DE102013217863A1 - Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasst mindestens einen Festelektrolyten (12) mit mindestens einem Funktionselement (14) und eine Thermoschockschutzschicht (20). Die Thermoschockschutzschicht (20) weist einen ersten Abschnitt (22) mit einer geschlossenen Porosität und einen zweiten Abschnitt (24) mit einer offenen Porosität auf. Der erste Abschnitt (22) umgibt einen dem Messgas abgewandten Abschnitt (16) des Festelektrolyten (12) und der zweite Abschnitt (24) umgibt einen dem Messgas aussetzbaren Abschnitt (18) des Festelektrolyten (12). Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen.A sensor element (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, is proposed. The sensor element (10) comprises at least one solid electrolyte (12) with at least one functional element (14) and a thermal shock protection layer (20). The thermal shock protective layer (20) has a first portion (22) with a closed porosity and a second portion (24) with an open porosity. The first section (22) surrounds a section (16) of the solid electrolyte (12) facing away from the measurement gas, and the second section (24) surrounds a section (18) of the solid electrolyte (12) which can be exposed to the measurement gas. Furthermore, a method is proposed for producing a sensor element (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas.
Description
Stand der Technik State of the art
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung von 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 Messgas. 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. A large number of sensor elements and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, these can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more properties being able to be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a portion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas are detectable, such as the temperature.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus
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. In particular ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, that is to ion-conducting properties of these solids. In particular, these solids can be ceramic solid electrolytes, such as zirconium dioxide (ZrO 2 ), in particular yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ), and scandium-doped zirconium dioxide (ScSZ), the small additions of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or silicon oxide ( SiO 2 ).
An derartige Sensorelemente werden steigende Funktionsanforderungen gestellt. Insbesondere spielt eine schnelle Betriebsbereitschaft von Lambdasonden nach einem Motorstart eine große Rolle. Diese wird im Wesentlichen von zwei Aspekten beeinflusst. Der erste Aspekt betrifft ein rasches Aufheizen der Lambdasonde auf ihre Betriebstemperatur, die üblicherweise oberhalb von 600 °C liegt, was durch eine entsprechende Auslegung eines Heizelementes oder eine Verkleinerung des zu beheizenden Bereichs erreicht werden kann. Der andere Aspekt betrifft die Robustheit gegen Thermoschock durch Wasserschlag während eines Betriebs. Der genannte Thermoschock beruht darauf, dass für einen bestimmten Zeitraum nach dem Motorstart die Temperatur im Abgasrohr unterhalb des Taupunktes für Wasser liegt, so dass der bei der Verbrennung von Kraftstoff entstehende Wasserdampf im Abgasrohr kondensieren kann. Dadurch kommt es im Abgasrohr zur Bildung von Wassertropfen. Die aufgeheizte Keramik der Lambdasonde kann durch Auftreffen von Wassertropfen durch thermische Spannungen oder Brüche in der Sensorkeramik beschädigt oder sogar zerstört werden. Daher wurden Lambdasonden entwickelt, die eine poröse keramische Schutzschicht an ihrer Oberfläche aufweisen, die auch als Thermo-Shock-Protection-Schicht oder Thermoschockschutzschicht bezeichnet wird. Diese Schutzschicht sorgt dafür, dass auf die Lambdasonde auftreffende Wassertropfen über eine große Fläche verteilt werden und somit die auftretenden lokalen Temperaturgradienten in dem Festkörperelektrolyten bzw. der Sondenkeramik verringert werden. Diese Lambdasonden vertragen im beheizten Zustand also eine gewisse Tropfengröße an Kondenswasser, ohne beschädigt zu werden. At such sensor elements increasing functional requirements are made. In particular, a fast operational readiness of lambda sensors after an engine start plays a major role. This is essentially influenced by two aspects. The first aspect relates to a rapid heating of the lambda probe to its operating temperature, which is usually above 600 ° C, which can be achieved by a corresponding design of a heating element or a reduction of the area to be heated. The other aspect relates to the robustness against thermal shock due to water hammer during operation. Said thermal shock is based on the fact that for a certain period of time after engine start, the temperature in the exhaust pipe is below the dew point for water, so that the water vapor formed in the combustion of fuel in the exhaust pipe can condense. This causes the formation of drops of water in the exhaust pipe. The heated ceramic of the lambda probe can be damaged or even destroyed by the impact of water droplets due to thermal stresses or fractures in the sensor ceramic. Therefore, lambda probes have been developed which have a porous ceramic protective layer on their surface, which is also referred to as a thermal shock protection layer or thermal shock protection layer. This protective layer ensures that drops of water impinging on the lambda probe are distributed over a large area and thus the occurring local temperature gradients in the solid electrolyte or the probe ceramic are reduced. This lambda probes tolerate in the heated state so a certain drop size of condensation, without being damaged.
Die Schutzschicht wird üblicherweise in einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf das Sensorelement aufgebracht. Verschiedene Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Spinell (MgAl2O4), und Auftragtechniken sind hierfür im Einsatz. Beispielsweise erfolgt das Aufbringen der Thermoschockschutzschicht im Tauchverfahren, im Sprühverfahren wie beispielsweise Schlickersprühverfahren oder im Spritzverfahren. Beispielsweise ist bekannt, eine gleichmäßig dicke Thermoschockschutzschicht aus porösem Aluminiumoxid mittels atmosphärischen Plasmaspritzens aufzubringen. Mit einem derartigen thermischen Beschichtungsprozess werden eingebrachte Partikel aufgeschmolzen und auf die Festelektrolytoberfläche beschleunigt, sodass die Thermoschockschutzschicht auf der ganzen Festelektrolytoberfläche aufgetragen wird. Diese vermindert im Niedertemperaturbereich, d. h. in einem Temperaturbereich von ungefähr 300 °C bis 400°C, durch ihre begrenzte Permeabilität den Wasserzutritt zum Festelektrolyten des Sensorelements, der zumindest teilweise aus Zirkoniumdioxid hergestellt ist, und begrenzt im Hochtemperaturbereich, d. h. in einem Temperaturbereich von ungefähr 400 °C bis 600 °C, die Abkühlung über die Wärmeleitung. Bei höheren Temperaturen verhindert der Leidenfrost-Effekt die Abkühlung. The protective layer is usually applied to the sensor element in an additional method step. Various materials, such as alumina or spinel (MgAl 2 O 4 ), and deposition techniques are used. For example, the application of the thermal shock protective layer is carried out in the dipping process, in the spraying process such as, for example, by slip spraying or by spraying. For example, it is known to apply a uniformly thick thermal shock protective layer of porous aluminum oxide by means of atmospheric plasma spraying. With such a thermal coating process, introduced particles are melted and accelerated onto the solid electrolyte surface, so that the thermal shock protective layer is applied to the entire solid electrolyte surface. This reduced in the low temperature range, ie in a temperature range of about 300 ° C to 400 ° C, by their limited permeability to the water access to the solid electrolyte of the sensor element, which is at least partially made of zirconia, and limited in the high temperature range, ie in a temperature range of about 400 ° C to 600 ° C, the cooling via the heat conduction. At higher temperatures, the Leidenfrost effect prevents cooling.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So vertragen die oben beschriebenen Sensorelemente lediglich geringe Wasser- oder Flüssigkeitsmengen. Despite the numerous advantages of the prior art methods and devices, these still have room for improvement. Thus, the sensor elements described above tolerate only small amounts of water or liquid.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Es wird daher ein Sensorelement und Verfahren zum Herstellen desselben vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden, bei denen insbesondere die Robustheit gegenüber Thermoschock verbessert werden kann und die das Auftreffen größerer Flüssigkeitsmengen als 1 µl, 3 µl oder sogar 10 µl über einen weiten Temperaturbereich auf das Sensorelement so minimieren, dass es zu keiner Beschädigung des die Sensorfunktion tragenden Sensorelementaufbaus kommt. A sensor element and method for producing the same are therefore proposed, which at least largely avoid the disadvantages of known sensor elements, in which in particular the robustness to thermal shock can be improved and the impact of larger quantities of liquid than 1 .mu.l, 3 .mu.l or even 10 .mu.l over a wide Minimize temperature range on the sensor element so that there is no damage to the sensor function supporting sensor element structure.
Ein erfindungsgemäßes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst mindestens einen Festelektrolyten mit mindestens einem Funktionselement und eine Thermoschockschutzschicht. Die Thermoschockschutzschicht weist einen ersten Abschnitt mit einer geschlossenen Porosität und einen zweiten Abschnitt mit einer offenen Porosität auf. Der erste Abschnitt umgibt einen dem Messgas abgewandten Abschnitt des Festelektrolyten. Der zweite Abschnitt umgibt einen dem Messgas aussetzbaren Abschnitt des Festelektrolyten. A sensor element according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprises at least one solid electrolyte having at least one functional element and a thermal shock protection layer. The thermal shock protective layer has a first portion with a closed porosity and a second portion with an open porosity. The first section surrounds a portion of the solid electrolyte remote from the sample gas. The second section surrounds a section of the solid electrolyte which can be exposed to the measurement gas.
Die Thermoschockschutzschicht kann zumindest teilweise aus einem oxidkeramischen Material hergestellt sein. Die Thermoschockschutzschicht kann zumindest teilweise aus MgAl2O4 hergestellt sein. Die geschlossene Porosität des ersten Abschnitts kann Poren mit einem mittleren Durchmesser von 0,25 µm bis 75 µm, bevorzugt von 0,5 µm bis 50 µm und noch bevorzugter von 1,0 µm bis 10 µm aufweisen, beispielsweise 4 µm. Der erste Abschnitt kann eine Dicke aufweisen, die gleich groß wie oder größer als eine Dicke des zweiten Abschnitts ist. Das Sensorelement kann Bestandteil einer Sensorvorrichtung sein. Die Sensorvorrichtung weist ein Sensorgehäuse und ein derartiges Sensorelement auf. Das Sensorelement wird von dem Sensorgehäuse gehalten. Das Sensorelement ragt dabei aus dem Sensorgehäuse heraus. Der erste Abschnitt ist zumindest teilweise innerhalb des Sensorgehäuses angeordnet. The thermal shock protection layer may be at least partially made of an oxide ceramic material. The thermal shock protective layer may be at least partially made of MgAl 2 O 4 . The closed porosity of the first section may have pores having an average diameter of from 0.25 μm to 75 μm, preferably from 0.5 μm to 50 μm, and more preferably from 1.0 μm to 10 μm, for example 4 μm. The first portion may have a thickness that is equal to or greater than a thickness of the second portion. The sensor element may be part of a sensor device. The sensor device has a sensor housing and such a sensor element. The sensor element is held by the sensor housing. The sensor element projects out of the sensor housing. The first portion is at least partially disposed within the sensor housing.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegeben Reihenfolge:
- – Bereitstellen mindestens eines Festelektrolyten mit mindestens einem Funktionselement,
- – Aufbringen einer Mischung aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material auf den Festelektrolyten derart, dass ein erster Abschnitt gebildet wird, der den Festelektrolyten in einem dem Messgas abgewandten Abschnitt umgibt,
- – Sintern der auf den Festelektrolyten aufgebrachten Mischung bei einer ersten Temperatur derart, dass in dem ersten Abschnitt eine geschlossene Porosität gebildet wird,
- – Aufbringen der Mischung aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material auf den Festelektrolyten derart, dass ein zweiter Abschnitt gebildet wird, der den Festelektrolyten in einem dem Messgas aussetzbaren Abschnitt umgibt, und
- – Sintern der auf den Festelektrolyten aufgebrachten Mischung bei einer zweiten Temperatur derart, dass in dem zweiten Abschnitt eine offene Porosität gebildet wird.
- Providing at least one solid electrolyte having at least one functional element,
- Applying a mixture of at least one ceramic material and at least one metallic material to the solid electrolyte such that a first section is formed which surrounds the solid electrolyte in a section facing away from the measurement gas,
- Sintering the mixture applied to the solid electrolyte at a first temperature such that a closed porosity is formed in the first section,
- - Applying the mixture of at least one ceramic material and at least one metallic material on the solid electrolyte such that a second portion is formed, which surrounds the solid electrolyte in a sample gas exposable portion, and
- Sintering the mixture applied to the solid electrolyte at a second temperature such that an open porosity is formed in the second section.
Die zweite Temperatur kann niedriger sein als die erste Temperatur. Das keramische Material kann in Form von Pulver für die Mischung verwendet werden. Die Mischung kann als Paste aufbereitet und als Paste verarbeitet werden und dabei für den zweiten Abschnitt Aktivkohleteilchen enthalten. Partikel des Pulvers für das keramische Material können einen mittleren Durchmesser von 0,25 µm bis 75 µm, bevorzugt von 0,5 µm bis 50 µm und noch bevorzugter von 1 µm bis 10 µm aufweisen, beispielsweise 4 µm. Das metallische Material kann in Form von Pulver für die Mischung verwendet werden. Partikel des Pulvers für das metallische Material können einen mittleren Durchmesser von 0,5 µm bis 250 µm, bevorzugt von 1 µm bis 200 µm und noch bevorzugter von 10 µm bis 50 µm aufweisen, beispielsweise 30 µm. Das keramische Material kann ein Metalloxid sein. Das keramische Material kann eine spezifische Oberfläche von 0,5 m2/g bis 2,5 m2/g, bevorzugt von 0,75 m2/g bis 2,0 m2/g und noch bevorzugter von 1,0 m2/g bis 1,5 m2/g aufweisen, beispielsweise 1,2 m2/g. Die Angabe der spezifischen Oberfläche bezieht sich dabei auf eine Eigenschaft des keramischen Materials in seiner Ausgangsform, die insbesondere ein Pulver ist. The second temperature may be lower than the first temperature. The ceramic material may be used in the form of powder for the mixture. The mixture can be prepared as a paste and processed as a paste and contain activated charcoal particles for the second section. Particles of the powder for the ceramic material may have an average diameter of from 0.25 μm to 75 μm, preferably from 0.5 μm to 50 μm, and more preferably from 1 μm to 10 μm, for example 4 μm. The metallic material may be used in the form of powder for the mixture. Particles of the powder for the metallic material may have an average diameter of from 0.5 μm to 250 μm, preferably from 1 μm to 200 μm, and more preferably from 10 μm to 50 μm, for example 30 μm. The ceramic material may be a metal oxide. The ceramic material may have a specific surface area of from 0.5 m 2 / g to 2.5 m 2 / g, preferably from 0.75 m 2 / g to 2.0 m 2 / g, and more preferably 1.0 m 2 / g to 1.5 m 2 / g, for example, 1.2 m 2 / g. The specification of the specific surface refers to a property of the ceramic material in its starting form, which is in particular a powder.
Unter einem Festelektrolyten 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, d. h. die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten werden. In the context of the present invention, a solid electrolyte is to be understood as meaning a body or article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. This also includes the raw material of a solid electrolyte, i. H. Training as a so-called greenling or brownling, which only after sintering to a solid electrolyte.
Unter einem Funktionselement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Elektrode, Leiterbahn, Diffusionsbarriere, Diffusionsspalt, Referenzgaskanal, Heizelement, Nernstzelle und Pumpzelle. Insbesondere sind darunter diejenigen Elemente zu verstehen, die die wesentlichen chemischen und/oder physikalischen und/oder elektrischen und/oder elektrochemischen Funktionen einer Lambdasonde erfüllen. Under a functional element is in the context of the present invention, an element to which is selected from the group consisting of: electrode, trace, diffusion barrier, diffusion gap, reference gas channel, heating element, Nernst cell and pump cell. In particular, these include those elements which fulfill the essential chemical and / or physical and / or electrical and / or electrochemical functions of a lambda probe.
Unter einer Thermoschockschutzschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht zu verstehen, die geeignet ist, auf das Sensorelement auftreffende Wassertropfen über eine große Fläche zu verteilt und somit die auftretenden lokalen Temperaturgradienten in dem Festelektrolyten zu verringern, und so das Sensorelement vor Wasserschlag schützt. Unter einer Schicht ist dabei eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer bestimmten Höhe zu verstehen, die sich auf, über oder zwischen anderen Bauteilen befinden kann. In the context of the present invention, a thermal shock protection layer is to be understood as meaning a layer which is suitable for distributing water droplets impinging on the sensor element over a large area and thus reducing the local temperature gradients occurring in the solid electrolyte, thus protecting the sensor element against water hammer. Under a layer is to be understood as a uniform mass in areal extent of a certain height, which may be on, over or between other components.
Unter einer Porosität ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes oder Stoffgemisches als dimensionslose Messgröße zu verstehen. Diese Messgröße kann insbesondere in Prozent angegeben werden. Unter einer offenen Porosität ist dabei der Anteil des Hohlraumvolumens derjenigen Hohlräume am Gesamthohlraumvolumen zu verstehen, die untereinander und mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen. Unter einer geschlossenen Porosität ist dabei der Anteil des Hohlraumvolumens derjenigen Hohlräume am Gesamthohlraumvolumen zu verstehen, die nicht untereinander oder mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen. For the purposes of the present invention, porosity means the ratio of void volume to total volume of a substance or mixture of substances as a dimensionless measured variable. This measure can be specified in particular in percent. Under an open porosity here is the proportion of the void volume of those cavities to understand the total void volume, which communicate with each other and with the ambient air. Under a closed porosity is the proportion of the void volume of those voids on the total void volume to understand that are not related to each other or with the ambient air.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, ein Sensorelement-Packaging anzugeben, das ein schaumartiges Gefüge aufweist, das aus einer Ausgangsmischung von Keramikpulverteilchen und Metallpulverteilchen hergestellt und durch eine Wärmebehandlung der Ausgangsmischung herstellbar ist. Bei einem ersten Verfahrensschritt wird in einem ersten Abschnitt, der nicht dem Messgas ausgesetzt ist, eine geschlossene Porosität durch die Bildung von Oxidhüllen um die Metallpulverteilchen und von Metallschmelze innerhalb der Oxidhüllen und durch das Auslaufen der Metallschmelze in das keramische Material erreicht. Bei einem zweiten Verfahrensschritt entsteht bei niedrigerer Temperatur als bei dem ersten Verfahrensschritt in einem zweiten Abschnitt, der sich in dem dem Messgas zugewandten Bereich des Sensorelements befindet, eine offene Porosität. A basic idea of the present invention is to specify a sensor element packaging which has a foam-like structure which is produced from a starting mixture of ceramic powder particles and metal powder particles and can be produced by a heat treatment of the starting mixture. In a first process step, in a first section that is not exposed to the measurement gas, closed porosity is achieved by the formation of oxide shells around the metal powder particles and molten metal within the oxide sheaths and by the leakage of the molten metal into the ceramic material. In a second method step, an open porosity arises at a lower temperature than in the first method step in a second section, which is located in the region of the sensor element facing the measurement gas.
Entsprechend wird bei der Erfindung ein Sensorelement geschaffen, bei dem in einem dem Messgas aussetzbaren bzw. zugewandten Abschnitt der Thermoschockschutzschicht ein poröser Formkörper geschaffen wird, der das Sensorelement im Bereich des Funktionselements umgibt. Dieser Formkörper ist somit zumindest im Bereich des mindestens einen Funktionselements offenporös ausgeführt, um den Gaszutritt zu dem Funktionselement zu gewährleisten, d. h. im Bereich des Funktionselements wird eine Perkolationsschwelle der Thermoschockschutzschicht überschritten. Accordingly, in the invention, a sensor element is provided in which in a measurement gas exposable or facing portion of the thermal shock protective layer, a porous shaped body is created, which surrounds the sensor element in the region of the functional element. This shaped body is thus designed to be open-porous, at least in the region of the at least one functional element, in order to ensure gas access to the functional element, ie. H. in the area of the functional element, a percolation threshold of the thermal shock protective layer is exceeded.
Als Material für den Formkörper bzw. die Thermoschockschutzschicht eignet sich beispielsweise Aluminiumoxid, Spinell, yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid oder Forsterit. Die Perkolation beschreibt das Ausbilden von zusammenhängenden Gebieten (Clustern) bei zufallsbedingtem Besetzen von Strukturen (Gittern). Bei der Punktperkolation werden Gitterpunkte mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit besetzt, bei der Kantenperkolation werden besetzte Punkte untereinander verbunden. Mit dem Ansteigen der Wahrscheinlichkeit, dass ein Feld des Gitters besetzt ist, bilden sich größere Cluster aus. For example, aluminum oxide, spinel, yttrium-stabilized zirconium dioxide or forsterite are suitable as the material for the molding or the thermal shock protection layer. Percolation describes the formation of contiguous areas (clusters) by randomly occupying structures (lattices). In point percolation, lattice points are occupied with a certain probability, in edge percolation occupied points are connected to each other. As the likelihood that one field of the grid is occupied, larger clusters form.
Die Besetzungswahrscheinlichkeit ist als der Wert definiert, bei dem mindestens ein Cluster eine Größe erreicht, bei dem er sich durch das gesamte System erstreckt, also beispielsweise eine Ausdehnung auf einem zweidimensionalen Gitter von der rechten zur linken oder von oberen zur unteren Seite, hat. Man sagt: Der Cluster perkoliert durch das System. Dieser Wert der Besetzungswahrscheinlichkeit ist die sogenannte Perkolationsschwelle. Bei dem genannten Beispiel beschreibt daher die Perkolationsschwelle die Perkolationswahrscheinlichkeit, mit der zumindest ein sich durch die Thermoschockschutzschicht erstreckender Hohlraum gebildet wird oder mehrere mit einander verbundene Hohlräume gebildet werden, so dass das Gas von einer dem Funktionselement abgewandten Seite der Thermoschockschutzschicht zu der dem Funktionselement zugewandten Seite der Thermoschockschutzschicht gelangen kann. The occupation probability is defined as the value at which at least one cluster reaches a size in which it extends through the entire system, for example has an extension on a two-dimensional grid from the right to the left or from the upper to the lower side. It is said that the cluster percolates through the system. This value of the occupancy probability is the so-called percolation threshold. In the example mentioned, therefore, the percolation threshold describes the percolation probability with which at least one cavity extending through the thermal shock protection layer is formed or several interconnected cavities are formed so that the gas moves from a side of the thermal shock protection layer facing away from the functional element to the side facing the functional element the thermal shock protection layer can get.
Als Beispiel für die Materialien für die Ausgangsmischung des oben genannten schaumartigen Gefüges kann beispielsweise eine Mischung aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung, wie beispielsweise AlMg5 mit einem Anteil von 5 Gew.-% Magnesium, mit einem Keramikpulver, insbesondere mit einem Metalloxidpulver, wie Magnesiumoxid, verwendet werden. Im Detail werden beispielsweise 25,00 g dieses AlMg5-Pulvers mit einer mittleren Teilchengröße von 1 µm bis 200 µm, vorzugsweise 10 µm bis 50 µm, beispielsweise 30 µm, mit einer Standardabweichung von ca. 10 µm, mit 15,66 g Keramikmagnesiumoxidpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm bis 50 µm, beispielsweise 4 µm, und einer spezifischen Oberfläche von beispielsweise 1,2 m2/g eingesetzt. Diese Mischung orientiert sich daran, dass sich bei einer vollständigen Oxidation der Aluminium-Magnesium-Legierung im Rahmen des nachfolgenden Reaktionssinterns ein Spinell der Art MgAl2O4 mit dem Magnesiumoxid bildet. As an example of the materials for the starting mixture of the above-mentioned foamy structure, there may be exemplified a mixture of an aluminum-magnesium alloy such as AlMg5 containing 5% by weight of magnesium with a ceramic powder, especially a metal oxide powder such as magnesium oxide , be used. In detail, for example, 25.00 g of this AlMg5 powder having an average particle size of 1 .mu.m to 200 .mu.m, preferably 10 .mu.m to 50 .mu.m, for example 30 .mu.m, with a standard deviation of about 10 .mu.m, with 15.66 g ceramic magnesium oxide powder an average particle size of 0.5 .mu.m to 50 .mu.m, for example 4 .mu.m, and a specific surface area of, for example, 1.2 m.sup.2 / g. This mixture is based on the fact that in a complete oxidation of the aluminum-magnesium alloy in the context of subsequent reaction sintering forms a spinel of the type MgAl 2 O 4 with the magnesium oxide.
Ein derartiges schaumartiges Gefüge hat im Wesentlichen die Eigenschaften eines oxidkeramische Werkstoffs mit einer oxidkeramischen Matrix mit darin eingebetteten Poren sowie gegebenenfalls metallischen Gefügebereichen, wobei die Orte und Größen der Poren weitgehend durch die Orte der zuvor dort befindlichen Metallpulverteilchen definiert werden. Dieser Werkstoff weist somit eine weitestgehend geschlossene Porosität im ersten Abschnitt durch die hohe Reaktionstemperatur und eine weitestgehend offene, gasdurchlässige Porosität im zweiten Abschnitt durch die niedrigere Reaktionssintertemperatur auf. Mechanische Spannungen, die beispielsweise aus der im Betrieb auftretenden Temperaturveränderung und Wassertropfen resultieren, d. h. der so genannte Thermoschock, können durch die Elastizität und das Tropfenaufnahmevermögen des schaumartigen Gefüges reduziert werden. Damit werden die Kraftwirkungen und Spannungen auf das eingebettete Sensorelement vermindert. Such a foam-like structure essentially has the properties of an oxide-ceramic material having an oxide-ceramic matrix with pores embedded therein and optionally metallic structural areas, the locations and sizes of the pores being largely defined by the locations of the metal powder particles previously present there. This material thus has a largely closed porosity in the first section due to the high reaction temperature and a largely open, gas-permeable porosity in the second section due to the lower reaction sintering temperature. Mechanical stresses resulting, for example, from the temperature change and drops of water occurring during operation, d. H. The so-called thermal shock, can be reduced by the elasticity and the drop absorption capacity of the foam-like structure. This reduces the force effects and stresses on the embedded sensor element.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Figur schematisch dargestellt sind. Es zeigt: Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figure. It shows:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Das Sensorelement
Das Sensorelement
Die Thermoschockschutzschicht
Ein derartiges Sensorelement
Mindestens ein keramisches Material und mindestens ein metallisches Material werden gemischt. Das keramische Material kann in Form von Pulver für die Mischung verwendet werden. Das metallische Material kann ebenfalls in Form von Pulver für die Mischung verwendet werden. Partikel des Pulvers für das keramische Material können einen mittleren Durchmesser von 0,25 µm bis 75 µm, bevorzugt von 0,5 µm bis 50 µm und noch bevorzugter von 1 µm bis 10 µm aufweisen, beispielsweise 4 µm. Partikel des Pulvers für das metallische Material können einen mittleren Durchmesser von 0,5 µm bis 250 µm, bevorzugt von 1 µm bis 200 µm und noch bevorzugter von 10 µm bis 50 µm aufweisen, beispielsweise 30 µm. Das keramische Material kann ein Metalloxid sein. Das keramische Material kann eine spezifische Oberfläche von 0,5 m2/g bis 2,5 m2/g, bevorzugt von 0,75 m2/g bis 2,0 m2/g und noch bevorzugter von 1,0 m2/g bis 1,5 m2/g aufweisen, beispielsweise 1,2 m2/g. At least one ceramic material and at least one metallic material are mixed. The ceramic material may be used in the form of powder for the mixture. The metallic material may also be used in the form of powder for the mixture. Particles of the powder for the ceramic material may have an average diameter of from 0.25 μm to 75 μm, preferably from 0.5 μm to 50 μm, and more preferably from 1 μm to 10 μm, for example 4 μm. Particles of the powder for the metallic material may have an average diameter of from 0.5 μm to 250 μm, preferably from 1 μm to 200 μm, and more preferably from 10 μm to 50 μm, for example 30 μm. The ceramic material may be a metal oxide. The ceramic material may have a specific surface area of from 0.5 m 2 / g to 2.5 m 2 / g, preferably from 0.75 m 2 / g to 2.0 m 2 / g, and more preferably 1.0 m 2 / g to 1.5 m 2 / g, for example, 1.2 m 2 / g.
Als konkretes Ausführungsbeispiel wird beispielsweise eine Mischung aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung mit einem Anteil von 5 Gew.-% Magnesium mit einem Keramikpulver, insbesondere einem Metalloxidpulver wie beispielsweise Magnesiumoxid, verwendet. Im Einzelnen werden 25,00 g Pulver der Aluminium-Magnesium-Legierung mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 1 µm und 200 µm, vorzugsweise 10 µm bis 50 µm, beispielsweise 30 µm, mit einer Standardabweichung von ca. 10 µm, verwendet und mit 15,66 g Pulver des Magnesiumoxids mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 µm bis 50 µm, beispielsweise 4 µm, und einer spezifischen Oberfläche von beispielsweise 1,2 m2/g eingesetzt. Diese Mischung orientiert sich daran, dass sich bei einer vollständigen Oxidation der Aluminium-Magnesium-Legierung im Rahmen des nachstehend beschriebenen Reaktionssinterns ein Spinell der Art MgAl2O4 mit dem Magnesiumoxid bildet. As a concrete embodiment, for example, a mixture of an aluminum-magnesium alloy with a content of 5 wt .-% magnesium with a ceramic powder, in particular a metal oxide powder such as magnesium oxide, is used. Specifically, 25.00 g of powder of the aluminum-magnesium alloy having an average particle size between 1 .mu.m and 200 .mu.m, preferably 10 .mu.m to 50 .mu.m, for example 30 .mu.m, with a standard deviation of about 10 .mu.m, and 15, 66 g powder of magnesium oxide having an average particle size of 0.5 .mu.m to 50 .mu.m, for example 4 .mu.m, and a specific surface area of, for example, 1.2 m 2 / g. This mixture is based on the fact that in a complete oxidation of the aluminum-magnesium alloy in the reaction sintering described below forms a spinel of the type MgAl2O4 with the magnesium oxide.
Auf den Festelektrolyten
Dann wird auf den Festelektrolyten
Auf diese Weise entsteht eine Thermoschockschutzschicht
Das erfindungsgemäße Sensorelement
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, erfolgt die Herstellung der Thermoschockschutzschicht
Die Verwendung speziell von Aktivkohle als Exotemplat ist mit einer Vielzahl von Vorteilen verbunden: Die als Exotemplat eingesetzte Aktivkohle ist ohne Weiteres nach Verfahren des Standes der Technik herstellbar und auch im großen Maßstab kommerziell erhältlich; handelsübliche Aktivkohle, wie sie erfindungsgemäß als Exotemplat zum Einsatz kommt, wird beispielsweise von der Blücher GmbH, Erkrath, Deutschland, sowie der Adsor-Tech GmbH, Premnitz, Deutschland, vertrieben. The use of activated charcoal as an exotemplate in particular has many advantages: the activated carbon used as an exotemplate can easily be produced by prior art processes and is also commercially available on a large scale; Commercially available activated carbon, as used according to the invention as an exotemplate, is sold, for example, by Blücher GmbH, Erkrath, Germany, and by Adsor-Tech GmbH, Premnitz, Germany.
Aktivkohle hat weiterhin den Vorteil, dass im Verfahrensschritt der thermischen Behandlung eine vollständige Entfernung, insbesondere über Verbrennung bzw. Pyrolyse, möglich ist, so dass letztendlich selbsttragende poröse Materialien in partikulärer Form erhalten werden. Des Weiteren besitzt Aktivkohle den Vorteil, dass neben der Teilchengröße auch das innere Porensystem einstellbar bzw. steuerbar ist und somit für die betreffende Anwendung maßgeschneidert werden kann; auf diese Weise kann auch das Porensystem der resultierenden Metallmischoxide ohne Weiteres eingestellt bzw. gesteuert und somit maßgeschneidert werden, da die als Exotemplat eingesetzte Aktivkohle sozusagen als Schablone für die resultierenden Endprodukte dient. Dadurch lässt sich mittels der Aktivkohle die Porosität in dem ersten Abschnitt
Durch die Synthese bzw. Herstellung der porösen Materialien in den räumlich begrenzten Poren des Aktivkohle-Exotemplats werden zudem kleine Kristallite der Mischung aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material stabilisiert. Auf diese Weise können die Abmessungen und Geometrie des Exotemplat-Porensystems auf das resultierende Endprodukt im Sinne eines Negativabdrucks übertragen werden. Da das aktivkohlebasierte Exotemplat darüber hinaus eine definierte Partikelmorphologie, insbesondere eine definierte Teilchengröße, aufweist, bleibt diese auch nach Entfernen des aktivkohlebasierten Exotemplats erhalten. By the synthesis or production of the porous materials in the spatially limited pores of the activated carbon-exotic template also small crystallites of the mixture of at least one ceramic material and at least one metallic material are stabilized. In this way, the dimensions and geometry of the Exotemplat-pore system can be transferred to the resulting end product in the sense of a negative impression. In addition, since the activated carbon-based exotemplate has a defined particle morphology, in particular a defined particle size, this remains even after removal of the activated carbon-based exotemplate.
Die Nanopartikel können in Form einer Dispersion oder einer kolloidalen Lösung, insbesondere in Form eines Sols, eingesetzt werden. Mit anderen Worten werden die Nanopartikel in Form einer Dispersion oder einer kolloidalen Lösung, insbesondere eines Sols, in die Poren des Matrixmaterials, d.h. die Aktivkohle, eingebracht. Dabei kann die eingesetzte Dispersion oder kolloidale Lösung der Nanopartikel grundsätzlich wässrig basiert oder aber organisch basiert, vorzugsweise wässrig basiert, ausgebildet sein. The nanoparticles can be used in the form of a dispersion or a colloidal solution, in particular in the form of a sol. In other words, the nanoparticles in the form of a dispersion or a colloidal solution, in particular a sol, are injected into the pores of the matrix material, i. the activated carbon, introduced. In this case, the dispersion or colloidal solution of the nanoparticles used may in principle be water-based or else be organically based, preferably aqueous-based.
Im Allgemeinen werden die Nanopartikel, insbesondere die Dispersionen oder kolloidalen Lösungen, vorzugsweise Sole, der betreffenden Nanopartikel, mittels Fällung (Präzipitation) erhalten, wobei im Allgemeinen insbesondere von Lösungen oder Dispersionen von Salzen oder anderen Verbindungen wie beispielsweise Alkoxiden der betreffenden Metalle mit nachfolgender Oxidation ausgegangen werden kann. Üblicherweise erfolgt die Herstellung der Nanopartikel, insbesondere der Dispersionen und kolloidalen Lösungen der Nanopartikel, in situ. In general, the nanoparticles, in particular the dispersions or colloidal solutions, preferably sols, of the relevant nanoparticles are obtained by precipitation, in which case in particular solutions or dispersions of salts or other compounds, such as, for example, alkoxides of the respective metals are used with subsequent oxidation can be. Usually, the preparation of the nanoparticles, in particular the dispersions and colloidal solutions of the nanoparticles, takes place in situ.
Im Allgemeinen schließt sich dem Verfahrensschritt der Einbringung der die Nanopartikel enthaltenden Dispersion oder kolloidalen Lösung, insbesondere des Sols, in die Poren des Matrixmaterials (Exotemplats) noch vor Durchführung der thermischen Behandlung zunächst ein Verfahrensschritt der Trocknung an. Dieser Trocknungsschritt dient insbesondere der Entfernung des flüssigen Mediums der die Nanopartikel enthaltenden Dispersion oder kolloidalen Lösung, insbesondere des Sols. In general, the method step of introducing the nanoparticle-containing dispersion or colloidal solution, in particular of the sol, into the pores of the matrix material (exotic template) is preceded by a drying process step before the thermal treatment is carried out. This drying step serves in particular for the removal of the liquid medium of the dispersion or colloidal solution containing the nanoparticles, in particular of the sol.
Um eine Einbringung der Nanopartikel in das Porensystem des Exotemplats zu ermöglichen, sind die Teilchengrößen der Nanopartikel kleiner als die Durchmesser der Poren des Matrixmaterials ausgebildet. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Verhältnis der Durchmesser der Poren des Matrixmaterials zu den Teilchengrößen der Nanopartikel > 1:1 (z. B. mindestens 1,05:1), insbesondere mindestens 1,25:1, vorzugsweise mindestens 1,5:1, bevorzugt mindestens 1,75:1, besonders bevorzugt mindestens 2, ganz besonders bevorzugt mindestens 5, noch mehr bevorzugt mindestens 10, noch weiter bevorzugt mindestens 20, noch weiter bevorzugt mindestens 50, beträgt. Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, wenn mindestens 50%, insbesondere mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 90%, besonders bevorzugt mindestens 99% und mehr, ganz besonders bevorzugt 100%, der eingesetzten Nanopartikel diese Voraussetzung erfüllt; sofern ein wie zuvor spezifizierter Anteil der Nanopartikel diese Voraussetzung nicht erfüllt, ist dies dennoch nicht abträglich, da dieser Teil der Nanopartikel dann an das Matrixmaterial anlagern und nach thermischer Behandlung des Matrixmaterials eine äußere Hüllschicht im Endprodukt ausbilden kann. In order to enable introduction of the nanoparticles into the pore system of the exotic template, the particle sizes of the nanoparticles are smaller than the diameters of the pores of the matrix material. It is particularly preferred if the ratio of the diameters of the pores of the matrix material to the particle sizes of the nanoparticles is> 1: 1 (eg at least 1.05: 1), in particular at least 1.25: 1, preferably at least 1.5: 1, preferably at least 1.75: 1, more preferably at least 2, most preferably at least 5, even more preferably at least 10, even more preferably at least 20, even more preferably at least 50. According to the invention, it is preferred if at least 50%, in particular at least 70%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 99% and more, very particularly preferably 100%, of the nanoparticles used fulfill this requirement; Nevertheless, if a proportion of the nanoparticles as previously specified does not fulfill this requirement, this is not detrimental since this part of the nanoparticles can then be attached to the matrix material and, after thermal treatment of the matrix material, form an outer shell layer in the end product.
Im Allgemeinen weisen die einzubringenden Nanopartikel der betreffenden Metalloxide Teilchengrößen im Bereich von 0,1 nm bis 2.000 nm, insbesondere 0,5 nm bis 1.000 nm, vorzugsweise 0,75 nm bis 750 nm, besonders bevorzugt 1 nm bis 500 nm, ganz besonders bevorzugt 1 nm bis 250 nm, noch mehr bevorzugt 2 nm bis 100 nm, auf. Insbesondere weisen die betreffenden Nanopartikel mittlere Teilchengrößen (D50) im Bereich von 0,1 nm bis 500 nm, insbesondere 0,2 nm bis 100 nm, vorzugsweise 0,5 nm bis 50 nm, besonders bevorzugt 1 nm bis 25 nm, auf. In general, the nanoparticles of the respective metal oxides to be introduced have particle sizes in the range from 0.1 nm to 2,000 nm, in particular 0.5 nm to 1,000 nm, preferably 0.75 nm to 750 nm, particularly preferably 1 nm to 500 nm, very particularly preferably 1 nm to 250 nm, more preferably 2 nm to 100 nm, on. In particular, the relevant nanoparticles have average particle sizes (D50) in the range from 0.1 nm to 500 nm, in particular 0.2 nm to 100 nm, preferably 0.5 nm to 50 nm, particularly preferably 1 nm to 25 nm.
Zusammenfassend wird ein Matrixmaterial verwendet, das die Poren in der gewünschten Form bereits aufweist, d.h. einen Abschnitt mit geschlossener Porosität und einen Abschnitt mit offener Porosität. In die jeweiligen Poren wird die oben beschriebene Mischung aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material eingebracht. Anschließend wird das die Mischung enthaltende Matrixmaterial auf den Festelektrolyten
Mittels der beiden oben beschriebenen Verfahren ist es möglich, den Festelektrolyten
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 202012005818 U1 [0034] DE 202012005818 U1 [0034]
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 [0002] Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pages 160-165 [0002]
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