DE19720892A1

DE19720892A1 - Sensorelement

Info

Publication number: DE19720892A1
Application number: DE19720892A
Authority: DE
Inventors: Theodor Graser; Hans-Joerg Renz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-05-17
Filing date: 1997-05-17
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2017-05-18
Also published as: JPH10332635A; JP4319707B2; DE19720892C2; US6027622A

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen elektrochemischen Meßfühler, insbesondere zur Bestim mung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbren nungsmaschinen, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Sensorelemente der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese sind beispielsweise als sogenannte planare Sen sorelemente ausgebildet, die eine, auf einem als Trä ger ausgebildeten Festelektrolyten, einem Meßgas aus gesetzte Meßgaselektrode und an der anderen Seite des Trägers eine einem Referenzgas ausgesetzte Referenz gaselektrode aufweist. Bei verschiedenen Anwendungen muß das Sensorelement auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden. Hierzu ist bekannt, dem Sensorelement eine Heizeinrichtung zuzuordnen, die üblicherweise unterhalb der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode in Isolationsschichten verlaufende Heizleiter auf weist.

Zum Schutz der Elektrodenzuleitung und des Heizers ist es bekannt, das Sensorelement auf beiden Seiten mit einer dichten Deckschicht zu versehen. Üblicher weise werden die Sensorelemente chargenweise herge stellt, indem die einzelnen Funktionsschichten des Sensorelements in nachfolgenden Laminier-, und bei spielsweise Siebdruckverfahren als Flächen und Fine lines aufgebracht werden und anschließend eine Ver einzelung zu den einzelnen Sensorelementen erfolgt. Der das Sensorelement ergebende Verbund der Folien und Schichten wird anschließend gesintert, so daß das Sensorelement entsteht.

Bei den bekannten Sensorelementen ist nachteilig, daß durch das Vereinzeln der Sensorelemente aus dem groß flächigen Verbund der folienartig aufgebrachten Schichten zwar ein Abdecken der äußersten Schicht mittels der Deckschicht möglich ist, jedoch die ent lang der Schnittkanten freiwerdenden Stirnseiten und Kanten der Funktionsschichten die Deckschicht nicht aufweisen. Diese Stirnseiten sind somit beim bestim mungsgemäßen Einsatz der Sensorelemente direkt dem Meßgas, beispielsweise dem Abgas von Verbrennungsma schinen, ausgesetzt. Hierdurch bieten diese freilie genden Stirnseiten und Kanten eine ideale Angriffs fläche für das Meßgas und die in dem Meßgas enthalte nen schädlichen Bestandteile. Diese können zu einer Zersetzung der freiliegenden Funktionsschichten und somit zu einer Beeinträchtigung der Kennlinie des Sensorelements führen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den im An spruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß die Funktionsschichten der Heizeinrich tung an allen dem Meßgas ausgesetzten Seiten von einer Deckschicht überzogen sind. Dadurch, daß die Deckschicht neben der Oberfläche der letzten Funk tionsschicht der Heizeinrichtung die Stirnseiten al ler Funktionsschichten der Heizeinrichtung abdeckt, wird dem Meßgas und den in dem Meßgas enthaltenen Be standteilen keine Angriffsmöglichkeiten auf die Funk tionsschichten gegeben.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, daß die die Funktionsschichten der Heizein richtung umgreifende Deckschicht mittels eines Sieb druckvorgangs aufgebracht wird. Hierdurch wird gegen über der bisherigen Herstellung kein zusätzlicher Druckschritt notwendig. Insbesondere ist in bevorzug ter Ausgestaltung vorgesehen, daß die Funktions schichten der Heizeinrichtung gegenüber der Träger schicht für die Heizeinrichtung mit geringerer Breite ausgebildet werden, so daß sich bei der Herstellung der Sensorelemente im Verbund zwischen benachbarten Funktionsschichten der Heizeinrichtung Zwischenräume ergeben. Diese Zwischenräume werden während des Auf bringens der Deckschicht mit aufgefüllt, so daß sich der zusätzliche Kantenschutz ergibt. Während des nachfolgenden Vereinzeln der Sensorelemente erfolgt der Schnitt entlang dieser Vertiefungen, so daß ein Freilegen der Stirnseite und Kanten der Funktions schichten der Heizeinrichtung durch das Vereinzeln nicht erfolgt.

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

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Verbund von Sensorelementen und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Verbund der Sensor elemente.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist in einer schematischen Schnittdar stellung ein Verbund 10 mehrerer Sensorelemente 12 gezeigt. Die Darstellung erfolgt nur ausschnitts weise, das heißt, der Verbund 10 besitzt insgesamt eine Vielzahl von Sensorelementen 12, die auf einem entsprechenden Substrat unterbringbar sind. Ferner erfolgt die Darstellung der Sensorelemente 12 nicht komplett. Die Sensorelemente 12 besitzen eine nicht dargestellte Meßeinrichtung, die auf einem Träger 14 angeordnet ist, wobei der Träger 14 Bestandteil der Meßeinrichtung sein kann. Diese Meßeinrichtung be sitzt den an sich bekannten Aufbau, in dem ein Fest körperelektrolyt einerseits eine Referenzgaselektrode und andererseits eine Meßgaselektrode aufweist. Zum Beheizen der Meßeinrichtung ist eine Heizeinrichtung 16 vorgesehen. Die Heizeinrichtung 16 besteht aus einer Isolationsschicht 18, auf der Isolationsschicht 18 angeordneten Heizleitern 20 sowie einer die Heiz leiter 20 umgebenden Isolationsschicht 22. Die Defi nition der Heizeinrichtung 16, das heißt, der einzel nen Funktionsschichten der Heizeinrichtung 16, er folgt durch ein definiertes Auftragen entsprechender Materialien, in der Regel im Siebdruck. Die einzelnen Schichten werden folienartig auf den Träger 14 aufge bracht. Entsprechend der Größe des gesamten Substrats werden nach einem festgelegten Muster eine Vielzahl von Heizeinrichtungen 16 gleichzeitig auf den ent sprechend an der anderen Seite des Trägers 14 vor strukturierten Meßeinrichtungen aufgebracht. Fig. 2 zeigt ausschnittsweise in Draufsicht ein Substrat mit angedeuteten, aufgebrachten Heizeinrichtungen 16.

Zur Verdeutlichung sind Schnittlinien 24 eingetragen, an denen eine Vereinzelung der einzelnen Sensorele mente 12 erfolgt. Insbesondere in Fig. 1 wird deut lich, daß die Funktionsschichten der Heizeinrichtung 16, das heißt die Isolationsschichten 18 und 22, eine geringere Breite aufweisen als das Sensorelement 12. Hierdurch ergibt sich zwischen zwei benachbarten, zunächst noch über den durchgehenden Träger 14 ver bundenen Heizeinrichtungen 16 eine muldenartige Ver tiefung 26.

Über die auf dem Träger 14 strukturierte Heizein richtung 16 wird eine Deckschicht 28, beispielsweise aus einem dichten Material, aufgebracht. Das Aufbrin gen der Deckschicht 28 erfolgt ebenfalls durch Sieb druck. Da das Aufbringen der Deckschicht 28 - wie der weiteren Schichten des Sensorelements 12 auch - in ungesintertem Zustand auf der sogenannten Grünfolie erfolgt, kann das Material der Deckschicht 28 auf grund seiner Plastizität in die Vertiefungen 26 ein dringen und so die Isolationsschichten 18 und 22 auch an ihren Stirnseiten 30 umschließen. Zur Verdeutli chung der Anordnung der Deckschicht 28 ist in Fig. 1 eine stark vergrößerte Darstellung gewählt. Die Höhe der übereinander angeordneten Isolationsschichten 18 und 22 beträgt zirka 50 bis 80 µm, so daß das Auf bringen der Deckschicht 28 auf den gesamten Verbund 10 der noch nicht getrennten Sensorelemente 12 zum Entstehen einer Art "Hügellandschaft" führt. Durch die Materialwahl für die Deckschicht 28, die vorzugs weise aus Aluminiumoxid Al₂O₃ besteht, erfolgt ein Umschließen der Heizeinrichtung 16 - außer an der dem Träger 14 zugewandten Seite -, sowohl an der Ober fläche 32, der Isolationsschicht 22 als auch an den Stirnseiten 30 der Isolationsschichten 18 und 22.

In einem nächsten Verfahrensschritt erfolgt ein Ver einzeln der Sensorelemente 12 durch einen Schneidvor gang entlang der Schnittlinien 24. Während dieses Schneidens erfolgt ein Durchtrennen der Deckschicht 28 im Bereich der Vertiefungen 26, so daß ein Frei legen der Stirnseiten 30 ausgeschlossen ist. Nach einem abschließenden Sintern der Sensorelemente 12 ist die Heizeinrichtung 16 durch einen außenliegen den, topfförmigen Dichtrahmen 34 abgedeckelt, der einen unmittelbaren Berührungskontakt der Heizein richtung 16 mit dem Meßgas beziehungsweise in dem Meßgas enthaltenen Stoffen ausschließt.

Insgesamt ist somit ein Sensorelement 12 mit beson ders hoher CSD-Festigkeit geschaffen, das ohne erhöh ten Aufwand gegenüber der bisherigen Herstellung der Sensorelemente 12 hergestellt werden kann.

Claims

1. Sensorelement für einen elektrochemischen Meß fühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoff gehaltes in Abgasen von Verbrennungsmaschinen, mit mindestens einer Meßeinrichtung und mit mindestens einer der Meßeinrichtung zugeordneten Heizeinrich tung, wobei die Meßeinrichtung und die Heizeinrich tung aus einzelnen, übereinanderlaminierten Funk tionsschichten bestehen und wenigstens die Heizein richtung mit einer Deckschicht abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (28) neben der Oberfläche (32) der letzten Funktionsschicht (22) der Heizeinrichtung (16) die Seitenflächen (30) aller Funktionsschichten (18, 22) der Heizeinrichtung (16) abdeckt.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heizeinrichtung (16) gegenüber einem Träger (14) des Sensorelementes (10) eine ge ringere Breite aufweist und von einem topfförmigen Dichtrahmen (34) umschlossen wird, der an dem Träger (14) aufliegt.

3. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes gemäß der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Sensorelemen te in einem Verbund mehrere Sensorelemente durch Laminieren und anschließendes Sintern von die Funk tionsschichten ergebenden Grünfolien erhalten werden und vereinzeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Funk tionsschichten (18, 20) der Heizeinrichtung (16) mit einer gegenüber dem Träger (14) eines Sensorelementes (10) geringeren Breite aufgebracht werden und an schließend die Heizeinrichtungen (16) und die zwi schen den Heizeinrichtungen (16) verbleibenden Ver tiefungen (26) mit der Deckschicht (28) überzogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vereinzeln der Sensorelemente (10) aus dem Verbund entlang von in den Vertiefungen (26) gedach ten Schnittlinien (24) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Rheologie der Paste der Deck schicht (28) so gewählt ist, daß sich das Material der Deckschicht (28) an die Seitenflächen (30) der Funktionsschichten (18, 20) während des Druckens anlegt.