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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Erfassung der Konzentration von einer Substanz in einem Gasstrom, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Auspuff eines Verbrennungsmotors, mit einem länglichen Trägerelement, in dessen einem Endbereich ein Messbereich und in dessen anderem Endbereich ein Kontaktierungsbereich angeordnet sind, einem das Trägerelement aufnehmendem Schutzrohr und einem eine Dichtung zwischen Messbereich und Kontaktierungsbereich bildenden, in das Schutzrohr eingepressten Füllstoff.
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Derartige Sensoren, insbesondere solche im Auspuff von Verbrennungsmotoren, sind in der Regel hohen Temperaturen und einer hohen Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Sensoren müssen so ausgebildet sein, dass ihr Messbereich mit den entsprechenden Gasen (Abgasen) in Kontakt stehen muss, um die Konzentrationserfassung bzw. -messung durchführen zu können. Andererseits dürfen diese heißen und feuchten Gase nicht in den Kontaktierungsbereich des Trägerelementes gelangen, da sie dort aufgrund der niedrigeren Temperaturen, insbesondere nach dem Ausschalten des Verbrennungsmotors, auskondensieren und dort Kurzschlüsse provozieren, die in jedem Falle zu vermeiden sind.
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Bei derartigen Sensoren ist das längliche Trägerelement beispielsweise als Keramikstäbchen ausgebildet, das in einem Endbereich den eigentlichen Sensorbereich bzw. -messbereich aufweist, der beispielsweise als Interdigitalelektrode ausgebildet ist, und in dem anderen gegenüberliegenden Endbereich den entsprechenden Kontaktierungsbereich besitzt. Beide Bereiche sind über entsprechende Leiter miteinander verbunden. Bei solchen Sensoren handelt es sich beispielsweise um Lambdasonden oder Rußsensoren.
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Um zu verhindern, dass bei derartigen Sensoren die feuchten, heißen Gase aus dem Messbereich an den Kontaktierungsbereich gelangen, hat man im Bereich zwischen Messbereich und Kontaktierungsbereich innerhalb des Schutzrohres eine geeignete Dichtung angeordnet. Beispielsweise wurde hierfür ein gepresstes Keramikpulver, beispielsweise MgO, verwendet, um eine Abdichtung zu erzielen und das Trägerelement in Position zu halten. Um hierbei eine gewisse Elastizität des gepressten Pulvers zu erhalten, musste eine gewisse Länge eingehalten werden, was die Sensoren verteuert hat, da diese beispielsweise mit Platin beschichtet sind. Darüber hinaus nimmt ein solches Keramikpulver Wasser kapillar auf und lässt Gase hindurch diffundieren, so dass die Abdichtung nicht optimal ist. Ferner lässt sich diese Methode bei kurzen Sensoren und niedrigen Sensorströmen nicht mehr anwenden. Das bekannte, zur Abdichtung verwendete Stopfbuchsen-Prinzip mit eingepresstem Keramikpulver hat daher eine Reihe von Nachteilen.
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Ferner sind derartige Sensoren bekannt, bei denen die Dichtung zwischen Messbereich und Kontaktierungsbereich aus einem in das Schutzrohr eingepressten Glasfüllstoff besteht. Ein derartiger Glasfüllstoff bildet eine Glaseinschmelzung, wie in der
DE 10 2007 037 549 A1 beschrieben. Eine weitere Dichtung, die in der
WO 98/38504 A1 beschrieben ist, besteht aus einer pulverförmigen Dichtpackung und einer darüberliegenden Glaseinschmelzung.
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In der
DE 198 52 674 A1 ist ein Dichtelement beschrieben, das ein Gemisch aus Steatit und mindestens einem niedrigschmelzenden Glas enthält. Zur Herstellung der Dichtung wird ein vorgefertigter Dichtring aus einem Gemisch aus Steatit-Pulver und Glaspulver eingesetzt, der in der Längsbohrung verpresst wird, wobei der Dichtring einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, bei der das Glas aufgeschmolzen wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Sensor mit einer besonders guten und dauerhaften Abdichtung zwischen Kontaktierungsbereich und Sensorbereich hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art durch das kennzeichnende Merkmal von Patentanspruch 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet weiterhin das bekannte Stopfbuchsen-Prinzip Anwendung, wobei jedoch anstelle eines Pulvers Hohlglaskugeln eingepresst werden. Da kalte Hohlglaskugeln zu keiner ausreichenden Dichtung führen, werden die Hohlglaskugeln bei einer Temperatur über ihrem Erweichungspunkt zusammengepresst. Dadurch verformen sie sich und schließen die Lücken zwischen sich selbst, dem Trägerelement und dem umgebenden Schutzrohr. Die Hohlglaskugeln werden zumindest teilweise aufgeschmolzen und an das Trägerelement und das Schutzrohr angeschmolzen, wobei die Hohlglaskugeln mit sich selbst, dem Trägerelement und dem Schutzrohr eine klebende Verbindung eingehen. Es entsteht letztendlich ein Glasblock, der an das Trägerelement und an das Schutzrohr angeschmolzen ist, so dass eine gute Abdichtung erreicht wird.
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Da der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Glasblock aufgrund seines Ausgangsmateriales, nämlich der verwendeten Hohlglaskugeln, im Endstadium nach dem Erstarren noch eine relativ hohe Porosität und damit Elastizität aufweist, ist die Gefahr relativ gering, dass im Betrieb des Sensors durch Temperatur- und/oder mechanische Beanspruchung Risse erzeugt werden. Die hergestellte Dichtung bleibt daher auch bei hohen Temperaturen gasdicht. Dies steht im Gegensatz zu einem eingeschmolzenen monolithischen Glasblock, bei dem die im Betrieb auftretenden Temperaturdehnungen zu Rissen führen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden insbesondere folgende einzelnen Schritte durchgeführt:
Als erstes werden die Hohlglaskugeln in das mit dem Trägerelement versehene Schutzrohr eingefüllt, so dass sie in den Bereich zwischen Messbereich und Kontaktierungsbereich gelangen. Es folgt dann ein Erwärmen des vorbereiteten Sensors auf oder über dem Erweichungspunkt des Materiales der Hohlglaskugeln, wobei die Hohlglaskugeln nach dem Erwärmen oder gleichzeitig mit dem Erwärmen zusammengepresst werden, so dass eine Verformung der Glaskugeln auftritt, die zu einem Anschmelzen der Glaskugeln untereinander und an das Trägerelement und das Schutzrohr führt. Letztendlich entsteht ein noch poröser und elastischer Glasblock, der einerseits eine hohe Gasdichtigkeit aufweist, andererseits jedoch noch elastisch genug ist, um bei entsprechenden Temperaturbeanspruchungen oder mechanischen Beanspruchungen während des Betriebes nicht zu reißen.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Innenflächen des Schutzrohres und/oder die Oberfläche des Trägerelementes zur Verbesserung des Anschmelzvermögens bzw. Klebevermögens der Glaskugeln vorbehandelt. Als weitere Maßnahme zur Verbesserung des Verfahrens kann die Erwärmung und/oder das Zusammenpressen der Glaskugeln unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden.
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Der erfindungsgemäß aus den Hohlglaskugeln hergestellte Glasblock muss während des Betriebes des Sensors nicht unter Druck gesetzt werden. Man benötigt daher beispielsweise keine vorgespannten Keramikscheiben im Betrieb. Auch ohne derartige Druck ausübende Elemente bleibt der Glasblock auch bei hohen Temperaturen gasdicht.
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Vorzugsweise werden für das erfindungsgemäße Verfahren Hohlglaskugeln aus einem alkaliarmen Borsilikatglas verwendet. Ein derartiges Glasmaterial besitzt einen Erweichungspunkt von 600°C. Es sind aber auch andere Gläser möglich, insbesondere solche mit höheren Schmelzpunkten (z. B. kristalline Gläser).
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Zur Begrenzung der Dichtung aus dem Glasblock können Scheiben (vorzugsweise aus Keramik) im Schutzrohr fixiert werden (z. B. Anschlag, Vercrimpung).
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Sensor zur Erfassung der Konzentration einer Substanz in einem Gasstrom, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Auspuff eines Verbrennungsmotors, mit einem länglichen Trägerelement, in dessen einem Endbereich ein Messbereich und in dessen anderem Endbereich ein Kontaktierungsbereich angeordnet sind, einem das Trägerelement aufnehmenden Schutzrohr und einem eine Dichtung zwischen Messbereich und Kontaktierungsbereich bildenden in das Schutzrohr eingepressten Füllstoff, der einen Glasblock umfasst.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Sensor weist das kennzeichnende Merkmal von Patentanspruch 7 auf.
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Dieser aus den Hohlglaskugeln hergestellte Glasblock besitzt eine gewisse Elastizität, so dass während des Betriebes (bei erhöhten Temperaturen) durch Temperatur- und/oder mechanische Beanspruchungen keine Risse entstehen. Andererseits weist der Glasblock eine ausreichende Gasdichtigkeit auf, so dass das feuchte und heiße Gas, mit dem der Messbereich in Kontakt steht, nicht zum Kontaktierungsbereich gelangen kann.
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Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die Hohlglaskugeln aus einem alkaliarmen Borsilikatglas bestehen. Der erfindungsgemäß hergestellte Glasblock benötigt im Betrieb des Sensors keine Elemente, die einen entsprechenden Druck auf den Glasblock ausüben, insbesondere keine vorgespannten Keramikscheiben. Zur Begrenzung können jedoch generell solche Scheiben Verwendung finden.
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Bei einer speziellen Ausführungsform besitzt der Sensor eine Kombination aus einer konventionellen Presspackung zur Fixierung und einer Dichtung aus einem Glasblock aus Hohlglaskugeln.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf ein Trägerelement für einen Sensor;
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors mit Schutzrohr und Trägerelement; und
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3 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Sensors.
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Das hier beschriebene und gezeigte Ausführungsbeispiel eines Sensors findet als Lambdasonde im Auspuff von Verbrennungsmotoren Verwendung. Der Sensor besitzt ein Trägerelement 1, das als Keramikstäbchen ausgebildet ist und einen Messbereich 2 sowie einen Kontaktierungsbereich 3 aufweist. Leiter 4 verbinden den Messbereich, der hier eine Interdigitalelektrode 8 aufweist, mit dem Kontaktierungsbereich 3, über den der Sensor an eine Steuereinheit zur Auswertung der von ihm gelieferten elektrischen Signale angeschlossen ist.
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Mit dem Messbereich 2 steht der Sensor mit dem Abgas des Verbrennungsmotors in Kontakt, von dem er die Sauerstoffkonzentration erfassen soll. Das Trägerelement 1, das den Messbereich 2 sowie den Kontaktierungsbereich 3 aufweist, ist dabei von einem Schutzrohr 5 (in 2 nur teilweise gezeigt) umgeben, das in der Zone des Messbereiches 2 mit Löchern 9 versehen ist, durch die das Abgas dringen und mit dem Messbereich in Kontakt treten kann. Um zu verhindern, dass das Abgas mit dem Kontaktierungsbereich 3 in Kontakt tritt und dort das Auftreten von Kurzschlüssen bewirken kann, ist zwischen dem Messbereich 2 und dem Kontaktierungsbereich 3 eine Dichtung 6 in der Form einer Stopfbuchse angeordnet. Diese Dichtung 6 wird von einem Glasblock aus einem alkaliarmen Borsilikatglas gebildet, der aus einzelnen zusammengepressten und miteinander verschmolzenen, dünnwandigen Hohlglaskugeln besteht, die ebenfalls an das Trägerelement 1 sowie an die Innenseite des Schutzrohres 5 angeschmolzen sind. Zur Herstellung dieses Glasblockes werden die einzelnen Hohlglaskugeln in das Schutzrohr 5, in denen das Trägerelement 2 fixiert ist, eingefüllt und bei einer Temperatur über dem Erweichungspunkt des Glasmateriales zusammengepresst. Bei der hier gezeigten Ausführungsform wird die als Glasblock ausgebildete Dichtung 6 von 2 Keramikscheiben 7 begrenzt. Diese Keramikscheiben 7 müssen im Betrieb des Sensors keinen Druck auf die Dichtung 6 ausüben, damit diese gasdicht bleibt. Sie sind vorteilhafterweise noch über einen Umformprozess des Schutzrohres fixiert.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensors, der eine Kombination aus einer konventionellen Presspackung (Mg-Pulver) 9 und einer Dichtung 6 aus einem Glasblock aus Hohlglaskugeln aufweist, die durch Keramikscheiben 7 voneinander getrennt und begrenzt sind.
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Die für die Dichtung verwendeten Hohlglaskugeln besitzen bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen eine isostatische Druckfestigkeit von 2000 bar (200 MPa), eine Nenndichte von 0,60 g/cm3, eine Packungsdichte (Dichte im Verhältnis zur Teilchendichte) von 63%, einen Erweichungspunkt von 600°C und einen Durchmesser von 17 μm.
