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Stand der Technik
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Es sind bereits keramische Sensorelemente für Abgassensoren bekannt. Sie werden in einem metallischen Gehäuse mit Kabelausgang, Gewinde und Schutzrohr verbaut. Das keramische Sensorelement realisiert die eigentliche Messfunktion derartiger Abgassensoren und hat somit entscheidenden Einfluss auf Funktionsverhalten, Robustheit und Lebensdauer des Abgassensors.
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Die Sensorelemente unterliegen einer Exemplarstreuung mit Hinblick auf gewisse für ihre Messfunktion relevante Eigenschaften. In der Folge unterliegen auch die von ihnen gelieferten Sensorsignale einer derartigen Streuung. Um dennoch Abgasmessungen sehr präzise durchführen zu können, ist es bereits bekannt, die betreffende Eigenschaft des Sensorelements im Rahmen der Fertigung zu messen und anhand eines in der Zuleitung des Abgassensors angeordneten Trimmwiderstands zu codieren (
DE 10 2008 042 879 A1 ) oder in einem mit dem Abgassensor verbundenen Steuergerät zu speichern (
DE 10 2010 002 458 A1 ).
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung geht der Wunsch voraus, den Wert der betreffenden Eigenschaft des Sensorelements in einfacherer Weise verfügbar zu machen.
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Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein keramisches Sensorelement einen in axialer Erstreckung abgasseitigen Endbereich und einen in axialer Erstreckung gegenüberliegenden anschlussseitigen Endbereich aufweist, wobei in dem abgasseitigen Endbereich eine elektrochemische Zelle angeordnet ist, die eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und einen zwischen der ersten und der zweiten Elektroden angeordneten Festelektrolyten aufweist. Die erste Elektrode ist mit einer ersten elektrischen Leiterbahn verbunden ist, die bis in den anschlussseitigen Endbereich führt und dort von außen kontaktierbar ist, und die zweite Elektrode ist mit einer zweiten Leiterbahn elektrisch verbunden, die bis in den anschlussseitigen Endbereich führt und dort von außen kontaktierbar ist. Es ist ferner erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Leiterbahn mit der zweiten Leiterbahn im anschlussseitigen Endbereich des keramischen Sensorelements durch mehrere Leiterbrücken elektrisch verbunden ist.
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Hierdurch wird erreicht, dass die Eigenschaft des Sensorelements auf dem Sensorelement selbst in einfacher Weise verfügbar gemacht werden kann. Denn die betreffende Eigenschaft lässt sich sowohl in einfacher Weise auf dem Sensorelement speichern (siehe nachfolgend beschriebenes Herstellverfahren) als auch in einfacher Weise während des Betriebs des Sensorelements auslesen (siehe nachfolgend beschriebenes Betriebsverfahren).
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Das Sensorelement weist eine axiale Erstreckung auf. Es kann sich dabei um ein Sensorelement handeln, das eine zylindrische oder zylindersymmetrische Grundform aufweist, dann ist die axiale Erstreckung durch die Achse des Zylinders gegeben. Es kann sich auch um ein Sensorelement handeln, das eine quaderförmige Grundform aufweist, dann ist die axiale Erstreckung durch die Richtung der längsten Seitenkanten gegeben.
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Das Sensorelement weist insofern in axialer Erstreckung einen abgasseitigen Endbereich und einen in axialer Erstreckung gegenüberliegenden anschlussseitigen Endbereich auf. Die Endbereiche können in axialer Erstreckung die äußeren 50% des Sensorelements ausmachen; es könnten anderseits auch die äußeren 30% sein.
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Es kann sich gemäß einer ersten Ausführungsform um das Sensorelement einer Breitband-Lambdasonde handeln, bei dem die erste Elektrode in einem im Inneren des keramischen Sensorelements angeordneten Hohlraum angeordnet ist, der über ein Diffusionswiderstandselement mit dem Abgas kommuniziert.
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Die Leiterbrücken können beispielsweise Edelmetall (zum Bespiel Platin) aufweisen oder aus Edelmetall (zum Beispiel Platin) bestehen. Bevorzugt kann es sich um ein Cermet handeln, dessen Keramikanteil nicht weniger als 40 Vol-% beträgt, sodass der spezifische Widerstand der Leiterbrücke relativ hoch ist. Es kann sich aber auch um ein anderes elektrisch leitfähiges Material handeln, beispielsweise einen Halbleiter. Bevorzugt sind Materialien, die bei 1400°C beständig sind, sodass sie zusammen mit dem Sensorelement gesintert werden können.
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Die Leiterbrücken können beispielsweise Strukturen sein, die in ihrer Längsrichtung die betreffenden Leiterbahnen elektrisch verbinden. In den zur Längsrichtung senkechten Richtungen, also Höhe und Breite, kann die Erstreckung der Leiterbrücken geringer sein als in Längsrichtung, beispielsweise mit einer Höhe von weniger als 20µm, und einer Breite von weniger als 100µm. Es kann sich also bei den Leiterbrücken um fadenartige Strukturen handeln.
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Es sind mehrere Leiterbrücken vorgesehen, also beispielsweise mindestens 2 oder mindestens 3. Es können aber auch sehr viele Leiterbrücken vorgesehen sein, also beispielsweise nicht weniger als 10 Leiterbrücken.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich die Leiterbrücken untereinander mit Hinblick auf ihre Länge, Breite und/oder Höhe unterscheiden. Indem sie demzufolge unterschiedliche elektrische Widerstände darstellen, lässt sich ein gewünschter Gesamtwiderstand der Leiterbrücken (resultierend aus ihrer Parallelschaltung) mit einer überschaubaren Anzahl von Leiterbrücken in einfacher Weise und präzise realisieren.
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Zum Schutz der Leiterbrücken kann vorgesehen sein, dass sie von einer Abdeckschicht bedeckt sind, beispielsweise von einer insbesondere dünnen (< 30µm) und insbesondere dichten Schicht, die beispielsweise keramisch ist (z.B. Al2O3).
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Es kann vorgesehen sein, dass die Leiterbrücken zusammen (also in Parallelschaltung) einen ohmschen Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Leiterbahn ausbilden, dessen Widerstandswert bei 20°C nicht kleiner als 10kOhm und nicht größer als 10 MOhm ist. Besonders bevorzugt ist eine untere Schranke von 100 kOhm. Besonders bevorzugt ist eine obere Schranke von 500 kOhm.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform sein kann, ist vorgesehen, dass das Sensorelement eine weitere elektrochemische Zelle aufweist, die zumindest eine weitere Elektrode aufweist, wobei die weitere Elektrode mit einer weiteren elektrischen Leiterbahn verbunden ist, die bis in den anschlussseitigen Endbereich führt und dort von außen kontaktierbar ist und wobei die weitere Leiterbahn mit der ersten Leiterbahn oder mit der zweiten Leiterbahn oder mit einer anderen Leiterbahn im anschlussseitigen Endbereich des keramischen Sensorelements durch mehrere weitere Leiterbrücken verbunden ist. Mit Hinblick auf die Beschaffenheit der weiteren Leiterbrücken gilt sinngemäß all das, was vorangehend mit Hinblick auf die Beschaffenheit der Leiterbrücken erläutert wurde.
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Zur Herstellung des Sensorelements kann vorgesehen sein, dass zunächst ein keramisches Vor-Sensorelement durch Bereitstellen und entsprechendes Bedrucken einer oder mehrerer keramischer Grünfolien, ggf. Laminieren der Grünfolien, und nachfolgendes Sintern hergestellt wird. Nachfolgend kann vorgesehen sein, dass der Wert einer Eigenschaft des keramischen Sensorelements gemessen wird, dass der Wert der Eigenschaft eineindeutig in einen elektrischen Soll-Widerstand umgerechnet wird und dass die Leiterbrücken solange modifiziert werden, bis der Widerstandswert des ohmschen Widerstands, den die Leiterbrücken zwischen den Leiterbahnen ausbilden, dem Soll-Widerstand entspricht. Es resultiert somit das Sensorelement.
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Die Modifikation der Leiterbrücken kann dadurch erfolgen, dass zwischen die erste Leiterbahn und die zweite Leiterbahn eine Spannung angelegt wird, sodass es zum teilweisen oder vollständigen Abbrand einer oder mehrerer Leiterbrücken kommt. Es kann sich insbesondere um ein Durchtrennen bzw. Durchbrennen einer oder mehrerer Leiterbrücken handeln, es kann sich aber auch darum handeln, dass von einer oder von mehreren Leiterbücken leitfähiges Material abdampft, so dass sich ihr Widerstand erhöht.
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In Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass zum Zweck der Modifikation der Leiterbrücken zwischen die Leiterbahnen mehrfach für eine gewisse Zeitspanne eine Spannung angelegt wird, sodass es zum teilweisen oder vollständigen Abbrand einer oder mehrerer Leiterbrücken kommt, und dass zwischen den Zeitspannen der Widerstandswert des ohmschen Widerstands, den die Leiterbrücken zwischen der ersten Leiterbahnen und der zweiten Leiterbahn ausbilden, gemessen wird. Das Erreichen des Sollwiderstands ist dann das Abbruchkriterium des Wiederholens des Anlegens der Spannung. Die Spannung kann dabei von Zeitspanne zu Zeitspanne erhöht werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich das Sensorelement während der Modifikation in einer Atmosphäre, in der der Sauerstoffpartialdruck im Vergleich zu Normalbedingungen erhöht ist, beispielsweise mindestens 250mbar beträgt, befindet oder in reinem Sauerstoff befindet. Auf diese Weise ist die Modifikation erleichtert und beschleunigt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Sensorelement während der Modifikation zumindest in seinem anschlussseitigen Endbereich auf eine Temperatur erwärmt ist, die im Vergleich zu Normalbedingungen erhöht ist, beispielsweise mindestens 600°C beträgt, beispielsweise 690°C. Auf diese Weise ist die Modifikation erleichtert und beschleunigt und vergleichmäßigt, vor allem wenn der Bereich der Leiterbrücken von einer dichten Schicht bedeckt ist, wie oben bereits erläutert.
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Alternativ kann das Sensorelement während der Modifikation unbeheizt sein, also zumindest in seinem anschlussseitigen Endbereich etwa bei 20°C gehalten werden und/oder sich in Umgebungsluft befinden.
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Die Modifikation kann alternativ zum geschilderten Verfahren auch durch ein Laserverfahren realisiert werden, das Material der Leiterbrücken beispielsweise abträgt.
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Die Eigenschaft des keramischen Sensorelements kann durch eine Eigenschaft gegeben sein, die maßgeblich dafür ist, welchem Wert einer Eigenschaft des Abgases ein bestimmter Wert des Sensorsignals tatsächlich entspricht und durch eine Eigenschaft gegeben sein, die mit Hinblick auf ein Ensemble von Sensorelementen einer Fertigungsstreuung unterworfen ist.
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Bei einem Sensorelement, das oben als erstes Ausführungsbeispiel bezeichnet wurde, kann die Eigenschaft des keramischen Sensorelements der Wert einer die Durchlässigkeit des Diffusionswiderstands des Diffusionswiderstandselements repräsentierenden Größe sein. Also: Der Diffusionswiderstand des Diffusionswiderstandselements, der Strömungswiderstand des Diffusionswiderstandselements und/oder der sogenannte Grenzstrom des Diffusionswiderstandselements, also der Strom, der durch die erste elektrochemische Zelle fließt, wenn an der ersten Elektrode stets der gesamte Sauerstoff, der durch das Diffusionswiderstandselement fließt, abtransportiert wird, wenn der Sauerstoffpartialdruck im Abgas einen bestimmten Wert (z.B. 210 mbar) hat. Es kann sich auch um Größen handeln, die zu den genannten Größen proportional oder antiproportional sind oder in einem anderen eineindeutigen Zusammenhang stehen.
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Das kann auch auf ein Sensorelement zutreffen, das oben als zweites Ausführungsbeispiel bezeichnet wurde. Bei diesem kann ferner vorgesehen sein, dass der Wert einer weiteren Eigenschaft des keramischen Sensorelements gemessen wird und dass ferner der Wert der weiteren Eigenschaft eineindeutig in einen weiteren elektrischen Soll-Widerstand umgerechnet wird und dass ferner die weiteren Leiterbrücken solange modifiziert werden, bis der Widerstandswert des ohmschen Widerstands, den die weiteren Leiterbrücken zwischen der weiteren Leiterbahn und der ersten Leiterbahn oder der zweiten Leiterbahn oder der anderen Leiterbahn ausbilden, dem weiteren Soll-Widerstand entspricht.
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Mit Hinblick auf die weitere Eigenschaft gilt das oben für die Eigenschaft erläuterte. Die weitere Eigenschaft des Sensorelements kann beispielsweise ein Offset sein, also der Wert eines Sensorsignals, das auftritt, wenn die Eigenschaft eines Abgases, beispielsweise sein Sauerstoffgehalt, den Wert Null annimmt. Die Eigenschaft kann aber auch eine Abhängigkeit des Signals des Sensorelements vom Gesamtdruck des Abgases im statischen Fall sein bzw. charakterisieren.
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Mit Hinblick auf die Modifikation der weiteren Leiterbrücken gilt das, was bereits mit Hinblick auf die Modifikation der Leiterbrücken erläutert wurde.
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Der Betrieb eines erfindungsgemäßen Sensorelements kann folgende Schritte vorsehen:
- - Messung des Widerstands, den die Leiterbrücken zwischen der ersten Leiterbahn und der zweiten Leiterbahn ausbilden. Bevorzugt geschieht dies dann, wenn die elektrochemische Zelle kalt, also hochohmig ist; dann entspricht der ohmsche Widerstand zwischen der ersten Leiterbahn und der zweite Leiterbahn nämlich insbesondere dem ohmschen Widerstand, den die Leiterbrücken zwischen der ersten Leiterbahn und der zweiten Leiterbahn ausbilden.
- - Schließen auf eine Eigenschaft des keramischen Sensorelements aus dem gemessenen Wert des Widerstands. Die Eigenschaft des keramischen Sensorelements kann genau die Eigenschaft sein, die bereits oben im Rahmen der Beschreibung der Herstellung des Sensorelements bereits erwähnt wurde.
- - Bestimmung der Eigenschaft des Abgases aus einem Sensorsignal unter Berücksichtigung der Eigenschaft des keramischen Sensorelements.
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Bei einem Sensorelement, das oben als erstes Ausführungsbeispiel bezeichnet wurde, kann die Eigenschaft des keramischen Sensorelements der Wert einer die Durchlässigkeit des Diffusionswiderstands des Diffusionswiderstandselements repräsentierenden Größe sein, siehe auch oben.
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Das kann auch auf ein Sensorelement zutreffen, das oben als zweites Ausführungsbeispiel bezeichnet wurde. Bei diesem kann ferner vorgesehen sein, dass der Widerstandswert des ohmschen Widerstands, den die weiteren Leiterbrücken zwischen der weiteren Leiterbahn und der ersten Leiterbahn oder der zweiten Leiterbahn oder der anderen Leiterbahn ausbilden, gemessen wird, dass aus dem gemessenen Wert auf eine weitere Eigenschaft des keramischen Sensorelements geschlossen wird, und dass die Eigenschaft des Abgases aus einem Sensorsignal auch unter Berücksichtigung der weiteren Eigenschaft des keramischen Sensorelements bestimmt wird.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Wert des ohmschen Widerstands, den die Leiterbrücken zwischen den Leiterbahnen ausbilden, nicht nur eine Eigenschaft des Sensorelements codieren, sondern zwei oder noch mehr Eigenschaften. Insofern ist vorstehend und nachstehend „eine Eigenschaft des Sensorelements“ optional auch als „mindestens eine Eigenschaft des Sensorelements“ zu lesen, also als die Alternativen „eine oder mehrere Eigenschaften des Sensorelements“ zu lesen. Die Werte dieser Eigenschaften sind beispielsweise in einer Tabelle darstellbar, die jedem Wert des ohmschen Widerstands der Leiterbrücken die Werte der Eigenschaften insgesamt eineindeutig zuordnet. Diese Tabelle wird dann bei der Fertigung und bei Betrieb des Sensorelements zugrunde gelegt. Das gleiche gilt für gegebenenfalls vorhandene weitere Leiterbrücken und für etwaige weitere Eigenschaften des Sensorelements.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1a in schematischer Darstellung ein Sensorelement gemäß dem oben bereits erwähnten ersten Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt.
- 1b das Sensorelement aus 1a in Aufsicht.
- 1c als Flussdiagramm ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements gemäß erstem Ausführungsbeispiel.
- 1d als Flussdiagramm ein Verfahren zum Betreiben des Sensorelements gemäß erstem Ausführungsbeispiel.
- 2a in schematischer Darstellung ein Sensorelement gemäß dem oben bereits erwähnten zweiten Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt.
- 2b das Sensorelement aus 2a in Aufsicht.
- 2c als Flussdiagramm ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements gemäß zweitem Ausführungsbeispiel.
- 2d als Flussdiagramm ein Verfahren zum Betreiben des Sensorelements gemäß zweitem Ausführungsbeispiel.
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Die 1a zeigt im Querschnitt und 1b in der Aufsicht eine einzellige Breitbandlambdasonde als erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 10. Sie weist in axialer Erstreckung einen abgasseitigen Endbereich 11 und einen gegenüberliegenden anschlussseitigen Endbereich 12 auf. In dem abgasseitigen Endbereich 11 befindet sich eine elektrochemische Zelle 15, die eine erste Elektrode 151, eine zweite Elektrode 152 und einen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordneten Festelektrolyten 20 aufweist, wobei die erste Elektrode 151 mit einer ersten elektrischen Leiterbahn 161 verbunden ist, die bis in den anschlussseitigen Endbereich 12 führt und dort von außen über eine erste Kontaktfläche 171 kontaktierbar ist. Die zweite Elektrode 152 ist mit einer zweiten Leiterbahn 162 elektrisch verbunden, die bis in den anschlussseitigen Endbereich 12 führt und dort von außen über eine zweite Kontaktfläche 172 kontaktierbar ist. Es ist vorgesehen, dass die erste Leiterbahn 161 mit der zweiten Leiterbahn 162 im anschlussseitigen Endbereich 12 des keramischen Sensorelements 10 durch mehrere Leiterbrücken 30 elektrisch verbunden ist.
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Es ist beispielsweise vorgesehen, dass die Leiterbrücken 30 von einer Abdeckschicht 40 bedeckt sind, die in der 1b teiltransparent dargestellt ist.
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Es ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass die erste Elektrode 151 in einem im Inneren des keramischen Sensorelements 10 angeordneten Hohlraum 41 angeordnet ist, der über ein Diffusionswiderstandselement 42 und ein Gaszutrittsloch 43 mit dem Abgas kommuniziert.
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Die Herstellung dieses Sensorelements kann beispielsweise in folgenden Schritten erfolgen, siehe auch 1c:
- - Schritt S1: Bereitstellen und Bedrucken von zwei keramischer Grünfolien, Aufeinanderlaminieren der bedruckte Grünfolien und nachfolgendes Sintern.
- - Schritt S2: Messen des Grenzstroms der Diffusionsbarriere in Luft.
- - Schritt S3: Umrechnen des Grenzstroms der Diffusionsbarriere in Luft in einen elektrischen Sollwiderstand. Beispielsweise kann dies so erfolgen, dass der Sollwiderstand als Funktion des Grenzstroms ein Polynom erster Ordnung ist, und der Grenzstrom von 3 mA dem Sollwiderstand 500kOhm entspricht und beispielsweise der Grenzstrom von 5 mA dem Sollwiderstand 600kOhm entspricht.
- - Schritt S4: Modifikation der Leiterbrücken. Dazu werden abwechselnd Spannungspulse zwischen den Kontaktflächen 171, 172 angelegt (S4a) und es wird der Widerstand zwischen den Kontaktflächen gemessen (S4b). Der Wert der Spannung der Spannungspulse wird von Puls zu Puls erhöht. Wenn der gemessene Widerstand dem Soll-Widerstand entspricht, wird die Modifikation beendet (S4c).
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Der Betrieb des Sensorelements 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist in der 1d beispielhaft dargestellt. Er sieht im Beispiel vor, dass der Widerstandswert des ohmschen Widerstands, den die Leiterbrücken 30 zwischen der ersten Leiterbahn 151 und der zweiten Leiterbahn 152 ausbilden, gemessen wird (Schritt S10), dass aus dem gemessenen Wert auf den Grenzstrom der Diffusionsbarriere 42 an Luft zurückgeschlossen wird (gemäß der inversen Umrechnung bei der Herstellung des Sensorelements, also im Beispiel wieder durch Polynom erster Ordnung; 500kOhm bedeuten einen Grenzstrom vom 3 mA, 600kOhm bedeuten einen Grenzstrom von 5 mA) (Schritt S11). Zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts des Abgases wird an die elektrochemische Zelle 15 eine Spannung von bspw. 1V angelegt und der dann die elektrochemische Zelle 15 durchfließende (Grenz-)Strom wird gemessen wird (Schritt S12). Dieser Messwert wird durch den Grenzstrom der Diffusionsbarriere 42 an Luft dividiert (Schritt S13). Beispielsweise könnte das Ergebnis „1,00“ dann dahingehend interpretiert werden, dass der Sauerstoffpartialdruck im Abgas dem Sauerstoffpartialdruck in Luft entspricht.
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Die 2a zeigt als zweites Ausführungsbeispiel das Sensorelement einer zweizellige Breitbandlambdasonde im Querschnitt. In der 2b ist es in Aufsicht zu sehen.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten dadurch, dass eine zweite elektrochemische Zelle 25 vorgesehen ist, die von einer weiteren Elektrode 153 zusammen mit der ersten Elektrode 151 und dem Festelektrolyten 20 gebildet wird. Die weitere Elektrode 153 ist mit einer weiteren Leiterbahn 163 mit einer weiteren Kontaktfläche 173 verbunden, über die das Sensorelement kontaktierbar ist.
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Es ist vorgesehen, dass die erste Leiterbahn 161 mit der weiteren Leiterbahn 163 im anschlussseitigen Endbereich 12 des keramischen Sensorelements 10 durch mehrere Leiterbrücken 30 elektrisch verbunden ist. Außerdem ist die die zweite Leiterbahn 162 mit der weiteren Leiterbahn 163 im anschlussseitigen Endbereich 12 des keramischen Sensorelements 10 durch mehrere weitere Leiterbrücken 30' elektrisch verbunden.
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Mit Hinblick auf Herstellung und Betrieb gilt für die Leiterbrücken 30 das mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel ausgeführte.
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Die weiteren Leiterbrücken 30' können dazu genutzt werden, eine weitere Eigenschaft der Breitband-Lambdasonde zu codieren, beispielsweise die statische Druckabhängigkeit der Breitbandlambdasonde. Dazu wird ihr ohmscher Widerstand bei der Herstellung des Sensorelements entsprechend eingestellt (Verfahrensschritte S2', S3', S4') und im Betrieb des Sensorelements entsprechend gemessen (S10'), interpretiert (S12') und weiterverrechnet (S13').
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008042879 A1 [0002]
- DE 102010002458 A1 [0002]
