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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von bekannten Verfahren zur Herstellung keramischer Sensorelemente, mit mindestens einem zwischen einer ersten Isolationsschicht und einer zweiten Isolationsschicht eingebetteten elektrischen Heizelement. Derartige Sensorelemente werden in einer Vielzahl von Sensoren eingesetzt, insbesondere in keramischen Sensoren, beispielsweise in planaren Lambdasonden.
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Wie es bekannt ist, werden derartige Sensorelemente, wie sie beispielsweise in der
DE 103 59 569 A1 als ein Schichtverbund beschrieben sind, unter Verwendung verschiedener Produktionstechniken und Bearbeitungstechniken, wie beispielsweise Foliengießen, Siebdrucken, Laminieren und Sintern, erhalten.
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So kann beispielsweise bei der Herstellung derartiger Schichtverbunde ein Heizer auf eine erste Isolationsschicht aufgedruckt und nach einer Trocknung vorgepresst werden. Dieses Vorpressen des Heizers wird üblicherweise benötigt, um die aufgrund des üblicherweise verwendeten Siebdruckverfahrens sehr lockere poröse Struktur des Heizers weiter zu verdichten und stärker mit der darunterliegenden Isolationsschicht zu verbinden. Weiterhin wird hierdurch eine geometrisch mittige Lage des Heizers im fertigen Schichtverbund bewirkt.
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Die nach bekannten Herstellungsverfahren gefertigten Sensorelemente weisen in der elektrisch leitenden Bahn des Heizers häufig eine produktionstechnisch bedingte Widerstandsstreuung des Heizers sowie eine inhomogene Ausbildung des Heizers auf. Um dennoch einen geforderten Wirkungsgrad erreichen zu können, muss entsprechend mehr Material zur Bildung des Heizers verwendet werden, was sich nachteilig in den Kosten für die Materialbeschaffung bemerkbar macht.
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Demgegenüber ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Sensorelements bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere wäre ein Verfahren wünschenswert, welches eine Fertigung eines Sensorelements mit mindestens einem zwischen einer ersten Isolationsschicht und einer zweiten Isolationsschicht eingebetteten elektrischen Heizelement ermöglicht, wobei eine Streuung eines Heizwiderstands möglichst gering gehalten werden soll und wobei ein Materialverbrauch an Material für das Heizelement möglichst reduziert werden soll im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Sensorelements vorgeschlagen, wobei das Sensorelement mindestens ein zwischen eine erste Isolationsschicht und eine zweite Isolationsschicht eingebettetes elektrisches Heizelement aufweist und das Verfahren wenigstens die nachfolgenden Schritte umfasst. Das Verfahren kann die Verfahrensschritte in der dargestellten Reihenfolge umfassen. Auch eine andere Reihenfolge ist jedoch möglich. Weiterhin können zwei oder mehrere Verfahrensschritte auch zusammengefasst, zeitlich überlappend, zeitlich parallel oder wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann zudem auch weitere, nicht genannte Verfahrensschritte umfassen.
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Das vorgeschlagene Verfahren sieht es erfindungsgemäß vor, dass eine erste Isolationsschicht bereitgestellt wird (Verfahrensschritt a)) und in einem weiteren Verfahrensschritt (Verfahrensschritt b)) die erste Isolationsschicht mittels mindestens eines ersten Presswerkzeugs zumindest abschnittsweise gepresst wird. Weiterhin sieht es das vorgeschlagene Verfahren in einem weiteren Schritt (Verfahrensschritt c)) vor, dass das elektrische Heizelement auf die zumindest abschnittsweise gepresste erste Isolationsschicht aufgebracht wird. Zudem ist es in einem letzten Verfahrensschritt gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren vorgesehen, dass die zweite Isolationsschicht auf das elektrische Heizelement aufgebracht wird. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Verfahrensschritt, in welchem die erste Isolationsschicht zumindest abschnittsweise mittels eines ersten Presswerkzeugs gepresst wird, lässt sich die Oberfläche der ersten Isolationsschicht in dem einen oder den mehreren gepressten Abschnitten in vorteilhafter Weise verdichten und des Weiteren gegenüber einem ungepressten Abschnitt der ersten Isolationsschicht glätten. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise bewirkt, dass durch das entsprechend abschnittsweise Verdichten des Materials der ersten Isolationsschicht, welche zugleich die Grundschicht, bzw. eine Art Fundamentschicht für den laminaren Aufbau des Sensorelements darstellt, eine stabile Grundschicht bereitgestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass aufgrund des verwendeten Presswerkzeugs ein Glätten der abschnittsweise gepressten Oberfläche einhergeht, so dass mit der abschnittsweisen gepressten ersten Isolationsschicht eine ebene Grundfläche zum nachfolgenden Aufbringen des elektrischen Heizelements geschaffen werden kann, wodurch das aufgebrachte Material des elektrischen Heizelements ebenfalls eine definierte ebene Abgrenzungsfläche zur ersten Isolationsschicht erhält. Aufgrund dieser scharfkantigen Trennung der Materialien des Heizelements und der ersten Isolationsschicht wird in vorteilhafter Weise eine Verringerung der Widerstandsstreuung erzielt, insbesondere deshalb, da beim Aufbringen des elektrischen Heizelements, aufgrund der vorliegenden geglätteten Oberfläche der ersten Isolationsschicht, das aufgebrachte Heizelement eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweisen kann, welche zudem eine über den Verlauf des elektrischen Heizelements hinweg betrachtet gleichmäßig verteilten Widerstand aufweisen kann.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass zwischen dem Aufbringen des elektrischen Heizelements auf die gepresste erste Isolationsschicht (Verfahrensschritt c) und dem Aufbringen der zweiten Isolationsschicht auf das elektrische Heizelement (Verfahrensschritt d) weiterhin ein zumindest abschnittsweises Pressen des auf die erste Isolationsschicht aufgebrachten elektrischen Heizelements mittels mindestens eines zweiten Presswerkzeugs vorgesehen ist (Verfahrensschritt e). Durch diesen zusätzlichen Verfahrensschritt lässt sich das elektrische Heizelement in dem entsprechend mit dem zweiten Presswerkzeug gepressten Abschnitt zusätzlich verdichten und somit in vorteilhafter Weise in seiner von der relativen Dichte abhängigen Leitfähigkeit beeinflussen. Darüber hinaus wird durch den Pressvorgang auf die Oberseite des elektrischen Heizelements in weiterhin vorteilhafter Weise eine stabilere Verbindung mit der darunter angeordneten ersten Isolationsschicht erzielt. Als weiterer Vorteil kann hierdurch erreicht werden, dass das Heizelement eine geglättete ebene Oberfläche erhält, wodurch auch auf der Oberseite gegenüber der auf dem Heizelement aufgebrachten zweiten Isolationsschicht eine entsprechende Abgrenzung erfolgt. Ein weiterer Vorteil ist, dass hierdurch ebenfalls die Lage des Heizelements zwischen der ersten und der zweiten Isolationsschicht derart beeinflusst und eine insbesondere mittige Lage erzielt werden kann.
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Darüber hinaus kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Isolationsschicht und/oder die zweite Isolationsschicht mindestens ein elektrisch isolierendes Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid, umfasst. Zur gezielten Beeinflussung der Eigenschaften des Heizelements kann das zweite Presswerkezeug insbesondere identisch oder verschieden zum ersten Presswerkzeug sein. Insbesondere kann es hierbei vorgesehen sein, dass das zweite Presswerkzeug ein vollflächiges ebenes Presswerkzeug sein kann. Anders ausgedrückt kann das zweite Presswerkzeug bevorzugt eine vollflächige ebene Oberfläche aufweisen, welche beim Pressvorgang des elektrischen Heizelements mit diesem in Verbindung gebracht wird.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass zum Aufbringen des elektrischen Heizelements (Verfahrensschritt c) mindestens eine Paste auf die gepresste erste Isolationsschicht aufgebracht wird, wobei die Paste mindestens ein metallisches Material, insbesondere Platin, des elektrischen Heizelements umfasst. Platin eignet sich zur Verwendung in dem elektrischen Heizelement, alleine aufgrund seines relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstands und die dementsprechende Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie.
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Insbesondere kann es hierbei vorgesehen sein, dass die Paste mittels eines Druckverfahrens, insbesondere mittels eins Sieb-Druck-Verfahrens, auf die vorgepresste erste Isolationsschicht aufgebracht wird.
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Gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens kann es beispielsweise weiter vorgesehen sein, dass die Paste nach dem Aufbringen zumindest teilweise getrocknet wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise bewirkt, dass bei dem Pressvorgang die aufgedruckte Paste nicht am zweiten Presswerkzeug bei dem Entfernen desselben haften bleibt.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann es weiter vorgesehen sein, dass beim Pressen der ersten Isolationsschicht mittels des ersten Presswerkzeugs (Verfahrensschritt b) eine Oberfläche der ersten Isolationsschicht zumindest abschnittsweise geglättet wird, um eine möglichst ebene und geschlossene Grenzfläche zum Aufbringen des elektrischen Heizelements bereitzustellen. Hierbei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die erste Isolationsschicht nach dem Glätten bevorzugt eine Oberflächenrauigkeit (RMS-Rauigkeit) von weniger als 0,5 μm, vorzugsweise von weniger als 0,3 μm aufweist.
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Hieraus ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass besonders bei einem lediglich abschnittsweisen Vorpressen bzw. abschnittsweisen Glätten der Oberfläche der ersten Isolationssicht zumindest in den Bereichen, die nicht von dem elektrischen Heizelement belegt werden, eine ausreichende Oberflächenrauigkeit erhalten bleibt, um beim Aufbringen der zweiten Isolationsschicht durch den direkten Kontakt mit den entsprechenden Bereichen der ersten Isolationsschicht eine möglichst starke stoffschlüssige Verbindung erfolgen kann. Dies ist einerseits vorteilhaft im Hinblick auf eine dauerhafte Verbindung der Schichten des Sensorelements und andererseits im Hinblick darauf, einer ggf. möglichen Delamination während des Einsatzes des Sensorelements zu verhindern.
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Ebenso kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens vorgesehen sein, dass in dem Verfahrensschritt b), insbesondere bei einem lediglich abschnittsweisen Pressen der ersten Isolationsschicht, weiterhin mindestens eine Prägung erfolgt, wobei das erste Presswerkzeug mindestens ein Prägewerkzeug umfasst, und mittels des Prägewerkzeuges mindestens eine Kanalstruktur für das elektrische Heizelement in die erste Isolationsschicht eingeprägt wird. Die hierbei eingeprägte Kanalstruktur entspricht bevorzugt der Struktur des gewünschten Heizelements. Anders ausgedrückt weist die Kanalstruktur hierbei bevorzugt denselben Verlauf auf, welchen das elektrische Heizelement in dem fertigen Sensorelement aufweisen soll. Weiterhin kann es hierbei in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die geprägte Kanalstruktur eine Tiefe aufweist, welche insbesondere der Hälfte der zu erreichenden Dicke des Heizelements entspricht, wobei die Tiefe bevorzugt im Bereich von 2 μm bis 20 μm, weiter bevorzugt von 5 μm bis 10 μm, liegt. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens mit dem Einprägen einer Kanalstruktur, kann es vorteilhaft weiter vorgesehen sein, dass die eingeprägte Kanalstruktur in Bezug auf die zu erreichenden Abmessungen der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht eine Tiefe aufweist, die für eine mittige Lage des elektrischen Heizelements zwischen der ersten und der zweiten Isolationsschicht sorgt.
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Hierbei kann es weiter vorgesehen sein, dass eine Oberfläche der ersten Isolationsschicht mit der geprägten Kanalstruktur eine Oberflächenrauigkeit von weniger als 0,7 μm, vorzugsweise von weniger als 0,5 μm, aufweist.
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Bei einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens mit einer mittels eines Prägewerkzeugs in die erste Isolationsschicht eingeprägten Kanalstruktur kann es weiter vorgesehen sein, dass mindestens eine Paste auf die gepresste erste Isolationsschicht aufgebracht wird, wobei die Paste mindestens ein metallisches Material des elektrischen Heizelements umfasst, wobei die Paste in die geprägte Kanalstruktur gefüllt wird. Beispielsweise kann hierfür eine Paste verwendet werden, welche mindestens ein metallisches Pulver aufweist, beispielsweise mindestens ein metallisches Pulver ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Platinpulver und einem Palladium-Pulver. Zusätzlich zu dem mindestens einen metallischen Material kann die Paste weiterhin beispielsweise mindestens einen organischen Binder und/oder mindestens ein Lösungsmittel aufweisen. Weiterhin kann die Paste beispielsweise ein oder mehrere keramische Materialien umfassen, beispielsweise ein oder mehrere keramische Pulver.
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Hierbei hat es sich in vorteilhafter Weise gezeigt, dass bei einem Einfüllen der Paste in die vertiefte Prägung der Kanalstruktur die Paste bis an die vorgegebenen Strukturkanten verläuft und diese gleichmäßig ausfüllt. Hieraus ergib sich der Vorteil, dass die der Kanalstruktur durch das Prägen verliehene Kantenschärfe der in die Kanalstruktur eingefüllten Paste und folglich auch dem fertigen Heizelement eine im Wesentlichen rechteckförmige Querschnittsfläche verleiht, wodurch sich das Heizelement in vorteilhafter Weise weiter homogener über den Verlauf des Heizelements hinweg betrachtet ausgestalten lässt und in ebenso vorteilhafter Weise eine Widerstandsstreuung des Heizelements weiter verringert wird.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass das Heizelement eine Mäanderstruktur umfasst. Eine Mäanderstruktur kann beispielsweise eine Struktur mit einer oder mehreren Bahnen sein, die eine, zwei oder mehr Windungen aufweisen, beispielsweise Windungen, in denen eine Richtung eines Verlaufs der jeweiligen Bahn um 80°–180° umgelenkt wird. Die Mäanderstruktur kann ganz oder teilweise eckig und/oder auch ganz oder teilweise abgerundet sein.
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Das elektrische Heizelement kann zwischen der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht einen zumindest abschnittsweise mäanderförmigen Verlauf aufweisen, welcher bevorzugt an die jeweiligen Erfordernisse des entsprechenden Sensorelements angepasst sein können. Hierzu kann es, insbesondere im Falle eines vorgeschlagenen Verfahrens mit einer Einprägung einer Kanalstruktur, vorgesehen sein, dass die Mäanderstruktur des Heizelements mittels des Prägewerkzeugs der Kanalstruktur vorgegeben wird, wobei die Kanalstruktur bevorzugt die Mäanderstruktur des Heizelements aufweist.
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Bei einem der zuvor vorgeschlagenen Verfahren kann es weiter vorgesehen sein, dass die erste Isolationsschicht im Verfahrensschritt a) auf mindestens einer keramischen Trägerschicht bereitgestellt wird. Insbesondere kann es hierbei vorgesehen sein, dass die erste Isolationsschicht in einem in Verfahrensschritt a) durchgeführten Druckverfahren, insbesondere einem Siebdruckverfahren, auf die keramische Trägerschicht aufgedruckt wird. Die keramische Trägerschicht kann hierzu insbesondere aus einem keramischen Festelektrolyten gebildet sein. Das Vorsehen einer keramischen Trägerschicht hat hierbei insbesondere den Vorteil, dass diese als Grundschicht für den Aufbau des Sensorelements dient und dem fertigen Sensorelement im Wesentlichen eine stabilere Grundlage und Form verleiht.
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Gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens, gemäß welcher eine keramische Trägerschicht unter der ersten Isolationsschicht vorgesehen ist, kann es weiter von Vorteil sein, wenn auf der zweiten Isolationsschicht in Verfahrensschritt d), oder im Anschluss an Verfahrensschritt d), mindestens eine weitere keramische Trägerschicht angeordnet wird. Demgemäß kann es vorgesehen sein, dass das zwischen einer ersten Isolationsschicht und einer zweiten Isolationsschicht eingebettete elektrische Heizelement zusammen mit der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht zwischen zwei keramischen Trägerschichten angeordnet ist. Hierdurch wird die Stabilität des gesamten Schichtverbundes des Sensorelements in abermals vorteilhafter Weise erhöht. Hierbei kann es insbesondere weiter vorgesehen sein, dass auch die weitere keramische Trägerschicht aus einem keramischen Festelektrolyten gebildet sein kann.
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Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass das nach einem der vorhergehenden Verfahren zum Herstellen eines keramischen Sensorelements gefertigte Sensorelement, ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Gases, sein kann. Weiterhin kann das Sensorelement hierzu mindestens eine elektrochemische Zelle umfassen, welche mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweisen kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1a–g) eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem vollflächigen Pressen der ersten Isolationsschicht, in verschiedenen Zwischenschritten,
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2a)–g) eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem abschnittsweisen Pressen der ersten Isolationsschicht, in verschiedenen Zwischenschritten,
und
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3a)–g) eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Prägen der ersten Isolationsschicht, in verschiedenen Zwischenschritten.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Darstellungen der 1a bis 1g wird eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines keramischen Sensorelements 1 anhand verschiedener Darstellungen des Sensorelements 1 nach verschiedenen Zwischenschritten beschrieben.
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Wie der Darstellung in 1g gezeigt ist, weist das Sensorelement 1 mindestens ein zwischen eine erste Isolationsschicht 2 und eine zweite Isolationsschicht 4 eingebettetes elektrisches Heizelement 6 auf, wobei unter der ersten Isolationsschicht 2 eine erste keramische Trägerschicht 8 und auf der zweiten Isolationsschicht 4 eine weitere keramische Trägerschicht 10 angeordnet ist.
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Um das in 1g dargestellte Sensorelement 1 herzustellen, wird gemäß den 1a bis 1f verfahren. Zunächst wird, wie in 1a dargestellt, gemäß einer Variante des Verfahrensschritts a) eine auf einer ersten keramischen Trägerschicht 8 aufgebrachte erste Isolationsschicht 2 bereitgestellt. Diese erste Isolationsschicht 2 weist zunächst eine raue Oberfläche 12 auf, welche gemäß des in 1b dargestellten Verfahrensschrittes b) mittels eines ersten Presswerkzeugs 14, durch ein Pressen desselben auf die Oberfläche 12 der ersten Isolationsschicht 2, verdichtet und zugleich geglättet. Das gemäß der dargestellten Ausführungsform verwendete erste Presswerkzeug 14 weist eine ebene Anpressfläche 16 auf. Ein sich hieraus ergebendes Gebilde, einer mit einer gepressten Oberfläche 12 versehenen ersten Isolationsschicht 2 auf einer ersten keramischen Trägerschicht 8 ist in der Darstellung von 1c gezeigt.
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Gemäß der nachfolgenden Darstellung (1d) wird im nächsten Verfahrensschritt c) das elektrische Heizelement 6 auf die gepresste erste Isolationsschicht 2 aufgebracht. Dies kann bevorzugt durch ein Siebdruckverfahren erfolgen. Im Anschluss daran kann bevorzugt ein weiterer Verfahrensschritt erfolgen, in welchem, wie in 1e dargestellt, das aufgebrachte elektrische Heizelement 6 mittels eines zweiten Presswerkzeugs 18, welches wie dargestellt mit dem ersten Presswerkzeug 14 identisch sein kann, zumindest abschnittsweise gepresst wird. Hierdurch wird die Widerstandsstreuung in vorteilhafter Weise beeinflusst, indem das aufgedruckte Heizelement 6 zum einen noch einmal verdichtet und dem Heizelement 6 zum anderen eine glatte Oberfläche verliehen wird. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass das Heizelement 6 zu einem Teil, bevorzugt bis zur Hälfte, in die erste Isolationsschicht 2 eingepresst wird, um die gewünschte Lage des Heizelements 6 im fertigen Sensorelement 1 vorzugeben. Ein mögliches Ergebnis eines solchen Schrittes ist in 1f gezeigt. Abschließend ist es gemäß Verfahrensschritt d) vorgesehen, eine zweite Isolationsschicht 4 auf das Heizelement 6 und die erste Isolationsschicht 2 aufzubringen. Wie bereits beschrieben ist in der Darstellung von 1g zusätzlich eine weitere keramische Trägerschicht 10 auf der zweiten Isolationsschicht 4 angeordnet, wobei die erste Isolationsschicht 2 und die zweite Isolationsschicht 4 zudem von einem keramischen Trägermaterial seitlich umfasst sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um dasselbe Material wie die erste keramische Trägerschicht 8 oder die zweite keramische Trägerschicht 10 handeln. Ebenso ist es denkbar, dass seitlich der ersten und zweiten Isolationsschicht 2, 4 angeordnete Trägermaterial integral, das heißt insbesondere einstückig, mit der ersten Trägerschicht 8 ausgebildet ist. Beispielsweise durch Vorsehen einer entsprechenden Vertiefung in dem Material der ersten Trägerschicht 8, in welche die erste Isolationsschicht 2 in Verfahrensschritt a) zum Bereitstellen der ersten Isolationsschicht 2 eingebracht wird.
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Die weiteren 2a bis 2g zeigen eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Darstellung der nach dem Verfahrensschritt a) bereitgestellten ersten Isolationsschicht 2, wie in 2a gezeigt, stimmt beispielsweise mit der Ausgangslage gemäß 1a überein. Diese erste Isolationsschicht 2 weist hier zunächst ebenfalls eine raue Oberfläche 12 auf, wie dies der 2a entnommen werden kann. Die Oberfläche 12 der ersten Isolationsschicht 2 wird anschließend gemäß des in 2b dargestellten Verfahrensschrittes b) mittels eines ersten Presswerkzeugs 14, durch ein Pressen desselben auf die Oberfläche 12 der ersten Isolationsschicht 2, zumindest abschnittsweise verdichtet und zugleich abschnittsweise geglättet. Das gemäß der dargestellten Ausführungsform verwendete erste Presswerkzeug 14‘ weist, anders als das erste Presswerkzeug 14 (1b) eine unebene, insbesondere profilierte Unterseite auf. Die resultierende Anpressfläche 16 des ersten Presswerkzeugs 14‘ entspricht der Fläche der stempelförmigen Vorsprünge, welche die Oberfläche 12 der ersten Isolationsschicht 2 beim Pressen lediglich abschnittsweise kontaktieren. Ein sich hieraus ergebendes Gebilde, einer mit einer lediglich abschnittsweise gepressten Oberfläche 12 versehenen ersten Isolationsschicht 2 auf einer ersten keramischen Trägerschicht 8 ist in der Darstellung von 2c gezeigt. In dieser Darstellung sind weiter die zu unterscheidenden gepressten Abschnitte 20, welche durch die Kontaktierung mit dem ersten Presswerkzeug 14‘ geglättet wurden, und die ungepressten Abschnitte 22 erkennbar.
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Gemäß der nachfolgenden Darstellung (2d) wird im nächsten Verfahrensschritt c) das elektrische Heizelement 6 auf die gepressten Abschnitte 20 der ersten Isolationsschicht 2 aufgebracht, so dass die ungepressten Abschnitte 22 unbedeckt und frei vom Material des Heizelements 6 bleiben. Dieses gezielt bereichsweise Auftragen eines Materials für das Heizelement 6 kann bevorzugt durch ein Siebdruckverfahren erfolgen. Im Anschluss daran kann bevorzugt ein weiterer Verfahrensschritt erfolgen, in welchem, wie in 1e dargestellt, das aufgebrachte elektrische Heizelement 6 mittels eines zweiten Presswerkzeugs 18, welches wie dargestellt von dem ersten Presswerkzeug 14‘ verschieden, jedoch identisch mit dem ersten Presswerkzeug 14 gemäß 1b oder 1e, sein kann, zumindest abschnittsweise gepresst wird. Hierdurch lässt sich ebenfalls die Widerstandsstreuung in vorteilhafter Weise beeinflussen, indem das aufgedruckte Heizelement 6 zum einen noch einmal verdichtet und dem Heizelement 6 zum anderen eine glatte Oberfläche verliehen wird.
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Weiterhin kann es hierbei ebenfalls vorgesehen sein, dass das Heizelement 6 zu einem Teil, bevorzugt bis zur Hälfte seiner Dicke, in die erste Isolationsschicht 2 eingepresst wird, um eine gewünschte Lage des Heizelements 6 im fertigen Sensorelement 1 zu vorzugeben. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass die Oberfläche 12 der ersten Isolationsschicht 2 auch nach diesem Verfahrensschritt zumindest in den ungepressten Abschnitten 22 noch eine raue Oberfläche aufweist. Ein mögliches Ergebnis eines solchen Schrittes ist in 2f gezeigt. Abschließend ist es abermals gemäß Verfahrensschritt d) vorgesehen, eine zweite Isolationsschicht 4 auf das Heizelement 6 und die erste Isolationsschicht 2 aufzubringen. Durch die abschnittsweise raue Oberfläche 12 der ersten Isolationsschicht 2 wird beim Aufbringen der zweiten Isolationsschicht 4 insbesondere in den ungepressten Abschnitten 22 eine sehr gute Verzahnung 28 zwischen der ersten Isolationsschicht 2 und der zweiten Isolationsschicht 4 erreicht. Diese kann in vorteilhafter Wirkung einer Delamination während des späteren Einsatzes des Sensorelements 1 entgegenwirken, bzw. eine solche verhindern. Der nach dieser Ausführungsform des Verfahrens gefertigte Sensorelement 1 mit einer Verzahnung 28 ist der Darstellung von 2g zu entnehmen.
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Die weiteren 3a bis 3g zeigen eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und werden im folgenden im Wesentlichen anhand ihrer Unterschiede zu den entsprechenden Darstellungen der 2a bis 2g beschrieben.
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Bei dem nunmehr anhand der 3a bis 3g beschriebenen Verfahren kommt, anders als bei der zuvor in 2a bis 2g beschriebenen Ausführungsform, in Verfahrensschritt b) ein Prägewerkzeug 24 zum Einsatz, welches sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass es auf seiner Unterseite eine Profilstruktur aufweist, welche insbesondere einem Layout des Heizelements 6 entspricht. Beim Pressen des Prägewerkzeugs 24 auf die raue Oberfläche 12 der ersten Isolationsschicht 2 wird durch dich Profilstruktur eine entsprechende vertiefte Kanalstruktur 26 in die erste Isolationsschicht 2 eingeprägt. Diese Kanalstruktur 26 ist der Darstellung in 3c im Detail zu entnehmen.
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Weiterhin ist in 3c gezeigt, dass zwischen der Kanalstruktur 26 ebenfalls ungepresste Abschnitte 22 der rauen Oberfläche 12 der ersten Isolationsschicht 2 ausgebildet sind, diese tragen bei einem späteren Auftragen einer zweiten Isolationsschicht zu einer besseren Verzahnung der beiden Isolationsschichten bei, wie dies bereits anhand der 2f und 2g beschrieben wurde und ebenfalls der Darstellung von 3g zu entnehmen ist.
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Gemäß des nachfolgend in 3d dargestellten nächsten Verfahrensschritts c), ist es vorgesehen, dass ein Material für das Heizelement 6 in die Kanalstruktur 26 eingebracht wird. Das Eingebrachte Material für das Heizelement 6 füllt die Kanalstruktur im Wesentlichen gleichmäßig aus. Dieses gezielt Einbringen des Materials für das Heizelement 6 kann auf einfache Weise bevorzugt ebenfalls durch ein Siebdruckverfahren erfolgen.
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Die Verfahrensschritte gemäß den Darstellungen von 3e bis 3g sind im Wesentlichen die selben, wie bei den vorherigen Ausführungsformen, mit der einzigen Beschränkung, dass das Heizelement 6 beim bevorzugt weiteren Pressen der Oberfläche des Heizelements 6 nach dessen Einbringen in die Kanalstruktur 26 nicht weiter in die erste Isolationsschicht 2 eingepresst wird, sondern lediglich eine Verdichtung und Glättung der Oberfläche des Heizelements 6 erfolgt, da eine gewünschte Lage des Heizelements 6 im fertigen Sensorelement 1 bereits durch das Einbringen der Kanalstruktur vorzugeben werden kann. Eine entsprechende Nachkorrektur ist an dieser Stelle jedoch denkbar.
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Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die gemäß Verfahrensschritt a) bereitgestellte erste Isolationsschicht 2 eine Dicke aufweist, welche mehr als die Hälfte der Gesamtdicke der ersten und zweiten Isolationsschicht 2, 4 des fertigen Sensorelements 1 umfasst. Für den Fall, dass das in die Kanalstruktur 26 eingebrachte Material für das Heizelement 6 die Oberkanten der Kanalstruktur 26 nicht überragen sollte, kann ein nicht dargestellter Einsatz eines zweiten Presswerkzeuges 18 für das Glätten der Oberfläche des Heizelements 6 analog zu 3e erforderlich sein, welches ebenfalls eine mit der Kanalstruktur 26 übereinstimmende Anpressfläche auf der Unterseite des zweiten Presswerkzeugs 18 aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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