of the component.

Sensor ( 100 ) according to claim 1, wherein the basic body ( 102 ) between the inlet opening and the sensor element ( 104 ) a tempering surface for cooling the fluid in the sensor space ( 106 ) having.

Sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, with a protective device ( 118 ), which the sensor element ( 104 ) and is adapted to at least reduce a concentration of at least one further solid, liquid or gaseous constituent of the fluid.

Sensor ( 100 ) according to claim 3, wherein the protective device ( 118 ) has a heating element.

Sensor ( 100 ) according to one of the preceding claims, with a sensor carrier ( 105 ) located in the sensor room ( 106 ) is arranged and electrical conductor tracks for contacting the sensor element ( 104 ), wherein the sensor element ( 104 ) on a side of the sensor carrier facing the inflow opening ( 105 ) is arranged.

Sensor ( 100 ) according to claim 5, wherein the sensor carrier ( 105 ) a heating element for the sensor element ( 104 ) having.

Sensor ( 100 ) according to one of claims 5 to 6, with a fastening element ( 120 ) which is adapted to the sensor carrier ( 105 ) and the basic body ( 102 ) gastight to connect and / or the sensor carrier ( 105 ) on the base body ( 102 ), the sensor space ( 106 ) a circumferential projection ( 112 ) and the fastening element ( 120 ) is adapted to the sensor carrier ( 105 ) to the projection ( 112 ).

Sensor ( 100 ) according to claim 7, wherein the fastening element ( 120 ) as a spring element ( 120 ) is trained.

Gas sensor ( 100 ) according to one of claims 5 to 8, with a device for processing a signal of the sensor element ( 104 ).

Procedure ( 200 ) for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed, the method comprising the steps of: providing ( 202 ) of a sensor space ( 106 ) with an inlet opening for the fluid in the sensor space ( 106 ); Initiate ( 204 ) of the fluid into the sensor space ( 106 ); and Analyze ( 206 ) of the fluid by means of a sensor element ( 104 ) located in the sensor room ( 106 ) is acted upon by the fluid to determine the concentration of the component.

Procedure ( 300 ) for producing a sensor ( 100 ) for determining a concentration of a component of a fluid to be analyzed, the method comprising the steps of: providing ( 302 ) of a basic body ( 102 ), one of an inlet opening axially through the body ( 102 ) running through opening with a circumferential projection ( 112 ), wherein between the inlet opening and the circumferential projection ( 112 ) a sensor space ( 106 ) is formed; Provide ( 304 ) of a sensor carrier ( 105 ), which is a sensor element ( 104 ) and a fastener ( 120 ); Introduce ( 306 ) of the sensor carrier ( 105 ) and the fastener ( 120 ) into the through hole until the sensor carrier ( 105 ) on the projection ( 112 ) is applied, wherein the sensor element ( 104 ) is aligned with the inflow opening, and the fastener ( 120 ) on a side of the sensor carrier opposite the inflow opening ( 105 ) is arranged; and connect ( 308 ) of the fastener ( 120 ) with the basic body ( 102 ).