DE102013200703A1

DE102013200703A1 - Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102013200703A1
Application number: DE201310200703
Authority: DE
Inventors: Reiner Schmitt; Marius Heinkele; Johannes Grabis; Christoph Peters; Gerhard Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasst einen sich in einer Längserstreckungsrichtung (40) erstreckenden keramischen Schichtaufbau (12) mit mindestens einer elektrochemischen Zelle. Die elektrochemische Zelle (30) weist mindestens zwei Elektroden (16, 18) und mindestens einen die Elektroden (16, 18) verbindenden Festelektrolyten (14) auf. Das Sensorelement (10) weist weiterhin mindestens ein Heizelement (34) auf. Das Heizelement (34) ist eingerichtet, um die elektrochemische Zelle (30) zu erwärmen. Der keramische Schichtaufbau (12) weist in Längserstreckungsrichtung (40) betrachtet im Bereich (46) der elektrochemischen Zelle (30) eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit auf als außerhalb der elektrochemischen Zelle (30). Es wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Sensorelements (10) vorgeschlagen.

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 eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. 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, wie beispielsweise die Temperatur.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So werden bei Sensorelementen mit einem Schnellstartverhalten, d. h. einer niedrigen Fast-Light-Off-Zeit, niederohmiges Platin oder Platin/Palladium für das Heizelement eingesetzt. Dabei wird darauf geachtet, dass der Heizleistungseintrag im Funktionsbereich möglichst klein und konzentriert stattfindet, d. h. ein so genannter Hot-Spot erzeugt wird. Zusätzlich wird das Sensorelement möglichst dünn ausgeführt, wie beispielsweise mit einer Dicke von 1 mm, um die thermische Masse, die aufgeheizt werden muss, möglichst klein zu halten. Eine weitere Reduzierung der Sensorelementdicke ist aus Montagegründen, insbesondere im Hinblick auf die Festigkeit, beispielsweise in der Packung, kritisch. Zur Erhöhung der Robustheit gegen Wasserschlag beim Einschalten der Sonde kann eine keramische, poröse Schicht, die si genannte Thermoschockschutzschicht, im beheizten Bereich aufgetragen werden. Dies führt zwar zu einer exzellenten Verträglichkeit gegen Wassertropfen und Kaltluft beim Hochheizen sowie auch bei Betriebstemperatur. Nachteilig ist jedoch eine signifikant langsamere Aufheizzeit durch die zusätzliche thermische Masse der Thermoschockschutzschicht.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere die Fast-Light-Off-Zeit bei gleichbleibender Qualität der Thermoschockrobustheit signifikant reduziert werden kann bzw. die Verlangsamung des Aufheizens durch die Thermoschockschutzschicht kompensiert werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst einen sich in einer Längserstreckungsrichtung erstreckenden keramischen Schichtaufbau mit mindestens einer elektrochemischen Zelle. Die elektrochemische Zelle weist mindestens zwei Elektroden und mindestens einen die Elektroden verbindenden Festelektrolyten auf. Das Sensorelement weist weiterhin mindestens ein Heizelement auf. Das Heizelement ist eingerichtet zum Erwärmen der elektrochemischen Zelle. Der keramische Schichtaufbau weist in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit auf als außerhalb der elektrochemischen Zelle.
Mindestens eine keramische Schicht des keramischen Schichtaufbaus im Bereich der elektrochemischen Zelle kann eine Aussparung aufweisen. Die Aussparung kann als stetige Verjüngung ausgebildet sein. Die Aussparung kann gekrümmt verjüngt oder linear verjüngt ausgebildet sein. Die Aussparung kann stufenförmig verjüngt ausgebildet sein. Die Aussparung kann in mindestens einer keramischen Schicht angeordnet sein, welche auf einer von der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite des Heizelements angeordnet ist. Auf der der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite des Heizelements können zwei keramische Schichten angeordnet sein, wobei eine keramische Schicht dem Heizelement zugewandt ist und die andere keramische Schicht dem Heizelement abgewandt ist, wobei die Aussparung durch vollständiges Entfernen der dem Heizelement abgewandten keramischen Schicht in dem Bereich der elektrochemischen Zelle, ausgebildet ist.
Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird ein sich in einer Längserstreckungsrichtung erstreckender keramischer Schichtaufbau ausgebildet. In dem keramischen Schichtaufbau wird mindestens eine elektrochemische Zelle ausgebildet. Die elektrochemische Zelle weist mindestens zwei Elektroden und mindestens einen, die Elektroden verbindenden Festelektrolyten auf. In dem Schichtaufbau kann weiterhin mindestens ein Heizelement ausgebildet werden. Das Heizelement kann eingerichtet sein, um die elektrochemische Zelle zu erwärmen. Der keramische Schichtaufbau wird derart ausgebildet, dass dieser in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweist als außerhalb der elektrochemischen Zelle.
Die geringere thermische Masse kann durch Ausbilden einer Aussparung realisiert werden. Die Aussparung kann als stetige Verjüngung ausgebildet werden. Die Aussparung kann gekrümmt verjüngt oder linear verjüngt ausgebildet werden. Die Aussparung kann stufenförmig verjüngt ausgebildet werden. Die Aussparung kann in mindestens einer keramischen Schicht angeordnet werden, welche auf einer von der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite des Heizelements angeordnet ist. Auf der der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite des Heizelements können zwei keramische Schichten angeordnet werden, wobei eine keramische Schicht dem Heizelement zugewandt ist und die andere keramische Schicht dem Heizelement abgewandt ist, wobei die Aussparung durch vollständiges Entfernen der dem Heizelement abgewandten keramischen Schicht in dem Bereich der elektrochemischen Zelle ausgebildet wird. Die Aussparung kann nach einem Sintern des Sensorelements ausgebildet werden. Die Aussparung kann insbesondere durch Schleifen hergestellt werden. Die Aussparung kann alternativ vor einem Sintern des Sensorelements ausgebildet werden. Die Aussparung kann durch zumindest teilweises Ausstanzen der keramischen Schicht in dem Bereich der elektrochemischen Zelle ausgebildet werden.
Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus bedingt unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein.
Unter einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom 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 dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein.
Unter einer Dicke eines Bauteils oder Elements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung in der Richtung des Schichtaufbaus und somit senkrecht zu den einzelnen Schichtebenen des Schichtaufbaus zu verstehen.
Unter einer elektrochemischen Zelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pumpzelle und Nernstzelle.
Unter einer Anordnung „im Bereich der elektrochemischen Zelle“ ist insbesondere eine Anordnung eines Bauteils zu verstehen, die in einer Richtung senkrecht zu den Schichten des Schichtaufbaus gesehen mit der elektrochemischen Zelle zumindest teilweise überlappt.
Insbesondere kann der Bereich der elektrochemischen Zelle ein Endabschnitt des keramischen Schichtaufbaus sein, also in Längsrichtung gesehen bis zum Ende des keramischen Schichtaufbaus reichen. Insbesondere kann in diesem Zusammenhang der Bereich außerhalb der elektrochemischen Zelle durch einen Bereich des keramischen Schichtaufbaus gegeben sein, der den oben genannten Endabschnitt des keramischen Schichtaufbaus nicht umfasst, insbesondere durch den gesamten Teil des keramischen Schichtaufbaus, der den oben genannten Endabschnitt des keramischen Schichtaufbaus nicht umfasst.
Insbesondere kann der Bereich der elektrochemischen Zelle der durch orthogonale Projektion auf die Elektroden der elektrochemischen Zelle aus dem keramischen Schichtaufbau ausgeschnittene Teil des keramischen Schichtaufbaus sein. Alternativ kann der Bereich der elektrochemischen Zelle lateral über den durch orthogonale Projektion auf die Elektroden des keramischen Schichtaufbaus aus dem keramischen Schichtaufbau ausgeschnittenen Teil des keramischen Schichtaufbaus hinausgehen, beispielsweise um bis zu 0,5mm oder um bis zu 1,5mm. Insbesondere kann in diesem Zusammenhang der Bereich außerhalb der elektrochemischen Zelle sich über einen Teil des keramischen Schichtaufbaus erstrecken, der den oben definierten Bereich der elektrochemischen Zelle nicht umfasst, insbesondere über den gesamten Teil des Sensorelement erstrecken, der den oben definierten Bereich der elektrochemischen Zelle nicht umfasst.
Unter einer thermischen Masse pro Längeneinheit ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Wärmekapazität des keramischen Schichtaufbaus pro Längeneinheit in Längserstreckungsrichtung zu verstehen.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist die Reduzierung der thermischen Masse im Bereich des Hot-Spot, d.h. im Bereich der elektrochemischen Zelle. Es soll also nicht die Fast-Light-Off-Zeit durch eine weitere Erhöhung der Heizleistung im Hot-Spot verbessert werden, da dies zum Einen zu einem erhöhten Edelmetalleinsatz für das Heizelement führt und zum Anderen der Kaltwiderstand aus Belastbarkeitsgründen der üblichen Steuergeräte insbesondere im Hinblick auf den Einschaltstrom nicht weiter als 2 Ω gesenkt werden kann, die heutzutage üblich sind. Deshalb ist ein Grundgedanke der Erfindung das Entfernen der thermischen Masse im Hot-Spot. Dies kann beispielsweise durch einen Schleifprozess, der in den Serienschleifprozess integriert wird, realisiert werden. Dabei wird die relativ massive Heizerschicht, die eine Dicke von beispielsweise 500 µm aufweist, um 200 µm bis 400 µm im Hot-Spot lokal entfernt. Folglich ist das Sensorelement im Hot-Spot dünner, kann aber wie bisher geprüft, weiter verarbeitet, montiert und kontaktiert werden. Die seitlichen Schliffkanten können kleiner ausgeführt werden, da Schnittriefen entfernt werden, und entweder durch geeignete Profilierung einer Rotationsschleifscheibe oder durch Flachschleifprozess realisiert werden.
Die geringere thermische Masse kann durch eine Fertigung des Sensorelements im Grünzustand erfolgen. Dabei ist keine gesonderte Prozessierung nach dem Sintern nötig. Insbesondere wird die Keramik durch den Schleifprozess nicht beschädigt. Eine Aussparung kann beispielsweise durch zwei Heizerfolien realisiert werden. Eine erste Heizerfolie verbleibt während des gesamten Fertigungsprozesses am Laminat bzw. Sensorelement. Die Aussparung wird über den Folienrahmen in Position gehalten. Dadurch ist eine Lamination möglich. Ferner wird dadurch ein geringer Sinterverzug erreicht. Die Aussparung kann nach dem Sinterprozess entfernt werden. Es erfolgt dabei keine Versinterung der ersten Heizerfolie mit der zweiten Heizerfolie, da kein Folienbinder im Aussparungsbereich verwendet wird. Eine Thermoschockschutzschicht kann nach dem Sintern wie üblich aufgebracht werden. Dabei wird möglichst der Übergangsbereich der Heizerfolien beschichtet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform und
4 eine Explosionsdarstellung des Sensorelements gemäß der dritten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des 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, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe 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 insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 weist einen keramischen Schichtaufbau 12 auf, welcher einen Festelektrolyten 14 und mindestens zwei Elektroden 16, 18 umfasst. Der Festelektrolyt 14 kann aus mehreren keramischen Schichten in Form von Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Beispielsweise umfasst der Festelektrolyt 14 eine Pumpfolie oder Pumpschicht 14a, eine Zwischenfolie oder Zwischenschicht 14b und eine Heizfolie bzw. Heizschicht 14c, die übereinander bzw. untereinander angeordnet sind und auf die nachstehend noch ausführlicher eingegangen wird. Die Elektroden 16, 18 werden auch als erste Elektrode 16 und zweite Elektrode 18 bezeichnet, ohne jedoch eine Gewichtung ihrer Bedeutung anzugeben, sondern lediglich, um diese begrifflich zu unterscheiden. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 sind durch den Festelektrolyten 14 und insbesondere die Pumpschicht 14a miteinander verbunden, insbesondere elektrisch verbunden.
Das Sensorelement 10 weist ferner einen Gaszutrittsweg 20 auf. Der Gaszutrittsweg 20 weist ein Gaszutrittsloch 22 auf, das sich von einer Oberfläche 23 des Festelektrolyten 14 ins Innere des Schichtaufbaus 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 14 kann ein Elektrodenhohlraum 24 vorgesehen sein, der das Gaszutrittsloch 22 umgibt, beispielsweise ringförmig oder rechteckig. Der Elektrodenhohlraum 24 ist Teil des Gaszutrittswegs 20 und kann über das Gaszutrittsloch 22 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 22 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 23 des Festelektrolyten 14 in das Innere des Schichtaufbaus 12. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 24 im Wesentlichen ringförmig oder rechteckig ausgebildet und von drei Seiten von dem Festelektrolyten 14 begrenzt. Zwischen dem Gaszutrittsloch 22 und dem Elektrodenhohlraum 24 ist ein Kanal 26 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 20 ist. In diesem Kanal 26 ist eine Diffusionsbarriere 28 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 24 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht.
Der Schichtaufbau 12 umfasst ferner eine elektrochemische Zelle in Form einer Pumpzelle 30. Über diese Diffusionsbarriere 28 lässt sich ein Grenzstrom der Pumpzelle 30 einstellen. Die Pumpzelle 30 umfasst die auf der Oberfläche 23 des Festelektrolyten 14 angeordnete erste Elektrode 16, die das Gaszutrittsloch 22 ringförmig umgeben kann und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine gasdurchlässige Schutzschicht 32 getrennt sein kann. Ferner umfasst die Pumpzelle 30 die zweite Elektrode 18, die in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet ist. Die zweite Elektrode 18 kann ebenfalls ringförmig ausgestaltet sein und rotationssymmetrisch um das Gaszutrittsloch 22 angeordnet sein. Beispielsweise sind die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 koaxial zu dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet. Der oben genannte Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 über den Festelektrolyten 14 dar. In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs ist ein Heizelement 34 in dem Schichtaufbau 12 angeordnet. Das Heizelement 34 weist einen Heizbereich 36 und elektrische Zuleitungsbahnen 38 auf. Der Heizbereich 38 ist beispielsweise mäanderförmig ausgebildet. Das Heizelement 34 ist zwischen der Zwischenschicht 14b und der Heizschicht 14c angeordnet. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass das Heizelement 34 beidseitig von einer dünnen Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, umgeben ist, auch wenn dies in den Figuren nicht näher dargestellt ist. Mit anderen Worten ist zwischen der Zwischenschicht 14b und dem Heizelement 34 sowie zwischen dem Heizelement 34 und der Heizschicht 14c die dünne Schicht aus dem elektrische isolierenden Material angeordnet. Da eine derartige Schicht beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt ist, wird diese nicht näher beschrieben. Für weitere Details bezüglich der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material wird daher auf den oben genannten Stand der Technik, verwiesen, dessen Inhalt betreffend die Schicht aus dem elektrischen Material durch Verweis hierin eingeschlossen ist.
Ferner kann der Schichtaufbau 12 eine nicht näher gezeigte dritte Elektrode, eine nicht näher gezeigte vierte Elektrode und einen Luftreferenzkanal umfassen. Der Luftreferenzkanal kann sich senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 in das Innere des Festelektrolyten 14 erstrecken. Wie oben erwähnt, ist das Gaszutrittsloch 22 zylindrisch ausgebildet, so dass die Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 parallel zu einer Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22 verläuft. In diesem Fall erstreckt sich der Luftreferenzkanal senkrecht zu der Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22. Der Luftreferenzkanal kann sich beispielsweise parallel zu dem Kanal 26 erstrecken. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass der Luftreferenzkanal auch in einer gedachten Verlängerung des Gaszutrittslochs 22 und somit weiter im Inneren des Festelektrolyten 14 angeordnet sein kann. Der Luftreferenzkanal muss nicht als makroskopischer Luftreferenzkanal ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Luftreferenzkanal als so genannte gepumpte Referenz ausgeführt sein, das heißt als künstliche Referenz.
Die dritte Elektrode kann in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet sein. Beispielsweise liegt die dritte Elektrode der zweiten Elektrode 18 gegenüber. Die vierte Elektrode kann in dem Luftreferenzkanal angeordnet sein. Die dritte Elektrode, die vierte Elektrode und der Teil des Festelektrolyten 14 zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode bilden eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise eine Nernstzelle. Mittels der Pumpzelle 30 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 30 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 24 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode gemessen wird. Da in dem Luftreferenzkanal eine bekannte Gaszusammensetzung vorliegt bzw. diese einem Sauerstoffüberschuss ausgesetzt ist, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 24 geschlossen werden.
Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich der keramische Schichtaufbau 12 in einer durch einen Pfeil angegebenen Längserstreckungsrichtung 40. Der keramische Schichtaufbau 12 weist ein anschlussseitiges Ende 42 und ein in der Längserstreckungsrichtung 40 gesehen dem anschlussseitigen Ende 42 gegenüberliegendes messgasraumseitiges Ende 44 auf. Das anschlussseitige Ende 42 ist zum Verbinden mit einem nicht näher gezeigten Sensorgehäuse ausgebildet. Insbesondere werden die Zuleitungsbahnen 38 des Heizelements 34 und die Elektroden 16, 18 mit Anschlüssen in dem Sensorgehäuse elektrisch kontaktiert. Dabei wird das Sensorelement 10 an dem anschlussseitigen Ende 42 von dem Sensorgehäuse gehalten. Das messgasraumseitige Ende 44 wird dem Messgasraum ausgesetzt. Die Pumpzelle 30 und der Heizbereich 36 sind in der Nähe des messgasraumseitigen Endes 44 angeordnet. Der Heizbereich 36 und die Pumpzelle 30 überlappen zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung 40 gesehen. Der Schichtaufbau 12 weist in der Längserstreckungsrichtung 40 betrachtet in einem Bereich 46 der Pumpzellzelle 30 eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit auf als außerhalb der Pumpzelle 30. Beispielsweise weist mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus 12 eine Aussparung 48 in dem Bereich 46 auf. Die Aussparung 48 ist in der Heizschicht 14c angeordnet, die auf einer von der Pumpzelle 30 abgewandten Seite des Heizelements 34 angeordnet ist. Die Heizschicht 14c weist eine Dicke von 400 µm bis 600 µm auf, beispielsweise 500 µm. Gemäß der Darstellung der 1 ist die Aussparung 48 als stetige Verjüngung ausgebildet. Insbesondere ist die Aussparung 48 gekrümmt verjüngt ausgebildet. Die gekrümmt verjüngte Aussparung 48 kann beispielsweise durch einen Schleifprozess ausgebildet werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Die Heizschicht 14c wird beispielsweise um 200 µm bis 400 µm in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 entfernt, beispielsweise 300 µm. Der Schichtaufbau 12 kann in dem Bereich 46 von einer optionalen Thermoschockschutzschicht 50 umgeben sein. Beispielsweise ist die Thermoschockschutzschicht 50 so ausgebildet, dass sie das messgasraumseitige Ende 44 an der Oberfläche 23 in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30, an einer Stirnseite 52 des Schichtaufbaus 12, an der Aussparung 48 sowie die nicht näher gezeigten Seitenflächen des Schichtaufbaus 12 in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 umgibt.
Nun wird anhand der Darstellung der 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum beschrieben. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß der Darstellung der 2 ist die Aussparung 48 in dem Bereich 46 linear verjüngt ausgebildet. Mit anderen Worten, ist die Aussparung 48 als Abschrägung der Heizschicht 14c ausgebildet, wobei sich die Heizschicht 14c in der Längserstreckungsrichtung 40 gesehen in Richtung zu dem messgasraumseitigen Ende 44 gleichmäßig verjüngt. Entsprechend ist die Heizschicht 14c als Abschrägung ausgebildet und wird in Richtung zu dem messgasraumseitigen Endes 44 dünner, d.h. die Dicke des Schichtaufbaus 12 nimmt ab.
Das Sensorelement 10 der in 1 und 2 gezeigten ersten und zweiten Ausführungsform kann wie folgt hergestellt werden. Ein sich in einer Längserstreckungsrichtung 40 erstreckender keramischer Schichtaufbau 12 wird ausgebildet, wobei in dem keramischen Schichtaufbau 12 mindestens eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise die Pumpzelle 30, ausgebildet wird. Wie oben beschrieben, weist die elektrochemische Zelle mindestens zwei Elektroden und mindestens einen die Elektroden verbindenden Festelektrolyten 14 auf. Wie oben beschrieben, umfasst die Pumpzelle 30 die Elektroden 16, 18 und den Festelektrolyten 14. In dem Schichtaufbau 12 wird weiterhin mindestens Heizelement 34 ausgebildet. Das Heizelement 34 ist eingerichtet, um die elektrochemische Zelle zu erwärmen. Wie oben beschrieben, ist das Heizelement 34 eingerichtet die Pumpzelle 30 auf mindestens eine Temperatur zu erwärmen, bei der der Festelektrolyt 14 und insbesondere die Pumpschicht 14a zwischen den Elektroden 16, 18 für Ionen und insbesondere für Sauerstoffionen leitfähig ist. Die Ausbildung des Schichtaufbaus 12 kann in an sich bekannter Weise erfolgen, wie beispielsweise in Folientechnik, bei der die einzelnen Schichten des Schichtaufbaus 12 in einem Grünzustand, d.h. einem ungesinterten Zustand, übereinander bzw. stapelförmig angeordnet werden, wobei auf die Schichten die Funktionselemente, wie beispielsweise das Heizelement 34 oder die Elektroden 16, 18 angeordnet werde, beispielsweise durch Siebdrucktechnik, bevor die nächste Schicht angeordnet wird. Zur Herstellung von Keramikschichten, wie beispielsweise der Festelektrolytschichten 14a, 14b, 14c, ist beispielsweise das Foliengießen die bevorzugte keramische Formgebungstechnologie. Die keramischen Ausgangspulver werden in einer Dispergierflüssigkeit mit einem geeigneten Verflüssiger sowie einer oder mehreren Binderkomponenten homogen zu einem Foliengießschlicker aufbereitet. Der luftblasenfreie Schlicker wird dann auf die Gießstation aufgegeben und durch einen auf eine definierte Höhe exakt eingestellten Gießrakel gleichmäßig auf die ebene Gießunterlage verteilt. Im nachfolgenden Trocknungsprozess wird die Dispergierflüssigkeit gleichmäßig ausgetrieben, wobei sich die Höhe der Folie verringert. Zur Herstellung von mehrlagigen Folien können mehrere Schichten, die unterschiedliche Pulver enthalten können, übereinander gegossen werden.
Dabei wird die Ausbildung des Schichtaufbaus 12 mit der Heizschicht 14c begonnen und alle weiteren Schichten und Funktionselemente nacheinander auf dieser angeordnet. Vor den weiteren Gießschritten für die Festelektrolytschichten 14b, 14a werden das Heizelement 34, die Elektroden 16, 18 und ggf. weitere Funktionselemente aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt.
Nach Ausbildung des Schichtaufbaus 12 wird dieser gesintert. Anschließend wird der keramische Schichtaufbau 12 derart ausgebildet, dass dieser in Längserstreckungsrichtung 40 betrachtet in dem Bereich 46 der elektrochemischen Zelle, also hier der Pumpzelle 30, eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweist als außerhalb der elektrochemischen Zelle. Dies kann realisiert werden, in dem der gesinterte Schichtaufbau 12 durch einen Schleifprozess bearbeitet wird, wobei der Festelektrolyt 14 in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 abgetragen wird. Beispielsweise wird die Heizschicht 14c in dem Bereich 46 der Pumpzelle durch den Schleifprozess derart bearbeitet, dass die oben beschriebene Aussparung 48 gebildet wird. In Abhängigkeit von dem gewählten Schleifverfahren entsteht eine Aussparung 48, die als gekrümmte Verjüngung, die in 1 gezeigt ist, oder als lineare Verjüngung, die in 2 gezeigt ist, ausgebildet wird. Da der keramische Schichtaufbau 12 üblicherweise nach dem Sintern geschliffen wird, kann der Schleifprozess zum Verringern der thermischen Masse in dem Bereich 46 der Pumpzelle in den ohnehin durchgeführten Schleifprozess integriert werden. Nach dem Schleifen kann dann die oben beschriebene optionale Thermoschockschutzschicht 50 angeordnet bzw. aufgebracht werden.
Nun wird nachfolgend anhand der Darstellung der 3 und 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum beschrieben. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten oder zweiten Ausführungsform beschrieben. Gleiche Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß der Darstellung der 3 die Aussparung 48 in dem Bereich 46 stufenförmig ausgebildet. Die stufenförmige Ausbildung der Aussparung 48 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass auf der der Pumpzelle 30 abgewandten Seite des Heizelements 34 zwei Festelektrolytschichten 14c und 14d vorgesehen sind. Dabei grenzt die Heizschicht 14c unmittelbar an das Heizelement 34 mit einer dünnen Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, dazwischen an und die weitere Festelektrolytschicht 14d ist auf der dem Heizelement 34 abgewandten Seite der Heizschicht 14c angeordnet. Die Heizschicht 14c ist somit die dem Heizelement 34 zugewandte keramische Schicht und die weitere Festelektrolytschicht 14d ist die dem Heizelement abgewandte keramische Schicht. Entsprechend ist die Heizschicht 14c in der Querschnittsdarstellung der 3 gesehen sandwichartig zwischen dem Heizelement 34 und der weiteren Festelektrolytschicht 14d angeordnet. In der Längserstreckungsrichtung 40 betrachtet ist die Heizschicht 14c länger ausgebildet ist als die weitere Festelektrolytschicht 14d. Die stufenförmige Aussparung 48 in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die weitere Festelektrolytschicht 14d in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 vollständig entfernt ist. Folglich ist in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 nur die Heizschicht 14c vorgesehen.
Das Sensorelement 10 der in 3 und 4 gezeigten dritten Ausführungsform kann wie folgt hergestellt werden. Ein sich in einer Längserstreckungsrichtung 40 erstreckender keramischer Schichtaufbau 12 wird ausgebildet, wobei in dem keramischen Schichtaufbau 12 mindestens eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise die Pumpzelle 30, ausgebildet wird. Wie oben beschrieben, weist die elektrochemische Zelle mindestens zwei Elektroden und mindestens einen die Elektroden verbindenden Festelektrolyten auf. Wie oben beschrieben, umfasst die Pumpzelle 30 die Elektroden 16, 18 und den Festelektrolyten 14. In dem Schichtaufbau 12 wird weiterhin mindestens Heizelement 34 ausgebildet. Das Heizelement 34 ist eingerichtet, um die elektrochemische Zelle zu erwärmen. Wie oben beschrieben, ist das Heizelement 34 eingerichtet, die Pumpzelle 30 auf mindestens eine Temperatur zu erwärmen, bei der der Festelektrolyt 14 und insbesondere die Pumpschicht 14a zwischen den Elektroden 16, 18 für Ionen und insbesondere für Sauerstoffionen leitfähig ist. Die Ausbildung des Schichtaufbaus 12 kann in an sich bekannter Weise erfolgen, wie beispielsweise in Folientechnik, bei der die einzelnen Schichten des Schichtaufbaus 12 in einem Grünzustand, d.h. einem ungesinterten Zustand, übereinander bzw. stapelförmig angeordnet werden, wobei auf die Schichten die Funktionselemente, wie beispielsweise das Heizelement 34 oder die Elektroden 16, 18 angeordnet werde, beispielsweise durch Siebdrucktechnik, bevor die nächste Schicht angeordnet wird. Zur Herstellung von Keramikschichten, wie beispielsweise der Festelektrolytschichten 14a, 14b, 14c, 14d, ist beispielsweise das Foliengießen die bevorzugte keramische Formgebungstechnologie. Die keramischen Ausgangspulver werden in einer Dispergierflüssigkeit mit einem geeigneten Verflüssiger sowie einer oder mehreren Binderkomponenten homogen zu einem Foliengießschlicker aufbereitet. Der luftblasenfreie Schlicker wird dann auf die Gießstation aufgegeben und durch einen auf eine definierte Höhe exakt eingestellten Gießrakel gleichmäßig auf die ebene Gießunterlage verteilt. Im nachfolgenden Trocknungsprozess wird die Dispergierflüssigkeit gleichmäßig ausgetrieben, wobei sich die Höhe der Folie verringert. Zur Herstellung von mehrlagigen Folien können mehrere Schichten, die unterschiedliche Pulver enthalten können, übereinander gegossen werden. Vor dem weiteren Gießschritt werden das Heizelement 34, die Elektroden 16, 18 und ggf. weitere Funktionselemente aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt.
Die stufenförmige Aussparung 48 kann beispielsweise ausgebildet werden, indem in einem Grünzustand der Schichtaufbau 12 ausgebildet wird. Beispielsweise wird die Ausbildung des keramische Schichtaufbaus 12 in umgekehrter Reihenfolge vorgenommen, so dass mit der porösen Schutzschicht für die erste Elektrode 16, die sich später nach Fertigstellung des Sensorelements 10 auf der Oberseite 23 des Schichtaufbaus 12 befindet, begonnen wird. Dann werden die anderen Festelektrolytschichten 14a, 14b, 14c und die Funktionselemente aufgebracht. Bevor die weitere Festelektrolytschicht 14d aufgebracht wird, wird dann ein so genannter Folienrahmen der Gießstation in Position gebracht, dass in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 kein Material der weiteren Festelektrolytschicht 14d auf die Heizschicht 14c aufgebracht wird. Alternativ wird die weitere Festelektrolytschicht 14d so aufgebracht, dass die Heizschicht 14c vollständig bedeckt, und die Aussparung 48 wird durch Ausstanzen der weiteren Festelektrolytschicht 14d in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 ausgebildet. Die so gebildete Aussparung 48 wird dann während des Sinterns über den Folienrahmen in Position gehalten. Diese Variante weist die Vorteile auf, dass eine Lamination möglich ist und nur ein geringer Sinterverzug entsteht. Des Weiteren ist nach dem Sintern keine gesonderte Prozessierung erforderlich. Es kommt zu keiner Schädigung der Keramik des Schichtaufbaus 12 durch einen Schleifprozess und bietet eine Reduzierung der so genannten Planherstellkosten. Nach dem Sintern kann dann die oben beschriebene optionale Thermoschockschutzschicht 50 aufgebracht werden.
Alternativ ist ein Aufbau des Schichtaufbaus 12 in normaler Reihenfolge möglich, wie er für die erste und die zweite Ausführungsform beschrieben wurde. Dabei wird zwischen der Heizschicht 14c und der weiteren Festelektrolytschicht 14d in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 kein Folienbinder aufgebracht, so dass die Heizschicht 14c und die weitere Festelektrolytschicht 14d in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 nicht miteinander versintert werden. Beispielsweise wird zwischen der Heizschicht 14c und der weiteren Festelektrolytschicht 14d in den Bereichen außerhalb der Pumpzelle 30 ein Folienbinder aufgebracht und in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 eine so genannte Opferschicht. Die Opferschicht ist aus einem Material, das während des Sinterprozesses verbrennt, so dass die Heizschicht 14c und die weitere Festelektrolytschicht 14d nur außerhalb des Bereichs 46 der Pumpzelle 30 miteinander versintert werden und in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 lose aufeinander liegen. Nach dem Sintern kann dann die Aussparung 48 durch Herausbrechen der weiteren Festelektrolytschicht 14d in dem Bereich 46 der Pumpzelle 30 ausgebildet werden. Anschließend kann dann die oben beschriebene optionale Thermoschockschutzschicht 50 aufgebracht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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

Claims

Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend einen sich in einer Längserstreckungsrichtung (40) erstreckenden keramischen Schichtaufbau (12) mit mindestens einer elektrochemischen Zelle (30), wobei die elektrochemische Zelle (30) mindestens zwei Elektroden (16, 18) und mindestens einen die Elektroden (16, 18) verbindenden Festelektrolyten (14) aufweist, wobei das Sensorelement (10) weiterhin mindestens ein Heizelement (34) aufweist, wobei das Heizelement (34) eingerichtet ist, um die elektrochemische Zelle (30) zu erwärmen, wobei der keramische Schichtaufbau (12) in Längserstreckungsrichtung (40) betrachtet im Bereich (46) der elektrochemischen Zelle (30) eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweist als außerhalb der elektrochemischen Zelle (30).
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine keramische Schicht (14c, 14d) des keramischen Schichtaufbaus (12) im Bereich (46) der elektrochemischen Zelle (30) eine Aussparung (48) aufweist. Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Aussparung (48) als stetige Verjüngung ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aussparung (48) gekrümmt verjüngt oder linear verjüngt ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach Anspruch 2, wobei die Aussparung (48) stufenförmig verjüngt ausgebildet ist.
Sensorelement (10) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aussparung (48) in mindestens einer keramischen Schicht (14c, 14d) angeordnet ist, welche auf einer von der elektrochemischen Zelle (30) abgewandten Seite des Heizelements (34) angeordnet ist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei auf der der elektrochemischen Zelle (30) abgewandten Seite des Heizelements (34) zwei keramische Schichten (14c, 14d) angeordnet sind, wobei eine keramische Schicht (14c) dem Heizelement (34) zugewandt ist und die andere keramische Schicht (14d) dem Heizelement (34) abgewandt ist, wobei die Aussparung (48) durch vollständiges Entfernen der dem Heizelement (34) abgewandten keramischen Schicht (14d) in dem Bereich (46) der elektrochemischen Zelle (30), ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, wobei bei dem Verfahren ein sich in einer Längserstreckungsrichtung (40) erstreckender keramischer Schichtaufbau (12) ausgebildet wird, wobei in dem keramischen Schichtaufbau (12) mindestens eine elektrochemische Zelle (30) ausgebildet wird, wobei die elektrochemische Zelle (30) mindestens zwei Elektroden (16, 18) und mindestens einen die Elektroden (16, 18) verbindenden Festelektrolyten (14) aufweist, wobei in dem Schichtaufbau (12) weiterhin mindestens Heizelement (34) ausgebildet wird, wobei das Heizelement (34) eingerichtet ist, um die elektrochemische Zelle (30) zu erwärmen, wobei der keramische Schichtaufbau (12) derart ausgebildet wird, dass dieser in Längserstreckungsrichtung (40) betrachtet im Bereich (46) der elektrochemischen Zelle (30) eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweist als außerhalb der elektrochemischen Zelle (30).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine keramische Schicht (14c, 14d) des keramischen Schichtaufbaus (12) im Bereich (46) der elektrochemischen Zelle (30) eine Aussparung (48) aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Aussparung (48) in mindestens einer keramischen Schicht (14c, 14d) angeordnet wird, welche auf einer von der elektrochemischen Zelle (30) abgewandten Seite des Heizelements (34) angeordnet ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei auf der der elektrochemischen Zelle (30) abgewandten Seite des Heizelements (34) zwei keramische Schichten (14c, 14d) angeordnet werden, wobei eine keramische Schicht (14c) dem Heizelement (34) zugewandt ist und die andere keramische Schicht (14d) dem Heizelement (34) abgewandt ist, wobei die Aussparung (48) durch vollständiges Entfernen der dem Heizelement (34) abgewandten keramischen Schicht (14d) in dem Bereich (46) der elektrochemischen Zelle (30) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aussparung (48) nach einem Sintern des Sensorelements (10) ausgebildet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Aussparung (48) durch ein Schleifverfahren ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Aussparung (48) vor einem Sintern des Sensorelements (10) ausgebildet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Aussparung (48) durch zumindest teilweises Ausstanzen der keramischen Schicht (14c, 14d) in dem Bereich (46) der elektrochemischen Zelle (30) ausgebildet wird.