DE10312106B4

DE10312106B4 - Gasmessfühler

Info

Publication number: DE10312106B4
Application number: DE2003112106
Authority: DE
Inventors: Juergen Ruth; Andreas Pesch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: DE10312106A1; JP2004286743A

Abstract

Ein Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, weist ein in einem Gehäuse (11) angeordnetes, aus planaren Schichten (13-18) zusammengesetztes Sensorelement (12) mit auf den Schichten (13-18) angeordneten elektrischen Elementen (19, 21-24) auf. Zur Erzielung einer modularen Fertigung des Sensorelements (12) mit zuverlässiger Kontaktierung der elektrischen Elemente (19, 21-24) verlaufen die Schichten (13-18) im Gehäuse (11) quer zu dessen Längsachse und weisen zueinander ausgerichtete Durchgangslöcher (33) auf, und die Kontaktierung ist durch die Durchgangslöcher (33) vorgenommen (Fig. 1).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Ein bekannter Gasmessfühler dieser Art ( DE 101 51 291 A1 ) weist ein rohrförmiges, metallisches Gehäuse auf, in dem ein in Planartechnik hergestelltes, längliches Sensorelement mit rechteckigem Querschnitt angeordnet ist. Zur Herstellung des Sensorelements werden ungesinterte, keramische Folien (Grünfolien) mit elektrischen Elementen, z.B. Elektroden, Widerstandsheizer, und mit anderen Funktionsschichten (z.B. Isolationsschichten oder porösen, gasdurchlässigen Schutzschichten) bedruckt, zusammenlaminiert und gesintert, wie dies in der DE 199 41 051 A1 beschrieben ist. Das Sensorelement ist so im Gehäuse des Gasmessfühlers angeordnet, dass die Großflächen des keramischen Schichtverbunds, also die Schichtebenen, parallel zur Längsachse des Gehäuses ausgerichtet sind.

Das Sensorelement weist ein dem Messgas ausgesetztes, messgasseitiges Ende und ein vom Messgas abgekehrtes, anschlussseitiges Ende auf, an dem die Verbindung zu einem Steuergerät hergestellt ist. Am anschlussseitigen Ende sind auf der Außenfläche des Sensorelements Kontaktflächen vorgesehen, die mit den elektrischen Elementen am messgasseitigen Ende des Sensorelements durch innerhalb des Schichtverbunds angeordnete, in den Schichtebenen verlaufende Leiterbahnen elektrisch verbunden sind. Diese Kontaktflächen sind mittels einer Klemmkontaktierung mit Leiterelementen elektrisch kontaktiert, über die das Sensorelement mit einem außerhalb des Gasmessfühlers sich befindlichen Steuergerät elektrisch verbunden ist. Die Kontaktflächen sind auf der Außenseite des Sensorelements vorgesehen, und die Klemmkraft, mit der die Leiterelemente auf die Kontaktflächen gedrückt werden, wirkt senkrecht zur Längsachse des Gehäuses.

Zur Abdichtung des messgasseitigen Abschnitts gegenüber dem anschlussseitigen Abschnitt des Gehäuses ist das Sensorelement entlang seiner Längserstreckung mittig von einem Dichtelement umgeben, das zwei Steatitschichten und eine dazwischenliegende Bornitrid-Schicht aufweist. Das Dichtelement ist zwischen zwei keramischen Formteilen angeordnet, die das Dichtelement zusammenpressen und so verformen, dass dieses sich gasdicht an Sensorelement und Gehäuse anlegt.

Eine bekannte Widerstandthermometerdetektorsonde ( DE 30 33 344 A1 ) weist eine zylindrische Hülse und ein in die Hülse eingebrachtes Kopfstück auf. Das Kopfstück besteht aus einer ersten Scheiben aus thermisch leitfähigem Material, einer zweiten Scheiben aus einem Weichmetall mit hoher thermischer Leitfähigkeit und hoher Diffusivität und einer dritten Scheibe aus Isoliermaterial, die derart miteinander verbunden sind, dass die zweite Scheibe schichtartig zwischen der ersten und dritten Scheiben mit gutem thermischen Kontakt eingeschlossen ist. An der freiliegenden Fläche der dritten Scheibe sind Dickfilmabscheidungen angebracht, von denen eine im Mittelbereich der Fläche und die beiden anderen im Mittelbereich flankierend angeordnet sind. Ein Dünnfilmwiderstandsthermometerchip ist an dem Mittelbereich befestigt.

Ein bekannter Temperatursensor ( DE 41 18 466 A1 ) weist ein keramisches, geschichtetes Produkt mit einer vielschichtigen Struktur auf, das aus einer Mehrzahl von keramischen Schichten und einer Mehrzahl von Widerstandsmustern besteht, die Kupfer oder Nickel aufweisen und auf den Hauptflächen der keramischen Schichten angeordnet sind. Eine leitfähige Verbindung erstreckt sich durch die keramischen Schichten zur seriellen Verbindung der Mehrzahl von Widerstandsmustern hindurch.

Es ist bereits ein Messfühler vorgeschlagen worden ( DE 102 40 245 A1 ), bei dem das Sensorelement ebenfalls als keramischer Schichtverbund ausgebildet ist, dessen Schichtebenen jedoch senkrecht zur Längsachse des Gehäuses ausgerichtet sind. Die messgasseitige Abdichtung des Sensorelements im Gehäuse erfolgt mittels eines Dichtungsrings auf der dem Messgas ausgesetzten Stirnseite des Sensorelements, über den das Sensorelement durch eine an der vom Messgas abgekehrten, anschlussseitigen Stirnfläche des Sensorelements angreifende Druckfeder auf eine am Gehäuse ausgebildete Ringschulter aufgedrückt wird. Auf der anschlussseitigen Stirnfläche sind Kontaktflächen aufgebracht, die durch Durchkontaktierungen mit den die Elektroden einer Nernstzelle bildenden, zwischen den Schichten angeordneten, elektrischen Elementen elektrisch verbunden sind. Die gleiche Druckfeder wirkt auf eine Andruckplatte, und drückt in die Andruckplatte eingeführte Kontaktdrähte auf die Kontaktflächen. Die Kontaktdrähte sind in einem Metallmantel einer Metallmantelleitung geführt, wobei sie gegenüber dem Metallmantel elektrisch isoliert sind. Die Metallmantelleitung ist durch eine Schweißverbindung am Gehäuse festgelegt oder einstückig mit dem Gehäuse verbunden.

Ein solcher Messfühler hat den Vorteil eines bauvolumenkleinen Sensorelements, bei dem die zur Abdichtung und zur Kontaktierung des Sensorelements erforderliche Kraft in Richtung der Längsachse des Gehäuses wirkt und so in idealer Weise die hohe Druckbelastbarkeit des Sensorelements ausgenutzt wird. Der Messfühler ist aufgrund seines kleinen Bauvolumens zum Einbau an sonst unzugänglichen Stellen geeignet und kann auch erstmals direkt in Verbrennungsräume eingesetzt werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Sensorelement selbst in das Kontaktierungssystem einbezogen ist und so eine modulare Fertigung verschiedener Aufbauarten des Sensorelements, z.B. für die Verwendung in Sprungsonden oder in Breitbandsonden, jeweils mit oder ohne Widerstandsheizer, in Stickoxid-Messsonden oder Temperatursonden, möglich ist, ohne dass das Kontaktierungssystem geändert werden muss. Je nach Sensorelementaufbau wird eine unterschiedliche Anzahl von Durchgangslöchern zur Durchkontaktierung herangezogen. Das neue Kontaktierungskonzept verleiht dem Sensor eine hohe Festigkeit gegenüber jeglicher Art von Schwingungsbelastungen. Die Längenzu- oder -abnahme des Sensorelements als Folge der Realisierung verschiedener Aufbauarten des Sensorelements hat keinen Einfluss auf die Kontaktierung.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Sensorelements möglich.

Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 auszugsweise einen schematisierten Schnitt längs der Linie I-I in 5 einer Breitband-Lambdasonde mit einem in planaren Schichten aufgebauten Sensorelement zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine,
2 bis 7 jeweils eine der Schichten des Sensorelements, a) in Unteransicht, b) im Schnitt gemäß Linie A-B in a) und c) in Draufsicht,
8 eine Anschlussplatte für das Sensorelement in 1, a) in Unteransicht, b) im Schnitt gemäß Linie A-B in a) und c) in Draufsicht,
9 eine Durchkontaktierung zwischen ascial fluchtenden Durchgangsloch zweier Schichten,
10 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Messfühlers mit einem Sensorelement zur Temperaturmessung von Abgasen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die in 1 ausschnittweise im Längsschnitt schematisiert dargestellte Breitband-Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen als Ausführungsbeispiel für einen allgemeinen Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, weist ein zylinderförmiges Sensorelement 12 auf, das in einem hohlzylindrischen Gehäuse 11 mit einem messgasseitig eingesetzten Anschlussstutzen 32 angeordnet ist. Das Sensorelement 12 ist mit seiner einen messgasseitigen Stirnfläche 121 dem Messgas bzw. dem Abgas der Brennkraftmaschine ausgesetzt, während auf seiner vom Abgas abgekehrten, anschlussseitigen Stirnfläche 122 der elektrische Anschluss des Sensorelements 12 an ein außerhalb der Lambdasonde angeordnetes Steuergerät mit Auswerteelektronik vorgenommen ist.
Das Sensorelement 12 ist in sog. Planartechnik hergestellt, mit der eine Mehrzahl von planen Schichten zu einem Schichtverbund zusammengesetzt wird. Der Schichtverbund ist von einem Isolationszylinder 44, der beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht, umschlossen. Jede Schicht besteht aus einer ungesinterten, keramischen Folie (Grünfolie) aus einem Festelektrolyten, z.B. Zirkoniumoxid (ZrO₂), die mit elektrischen Elementen oder Funktionsschichten bedruckt ist. Die Grünfolien werden über Folienbinder zusammenlaminiert, und das Folienlaminat wird gesintert. Die Großflächen der Folien, also die Schichtebenen, sind im Gehäuse 11 rechtwinklig zu dessen Längsachse ausgerichtet. Das in 1 dargestellte Sensorelement 12 für eine Breitband-Lambdasonde weist insgesamt sechs Folien oder Festelektrolytschichten auf, von denen im folgenden die obere Festelektrolytschicht als Heizerfolie 13 und die darunterliegenden Festelektrolytschichten in der Reihenfolge ihrer Schichtung als Isothermfolie 14, Referenzlochfolie 15, Nernstzellenfolie 16, Hohlraumfolie 17 und die unterste Festelektrolytschicht als Pumpzellenfolie 18 bezeichnet wird. Die genannten Folien sind in 2–7 jeweils in Unteransicht (Fig. a), im Schnitt (Fig. b) und in Draufsicht (Fig. c) dargestellt. Die Heizerfolie 13 (2) ist auf ihrer unteren Folienfläche mit einer mäanderförmigen Widerstandsbahn 19, die in einer Isolation 25 eingebettet ist, und auf ihrer oberen Folienfläche, die die anschlussseitige Stirnfläche 122 des Sensorelements 12 darstellt, unter Zwischenlage einer Isolationsschicht (nicht dargestellt) mit einer Mehrzahl von Kontaktflächen 20 bedruckt. Die Nernstzellenfolie 16 (5) ist auf ihrer oberen Folienfläche mit einer Referenzelektrode 21 und auf ihrer davon abgekehrten, unteren Folienfläche mit einer Messelektrode 22 bedruckt. Referenzelektrode 21 und Messelektrode 22 bilden in bekannter Weise eine Nernstzelle. Die Pumpzellenfolie 18 (7) ist auf ihrer oberen Folienfläche mit einer inneren Pumpelektrode 23 und auf ihrer unteren, die messgasseitige Stirnfläche 121 des Sensorelements 12 bildenden Folienfläche mit einer äußeren Pumpelektrode 24 bedruckt. Im allgemeinen ist auf die äußere Pumpelektrode 24 noch eine Schutzschicht aus porösem Aluminiumoxid (Al₂O₃) aufgedruckt, die hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen ist.
Alle von Widerstandsbahn 19, Kontaktflächen 20, Referenzelektrode 21, Messelektrode 22 , innerer und äußerer Pumpelektrode 23, 24 gebildeten elektrischen Elemente sind aus Platin oder aus einem Platincermet hergestellt, und die Widerstandsbahn 19 und die einzelnen Elektroden sind durch die einzelnen Folien hindurch mit den Kontaktflächen 20 kontaktiert. In der Referenzlochfolie 15 (4) ist ein Referenzloch 26 ausgestanzt, in dem die Referenzelektrode 21 einliegt. In der Hohlraumfolie 17 (6) ist ein kreisförmiger Hohlraum 27 ausgestanzt, in dem die Messelektrode 22 und die innere Pumpelektrode 23 einliegen. In der Pumpzellenfolie 18 (7) ist zentral ein Diffusionskanal 28 ausgestanzt, der mit einer porösen Diffusionsbarriere 29 gefüllt ist, so dass Abgas in den Mess- oder Hohlraum 27 eindiffundieren kann. In der Heizerfolie 13 (2) und der Isothermfolie 14 (3) ist jeweils ein Abschnitt eines Referenzgaskanals 30 ausgestanzt, über den das Referenzloch 26 mit der als Referenzgas verwendeten Luft auf der anschlussseitigen Stirnfläche 122 des Sensorelements 12 in Verbindung steht. Auf die untere Folienfläche der Pumpzellenfolie 18 (7) ist noch ein mit einem Isolationsring 45 unterlegter Dichtungsring 31 (1) aufgedruckt, mit dem das in das Gehäuse 11 eingesetzte Sensorelement 12 gegenüber dem Abgas so abgedichtet ist, dass lediglich die die äußere Pumpelektrode 24 tragende, messgasseitige Stirnfläche 121 des Sensorelements 12 mit dem Abgas in Kontakt kommt. Wie in 1 zu erkennen ist, wird dieser Dichtungsring 31 auf einen radial nach innen vorspringenden Ringsteg 321, der auf dem in das Gehäuse 11 eingeschobenen und mit diesem fest verbundenen Stutzen 32 ausgebildet ist, gepresst und so die Dichtwirkung erzielt.
Zur Durchkontaktierung der elektrischen Elemente 19–24 sind in jeder der Folien 13–17 (2–6) eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 33 ausgestanzt, wobei in jeder Folie 13–17 ein gleiches Lochbild hergestellt ist. Im Ausführungsbeispiel sind in jeder Folie 13–17 acht Durchgangslöcher 33 vorgesehen, die mit äquidistantem Abstand auf einem Teilerkreis liegen. Der Teilerkreis, auch Teil- oder Lochkreis genannt, ist der Kreis, auf dem sich die Verteilung der Durchgangslöcher bezieht (vgl. auch "Der große Brockhaus, 18. Auflage, 1980, Seite 302"). Die Radien aller Teilerkreise in den einzelnen Folien 13–17 sind gleich. Lediglich in der Pumpzellenfolie 18 ist aus Gründen der Unterbringung der Elektroden 23, 24 ein einziges Durchgangsloch 43 für die Kontaktierung der äußeren Pumpelektrode 24 vorgesehen, dessen radialer Abstand von der Folienmitte mindestens um den Durchmesser der Durchgangslöcher 33 kleiner ist als der Radius der Teilerkreise für die Durchgangslöcher 33 in den Folien 13–17. Der Versatz ist erforderlich, damit kein Abgas über die Durchkontaktierung der äußeren Pumpelektrode 24 an die innere Pumpelektrode 23 gelangen kann. Die innere Pumpelektrode 23 hat im Bereich des Durchgangslochs 43 eine Aussparung 47. Im Bereich der Aussparung 47 ist eine Kontaktfläche 48 auf die Pumpzellenfolie 18 aufgebracht, die das Durchgangsloch 43 umschließt und eine elektrische leitende Verbindung zu dem Durchgangsloch 33 in der aufliegenden Hohlraumfolie 17 herstellt, dessen Radiusvektor mit dem Radiusvektor des Durchgangslochs 43 fluchtet. Unter Radiusvektor eines Durchgangslochs wird der vom Mittelpunkt der kreisrunden Folie radial zum Mittelpunkt des Durchgangslochs sich erstreckende Vektor verstanden. Er definiert die Lage des Durchgangslochs im Lochbild der Folie. Sein Betrag ist durch den radialen Abstand des Lochmittelpunkts vom Mittelpunkt der Folie, also durch den Radius des Teilerkreises, gegeben, seine Richtung durch die Winkellage des Durchgangslochs auf dem Teiler- oder Lochkreis bestimmt. Alle Durchgangslöcher 33, 43 haben den gleichen Lochdurchmesser. Die Folien 13–18 sind in einer solchen Ausrichtung aufeinandergelegt, dass alle Radiusvektoren der Durchgangslöcher 33 – und damit die Durchgangslöcher 33 selbst – in allen Folien 13–17 miteinander fluchten und der Radiusvektor des Durchgangslochs 43 in der Pumpzellenfolie 18 mit den Radiusvektoren einer axial übereinanderliegenden Reihe von Durchgangslöchern 33 fluchtet. Alle Durchgangslöcher 33, 43 sind mit einer dünnen Lochwandisolation 34 ausgekleidet (9).
Die Durchkontaktierung zwischen der Widerstandsbahn 19 und den einzelnen elektrischen Elektroden 21–24 einerseits und den Kontaktflächen 20 andererseits ist durch einen elektrisch leitenden Lochwandbelag 46 hergestellt, der auf die Lochwandisolation 34 der entsprechenden, axial fluchtenden Durchgangslöcher 33 durch Hindurchsaugen oder Hindurchdrücken von Platin oder Platincermet aufgetragen wird (9). Dabei ist für jedes elektrische Element 19, 21–24 eine Kontaktierung zu einer der in Umfangsrichtung versetzt angeordneten Kontaktflächen 20 durch eine Reihung von miteinander fluchtenden Durchgangslöchern 33 in den Folien 13–17 hergestellt. Die länglichen, mit einer größeren radialen Ausdehnung ausgeführten Kontaktflächen 20 sind so auf der Heizerfolie 13 angeordnet, dass sie jeweils ein Durchgangsloch 33 in der Heizerfolie 13 umschließen.
Wie bereits erwähnt, wird über die Kontaktflächen 20 das Sensorelement 12 elektrisch an ein Steuergerät mit Auswerteelektronik angeschlossen. Hierzu ist eine Anschlussplatte 35 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) vorgesehen, die auf die anschlussseitige Stirnfläche 122 des Sensorelements 12 aufgesetzt wird. Die in 8 in Unteransicht (a), im Schnitt (b) und in Draufsicht (c) dargestellt Anschlussplatte 35 weist den gleichen Durchmesser auf wie die Folien 14–18 und hat ein zentrales Loch 36, das mit dem Referenzgaskanal 30 des Sensorelements 12 axial fluchtet. Die Anschlussplatte 35 weist die doppelte Anzahl von Durchgangslöchern 37 auf, hier insgesamt sechzehn, von denen jeweils die Hälfte, hier acht, auf einem von zwei Teilerkreisen mit unterschiedlichen Radien äquidistant angeordnet ist, wobei jedes Durchgangsloch 37 auf dem einen Teilerkreis mit einem Durchgangsloch 37 auf dem anderen Teilerkreis auf einem gemeinsamen Radiusvektor liegt. Die Radien der Teilerkreise sind so gewählt, dass bei Auflegen der Anschlussplatte 35 auf das Sensorelement 12 jeweils zwei auf einem Radiusvektor liegende Durchgangslöcher 37 eine der Kontaktflächen 20 auf der Heizerfolie 13 berühren. Um die Ausrichtung der Anschlussplatte 35 zum Sensorelement 12 auch in Umfangsrichtung sicherzustellen, ist auf der dem Sensorelement 12 zugekehrten Unterseite der Anschlussplatte 35 eine axial vorstehende Feder 38 (8) ausgebildet, die formschlüssig in eine in der Heizerfolie 13 vorgesehene Nut 39 (2) einsetzbar ist. Durch zwei auf einem Radiusvektor liegende Durchgangslöcher 37 der Anschlussplatte 35 ist ein Kontaktdraht 40 hindurchgezogen, wobei, wie dies in 1 zu sehen ist, der Kontaktdraht 40 durch das Durchgangsloch 37 auf dem äußeren Teilerkreis eingeführt, zur Unterseite der Anschlussplatte 35 hin abgebogen und mit seinem freien Ende durch das andere Durchgangsloch 37 auf dem inneren Teilerkreis wieder herausgeführt ist. Dabei liegt der auf der Unterseite der Anschlussplatte 35 verlaufende Abschnitt des Kontaktdrahts 40 plan an der Anschlussplatte 35 an. Entsprechend der Anzahl und räumlichen Anordnung der im Sensorelement 12 mit elektrischen Elementen 19, 21–24 kontaktierten Kontaktflächen 20 werden entsprechend viele Kontaktdrähte 40 in der beschriebenen Weise durch je zwei radial fluchtende Durchgangslöcher 37 in der Anschlussplatte 35 geführt und in der Anschlussplatte 35 festgesetzt. Die Anschlussplatte 35 wird im Gehäuse 11 integriert, so dass beim Einschieben des Sensorelements 12 in das Gehäuse 11 bei axialer Ausrichtung der Nut 39 in der Heizerfolie 13 zur Feder 38 an der Anschlussplatte 35 die durchkontaktierten Kontaktflächen 20 automatisch an die zugeordneten Kontaktdrähte 40 angelegt werden.
Wie 1 zeigt, wird die Anschlussplatte 35 über eine Druckfeder 41 an einer am Gehäuse 11 ausgebildeten Ringschulter 42 axial abgestützt. Nach Einschieben des Sensorelements 12 wird der den Ringsteg 321 tragende Stutzen 32 soweit eingeschoben, dass die Druckfeder 41 eine axiale Druckkraft auf die Anschlussplatte 35 und über die Anschlussplatte 35 und das Sensorelement 12 auf den Dichtungsring 31 ausübt, so dass einerseits die Kontaktdrähte 40 auf die Kontaktflächen 20 und andererseits der Dichtungsring 31 auf den Ringsteg 321 am Stutzen 32 aufgepresst wird. Der Stutzen 32 wird in dieser Position mit dem Gehäuse 11 verschweißt. Dadurch ist gleichzeitig eine zuverlässige Kontaktierung und Dichtung des Sensorelements 12 erreicht.
Der Aufbau des Sensorelements 12 aus gelochten Folien lässt in vorteilhafter Weise eine modulare Bauweise des Sensorelements 12 zu, so dass verschiedene Arten von Sensorelementen in gleicher Weise hergestellt werden können, wobei sich lediglich die axiale Baulänge des jeweiligen Sensorelements ändert. Will man anstelle des beschriebenen Sensorelements 12 für eine Breitband-Lambdasonde ein Sensorelement für eine Lambda=1-Sonde konzipieren, so entfällt die Pumpzellenfolie 18 mit innerer und äußerer Pumpelektrode 23, 24 und die Hohlraumfolie 17. Die Messelektrode 22 ist unmittelbar dem Abgas ausgesetzt. Entsprechend werden weniger der auf der Heizerfolie 13 vorhandenen Kontaktflächen 20 durchkontaktiert, und entsprechend weniger Kontaktdrähte 40 werden in die Anschlussplatte 35 eingesetzt. Soll die Lambda=1-Sonde ohne Widerstandsheizer ausgeführt werden, so entfällt die Heizerfolie 13 und die Isothermfolie 14 wird mit den Kontaktflächen 20 in der beschriebenen Weise bedruckt.
10 zeigt im Längsschnitt ausschnittweise einen als Temperatursonde konzipierten Messfühler, dessen Sensorelement 12 zur Messung der Abgastemperatur dient. Das Sensorelement 50 weist eine erste Folie 51 und eine zweite Folie 52 aus jeweils einem Festelektrolyten auf, zwischen denen eine erste Isolationsschicht 53 vorgesehen ist. Die erste Isolationsschicht 53 umgibt vollständig eine mäanderförmige Widerstandsschicht 55, so dass die Widerstandsschicht 55 gegenüber den beiden Folien 51, 52 isoliert ist. Die erste Folie 51 ist von einer zweiten Isolationsschicht 54 vollständig überdeckt. Auf der die anschlussseitige Stirnfläche 502 des Sensorelements 50 bildende Außenfläche der zweiten Isolationsschicht 54 sind über den Umfang äquidistant angeordnete, sich radial erstreckende Kontaktflächen 56 vorgesehen, so dass die Oberfläche der auf die erste Folie 51 aufgebrachten, zweiten Isolationsschicht 54 ein gleiches Erscheinungsbild hat wie die Oberfläche der in 2 dargestellten Heizerfolie 13. Zwei der Kontaktflächen 56 sind mit der Widerstandsschicht 55 über durch die Isolationsschicht 54 die Folie 51 und durch die Isolationsschicht 53 hindurchgehende Durchkontaktierungen elektrisch leitend verbunden. Jede Isolationsschicht 53, 54 und die Folie 51 sind hierzu wiederum mit Durchgangslöchern 33 versehen, wobei die Isolationsschichten 53, 54 und die Folie 51 ein gleiches Lochmuster aufweisen, wie dies beim Sensorelement 12 gemäß 1 in 2 und 3 dargestellt ist. Auch hier wird die Durchkontaktierung durch einen Lochwandbelag aus Platin oder einem Platincermet hergestellt, die in den miteinander in Achsrichtung fluchtenden Durchgangslöchern 33 der Isolationsschichten 53, 54 und der Folie 51 vorgenommen ist. Anschlussseitig ist, wie bereits zum Messfühler gemäß 1 beschrieben, auf das Sensorelement 50 die gleiche Anschlussplatte 35 aufgesetzt, die mit zwei Kontaktdrähten 40 von der Druckfeder 41 auf die Kontaktflächen 56 gedrückt wird. Der Federdruck dient gleichzeitig zum Andrücken eines Dichtungsrings 31, der auf der die messgasseitige Stirnfläche 501 des Sensorelements 50 bildenden, unteren Außenfläche der zweiten Folie 52 unter Zwischenlage eines Isolationsrings 45 angeordnet ist, auf den am Stutzen 32 ausgebildeten Ringsteg 321.
Zum Abgleich der Widerstandsschicht 55 sind in der ersten Isolationsschicht 54 und in der ersten Folie 51 miteinander fluchtende Öffnungen vorgesehen, die nach erfolgtem Abgleich durch einen sog. Trimmlochverschluss 57 verschlossen werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So können bei Hochtemperaturanwendung der Sensorelemente 12, 50 zur Herstellung der Durchkontaktierungen zwischen Kontaktflächen und elektrischen Elementen im Schichtverbund in die axial fluchtenden Durchgangslöcher 33 Platindrähte eingesintert werden. In einem solchen Fall könnte auch auf die Anschlussplatte 35 mit den Kontaktdrähten 40 verzichtet werden und die Vorstehlängen der eingesinterten Platindrähte als Kontaktdrähte verwendet werden. Die Druckfeder 41 würde sich dann unmittelbar an der anschlussseitigen Stirnfläche 122 bzw. 502 des Sensorelements 12 bzw. 50 abstützen.

Claims

Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, mit einem in einem Gehäuse (11) angeordneten, aus planaren Schichten (13, 14, 15, 16, 17, 18; 51, 52, 53, 54) zusammengesetzten Sensorelement (12; 50), das auf den Schichten (13, 16, 18; 53, 54) angeordnete elektrisch kontaktierte Elemente (19, 20, 21, 22, 23, 24; 55, 56) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (13, 14, 15, 16, 17, 18; 51, 52, 53, 54) im Gehäuse (11) quer zu dessen Längsachse verlaufen und zueinander ausgerichtete Durchgangslöcher (33, 43) aufweisen und dass die Kontaktierung der Elemente (19, 20, 21, 22, 23, 24; 55, 56) durch die Durchgangslöcher (33; 43) hindurch vorgenommen ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangslöcher (33) in den Schichten (13, 14, 15, 16, 17, 18; 51, 52, 53, 54) auf Teilerkreisen angeordnet sind und die Radiusvektoren der Durchgangslöcher (33, 43) in den einzelnen Schichten (13, 14, 15, 16, 17, 18; 51, 52, 53, 54) miteinander fluchten.
Gasmessfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Teil der Schichten (13, 14, 15, 16, 17; 51, 52, 53, 54) die Lochbilder der Durchgangslöcher (33) gleich sind.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12; 50) mit einer unteren Stirnfläche (121, 501) dem Messgas ausgesetzt ist und dass die Kontaktierung der Elemente (19, 21, 22, 23, 24; 55) mit Platindrähten vorgenommen ist, die auf der von der dem Messgas abgekehrten Stirnfläche (122; 502) des Sensorelements (12; 50) in ausgewählte, in Achsrichtung miteinander fluchtende Durchgangslöcher (33) eingeführt, darin mit Platinpaste vergossen und anschließend eingesintert sind.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (12; 50) mit einer unteren Stirnfläche (121; 501) dem Messgas ausgesetzt ist und auf seiner vom Messgas abgekehrten, oberen Stirnfläche (122; 502) eine der Anzahl der Durchgangslöcher (33) in jeder Schicht (13, 14, 15, 16, 17; 51, 52, 53) entsprechende Zahl von Kontaktflächen (20; 56) trägt, die jeweils ein Durchgangsloch (33) umschließen.
Gasmessfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung zwischen ausgewählten Elementen (19, 21, 22, 23, 24; 55) einerseits und ausgewählten Kontaktflächen (20; 56) andererseits durch einen in die zugeordneten, miteinander axial fluchtenden Durchgangslöcher (33) eingebrachten, eine Lochwandisolation (34) überdeckenden Lochwandbelag (46), vorzugsweise aus Platin, bewirkt ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf die die Kontaktflächen (20; 56) tragende Stirnseite (122, 502) des Sensorelements (12; 50) eine Anschlussplatte (35) mit Durchgangslöchern (37) zum Durchführen von die Kontaktflächen (20; 56) kontaktierenden Kontaktdrähten (40) aufgesetzt ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangslöcher (37) in der Anschlussplatte (35) auf einem äußeren und einem inneren Teilerkreis äquidistant so angeordnet sind, dass jeweils zwei radial ausgerichtete Durchgangslöcher (37) von den Kontaktflächen (20; 56) des Sensorelements (12; 50) überspannt werden.
Gasmessfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktdraht (40) zum Belegen einer Kontaktfläche (20; 56) in ein Durchgangsloch (37) in dem einen Teiler- oder Lochkreis eingeführt, auf der den Kontaktflächen (20; 56) zugekehrten Unterseite der Anschlussplatte (35) entlanggeführt und aus dem zu dem Einführdurchgangsloch (37) radial ausgerichteten Durchgangsloch (37) im anderen Teiler- oder Lochkreis wieder herausgeführt ist.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (13, 14, 15, 16, 17; 51, 52) aus einem Festelektrolyten, vorzugsweise aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) bestehen.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussplatte (35) aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Zirkoniumoxid (ZrO₂) besteht.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (19, 21, 22, 23, 24; 55) auf den Schichten (13, 14, 15, 16, 17, 18; 51, 52) Elektroden (21, 22) einer Nernstzelle und/oder Elektroden (23, 24) einer Pumpzelle und/oder eine Widerstandsbahn (19) eines Widerstandsheizers oder eine temperaturabhängige Widerstandsschicht (55) sind und vorzugsweise aus Platin oder einem Platincermet bestehen.