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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. 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 Hotspot erzeugt wird. Zusätzlich wird das Sensorelement möglichst dünn ausgeführt, wie beispielsweise mit einer Dicke von einem Millimeter, um die thermische Masse, die aufgeheizt werden muss, möglichst klein zu halten. Bei den bisherigen Sensorelementen werden die einzelnen Schichten als keramische Folien in Form von Laminaten hergestellt. Eine weitere Reduzierung der Sensorelementdicke ist aus Montagegründen, insbesondere im Hinblick auf die Festigkeit, beispielsweise in der Packung, kritisch. Entsprechend ist bislang eine Reduzierung der Aufheizzeit nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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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 reduziert werden kann.
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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 zum Erwärmen der elektrochemischen Zelle eingerichtet. Der keramische Schichtaufbau weist in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle mehrere Löcher auf, so dass der keramische Schichtaufbau in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit als außerhalb der elektrochemischen Zelle aufweist.
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Der Schichtaufbau kann mindestens eine keramische Schicht aufweisen, die auf einer der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite und/oder zugewandten Seite des Heizelements angeordnet ist, wobei die mindestens eine keramische Schicht des keramischen Schichtaufbaus im Bereich der elektrochemischen Zelle die Löcher aufweist. Die Löcher können als Sacklöcher ausgebildet sein, die sich von einer dem Heizelement abgewandten Oberfläche der mindestens einen keramischen Schicht in Richtung zu dem Heizelement erstrecken. Die Löcher können in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster angeordnet sein. Die Löcher können durch Bohren oder Stanzen ausgebildet sein. Die Löcher können einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise weisen die Löcher einen Durchmesser von 0,25 mm bis 2,5 mm, bevorzugt von 0,5 mm bis 2,0 mm und noch bevorzugter von 0,75 mm bis 1,5 mm auf, beispielsweise 1.0 mm. Die Löcher können sich in einer Richtung erstrecken, die parallel zu einer Aufbaurichtung des Schichtaufbaus ist. Die Löcher können so ausgebildet sein, dass in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle die thermische Masse des keramischen Schichtaufbaus 10 % bis 50 %, bevorzugt 15 % bis 45 % und noch bevorzugter von 20 % bis 40 % kleiner als außerhalb der elektrochemischen Zelle ist. Zwischen dem Heizelement und der mindestens einen keramischen Schicht kann mindestens eine Isolationsschicht angeordnet sein.
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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 ist zum Erwärmen der elektrochemischen Zelle eingerichtet. Der keramische Schichtaufbau wird derart ausgebildet, dass er in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle mehrere Löcher aufweist, so dass der keramische Schichtaufbau in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweist als außerhalb der elektrochemischen Zelle.
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Der Schichtaufbau kann gesintert werden und die Löcher können durch Bohren oder Stanzen in einem gesinterten Zustand des Schichtaufbaus ausgebildet werden. Die Löcher können alternativ in einem ungesinterten Zustand des Schichtaufbaus ausgebildet werden. Es kann mindestens eine keramische Schicht hergestellt werden, die auf einer der elektrochemischen Zelle abgewandten Seite und/oder zugewandten Seite des Heizelements angeordnet wird, wobei die mindestens eine keramische Schicht durch Gießen einer keramischen Masse auf eine Unterlage hergestellt wird, wobei die Unterlage Vorsprünge aufweist, so dass in der mindestens einen keramischen Schicht Löcher ausgebildet werden. Die Löcher können als Sacklöcher ausgebildet werden.
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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. Die Aufbaurichtung des Schichtaufbaus bestimmt sich entsprechend durch eine Richtung senkrecht zu den jeweiligen Schichten bzw. Schichtebenen.
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Unter einem Festelektrolyten oder einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten 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. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein.
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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.
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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.
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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 700 °C bis 950 °C sein.
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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 indem 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, da dieser einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann also 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.
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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.
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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.
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Unter einer Anordnung „im Bereich der elektrochemischen Zelle“ ist eine Anordnung eines Bauteils zu verstehen, die in einer Richtung senkrecht zu den Schichten des Schichtaufbaus gesehen mit der elektrochemischen Zelle zumindest teilweise überlappt.
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Unter einer thermischen Masse pro Längeneinheit ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Wärmekapazität des keramischen Schichtaufbaus pro Längeneinheit in Längserstreckungsrichtung zu verstehen.
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Unter einem Loch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein in einem Material, Element oder Körper befindlicher, offener Hohlraum zu verstehen. Das Loch kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, wie beispielsweise mehreckig, rechteckig, quadratisch, elliptisch, kreisförmig. Fertigungsbedingt können kreisförmige Querschnitte, die durch Bohren oder Stanzen hergestellt werden, bevorzugt werden. Unter einem Sackloch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon abgeleitet ein offener Hohlraum zu verstehen, der das Material, das Element oder den Körper in seiner nicht vollständig durchdringt, sondern als eine Art Vertiefung ausgebildet ist.
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist, das Volumen und somit die thermische Masse in dem eigentlichen heißen Bereich, d. h. im Heizbereich, durch das Vorsehen von Löchern in einer keramischen Folie, die an das Heizelement angrenzt bzw. auf der das Heizelement elektrisch isoliert angeordnet ist, zu reduzieren und so ein schnelleres Erreichen der Arbeitstemperatur des Sensorelements zu ermöglichen.
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Beispielsweise kann die Heizfolie wie bisher bedruckt werden und anschließend werden im Heizbereich Sacklöcher auf der dem Heizelement gegenüberliegenden Folienseite gebohrt. Es können aber auch vorab gelochte Folien hergestellt werden, wie beispielsweise durch ein präpariertes Gießband bei der Folienherstellung. Auf dem Gießband sind dann genau positionierte Erhöhungen angebracht, die ähnlich wie Wasserzeichen bei der Papierherstellung, Vertiefungen in der Heizfolie erzeugen. Durch diese Gießtechnik können auch Referenzluftkanäle, Durchkontaktierungslöcher und Volumina von Pumpzellen schon bei der Folienherstellung in die Folie eingefügt werden. Am Beispiel einer Heizfolie kann durch ein geeignetes Lochmuster im heißen Bereich das Volumen um ca. 30% reduziert werden und trotzdem eine ausreichende Stabilität erreicht werden. Ähnlich kann auch bei weiteren Folien, wie beispielsweise eine Zwischenfolie oder Sensorfolie, des Multilayers vorgegangen werden. Ein derartiges Sensorelement kann durch Einsichtnahme eindeutig erkannt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements und
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2 eine Unteransicht des erfindungsgemäßen Sensorelements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10. 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 und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
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Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 weist einen keramischen Schichtaufbau auf. Der keramische Schichtaufbau 12 umfasst einen Festelektrolyten 14 und mindestens zwei Elektroden 16. 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 und mindestens eine Heizfolie bzw. Heizschicht. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel sind beispielsweise eine erste Heizschicht 14b, eine zweite Heizschicht 14c und eine Zwischenschicht 14d vorgesehen, die übereinander bzw. untereinander angeordnet sind und auf die nachstehend noch ausführlicher eingegangen wird. Die Elektroden 16 sind durch den Festelektrolyten 14 und genauer durch die Pumpschicht 14a miteinander verbunden, insbesondere elektrisch verbunden.
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Das Sensorelement 10 weist ferner ein Heizelement 18 auf. Das Heizelement 18 ist zwischen der Pumpschicht 14a und der Heizschicht angeordnet. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 18 so angeordnet, dass die erste Heizschicht 14b dem Heizelement 18 zugewandt ist und die zweite Heizschicht 14c dem Heizelement 18 abgewandt ist. Entsprechend befindet sich die erste Heizschicht 14b zwischen der zweiten Heizschicht 14c und dem Heizelement 18. Auf der der ersten Heizschicht 14b gegenüberliegenden Seite des Heizelements 18 ist die Zwischenschicht 14d angeordnet. Die Zwischenschicht 14d ist somit dem Heizelement 18 ebenfalls zugewandt und befindet sich genauer zwischen der Pumpschicht 14a und dem Heizelement 18. Ferner ist das Heizelement 18 zwischen der Zwischenschicht 14d und der ersten Heizschicht 14b sandwichförmig eingebettet.
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Das Sensorelement 10 weist ferner einen Gaszutrittsweg 20 auf. Der Gaszutrittsweg 20 weist ein Gaszutrittsloch 22 auf, das sich von einer Oberfläche 24 des Festelektrolyten 14 und insbesondere der Pumpschicht 14a ins Innere des Schichtaufbaus 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 14 kann ein Elektrodenhohlraum 26 vorgesehen sein, der das Gaszutrittsloch 22 umgibt, beispielsweise ringförmig oder rechteckig. Der Elektrodenhohlraum 26 ist Teil des Gaszutrittswegs 20 und kann über das Gaszutrittsloch 22 mit dem Messgas in dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 22 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 24 des Festelektrolyten 14 in das Innere des Schichtaufbaus 12. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 26 im Wesentlichen ringförmig oder rechteckig ausgebildet und an drei Seiten von dem Festelektrolyten 14 begrenzt. Zwischen dem Gaszutrittsloch 22 und dem Elektrodenhohlraum 26 ist ein Kanal 28 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 20 ist. In diesem Kanal 28 ist eine Diffusionsbarriere 30 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 26 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Die Elektroden 16 können als erste Elektrode und zweite Elektrode bezeichnet werden, ohne jedoch eine Gewichtung anzugeben, sondern lediglich um diese begrifflich unterscheiden zu können. Die erste Elektrode ist auf der Oberfläche 24 des Festelektrolyten 14 und genauer auf der Oberfläche 24 der Pumpschicht 14a angeordnet. Die zweite Elektrode 16, die in 1 zu sehen ist, ist in dem Elektrodenhohlraum 26 angeordnet.
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Der Schichtaufbau 12 umfasst ferner eine elektrochemische Zelle in Form einer Pumpzelle 32. Über die Diffusionsbarriere 30 lässt sich ein Grenzstrom der Pumpzelle 32 einstellen. Die Pumpzelle 32 umfasst die auf der Oberfläche 24 der Pumpschicht 14a angeordnete erste Elektrode 16 und die in dem Elektrodenhohlraum 26 angeordnete zweite Elektrode 16. Der oben genannte Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen den beiden Elektroden 16 über den Festelektrolyten 14 dar. In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 ist das Heizelement 18 in dem Schichtaufbau 12 angeordnet. Das Heizelement 18 weist einen Heizbereich 34 und elektrische Zuleitungsbahnen 36 auf. Der Heizbereich 34 ist beispielsweise mäanderförmig ausgebildet. Das Heizelement 18 ist zwischen der Zwischenschicht 14d und der ersten Heizschicht 14b angeordnet und von diesen durch Isolationsschichten 38 getrennt. Die erste Heizschicht 14b und die zweite Heizschicht 14c sind somit auf einer der Pumpzelle 32 abgewandten Seite des Heizelements 18 angeordnet. Die Isolationsschichten 38 sind aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt. Das elektrisch isolierende Material ist beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3). Eine derartige Isolationsschicht 38 ist aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt, so dass diese nicht näher beschrieben wird. Für weitere Details bezüglich der Isolationsschicht 38 aus dem elektrisch isolierenden Material wird daher auf den oben genannten Stand der Technik, verwiesen, dessen Inhalt betreffend die Isolationsschicht 38 aus dem elektrischen Material durch Verweis hierin eingeschlossen ist.
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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. Der Luftreferenzkanal muss nicht als makroskopischer Luftreferenzkanal ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Luftreferenzkanal als so genannte gepumpte Referenz ausgeführt sein, d. h. als künstliche Referenz. Die dritte Elektrode kann in dem Elektrodenhohlraum 26 angeordnet sein. Beispielsweise liegt die dritte Elektrode der zweiten Elektrode 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 weitere elektrochemische Zelle, wie beispielsweise eine Nernstzelle. Mittels der Pumpzelle 32 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 32 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 26 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 26 geschlossen werden.
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Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich der keramische Schichtaufbau 12 in einer durch einen Pfeil angegebenen Längserstreckungsrichtung 40. Der keramische Schichtaufbau 12 weist beispielsweise ein anschlussseitiges Ende 42 und ein in der Längserstreckungsrichtung 40 gesehen dem anschlussseitigen Ende 42 gegenüberliegendes messgasraumseitiges Ende 44. Das messgasraumseitige Ende 42 ist zum Verbinden mit einem nicht näher gezeigten Sensorgehäuse ausgebildet. Insbesondere werden die Zuleitungsbahnen 36 des Heizelements 18 und die Elektroden 16 mit Anschlüssen 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 32 und der Heizbereich 34 sind in der Nähe des messgasraumseitigen Endes 44 angeordnet. Der Heizbereich 34 und die Pumpzelle 32 überlappen zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung 40 gesehen.
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Der Schichtaufbau 12 weist in der Längserstreckungsrichtung 40 betrachtet in einem Bereich 46 der Pumpzelle 32 mehrere Löcher 48 auf, so dass der Schichtaufbau 12 in der Längserstreckungsrichtung 40 betrachtet in dem Bereich 46 der Pumpzelle 32 eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweist als außerhalb der Pumpzelle 32. Beispielsweise sind 30 Löcher 48 in der Heizschicht ausgebildet. Beispielsweise sind die Löcher 48 in einem rechteckigen Muster angeordnet. Der Bereich 46 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Länge, die eine Abmessung in der Längserstreckungsrichtung 40 ist, von 12 mm bis 16 mm auf, beispielsweise 14 mm. Der Bereich 46 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Breite von 4 mm bis 6 mm auf, beispielsweise 5 mm.
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2 zeigt eine Unteransicht des Sensorelements 10, so dass man auf die zweite Heizschicht 14c blickt und dabei die Löcher 48 erkennt. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Löcher 48 in der zweiten Heizschicht 14c ausgebildet. Die Löcher 48 sind insbesondere als Sacklöcher ausgebildet, die sich von einer dem Heizelement 18 abgewandten Oberfläche 50 der zweiten Heizschichte 14c senkrecht in Richtung zu dem Heizelement 18 erstrecken. Die Löcher 48 erstrecken sich somit in einer Richtung, die parallel zu einer Aufbaurichtung des Schichtaufbaus 12 ist. Durch die Ausbildung als Sacklöcher durchdringen die Löcher 48 die erste Heizschicht 14b nicht. Grundsätzlich können die Löcher 48 jedoch auch die erste Heizschicht 14b durchdringen. Die Isolationsschicht 38 wird jedoch in keinem Fall mit Löchern 48 versehen, um die elektrisch isolierenden Eigenschaften der Isolationsschicht 38 nicht zu beeinträchtigen. Die Löcher 48 können durch Bohren oder Stanzen ausgebildet sein. Wie insbesondere der Darstellung der 2 entnehmbar ist, weisen die Löcher 48 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Löcher 48 können beispielsweise einen Durchmesser von 0,25 mm bis 2,5 mm, bevorzugt von 0,5 mm bis 2,0 mm und noch bevorzugter von 0,75 mm bis 1,5 mm aufweisen, beispielsweise 1,0 mm. Die Löcher 48 können so ausgebildet werden, dass in Längserstreckungsrichtung betrachtet in dem Bereich 46 der elektrochemischen Zelle 32 die thermische Masse des Schichtaufbaus 10 % bis 50 %, bevorzugt 15 % bis 45 % und noch bevorzugter von 20 % bis 40 % kleiner als außerhalb der elektrochemischen Zelle 32 ist. Wie die 1 zeigt, können die Löcher 48 alternativ oder zusätzlich in der Zwischenschicht 14d ausgebildet sein. Die Löcher 48 können grundsätzlich in der gleichen Form oder einer davon abweichenden Form wie in der zweiten Heizschicht 14c ausgebildet sein.
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Das Sensorelement 10 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 32, ausgebildet wird. Wie oben beschrieben, weist die elektrochemische Zelle 32 mindestens zwei Elektroden 16 und mindestens einen die Elektroden 16 verbindenden Festelektrolyten 14 auf. In dem Schichtaufbau 12 wird weiterhin mindestens ein Heizelement 18 ausgebildet. Das Heizelement 18 ist zum Erwärmen der elektrochemischen Zelle 32 eingerichtet. 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 18, die Isolationsschichten 38, die Elektroden 16, angeordnet werden, wie beispielsweise durch Siebdrucktechnik, bevor die jeweils nächste Schicht angeordnet wird. Zur Herstellung der jeweiligen Keramikschichten, wie beispielsweise der Pumpschicht 14a, der Heizschichten 14b, 14c und der Zwischenschicht 14d, ist beispielsweise ebenfalls die Folientechnik bekannt. Dabei werden die einzelnen Schichten bzw. Folien hergestellt, wie beispielsweise aus einer großen Masse ausgestanzt. Insbesondere wird die Ausbildung des Schichtaufbaus 12 mit der beispielsweise zweiten Heizschicht 14c begonnen und alle weiteren Schichten und Funktionselemente nacheinander auf dieser angeordnet. Diese Technik zum Aufbau des Schichtaufbaus ist auch als Multilayer oder Mehrlagentechnik bekannt. Da diese Techniken und der Aufbau des Schichtaufbaus 12 soweit an sich bekannt ist, wird auf nähre Einzelheiten an dieser Stelle nicht eingegangen. 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 32 eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweist, indem mehrere Löcher 48 durch Bohren oder Stanzen in die Heizschicht und insbesondere in die zweite Heizschicht 14c in der oben beschriebenen Form eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich können die Löcher 48 in die Zwischenschicht 14d eingebracht werden.
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Alternativ kann zur Herstellung der Keramikschichten, wie beispielsweise der Pumpschicht 14a, der Heizschichten 14b, 14c und der Zwischenschicht 14d, das Foliengießen als die bevorzugte keramische Formgebungstechnologie angewandt werden. Die Löcher 48 können dabei in der Zwischenschicht 14d durch das Aufdrucken sogenannter Hohlraumbildner vorgesehen werden. Die keramischen Ausgangspulver werden dabei 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 eine auf eine definierte Höhe exakt eingestellte Gießrakel gleichmäßig auf eine ebene Unterlage, der so genannten Gießunterlage, verteilt. Die Unterlage weist dabei beispielsweise Vorsprünge auf, so dass in der zweiten Heizschicht 14c mindestens die Löcher 48 ausgebildet werden. Zur Herstellung von mehrlagigen Folien können mehrere Schichten, wie beispielsweise die erste Heizschicht 14b und die Pumpschicht 14a, die unterschiedliche Pulver enthalten können, übereinander gegossen werden. Dabei wird die Ausbildung des Schichtaufbaus 12 insbesondere mit der zweiten Heizschicht 14c begonnen und alle weiteren Schichten und Funktionselemente, wie die Elektroden 16, das Heizelement 18 und die Isolationsschichten 38 nacheinander auf dieser angeordnet. Es versteht sich, dass dabei vor den weiteren Gießschritten für die Pumpschicht 14a das Heizelement 18, zumindest eine der Elektroden 16 und gegebenenfalls weitere Funktionselemente aufgebracht werden, beispielsweise aufgedruckt. Nach vollständiger Ausbildung des Schichtaufbaus 12 wird dieser gesintert. Beim Sintern verbrennt dabei der Hohlraumbildner vorzugsweise rückstandsfrei und hinterlässt die Löcher 48 in der Zwischenschicht 14d als Hohlräume.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0002]
