DE19928165A1

DE19928165A1 - Planares Sensorelement für einen Gassensor

Info

Publication number: DE19928165A1
Application number: DE19928165A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Eisele; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-19
Filing date: 1999-06-19
Publication date: 2000-12-21
Also published as: EP1173753A2; US6645360B1; JP2003502664A; WO2000079259A2; WO2000079259A3

Abstract

Es wird ein Sensorelement mit einem Keramikkörper (10) aus einem Schichtverbund mit mindestens einer keramischen Folie (16, 18, 35) und mit einem in den Keramikkörper (10) eingebetteten Heizelement (30) vorgeschlagen. Zumindest die Längskanten des Keramikkörpers (10) weisen eine Fase (40, 41) auf. Die vom Heizelement (30) gebildete Wärmequelle liegt in Richtung der Winkelhalbierenden (49) des Winkels alpha, der an der am nächsten zum Heizelement (30) liegenden Kante (46, 47) der Fase (40) eingeschlossen ist. Die Fase (40) ist derart ausgebildet, daß der an der großflächigen Kante (46) eingeschlossene Winkel alpha größer ausgebildet ist als der an der schmalseitigen Kante (47) eingeschlossene Winkel beta.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen Gassensor, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Plättchenförmige keramische Sensorelemente, die durch Sintern mindestens einer mit Funktionsschichten versehenen keramischen Festelektrolytfolie hergestellt werden, werden beispielsweise als Lambda-Sonden zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Die Festelektrolytfolien dieser Sensorelemente sind sauerstoffionenleitend und werden im ungesinterten Zustand mit Funktionsschichten (Elektroden, Leiterbahnen, Heizleiter und ähnlichem) bedruckt, zu einem Grünkörper zusammenlaminiert und anschließend bei einer Temperatur von beispielsweise 1400°C gesintert.

Anstelle eines Verbundes von keramischen Festelektrolytfolien können auch Festelektrolytschichten verwendet werden, die in einzelnen Druckschritten mit den Funktionsschichten auf ein tragendes Substrat übereinandergedruckt werden.

Die genannten Sensorelemente werden dem unterschiedliche Temperaturen aufweisenden heißen Abgasstrom der Brennkraftmaschine ausgesetzt. Aufgrund der plötzlichen und mit unterschiedlicher Intensität auftretenden Temperaturänderungen im Abgasstrom erfahren die Sensorelemente einen Thermoschock, der im Oberflächenbereich, insbesondere an den Kanten des Sensorelements, zum Auftreten von mechanischen Spannungen führt.

Um die Thermoschockfestigkeit der Sensorelemente zu erhöhen, ist aus der US-PS 5 444 249 bekannt, die Längskanten des Sensorelements zu brechen, das heißt, diese mit jeweils einer Fase zu versehen, wobei die Fase mit einem Winkel von etwa 45 Grad angelegt ist. Das Anbringen der Fasen erfolgt durch einen Schleifvorgang am fertig gesinterten Sensorelement.

Untersuchungen haben gezeigt, daß trotz der Fase es immer noch zu Spannungsrissen beim Aufheizen des Sensorelements kommt. Der Zustand maximaler Zugspannungen in der Fase liegt bereits einige Sekunden nach dem Einschalten der in das Sensorelement integrierten Heizung vor. Die Spannungsrisse gehen dabei insbesondere von der großflächenseitigen Kante der Fase aus und treten insbesondere auf, wenn durch Auftreffen von Kondenswasser eine abrupte Kühlung der Oberfläche des Sensorelements stattfindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Thermoschockfestigkeit von planaren, keramischen Sensorelementen weiter zu verbessern.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, daß die Thermoschockfestigkeit des planaren Sensorelements verbessert wird. Es konnte festgestellt werden, daß insbesondere an der kritischen, am nächsten zur Wärmequelle liegenden Kante der Fase keine Spannungsrisse mehr auftreten.

Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten des Heizleiters aus Platin-Cermet, der Isolationschichten aus Al₂O₃ für den Heizleiter und der Festelektrolytfolie aus stabilisiertem ZrO₂ wurde eine Kantengeometrie für das Sensorelement gefunden, die eine weitgehend gleichmäßige Erwärmung der am nächsten zur Wärmequelle liegenden, großflächenseitigen Kante realisiert und damit einen symmetrischen Spannungszustand an dieser Kante der Fase erzeugt. Die Kantengeometrie berücksichtigt die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten des Platins bzw. Pt-Cermet von ca. 70 W/Km, der Al₂O₃-Isolationschichten von ca. 10 W/Km und der ZrO₂-Folie von ca. 5 W/Km. Gefunden wurde ferner, daß an einer stumpfen Fase geringere Spannungszustände auftreten. Insofern wurde die am nächsten zur Wärmequelle liegende Kante der Fase stumpfer gewählt, d. h., daß diese Kante einen größeren Winkel einschließt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensorelements gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die große Kontaktfläche des Heizelements bezüglich der Großfläche der Heizerfolie bedingt einen großen Wärmestrom. Daher ist es zweckmäßig, die Breite des Dichtrahmens größer zu wählen als die Dicke der Heizerfolie. Dadurch wird zusätzlich der Abstand der Oberfläche der Fase vom Heizleiter vergrößert, so daß bei einer flachen Fase bezogen auf die Großfläche der Heizerfolie dennoch ein möglichst großer Abstand zum Heizleiter bzw. zur Isolation des Heizleiters realisiert wird. Auch eine möglichst dicke Heizerfolie gewährleistet, daß die kritische, großflächenseitige Kante der Fase weiter entfernt vom Heizelement liegt. Aufgrund der daraus resultierenden geringeren Durchbiegung des Sensorelements entstehen geringere Zugspannungen.

Als weiterhin zweckmäßig hat sich herausgestellt, eine Mehrfachfase, insbesondere Doppelfase an der Kante des Sensorelements auszubilden, wobei die flache Fase an der Großfläche des Sensorelements in eine steilere Fase zur Schmalseite hin ausläuft. Ferner hat sich herausgestellt, kantige Übergänge zwischen den Oberflächen durch Abrunden zu vermeiden. Um Risse an den Kanten der Stirnfläche zu vermeiden, ist es ferner vorteilhaft, auch an der Stirnseite die Kanten mit entsprechenden Fasen zu versehen, wobei es auch hier besonders vorteilhaft ist, den Dichtrahmen an der Stirnseite breiter auszubilden als die Dicke der Heizerfolie.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement,

Fig. 2 einen Längsschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Ausschnitt X in Fig. 1 gem. einer zweiten Ausführungsform einer Fase,

Fig. 4 einen Ausschnitt X in Fig. 1 gem. einer dritten Ausführungsform einer Fase,

Fig. 5 einen Ausschnitt X in Fig. 1 gem. einer vierten Ausführungsform einer Fase und

Fig. 6 einen Ausschnitt X in Fig. 1 mit einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung einer Fase eines Sensorelements.

Ausführungsbeispiel

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Sensorelement, das als ein sogenannter Lambda-Sensor zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen oder von Feuerungsanlagen dient. Das Sensorelement weist einen im wesentlichen langgestreckten plättchenförmigen Keramikkörper 10 mit einem meßgasseitigen Endabschnitt 12 und einem nicht näher dargestellten anschlußseitigen Endabschnitt auf (Fig. 2).

Wie die Schnittdarstellung in Fig. 1 verdeutlicht, ist das Sensorelement mit einer Meßzelle 20 und einem Heizelement 30 ausgeführt. Die Meßzelle 20 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine sogenannte Nernst-Zelle mit einer ersten Festelektrolytfolie 16 sowie einer zweiten Festelektrolytfolie 18, wobei in die zweite Festelektrolytfolie 18 ein Referenzgaskanal 19 integriert ist. Der Referenzgaskanal 19 ist am meßgasseitigen Endabschnitt 12 geschlossen und am anschlußseitigen Endabschnitt mit einer nicht dargestellten Öffnung versehen.

Am meßgasseitigen Endabschnitt 12 weißt die Meßzelle 20 eine Meßelektrode 22 und eine in den Referenzgaskanal 19 weisende Referenzelektrode 24 auf. Über den Referenzgaskanal 19 wird Luft als Referenzatmosphäre zu der Referenzelektrode 24 geleitet. Die Meßelektrode 22 ist mit einer porösen Schutzschicht 26 abgedeckt und dem Meßgas ausgesetzt.

Das Heizelement 30 weist einen Heizleiter 31 auf, der zwischen einer ersten elektrischen Isolationsschicht 32 und einer zweiten elektrischen Isolationsschicht 33 eingebettet ist, wobei die Isolationsschichten 32, 33 aus Al₂O₃ bestehen. Die Isolationsschicht 32 ist auf eine dritte Festelektrolytfolie 35 gedruckt, die als Heizerfolie bezeichnet wird. Die Heizerfolie 35 bildet nach außen hin eine Deckfolie für das Heizelement 30. Die Festelektrolytfolien 16, 18 sowie die Heizerfolie 35 bestehen beispielsweise aus stabilisiertem ZrO₂ und sind somit sauerstoffionenleitend.

Die Isolationsschichten 32, 33 die porös ausgeführt sind, sind von einem gasdichten Folienrahmen 37 umschlossen, wobei der Folienrahmen 37 vorzugsweise aus dem Material der angrenzenden Festelektrolytfolien 18, 35 besteht.

Zur Herstellung des Sensorelements werden die mit den Elektroden 22, 24 und den nicht näher bezeichneten Leiterbahnen bedruckten Festelektrolytfolien 16, 18 der Meßzelle 20 mit der mit den Isolationsschichten 32, 33, dem Heizelement 31 und dem Folienrahmen 37 versehenen Heizerfolie 35 des Heizelements 30 zu dem plättchenförmigen Keramikkörper 10 zusammenlaminiert und gesintert.

Im ursprünglichen Zustand sind die einzelnen Festelektrolytfolien 16, 18, 35 scharfkantig, so daß nach dem Zusammenlaminieren der Festelektrolytfolien 16, 18, 35 der Keramikkörper 10 einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit scharfen Kanten aufweist.

Eine weitere Ausführungsform besteht gemäß Fig. 2 darin, eine weitere Fase 41 zusätzlich an den vier Kanten zumindest der Stirnfläche des meßgasseitigen Endabschnitts 12 vorzusehen. Zusätzlich können die Kanten an der Stirnseite des anschlußseitigen Endabschnitts ebenfalls mit einer Fase versehen werden. Zweckmäßig ist, die Geometrie der Fasen 40 an den Längskanten und der Fasen 41 an den Kanten der Stirnseite gleich auszubilden.

Die Fasen 40, 41 können die Geometrie der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen aufweisen.

Die in Fig. 1 dargestellten Fasen 40 weisen jeweils eine großflächenseitige Kante 46 und einer schmalseitige Kante 47 auf und schließen an den großflächenseitigen Kanten 46 einen Winkel α und an den schmalseitigen Kanten einen Winkel β ein. Dabei ist der an der großflächenseitigen Kante 46 ausgebildete Winkel α größer als der an der schmalseitigen Kante 47 ausgebildete Winkel β. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Winkel α mit 150 Grad gewählt, wobei der Winkel β sich dann zu 120 Grad ergibt. Als Meßwinkel sind zusätzlich der Ergänzungswinkel γ, der bei einem Winkel α von 150 Grad dann 30 Grand beträgt, und der Ergänzungswinkel δ, der bei einem Winkel β von 120 Grad dann 60 Grad beträgt, angegeben.

Um die großflächenseitige Kante der Fase 40 so weit wie möglich vom Heizleiters 31 bzw. von den Isolationsschichten 32, 33 entfernt auszubilden, ist die Breite B des Dichtrahmens 37 größer als die Dicke D der Heizerfolie 35. Um die Entfernung der kritischen, großflächenseitigen Kanten 46 der Fasen 40, 41 von der Wärmequelle zu erhöhen und um die zusätzliche Zugspannung durch die Asymmetrie der Erwärmung zu beseitigen, ist es ebenfalls denkbar, die Heizerfolie 35 dicker als zumindest eine der anderen Folien 16, 18 auszuführen und/oder die Dicke D der Heizerfolie 35 größer als die Breite B des Folienrahmens 37 zu wählen.

Die an der Stirnfläche des meßgasseitigen Endabschnitts 12 gemäß Fig. 2 vorgesehenen Fasen 41 sind analog der Fasen 40 ausgebildet, wobei die Winkel α', β', γ' und δ' den jeweiligen Winkeln α, β, γ und δ entsprechen. Um auch hier zu gewährleisten, daß die großflächenseitige Kante 46 der Fase 41 mit Abstand vom Heizleiter 31 bzw. von den Isolationsschichten 32, 33 verläuft, ist hier die Breite B' des stirnseitigen Rahmens 18' breiter als die Dicke D der Heizerfolie 35 ausgeführt.

Ein weiteres erfindungsgemäßen Sensorelements geht aus Fig. 6 hervor. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke D der Heizerfolie 35, die Breite B des Folienrahmens 37 und/oder die Lage des Heizleiters 31 in den Isolationsschichten 32, 33 derart aufeinander abgestimmt, daß die vom Heizleiter 31 gebildete Wärmequelle in Richtung der Winkelhalbierenden 49 des Winkels α, α' liegt, der an der Kante 46 der Fase 40 eingeschlossen ist. Die Kante 46 ist dabei die am nächsten zum Heizelement 30 liegenden Kante. Die Lage der Wärmequelle wird dabei von der Lage des äußeren Leiterzuges des Heizleiters (31) bestimmt. Dadurch wird gewährleistet, daß unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten des Schichtverbundes eine weitgehend symmetrische Erwärmung an der kritischen Kante 46 entsteht.

Eine weitere mögliche Ausführungsform der Geometrie der Fasen 40, 41 geht aus Fig. 3 hervor. Dort ist die großflächenseitige Kante 46 und die schmalseitige Kante 47 jeweils mit einem Radius r₁ von beispielsweise 0,2 bis 1,0 mm abgerundet.

Eine Ausführungsform mit einer Doppelfase wird in Fig. 4 gezeigt. Hier ist zunächst von der Großfläche der Heizerfolie 35 ausgehend ein flach verlaufender erster Fasenabschnitt 43 mit einem Winkel γ₁ von beispielsweise 30 Grad und zur Schmalseite hin daran anschließend ein zweiter Fasenabschnitt 44 mit einem Winkel γ₂ von beispielsweise 60 Grad ausgebildet. Die eingeschlossenen Winkel α₁ und β₁ betragen dann jeweils 150 Grad.

Schließlich ist in einer Ausführungsform gemäß Fig. 5 die Fase 40 als Rundung mit einem Radius r₂ von beispielsweise 0,1 bis 0,3 mm ausgebildet.

Die Herstellung der Fasen 40, 41 geschieht beispielsweise durch Schleifen des fertig gesinterten Sensorelements. Es ist aber ebenfalls möglich, das Sensorelement im grünen, ungesinterten Zustand beispielsweise durch Hobeln mit den Fasen 40, 41 zu versehen. Weitere Herstellungsverfahren für die Fasen 40, 41 sind beispielsweise durch Laserbearbeitung denkbar.

Eine Möglichkeit, um die Neigung zur Rißbildung an den Fasen 40, 41 noch weiter zu reduzieren, besteht darin, die Kanten 46, 47 der Fasen 40, 41 zu brechen, beispielsweise durch das Anbringen von Radien gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kanten 46, 47 der Fasen 40, 41 durch einen ungerichteten Prozeß zu brechen, zum Beispiels durch die Behandlung des Sensorelements durch Anstrahlen mit feinem Keramikstaub ähnlich dem Sandstrahlen. Durch ein Verschleifen der Kante, insbesondere Feinschleifen entgegen der Richtung des Schleifprozesses zur Herstellung der Fase 40, 41 ist ebenfalls ein Kantenbrechen möglich.

Schließlich ist zum Brechen der Kanten ein Verfahren einsetzbar, bei dem der kritische, meßgasseitige Endabschnitt 12 in ein Bad mit abrasiven Partikeln, zum Beispiel ZrO₂-Partikel, eingetaucht und schnell gedreht wird. Die Drehachse stimmt dabei vorzugsweise mit der Symmetrieachse der Großfläche überein. Damit wird die größte Relativbewegung der Kanten des Sensorelements erreicht.

Claims

1. Sensorelement mit einem Keramikkörper aus einem Schichtverbund mit mindestens einer keramischen Folie und mit einem in den Keramikkörper eingebetteten Heizelement als Wärmequelle, wobei zumindest die Längskanten des Keramikkörpers zumindest in der Nähe des Heizelements eine Fase aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die vom Heizelement (30) gebildete Wärmequelle in Richtung der Winkelhalbierenden (49) des Winkels α, α' befindet, der an der am nächsten zum Heizelement (30) liegenden Kante (46) der Fase (40, 41) eingeschlossen ist.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (30) einen Heizleiter (31) aufweist und daß der äußere Abschnitt des Heizleiters (31) die Lage der Wärmequelle bezüglich der Winkelhalbierenden (49) angibt.

3. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (30) einen Heizleiter (31) aufweist, der von einem keramischen Folienrahmen (37) und von einer Heizerfolie (35) weitestgehend gasdichten umschlossen ist und daß die Dicke (D) der Heizerfolie (35) größer ist als zumindest die Dicke einer der weiteren keramischen Folien (16, 18)

4. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (30) einen Heizleiter (31) aufweist, der von einem keramischen Folienrahmen (37) und von einer Heizerfolie (35) weitestgehend gasdichten umschlossen ist und daß die Breite (B, B') des Folienrahmens (37) größer ist als die Dicke (D) der Heizerfolie (35).

5. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fase (40, 41) als Rundung mit einem Radius (r₂) von 0,1 mm bis 0,3 mm ausgebildet ist.

6. Sensorelement mit einem Keramikkörper aus einem Schichtverbund mit mindestens einer keramischen Folie und mit einem in den Keramikkörper eingebetteten Heizelement, wobei zumindest die Längskanten des Keramikkörpers zumindest in der Nähe des Heizelements eine Fase aufweisen und wobei die Fase zumindest eine großflächenseitige Kante und zumindest eine schmalseitige Kante besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der an der großflächenseitigen Kante (46) eingeschlossene Winkel α, α' größer ausgebildet ist als der an der schmalseitigen Kante (47) eingeschlossene Winkel β, β'.

7. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die großflächenseitige Kante (46) näher zum Heizelement (30) liegt als die schmalseitige Kante (47).

8. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fase (40, 41) an der großflächenseitigen Kante (46) einen Winkel α, α' < 135 Grad einschließt.

9. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α, α' 150 Grad beträgt.

10. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fase (40, 41) als eine Mehrfachfase mit mehreren, Fasenabschnitten ausgebildet ist.

11. Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Fasenabschnitt (43) und ein zweiter Fasenabschnitt (44) vorgesehen sind, wobei der erste Fasenabschnitt (43) an der Großfläche der Heizerfolie (34) verläuft der zweiten Fasenabschnitt (43) daran anschließend zu der Schmalseite des Sensorelements hin verläuft.

12. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der an der großflächenseitigen Kante (46) von dem ersten Fasenabschnitt (43) eingeschlossene Winkel α₁ ca. 150 Grad und der an der schmalseitigen Kante (47) von dem zweiten Fasenabschnitt (44) eingeschlossene Winkel β₁ ebenfalls ca. 150 Grad beträgt.

13. Sensorelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasenabschnitte (43, 44) symmetrisch bezüglich einer Winkelhalbierenden verlaufen.

14. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch gekennzeichnet, daß die an der Fasen (40, 41) ausgebildeten Kanten (46, 47) zusätzlich gebrochen sind.

15. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die großflächenseitige Kante (46) der Fase (40, 41) mit einem Radius (r₁) abgerundet ist.