DE102015226361A1

DE102015226361A1 - Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102015226361A1
Application number: DE102015226361.4A
Authority: DE
Inventors: Lothar Diehl; Thilo Lehre; Piero Lupetin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Es wird ein Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen. Das Sensorelement (110) umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht (114), mindestens ein Funktionselement (116) und mindestens ein Heizelement (140). Das Funktionselement (116) weist mindestens eine Funktionselementzuleitung (134) auf. Das Heizelement (140) weist mindestens eine Heizelementzuleitung (142) auf. Die Funktionselementzuleitung (134) umfasst mindestens eine erste Durchkontaktierung (136) und ist über die erste Durchkontaktierung (136) elektrisch leitend kontaktierbar. Die Heizelementzuleitung (142) umfasst mindestens eine zweite Durchkontaktierung (146) und ist über die zweite Durchkontaktierung (146) elektrisch leitend kontaktierbar. Die Funktionselementzuleitung (134) und die Heizelementzuleitung (142) sind gegen die Festelektrolytschicht (114) elektrisch isoliert. Das Funktionselement (116) und das Heizelement (140) sind zumindest teilweise aus Strontium und/oder einer Strontium-Verbindung hergestellt.

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, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Sensoren beschrieben, welche zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases, insbesondere eines Partialdrucks und/oder eines Volumenanteils und/oder eines Massenanteils, eines Gases an einem Gasgemisch dienen. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Beispielsweise kann eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas erfolgen. 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 andere Abgasbestandteile, insbesondere Wasser, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe usw., oder die Temperatur.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambda-Sonde oder als NOx-Sensor ausgestaltet sein. Lambda-Sonden und NOx-Sensoren sind beispielsweise in Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 beschrieben.
Derartige Sensorelemente basieren üblicherweise auf ionenleitenden Eigenschaften bestimmter Festkörper, also auf der Verwendung so genannter Festelektrolyte, welche insbesondere als keramische Festelektrolyte ausgestaltet sein können. Beispiele derartiger Festelektrolyte, welche grundsätzlich eine oder mehrere Ionenarten leiten können, sind sauerstoffionenleitende Festelektrolyte, insbesondere auf der Basis von Zirkoniumdioxid. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können z.B. Festelektrolyte insbesondere in Form von ebenen Schichten aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandiumdotiertem Zirkoniumdioxid (ScSZ) verwendet werden, welche aufeinander aufgebracht sind und in welche weitere Elemente des Sensorelements eingebracht sind. Sensorelemente auf der Basis keramischer Festelektrolyte werden beispielsweise in Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, Springer Vieweg, 2012, Seiten 160 bis 165 beschrieben.
Derartige Sensorelemente weisen üblicherweise ein Heizelement auf. Das Heizelement kann in das Sensorelement integriert sein. Die Sensorelemente können mittels des Heizelements nach Motorstart innerhalb weniger Sekunden auf eine Betriebstemperatur von ungefähr 700 °C bis 800 °C erwärmt werden. Zudem umfassen derartige Sensorelemente üblicherweise mindestens eine Elektrode im Inneren des Sensorelements. Zuleitungen von Heizelement und Elektrode im Inneren des Sensorelements können von außen über so genannte Durchkontaktierungen elektrisch leitend kontaktiert werden. Die Durchkontaktierungen und Zuleitungen können Platin umfassen. Um eine elektrochemische Reduzierung des Festelektrolyten zu verhindern, welches zu einer Störung der Funktion des Sensors führen kann, ist eine elektrische Isolation der Zuleitungen und der Durchkontaktierungen gegen den Festelektrolyten erforderlich.
Eine elektrische Isolation der Durchkontaktierungen kann beispielsweise mittels Niob erfolgen. Beispielsweise kann eine Niob-haltige Platinpaste auf Wände der Durchkontaktierungen aufgetragen werden. Bei einem Co-Sinterprozess kann das Niob in den Festelektrolyten diffundieren und dort in einer Grenzschicht die Sauerstoffionenleitung blockieren. In der WO2015/154905 A1 wird ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases beschrieben. Das Sensorelement umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht, welche mindestens ein Durchkontaktierloch aufweist. Die Festelektrolytschicht ist in dem Durchkontaktierloch von dem Leitelement durch ein Isolationselement elektrisch isoliert. Derartige Niob-Durchkontaktierungen können jedoch nur bis zu einer Temperatur von 400 °C eine ausreichende elektrische Isolation gewährleisten, so dass Niob-Durchkontaktierungen nur bei ausreichend langen Sensorelementen, also bei einem ausreichend großen Abstand der Durchkontaktierung zum Heizelement, verwendet werden. Zudem kann die Niob-Dotierung zu einer Aufhebung der Stabilisierung der tetragonalen Phase im Zirkonoxid führen und eine Phasenumwandlung von der tetragonalen Phase zu einer monoklinen Phase erfolgen. Bei Temperaturen unter 500 °C, insbesondere unter Einfluss von Feuchtigkeit, kann sich der Festelektrolyt leicht in eine monokline Phase wandeln. Die monokline Phase besitzt dabei eine um 20 % reduzierte Dichte im Vergleich zur tetragonalen Phase, so dass die Phasenumwandlung mit einer Volumenausdehnung verbunden ist. So kann es zu Brüchen und zum Versagen des Sensorelements kommen. Die elektrische Isolation mittels Niob kann ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere des Sensorelements ermöglichen und so zu einer Sprengung der Sensorkeramik bei einem Aufheizen von verdampftem Wasser führen. Eine Isolation mittels Niob kann nicht großflächig an den Elektroden- oder Heizelementzuleitungen erfolgen, sondern nur sehr begrenzt an den Durchkontaktierungen. Zudem können für die Durchkontaktierungen Löcher im Sensorelement mit einem Durchmesser von 800–1000 μm erforderlich sein, welche die mechanische Stabilität des Sensorelements beeinträchtigen können.
Weiter kann eine elektrische Isolation der Durchkontaktierungen durch einen Schichtaufbau aus Aluminiumoxid und Platin erfolgen. Dabei kann Aluminiumoxid auf Wände der Durchkontaktierung aufgebracht werden, auf welche anschließend eine Platinschicht aufgetragen wird. Die Aluminiumoxidschicht kann die Durchkontaktierung gegen den Festelektrolyten isolieren, und die Platinschicht kann die Zuleitung elektrisch leitend mit einer Kontaktierung auf einer Außenseite des Sensorelements verbinden. Die Herstellung einer durchgehenden Isolationsschicht mittels Siebdruck kann fehleranfällig sein, insbesondere können so genannte Pinholes, dünne Stellen und Trocknungsrisse auftreten, und eine elektrische Überprüfung des fertigen Sensorelements erfordern. Die elektrische Isolation mittels Schichtaufbau aus Aluminiumoxid und Platin kann ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere des Sensorelements ermöglichen und so zu einer Sprengung der Sensorkeramik bei einem Aufheizen von verdampftem Wasser führen. Weiter können für die Durchkontaktierungen Löcher im Sensorelement mit einem Durchmesser von 800–1000 μm erforderlich sein, welche die mechanische Stabilität des Sensorelements beeinträchtigen können. Zudem ist die Herstellung des Schichtaufbaus teuer in der Herstellung.
Beispielsweise kann die elektrische Isolation mittels einer Siebdruckschicht aus Aluminiumoxid zwischen Heizelement und Zuleitungen gegen den Festelektrolyten erfolgen. Beispielsweise kann zusätzlich eine leitfähige Schicht unter die Isolationsschicht eingebracht werden, um eine Prüfung der Durchkontaktierung und der Heizelementisolation in einem kalten Zustand zu ermöglichen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid kann sich wesentlich vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Festelektrolyten unterscheiden. Um den Schichtaufbau umfassend Aluminiumoxidschicht und Festelektrolyt gemeinsam sintern zu können, kann der Aluminiumschicht ein Porenbildner zugegeben werden. Die daraus resultierende Porosität kann zu einer Anfälligkeit des Sensorelements gegenüber eindringender Feuchtigkeit führen und die Festigkeit des Sensorelements reduzieren.
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. Insbesondere soll eine elektrische Isolation von elektrisch leitfähigen Bauteilen gegen eine Festelektrolytschicht, eine mechanische Stabilität des Sensorelements und eine prozesssichere kostengünstige Herstellung ermöglicht werden.
Das Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht, mindestens ein Funktionselement und mindestens ein Heizelement. Das Funktionselement weist mindestens eine Funktionselementzuleitung auf. Das Heizelement weist mindestens eine Heizelementzuleitung auf. Die Funktionselementzuleitung umfasst mindestens eine erste Durchkontaktierung und ist über die erste Durchkontaktierung elektrisch leitend kontaktierbar. Die Heizelementzuleitung umfasst mindestens eine zweite Durchkontaktierung und ist über die zweite Durchkontaktierung elektrisch leitend kontaktierbar. Die Funktionselementzuleitung und die Heizelementzuleitung sind gegen die Festelektrolytschicht elektrisch isoliert. Das Funktionselement und das Heizelement sind zumindest teilweise aus Strontium und/oder einer Strontium-Verbindung hergestellt.
Unter einem Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum kann eine Vorrichtung verstanden werden, die eingerichtet ist, eine Eigenschaft eines Messgases, insbesondere eines Anteil einer Gaskomponente eines Gases, zu detektieren. Unter einer Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases kann eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Gases verstanden werden. Grundsätzlich kann das Sensorelement eingerichtet sein, eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases zu erfassen, beispielsweise eine Temperatur und/oder einen Druck des Gases und/oder Partikel in dem Gas. Auch andere Eigenschaften sind grundsätzlich erfassbar. Bei dem Messgas kann es sich grundsätzlich um ein beliebiges Gas handeln, beispielsweise Abgas, Luft, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch oder auch ein anderes Gas. Allgemein kann unter einem Messgasraum ein Raum verstanden werden, in welchem sich das zu messende Gas befindet. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch handeln.
Unter einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise Sauerstoffionenleitenden Eigenschaften. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies kann auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannten Grünling oder Braunling umfassen, welche erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten werden. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder Scandiumstabilisiertes Zirkoniumdioxid enthalten. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, welche über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einem Funktionselement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Elektrode, mindestens einer Pumpzelle, mindestens einer Nernstzelle, mindestens einer Diffusionsbarriere. Insbesondere sind unter Funktionselement diejenigen Elemente eines Sensorelements zu verstehen, die für die chemischen, physikalischen, elektrischen, elektrophysikalischen und/oder elektrochemischen Funktionen von Bedeutung sind. Das Funktionselement kann eine erste Elektrode sein. Die Bezeichnung „erste“ Elektrode wird als reine Bezeichnung verwendet und gibt insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Elektroden vorhanden sind. Unter einer Elektrode kann allgemein ein elektrisch leitender Bereich des Sensorelements verstanden werden, welcher beispielsweise mit Strom oder Spannung beaufschlagt werden kann. Die erste Elektrode kann eingerichtet sein, die Festelektrolytschicht derart zu kontaktieren, dass durch die Festelektrolytschicht und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Die erste Elektrode kann ein Element umfassen, an welchem die Ionen in die Festelektrolytschicht eingebaut und/oder aus der Festelektrolytschicht ausgebaut werden können. Die erste Elektrode kann als eine Edelmetallelektrode ausgestaltet sein, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf der Festelektrolytschicht aufgebracht sein oder auf andere Weise mit der Festelektrolytschicht in Verbindung stehen kann. Die erste Elektrode kann als Cermet-Elektroden, insbesondere als Platin-Cermet-Elektroden ausgestaltet sein. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einer Funktionselementzuleitung kann ein Bauteil verstanden werden, welches eingerichtet ist, das Funktionselement elektrisch zu kontaktieren. Insbesondere kann die Funktionselementzuleitung als eine Zuleitungsbahn ausgestaltet sein. Die eigentliche Elektrode kann sich von ihrer Zuleitung dadurch unterscheiden, dass sie einen größeren Querschnitt als die Zuleitung aufweist. Das Material der Funktionselementzuleitung kann Platin umfassen.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen der Festelektrolytschicht und des Funktionselements auf mindestens eine Funktionstemperatur und vorzugsweise auf eine Betriebstemperatur dient. Unter einer Funktionstemperatur kann eine Temperatur verstanden werden, ab der die Festelektrolytschicht für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Unter einer Betriebstemperatur kann eine Temperatur verstanden werden, bei welcher das Sensorelement üblicherweise betrieben wird. Die Betriebstemperatur kann höher sein als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 800 °C sein. Das Heizelement kann im Inneren des Sensorelements angeordnet sein, insbesondere als integriertes Heizelement. Das Heizelement kann eingerichtet sein, nach einem Motorstart innerhalb von wenigen Sekunden das Sensorelement auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Die Zeit bis zum Erreichen der Betriebstemperatur, d.h. der so genannte „Light off“, hängt von der in dem Heizelement umgesetzten Heizleistung ab.
Das Heizelement weist mindestens eine Heizelementzuleitung auf. Unter einer Heizelementzuleitung kann ein Bauteil verstanden werden, welches eingerichtet ist, das Heizelement elektrisch zu kontaktieren. Insbesondere kann die Heizelementzuleitung als eine Zuleitungsbahn ausgestaltet sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und die Heizelementzuleitung umfassen. Unter einem Heizbereich kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich des Heizelements verstanden werden, welcher sich während eines Betriebs des Heizelements erwärmt, insbesondere welcher sich stärker erwärmt als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich kann als Heizmäander ausgestaltet sein. Der Heizbereich und/oder die Zuleitungsbahn können beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet sein und können sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung erwärmen. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Das Material des Heizelements, insbesondere der Heizelementzuleitung, kann Platin umfassen.
Das Material der Funktionselementzuleitung und des Heizelements, insbesondere der Heizelementzuleitung, können Platin umfassen. Ein Anteil des Platins kann von 92 Gew.-% bis 97 Gew.-% und bevorzugt von 93 Gew.-% bis 96 Gew.-% sein.
Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine zweite Elektrode umfassen. Die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die Festelektrolytschicht können eine Pumpzelle bilden. Die Festelektrolytschicht, die erste Elektrode und das Heizelement können einen Schichtaufbau bilden, wobei die erste Elektrode im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet ist und die zweite Elektrode auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Außenseite des Schichtaufbaus angeordnet sein kann. 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 unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein. Die Richtung des Schichtaufbaus bestimmt sich dabei senkrecht zu den jeweiligen Schichten bzw. Schichtebenen. Die erste Elektrode kann als innere Pumpelektrode und die zweite Elektrode als äußere Pumpelektrode ausgestaltet sein. Das Sensorelement kann eine Nernstzelle aufweisen. Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine dritte Elektrode umfassen, welche als Nernstelektrode ausgestaltet sein kann. Das Sensorelement kann weiterhin eine vierte Elektrode aufweisen, welche als Referenzelektrode ausgestaltet sein kann. Die Nernstzelle kann von dem Heizelement erwärmbar sein. Die Bezeichnungen „zweite“, „dritte“ und „vierte“ Elektrode werden als reine Bezeichnungen verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Elektroden vorhanden sind. Hinsichtlich der Ausgestaltung der zweiten, dritten und vierten Elektrode kann auf die Beschreibung der ersten Elektrode Bezug genommen werden.
Die Funktionselementzuleitung umfasst mindestens eine erste Durchkontaktierung und ist über die erste Durchkontaktierung elektrisch leitend kontaktierbar. Das Funktionselement, insbesondere die erste Elektrode, kann im Inneren des Sensorelements angeordnet sein. Unter einer Durchkontaktierung ist eine Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, eine elektrische Kontaktierung mindestens eines Bauteils des Sensorelements, welches im Inneren des Sensorelements angeordnet ist, insbesondere des Funktionselements und des Heizelements, von außerhalb des Sensorelements zu ermöglichen. Die erste Durchkontaktierung kann einen elektrisch leitenden Kontakt aufweisen, welcher eingerichtet ist, eine elektrische Kontaktierung der inneren Elektrode zu ermöglichen. Das Sensorelement kann mindestens eine Bohrung und/oder Stanzung aufweisen, über welche die Funktionselementzuleitung aus dem Sensorelement herausgeführt werden kann, insbesondere auf eine Außenseite des Sensorelements. Auf der Außenseite des Sensorelements können elektrische Kontakte angeordnet sein, mit welcher die Funktionselementzuleitung elektrisch leitend verbunden werden kann. Die elektrischen Kontakte können als Anschlusskontaktflächen ausgestaltet sein. Die erste Durchkontaktierung kann Platin umfassen. Die erste Durchkontaktierung kann Niob umfassen.
Die Heizelementzuleitung umfasst mindestens eine zweite Durchkontaktierung und ist über die zweite Durchkontaktierung elektrisch leitend kontaktierbar. Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ Durchkontaktierung werden als reine Bezeichnungen verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Durchkontaktierungen vorhanden sind. Die zweite Durchkontaktierung kann ein elektrisch leitender Kontakt sein, welcher eingerichtet ist, eine elektrische Kontaktierung des Heizelements zu ermöglichen. Das Sensorelement kann mindestens eine Bohrung und/oder Stanzung aufweisen, über welche die Heizelementzuleitung aus dem Sensorelement herausgeführt werden kann, insbesondere auf eine Außenseite des Sensorelements. Auf der Außenseite des Sensorelements können elektrische Kontakte angeordnet sein, mit welcher die Heizelementzuleitung elektrisch leitend verbunden werden kann. Die elektrischen Kontakte können als Anschlusskontaktflächen ausgestaltet sein. Die zweite Durchkontaktierung kann Platin umfassen. Die zweite Durchkontaktierung kann Niob umfassen.
Die Funktionselementzuleitung und die Heizelementzuleitung sind gegen die Festelektrolytschicht elektrisch isoliert. Wie oben ausgeführt, kann die Festelektrolytschicht YSZ (Yttrium Stabilized Zirconia) umfassen. Die Funktionselementzuleitung und die Heizelementzuleitung können derart gegen die Festelektrolytschicht elektrisch isoliert sein, dass eine elektrochemische Reduzierung der Festelektrolytschicht verhindert wird. Eine elektrochemische Reduzierung der Festelektrolytschicht kann zu einer Störung der Funktion des Sensorelements führen.
Das Funktionselement und das Heizelement sind zumindest teilweise aus Strontium und/oder einer Strontium-Verbindung, insbesondere einer oxidischen Strontium-Verbindung, hergestellt. Die erste Durchkontaktierung und/oder die zweite Durchkontaktierung können zumindest teilweise mit einer perowskitischen Keramik gefüllt sein. Die perowskitische Keramik kann eine elektrische Kontaktierung des Funktionselements und des Heizelements ermöglichen. Die perowskitische Keramik kann eine derart hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so dass eine Durchkontaktierung gewährleistet ist. Beispielsweise können perowskitische Keramiken, welche in SOFC-Brennstoffzellen als Kathode eingesetzt werden, verwendet werden. Beispielsweise kann die erste Durchkontaktierung und/oder die zweite Durchkontaktierung bevorzugt vollständig mit einer perowskitischen Keramik gefüllt sein. Eine Fläche und eine Länge der mit der perowskitischen Keramik zumindest teilweise gefüllten zweiten Durchkontaktierung kann derart ausgewählt werden, dass ein Widerstand der zweiten Durchkontaktierung kleiner als 300 mΩ, bevorzugt kleiner 100 mΩ ist. So kann ein schnelles Light-off des Sensorelements gewährleistet werden.
Die Materialzusammensetzung der perowskitischen Keramik kann abhängig von einem Temperaturbereich und einer notwendigen Schichtdicke zur Isolation ausgewählt sein. Die perowskitische Keramik kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus:
La_xSr_1-xMnO_3-y, wobei x von 0,1 bis 0,3, bevorzugt 0,2, oder von 0,4 bis 0,7, bevorzugt 0,5, ist; La_xSr_1-xFeO_3-y, wobei x von 0,1 bis 0,3, bevorzugt 0,2, oder von 0,4 bis 0,7, bevorzugt 0,5, ist; La_xSr_1-xCoO_3-y, wobei x von 0,1 bis 0,3, bevorzugt 0,2, oder von 0,4 bis 0,7, bevorzugt 0,5, ist. Y bezieht sich auf die Sauerstoffunterstöchiometrie. Typischerweise kann die perowskitische Keramik bei einem Co-Sintern mit der Festelektrolytschicht, insbesondere einer Festelektrolytschicht aus YSZ, bei einer Sintertemperatur von 1200°C bis 1500 °C, reagieren. An einer Grenzschicht können sich dabei Reaktionsprodukte abhängig von der chemischen Zusammensetzung der perowskitischen Keramik bilden. Beispielsweise kann ein (La, Sr)-Manganat abhängig vom Strontium-Anteil La₂Zr₂O₇oder SrZrO₃ im Kontakt mit YSZ bilden. Diese Reaktionsprodukte können eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzen. So kann beispielsweise bei 730 °C die spezifische Leitfähigkeit von SrZrO₃um einen Faktor 50 geringer sein als von YSZ. Die Materialzusammensetzung kann derart gewählt werden, dass sich bei einem Co-Sintern mit YSZ in einem Temperaturbereich von 1300°C bis 1400 °C eine für eine Isolationsfunktion ausreichend dicke Schicht La₂Zr₂O₇oder SrZrO₃ bildet.
Die perowskitische Keramik kann in Form einer Paste in die erste Durchkontaktierung und/oder die zweite Durchkontaktierung einbringbar sein. Die erste und/oder zweite Durchkontaktierung kann in einem Grünzustand, vor der thermischen Behandlung, vollständig mit der perowskitischen Keramik gefüllt werden. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient und eine Sinterschwindung können mit Eigenschaften der Festelektrolytschicht harmonieren, so dass die erste und/oder zweite Durchkontaktierung vollständig dicht versintert werden kann. Beispielsweise kann die erste und/oder die zweite Durchkontaktierung als ein Loch in der Festelektrolytschicht aus YSZ ausgestaltet sein und vollständig mit der perowskitischen Keramik gefüllt werden. Beim Co-Sintern kann sich an einer Grenzfläche zur Festelektrolytschicht eine elektrisch isolierende Schicht bilden. In einem Zentralbereich der Durchkontaktierung kann eine elektrisch leitende perowskitische Keramik verbleiben. Die elektrisch leitende perowskitische Keramik kann einen direkten Kontakt zum Platin der Funktionselementzuleitung und/oder der Heizelementzuleitung aufweisen. Die elektrisch leitende perowskitische Keramik kann einen direkten Kontakt zum Platin der Anschlusskontaktflächen aufweisen. Unter einem Zentralbereich kann ein beliebig geformter Bereich der Durchkontaktierung verstanden werden, welcher sich um einen Mittelpunkt der Durchkontaktierung erstreckt. Beispielsweis kann der Zentralbereich eine kreisförmige Grundfläche aufweisen. Beispielsweise kann die Durchkontaktierung als Loch ausgestaltet sein und der Zentralbereich kann ein Bereich sein, welcher sich vom Mittelpunkt des Loches aus zu einem Rand des Loches hin erstreckt. Der Zentralbereich kann derart ausgestaltet sein, dass der Zentralbereich die Durchkontaktierung vollständig abdeckt. Der Zentralbereich kann ein Teilbereich der Durchkontaktierung sein.
Eine Herstellung der ersten und/oder zweiten Durchkontaktierung kann beispielsweise mittels Schablonendruck oder Dispensen erfolgen, welche prozesssicher und kostengünstig sind.
Das Material der Funktionselementzuleitung und des Heizelements, insbesondere der Heizelementzuleitung, kann oxidische Strontiumverbindungen umfassen. Das Material der Funktionselementzuleitung und des Heizelements, insbesondere der Heizelementzuleitung, kann Platin umfassen. Beispielsweise kann ein Volumenanteil des Platins größer als 60 % und bevorzugt größer als 70% sein. Beispielsweise kann der Volumenanteil des Platins 75 % sein. Abhängig von dem Volumenanteils des Platins können die weiteren 10 bis 40 Volumenprozent in beliebigen Verhältnissen aus oxidischen Strontium-Verbindungen und Al₂O₃ aufgebaut werden. Vorzugsweise kann das Material der Funktionselementzuleitung und des Heizelements, insbesondere der Heizelementzuleitung, weiterhin Niob umfassen. Die Funktionselementzuleitungen und das Heizelement, insbesondere die Heizelementzuleitung, können mittels eines Druckverfahrens hergestellt werden, beispielsweise durch Drucken einer Platinschicht. Beispielsweise kann eine Paste verwendet werden, insbesondere eine platinhaltige Paste, vorzugsweise eine platinhaltige Paste, welche Niob aufweist. Beispielsweise können oxidische Strontiumverbindungen der platinhaltigen Paste zugegeben werden. Ein Anteil des Strontium kann von 0,1 Gew.-% bis 20 Gew.-% und bevorzugt von 1 bis 10 Gew.-% sein. Bei einem Co-Sintern der oxidische Strontiumverbindungen aufweisenden Schicht auf der Festelektrolytschicht kann sich eine Isolationsschicht aus SrZrO₃ bilden.
Beispielsweise kann das Material der Funktionselementzuleitungen oxidische Strontiumverbindungen aufweisen. Die Zugabe von oxidischen Strontiumverbindungen zu dem Material der Funktionselementzuleitung kann eine Kopplung der äußeren Pumpelektrode zu der Referenzelektrode und einen Kurzschluss der Nernstzelle bei einem heißen Sechskant unterbinden.
Beispielsweise kann das Material des Heizelements oxidische Strontiumverbindungen aufweisen. Beispielsweise können der Heizbereich und/oder die Heizelementzuleitungen oxidische Strontiumverbindungen aufweisen. Die Zugabe von oxidischen Strontiumverbindungen zu dem Material des Heizelements kann eine Isolation des Heizelements in eine Dickenrichtung des Sensorelements gewährleisten. Vorzugsweise kann dem Heizbereich, insbesondere dem Heizmäander, ein höherer Strontium-Anteil zugesetzt werden als der Heizelementzuleitung. Dadurch kann ein für die Beheizung erforderlicher höherer spezifischer Widerstand des Heizbereichs erzeugt werden.
Das Sensorelement kann mindestens eine Isolationsschicht aufweisen, welche eingerichtet ist, das Funktionselement gegen die Festelektrolytschicht und/oder das Heizelement gegen die Festelektrolytschicht zu isolieren. Die Isolationsschicht kann Strontiumzirkonat SrZrO₃ umfassen. Die Isolationsschicht kann eine Isolationsdruckschicht sein, welche beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren hergestellt werden kann. Beispielsweise kann eine selbstisolierende Strontium-haltige und Platin-haltige Paste verwendet werden. Bei einem Co-Sintern von Strontium und/oder Strontium aufweisenden Schicht auf der Festelektrolytschicht kann sich eine Isolationsschicht aus SrZrO₃ bilden. Positiv geladene Strontium-Ionen können beim Co-Sintern in das Zirkonoxid diffundieren und sich zu SrZrO₃verbinden. SrZrO₃ kann bei hohen Temperaturen bis 600 °C ein ionischer und elektrischer Isolator sein. Im Gegensatz zu Niob-Dotierungen erfolgt dabei grundsätzlich keine Umwandlung von YSZ in eine monokline Phase. Die Isolationsschicht aus SrZrO₃ kann eine mechanisch stabile Verbindung mit dem teilstabilisierten tetragonalen YSZ gewährleisten. Dadurch kann die Isolationsschicht großflächig im Sensorelement eingesetzt werden und ein Einsatz von Al₂O₃-Isolationsschichten reduziert werden.
Die Isolationsschicht kann als eine lokale Isolationsschicht ausgestaltet sein. In Bereichen des Sensorelements, in denen eine besonders hohe Isolationswirkung erforderlich ist, beispielsweise wegen auftretender großer Potenzialdifferenzen, kann eine Isolation durch lokale Isolationsschichten erfolgen. Unter einer lokalen Isolationsschicht kann eine Isolationsschicht verstanden werden, welche eingerichtet ist, Bauteile des Sensorelements örtlich und/oder räumlich begrenzt zu isolieren. Die lokale Isolationsschicht kann eingerichtet sein, einen Anteil eines Bauteils zu isolieren. Die lokale Isolationsschicht kann einen Anteil einer Schicht im Schichtaufbau des Sensorelements bedecken, beispielweise einen Anteil von ≤ 45%, bevorzugt von ≤ 25%, besonders bevorzugt von ≤ 5%. Eine Schicht im Schichtaufbau des Sensorelements kann eine Vielzahl von lokalen Isolationsschichten aufweisen. Beispielsweise kann mindestens eine SrZrO₃-haltige Paste über ein Siebdruckverfahren lokal im Sensorelement gedruckt werden. Dadurch kann eine lokal verstärkte Isolationswirkung erzielt werden und/oder eine Erhöhung des spezifischen Widerstands der Platin Leiterbahnen durch eine Strontium-Zugabe vermieden werden. Die lokale Isolationsschicht kann eine Siebdruckschicht aus SrZrO₃ohne Porenbilder sein. In einem gesinterten Zustand kann SrZrO₃ mechanisch kompatibel mit der Festelektrolytschicht aus YSZ sein, wodurch Sinterspannungen im Sensorelement minimiert werden können. Beispielsweise kann im Schichtaufbau des Sensorelements eine lokale Isolationsschicht derart angeordnet sein, dass benachbart angeordnete Mäanderäste des Heizbereichs, insbesondere nahe zueinander liegende Mäanderäste, gegeneinander isoliert werden. Die Mäanderäste können insbesondere quer isoliert werden, insbesondere senkrecht, zu der Erstreckungsrichtung der Festelektrolytschicht. Beispielsweise kann eine Querisolation mit Siebdruckschichten aus Al₂O₃ oder SrZrO₃ erfolgen.
Die Isolationsschicht kann als eine großflächige Isolationsschicht ausgestaltet sein. Unter einer großflächigen Isolationsschicht kann eine flächig ausgedehnte Isolationsschicht verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Anteil von mindestens 50%, vorzugsweise von mindestens 75%, besonders bevorzugt von 100%, einer Schicht im Schichtaufbau des Sensorelements zu bedecken. Die Isolationsschicht kann weiter Aluminiumoxid Al₂O₃ umfassen. Beispielsweise kann die Isolationsschicht eine Isolationsdruckschicht aus Al₂O₃ sein. Die Isolationsschicht kann Strontiumverbindungen umfassen, beispielsweise können zu dem Al₂O₃Strontiumverbindungen zugegeben werden. Gewichtsanteile von Strontiumverbindungen und Al₂O₃ können zusammen 100 Gew.-% betragen. Ein Anteil von Strontium kann von 0,1 Gew.-% bis 20 Gew.-% und bevorzugt von 1 bis 10 Gew.-% sein. Dadurch können kleine Kurzschlüsse von eingedrungenem ZrO₂ prozesssicher isoliert werden. Die Isolationsschicht kann als Einzelschicht ausgestaltet sein.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Bereitstellen mindestens einer Festelektrolytschicht,
– Bereitstellen mindestens eines Funktionselements und mindestens eines Heizelements, wobei das Funktionselement mindestens eine Funktionselementzuleitung aufweist, wobei das Heizelement mindestens eine Heizelementzuleitung aufweist,
– Bereitstellen mindestens einer ersten Durchkontaktierung der Funktionselementzuleitung, wobei die Funktionselementzuleitung über die erste Durchkontaktierung elektrisch leitend kontaktierbar ist,
– Bereitstellen mindestens einer zweiten Durchkontaktierung der Heizelementzuleitung, wobei die Heizelementzuleitung über die zweite Durchkontaktierung elektrisch leitend kontaktierbar ist.

Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass die Funktionselementzuleitung und die Heizelementzuleitung gegen die Festelektrolytschicht elektrisch isoliert sind, wobei das Funktionselement und das Heizelement zumindest teilweise aus Strontium oder einer Strontium-Verbindung, insbesondere einer oxidischen Strontium-Verbindung, hergestellt werden. Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Hierbei können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen. Hinsichtlich Definitionen und Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung des Sensorelements kann auf obige Ausführungen zu dem in einem ersten Aspekt der Erfindung vorgeschlagenen Sensorelement verwiesen werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So kann eine elektrische Isolation von Durchkontaktierungen mittels einer perowskitischen Keramik eine hohe Isolationsfestigkeit bei Temperaturen von 600 °C gewährleisten und kann insbesondere für kurzbauende Sensoren einsetzbar sein. Die erfindungsgemäße Durchkontaktierung kann prozesssicher und kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere kann eine 100% Prüfung der Isolationsfestigkeit nicht erforderlich sein. Die erste und/oder zweite Durchkontaktierung können vollständig dicht versintert werden, was zu einer Vermeidung einer Reduzierung einer 3-Punkt-Biegebruchfestigkeit des Sensorelements in einem Bereich der Durchkontaktierungen führen kann. Zudem kann ein Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit vermieden werden. Eine Sprengung des Sensorelements durch verdampfendes Wasser bei einem Aufheizen kann vermieden werden. Weiter können Strontium-haltige Isolationsschichten eine elektrische und ionische Isolation bei Temperaturen bis 600 °C gewährleisten. Strontium-haltige Isolationsschichten können eine mechanisch stabile Verbindung mit der Festelektrolytschicht gewährleisten. Die Sinterspannung im Sensorelement kann minimiert werden. Strontium-haltige Isolationsschichten können großflächig im Sensorelement eingesetzt werden, so dass der Einsatz von Al₂O₃-Isolationsschichten reduziert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, insbesondere in Kombination mit den Ansprüchen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Es zeigen:
1 eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Sensorelements;
2A bis C die elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur von verschiedenen perowskitischen Keramiken (2A); die chemische Stabilität von (La, Sr)-Manganat in Abhängigkeit von der Temperatur und Strontiumanteil (2B); die elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur von YSZ, im Vergleich zu SrZrO₃ 3C);
3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchkontaktierung;
4 eine Ausführungsform eines Heizelements;
5 eine weitere Ausführungsform des Heizelements; und
6 eine weitere Ausführungsform des Heizelements.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 zeigt eine Explosionszeichnung eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum 112. Bei dem Messgasraum 112 kann es sich insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln und bei dem Messgas um Abgas. Insbesondere kann das Sensorelement 110 eingerichtet sein, einen Anteil an Sauerstoff in dem Messgas zu bestimmen. Das Sensorelement 110 umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht 114. Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht 114 ein keramischer Festelektrolyt aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertem Zirkoniumdioxid (ScSZ) sein.
Das Sensorelement 110 umfasst mindestens ein Funktionselement 116. In der in 1 gezeigten Ausführungsform weist das Sensorelement 110 eine erste Elektrode 118 und eine zweite Elektrode 120 auf. Die erste Elektrode 118, die zweite Elektrode 120 und die Festelektrolytschicht 114 können eine Pumpzelle bilden. Die erste Elektrode 118 kann als innere Pumpelektrode und die zweite Elektrode 120 als äußere Pumpelektrode ausgestaltet sein. Die zweite Elektrode 120 kann auf einer dem Messgasraum 112 aussetzbaren Außenseite bzw. Oberfläche eines Schichtaufbaus des Sensorelements 110 angeordnet sein. Die zweite Elektrode 120 kann mit einer Schutzschicht 126, insbesondere einer gasdurchlässigen Schutzschicht, abgedeckt sein. Das Sensorelement 110 kann eine Nernstzelle 121 umfassen. Das Sensorelement 110 kann mindestens eine dritte Elektrode 122 umfassen, welche als Nernstelektrode ausgestaltet sein kann. Das Sensorelement 110 kann eine Referenzelektrode 124 aufweisen. Das Sensorelement 110 kann ein Gaszutrittsloch 128 aufweisen. Das Messgas kann durch das Gaszutrittsloch 128 und eine Diffusionsbarriere 130 in einen Hohlraum 132 diffundieren.
Das Funktionselement 116 weist mindestens eine Funktionselementzuleitung 134 auf. Die Funktionselementzuleitung 134 kann als eine Zuleitungsbahn ausgestaltet sein. Die erste Elektrode 118, die zweite Elektrode 120, die dritte Elektrode 122 und die Referenzelektrode 124 können als Cermet-Elektroden, insbesondere als Platin-Cermet-Elektroden ausgestaltet sein. Das Material der Funktionselementzuleitung 134 kann Platin umfassen. Ein Anteil des Platins kann von 92 Gew.-% bis 97 Gew.-% und bevorzugt von 93 Gew.-% bis 96 Gew.-% sein. Die Funktionselementzuleitung 134 umfasst mindestens eine erste Durchkontaktierung 136 und ist über die erste Durchkontaktierung 136 elektrisch leitend kontaktierbar. Die erste Durchkontaktierung 136 kann einen elektrisch leitenden Kontakt 138 aufweisen, welcher eingerichtet sein kann, eine elektrische Kontaktierung von Elektroden zu ermöglichen, welche im Inneren des Sensorelements 110 angeordnet sind. Das Sensorelement 110 kann mindestens eine Bohrung und/oder Stanzung aufweisen, über welche die Funktionselementzuleitung 134 aus dem Sensorelement 110 herausgeführt werden kann, insbesondere auf eine Außenseite des Sensorelements 110. Die elektrisch leitenden Kontakte 138 können auf der Außenseite des Sensorelements 110 angeordnet sein, mit welcher die Funktionselementzuleitung 134 elektrisch leitend verbunden werden kann. Die elektrischen Kontakte 138 können als Anschlusskontaktflächen ausgestaltet sein. Die erste Durchkontaktierung 136 kann Platin umfassen. Zusätzlich kann die erste Durchkontaktierung 136 Niob umfassen.
Das Sensorelement 110 umfasst mindestens ein Heizelement 140. Das Heizelement 140 weist mindestens eine Heizelementzuleitung 142 auf. Insbesondere kann die Heizelementzuleitung 142 als eine Zuleitungsbahn ausgestaltet sein. Das Heizelement 140 kann einen Heizbereich 144, ausgestaltet als Heizmäander, und die Heizelementzuleitung 142 umfassen. Der Heizbereich 144 und/oder die Zuleitungsbahn können beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet sein und können sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung erwärmen. Das Heizelement 140 kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Das Material des Heizelements 140, insbesondere der Heizelementzuleitung 142, kann Platin umfassen. Ein Anteil des Platins kann von 92 Gew.-% bis 97 Gew.-% und bevorzugt von 93 Gew.-% bis 96 Gew.-% sein.
Die Heizelementzuleitung 142 umfasst mindestens eine zweite Durchkontaktierung 146 und ist über die zweite Durchkontaktierung 146 elektrisch leitend kontaktierbar. Die zweite Durchkontaktierung 146 kann als ein elektrisch leitender Kontakt 148 ausgestaltet sein, welcher eingerichtet ist, eine elektrische Kontaktierung des Heizelements 140 zu ermöglichen. Das Sensorelement 110 kann mindestens eine Bohrung und/oder Stanzung aufweisen, über welche die Heizelementzuleitung 142 aus dem Sensorelement 110 herausgeführt werden kann, insbesondere auf die Außenseite des Sensorelements 110. Die elektrisch leitenden Kontakte 148 können als Anschlusskontaktflächen ausgestaltet sein. Die zweite Durchkontaktierung 146 kann Platin umfassen. Zusätzlich kann die zweite Durchkontaktierung 146 Niob umfassen.
Die Funktionselementzuleitung 134 und die Heizelementzuleitung 142 sind gegen die Festelektrolytschicht 114 elektrisch isoliert. Die Funktionselementzuleitung 134 und die Heizelementzuleitung 142 können derart gegen die Festelektrolytschicht 114 elektrisch isoliert sein, dass eine elektrochemische Reduzierung der Festelektrolytschicht 114 verhindert wird. Beispielsweise kann das Sensorelement 110 mindestens eine Aluminiumoxid-Isolationsschicht 149 aufweisen. Das Funktionselement 116 und das Heizelement 140 sind zumindest teilweise aus Strontium und/oder einer Strontium-Verbindung hergestellt. Die erste Durchkontaktierung 136 und/oder die zweite Durchkontaktierung 146 können zumindest teilweise mit einer perowskitischen Keramik 150 gefüllt sein. Die perowskitische Keramik 150 kann eine elektrische Kontaktierung des Funktionselements 116 und des Heizelements 140 ermöglichen. Beispielsweise kann die erste Durchkontaktierung 136 und/oder die zweite Durchkontaktierung 146 bevorzugt vollständig mit einer perowskitischen Keramik 150 gefüllt sein. Eine Fläche und eine Länge der mit der perowskitischen Keramik 150 zumindest teilweise gefüllten zweiten Durchkontaktierung 146 kann derart ausgewählt werden, dass ein Widerstand der zweiten Durchkontaktierung 146 kleiner als 300 mΩ, bevorzugt kleiner 100 mΩ ist. So kann ein schnelles Light-off des Sensorelements 110 gewährleistet werden.
Die Materialzusammensetzung der perowskitischen Keramik 150 kann abhängig von einem Temperaturbereich und einer notwendigen Schichtdicke zur Isolation ausgewählt sein. Die perowskitische Keramik 150 kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: La_xSr_1-xMnO_3-y, wobei x von 0,1 bis 0,3, bevorzugt 0,2, oder von 0,4 bis 0,7, bevorzugt 0,5, ist; La_xSr_1-xFeO_3-y, wobei x von 0,1 bis 0,3, bevorzugt 0,2, oder von 0,4 bis 0,7, bevorzugt 0,5, ist; La_xSr_1-xCoO_3-y, wobei x von 0,1 bis 0,3, bevorzugt 0,2, oder von 0,4 bis 0,7, bevorzugt 0,5, ist. Typischerweise kann die perowskitische Keramik bei einem Co-Sintern mit der Festelektrolytschicht 114 bei einer Sintertemperatur von 1200°C bis 1500 °C reagieren. An einer Grenzschicht können sich dabei Reaktionsprodukte abhängig von der chemischen Zusammensetzung der perowskitischen Keramik bilden. Beispielsweise kann ein (La, Sr)-Manganat abhängig vom Strontium-Anteil La₂Zr₂O₇oder SrZrO₃ bilden. Diese Reaktionsprodukte können eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzen. So ist beispielsweise bei 730 °C die spezifische Leitfähigkeit von SrZrO₃um einen Faktor 50 geringer als von YSZ. Die Materialzusammensetzung kann derart gewählt werden, dass sich bei einem Co-Sintern mit YSZ in einem Temperaturbereich von 1300°C bis 1400 °C eine für eine Isolationsfunktion ausreichend dicke Schicht La₂Zr₂O₇oder SrZrO₃ bildet. 2A zeigt die elektrische Leitfähigkeit σ in S cm^–1 in Abhängigkeit von der Temperatur T sowohl in °C und in K von verschiedenen perowskitischen Keramiken 150. Die Bezugsziffern 152 bis 168 zeigen das Temperaturverhalten von La_0,3Sr_0,7CoO_3-y(Bezugsziffer 152), La_0,5Sr_0,5CoO_3-y(Bezugsziffer 154), La_0,7Sr_0,3CoO_3-y(Bezugsziffer 162), La_0,3Sr_0,7FeO_3-y(Bezugsziffer 166), La_0,5Sr_0,5FeO_3-y(Bezugsziffer 168), La_0,7Sr_0,3FeO_3-y(Bezugsziffer 164), La_0,3Sr_0,7MnO_3-y(Bezugsziffer 158), La_0,5Sr_0,5MnO_3-y(Bezugsziffer 156), La_0,7Sr_0,3MnO_3-y(Bezugsziffer 160). 2B zeigt Messergebnisse, dargestellt als Dreiecke, und zugehörige Fitfunktionen der chemischen Stabilität von (La,Sr)-Manganat in Abhängigkeit von der Temperatur T in K und dem Strontiumanteil Sr in mol. In einem Bereich gekennzeichnet mit Bezugsziffer 170 findet keine Reaktion statt. In einem Bereich gekennzeichnet mit Bezugsziffer 172 kann eine Reaktion zu SrZrO₃ erfolgen. In einem Bereich gekennzeichnet mit Bezugsziffer 174 kann eine Reaktion zu La₂Zr₂O₇ erfolgen. In einem Bereich gekennzeichnet mit Bezugsziffer 176 kann sowohl eine Reaktion zu SrZrO₃ und zu La₂Zr₂O₇ erfolgen. 2C zeigt die elektrische Leitfähigkeit σ in S cm^–1 in Abhängigkeit von der Temperatur T von YSZ, gekennzeichnet mit Bezugsziffer 180, im Vergleich zu SrZrO₃. Bei hohen Temperaturen weist SrZrO₃eine geringere elektrische Leitfähigkeit, beispielsweise eine um einen Faktor 50 geringere Leitfähigkeit, auf als YSZ.
3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Durchkontaktierung. Diese Ausführungsform wird im Folgenden am Beispiel der ersten Durchkontaktierung 136 beschrieben. Entsprechendes gilt für die Ausgestaltung der zweiten Durchkontaktierung 146. Die perowskitische Keramik 150 kann in Form einer Paste in die erste Durchkontaktierung 136 einbringbar sein. Die erste Durchkontaktierung 136 kann in einem Grünzustand, vor der thermischen Behandlung, vollständig mit der perowskitischen Keramik 150 gefüllt werden. Beispielsweise kann die erste Durchkontaktierung 136 als ein Loch in der Festelektrolytschicht 114 aus YSZ ausgestaltet sein und vollständig mit der perowskitischen Keramik 150 gefüllt werden. Beim Co-Sintern kann sich an einer Grenzfläche 184 zur Festelektrolytschicht 114 eine elektrisch isolierende Schicht 186 bilden. In einem Zentralbereich 188 der ersten Durchkontaktierung 136 kann die elektrisch leitende perowskitische Keramik 150 verbleiben. Die elektrisch leitende perowskitische Keramik 150 kann einen direkten Kontakt zum Platin der Funktionselementzuleitung 134 aufweisen. Die elektrisch leitende perowskitische Keramik 150 kann einen direkten Kontakt zum Platin der Anschlusskontaktflächen aufweisen.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Heizelements 140. Das Material des Heizelements 140, insbesondere der Heizelementzuleitung 142 und des Heizbereichs 144, kann oxidische Strontiumverbindungen umfassen. Das Material des Heizelements 140 kann Platin umfassen. Beispielsweise kann ein Anteil des Platins von 92 Gew.-% bis 97 Gew.-% und bevorzugt von 93 Gew.-% bis 96 Gew.-% sein. Vorzugsweise kann das Material des Heizelements 140 weiterhin Niob umfassen. Das Heizelement 140, insbesondere die Heizelementzuleitung 142, kann mittels eines Druckverfahrens hergestellt werden, beispielsweise durch Drucken einer Platinschicht. Beispielsweise kann eine Paste verwendet werden, insbesondere eine platinhaltige Paste, vorzugsweise eine platinhaltige Paste, welche Niob aufweist. Beispielsweise können oxidische Strontiumverbindungen der platinhaltigen Paste zugegeben werden. Ein Anteil des Strontium kann von 0,1 Gew.-% bis 20 Gew.-% und bevorzugt von 1 bis 10 Gew.-% sein. Bei einem Co-Sintern der oxidische Strontiumverbindungen aufweisenden Schicht auf der Festelektrolytschicht 114 kann sich eine Isolationsschicht aus SrZrO₃ bilden. In der in 4 gezeigten Ausführungsform können der Heizbereich 144 und die Heizelementzuleitungen 142 oxidische Strontiumverbindungen aufweisen. Vorzugsweise kann dem Heizbereich 144, insbesondere dem Heizmäander, ein höherer Strontium-Anteil zugesetzt werden als der Heizelementzuleitung 142. Dadurch kann ein für die Beheizung erforderlicher höherer spezifischer Widerstand des Heizbereichs 142 erzeugt werden. Der Heizmäander kann insbesondere schmaler gedruckt sein als die Heizelementzuleitungen 142. Die Zugabe von oxidischen Strontiumverbindungen zu dem Material des Heizelements 140 kann eine Isolation des Heizelements 140 in eine Dickenrichtung des Sensorelements 110 gewährleisten.
5 und 6 zeigen weitere Ausführungsform des Heizelements 140. In diesen Ausführungsformen kann zusätzlich zu der in 4 beschriebenen Ausführungsform mindestens eine Isolationsschicht 190 vorgesehen sein. Hinsichtlich der Ausgestaltung von Heizbereich 144 und Heizelementzuleitung 142 kann auf die Beschreibung zu 4 verwiesen werden. Die Isolationsschicht 190 kann eingerichtet sein, das Heizelement 140 gegen die Festelektrolytschicht 114 zu isolieren. Die Isolationsschicht 190 kann Strontiumzirkonat SrZrO₃ umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Isolationsschicht 190 Aluminiumoxid aufweisen. Die Isolationsschicht 190 kann eine Isolationsdruckschicht sein, welche beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren hergestellt werden kann. Beispielsweise kann eine selbstisolierende Strontium-haltige und Platin-haltige Paste verwendet werden. Bei einem Co-Sintern von Strontium und/oder Strontium aufweisenden Schicht auf der Festelektrolytschicht kann sich eine Isolationsschicht 190 aus SrZrO₃ bilden. Positiv geladene Strontium-Ionen können beim Co-Sintern in das Zirkonoxid diffundieren und sich zu SrZrO₃verbinden. Die Isolationsschicht 190 kann bei hohen Temperaturen bis 600 °C ein ionischer und elektrischer Isolator sein. In den 5 und 6 kann die Isolationsschicht 190 als eine lokale Isolationsschicht 192 ausgestaltet sein. In Bereichen des Sensorelements 110, in denen eine besonders hohe Isolationswirkung erforderlich ist, beispielsweise wegen auftretender großer Potenzialdifferenzen, kann eine Isolation durch mindestens eine lokale Isolationsschicht 192 erfolgen. Die lokale Isolationsschicht 192 kann eingerichtet sein, eng nebeneinander liegende Mäander, welche eine große Potenzialdifferenz aufweisen können, zu isolieren. Die lokale Isolationsschicht 192 kann einen Anteil einer Schicht im Schichtaufbau des Sensorelements bedecken, beispielweise einen Anteil von ≤ 45%, bevorzugt von ≤ 25%, besonders bevorzugt von ≤ 5%. 5 zeigt eine Ausführungsform, in welcher eine lokale Isolationsschicht 192 zur Isolation eng nebeneinanderliegender Mäanderäste vorgesehen sein kann. Die Mäanderäste können insbesondere quer isoliert werden, insbesondere senkrecht, zu der Erstreckungsrichtung der Festelektrolytschicht. Beispielsweise kann eine Querisolation mit Siebruckschichten aus Al₂O₃ oder SrZrO₃ erfolgen. 6 zeigt eine Ausführungsform, in welcher eine Vielzahl von lokalen Isolationsschichten 192 vorgesehen sein können. Beispielsweise kann mindestens eine SrZrO₃-haltige Paste über ein Siebdruckverfahren lokal im Sensorelement gedruckt werden. Dadurch kann eine lokal verstärkte Isolationswirkung erzielt werden und/oder eine Erhöhung des spezifischen Widerstands der Platin Leiterbahnen durch eine Strontium-Zugabe vermieden werden. Die lokale Isolationsschicht 192 kann eine Siebdruckschicht aus SrZrO₃ohne Porenbildner sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/154905 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 [0002]
Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, Springer Vieweg, 2012, Seiten 160 bis 165 [0003]

Claims

Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (112) umfassend mindestens eine Festelektrolytschicht (114), mindestens ein Funktionselement (116) und mindestens ein Heizelement (140), wobei das Funktionselement (116) mindestens eine Funktionselementzuleitung (134) aufweist, wobei das Heizelement (140) mindestens eine Heizelementzuleitung (142) aufweist, wobei die Funktionselementzuleitung (134) mindestens eine erste Durchkontaktierung (136) umfasst und über die erste Durchkontaktierung (136) elektrisch leitend kontaktierbar ist, wobei die Heizelementzuleitung (142) mindestens eine zweite Durchkontaktierung (146) umfasst und über die zweite Durchkontaktierung (146) elektrisch leitend kontaktierbar ist, wobei die Funktionselementzuleitung (134) und die Heizelementzuleitung (142) gegen die Festelektrolytschicht (114) elektrisch isoliert sind, wobei das Funktionselement (116) und das Heizelement (140) zumindest teilweise aus Strontium und/oder einer Strontium-Verbindung hergestellt sind.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Durchkontaktierung (136) und/oder die zweite Durchkontaktierung (146) zumindest teilweise mit einer perowskitischen Keramik (150) gefüllt sind.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Materialzusammensetzung der perowskitischen Keramik (150) abhängig von einem Temperaturbereich und einer notwendigen Schichtdicke zur Isolation ausgewählt ist.
Sensorelement (110) nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei die perowskitische Keramik (150) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: La_xSr_1-xMnO_3-y, wobei x von 0,1 bis 0,3, bevorzugt 0,2, oder von 0,4 bis 0,7, bevorzugt 0,5, ist; La_xSr_1-xFeO_3-y, wobei x von 0,1 bis 0,3, bevorzugt 0,2, oder von 0,4 bis 0,7, bevorzugt 0,5, ist; La_xSr_1-xCoO_3-y, wobei x von 0,1 bis 0,3, bevorzugt 0,2, oder von 0,4 bis 0,7, bevorzugt 0,5, ist.
Sensorelement (110) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die perowskitische Keramik (150) in Form einer Paste in die erste Durchkontaktierung (136) und/oder die zweite Durchkontaktierung (146) einbringbar ist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Funktionselementzuleitung (134) und des Heizelements (140), insbesondere der Heizelementzuleitung (142), oxidische Strontiumverbindungen umfasst.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Anteil des Strontium von 0,1 Gew.-% bis 20 Gew.-% und bevorzugt von 1 bis 10 Gew.-% ist.
Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) mindestens eine Isolationsschicht (190) aufweist, welche eingerichtet ist, das Funktionselement (116) gegen die Festelektrolytschicht (114) und/oder das Heizelement (140) gegen die Festelektrolytschicht (114) zu isolieren, wobei die Isolationsschicht (190) Strontiumzirkonat SrZrO₃ umfasst.
Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Isolationsschicht (190) weiter Aluminiumoxid Al₂O₃ umfasst, wobei ein Anteil Strontium von 0,1 Gew.-% bis 20 Gew.-% und bevorzugt von 1 bis 10 Gew.-% ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (112), umfassend folgende Schritte: – Bereitstellen mindestens einer Festelektrolytschicht (114), – Bereitstellen mindestens eines Funktionselements (116) und mindestens eines Heizelements (140), wobei das Funktionselement (116) mindestens eine Funktionselementzuleitung (134) aufweist, wobei das Heizelement (140) mindestens eine Heizelementzuleitung (142) aufweist, – Bereitstellen mindestens einer ersten Durchkontaktierung (136) der Funktionselementzuleitung (134), wobei die Funktionselementzuleitung (134) über die erste Durchkontaktierung (136) elektrisch leitend kontaktierbar ist, – Bereitstellen mindestens einer zweiten Durchkontaktierung (146) der Heizelementzuleitung (142), wobei die Heizelementzuleitung (142) über die zweite Durchkontaktierung (146) elektrisch leitend kontaktierbar ist, wobei das Verfahren derart durchgeführt wird, dass die Funktionselementzuleitung (134) und die Heizelementzuleitung (142) gegen die Festelektrolytschicht (114) elektrisch isoliert sind, wobei das Funktionselement (116) und das Heizelement (140) zumindest teilweise aus Strontium oder einer Strontium-Verbindung hergestellt werden.