DE102014223927A1

DE102014223927A1 - Ceramic sensor element for an exhaust gas sensor

Info

Publication number: DE102014223927A1
Application number: DE102014223927.3A
Authority: DE
Inventors: Ingrid Gerner; Hans-Joerg Renz; Uwe Glanz; Jens Schneider; Michael Piwonski; Nicolas Maier; Harald Guenschel; Petra Kuschel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2016-05-25
Also published as: CN107003276B; WO2016082965A1; CN107003276A; KR20170087464A

Abstract

Keramisches Sensorelement (20) für einen Abgassensor, wobei das keramische Sensorelement (20) zumindest eine zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503) ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin.Ceramic sensor element (20) for an exhaust gas sensor, wherein the ceramic sensor element (20) at least one at least partially exposed conductor track (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503), characterized in that the at least partially open conductor (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503) comprises a material or consists of a material which is less temperature resistant and / or oxidation resistant than platinum.

Description

Stand der Technik State of the art

Es sind bereits keramische Sensorelemente für Abgassensoren bekannt, die hergestellt werden, indem ungesinterte („grüne“) Folien aus stabilisiertem Zirkonoxid oder Aluminiumoxid, beispielsweise per Siebdruck, mit Metall- und Keramikschichten versehen, zum Beispiel per Bohr- oder Stanzprozessen mit Durchkontaktierkanälen versehen, und dann miteinander laminiert und schließlich als Ganzes bei über 1000°C gesintert werden. Durch diese Abfolge der Prozessschritte werden nach dem bekannten Stand der Technik keramische Sensorelemente aufgebaut und in ihnen Heizer- und Elektrodenstrukturen ausgebildet. There are already known ceramic sensor elements for exhaust gas sensors, which are prepared by unsintered ("green") films of stabilized zirconia or alumina, for example by screen printing, provided with metal and ceramic layers, for example, by drilling or punching processes with feedthrough channels provided, and then laminated together and finally sintered as a whole at over 1000 ° C. As a result of this sequence of process steps, ceramic sensor elements are constructed according to the known state of the art and heater and electrode structures are formed in them.

Diese Verfahren haben den Nachteil, dass zum Aufbau bzw. zur Beschichtung der Sensorelemente wenig temperaturbeständige und/oder wenig oxidationsbeständige Materialien nicht verwendet werden können, da sie während des Sinterprozesses nicht ausreichend stabil sind. Somit werden Leiterbahnen, Kontaktpads und Durchkontaktierungen von Sensorelementen für Abgassensoren herkömmlicherweise auch in jenen Bereichen aus oder überwiegend aus Platin gefertigt, die im bestimmungsgemäßen Betrieb nur mäßiger Wärmeeinwirkung, beispielsweise Temperaturen im Bereich unterhalb 500°C, ausgesetzt sind. Nuturgemäß hat dies hohe Kosten zur Folge. These methods have the disadvantage that less temperature-resistant and / or less oxidation-resistant materials can not be used for the construction or coating of the sensor elements, since they are not sufficiently stable during the sintering process. Thus, conductor tracks, contact pads and plated-through holes of sensor elements for exhaust gas sensors are conventionally also made in those areas of or predominantly made of platinum, which are exposed to normal heat exposure, for example temperatures in the range below 500 ° C during normal operation. Nuturgemäß this has high costs.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das keramische Sensorelement zumindest eine zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn aufweist, die ein Material aufweist oder ein Material bezogen auf seinen Massenanteil überwiegend, also zu nicht weniger als 50%, aufweist oder aus einem Material besteht, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin. According to the invention, it is provided that the ceramic sensor element has at least one at least partially exposed conductor track, which has a material or a material based on its mass fraction predominantly, ie not less than 50%, or consists of a material which is less temperature resistant and / or resistant to oxidation as platinum.

Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um ein Metall, insbesondere Pd, Ag, Au, Fe, Al, Cr, Ni, oder eine Metalllegierung, insbesondere Pt-Pd, Ag-Pd, Ag Au, eine Ni-Legierung oder eine Fe-Cr-Al-Legierung, handeln. Auf diese Weise entsteht ein Kostenvorteil, ohne dass die Funktion des Sensorelements beeinträchtigt wäre. This material may be, for example, a metal, in particular Pd, Ag, Au, Fe, Al, Cr, Ni, or a metal alloy, in particular Pt-Pd, Ag-Pd, Ag Au, a Ni alloy or a Fe alloy. Cr-Al alloy, act. In this way, a cost advantage, without the function of the sensor element would be impaired.

Es kann sich bei diesem Material ferner um ein zumindest weitgehend oxidationsbeständiges Platingruppenmetall außer Platin handeln, insbesondere Palladium, oder um ein Münzmetall handeln, insbesondere um ein Münzmetall mit hoher Leitfähigkeit, bevorzugt Au, Ag oder Cu. In addition, this material may be an at least largely oxidation-resistant platinum group metal other than platinum, in particular palladium, or a coin metal, in particular a coinage metal with high conductivity, preferably Au, Ag or Cu.

Weitere Alternativen bestehen darin, dass das Material ein Übergangsmetall ist, insbesondere Fe, Co oder Ni ist, oder Konstantan oder ein Superalloy ist oder ein unedles Metall ist, insbesondere ein Überganggruppen oder Hauptgruppenmetall ist, bevorzugt Sn, Al, In oder Ti ist. Letztere Materialien können in Weiterbildung in Form von Oxiden, beispielsweise als Eloxal vorliegen. Derartige Schichten weisen vorteilhafterweise besonders günstige mechanische Eigenschaften, insbesondere Festigkeiten, auf. Further alternatives are that the material is a transition metal, in particular Fe, Co or Ni, or is constantan or a superalloy or is a non-noble metal, in particular a transition group or main group metal, preferably Sn, Al, In or Ti. The latter materials may be present in further development in the form of oxides, for example as anodized. Such layers advantageously have particularly favorable mechanical properties, in particular strengths.

Es kann sich bei diesem Material ferner um ein Cermet handeln, beispielsweise um ein Cermet, das einen metallischen Anteil und einen keramische Anteil aufweist. Während für den metallischen Anteil bevorzugt eines oder mehrere der oben genannten Metalle verwendbar ist, kann der keramische Anteil beispielsweise Aluminiumoxid sein. Bei der Verwendung von Cermets kann vorteilhafterweise von deren Leitfähigkeit, Verarbeitbarkeit und günstigen Kosten profitiert werden. It may also be a cermet in this material, for example, a cermet having a metallic portion and a ceramic portion. While it is preferable to use one or more of the above-mentioned metals for the metallic portion, the ceramic portion may be, for example, alumina. When using cermets, it is advantageously possible to profit from their conductivity, processability and favorable costs.

In vorteilhaften Weiterbildungen hat das keramische Sensorelement eine längliche Grundform, wobei in Längsrichtung ein abgasseitiges Ende einem anschlussseitigen Ende gegenüberliegt, wobei die zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn im Bereich des anschlussseitigen Endes offen liegt und dort das Material aufweist und im Bereich des abgasseitigen Endes ein höher temperaturbeständiges und/oder höher oxidationsbeständiges Material aufweist, insbesondere Platin aufweist oder überwiegend oder ganz aus Platin oder aus Platin- und Keramikanteilen besteht. Auf diese Weise sind die oben bereits erwähnten Kostenvorteile bei voller abgasseitiger Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit des Sensorelements realisierbar. In advantageous developments, the ceramic sensor element has an elongated basic shape, wherein an exhaust-side end is opposite a connection-side end in the longitudinal direction, wherein the at least partially exposed conductor is open in the region of the connection end and there has the material and in the region of the exhaust side end a higher temperature resistant and / or higher oxidation-resistant material, in particular platinum or consists mainly or entirely of platinum or of platinum and ceramic parts. In this way, the cost advantages already mentioned above can be achieved with full exhaust gas temperature and oxidation resistance of the sensor element.

Es sind insbesondere Leiterbahnen vorgesehen, die aus zwei Bereichen unterschiedlicher chemischer metallischer Zusammensetzung bestehen, die sich im bestimmungsgemäßen Betrieb insbesondere in unterschiedlichen Temperaturbereichen befinden und/oder insbesondere von einem Strom durchflossen sind. Die resultierenden thermo-elektrischen Effekte, insbesondere der an sich bereits bekannte Seebeck-Effekt und der an sich bereits bekannte Peltier-Effekt, eröffnen im vorliegenden Zusammenhang vielfältige neuartige Betriebsverfahren, beispielsweise solche, die eine lokale Erwärmung oder Abkühlung des keramischen Sensorelements vorsehen, eine Erzeugung einer Thermospannung oder eines Thermostroms vorsehen und/oder die zur Energieversorgung und/oder zum Pumpen einer elektrochemischen Zelle des keramischen Sensorelements genutzt werden können. Vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten sind denkbar. In particular, strip conductors are provided which consist of two regions of different chemical metallic composition, which are in normal operation, in particular in different temperature ranges and / or in particular a current flows through them. The resulting thermoelectric effects, in particular the already known Seebeck effect and the per se known Peltier effect, open up in the present context diverse novel operating methods, for example those which provide local heating or cooling of the ceramic sensor element, generation provide a thermoelectric voltage or a thermo-current and / or which can be used to supply energy and / or for pumping an electrochemical cell of the ceramic sensor element. Various other applications are conceivable.

Gemäß dem unabhängigen auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Sensorelements gerichteten Anspruch erfolgt ein Aufbringen des weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständigen Leiterbahnanteils auf dem zuvor bereits gesinterten keramischen Körper des keramischen Sensorelements. Die hohen Temperaturanforderungen des Sinterprozesses, beispielsweise über 1000°C, sind auf diese Weise für diesen Leiterbahnanteil wirkungsvoll umgangen, sodass die Verwendung von Materialien, die weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständig sind als Platin, ohne weiteres möglich wird. According to the independent to a method of manufacturing a ceramic Sensor element directed claim takes place applying the less temperature and / or oxidation resistant conductor track portion on the previously sintered ceramic body of the ceramic sensor element. The high temperature requirements of the sintering process, for example, over 1000 ° C, are effectively bypassed in this way for this trace share, so that the use of materials that are less resistant to temperature and / or oxidation than platinum, readily possible.

Das Aufbringen des weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständigen Leiterbahnanteils auf dem zuvor bereits gesinterten keramischen Körper des keramischen Sensorelements kann mit einem generativen Verfahren erfolgen. The application of the less temperature and / or oxidation resistant conductor track portion on the previously sintered ceramic body of the ceramic sensor element can be carried out by a generative process.

Generative Verfahren, auch additive Verfahren oder 3-D Druck genannt, werden dabei im Sinne der VDI-Richtlinie VDI 3404 von 12/2009 von den konventionellen Verfahren abgegrenzt. Insbesondere erfolgt bei generativen Verfahren die Fertigung ohne Verwendung von Formen oder Halbzeugen, insbesondere durch eine Fertigungseinrichtung, die ein lediglich als elektronischer Datensatz vorhandenes Modell des herzustellenden Produkts (beispielsweise CAD-Modell) direkt umsetzt. Generative processes, also called additive processes or 3-D printing, are used in the sense of VDI Guideline VDI 3404 of 12/2009 separated from the conventional methods. In particular, in generative processes, the production takes place without the use of molds or semi-finished products, in particular by a production device which directly implements a model of the product to be produced (for example a CAD model) that exists merely as an electronic data record.

Das Aufbringen des weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständigen Leiterbahnanteils auf dem zuvor bereits gesinterten keramischen Körper des keramischen Sensorelements kann mittels eines 3D-MID-Verfahren, mittels eines kaltaktivem Plasmas, mit dem unter der Marke Plasmadust bekannten Verfahren und/oder durch Dispensen/Einbrennen bei einer Temperatur zwischen 600°C und 1100°C erfolgen. The application of the less temperature- and / or oxidation-resistant conductor track portion on the previously sintered ceramic body of the ceramic sensor element can by means of a 3D-MID method, by means of a cold-active plasma, with the known under the brand Plasmadust method and / or by dispensing / baking at a temperature between 600 ° C and 1100 ° C take place.

Generative Verfahren unterliegen derzeit einer raschen technologischen Fortentwicklung und haben ein erhebliches technologisches Potential. Insofern ist zur Herstellung von bereits bekannten, vorliegend offenbarten und zukünftigen Abgassensoren und deren Strukturelementen stets neben den bereits bekannten und den vorliegend offenbarten Fertigungstechnologien auch der in den nächsten Jahren zu erwartende weitere technologische Fortschritt auf dem Gebiet der generativen Fertigungsverfahren zur Realisierung der genannten Vorteile besonders zwingend heranzuziehen. Generative processes are currently undergoing rapid technological development and have significant technological potential. In this respect, for the production of already known, presently disclosed and future exhaust gas sensors and their structural elements in addition to the already known and the presently disclosed manufacturing technologies and the expected in the coming years further technological progress in the field of generative manufacturing process for realizing the above advantages is particularly imperative consulted.

Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Hereinafter, examples of the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.

In den Zeichnungen zeigen: In the drawings show:

Die 1 in Explosionsdarstellung perspektivisch und schematisch ein erfindungsgemäßes Sensorelement. The 1 Exploded view in perspective and schematically a sensor element according to the invention.

2 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Sensorelements aus 1. 2 a sectional view of the sensor element according to the invention 1 ,

3 in Explosionsdarstellung perspektivisch und schematisch das Sensorelements aus 1 während der Herstellung. 3 in exploded view in perspective and schematically the sensor element 1 During manufacture.

4 eine Übersicht des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens. 4 an overview of the production process according to the invention.

Ausführungsformen embodiments

1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Gesamtansicht eines gesinterten Sensorelements 20, das in einem Gehäuse eines Gasmessfühlers (nicht gezeichnet) angeordnet werden kann, der zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas eines Verbrennungsmotors (nicht gezeichnet) dient. 1 shows as an embodiment of the invention an overall view of a sintered sensor element 20 , which can be arranged in a housing of a gas sensor (not shown), which is used to determine the oxygen concentration in an exhaust gas of an internal combustion engine (not shown).

Das Sensorelement erstreckt sich in der 1 in Längsrichtung von links nach rechts, wobei ein erster Endbereich 201 des Sensorelements 20 rechts und ein zweiter Endbereich 202 des Sensorelements 20 links abgebildet ist. Im bestimmungsgemäßen Verbau und Betrieb ist der erste Endbereich 201 des Sensorelements 20 einem Abgas zugewandt und der zweite Endbereich 202 des Sensorelements 20 dem Abgas abgewandt. The sensor element extends in the 1 in the longitudinal direction from left to right, wherein a first end portion 201 of the sensor element 20 right and a second end area 202 of the sensor element 20 pictured left. In intended installation and operation is the first end 201 of the sensor element 20 an exhaust gas facing and the second end portion 202 of the sensor element 20 facing away from the exhaust.

Ferner erstreckt sich in der 1 das Sensorelement 20 in Querrichtung von vorne nach hinten und in Hochrichtung von unten nach oben. It also extends in the 1 the sensor element 20 in the transverse direction from front to back and in the vertical direction from bottom to top.

Das Sensorelement 20 ist aus bedruckten keramischen Schichten aufgebaut, die in diesem Beispiel als eine erste, zweite und eine dritte Festelektrolytfolie 21, 22, 23 ausgebildet sind und Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) enthalten. Die gesinterten Festelektrolytfolien 21, 22, 23 weisen im Beispiel eine Länge von 60mm, eine Breite von 4mm und eine Höhe von 450µm auf. The sensor element 20 is constructed of printed ceramic layers, which in this example are a first, second, and third solid electrolyte foil 21 . 22 . 23 are formed and yttria stabilized zirconia (YSZ) included. The sintered solid electrolyte films 21 . 22 . 23 in the example have a length of 60mm, a width of 4mm and a height of 450μm.

Die erste Festelektrolytfolie 21 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach außen weisenden Großfläche, in 1 unten, im zweiten Endbereich 202 des Sensorelements 20 mit einer Kontaktfläche 43 und einer weiteren Kontaktfläche 44 versehen. The first solid electrolyte foil 21 is on her from the point of view of the sensor element 20 outwardly facing large area, in 1 below, in the second end area 202 of the sensor element 20 with a contact surface 43 and another contact surface 44 Mistake.

Die erste Festelektrolytfolie 21 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach innen weisenden Großfläche, in 1 oben, im ersten Endbereich 201 des Sensorelements 20 mit einer mäanderförmigen Heizvorrichtung 311 versehen. In Fortsetzung der mäanderförmigen Heizvorrichtung 311 ist an deren Enden jeweils eine Leiterbahn 321, 322 angeschlossen. The first solid electrolyte foil 21 is on her from the point of view of the sensor element 20 inward pointing large area, in 1 above, in the first end area 201 of the sensor element 20 with a meandering heater 311 Mistake. In continuation of the meandering heater 311 is at its ends in each case a conductor track 321 . 322 connected.

Die Leiterbahnen 321, 322 weisen abgasseitig einen als Zuleitung 323, 325 bezeichneten Abschnitt auf, der vorliegend eine konstante Breite hat. Die Leiterbahnen 321, 322 weisen ferner abgasabgewandt einen als Kragen 324, 326 bezeichneten Abschnitt auf, der vorliegend ringförmig ausgebildet ist. The tracks 321 . 322 have the exhaust side as a supply line 323 . 325 designated portion which has a constant width in the present case. The tracks 321 . 322 also have exhaust gas facing away as a collar 324 . 326 designated portion, which is present annular.

Die erste Festelektrolytfolie 21 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach innen weisenden Großfläche, in 1 oben, ferner mit Isolationsschichten 330 und einem Dichtrahmen 331, sowie einer Folienbinderschicht 333 versehen. The first solid electrolyte foil 21 is on her from the point of view of the sensor element 20 inward pointing large area, in 1 above, further with insulation layers 330 and a sealing frame 331 , as well as a film binder layer 333 Mistake.

Die erste Festelektrolytfolie 21 weist im zweiten Endbereich 202 zwei Durchkontaktierungen 501, 502 auf, die in senkrechter Richtung durch die erste Festelektrolytfolie 21 verlaufen und jeweils eine Kontaktfläche 43, 44 mit einem Kragen 324, 326 einer Leiterbahn 321, 322 elektrisch leitendend verbinden, siehe 2. The first solid electrolyte foil 21 points in the second end area 202 two vias 501 . 502 on, in the vertical direction through the first solid electrolyte film 21 each run and one contact surface 43 . 44 with a collar 324 . 326 a trace 321 . 322 Connect electrically conductive, see 2 ,

Die zweite Festelektrolytfolie 22 ist beidseitig mit jeweils einer Folienbinderschicht 333 versehen, ferner weist die zweite Festelektrolytfolie 22 einen Referenzgaskanal 35 auf, der sich längs von einer abgasabgewandt angeordneten Referenzgasöffnung 351 bis in den ersten Endbereich 201 des Sensorelements 20 erstreckt und dabei in Querrichtung mittig verläuft. Der Referenzgaskanal 35 ist ungefüllt ausgebildet. The second solid electrolyte foil 22 is on both sides, each with a Folienbinderschicht 333 provided, further, the second solid electrolyte film 22 a reference gas channel 35 on, which extends longitudinally from a reference gas opening arranged away from the exhaust gas 351 to the first end area 201 of the sensor element 20 extends and thereby runs centrally in the transverse direction. The reference gas channel 35 is unfilled.

Die dritte Festelektrolytfolie 23 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach innen weisenden Großfläche, in 1 unten, dem Referenzgaskanal 35 gegenüberliegend, mit einer Cermetelektrode 312 als Funktionselement 31 zur Messung einer Sauerstoffkonzentration versehen. In Fortsetzung der Cermetelektrode 312 ist an deren Ende eine Leiterbahn 328 angeschlossen, wobei der Übergang von der Cermetelektrode 312 zu der Leiterbahn 328 durch eine Abnahme der Strukturbreite gekennzeichnet ist. The third solid electrolyte film 23 is on her from the point of view of the sensor element 20 inward pointing large area, in 1 below, the reference gas channel 35 opposite, with a cermet electrode 312 as a functional element 31 provided for measuring an oxygen concentration. In continuation of the cermet electrode 312 is at the end of a track 328 connected, with the transition from the cermet electrode 312 to the track 328 is characterized by a decrease in the structure width.

Die Leiterbahn 328 weist abgasseitig einen als Zuleitung 327 bezeichneten Abschnitt auf, der vorliegend eine konstante Breite hat. The conductor track 328 has the exhaust side as a supply line 327 designated portion which has a constant width in the present case.

Die dritte Festelektrolytfolie 23 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach außen weisenden Großfläche, in 1 oben, im zweiten Endbereich 202 des Sensorelements 20 mit einer Kontaktfläche 45 und einer weiteren Kontaktfläche 46 versehen. The third solid electrolyte film 23 is on her from the point of view of the sensor element 20 outwardly facing large area, in 1 above, in the second end area 202 of the sensor element 20 with a contact surface 45 and another contact surface 46 Mistake.

An die weitere Kontaktfläche 46 schließt sich eine Leiterbahn 320 mit beispielsweise konstanter Breite an, die sich bis zu einer im ersten Endbereich 201 des Sensorelements 20 angeordneten weiteren Cermetelektrode 313 erstreckt. To the further contact surface 46 closes a trace 320 with, for example, constant width, extending up to one in the first end region 201 of the sensor element 20 arranged further cermet electrode 313 extends.

Die dritte Festelektrolytfolie 23 weist im zweiten Endbereich 202 eine Durchkontaktierung 503 auf, die die in senkrechter Richtung durch die dritte Festelektrolytfolie 23 verläuft und die die Kontaktfläche 45 mit dem Kragen 329 elektrisch leitendend verbindet, siehe 2. The third solid electrolyte film 23 points in the second end area 202 a via 503 on, which in the vertical direction through the third solid electrolyte foil 23 runs and the contact surface 45 with the collar 329 electrically conductive connects, see 2 ,

Ein Schnitt durch das in der 1 gezeigte Sensorelement 20, in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Sensorelements 20 durch die Durchkontaktierungen 501, 502, 503 ist in der 2, rein schematisch, gezeigt. A cut through that in the 1 shown sensor element 20 in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the sensor element 20 through the vias 501 . 502 . 503 is in the 2 , purely schematic, shown.

Die Durchkontaktierungen 501, 502, 503 sind als leitfähige Schichten der radialen Wände der Durchkontaktierlöcher 601, 602, 603 des Sensorelements 20 ausgebildet. Der Durchmesser der Durchkontaktierlöcher 601, 602, 603 beträgt im Beispiel 0,48mm. The vias 501 . 502 . 503 are as conductive layers of the radial walls of the via holes 601 . 602 . 603 of the sensor element 20 educated. The diameter of the via holes 601 . 602 . 603 in the example is 0.48mm.

Das in den 1 und 2 gezeigte Sensorelement 20 weist zumindest teilweise offenliegende Leiterbahnen auf, nämlich die auf der nach außen weisenden Großfläche der dritten Festelektrolytfolie 23 angeordnete Leiterbahn 320 mit der weiteren Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45 mit der Durchkontaktierung 503; ferner die auf der nach außen weisenden Großfläche der ersten Festelektrolytfolie 21 angeordneten Kontaktflächen 43, 44 mit den zugehörigen Durchkontaktierungen 501, 502. That in the 1 and 2 shown sensor element 20 has at least partially exposed interconnects, namely on the outwardly facing large area of the third solid electrolyte film 23 arranged conductor track 320 with the further contact surface 46 as well as the contact area 45 with the via 503 ; Furthermore, on the outwardly facing large area of the first solid electrolyte film 21 arranged contact surfaces 43 . 44 with the associated vias 501 . 502 ,

Es ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass bestimmte offenliegende Teile dieser Leiterbahnen, nämlich ein anschlussseitiger Teil 320a der Leiterbahn 320, die weitere Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45, die Durchkontaktierung 503; ferner die Kontaktflächen 43, 44 und die Durchkontaktierungen 501, 502 ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, beispielsweise aus einer Fe-Cr-Al-Legierung bestehen. Ein abgasseitiger Teil 320b der Leiterbahn 320 und die im Inneren des Sensorelements 20 angeordneten Leiterbahnen, beispielsweise die Leiterbahnen 321, 322, 328 bestehen hingegen, wie im Stand der Technik üblich, ganz oder überwiegend aus Platin oder einem Platin-Cermet. It is provided in this example that certain exposed parts of these interconnects, namely a connection-side part 320a the conductor track 320 , the more contact area 46 as well as the contact area 45 , the through-hole 503 ; furthermore, the contact surfaces 43 . 44 and the vias 501 . 502 comprise a material or consist of a material which is less resistant to temperature and / or oxidation than platinum, for example, consist of an Fe-Cr-Al alloy. An exhaust side part 320b the conductor track 320 and inside the sensor element 20 arranged conductor tracks, such as the tracks 321 . 322 . 328 On the other hand, as usual in the prior art, consist entirely or predominantly of platinum or a platinum cermet.

Zur Herstellung des in den 1 und 2 gezeigten Sensorelements wird in einem ersten Verfahrensschritt 101 (siehe 4) in an sich bekannter Technik, mittels Bedrucken, Laminieren und Sintern bei über 1000°C von keramischen Folien ein keramischer Körper 120 hergestellt, der sich von dem fertigen Sensorelement 20 dadurch unterscheidet, dass die bestimmten offen liegenden Teile der Leiterbahnen die ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, genauer gesagt: der anschlussseitige Teil 320a der Leiterbahn 320, die weitere Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45, die Durchkontaktierung 503, die Kontaktflächen 43, 44 und die Durchkontaktierungen 501, 502, noch nicht aufgebracht sind. Der keramische Körper 120 ist in der 3 in einer Darstellung entsprechend der 1 dargestellt. For the production of in the 1 and 2 shown sensor element is in a first process step 101 (please refer 4 ) in a conventional technique, by printing, laminating and sintering at over 1000 ° C of ceramic films a ceramic body 120 made of the finished sensor element 20 differs in that the particular exposed parts of the tracks have a material or consist of a material which is less temperature resistant and / or oxidation resistant than platinum, more precisely: the connection-side part 320a the conductor track 320 , the more contact area 46 as well as the contact area 45 , the through-hole 503 , the contact surfaces 43 . 44 and the vias 501 . 502 , not yet upset. The ceramic body 120 is in the 3 in a representation corresponding to the 1 shown.

In einem zweiten Verfahrensschritt 102 (siehe 4) werden auf den Keramikkörper 102 die bestimmten offen liegenden Teile der Leiterbahnen die ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, genauer gesagt: der anschlussseitige Teil 320a der Leiterbahn 320, die weitere Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45, die Durchkontaktierung 503, die Kontaktflächen 43, 44 und die Durchkontaktierungen 501, 502, aufgebracht. Das Aufbringen 102 erfolgt beispielsweise mittels an sich bekannter generativer Verfahren. Das Aufbringen 102 erfolgt beispielsweise mittels eines 3D-MID-Verfahrens, mittels eines kaltaktiven Plasmas, mittels des unter der Marke Plasmadust bekannten Verfahrens und/oder durch Dispensen/Einbrennen bei einer Temperatur zwischen 600°C und 1100°C. Im Anschluss an den zweiten Verfahrensschritt 102 liegt das in den 1 und 2 gezeigte fertige Sensorelement 20 vor. In a second process step 102 (please refer 4 ) are on the ceramic body 102 the particular exposed parts of the tracks that have a material or consist of a material that is less temperature resistant and / or oxidation resistant than platinum, more specifically: the connection-side part 320a the conductor track 320 , the more contact area 46 as well as the contact area 45 , the through-hole 503 , the contact surfaces 43 . 44 and the vias 501 . 502 , applied. The application 102 takes place, for example, by means of generative methods known per se. The application 102 takes place, for example, by means of a 3D-MID method, by means of a cold-active plasma, by means of the method known under the trademark Plasmadust and / or by dispensing / baking at a temperature between 600 ° C and 1100 ° C. Following the second process step 102 is that in the 1 and 2 shown finished sensor element 20 in front.

Im Fall des Aufbringens der Leiterbahnteile mittels einer Plasma-Metallisierung erfolgt letztere bevorzugt durch eine antihaftbeschichtete Metall-, Glas- oder PTFE-Maske hindurch, um feine Leiterbahnstrukturen mit einer Breite von beispielsweise nur 50µm aber auch geometrisch definierte Vollflächen reproduzierbar herstellen zu können. Zur Wiederverwendung der Masken wird das auf die Masken aufgetragene Material durch einen anschließenden Säuberungsprozess (z.B. Wasserstrahl-Hochdruck; CO2 oder Ätzprozess) entfernt. In the case of the application of the conductor track parts by means of a plasma metallization, the latter preferably takes place through a non-stick-coated metal, glass or PTFE mask in order to reproducibly produce fine printed conductor structures with a width of, for example, only 50 μm but also geometrically defined full areas. To reuse the masks, the material applied to the masks is removed by a subsequent cleaning process (e.g., water jet high pressure, CO2 or etching process).

Optional ist es möglich, in beliebigen Raumrichtungen gradierte metallische Schichten aufzubringen, mittels derer beispielsweise eine vollflächige EMV-Abschirmung oder Wärmeableitung im Bereich von 5 bis 100W/(m·K) zur Temperaturhomogenisierung oder Entwärmung erreichbar ist. Optionally, it is possible to apply graded metallic layers in any spatial directions, by means of which, for example, a full-surface EMC shielding or heat dissipation in the range of 5 to 100W / (m · K) can be achieved for temperature homogenization or heat dissipation.

Wenngleich oben exemplarisch von einem planaren Sensorelement ausgegangen wurde, lassen sich die Leiterbahnen auch auf unebenen Oberflächen aufbringen. Auf diese Weise sind beispielsweise auch in einem Arbeitsgang kostengünstige, insbesondere spiralförmige Heizelemente und/oder Induktivitäten herstellbar, beispielsweise in einer Anwendung als HF-Filter oder Transformator. Although a planar sensor element was assumed as an example above, the printed conductors can also be applied to uneven surfaces. In this way, cost-effective, in particular spiral-shaped heating elements and / or inductors can be produced, for example, in an application as an HF filter or transformer, for example.

Es können ferner zusätzliche Dispersionsschichten, z.B. aus Bornitrid aufgebracht werde und somit eine Erhöhung der Korrosionsfestigkeit und eine Verhinderung elektrischer Nebenschlüsse durch eindringende Feuchtigkeit verbessert werden. Additional dispersion layers, e.g. Boron nitride applied and thus an increase in corrosion resistance and prevention of electrical shunts are improved by penetrating moisture.

Strukturelemente und Fertigungsverfahren der an sich bekannten Aufbau- und Verbindungstechnik können nach Bedarf ergänzend oder alternativ zur Anwendung kommen. Structural elements and manufacturing methods of the known construction and connection technology can be used as a supplement or as an alternative to the application.

Bei einem alternativen Ausführbeispiel sind im Vergleich zum vorangehend beschriebenen die platinhaltigen Teile der Leiterbahnen in Längsrichtung des Sensorelements 20 verkleinert und die platinfreien Teile der Leiterbahnen in Längsrichtung des Sensorelements 20 vergrößert, so dass der Bereich der offenliegenden Leiterbahn, der ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, sich bis in ein in Längsrichtung mittleres Drittel des Sensorelements 20 erstreckt, vorzugsweise sogar bis in eine in Längsrichtung abgasseitige Hälfte des Sensorelements 20. In an alternative embodiment, in comparison to the previously described, the platinum-containing parts of the conductor tracks are in the longitudinal direction of the sensor element 20 reduced and the platinum-free parts of the conductor tracks in the longitudinal direction of the sensor element 20 increased, so that the region of the exposed conductor track, which comprises a material or consists of a material which is less temperature-resistant and / or oxidation-resistant than platinum, down to a longitudinally middle third of the sensor element 20 extends, preferably even into a longitudinal side exhaust side half of the sensor element 20 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

VDI Guideline VDI 3404 of 12/2009 [0012]

Claims

Ceramic sensor element ( 20 ) for an exhaust gas sensor, wherein the ceramic sensor element ( 20 ) at least one at least partially open conductor track ( 43 . 44 . 45 . 46 . 320 . 320a . 501 . 502 . 503 ), characterized in that the at least partially exposed conductor track ( 43 . 44 . 45 . 46 . 320 . 320a . 501 . 502 . 503 ) comprises a material or consists of a material which is less temperature resistant and / or oxidation resistant than platinum.

Ceramic sensor element ( 20 ) according to claim 1, characterized in that the material is a metal, in particular Pd, Ag, Au, Fe, Al, Cr, Ni, or a metal alloys, in particular Pt-Pd, Ag-Pd, Ag-Au, a Ni alloy or a Fe-Cr-Al alloy, or a cermet.

Ceramic sensor element ( 20 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the material is an at least largely oxidation-resistant platinum group metal other than platinum, in particular palladium, or is a coin metal, in particular a coinage metal with high conductivity, preferably Au, Ag or Cu.

Ceramic sensor element ( 20 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the material is a transition metal, in particular Fe, Co or Ni, or is constantan or a superalloy or is a non-noble metal, in particular a transition group or main group metal, preferably Sn, Al, In or Ti is.

Ceramic sensor element ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least partially open conductor track ( 43 . 44 . 45 . 46 . 320 . 320a . 501 . 502 . 503 ) is not platinum-containing at least in subregions of the exposed region.

Ceramic sensor element ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic sensor element ( 20 ) has an elongated basic shape, wherein in the longitudinal direction of an exhaust-side end ( 201 ) a connection-side end ( 202 ), wherein the at least partially exposed conductor track ( 43 . 44 . 45 . 46 . 320 . 320a . 501 . 502 . 503 ) in the region of the connection-side end ( 202 ) is open and there has the material and in the region of the exhaust side end ( 201 ) has a higher temperature resistant and / or higher oxidation resistant material, in particular platinum or consists mainly or entirely of platinum or of platinum and ceramic parts.

Method for producing a ceramic sensor element ( 20 ) for an exhaust gas sensor, in particular a ceramic sensor element ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the open conductor track ( 43 . 44 . 45 . 46 . 320 . 320a . 501 . 502 . 503 ) at least partially on a previously sintered ceramic body ( 120 ) is applied.

Method according to claim 7, characterized in that the application ( 102 ) by means of a generative method, in particular by means of one of the following methods: 3D-MID method, cold-active plasma, and / or dispensing / baking at T = 600 ... 1100 ° C.

A method according to claim 7 or 8, characterized in that the application takes place through a mask.

Method for operating a ceramic sensor element ( 20 ) according to claim 4, characterized in that on the basis of a current flow through the open conductor track ( 43 . 44 . 45 . 46 . 320 . 320a . 501 . 502 . 503 ) a local heating or cooling of the ceramic sensor element ( 20 ) is generated or that a thermoelectric voltage is generated, which is used to supply power to the ceramic sensor element ( 20 ) and / or for pumping an electrochemical cell of the ceramic sensor element ( 20 ) can be used.