DE19720892C2

DE19720892C2 - Sensorelement

Info

Publication number: DE19720892C2
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: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2017-05-18
Also published as: JP4319707B2; JPH10332635A; US6027622A; DE19720892A1

Description

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

Stand der Technik

Sensorelemente der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Aus der DE 38 11 713 A1 ist beispielsweise ein sogenanntes planares Sensorelement bekannt, das eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Verbrennungsmotoren aufweist. Bei verschiedenen Anwendungen muß das Sensorelement auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden. Hierzu wird dem Sensorelement eine Heizeinrichtung zugeordnet, die ein Widerstandselement aufweist, das unterhalb der Elektroden zwischen zwei der Isolierung dienenden Funktionsschichten angeordnet ist. Die Sensorelemente werden chargenweise hergestellt, indem die einzelnen Funktionsschichten des Sensorelements beispielsweise im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Anschließend erfolgt eine Vereinzelung zu den einzelnen Sensorelementen.

Kommt die Heizeinrichtung in direkten Kontakt zum Meßgas, so kann es zu einer Zersetzung der freiliegenden Funktionsschichten der Heizeinrichtung und somit zu einer Beeinträchtigung der Kennlinie des Sensorelements kommen. Daher wird die Heizeinrichtung vor dem Vereinzeln mit einer Deckschicht überzogen, die beispielsweise aus mit Yttrium dotiertem Zirkonoxid oder aus Aluminiumoxid besteht. Um zu verhindern, daß nach der Vereinzelung die Funktionsschichten der Heizeinrichtung bis zur Außenfläche des Sensorelements reichen und damit an ihren Seitenflächen den schädlichen Bestandteilen des Abgases ausgesetzt sind, wird zusätzlich in der Ebene der Heizeinrichtung ein Rahmen gedruckt, der beim vereinzelten Sensorelement die Seitenflächen der Heizeinrichtung vollständig vom Meßgas trennt.

Hierbei ist nachteilig, daß die Maßnahmen zur Isolierung der Heizeinrichtung gegenüber dem Meßgas mehrere Druckschritte erfordern und technisch aufwendig sind.

Aus der US 5 480 535 ist ein Dünnschicht-Gassensor mit einem Sensorelement bekannt, bei dem auf einem als poröses Substrat ausgebildeten Träger ein Heizer und dem Heizer gegenüberliegend auf dem Träger ein Messelement vorgesehen sind. Das gesamte Sensorelement ist mit einer porösen Deckschicht ummantelt, die ein katalytisches Material enthält. Die Herstellung derartiger Sensorelemente im Mehrfachnutzen ist nicht möglich.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement bietet den Vorteil, daß die Funktionsschichten der Heizeinrichtung mit einer Deckschicht vollständig überzogen sind. Dadurch, daß die Deckschicht neben der Oberfläche der letzten Funktionsschicht der Heizeinrichtung die Stirnseiten aller Funktionsschichten der Heizeinrichtung abdeckt, wird den in dem Meßgas enthaltenen schädlichen Bestandteilen keine Angriffsmöglichkeiten auf die Funktionsschichten der Heizeinrichtung gegeben. Bei der erfindungsgemäßen Herstellung der Sensorelemente im Verbund ergeben sich zwischen benachbarten Funktionsschichten der Heizeinrichtung Zwischenräume. Diese werden während des Aufbringens der Deckschicht mit aufgefüllt, so daß sich der zusätzliche Kantenschutz ergibt. Während des nachfolgenden Vereinzelns der Sensorelemente erfolgt der Schnitt entlang dieser Vertiefungen, so daß ein Freilegen der Stirnseite und Kanten der Funktionsschichten 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 besitzt 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 Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmaschinen, mit mindestens einer Meßeinrichtung und mit mindestens einer der Meßeinrichtung zugeordneten Heizeinrichtung, wobei die Meßeinrichtung und die Heizeinrichtung aus einzelnen, übereinanderlaminierten Funktionsschichten bestehen und wenigstens die Heizeinrichtung mit einer Deckschicht abgedeckt ist, und wobei das Sensorelement aus einem Verbund von im Mehrfachnutzen herstellbaren Sensorelementen vereinzelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (16) gegenüber einem Träger (14) des Sensorelements (10) eine geringere Breite aufweist, 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, so daß sich zwischen den von der Deckschicht (28) überzogenen Heizeinrichtungen (16) von im Verbund benachbarten Sensorelementen (10) Vertiefungen ausbilden, und daß die Sensorelemente (10) aus dem Verbund entlang der Vertiefungen zwischen den Heizeinrichtungen (16) vereinzelbar sind.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (16) von einem topfförmigen Dichtrahmen (34) umschlossen wird, der auf 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.