DE10249466A1

DE10249466A1 - Sensorelement

Info

Publication number: DE10249466A1
Application number: DE10249466A
Authority: DE
Inventors: Heiner Scheer; Frank Haag; Lothar Diehl; Stefan Rodewald; Wolfgang Dietz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: DE10249466B4; ES2245570A1; ES2245570B1; JP2004144756A

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) vorgeschlagen, das in einen Gasmessfühler eingebracht ist und der Bestimmung mindestens einer physikalischen Größe eines Messgases, vorzugsweise zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, dient. In einer Schichtebene des Sensorelements (10) ist ein Heizer (40) angeordnet, der mindestens einen ersten und einen zweiten Heizerabschnitt (41, 42; 42, 43; 43, 44) aufweist, wobei der erste und der zweite Heizerabschnitt (41, 42; 42, 43; 43, 44) jeweils im Wesentlichen parallel zur Längsachse (11) des Sensorelements (10) verläuft. Der Heizer (40) weist weiterhin mindestens einen Verbindungsbereich (51, 52, 53; 51a, 52a, 53a) auf, in dem der erste und der zweite Heizerabschnitt (41, 42; 42, 43; 43, 44) verbunden sind. Der Heizer (40) ist in dem Verbindungsbereich (51, 52, 53; 51a, 52a, 53a) als Winkel ausgeführt, wobei mindestens ein Schenkel des Winkels gegenüber einer Ebene senkrecht zur Längsachse (11) des Sensorelements (10) geneigt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus der DE 100 14 995 C1 bekannt. Das Sensorelement ist in Planartechnik schichtförmig aufgebaut und weist zwei elektrochemische Messzellen auf, die jeweils zwei Elektroden sowie einen zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolyten enthalten. Zur Beheizung der Messzellen ist ein Heizer vorgesehen, der in einer Heizerisolation eingebettet ist. Heizerisolation und Heizer sind zwischen zwei Festelektrolytfolien angeordnet. Der Heizer ist mit zwei Heizerzuleitungen elektrisch verbunden, die in derselben Schichtebene wie der Heizer angeordnet sind. Die Heizerzuleitungen sind jeweils mittels einer Durchkontaktierung mit einer auf einer Außenfläche des Sensorelements angeordneten Kontaktfläche elektrisch verbunden. Über die Kontaktflächen ist der Heizer mit einer außerhalb des Sensorelements angeordneten Spannungsquelle verbunden.

Der Heizer weist vier Heizerabschnitte auf, die parallel zur Längsachse des Sensorelements angeordnet sind, sowie drei weitere Heizerabschnitte, die senkrecht zur Längsachse des Sensorelements angeordnet sind und die jeweils zwei der parallel zur Längsachse angeordneten Heizerabschnitte verbinden.

Derartige Sensorelemente werden in dem Fachmann bekannter Weise hergestellt, indem sogenannte keramische Grünfolien (ungesinterte keramische Folien) mit Funktionsschichten (beispielsweise Elektroden, Zuleitungen, Isolationsschichten, Heizer, poröse Schichten oder Schutzschichten) bedruckt werden. Die Funktionsschichten werden in Form von Pasten in Siebdrucktechnik auf die Grünfolie gedruckt. Die bedruckten Grünfolien werden zusammenlaminiert und anschließend gesintert. Zur Herstellung des Heizers wird beispielweise auf eine keramische Grünfolie zunächst eine erste Isolationsschicht, dann der Heizer samt Heizerzuleitungen und schließlich eine zweite Isolationsschicht gedruckt.

Bei derartigen Sensorelementen ist nachteilig, dass beim Aufbringen der den Heizer umgebenden Isolationsschichten Gasblasen in der Isolationspaste eingeschlossen werden können, und zwar insbesondere im Bereich der Heizerabschnitte, die senkrecht zur Längsachse des Sensorelements liegen. Durch die Gasblasen kommt es nach dem Sintern zur Ausbildung von Löchern in der Isolationsschicht, die die Isolationswirkung der Isolationsschicht beeinträchtigen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine gute Isolationswirkung der Heizerisolation gewährleistet ist. Der Heizer weist einen ersten und einen zweiten Heizerabschnitt auf, die im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Sensorelements verlaufen, sowie einen Verbindungsbereich, in dem der erste und der zweite Heizerabschnitt verbunden und somit elektrisch kontaktiert sind. Zur Vermeidung von Löchern in der Heizerisolation weist der Verbindungsbereich einen Winkel auf, wobei mindestens ein Schenkel des Winkels gegenüber einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Sensorelements geneigt verläuft.

Bei derart geformten Verbindungsbereichen des Heizers können während des Bedruckens Gasblasen noch entweichen, so dass Löcher in der Heizerisolation vermieden werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch genannten Verfahrens möglich.

Vorteilhaft weist mindestens einer der beiden Schenkel des Winkels im Verbindungsbereich einen Winkel von größer oder gleich 30 Grad, vorzugsweise einen Winkel von 45 bis 70 Grad, gegen eine Ebene senkrecht zur Längsachse des Sensorelements auf. Bei derart spitzen Winkeln konnte das Auftreten von Gasblasen besonders wirkungsvoll vermieden werden.

Zur Herstellung des Heizers wird auf eine ungesinterte erste Festelektrolytfolie (Grünfolie) durch Siebdruck zunächst eine erste und eine zweite Druckschicht der Heizerisolation, danach der Heizer mit den Heizerzuleitungen und danach eine dritte und vierte Druckschicht der Heizerisolation aufgebracht. Die erste und die zweite Druckschicht beziehungsweise die dritte und die vierte Druckschicht weisen (nach dem Sintern) unterschiedliche Porositäten auf. Vorteilhaft werden die dritte und die vierte Druckschicht mit gegensinnigen Druckrichtungen gedruckt. Ebenso werden die erste und die zweite Druckschicht mit gegensinnigen Druckrichtungen gedruckt. Die bedruckte Grünfolie wird mit weiteren gegebenenfalls ebenfalls bedruckten Grünfolien zusammenlaminiert und anschließend gesintert.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie ein Sensorelement nach dem Stand der Technik sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Sensorelement, 2 zeigt einen Längsschnitt eines aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelements gemäß der Linie Π -II in 1, 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Linie Ill – llI in 1 und 4 zeigt einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung gemäß der Linie N - N in 1.

Anhand von 1 wird der grundsätzliche Aufbau eines Sensorelements erläutert. Die Gestaltung des Heizers ist in 2 (Heizer nach dem Stand der Technik) und in 3 und 4 (erstes und zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung) dargestellt. Einander entsprechende Elemente wurden in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Sensorelements 10, 110 mit einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Festelektrolytfolie 21, 22, 23, 24. Zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytfolie 21, 22 ist ein Heizer 40, 140 vorgesehen, der mittels einer Heizerisolation 3G, 13G von der ersten und der zweiten Festelektrolytfolie 21, 22 elektrisch isoliert ist. An die zweite Festelektrolytfolie 22 schließt sich eine dritte und eine vierte Festelektrolytfolie 23, 24 an. In die dritte Festelektrolytfolie 23 ist ein Referenzgasraum 35 eingebracht, der mit einem Referenzgas, beispielsweise mit Umgebungsluft, gefüllt ist. Im Referenzgasraum 35 ist auf der vierten Festelektrolytfolie 24 eine erste Elektrode 31 aufgebracht. Auf der der ersten Elektrode 31 gegenüberliegenden Seite der vierten Festelektrolytfolie 24 ist eine zweite Elektrode 32 aufgebracht, die dem Messgas ausgesetzt ist. Die zweite Elektrode 32 ist mit einer nicht dargestellten Schutzschicht überzogen. Die erste und die zweite Elektrode 31, 32 sowie der zwischen erster und zweiter Elektrode 31, 32 angeordnete Festelektrolyt 24 bilden eine elektrochemische Zelle 15, die beispielsweise als Nernstzelle betrieben wird.
Die 2 zeigt ein Sensorelement 110 nach dem Stand der Technik. Der Heizer 140 weist einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Heizerabschnitt 141, 142, 143, 144 auf, die jeweils in der Heizerschichtebene parallel zu einer Längsachse 111 des Sensorelements 110 angeordnet sind. Zwei direkt benachbarte Heizerabschnitte 141, 142; 142, 143; 143, 144 sind jeweils in einem ersten, zweiten und dritten Verbindungsbereich 151, 152, 153 durch einen fünften, sechsten und siebten Heizerabschnitt 145, 146, 147 verbunden. Der fünfte, sechste und siebte Heizerabschnitt 145, 146, 147 liegt senkrecht zu dem ersten, zweiten dritten und vierten Heizerabschnitt 141, 142, 143, 144 und damit parallel zu einer zur Längsachse 111 des Sensorelements 110 senkrechten Ebene. Damit bildet beispielsweise der erste und der fünfte Heizerabschnitt 141, 145 einen rechten Winkel. Der erste Heizerabschnitt 141 ist mit einer ersten Heizerzuleitung 161, der vierte Heizerabschnitt 144 mit einer zweiten Heizerzuleitung 162 elektrisch verbunden.
Die 3 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Endung, bei dem der Heizer 40 einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Heizerabschnitt 41, 42, 43, 44 aufweist, die jeweils in der Heizerschichtebene parallel zu einer Längsachse 11 des Sensorelements 10 angeordnet sind. Zwei direkt benachbarte Heizerabschnitte 41, 42; 42, 43; 43, 44 sind jeweils in einem ersten, zweiten und dritten Verbindungsbereich 51, 52, 53 durch einen fünften, sechsten, siebten und achten Heizerabschnitt 45, 46, 47, 48 verbunden, wobei im ersten Verbindungsbereich 51 der fünfte Heizerabschnitt 45, im zweiten Verbindungsbereich 52 der sechste und siebte Heizerabschnitt 46, 47 und im dritten Verbindungsbereich 53 der achte Verbindungsabschnitt 48 1iegt. Der fünfte, sechste, siebte und achte Heizerabschnitt 45, 46, 47, 48 sind in einem Winkel von 45 Grad zu einer zur Längsachse 11 des Sensorelements 10 senkrechten Ebene angeordnet. Der erste und dritte Verbindungsbereich 51, 53 zwischen dem erste und zweiten beziehungsweise dem dritten und vierten Heizerabschnitt 41, 42; 43, 44 weisen jeweils zwei Winkel auf, deren einer Schenkel (also der fünfte und achte Heizerabschnitt 45, 48) gegenüber einer Ebene senkrecht zur Längsachse 11 des Sensorelements 10 um 45 Grad geneigt ist, und deren anderer Schenkel durch einen Bereich des ersten, zweien, dritten oder vierten Heizerabschnitts 41, 42, 43, 44 gebildet wird und damit parallel zur Längsachse 11 des Sensorelements 10 liegt. Der zweite Verbindungsbereich 52 zwischen dem zweiten und dem dritten Heizerabschnitt 42, 43 wird durch den sechsten und siebten Heizerabschnitt 46, 47 gebildet, die zueinander im rechten Winkel angeordnet sind und jeweils einen Winkel von 45 Grad zu einer zur Längsachse 11 des Sensorelements 10 senkrechten Ebene aufweisen. Der erste Heizerabschnitt 41 ist mit einer ersten Heizerzuleitung 61, der vierte Heizerabschnitt 44 mit einer zweiten Heizerzuleitung 62 elektrisch verbunden.
Die 4 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel in der Gestaltung des ersten, zweiten und dritten Verbindungsbereichs 51a, 52a, 53a unterscheidet. Der erste, zweite und dritte Verbindungsbereich 51a, 52a, 53a ist als Winkel ausgebildet, dessen Schenkel jeweils einen Winkel von 60 Grad zu einer zur Längsachse 11 des Sensorelements 10 senkrechten Ebene aufweisen.
Der Heizer der erfindungsgemäßen Sensorelemente wird hergestellt, indem auf die ungesinterte erste Festelektrolytfolie (Grünfolie) durch Siebdruck zunächst eine erste und eine zweite Druckschicht der Heizerisolation, danach der Heizer mit den Heizerzuleitungen und danach eine dritte und vierte Druckschicht der Heizerisolation aufgebracht. Die erste und die zweite Druckschicht weisen ebenso wie die dritte und die vierte Druckschicht nach dem Sintern unterschiedliche Porositäten auf. Die dritte und die vierte Druckschicht wird zur Vermeidung von Gasblasen in der Heizerisolation mit gegensinnigen Druckrichtungen gedruckt. Die bedruckte Grünfolie wird mit einer oder mehreren weiteren Grünfolien, die ebenfalls mit Funktionsschichten bedruckt sind, zusammenlaminiert, und der entstandene Laminatverbund wird anschließend gesintert.
Die Endung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel einer Lambda-Sprungsonde beschränkt, sondern lässt sich auch auf andere beheizte Sensorelemente, beispielsweise auf Breitband-Lambda-Sonden oder auf Sensorelemente zur Bestimmung von Stickoxiden oder Kohlenwasserstoffen, übertragen. Die Endung ist auch nicht auf die spezielle Form des Heizers in den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Endung beschränkt. So lässt sich die Erfindung leicht auf Heizer übertragen, die mehr oder weniger als vier Heizerabschnitte aufweisen, die im wesentlichen parallel zur Längsachse des Sensorelements verlaufen.

Claims

Sensorelement (10), insbesondere in einem Gasmessfühler zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Größe eines Messgases, vorzugsweise zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, mit einem in einer Schichtebene des Sensorelements (10) angeordneten Heizer (40), der mindestens einen ersten und einen zweiten Heizerabschnitt (41, 42; 42, 43; 43, 44) aufweist, wobei der erste und der zweite Heizerabschnitt (41, 42; 42, 43; 43, 44) jeweils im wesentlichen parallel zur Längsachse (11) des Sensorelements (10) verläuft, sowie einem Verbindungsbereich (51, 52, 53; 51a, 52a, 53a), in dem der erste und der zweite Heizerabschnitt (41, 42; 42, 43; 43, 44) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (40) in dem Verbindungsbereich (51, 52, 53; 51a, 52a, 53a) als Winkel ausgeführt ist, wobei mindestens ein Schenkel des Winkels gegenüber einer Ebene senkrecht zur Längsachse (11) des Sensorelements (10) geneigt ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Schenkel des Winkels im Verbindungsbereich (51, 52, 53; 51a, 52a, 53a) einen Winkel von größer oder gleich 30 Grad, insbesondere einen Winkel von 45 bis 70 Grad, gegen die Ebene senkrecht zur Längsachse (11) des Sensorelements (10) aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (40) insgesamt vier Heizerabschnitte (41, 42, 43, 44) aufweist, die im wesentlichen parallel zur Längsachse (11) des Sensorelements (10) verlaufen, und dass zur Verbindung von je zwei dieser vier Heizerabschnitte (41, 42; 42, 43; 43, 44) insgesamt drei Verbindungsbereiche (51, 52, 53, 51a, 52a, 53a) vorgesehen sind.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (40) mit zwei Heizerzuleitungen (61, 62) elektrisch verbunden ist, durch die der Heizer (40) mit einer außerhalb des Sensorelements (10) gelegenen Spannungsquelle verbunden ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (40) in eine Heizerisolation (36) eingebettet ist, wobei die Heizerisolation (36) überwiegend aus Aluminiumoxid besteht, und dass die Heizerisolation (36) mit dem Heizer (40) zwischen zwei Festelektrolytfolien (21, 22) angeordnet ist. G. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (40) mindestens eine elektrochemische Zelle (15) beheizt, wobei die elektrochemische Zelle (15) eine erste Elektrode (31), eine zweite Elektrode (32) sowie einen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (31, 32) angeordneten Festelektrolyten (24) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Festelektrolytfolie im ungesinterten Zustand durch Siebdruck eine erste und eine zweite Druckschicht der Heizerisolation, der Heizer mit den Heizerzuleitungen und eine dritte und vierte Druckschicht der Heizerisolation aufgebracht werden, dass danach die bedruckte erste Festelektrolytfolie mit weiteren Festelektrolytfolien zusammenlaminiert und anschließend gesintert wird, wobei die erste und die zweite Druckschicht mit gegensinnigen Druckrichtungen gedruckt werden und/oder die dritte und die vierte Druckschicht mit gegensinnigen Druckrichtungen gedruckt werden.