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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem
Sensorelement nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
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Ein derartiges Sensorelement ist
beispielsweise aus der
DE
198 34 276 A1 bekannt. Das planare, längliche Sensorelement enthält eine
elektrochemische Zelle mit einer ersten und einer zweiter Elektrode
sowie einem zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordneten
Festelektrolyten. Weiterhin ist ein mäanderförmiger Heizer mit Zuleitungen
vorgesehen, der zwischen zwei porösen Isolationsschichten aus
Aluminiumoxid angeordnet ist. Rings um die Isolationsschichten ist
ein Dichtrahmen angebracht, der im wesentlichen aus Zirkonoxid besteht.
Der Dichtrahmen erstreckt sich bis zur Außenfläche des Sensorelements und
dichtet die Isolationsschichten und den Heizer gasdicht ab.
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Derartige Dichtrahmen haben üblicherweise eine
Breite, die im Bereich von 10 bis 15 Prozent der Gesamtbreite des
Sensorelements liegt. Unter der Breite wird hier und im folgenden
die Ausdehnung (beispielsweise von Dichtrahmen, Isolation oder Sensorelement)
in der Richtung parallel zur Schichtebene des Sensorelements und
senkrecht zur Längsachse
des Sensorelements verstanden. Weiterhin wird unter der Breite des
Dichtrahmens die Gesamtbreite verstanden, also die Summe der Breiten
der beiden Abschnitte des Dichtrahmens, die auf den beiden Seiten
der Isolationsschichten angeordnet sind.
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Zur Herstellung derartiger Sensorelemente werden
Festelektrolytfolien im ungesinterten Zustand mit Funktionsschichten,
also beispielsweise mit Elektroden, Schutzschichten, Heizerleiterbahn,
Dichtrahmen, Isolationsschichten oder Schichten aus einem porenbildenden
Material bedruckt. Gegebenenfalls werden Hohlräume, wie beispielsweise ein
Referenzgasraum, durch Stanzen in eine Festelektrolytfolie eingebracht.
Die derart bearbeiteten Festelektrolytfolien werden danach unter
Aufbringung einer Laminierkraft zusammenlaminiert und anschließend einem
Sinterprozess unterworfen.
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Die Sensorelemente werden im Nutzen
zusammenlaminiert und anschließend
vereinzelt. Aufgrund von fertigungstechnisch bedingten Toleranzen beim
Vereinzeln der Sensorelemente liegen die Funktionsschichten nach
dem Vereinzeln nicht immer genau mittig im Sensorelement. Somit
kann die Breite des auf der einen Seite der Heizerisolierung liegenden
Abschnitts des Dichtrahmens kleiner sein als die Breite des Abschnitts
des Dichtrahmens auf der anderen Seite.
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Der Dichtrahmen und die Isolationsschichten zeigen
unterschiedliche Sinteraktivitäten,
das heißt, die
Sinterschwindung und/oder die Temperatur, bei der der Sinterprozess
einsetzt, unterscheiden sich. Bei einem asymmetrischen Dichtrahmen
kann aufgrund der unterschiedlichen Sinteraktivität eine Verkrümmen des
Sensorelements beim Sintern auftreten. Derartig verkrümmte Sensorelemente
lassen sich nicht in die vorgesehene Halterung des das Sensorelement
enthaltenden Gasmessfühlers
einbringen.
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In der
DE 102 00 052 ist weiterhin ein Sensorelement
beschrieben, bei dem eine erste auf konstantem Potential liegende
Heizerzuleitung in einer Schichtebene zwischen einer zweiten Heizerzuleitung
und einer Messeinrichtung angeordnet ist. Dadurch wird die Messeinrichtung,
beispielsweise eine elektrochemische Zelle, durch die erste Heizerzuleitung
von der zweiten Heizerzuleitung abgeschirmt. Zwischen den beiden
Heizerzuleitungen ist eine gedruckte Isolationsschicht vorgesehen.
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Vorteile der
Erfindung
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Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den kennzeichnenden
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
hat demgegenüber
den Vorteil, dass eine Abweichung vom Soll beim Vereinzeln des Sensorelements
eine deutlich geringere oder gar keine Verkrümmung des Sensorelements nach
sich zieht. Da die Gesamtbreite des Dichtrahmens mindestens 25 Prozent
der Breite des Sensorelements beträgt, unterscheidet sich (bei
gleichen Fertigungstoleranzen) die Breite des einen an die Heizerisolation
angrenzenden Abschnitts des Dichtrahmens von der Breite des anderen
Abschnitts des Dichtrahmens prozentual deutlich weniger als bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelementen. Damit verringert
sich auch die aus der Asymmetrie der beiden Abschnitte des Dichtrahmens
resultierende Verkrümmung
des Sensorelements.
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Weiterhin ist der Einfluss der Heizerisolation, deren
Sinteraktivität
sich von der Sinteraktivität
der umgebenden Festelektrolytfolien unterscheidet, auf eine Verkrümmung des
Sensorelements umso geringer, je geringer der Abstand der Heizerisolation
von der Symmetrieachse und je geringer die Breite der Heizerisolation
bezogen auf die Breite des Sensorelements ist.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen
Sensorelements möglich.
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Das Sensorelement weist einen Messbereich
und einen Zuleitungsbereich auf. Der Messbereich des Sensorelements
ist an dem dem Abgas zugewandten Endabschnitt des Sensorelements
vorgesehen. Seine Ausdehnung ist bezogen auf die Längsausdehnung
des Sensorelements gering. Im Messbereich sind beispielsweise Elektroden
und ein Heizer angeordnet, die durch im Zuleitungsbereich angeordnete
Zuleitungen mit Kontaktflächen
elektrisch verbunden sind. Die Kontaktflächen, die auf dem dem Messbereich
abgewandten Endabschnitt des Sensorelements angeordnet sind, sind
mit Leiterelementen elektrisch verbunden, über die das Sensorelement mit
einer außerhalb
des Gasmessfühlers
angeordneten Auswerteelektronik verbunden ist.
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Um die Ausdehnung der elektrischen
Elemente im Messbereich des Sensorelements nicht durch einen breiten
Dichtrahmen zu beschränken, kann
die Breite des Dichtrahmens im Messbereich des Sensorelements weniger
als 25 Prozent der Breite des Sensorelements betragen. Da die Längsausdehnung
des Messbereichs deutlich geringer ist als die Längsausdehnung des Zuleitungsbereichs,
wird eine Verkrümmung
des Sensorelements auch dann wirksam verringert, wenn der Dichtrahmen
nur im Zuleitungsbereich eine Breite von mindestens 25 Prozent der
Breite des Sensorelements aufweist.
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Fertigungstechnisch besonders zuverlässig wird
die Verkrümmung
vermieden, wenn die Breite des Dichtrahmens zumindest im Zuleitungsbereich im
Bereich von 30 bis 80 Prozent der Breite des Sensorelements liegt.
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Die Breite des Dichtrahmens im Zuleitungsbereich
kann noch erhöht
werden, wenn die Zuleitungen in verschiedenen Schichtebenen des
Sensorelements übereinander
angeordnet und beispielsweise durch eine gedruckte Isolationsschicht
voneinander getrennt sind.
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Das Sensorelement weist im Messbereich mindestens
eine elektrochemische Zelle auf, die zwei Elektroden sowie einen
zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolyten aufweist.
Vorteilhaft enthält
der Dichtrahmen einen Festelektrolyten und ist mit der Heizerleiterbahn
und der die Heizerleiterbahn umgebenden Isolation zwischen zwei
Festelektrolytschichten angeordnet, um eine gute Verbindung zwischen
Dichtrahmen, Festelektrolytschichten und Festelektrolyt der elektrochemischen
Zelle zu gewährleisten.
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Im Bereich des Heizers entstehen
hohe Temperaturunterschiede, die zu starken mechanischen Spannungen
in der Isolation des Heizers führen
können.
Ist die Isolation der Heizerleiterbahn porös ausgeführt, so ist die Isolation so
elastisch, dass Risse in der Isolation vermieden werden. Um das
Eindringen von schädlichen
Gasen in die Isolation des Heizers zu verhindern, weist der Dichtrahmen
eine geringere Porosität
als die Isolation auf und ist vorzugsweise gasdicht. Vorteilhaft
reicht der Dichtrahmen bis zur Außenfläche des Sensorelements.
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Der Dichtrahmen enthält als Hauptbestandteil
mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid. Zur Anpassung der Sinteraktivität des Dichtrahmens
an die Isolationsschichten enthält
der Dichtrahmen einen Zusatz von 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent, vorzugsweise
0,5 Gewichtsprozent Siliziumoxid.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und
der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen 1 einen Querschnitt durch
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Sensorelements
entlang der Linie I – I
in 2, 2 einen Längsschnitt durch das erste
Ausführungsbeispiel entlang
der Linie II – II
in 1 und 3, 3 einen Querschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel entlang
der Linie III – III
in 2, 4 einen Längsschnitt durch ein zweites
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
wobei 3 auch einen Querschnitt
durch das zweite Ausführungsbeispiel
entlang der Linie III – III
in 4 darstellt, und 5 einen Querschnitt durch
einen Zuleitungsbereich eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1, 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Sensorelements 10.
Das Sensorelement 10 ist schichtförmig aufgebaut und enthält eine
erste Festelektrolytschicht 21, eine zweite Festelektrolytschicht 22 und
eine dritte Festelektrolytschicht 23. Das Sensorelement 10 ist
in dem Fachmann bekannter Weise in einem Gasmessfühler verbaut.
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Zwischen der ersten und der zweiten
Festelektrolytschicht 21, 22 ist eine Heizerleiterbahn 41 mit einer
Isolation 43 vorgesehen. Die Isolation 43 ist eine
poröse
Schicht aus Aluminiumoxid, die die Heizerleiterbahn 41 vollständig umgibt:
Die Isolation 43 der Heizerleiterbahn 41 ist seitlich,
also in der Schichtebene der Heizerleiterbahn 41, von einem gasdichten
Dichtrahmen 44 umgeben. Der Dichtrahmen 44 erstreckt
sich bis zur Außenfläche des
Sensorelements 10.
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Der Dichtrahmen 44 besteht
im wesentlichen aus Zirkonoxid, das mit einem Yttriumoxid-Anteil im Bereich
von 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent stabilisiert ist, und das einen
Zusatz von Siliziumoxid im Bereich von 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent
enthält.
Weiterhin ist dem Dichtrahmen 44 zur Anpassung der Sinteraktivität an die
umgebenden Elemente Aluminiumoxid, vorzugsweise mit einer mittleren
Teilchengröße von kleiner
0,1 μm,
sowie als Flussmittel Barium oder Fluor zugesetzt.
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In die zweite Festelektrolytschicht 22 ist
ein Referenzgasraum 35 eingebracht, der ein Referenzgas
enthält.
Im Referenzgasraum 35 ist auf der dritten Festelektrolytschicht 23 eine
erste Elektrode 31 aufgebracht. Auf der der ersten Elektrode 31 gegenüberliegenden
Seite der dritten Festelektrolytschicht 23 und damit auf
einer Außenfläche des
Sensorelements 10 ist eine zweite Elektrode 32 vorgesehen, die
dem Abgas ausgesetzt ist und von einer nicht dargestellten porösen Schutzschicht überzogen
ist. Die erste und die zweite Elektrode 31, 32 bilden
zusammen mit dem zwischen den beiden Elektroden 31, 32 angeordneten
Festelektrolyten 23 eine elektrochemische Zelle. Liegen
an der ersten Elektrode 31 (im Referenzgasraum 35)
und an der zweiten Elektrode 32 (im Abgas) unterschiedliche
Sauerstoffpartialdrücke vor,
so bildet sich zwischen den beiden Elektroden 31, 32 eine
Spannung aus, die ein Maß für den Sauerstoffpartialdruck
im Abgas ist (Nernstzelle). Die elektrochemische Zelle 31, 32, 23 ist
in einem Messbereich 15 des Sensorelements 10,
also an dem dem Abgas zugewandten Endabschnitt des Sensorelements 10,
angeordnet.
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Die Heizerleiterbahn 41 weist
einen als Heizer 41a ausgebildeten Abschnitt auf. Ein weiterer
Abschnitt der Heizerleiterbahn 41 wird durch zwei Zuleitungen 41b gebildet.
Der Heizer 41a ist im Messbereich 15 des Sensorelements 10 vorgesehen
und dient der Beheizung der elektrochemischen Zelle. Der Heizer 41a ist
durch die beiden Zuleitungen 41b mit Kontaktflächen (nicht
dargestellt) elektrisch verbunden, die auf der dem Messbereich 15 abgewandten
Endabschnitt des Sensorelements 10 auf der Außenfläche des
Sensorelements 10 vorgesehen sind. Ebenso sind für die beiden
Elektroden 31, 32 je eine zu einer Kontaktfläche führende Zuleitung 310, 320 vorgesehen.
Der die Zuleitungen 41b des Heizers 41a und die
Zuleitungen 310, 320 der Elektroden 31, 32 enthaltende
Bereich des Sensorelements 10 wird als Zuleitungsbereich 16 des
Sensorelements 10 bezeichnet. Die Längserstreckung des Zuleitungsbereichs 16 (entlang
der Längsachse
des Sensorelements 10) ist ungefähr zwei- bis dreimal so lang
wie die Längserstreckung
des Messbereichs 15.
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Mittels einer an sich bekannten Kontaktierungseinrichtung
sind die Kontaktflächen
mit Leiterelementen elektrisch kontaktiert, über die die elektrischen Elemente
(Elektroden 31, 32 und Heizer 41a) mit
einer außerhalb
des Gasmessfühlers
angeordneten Auswerteelektronik verbunden sind.
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Das Sensorelement 10 weist
eine Länge
von 6 cm, eine Breite von 4 mm und eine Höhe von 1,1 mm auf. Die Breite
der beiden Abschnitte des Dichtrahmens 44, die die Isolation 43 beidseitig
umgeben und sich bis zur Außenfläche des
Sensorelements 10 erstrecken, liegt insgesamt bei 1,4 mm.
Der Abstand der Isolation 43 von der Außenfläche des Sensorelements 10 und
damit die Breite eines Abschnitts des Dichtrahmens 44 liegt
bei einem symmetrisch geschnittenen Sensorelement 10 jeweils
bei 0,7 mm. Die Breite des Dichtrahmens 44 beträgt damit
insgesamt 35 Prozent der Breite des Sensorelements 10.
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Die Breite des Dichtrahmens 44 bleibt
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
entlang der Längsachse
des Sensorelements 10, also im Messbereich 15 (1) und im Zuleitungsbereich 16 (3), konstant.
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In 4 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Sensorelements 10 dargestellt,
das sich vom ersten Ausführungsbeispiel
dadurch unterscheidet, dass der Dichtrahmen 44a im Messbereich 15 eine
geringere Breite als der Dichtrahmen 44b im Zuleitungsbereich 16 aufweist.
Damit ist beim zweiten Ausführungsbeispiel
die Isolation 43a im Messbereich 15 breiter als
die Isolation 43b im Zuleitungsbereich 16. Einander
entsprechende Elemente wurden beim zweiten Ausführungsbeispiel mit denselben
Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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Die Breite des Dichtrahmens 44a im
Messbereich 15 beträgt
beim zweiten Ausführungsbeispiel insgesamt
0,8 mm, die Breite des Dichtrahmens 44b im Zuleitungsbereich 16 beträgt wie im
ersten Ausführungsbeispiel
insgesamt 1,4 mm. Da sich die Breite des Dichtrahmens 44 im
ersten Ausführungsbeispiel
und die Breite des Dichtrahmens 44b im Zuleitungsbereich 16 des
zweiten Ausführungsbeispiels nicht
unterscheiden, stellt 3 einen
Querschnitt durch den Zuleitungsbereich 16 des ersten und
zweiten Ausführungsbeispiels
des Sensorelements 10 dar.
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5 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Sensorelements 10.
Einander entsprechende Elemente wurden beim dritten Ausführungsbeispiel
nüt denselben
Bezugszeichen wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Bei dem Sensorelement 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
sind die Heizerzuleitungen 41b in übereinanderliegenden Schichtebenen angeordnet
und durch eine gedruckte Isolationsschicht getrennt. Damit kann
die Isolation 43b im Zuleitungsbereich 16 noch
schmaler als bei den ersten beiden Ausführungsbeispielen ausgeführt werden. Die
Breite der Isolation 43b im Zuleitungsbereich 16 beträgt 1,8 mm.
Dementsprechend weist der Dichtrahmen 44b im Zuleitungsbereich 16 insgesamt
eine Breite von 2,2 mm auf, also 55 Prozent der Breite des gesamten
Sensorelements 10. Der Dichtrahmen 44 ist wie
beim zweiten Ausführungsbeispiel
im Messbereich 15 schmaler als im Zuleitungsbereich 16 ausgeführt.
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Die Endung ist nicht auf den in den
Ausführungsbeispielen
beschriebenen Sensortyp beschränkt,
sondern lässt
sich auf anderen Sensortypen übertragen,
die eine von einem Dichtrahmen umgebene Heizerleiterbahn mit Isolation
aufweisen. Insbesondere lässt
sich die Erfindung auf Breitband-Lambdasonden oder auf Sonden zum
Nachweis von NOx, HC, CO oder andere Gasbestandteile des Abgases
von Verbrennungsmaschinen übertragen.