DE102012209388A1

DE102012209388A1 - Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102012209388A1
Application number: DE201210209388
Authority: DE
Inventors: Hans-Joerg Renz; Marius Heinkele; Moritz Waldorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-12-05

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (12), insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines ersten Elektrolyten (52); Bereitstellen einer Transferfolie (60), wobei die Hohlraumbildnerschicht (56) eine vorgegebene Form aufweist; Anordnen der Transferfolie (60) mit der Hohlraumbildnerschicht (56) auf dem ersten Elektrolyten (52); Entfernen der Transferfolie (60); Anordnen eines zweiten Elektrolyten (64) auf der Hohlraumbildnerschicht (56) derart, dass ein Formling (66) gebildet wird, bei dem sich die Hohlraumbildnerschicht (56) zwischen dem ersten Elektrolyten (52) und dem zweiten Elektrolyten (64) befindet; und chemisches und/oder thermisches Behandeln des Formlings (66) derart, dass zwischen dem ersten Elektrolyten (52) und dem zweiten Elektrolyten (64) aus der Hohlraumbildnerschicht (56) ein Hohlraum (24) gebildet wird.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Gas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als sogenannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf ionenleitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Herkömmliche Sensorelemente weisen einen Schichtaufbau mit Elektroden, einem Festelektrolyten und einem Heizelement auf. Der Festelektrolyt verbindet die Elektroden. Eine der Elektroden ist durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus von dem Messgasraum getrennt ausgebildet und befindet sich in einem Hohlraum. Die Elektrode in dem Hohlraum kann über mindestens einen Gaszutrittsweg in dem Messgasraum verbunden sein. Der Gaszutrittsweg kann beispielsweise ein Gaszutrittsloch aufweisen, das sich entlang einer Achse in die Festelektrolytschicht hinein erstreckt und als Sackloch ausgeführt ist. Alternativ kann sich die Elektrode in einem als Referenzluftkanal ausgebildeten Hohlraum befinden, der nicht mit dem Messraum verbunden ist, sondern mit einem Gas bekannter Zusammensetzung in Verbindung steht.
Die DE 198 05 023 A1 , DE 198 57 471 A1 und DE 10 2009 001 051 A1 offenbaren jeweils Sensorelemente mit einem Schichtaufbau, der von einem Gaszutrittsloch durchdrungen wird.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente für Lambdasonden beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So werden bei den oben genannten Sensorelementen die Hohlräume durch Aufbringen ein er Hohlraumbildnerschicht mittels eines Siebdruckverfahrens und anschließendes Sintern, bei dem die Hohlraumbildnerschicht verbrennt, hergestellt. Verfahrensbedingt ist dabei auch mit Ungenauigkeiten bei den Abmessungen der Hohlräume zu rechnen. Während die Schichtdicke auf planen zu bedruckenden Gegenständen noch relativ genau eingehalten werden kann, wird sie bei bereits beschichteten zu bedruckenden Gegenständen von den anderen Schichten beeinflusst. Insbesondere im Randbereich dieser Gestaltung kommt es zu Abbildungsfehlern, wie z. B. durch Verlaufen der Pasten für das Siebdruckverfahren oder durch Verschmieren in der Druckrichtung. Insbesondere bei der Herstellung von Hohlräumen und Diffusionsbarrieren können diese Schwankungen bei der Herstellung der Form bzw. Schichtdicke des Hohlraums eine Grundstreuung von ca. 20% im Messsignal zur Folge haben. Aus diesem Grund müssen die herkömmlichen Sensorelemente durch einen Laserschnitt im Stecker kalibriert werden. Die Kalibrierung trägt zu einem wesentlichen Anteil der Kosten für die Herstellung einer Lambdasonde bei.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum sowie ein nach diesem Verfahren herstellbares Sensorelement vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden und bei denen sich insbesondere Hohlräume mit geringer Volumenströmung erzeugen lassen, so dass ein dynamisches Verfahren zur Kalibrierung des Messsignals und der teure Abgleich im Stecker entfallen können.
Das Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst die Schritte:

– Bereitstellen eines ersten Elektrolyten,
– Bereitstellen einer Transferfolie mit einer Hohlraumbildnerschicht, wobei die Hohlraumbildnerschicht eine vorgegebene Form aufweist,
– Anordnen der Transferfolie mit der Hohlraumbildnerschicht auf dem ersten Elektrolyten,
– Entfernen der Transferfolie,
– Anordnen eines zweiten Elektrolyten auf der Hohlraumbildnerschicht derart, dass ein Formling gebildet wird, bei dem sich die Hohlraumbildnerschicht zwischen dem ersten Elektrolyten und dem zweiten Elektrolyten befindet, und
– chemisches und/oder thermisches Behandeln des Formlings derart, dass zwischen dem ersten Elektrolyten und dem zweiten Elektrolyten aus der Hohlraumbildnerschicht ein Hohlraum gebildet wird.

Diese Schritte können vorzugsweise in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden. Auch eine andere Reihenfolge ist jedoch grundsätzlich möglich. Weiterhin kann das Verfahren auch zusätzliche, nicht genannte Schritte umfassen. Zudem können einzelne oder mehrere der Schritte auch zeitlich parallel, zeitlich überlappend oder einzeln oder zu mehreren wiederholt durchgeführt werden.
Die Hohlraumbildnerschicht kann eine gleichmäßige Dicke aufweisen, d.h. eine Dicke, die um maximal 5 % von einer Solldicke abweicht. Beispielsweise gibt es Lambdasonden, bei denen die Hohlraumbildnerschicht laut internen und/oder externen Vorgaben mit einer Dicke von 17 ± 5 µm hergestellt werden soll. Das heißt, beim Aufbringen darf die Dicke der Hohlraumbildnerschicht um maximal 5 µm von einer Solldicke von 17 µm abweichen. Es gibt auch andere Lambdasonden, bei denen die Hohlraumbildnerschicht laut internen und/oder externen Vorgaben mit einer Dicke von 22,5 ± 5 µm, 20 ± 5 µm oder 30 ± 3 µm hergestellt werden soll. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lässt sich eine Dicke für die Hohlraumbildnerschicht vorsehen, die um maximal 5 % von einer Solldicke abweicht. Mit anderen Worten weicht die Dicke der Hohlraumbildnerschicht bei den genannten Beispielen für Lambdasonden um weniger als 1 µm und sogar weniger als 0,7 µm von der Solldicke ab.
Die Hohlraumbildnerschicht kann auf eine Trägerfolie aufgebracht werden, wobei durch Schneiden der Hohlraumbildnerschicht auf der Trägerfolie die vorgegebene Form der Hohlraumbildnerschicht gebildet wird, und wobei nach dem Schneiden die Transferfolie auf der Hohlraumbildnerschicht angeordnet wird. Das Schneiden kann ein mechanisches Schneiden oder ein Schneiden mittels Laser sein. Die Trägerfolie kann entfernt werden. Die Trägerfolie kann durch das chemische und/oder thermische Behandeln des Formlings entfernt werden. Auf dem ersten Elektrolyten kann mindestens ein Funktionselement angeordnet werden und die Hohlraumbildnerschicht kann derart auf dem ersten Elektrolyten angeordnet werden, dass die Hohlraumbildnerschicht das Funktionselement bedeckt. Nach dem Entfernen der Transferfolie kann ein weiteres Funktionselement auf die Hohlraumbildnerschicht aufgebracht werden. Das weitere Funktionselement kann durch ein Siebdruckverfahren auf die Hohlraumbildnerschicht aufgebracht werden. Die Funktionselemente können Elektroden sein. Der erste Elektrolyt und der zweite Elektrolyt können die Hohlraumbildnerschicht vollständig umschließen. Die vorgegebene Form kann ein Kreisring sein.
Ein nach diesem Verfahren hergestelltes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Messgas, oder einer Temperatur des Messgases kann einen ersten Elektrolyten und einen zweiten Elektrolyten umfassen, die zwischen sich einen Hohlraum bilden, wobei zumindest auf dem ersten Elektrolyten im Bereich des Hohlraums ein Funktionselement angeordnet ist.
Unter einem Elektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln, also einen keramischen Festkörper mit elektrolytischen Eigenschaften. Der Ausdruck „Elektrolyt“ umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als sogenannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Elektrolyt als Elektrolytschicht oder aus mehreren Elektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist im Rahmen der Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung an einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einem Schichtaufbau kann daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element verstanden werden, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus bedingt unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein.
Unter einer Transferfolie ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Folie zu verstehen, die zu Transport- bzw. Transferzwecken dient.
Unter einer Hohlraumbildnerschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht aus zumindest einem Material zu verstehen, das sich durch chemische, wie beispielsweise Hydrolyse, Lösungsmittelextraktion und/oder thermische Prozesse, wie beispielsweise Freibrand, Entbinderung, Sinterung, vorzugsweise rückstandsfrei, entfernen lässt und so einen Hohlraum hinterlässt.
Unter einem Funktionselement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Elektrode, Leiterbahn, Diffusionsbarriere, Diffusionsspalt, Heizelement, Nernstzelle und Sauerstoff-Pumpzelle. Insbesondere sind darunter diejenigen Elemente zu verstehen, die die wesentlichen chemischen und/oder physikalischen und/oder elektrischen und/oder elektrochemischen Funktionen einer Lambdasonde erfüllen.
Unter einer Trägerfolie ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Folie zu verstehen, die zum Tragen, nicht aber zum Transport der Hohlraumbildnerschicht dient, d. h. dass auf dieser Folie die Hohlraumbildnerschicht aufgebracht werden kann, ohne dass die Hohlraumbildnerschicht zusammen mit der Trägerfolie bewegt bzw. transportiert wird.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Elektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf den Elektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Elektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das Layout des Hohlraums, d. h. die vorgegebene Form des Hohlraums, mit einer höheren Genauigkeit hergestellt werden. Insbesondere wird eine geringe Volumenstreuung erreicht, da die Dicke der Hohlraumbildnerschicht während der Herstellung des Sensorelements um maximal 5 % von ihrer vorgegebenen Dicke abweicht. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Hohlraumbildnerschicht während der Herstellung eine gleichmäßige Dicke beibehält, d.h. sich ihre Form nur unwesentlich verändert, so dass auch der beim Sintern aus der Hohlraumbildnerschicht gebildete Hohlraum eine exakte Form erhält.
Im Wesentlichen kann die Form des herzustellenden Hohlraums aus einer Trägerfolie, die beispielsweise eine Klebefolie zum Verhindern eines Verrutschens der Hohlraumbildnerschicht ist, mit der darauf gedruckten Hohlraumbildnerschicht sehr genauer Schichtdicke mechanisch oder per Laser herausgeschnitten werden. Diese Klebefolie kann entweder aus der bislang verwendeten und bekannten Hohlraumpaste oder aus einem geeigneten anderen Material mit geringem Veraschungsrückstand hergestellt sein, das im einfachsten Fall Papier ist. Hier sind auch komplexe freitragende Formen möglich. Im Fall des Hohlraums kann dies beispielsweise ein Kreisring sein. Die nicht benötigten Flächenelemente werden mechanisch entfernt oder, im Fall des Laserschnitts, auch verdampft. Für die Übertragung auf den keramischen Bedruckstoff, d.h. einen Elektrolyten, wird auf die strukturierte Klebefolie eine zusätzliche Transferfolie aufgezogen. Durch diese Transferfolie ist eine genaue Positionierung der herausgeschnittenen Form der Hohlraumbildnerschicht weiter gewährleistet. Die bisherige Trägerfolie kann nach dem Aufbringen der Transferfolie abgezogen werden. Im Falle einer Klebefolie liegt dadurch die Klebeschicht frei. Mithilfe eines Registersystems kann die herausgeschnittene Form der Hohlraumbildnerschicht jetzt auf den Elektrolyt übertragen bzw. aufgeklebt werden. Es ist aber auch denkbar, eine klebende Schicht auf den Elektrolyten aufzubringen zu verwenden und die herausgeschnittene Form der Hohlraumbildnerschicht so auf den Elektrolyten aufzukleben bzw. aufzulaminieren.
Die auf den Elektrolyten übertragene Struktur der Hohlraumbildnerschicht hat aufgrund der genau definierten Dicke und der hohen Kantenschärfe eine deutlich geringere Streuung im Volumen als dies bei siebgedruckten Strukturen möglich ist. Dadurch kann der teure Abgleich von bisherigen Sensorelementen entfallen. Dieses Verfahren ist auch für weitere Funktionsschichten, wie beispielsweise Diffusionsbarrieren, Heizelemente usw. einsetzbar. Zusätzlich kann durch eine genauer hergestellte Diffusionsbarriere die Grundstreuung verringert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, bevorzugt aus Ausführungsbeispielen, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Sensorelement der 1,
3 eine Querschnittsansicht eines Elektrolyten,
4 einen Querschnitt einer Trägerfolie mit einer Hohlraumbildnerschicht,
5 einen Querschnitt einer Trägerfolie mit geschnittener Hohlraumbildnerschicht,
6 einen Querschnitt der Trägerfolie mit der geschnittenen Hohlraumbildnerschicht und einer Transferfolie,
7 die Transferfolie mit der Hohlraumbildnerschicht,
8 den Elektrolyten mit der darauf angebrachten Hohlraumbildnerschicht,
9 eine weitere Ansicht des Elektrolyten mit der darauf angebrachten Hohlraumbildnerschicht,
10 eine weitere Ansicht des Elektrolyten mit der darauf angebrachten Hohlraumbildnerschicht und einem weiteren Funktionselement,
11 einen Querschnitt eines Formlings mit einem ersten und einem zweiten Elektrolyten.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Sensorelements. Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases in einem Messgasraum 12 verwendet werden. Dabei können eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoff und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum 12 insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 weist einen Schichtaufbau 14 auf, welcher eine einem Messgasraum 12 zuweisende Oberfläche 16 eines Elektrolyten 18 umfasst. Der Elektrolyt 18 kann aus mehreren Elektrolytschichten zusammengesetzt sein. Das Sensorelement 10 weist ferner einen Gaszutrittsweg 20 auf. Der Gaszutrittsweg 20 weist ein Gaszutrittsloch 22 auf, das sich von der Oberfläche 16 des Elektrolyten 18 ins Innere des Schichtaufbaus 12 erstreckt. In dem Elektrolyten 18 kann ein Elektrodenhohlraum 24 vorgesehen sein, der das Gaszutrittsloch 22 ringförmig umgibt. Der Elektrodenhohlraum 24 ist Teil des Gaszutrittswegs 20 und kann über das Gaszutrittsloch 22 mit dem Messgasraum 12 in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 22 als Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 16 des Elektrolyten 18 in das Innere des Schichtaufbaus 14. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 24 im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und wird an drei Seiten von dem Elektrolyten 18 begrenzt. Beispielsweise weist der Elektrodenhohlraum 24 eine Oberseite 26, eine Unterseite 28 und eine Außenseite 30 auf, wobei die Oberseite 26 und die Unterseite parallel zu der Oberfläche 16 des Elektrolyten 18 verlaufen, sich die Oberseite 26 näher an dem Messgasraum 12 als die Unterseite 28 befindet und die Außenseite 30 in radialer Richtung bezüglich des Gaszutrittsloch 22 gesehen den Elektrodenhohlraum 24 nach außen hin begrenzt. Die Oberseite 26, die Unterseite 28 und die Außenseite 30 sind dabei Wandflächen des Elektrolyten 18.
In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 ist ein Heizelement 32 in dem Schichtaufbau 14 angeordnet. Das Heizelement 32 weist einen mäanderförmigen Heizbereich 34 auf, der in einer Isolationsschicht 36 eingebettet ist. Ferner weist das Sensorelement 10 auf der Oberfläche 16 des Elektrolyten 18 eine erste Elektrode 38 auf. Die erste Elektrode 38 kann ringförmig um das Gaszutrittsloch 22 angeordnet sein, da das Sensorelement 10 in weiten Teilen einen rotationssymmetrischen Aufbau aufweisen kann. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Die erste Elektrode 38 kann von dem Messgasraum 12 beispielsweise durch eine gasdurchlässige Thermoschockschutzschicht 40 getrennt sein, wie in 1 gezeigt ist.
Ferner umfasst der Schichtaufbau 14 bei dem Ausführungsbeispiel mindestens eine zweite Elektrode 42, die in dem Elektrodenhohlraum 24 auf der Oberseite 26 angeordnet ist. Diese zweite Elektrode 42 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmig ausgestaltet und kann beispielsweise ebenfalls wiederum rotationssymmetrisch um das Gaszutrittsloch 22 angeordnet sein. Insbesondere sind die erste Elektrode 38 und die zweite Elektrode 42 koaxial zu dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet.
Zwischen dem Gaszutrittsloch 22 und dem Elektrodenhohlraum 24 ist ein Kanal 44 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 20 ist. In diesem Kanal 44 ist eine Diffusionsbarriere 46 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum 12 in den Elektrodenhohlraum 24 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere 46 lässt sich ein Grenzstrom einer die erste Elektrode 38, die zweite Elektrode 42 und eine den Elektrolyten 18 umfassenden Pumpzelle 48 einstellen.
In dem Elektrodenhohlraum 24 ist ferner eine dritte Elektrode 50 ringförmig und koaxial zu dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet. Insbesondere ist die dritte Elektrode 42 auf der Unterseite 28 angeordnet. Weiterhin umfasst das Sensorelement 10 einen nicht gezeigten Luftreferenzkanal, welcher beispielsweise mit einer Umgebung mit bekanntem Sauerstoffgehalt verbunden sein kann. In diesem Luftreferenzkanal kann eine nicht gezeigte vierte Elektrode, die eine Referenzelektrode ist, angeordnet sein. Die vierte Elektrode und die dritte Elektrode 50 können einen Nernstzelle bilden. Die erste Elektrode 38 und die zweite Elektrode 42 können beispielsweise die Pumpzelle 48 bilden, mittels der beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 48 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 24 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Elektrodenhohlraums 24 und der Diffusionsbarriere 38. Wie der Darstellung der 2 zu entnehmen ist, ist der Querschnitt des Elektrodenhohlraums 24 rechteckig, d. h. mit parallel verlaufender Oberseite 26 und Unterseite 28 und senkrecht dazu verlaufender Außenseite 30. Das heißt, der Elektrodenhohlraum 24 weist eine geringe Volumenstreuung auf und die sich gegenüber liegenden Wände des Elektrodenhohlraums 24 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Diese exakte vorgegebene Form des Elektrodenhohlraums 24 lässt sich durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen des Sensorelements 10 einstellen, das nachstehend beschrieben wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein erster Elektrolyt 52 bereitgestellt. Auf einer Oberfläche des ersten Elektrolyten 52 wird eine Elektrode aufgebracht, wie beispielsweise die dritte Elektrode 50 des Ausführungsbeispiels der 1 und 2. Das Aufbringen kann beispielsweise in bekannter Dickschichttechnik oder durch ein Siebdruckverfahren erfolgen.
4 zeigt eine Trägerfolie 54, auf der eine Hohlraumbildnerschicht 56 aufgebracht ist, beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens. Die Trägerfolie 54 kann beispielsweise aus Kunststoff oder aus Papier sein. Die Trägerfolie 54 kann bevorzugt eine Klebefolie sein, so dass die darauf angebrachte Hohlraumbildnerschicht 56 beim Schneiden nicht verrutschen kann. 4 zeigt ferner Markierungen 58, die Schnittstellen markieren, d. h. Stellen, an denen entweder mechanisch oder mittels eines Lasers, die Hohlraumbildnerschicht 56 auf der Trägerfolie 54 geschnitten wird. Durch das Schneiden wird die Hohlraumbildnerschicht 56 in eine vorgegebene Form gebracht.
5 zeigt die Trägerfolie 54 mit der bereits geschnittenen Hohlraumbildnerschicht 56, die die vorgegebene Form aufweist. Wie der Darstellung der 5 zu entnehmen ist, wurden nicht benötigte Flächenbereiche der Hohlraumbildnerschicht 56 entfernt. Die nicht benötigten Flächenbereiche befinden sich bei diesem Ausführungsbeispiel in der Mitte der Hohlraumbildnerschicht 56, so dass die geschnittene Hohlraumbildnerschicht 56 eine Ringform als vorgegebene Form aufweist.
Wie in 6 gezeigt ist, wird auf der der Trägerfolie 54 gegenüberliegenden Seite der Hohlraumbildnerschicht 56 eine Transferfolie 60 aufgebracht. Die Transferfolie 60 kann beispielsweise eine Folie aus Kunststoff sein und dient zum Transport der Hohlraumbildnerschicht 56.
Wie in 7 gezeigt ist, kann die Trägerfolie 54 entfernt werden. In dem Fall, in dem die Trägerfolie 54 aus Papier hergestellt ist, kann diese jedoch auf der Hohlraumbildnerschicht 56 verbleiben. Nach dem Entfernen der Trägerfolie 54 verbleibt im Fall der Verwendung einer Klebefolie eine Kleberschicht auf der der Transferfolie 60 abgewandten Seite der Hohlraumbildnerschicht 56. Die Transferfolie 60 wird nun mit der darauf angebrachten Hohlraumbildnerschicht 56 auf dem ersten Elektrolyten 52 derart angeordnet, dass die Hohlraumbildnerschicht 56 mit der Ringform die dritte Elektrode 50 bedeckt.
Wie in 8 gezeigt, kann anschließend die Transferfolie 60 entfernt werden, wobei die Hohlraumbildnerschicht 56 aufgrund der Kleberschicht auf der dritten Elektrode 50 haften bleibt. 9 zeigt den ersten Elektrolyten 52 mit der darauf angebrachten ringförmigen Hohlraumbildnerschicht 56, die die dritte Elektrode 50 bedeckt, wobei die Transferfolie 60 entfernt ist. Wie in 10 gezeigt, kann als Nächstes auf die Hohlraumbildnerschicht 56 die zweite Elektrode 42 aufgebracht werden, beispielsweise mittels Siebdruckverfahren. Ferner kann in die Mitte der ringförmigen Hohlraumbildnerschicht 56 Material 62 für das Gaszutrittsloch 22 und/oder die Diffusionsbarriere 46 eingebracht werden.
Wie 11 zeigt, wird ein zweiter Elektrolyt 64 derart angeordnet, dass die ringförmige Hohlraumbildnerschicht 56 zwischen dem ersten Elektrolyten 52 und dem zweiten Elektrolyten 64 angeordnet ist. Es wird daher ein Formling 66 gebildet, bei dem sich die Hohlraumbildnerschicht 56 zwischen dem ersten Elektrolyten 52 und dem zweiten Elektrolyten 64 befindet. Dabei kann der zweite Elektrolyt 64 die Hohlraumbildnerschicht 56 nach außen hin umgeben. Durch anschließendes Sintern verbrennt die Hohlraumbildnerschicht 56, vorzugsweise rückstandsfrei, so dass sie einen Hohlraum hinterlässt, wie beispielsweise den oben genannten Elektrodenhohlraum 24. Im Fall einer Trägerfolie 54 aus Papier, verbrennt das Papier. Dabei befindet sich die dritte Elektrode 50 an der Unterseite 28 und die zweite Elektrode 42 an der Oberseite 26 derart, dass sie sich über dem Hohlraum 24 gegenüberliegen. Der erste Elektrolyt 52 und der zweite Elektrolyt 64 verbacken bzw. verbinden sich durch das Sintern zu dem oben beschriebenen Elektrolyten 18.
Da die Hohlraumbildnerschicht 56 nicht mittels eines Siebdruckverfahrens unmittelbar auf den ersten Elektrolyten 52 aufgebracht wird und auf diesen Stapel dann der zweite Elektrolyt 64 aufgebracht wird, kommt es nicht zu einem Verlaufen bzw. Quetschen der Hohlraumbildnerschicht 56. Deshalb behält die Hohlraumbildnerschicht 56 im Wesentlichen ihre vorgegebene Form. Die Dicke der Hohlraumbildnerschicht 56 bzw. des daraus gebildeten Hohlraums schwanken um maximal 5 %. Daher lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren Hohlräume mit einer geringen Volumenstreuung erzeugen. Entsprechend kann bei einem derartigen Sensorelement 10 ein teurer Abgleich des Messsignals entfallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19805023 A1 [0005]
DE 19857471 A1 [0005]
DE 102009001051 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (12), insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines ersten Elektrolyten (52); – Bereitstellen einer Transferfolie (60), wobei die Hohlraumbildnerschicht (56) eine vorgegebene Form aufweist; – Anordnen der Transferfolie (60) mit der Hohlraumbildnerschicht (56) auf dem ersten Elektrolyten (52); – Entfernen der Transferfolie (60); – Anordnen eines zweiten Elektrolyten (64) auf der Hohlraumbildnerschicht (56) derart, dass ein Formling (66) gebildet wird, bei dem sich die Hohlraumbildnerschicht (56) zwischen dem ersten Elektrolyten (52) und dem zweiten Elektrolyten (64) befindet; und – chemisches und/oder thermisches Behandeln des Formlings (66) derart, dass zwischen dem ersten Elektrolyten (52) und dem zweiten Elektrolyten (64) aus der Hohlraumbildnerschicht (56) ein Hohlraum (24) gebildet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hohlraumbildnerschicht (56) eine gleichmäßige Dicke aufweist.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hohlraumbildnerschicht (56) auf eine Trägerfolie (54) aufgebracht wird, wobei durch Schneiden der Hohlraumbildnerschicht (56) auf der Trägerfolie (54) die vorgegebene Form der Hohlraumbildnerschicht (56) gebildet wird, und wobei nach dem Schneiden die Transferfolie (60) auf der Hohlraumbildnerschicht (56) angeordnet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Schneiden ein mechanisches Schneiden oder ein Schneiden mittels Lasers ist.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerfolie (54) entfernt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Trägerfolie (54) durch das chemische und/oder thermische Behandeln des Formlings (66) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem ersten Elektrolyten (52) mindestens ein Funktionselement (50) angeordnet wird und die Hohlraumbildnerschicht (56) derart auf dem ersten Elektrolyten (52) angeordnet wird, dass die Hohlraumbildnerschicht (56) das Funktionselement (50) bedeckt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei nach dem Entfernen der Transferfolie (60) mindestens ein weiteres Funktionselement (42) auf die Hohlraumbildnerschicht (56) aufgebracht wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das weitere Funktionselement (42) durch ein Siebdruckverfahren auf die Hohlraumbildnerschicht (56) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktionselemente (42, 50) Elektroden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Elektrolyt (52) und der zweite Elektrolyt (64) die Hohlraumbildnerschicht (56) vollständig umschließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgegeben Form ein Kreisring ist.