DE102013226947A1

DE102013226947A1 - Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102013226947A1
Application number: DE102013226947.1A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joerg Renz; Marius Heinkele; Gerhard Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (14), insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasst einen keramischen Schichtaufbau (12) mit mindestens einer ersten Elektrode (18), einer zweiten Elektrode (24) und mindestens einem die erste Elektrode (18) und die zweite Elektrode (24) verbindenden Festelektrolyten (22). Die zweite Elektrode (24) ist durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus (12) von dem Messgasraum (14) getrennt ausgebildet. Die zweite Elektrode (24) ist über mindestens einen Gaszutrittsweg (28) mit dem Messgasraum (14) verbunden. Der Gaszutrittsweg (28) weist mehrere Gaszutrittslöcher (30) auf.
Es wird weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (14), insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem 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.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Derartige Sensorelemente können mit mindestens zwei Elektroden vorgesehen sein, von denen eine im Inneren eines keramischen Schichtaufbaus angeordnet ist und somit von mindestens einer Schicht des Schichtaufbaus bedeckt ist. In vielen Fällen steht diese innere Elektrode mit dem Messgasraum über ein so genanntes Gaszutrittsloch, welches den Schichtaufbau zumindest teilweise durchdringt, in Verbindung. Das Gaszutrittsloch weist typischerweise eine zylindrische Form mit einheitlichem Durchmesser auf. Obwohl diese typischerweise von vergleichsweise einfacher Konstruktion und Ausgestaltung sind, müssen Gaszutrittslöcher eine Vielzahl von Anforderungen hinsichtlich ihrer Eigenschaften und hinsichtlich ihrer Herstellbarkeit erfüllen. So ist in vielen Fällen ein großer Durchmesser des Gaszutrittslochs erforderlich, um einen offenen Gaszutritt einzustellen, so dass das Gaszutrittsloch selbst nicht als diffusionshemmendes Element wirkt. Beispielsweise sind bei Breitbandsonden mit einer Thermoschockschutzschicht Gaszutrittslöcher mit Durchmessern von mehr als 0,45 mm erforderlich, um einen Gaszutritt offen zu halten. Weiterhin können bei der Herstellung der Gaszutrittslöcher Beschädigungen des Sensorelements auftreten. So werden Gaszutrittslöcher bei üblichen Herstellungsverfahren typischerweise in den keramischen Schichtaufbau gebohrt, bevor der Schichtaufbau dem endgültigen Sinterprozess unterzogen wird. Bei diesem Bohrverfahren können jedoch mechanische Beschädigungen oder Verunreinigungen auftreten. So können beispielsweise Diffusionsbarrieren im Inneren des Schichtaufbaus beschädigt werden. Die Thermoschockschutzschicht wird in der Regel nachträglich mittels atmosphärischen Plasmaspritzens aufgebracht. Üblicherweise erfolgt dies unter einem Winkel von 60° zur Sensorelementoberfläche, wodurch eine Beschichtung der Sensorelementstirnfläche gewährleistet werden soll. Aufgrund des Sprühwinkels kann es zu einem Eintrag der Thermoschockschutzschicht in das Gaszutrittsloch kommen, welcher die Diffusionsbarriere verunreinigen oder sogar verstopfen und damit den Diffusionswiderstand deutlich erhöhen kann.
Zur Vermeidung derartiger Probleme wurden verschiedene Lösungsansätze unternommen. Die DE 2008 002 200 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements für einen Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases. Das Sensorelement weist ein an der Oberfläche mündendes Gaszutrittsloch auf. Um ein Zusetzen des Gaszutrittslochs beim Auftragen einer Schutzschicht zu verhindern, wird die Geometrie des Gaszutrittslochs so gestaltet, dass mindestens ein Bereich der Lochwand gegen eine Normale des die Mündung tragenden Oberflächenbereichs des Sensorelements um einen spitzen Winkel geneigt ist, und das Auftragen des Schichtmaterials in einer Beschichtungsrichtung erfolgt, die mit dem die Mündung tragenden Oberflächenbereich des Sensorkörpers einen spitzen Winkel einschließt.
Die DE 10 2009 055 421 A1 beschreibt ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum mit einem Gaszutrittsloch. Das Gaszutrittsloch weist mindestens zwei Bereiche unterschiedlichen Durchmessers auf. Dabei wird insbesondere der eine Bereich zu dem anderen Bereich versetzt angeordnet.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist es bei den beschriebenen Sensorelementen mit Gaszutrittsloch und Thermoschockschutzschicht sehr aufwändig zu verhindern, dass die aufgespritzte Thermoschockschutzschicht in das Gaszutrittsloch eindringt. Insbesondere das schräge Aufspritzen oder der auszubildende Versatz der verschiedenen Bereiche des Gaszutrittslochs sind aufwändig in der Herstellung.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere ein Eindringen der Thermoschockschutzschicht in das Gaszutrittsloch verhindert werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst einen keramischen Schichtaufbau mit mindestens einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Die zweite Elektrode ist durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus von dem Messgasraum getrennt ausgebildet. Die zweite Elektrode ist über mindestens einen Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum verbunden. Der Gaszutrittsweg weist mehrere Gaszutrittslöcher auf.
Beispielsweise weist der Gaszutrittsweg mindestens drei Gaszutrittslöcher auf. Die Gaszutrittslöcher weisen jeweils eine Querschnittsfläche auf, wobei eine Summe der Querschnittsflächen von 0,015 mm² bis 0,075 mm² sein kann. Die Gaszutrittslöcher können jeweils einen Durchmesser von 0,05 mm bis 0,15 mm und bevorzugt von 0,075 mm bis 0,10 mm aufweisen, beispielsweise 0,09 mm. Die Gaszutrittslöcher können zylindrisch ausgebildet sein. Die Gaszutrittslöcher können sich senkrecht zu Schichtebenen des Schichtaufbaus erstrecken. Die Gaszutrittslöcher können in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein. Alternativ können die Gaszutrittslöcher in einem unregelmäßigen Muster angeordnet sein. Das Sensorelement kann zumindest teilweise von einer Thermoschockschutzschicht umgeben sein. Die Thermoschockschutzschicht bedeckt zumindest die erste Elektrode.
Ein erfindungsgemäßes 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, bildet einen keramischen Schichtaufbau aus. Der keramische Schichtaufbau weist mindestens eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten auf. Die zweite Elektrode wird durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus von dem Messgasraum getrennt ausgebildet. Die zweite Elektrode wird über mindestens einen Gaszutrittsweg mit dem Messgasraum verbunden. Der Gaszutrittsweg wird so ausgebildet, dass der Gaszutrittsweg mehrere Gaszutrittslöcher aufweist.
Zum Herstellen der Gaszutrittslöcher wird mindestens ein Bohrverfahren und/oder mindestens ein Fräsverfahren verwendet. Die Gaszutrittslöcher können in einem ungesinterten Zustand des Sensorelements ausgebildet werden. Das Sensorelement kann zumindest teilweise von einer Thermoschockschutzschicht umgeben werden. Die Thermoschockschutzschicht wird beispielsweise über den Gaszutrittslöchern aufgebracht. Die Gaszutrittslöcher werden dabei so ausgebildet, dass die Gaszutrittslöcher einen Durchmesser aufweisen, der ein Eindringen der Thermoschockschutzschicht in die Gaszutrittslöcher verhindert. Beispielsweise wird der Durchmesser der Gaszutrittslöcher kleiner als bei einem herkömmlichen Gaszutrittsloch gewählt, beispielsweise mit einem Durchmesser von 0,05 mm bis 0,15 mm und bevorzugt von 0,075 mm bis 0,10 mm, beispielsweise 0,09 mm. Optional kann vor dem Aufbringen der Thermoschockschutzschicht eine Schutzschicht auf das Sensorelement aufgebracht werden. Die Schutzschicht wird beispielsweise so aufgebracht, dass sie die erste Elektrode und die Gaszutrittslöcher bedeckt. Die Schutzschicht wird beispielsweise als Paste im Siebdruckverfahren mit einer Schichtdicke von 20 µm bis 50 µm aufgedruckt. Die Schutzschicht wird aus einem keramischen Material hergestellt. Vor allem beim Drucken haben die kleinen Gaszutrittslöcher einen großen Vorteil. Gerade die kleinen Gaszutrittslöcher können aufgrund des eingeschlossenen Luftvolumens und der Oberflächenspannung der Druckpaste nicht verfüllt werden. Das Aufbringen der Schutzschicht auf das Sensorelement kann insbesondere in einem Grünlingszustand des Sensorelements erfolgen, d. h. in einem ungesinterten Zustand des Sensorelements. Dadurch entsteht schon im grünen Zustand des Sensorelements eine freitragende Membrane über den Gaszutrittslöchern. Nach dem Sintern ist diese Membrane dann porös und gasdurchlässig. Nachfolgend kann dann die Thermoschockschutzschicht aufgebracht werden. Das Aufbringen der Thermoschockschutzschicht kann mittels eines Sprüh- oder Spritzverfahrens erfolgen, wie beispielsweise Plasmaspritzen.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, anstelle eines einzigen Gaszutrittslochs mehrere Gaszutrittslöcher vorzusehen, die einen deutlich kleineren Durchmesser aufweisen. Dadurch wird eine ausreichende Gasdurchflussmenge erreicht. Die deutlich kleineren Durchmesser der Gaszutrittslöcher bewirken aufgrund des so genannten Kapillareffekts, dass auch bei einem Überdrucken der Gaszutrittslöcher mit einer Thermoschockschutzschicht diese nicht in die Gaszutrittslöcher eindringt.
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 Materialen 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 Schichtebenen.
Unter einem Festelektrolyten oder einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden 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.
Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrecht erhalten 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 oder auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialen sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einem Gaszutrittsweg ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, über welches ein Austausch von Gas zwischen dem Messgasraum und der zweiten Elektrode stattfinden kann, wobei ein vollständiger Gasaustausch oder auch lediglich ein Austausch einzelner Gaskomponenten gewährleistet sein kann. Beispielsweise kann der Gaszutrittsweg eine oder mehrere Bohrungen, Kanäle, Öffnungen oder Ähnliches umfassen, die in dem Schichtaufbau ausgebildet sind. Der Gaszutrittsweg kann insbesondere ausgestaltet sein, um ein Nachströmen und/oder eine Nachdiffusion von Gas zu der zweiten Elektrode von dem Messgasraum oder in umgekehrter Richtung zu gewährleisten, beispielsweise ein Nachströmen und/oder eine Nachdiffusion von Sauerstoff.
Unter einem Gaszutrittsloch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Loch in dem keramischen Sensorelement zu verstehen, durch das das Messgas, wie beispielsweise Abgas einer Brennkraftmaschine, in den eigentlichen Messraum des Sensorelements eindringen kann. Beispielsweise ist das Gaszutrittsloch Bestandteil einer Pumpzelle und der eigentliche Messraum ist ein Diffusionsspalt einer Nernst-Konzentrationszelle, wie er in dem oben genannten Stand der Technik beschrieben ist. Das Gaszutrittsloch kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden Querschnitt oder einen polygonalen Querschnitt. Das Gaszutrittsloch kann insbesondere senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus verlaufen und kann beispielsweise eine zylindrische Gestalt aufweisen, beispielsweise eine kreiszylindrische Gestalt.
Unter einem Durchmesser eines Gaszutrittslochs ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Quantifizierung einer lateralen Ausdehnung eines Querschnitts des Gaszutrittslochs zu verstehen. Ist das Gaszutrittsloch beispielsweise von kreisförmigem Querschnitt, so ist unter dem Durchmesser der Durchmesser dieses Kreises zu verstehen. Liegt eine andere Querschnittsgeometrie vor, so kann unter dem Durchmesser beispielsweise ein Äquivalentdurchmesser verstanden werden, also der Durchmesser eines Kreises, welcher die gleiche Fläche besitzt wie der tatsächlich vorliegende Querschnitt.
Das Gaszutrittsloch kann in eine Oberfläche des Schichtaufbaus münden, beispielsweise in eine Oberfläche, welche dem Messgasraum zuweist. Das Gaszutrittsloch sich kann insbesondere von dieser Oberfläche aus in den Schichtaufbau hinein, insbesondere kontinuierlich in den Schichtaufbau hinein, erstrecken.
Dadurch, dass erfindungsgemäß die Gaszutrittslöcher kleiner bezogen auf ihren Durchmesser als ein einziges herkömmliches Gaszutrittsloch ausgebildet werden, wird zuverlässig verhindert, dass Material der Thermoschockschutzschicht in das Innere des Gaszutrittslochs gelangen kann. Insbesondere kann ein Spritzverfahren zum Aufbringen der mindestens einen Thermoschockschutzschicht verwendet werden, beispielsweise Plasmaspritzen oder ein Plasmasprühverfahren.
Die mindestens eine zweite Elektrode kann insbesondere in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Dieser Elektrodenhohlraum kann im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet sein und kann beispielsweise als offener Hohlraum ausgestaltet sein. Alternativ kann dieser Elektrodenhohlraum auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen, porösen Material gefüllt sein, beispielsweise einem gasdurchlässigen Aluminiumoxid. Der Elektrodenhohlraum kann insbesondere über mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Gaszutrittsloch verbunden sein. In diesem Fall umfasst der Gaszutrittsweg zu der mindestens einen zweiten Elektrode also das Gaszutrittsloch, die Diffusionsbarriere oder einen Kanal, in welchem die Diffusionsbarriere angeordnet ist, sowie den Elektrodenhohlraum. Unter einer Diffusionsbarriere ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, welches ein unmittelbares Nachströmen von Gas aus dem Gaszutrittsloch in den Elektrodenhohlraum verhindert oder zumindest bremst. Eine Diffusionsbarriere ist also ein Element, welche einen hohen Strömungswiderstand bereitstellt, wohingegen eine Diffusion von Gas oder Gaskomponenten durch die Diffusionsbarriere vergleichsweise einfach möglich ist. Die Diffusionsbarriere kann beispielsweise ein poröses keramisches Element umfassen, insbesondere ein feinporiges Aluminiumoxid. Ist eine derartige Diffusionsbarriere vorgesehen, so ist es besonders bevorzugt, wenn diese Diffusionsbarriere gegenüber dem Gaszutrittsloch zurückversetzt ausgebildet ist. Unter einer zurückversetzten Diffusionsbarriere ist dabei eine Diffusionsbarriere zu verstehen, welche nicht unmittelbar an das Gaszutrittsloch angrenzt sondern gegenüber diesem zurückgezogen ist. Beispielsweise kann die Diffusionsbarriere in einem Kanal oder einer sonstigen Öffnung angeordnet sein, welche Bestandteil des Gaszutrittswegs ist, wobei jedoch die Diffusionsbarriere nicht bis unmittelbar an den Übergang zwischen diesem Kanal bzw. dieser Öffnung und dem Gaszutrittsloch heranreicht, sondern von diesem Übergang beabstandet endet. Beispielsweise kann die Diffusionsbarriere um einen Abstand von mindestens 0,05 mm, vorzugsweise von mindestens 0,1 oder sogar mindestens 0,2 mm von diesem Übergang enden. Der Vorteil dieser zurückversetzten oder zurückgezogenen Diffusionsbarriere besteht, wie unten noch näher ausgeführt wird, darin, dass diese beim Herstellen des Gaszutrittslochs nicht beschädigt wird, wodurch eine Verschmutzung der Diffusionsbarriere auftreten könnte oder wodurch Unregelmäßigkeiten bei der Einstellung des Grenzstroms, welcher durch die Breite der Diffusionsbarriere bestimmt wird, auftreten könnten. Zudem verbessert die genannte Ausgestaltung eine Dauerlaufstabilität im Betrieb, insbesondere hinsichtlich einer Versottung, beispielsweise durch Partikel aus Asche, wie beispielsweise Ölasche, und/oder Metalloxiden.
Die Herstellung des Gaszutrittslochs kann dabei auf verschiedene Weisen erfolgen. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gaszutrittsloch unter Verwendung mindestens eines mechanischen Bohrverfahrens und/oder mindestens eines mechanischen Fräsverfahrens erzeugt wird.
Alternativ oder zusätzlich zu dem mechanischen Bohrverfahren kann auch ein mechanisches Fräsverfahren eingesetzt werden. Ein derartiges Fräsverfahren kann so eingesetzt werden, dass ein einziger Frässchritt verwendet werden kann, oder auch mehrere Frässchritte.
Jedoch kann auch mindestens ein weiteres Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise ein Laserbohrverfahren oder eine andere Art eines Bohr- und/oder Stanzverfahrens. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
Das mindestens eine Bohrverfahren kann insbesondere zu einem Zeitpunkt der Herstellung eingesetzt werden, zu welchem der Schichtaufbau nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Beispielsweise kann das Bohrverfahren zu einem Zeitpunkt eingesetzt werden, zu welchem der Schichtaufbau in einem Grünlingszustand und/oder in einem Braunlingszustand vorliegt, also noch nicht vollständig ausgehärtet ist, wobei die eigentliche Aushärtung in mindestens einem nachgelagerten Temperaturbehandlungsschritt, dem so genannten Sinterschritt, hergestellt wird.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten Gaszutrittslöcher sind somit kleiner bezogen auf ihren Durchmesser als ein einziges Gaszutrittsloch bei herkömmlichen Sensorelementen. Diese sind direkt mit der Thermoschockschutzschicht beschichtbar, ohne dass diese dabei gefüllt werden. Ein gefülltes Gaszutrittsloch wäre deshalb kritisch, weil Wasser durch die poröse Thermoschockschutzschicht tief in den Schichtaufbau hinein eindringen kann. Ein zumindest teilweise gefülltes Gaszutrittsloch könnte Schwankungen im Messsignal verursachen. Dies wird erfindungsgemäß verhindert.
Unter einer Thermoschockschutzschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht zu verstehen, die eingerichtet ist, die auftretenden lokalen Temperaturgradienten in der Sondenkeramik zu verringern, indem sie beispielsweise auf die Lambdasonde auftreffende Wassertropfen über eine große Fläche verteilt. Die Thermoschockschutzschicht kann aus einem keramischen Material sein, Metall oder Metallverbindungen enthalten und kann porös sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
2 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Sensorelement und
3 eine weitere Draufsicht auf das erfindungsgemäße Sensorelement.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10. Das in 1 dargestellte Sensorelement 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 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 Messgasrum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10 dargestellt. Anhand dieser Darstellung soll auch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens eines derartigen Sensorelements 10 erläutert werden. Das Sensorelement 10 weist einen keramischen Schichtaufbau 12 auf, welcher in einem keramischen Folien- und/oder Dickschichtverfahren hergestellt werden kann. Der Schichtaufbau 12 umfasst eine einem Messgasraum 14 zuweisende Oberfläche 16, auf welcher eine erste Elektrode 18 angeordnet ist. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die erste Elektrode 18 beispielsweise ringförmig ausgestaltet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Die erste Elektrode 18 ist von dem Messgasraum 14 durch eine poröse, gasdurchlässige Schutzschicht 19 getrennt, die aus einem keramischen Material hergestellt ist. Auf diese Schutzschicht 19 ist eine Thermoschockschutzschicht 20 aufgebracht, die dem Messgasraum 14 zugewandt ist. Weiterhin umfasst der Schichtaufbau 12 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen oder mehrere Festelektrolyte 22. Beispielsweise können diese Festelektrolyte 22 als Festelektrolytfolien und/oder mittels Dickschichttechnik hergestellt sein. Beispielsweise kann der Festelektrolyt 22 yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) umfassen.
Weiterhin umfasst der Schichtaufbau 12 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf einer der ersten Elektrode 18 gegenüberliegenden Seite des Festelektrolyten 22 mindestens eine zweite Elektrode 24. Der Festelektrolyt 22 verbindet die erste Elektrode 18 mit der zweiten Elektrode 24. Diese zweite Elektrode 24 kann beispielsweise ebenfalls wiederum ringförmig ausgebildet sein. Die zweite Elektrode 24 ist in einem Elektrodenhohlraum 26 angeordnet. Die zweite Elektrode 24 ist somit durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus 12 von dem Messgasraum 14 getrennt ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 26 ist Teil eines Gaszutrittswegs 28, über welchen die zweite Elektrode 24 mit dem Messgasraum 14 in Verbindung steht. Als weiteren Bestandteil umfasst der Gaszutrittsweg 28 mehrere Gaszutrittslöcher 30, von denen in 1 nur eines dargestellt ist. Beispielsweise weist der Gaszutrittsweg 28 mindestens drei Gaszutrittslöcher 30 auf. Die Gaszutrittslöcher 30 erstrecken sich senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus 12 von der Oberfläche 16 aus ins Innere des Schichtaufbaus 12. Die Gaszutrittslöcher 30 sind zylindrisch ausgebildet. Die Gaszutrittslöcher 30 können alternativ eine andere Form aufweisen, wie beispielsweise oval, quadratisch, rechteckig, mehreckig oder dergleichen. Der Elektrodenhohlraum 26 kann beispielsweise die Gaszutrittslöcher 30 ringförmig umgeben. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Zwischen den Gaszutrittslöchern 30 und dem Elektrodenhohlraum 26 ist ein Kanal 32 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 28 ist. In diesem Kanal 32 ist eine Diffusionsbarriere 34 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum 14 in den Elektrodenhohlraum 26 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere 34 lässt sich ein Grenzstrom einer die erste Elektrode 18, die zweite Elektrode 24 und den Festelektrolyten 22 umfassenden Pumpzelle 36 einstellen.
Weiterhin umfasst das Sensorelement 10 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Luftreferenzkanal 38, welcher beispielsweise mit einer Umgebung mit bekanntem Sauerstoffgehalt verbunden sein kann. In diesem Luftreferenzkanal 38 kann beispielsweise eine Referenzelektrode 40 angeordnet sein. Über diese Referenzelektrode 40 und die zweite Elektrode 24 oder eine weitere in dem Elektrodenhohlraum 26 angeordnete Messelektrode 42 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 36 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 26 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Weiterhin kann das Sensorelement 10 mindestens ein Heizelement 44 umfassen, mittels dessen die Temperatur des Festelektrolyten 22 und/oder des gesamten Schichtaufbaus 12 oder von Teilen davon auf eine Arbeitstemperatur eingestellt werden kann. Das Heizelement 44 kann auch eine oder mehrere lsolationsschichten 46 umfassen bzw. in diesen eingebettet sein, so dass das Heizelement 44 gegenüber dem keramischen Schichtaufbau 12 elektrisch isoliert ist.
2 zeigt eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Sensorelement 10. Zu erkennen sind die drei Gaszutrittslöcher 30 und die erste Elektrode 18 auf der Oberfläche 16. Gezeigt ist dabei das Sensorelement 10 in einem Zustand bevor die Schutzschicht 19 und die Thermoschockschutzschicht 20 aufgebracht sind. Die Gaszutrittslöcher 30 weisen jeweils eine Querschnittsfläche auf. Eine Summe der Querschnittsflächen ist von 0,015 mm² bis 0,75 mm², beispielsweise 0,20 mm². Dies kann erreicht werden, indem die Gaszutrittslöcher 30 jeweils einen Durchmesser von 0,05 mm bis 0,15 mm und bevorzugt von 0,075 mm bis 0,10 mm aufweisen, beispielsweise 0,09 mm. Wie weiter in 2 zu erkennen ist, sind die Gaszutrittslöcher 30 in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Wenn beispielsweise Mittelpunkte der Gaszutrittslöcher 30 verbunden werden, bilden diese ein gleichseitiges Dreieck. Es wird explizit betont, dass die Schutzschicht 19 optional vorgesehen ist.
3 zeigt eine weitere Draufsicht auf das erfindungsgemäße Sensorelement 10. Insbesondere zeigt 3 eine Draufsicht auf das Sensorelement 10 nachdem die Schutzschicht 19 und bevor die Thermoschockschutzschicht 20 aufgebracht ist. Die optionale Schutzschicht 19 wird beispielsweise so aufgebracht, dass sie die erste Elektrode 18 und die Gaszutrittslöcher 30 bedeckt. Die Schutzschicht 19 wird beispielsweise als Paste im Siebdruckverfahren mit einer Schichtdicke von 20 µm bis 50 µm aufgedruckt, wie beispielsweise 35 µm. Die Schutzschicht 19 wird aus einem keramischen Material hergestellt. Vor allem beim Drucken haben die kleinen Gaszutrittslöcher 30 einen großen Vorteil. Gerade die kleinen Gaszutrittslöcher 30 können aufgrund des eingeschlossenen Luftvolumens und der Oberflächenspannung der Paste nicht verfüllt werden. Das Aufbringen der Schutzschicht 19 auf das Sensorelement erfolgt insbesondere in einem Grünlingszustand des Sensorelements 10, d. h. in einem ungesinterten Zustand des Sensorelements 10. Dadurch entsteht schon im grünen Zustand des Sensorelements 10 eine Art freitragende Membrane über den Gaszutrittslöchern 30. Nach dem Sintern ist diese Membrane dann porös und gasdurchlässig. In 3 ist die erste Elektrode 18 anhand einer geringen Erhebung der Schutzschicht 19 erkennbar. Die Thermoschockschutzschicht Schutzschicht 19 bedeckt wie oben beschrieben in diesem Zustand jedoch die Gaszutrittslöcher 30.
Nachstehend wird entsprechend das Herstellungsverfahren für das Sensorelement 10 beschrieben. In an sich bekannter Weise wird der keramische Schichtaufbau 12 in der oben beschriebenen Weise realisiert, d.h. es wird der Festelektrolyt 22 mit den Elektroden 18, 24, 40, 42 und dem Heizelement 44 gebildet. Vor dem Sintern werden die Gaszutrittslöcher 30 hergestellt. Beispielsweise wird zum Herstellen der Gaszutrittslöcher mindestens ein Bohrverfahren und/oder mindestens ein Fräsverfahren verwendet. Beispielsweise werden die Gaszutrittslöcher 30 mittels eines Lasers in den Festelektrolyten 22 eingebracht. Die Gaszutrittslöcher 30 werden in einem ungesinterten Zustand des Sensorelements 10 ausgebildet. Alternativ können die Gaszutrittslöcher 30 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Herstellungsverfahren in einem gesinterten Zustand des Sensorelements 10 ausgebildet werden. Beispielsweise werden diese in den gesinterten Schichtaufbau 12 gebohrt. Bevorzugt wird wie oben beschrieben die optionale Schutzschicht 19 in einem ungesinterten Zustand des Schichtaufbaus derart aufgebracht, dass sie die erste Elektrode 18 und die Gaszutrittslöcher 30 bedeckt, wie in 3 gezeigt ist. Die Schutzschicht 19 wird beispielsweise als Paste im Siebdruckverfahren aufgebracht. Alternativ kann die Schutzschicht 19 als Schutzschichtfolie auf die Oberfläche 16 auflaminiert werden. Anschließend kann optional auf die Oberfläche 16 bzw. die Schutzschicht 19 eine Haftschichtpaste aufgedruckt werden, die ein besseres Anhaften der aufzubringenden Thermoschockschutzschicht 20 erlaubt. 3 zeigt dabei das Sensorelement 10 unmittelbar nachdem die Schutzschicht 19 und bevor die Thermoschockschutzschicht 20 aufgebracht wurde. Die Thermoschockschutzschicht 20 kann als Schutzschichtpaste beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Oberfläche 16 aufgebracht werden. Alternativ wird die Thermoschockschutzschicht 20 mittels eines Sprüh- oder Spritzverfahrens aufgebracht, wie beispielsweise Plasmaspritzen und insbesondere atmosphärisches Plasmaspritzen. Dabei umgibt die Thermoschockschutzschicht 20 das Sensorelement 10 zumindest teilweise und bevorzugt vollständig. Die Thermoschockschutzschicht 20 wird auch über den Gaszutrittslöchern 30 aufgebracht und bedeckt diese somit zunächst. Kapillareffekte bewirken jedoch, dass die Thermoschockschutzschicht 20 nicht in die Gaszutrittslöcher 30 eindringt, da die Gaszutrittslöcher 30 so ausgebildet werden, dass die Gaszutrittslöcher 30 einen Durchmesser aufweisen, der ein Eindringen der Thermoschockschutzschicht 20 in die Gaszutrittslöcher 30 verhindert. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Gaszutrittslöcher 30 einen entsprechend kleinen Durchmesser aufweisen, wie oben beschrieben ist. Bezüglich der Darstellung der 3 ist daher explizit zu betonen, dass die Gaszutrittslöcher 30 kurz nach dem Aufbringen der Thermoschockschutzschicht 20 aufgrund von Kapillareffekten wieder freigelegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2008002200 A1 [0005]
DE 102009055421 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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

Claims

Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (14), insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend einen keramischen Schichtaufbau (12) mit mindestens einer ersten Elektrode (18), einer zweiten Elektrode (24) und mindestens einem die erste Elektrode (18) und die zweite Elektrode (24) verbindenden Festelektrolyten (22), wobei die zweite Elektrode (24) durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus (12) von dem Messgasraum (14) getrennt ausgebildet ist, wobei die zweite Elektrode (24) über mindestens einen Gaszutrittsweg (28) mit dem Messgasraum (14) verbunden ist, wobei der Gaszutrittsweg (28) mehrere Gaszutrittslöcher (30) aufweist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Gaszutrittsweg (28) mindestens drei Gaszutrittslöcher (30) aufweist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszutrittslöcher (30) jeweils eine Querschnittsfläche aufweisen, wobei eine Summe der Querschnittsflächen von 0,015 mm² bis 0,075 mm² ist.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszutrittslöcher (30) jeweils einen Durchmesser von 0,05 mm bis 0,15 mm und bevorzugt von 0,075 mm bis 0,10 mm aufweisen.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszutrittslöcher (30) zylindrisch ausgebildet sind.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Gaszutrittslöcher (30) senkrecht zu Schichtebenen des Schichtaufbaus (12) erstrecken.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszutrittslöcher (30) in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind.
Sensorelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (10) zumindest teilweise von einer Thermoschockschutzschicht (20) umgeben ist.
Sensorelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Thermoschockschutzschicht (20) zumindest die erste Elektrode (18) bedeckt.
Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (14), insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, wobei bei dem Verfahren ein keramischer Schichtaufbau (12) ausgebildet wird, wobei der keramische Schichtaufbau (12) mindestens eine erste Elektrode (18), eine zweite Elektrode (24) und mindestens einen die erste Elektrode (18) und die zweite Elektrode (24) verbindenden Festelektrolyten (22) aufweist, wobei die zweite Elektrode (24) durch mindestens eine Schicht des Schichtaufbaus (12) von dem Messgasraum (14) getrennt ausgebildet wird, wobei die zweite Elektrode (24) über mindestens einen Gaszutrittsweg (28) mit dem Messgasraum (14) verbunden wird, wobei der Gaszutrittsweg (28) so ausgebildet wird, dass der Gaszutrittsweg (28) mehrere Gaszutrittslöcher (30) aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zum Herstellen der Gaszutrittslöcher (30) mindestens ein Bohrverfahren und/oder mindestens ein Fräsverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszutrittslöcher (30) in einem ungesinterten Zustand des Sensorelements (10) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (10) zumindest teilweise von einer Thermoschockschutzschicht (20) umgeben wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Thermoschockschutzschicht (20) über den Gaszutrittslöchern (30) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszutrittslöcher (30) so ausgebildet werden, dass die Gaszutrittslöcher (30) einen Durchmesser aufweisen, der ein Eindringen der Thermoschockschutzschicht (20) in die Gaszutrittslöcher (30) verhindert.