DE19713904A1

DE19713904A1 - Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes

Info

Publication number: DE19713904A1
Application number: DE19713904A
Authority: DE
Inventors: Theodor Graser; Olaf Jach; Hans-Joerg Renz; Harald Dr Neumann; Anton Hans
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1997-04-04
Publication date: 1998-10-08
Also published as: KR20000016275A; EP0906564A1; WO1998045695A1; JP2000511644A; US6805830B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsma schinen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 ge nannten Merkmalen.

Stand der Technik

Die Sensorelemente sind beispielsweise als sogenannte planare Sensorelemente ausgebildet, die aus einem Verbund einzelner in Folienform übereinander angeord neter Schichten bestehen. Die einzelnen Folien dieses Verbundes werden in definierter Weise übereinander angeordnet, so daß verschiedene Funktionsschichten entstehen. Die einzelnen Folien des Verbundes werden beispielsweise mittels einer Siebdrucktechnik in Pastenform als sogenannte Grünfolien übereinanderge legt. Die Sensorelemente weisen üblicherweise Fest elektrolytfolien, Elektrodenfolien, Heizleiterfolien, Isolierungsfolien und Schutzfolien auf. Bekannte Sen sorelemente können auch Substratfolien mit gedruckten Elektrolytschichten, Aluminiumoxid-Substratfolien mit Halbleitersensoren (Tio₂, SrTio₃) aufweisen. Anstelle eines Übereinanderlegen der Grünfolien können diese auch durch einzelne Druckschritte erhalten werden. Durch das Übereinanderanordnen dieser unterschied lichen Folien entsteht ein Laminatverbund, aus dem durch Sintern das Sensorelement erhalten wird.

Während eines Prüfens der gesinterten Sensorelemente oder während ihres bestimmungsgemäßen Einsatzes wer den die einzelnen Schichten des Sensorelements einer unterschiedlichen Temperatur ausgesetzt. Aufgrund dieser plötzlichen und mit unterschiedlicher Intensi tät auftretenden Temperaturänderungen erfahren die Sensorelemente einen Temperaturschock, der im Ober flächenbereich, insbesondere an den Kanten des Sen sorelements, zum Auftreten von mechanischen Span nungen führt. Um die Temperaturschockfestigkeit der Sensorelemente zu erhöhen, ist beispielsweise aus der US-PS 5,144,249 bekannt, die Kanten des Sensorele ments zu brechen, das heißt, diese mit einer Fase zu versehen. Das Anbringen der Fase erfolgt durch einen Schleifvorgang nach der Sinterung und nach der Vereinzelung der Sensorelemente. Hierbei ist nachtei lig, daß die bereits fertigen Sensorelemente einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden, die rela tiv aufwendig ist und zu ungewollten Beschädigungen der Sensorelemente führen kann.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß ein Brechen der Kanten des Sensorelements in ein facher Weise ohne die Gefahr von Beeinträchtigungen des Sensorelements erfolgen kann. Dadurch, daß die Kanten des Sensorelements vor dem Sintern gebrochen werden, ist es mittels einfacher, nicht spanabheben der Verfahren möglich, die Kanten in beliebiger Geo metrie zu brechen. Insbesondere kann ein Brechen der Kanten in einer von einer ebenen Fläche abweichenden Form, beispielsweise in einer konvexen oder konkaven Form, erfolgen, so daß auftretende mechanische Span nungen infolge eines Temperaturschocks an den ge brochenen Kanten nicht zum Entstehen von Rissen führen können.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, daß die Kanten durch Umformen, vorzugsweise durch Prägen des im Grünzustand vorliegenden Folien verbundes, gebrochen werden. Hierdurch können mittels eines einfachen Prägewerkzeugs die Kanten des Ver bundes der Grünfolien infolge deren vor dem Sintern vorliegenden weichen Konsistenz in einfacher Weise umgeformt werden. Durch die Ausbildung eines entspre chenden Prägewerkzeugs kann eine Brechung der Kanten in beliebiger Form erfolgen. Insbesondere ist vor teilhaft, wenn bei bereits eingesetzten Prägewerk zeugen Prägefolien eingelegt werden, die lediglich eine Umformung des Kantenbereiches des Sensorelements gestatten und die anderen Bereiche, insbesondere die Flächenbereiche des Sensorelements, unverändert be lassen. Um ein Anhaften des Verbundes der Grünfolien des Sensorelements im Prägewerkzeug zu verhindern, kann die Prägefolie sehr vorteilhaft mit einer Anti haftbeschichtung, insbesondere Teflon, versehen wer den.

Darüber hinaus ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, wenn das Brechen der Kanten mittels einer Laserbehandlung erfolgt. Hierdurch kann sehr vorteilhaft ein berührungsloses Brechen der Kanten des Sensorelements im Grünzustand erfolgen, so daß jegliche mechanische Belastungen des Verbundes der Grünfolien ausgeschlossen werden kann. Sehr vor teilhaft kann über eine Maskierung eines bevorzugter weise eingesetzten Eximerlasers die Kontur der gebro chenen Kanten des Sensorelements eingestellt werden.

Mittels der Laserbehandlung kann das Brechen der Kan ten vorzugsweise bereits vor Vereinzeln der im Ver bund vorliegenden Grünfolien erfolgen, so daß das brechen der Kanten sehr effektiv erfolgen kann. Gleichzeitig können hierdurch die Schnittstellen des die einzelnen Sensorelemente aufweisenden Wafers de finiert werden.

Insbesondere ist auch bevorzugt, wenn mittels der La serbehandlung gleichzeitig ein Brechen der Kanten und ein Vereinzeln des Verbundes der Grünfolien erfolgt. Durch Einstellung der Laserleistung und Geometrie des Laserstrahls kann somit in einem Arbeitsgang das Kantenbrechen und das Vereinzeln erfolgen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Sensorelement;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch einen Nutzen mehrerer Sensorelemente;

Fig. 3 Geometriestrukturen von Lasern;

Fig. 4 die erfindungsgemäße Anwendung eines Lasers und

Fig. 5 und 6 die erfindungsgemäße Anwendung einer Prägetechnik.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Sen sorelement 10, das beispielsweise der Bestimmung eines Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungs motoren in Kraftfahrzeugen oder von Feuerungsanlagen dienen kann. Da der Aufbau und die Funktion eines derartigen Sensorelements 10 allgemein bekannt ist, soll nachfolgend nur der für die Erläuterung der Erfindung wichtige Aufbau beschrieben werden. Das Sensorelement weist im wesentlichen einen langge streckten, plättchenförmigen Aufbau auf, der aus einzelnen Lagen verschiedener Funktionsschichten be steht. Wie die in Fig. 1 gezeigte Schnittdarstellung verdeutlicht, besitzt das Sensorelement 10 eine elektrochemische Meßzelle 12 und ein Heizelement 14. Die Meßzelle 12 besteht aus einer ersten Festelek trolytfolie 16 sowie einer zweiten Festelektrolyt folie 18, die einen integrierten Referenzgaskanal 20 aufweist. Einer meßgasseitigen Oberfläche der Elek trolytfolie 16 ist eine Meßelektrode 22 und einer dem Referenzgaskanal 20 zugeordneten Oberfläche ist eine Referenzelektrode 24 zugeordnet. Über der Meßelektro de 22 ist eine poröse Deckschicht 26 angeordnet.

Das Heizelement 14 weist in Isolationsschichten 28 und 30 eingebettete Heizleiter 32 auf. An die Isola tionsschicht 30 schließt sich eine weitere Deck schicht 34 an.

Die Festelektrolytfolien 16 und 18 sowie die Deck schicht 34 bestehen beispielsweise aus einem sta bilisiertem Zirkoniumoxid ZrO₂. Die Elektroden 22 und 24 sowie die Heizleiter 32 bestehen beispiels weise aus einem platin-Cermet. Die Isolationsschich ten 28 und 30 bestehen beispielsweise aus einem Gemisch von Aluminiumoxid Al₂O₃und glasbildenden Komponenten.

Der gesamte Verbund der einzelnen Schichten besitzt im Querschnitt gesehen einen etwa quaderförmigen Aufbau, wobei zumindest die in Längsrichtung des Sensorelements verlaufenden Kanten 36 eine Fase 38 aufweisen.

Die Herstellung des Sensorelements 10 erfolgt durch nacheinanderfolgendes Laminieren der einzelnen Schichten auf der Deckschicht 34, die gleichzeitig einen Träger bildet. Das Definieren der Schichten kann durch Siebdruck eines Pastenmaterials, das die jeweilige Zusammensetzung der Schicht aufweist, er folgen. Nach Abschluß dieser Laminierung entsteht ein Verbund von sogenannten Grünfolien der einzelnen Schichten, die eine relativ weiche Konsistenz be sitzen. Bekanntermaßen wird der Verbund dann einer Sinterung unterzogen, wobei unter Einwirkung von Temperaturen und gegebenenfalls von Druck das Sensor element 10 entsteht.

Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, vor der Sin terung die Fasen 38 der Kanten 36 zu strukturieren. Nachfolgend wird auf einzelne Möglichkeiten der Er zielung der Fasen 38 eingegangen.

Fig. 2 zeigt ausschnittsweise einen sogenannten Nutzen einer Vielzahl im Grünzustand vorliegender Sensorelemente 10. Hierbei werden die einzelnen Schichten der Sensorelemente 10 gleichzeitig für eine Vielzahl von Sensorelementen 10 laminiert und an schließend der Verbund der Grünfolien für ein Sensor element 10 vereinzelt. In Fig. 2 sind ausschnitts weise drei Sensorelemente 10 gezeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen ver sehen und nicht nochmals erläutert, wobei auf eine detaillierte Darstellung aus Gründen der Übersicht lichkeit hier verzichtet wurde. Nach der Laminierung werden Schnittkanten 40 definiert, an denen eine Ver einzelung der Sensorelemente 10 erfolgt. Vor der Ver einzelung der Sensorelemente 10 kann an den Schnitt kanten 40 eine definierte Oberflächenvertiefung 42 eingebracht werden. Diese Oberflächenvertiefung 42 kann beispielsweise mittels eines Eximer-Lasers 44 erfolgen, der eine bestimmte Maskierung aufweist. In Fig. 3 sind beispielsweise zwei mögliche Maskie rungen gezeigt. Gemäß der linken Darstellung kann der Eximer-Laser 44 eine dreieckförmige Maskierung besit zen, so daß die Oberflächenvertiefungen 42 entspre chend dieser Vertiefung dreieckförmig werden. Nach dem in Fig. 3 rechts dargestellten Ausführungs beispiel kann die Maskierung auch konkav verlaufende Begrenzungsflächen aufweisen. Darüber hinaus sind an dere Ausführungsbeispiele denkbar, die Mischformen von unter verschiedenen Winkeln verlaufenden Ebenen und/oder konkaven und/oder konvexen Begrenzungsflä chen aufweisen.

Wie Fig. 4 verdeutlicht, wird der Eximer-Laser 44 auf der Oberfläche des Verbundes der Grünfolien ent langbewegt. Hierzu kann entweder der Eximer-Laser 44 beweglich sein, und/oder die Grünfolien werden am Eximer-Laser 44 vorbeibewegt. Entsprechend einer Ein stellung der Leistung des Eximer-Lasers 44 wird die Oberflächenvertiefung 42 in ihrer Tiefe und ihrem Vorschub strukturiert.

Durch die Strukturierung der Oberflächenvertiefungen 42 ergeben sich die gebrochenen Kanten 36 mit ihren Fasen 38. Entlang der Schnittkanten 40 erfolgt an schließend ein Vereinzeln der Sensorelemente 10, die dann dem Sintervorgang unterworfen werden. Im An schluß entsteht das in Fig. 1 im Querschnitt gezeig te Sensorelement 10. Durch die Strukturierung der Fasen 38 im Grünzustand der Folien des Sensorelements 10 und durch die berührungslose Strukturierung mit dem Eximer-Laser 44 wird das Sensorelement 10 keiner mechanischen Beanspruchung unterworfen, so daß Be schädigungen im wesentlichen ausgeschlossen werden können.

Das Vereinzeln der Sensorelemente kann durch eine weitere Behandlung mit einem Eximer-Laser erfolgen, der eine entsprechende Maskierung aufweist. Durch Auswahl einer Maskierung und einer Leistung des Eximer-Lasers 44 ist es jedoch auch möglich, die Oberflächenvertiefung und die Vereinzelung in einem Arbeitsgang durchzuführen.

In Fig. 5 ist eine weitere Möglichkeit der Struk turierung der Fasen 38 angedeutet. Hierbei wird ein Sensorelement 10 nach Vereinzelung des Verbundes der Grünfolien mit einer Prägevorrichtung 45 beauf schlagt. Die Prägevorrichtung 45 besitzt eine Kon tur 46, die ein Umformen der Kanten 36 derart gestattet, daß diese anschließend die Fasen 38 aufweisen. Entsprechend der Formgebung der Kontur 46 kann die Fase 38 mittels des Prägens ebenfalls eine unterschiedliche Kontur, beispielsweise ebene und/oder konvexe und/oder konkave Abschnitte aufwei sen. Die Kontur 46 der Prägevorrichtung 45 kann ent weder durch die Herstellung einer entsprechenden Prägevorrichtung 45 oder durch Einlegen einer Präge folie 48 in die Prägevorrichtung 45 erfolgen. Die Prägefolie 48 wird vorzugsweise mit einer Antihaft beschichtung, beispielsweise Teflon, Titannitrid, versehen. Da auch bei diesem Umformen die Grünfolien noch eine relativ weiche Konsistenz haben, ist das Prägen der Fasen 38 in einfacher Weise möglich, ohne daß Beeinträchtigungen des vorkonfektionierten Sen sorelements 10 eintreten.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel ge zeigt, bei dem ein Prägen der Sensorelemente 10 im Verbund erfolgen kann. Hierzu besitzt die Prägevor richtung 45 eine Prägekontur 50 die den Vertiefun gen 42 entsprechende Vorsprünge 52 aufweist. Die Prägekontur 50 kann ebenfalls wieder mit einer Antihaftbeschichtung versehen sein. Durch das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel läßt sich in einfacher Weise mittels eines Prägeschrittes eine Vielzahl von Sensorelementen 10 im Mehrfachnutzen prägen, wobei eine nachfolgende Vereinzelung entlang der Schnittkanten 40 erfolgt.

Die Prägevorrichtung 45 kann sehr vorteilhaft einen oberen Stempel 54 und einen unteren Stempel 56 auf weisen, so daß mit einem Verfahrensschritt gleichzei tig die Ober- und Unterseite der Sensorelemente 10 geprägt wird. Durch die relativ weiche Konsistenz der noch nicht gesinterten Sensorelemente 10 lassen sich die Oberflächenvertiefungen 42 mit einem geringen Kraftaufwand prägen, so daß Beschädigungen der Struk tur der Sensorelemente 10 ausgeschlossen werden kön nen.

Es ist selbstverständlich, daß sowohl bei der Struk turierung der Fasen 38 mittels des Eximerlasers 44 oder der Prägevorrichtung 45 die Bearbeitung von beiden Seiten des Sensorelements 10 erfolgt. Hierzu kann entweder eine doppelseitig wirkende Vorrichtung vorgesehen sein, oder es erfolgt ein Wenden des Ver bundes der Grünfolien der Sensorelemente 10.

Insgesamt wird deutlich, daß mittels einfach zu rea lisierender Maßnahmen die für die Erhöhung der Tempe raturenschockfestigkeit der Sensorelemente 10 wün schenswerte Ausbildung der Fasen 38 in unterschied licher Kontur erfolgen kann. Der erforderliche Werk zeugaufwand ist im Verhältnis gering, und dieser unterliegt im wesentlichen keinem Verschleiß, so daß hohe Standzeiten zu erwarten sind. Das zusätzliche Verwenden von Verbrauchsmaterialien, wie beispiels weise beim Schleifen des gesinterten Sensorele ments 10 beim Stand der Technik, entfällt vollkommen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Verbrennungsmaschinen, wobei ein Verbund mit wenigstens einer in Folienform vorliegenden kera mischen Paste (Grünfolie) zu dem Sensorelement gesin tert wird und scharfkantige Kanten des Sensorelements zur Erhöhung einer Thermoschockfestigkeit des Sensor elements gebrochen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (36) des Sensorelements (10) vor dem Sintern gebrochen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (36) durch Umformen gebrochen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (36) durch Prägen gebrochen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Prägevorrichtung (45) zum Vorpressen eines Laminatverbundes von unge sinterten Folien des Sensorelements (10) eine Profi lierung (46) eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung (46) durch eine in die Präge vorrichtung (45) eingebrachte Profilfolie (48) er zielt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilfolie (48) mit einer Antihaftbeschich tung versehen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (36) durch eine Laserbehandlung ge brochen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Laserbehandlung ein Eximer-Laser (44) mit vorgebbarer Maskierung verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbehandlung an vereinzelten, im Verbund der Grünfolien vorliegenden Sensorelementen (10) durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbehandlung zum Brechen der Kanten (36) vor einem Vereinzeln von im Verbund der Grünfolien vorliegenden Sensorelemen ten (10) aus einem Wafer erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbehandlung gleichzeitig zum Vereinzeln einzelner, im Verbund der Grünfolien vorliegenden Sensorelemente (10) aus einem Wafer und zum Brechen der Kanten (36) eingesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasen (38) der Kanten (36) eine konvexe und/oder konkave und/oder ebene Oberfläche besitzen.