DE4435885A1 - Elektrochemischer Meßfühler und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Meß­ fühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasen, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoff­ gehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Meßfühlers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Stand der Technik

Elektrochemische Meßfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese sind beispielsweise in einer sogenannten Fingerbauform ausgeführt, bei der ein Festelektrolytkörper ein Sensorelement bildet, das als geschlossenes Rohr in einem metallischen Ge­ häuse dicht festgelegt ist. Bei den Fingersonden unterscheidet man zwischen potentialfreien und po­ tentialgebundenen Meßfühlern. Bei den potential­ gebundenen Meßfühlern wird eine Leiterbahn einer äußeren Elektrode des Sensorelementes mittels eines elektrisch leitenden Dichtringes mit dem Gehäuse kontaktiert. Bei den potentialfreien Meßfühlern wird die Elektrode direkt mit einem Steuergerät verbunden, so daß keine elektrische Kontaktierung mit dem Gehäuse erfolgt. Eine Dichtung zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse muß in beiden Fällen realisiert sein.

Aus der DE-OS 25 04 206 ist ein potentialfreier Meßfühler bekannt, bei dem mehrere elektrisch isolierende, keramische Dichtringe aus Sinterkorund mit <90% Aluminiumoxid Al₂O₃ verwendet werden, die einen hermetisch dichten, elektrisch isolierten Verbund zwischen festem Sensorelement und dem me­ tallischen Gehäuse schaffen. Eine solche Abdichtung ist konstruktiv sehr aufwendig und wegen der mehr­ fachen parallelen Abdichtung mit drei Dichtringen auch relativ risikoreich.

Ferner ist aus der US-PS 5,228,975 ein Meßfühler bekannt, bei dem eine Abdichtung zwischen dem Sen­ sorelement und dem Gehäuse dadurch erreicht wird, indem das Sensorelement in einem zusätzlichen in­ neren Rohr angeordnet ist und dieses gegenüber dem Gehäuse mittels eines Dichtringes und einer anorga­ nischen Dichtmasse abgedichtet ist. Das Durch­ führungsrohr für das Sensorelement bedarf einer zu­ sätzlichen Abdichtung mittels Keramikringen und ei­ ner ebenfalls anorganischen Dichtmasse. Der Aufbau ist somit insgesamt sehr kompliziert.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vor­ teil, daß in einfacher Weise eine gas- und hitzebe­ ständige Abdichtung zwischen einem Sensorelement und einem Gehäuse erreichbar ist. Dadurch, daß das Dichtelement aus einem feinkörnigen beziehungsweise pulverigen Material, vorzugsweise aus beschichteten Graphit-Körnern besteht, dessen Volumen im unbe­ lasteten Zustand größer als ein Dichtspalt zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse ist, ist es in einfacher Weise möglich, dieses Dichtelement an ge­ eigneter Stelle zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse einzubringen, während sich die endgültige Ausbildung des Dichtelementes erst während des Fü­ gens des Gehäuses mit dem Sensorelement ergibt. Durch die endgültige Ausbildung des Dichtelementes erst während des Fügens erfolgt eine optimale An­ passung des Dichtelementes an die Dichtflächen des Gehäuses beziehungsweise des Sensorelementes. Hier­ durch wird ein Ausgleich von Oberflächenrauhigkei­ ten beziehungsweise Oberflächenwelligkeiten oder gegebenenfalls Unrundheiten des Sensorelementes und/oder des Gehäuses möglich. Das Dichtelement bildet während des Fügens eine flächenhafte Ab­ dichtung zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse aus, so daß eine zuverlässige gas- beziehungsweise temperaturdichte Abdichtung erfolgt.

Weiterhin ist es durch das erfindungsgemäße Ver­ fahren in einfacher Weise möglich, den Meßfühler einschließlich der Abdichtung zwischen dem Sensor­ element und dem Gehäuse in für eine automatisierte Fertigung geeignete Weise herzustellen. Dadurch, daß das Dichtelement großvolumig zwischen Dichtbe­ reichen des Sensorelementes und des Gehäuses ein­ gebracht wird, und das Dichtelement beim Fügen des Sensorelementes und des Gehäuses verdichtet wird, kann sehr vorteilhaft der sowieso notwendige Ver­ fahrensschritt des Fügens des Gehäuses mit dem Sen­ sorelement zur Ausbildung des Dichtelementes ge­ nutzt werden. Da keine vorgefertigten dichten und mechanisch stabilen Dichtelemente Verwendung fin­ den, ist an die Toleranz der Dichtbereiche des Sen­ sorelementes und/oder des Gehäuses keine extrem ho­ he Genauigkeit zu stellen, da die eventuell vor­ handenen Toleranzabweichungen von dem erst während des Fügens ausgebildeten Dichtelement ohne weiteres ausgeglichen werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Dichtelement als Schüttung auf wenigstens einen der Dichtbereiche des Sensorele­ mentes oder des Gehäuses vor dem Fügen aufgebracht wird, wobei hier als Auftragsverfahren vorteilhaft allgemein bekannte und bewährte Techniken, wie bei­ spielsweise Flammspritzen, Plasmaspritzen, Aufrol­ len oder ähnliches angewendet werden können. Auch kann ein vorgepreßter Dichtring eingesetzt werden, der beim Fügeprozeß leicht deformiert werden kann. Insgesamt ergibt sich somit ein leicht zu be­ herrschendes, zuverlässig abdichtendes Verfahren. Insbesondere ist vorteilhaft, daß durch die stets zuverlässige Abdichtung zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse nachfolgende Dichtheitsprüfungen des Meßfühlers nicht mehr notwendig sind bezie­ hungsweise diese stark reduziert werden können. Darüber hinaus bietet sich als Vorteil, daß durch die Ausbildung des Dichtelementes erst während des Fügens bei unterschiedlichen Meßfühlern eine Bevor­ ratung mit unterschiedlichen Dichtelementen ent­ fällt. Die erfindungsgemäßen Dichtelemente lassen sich so beispielsweise gleichermaßen bei potential­ behafteten und potentialfreien Meßfühlern ein­ setzen.

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

Zeichnung

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

Fig. 1 schematisch eine Schnittdarstellung durch einen elektrochemischen Meßfühler;

Fig. 2 schematisch eine vergrößerte Darstellung einer Dichtzone eines potentialbehafteten Meßfühlers und

Fig. 3 schematisch eine vergrößerte Darstellung einer Dichtzone eines potentialfreien Meß­ fühlers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist in einer Schnittdarstellung ein allgemein mit 10 bezeichneter elektrochemischer Meßfühler dargestellt. Der Meßfühler 10 besitzt ein metallisches Gehäuse 12, das an seiner Außenseite einen Schlüsselsechskant 14 und ein Gewinde 16 zum Befestigen in einem nicht dargestellten Meßgasrohr aufweist. Das Gehäuse 12 ist hülsenförmig ausge­ bildet und besitzt eine Durchgangsöffnung 18. Die Durchgangsöffnung 18 ist als Stufenbohrung ausge­ führt und bildet einen Dichtsitz 20 aus. In der Durchgangsöffnung 18 des Gehäuses 12 ist ein Sen­ sorelement 22 geführt. Das Sensorelement 22 besitzt einen wulstförmigen Kopf 24, der eine Ringschulter 26 ausbildet. Zwischen dem Sensorelement 22 und dem Gehäuse 12 ergibt sich eine Dichtzone 28, die einerseits von dem Dichtsitz 20 und andererseits von der Ringschulter 26 gebildet wird. Zwischen dem Dichtsitz 20 und der Ringschulter 26 ist innerhalb der Dichtzone 28 ein Dichtelement 30 angeordnet. Die konkrete Ausgestaltung der Dichtzone 28 wird anhand der Fig. 2 und 3 noch näher erläutert.

Im weiteren wird der allgemeine Aufbau des Meß­ fühlers 10 anhand der Fig. 1 weiter erläutert. Der in Fig. 1 dargestellte Meßfühler 10 besitzt ein potentialfrei angeordnetes Sensorelement 22, wobei der prinzipielle Aufbau ebenfalls für ein po­ tentialbehaftet angeordnetes Sensorelement 22 gilt. Die Unterschiede zwischen den potentialfrei bezie­ hungsweise potentialbehaftet angeordneten Sensor­ elementen 22 werden anhand der Fig. 2 und 3 erläutert, so daß der allgemeine Aufbau für beide Ausführungsvarianten gilt.

Das Sensorelement 22 ist im vorliegenden Beispiel eine an sich bekannte Sauerstoffsonde, die bevor­ zugterweise für das Messen des Sauerstoffpartial­ druckes in Abgasen, vorzugsweise bei Kraftfahr­ zeugen, Verwendung findet. Das Sensorelement 22 be­ sitzt einen rohrförmigen Festelektrolytkörper 32, dessen meßgasseitiger Endabschnitt mittels eines Bodens 34 verschlossen ist. Auf der dem Meßgas aus­ gesetzten Außenseite des Festelektrolytkörpers 32 ist eine schichtförmige, gasdurchlässige Meßelek­ trode 36 angeordnet. Auf der der Außenseite abge­ wandten Innenseite des Festelektrolytkörpers 32 ist eine einem Referenzgas, beispielsweise Luft, aus­ gesetzte, gasdurchlässig und ebenfalls schichtför­ mig ausgebildete Referenzelektrode 38 angeordnet. Die Meßelektrode 36 ist über eine Leiterbahn 40 mit einem ersten Elektrodenkontakt 42 verbunden. Über die Meßelektrode 36 und teilweise über die Lei­ terbahn 40 ist eine poröse Schutzschicht 44 gelegt. Die Referenzelektrode 38 ist über eine zweite Lei­ terbahn 46 mit einem zweiten Elektrodenkontakt 48 verbunden. Die Elektrodenkontakte 42 und 48 befin­ den sich jeweils auf einer vom offenen Ende des Festelektrolytkörpers 32 gebildeten Stirnfläche 50. Die Leiterbahnen 40 und 46 sind vorteilhafterweise als Cermet-Schichten aufgebaut und mit dem Sensor­ element 22 co-gesintert.

Das meßgasseitig aus der Durchgangsöffnung 18 des Gehäuses 12 herausragende Sensorelement 22 ist mit Abstand von einem Schutzrohr 52 umgeben, welches für den Ein- bzw. Austritt eines Meßgases Öffnungen 54 besitzt. Das Schutzrohr 52 ist am meßgasseitigen Ende des Gehäuses 12 gehalten, beispielsweise in eine Nut 56 eingepaßt. Ein Innenraum 58 des Sensor­ elementes 22 ist beispielsweise durch ein stabför­ miges Heizelement 60 ausgefüllt. Das Heizelement 60 ist mit nicht dargestellten Anschlüssen mit einer Heizspannungsquelle verbunden und meßgasfern arre­ tiert.

Auf dem ersten Elektrodenkontakt 48 liegt ein erstes Kontaktteil 62 und auf dem zweiten Elektro­ denkontakt 42 ein zweites Kontaktteil 64 auf. Die Kontaktteile 62 und 64 sind so geformt, daß sie am rohrförmigen Heizelement 60 anliegen und mit einem Meßelektroden-Anschluß 66 und einem Referenzelek­ troden-Anschluß 68 kontaktiert sind. Die Anschlüsse 66 und 68 werden mit nicht dargestellten Anschluß­ kabeln kontaktiert und nach außen zu einem Meß- oder Steuergerät geführt.

In der Durchgangsbohrung 18 des Gehäuses 12 ist ferner eine Isolierhülle 70 eingebracht, welche vorzugsweise aus einem keramischen Material be­ steht. Mit Hilfe eines nicht dargestellten me­ chanischen Mittels wird die Isolierhülse 70 auf die Kontaktteile 62 und 64 gedrückt, wodurch eine elek­ trische Verbindung zu den Elektrodenkontakten 42 und 48 realisiert wird.

Durch das Beaufschlagen der Isolierhülse 70 mit einer in Längserstreckung der Durchgangsöffnung 18 - hier mit dem Pfeil 72 angedeutet - wirkenden mechanischen Kraft wird die Ringschulter 26 des Sensorelementes 22 gegen den Dichtsitz 20 des Ge­ häuses 12 gedrückt. Das zwischen dem Dichtsitz 20 und der Ringschulter 26 angeordnete Dichtelement 30 erfährt hierbei ebenfalls eine Beaufschlagung mit der Einpreßkraft 72 und bildet hierbei in noch zu erläuternder Weise eine gas-, wasser- und kraft­ stoffundurchlässige Dichtung aus.

In der Fig. 2 ist die Dichtzone 28 des Meßfühlers 10 mit einem potentialbehaftet angeordneten Sensor­ element 14 gezeigt, während in Fig. 3 die Dicht­ zone 28 mit einem potentialfrei angeordneten Sen­ sorelement 14 dargestellt ist. Trotz des unter­ schiedlichen Aufbaus werden zur Verdeutlichung gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 22 im Bereich der Ringschul­ ter 26 gezeigt. Auf dem Sensorelement 22 ist die Leiterbahn 40 angeordnet, die die Meßelektrode 36 mit dem Elektrodenkontakt 42 verbindet. Im Bereich des Gehäuses 12 liegt die Leiterbahn 14 an der Innenwandung der Durchgangsöffnung 18 an, so daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterbahn 40 und dem Gehäuse 12 entsteht. Zwischen dem Gehäuse 12 und dem Sensorelement 22 ist im Be­ reich des Dichtsitzes 20 und der Ringschulter 26 ein Dichtspalt 74 vorgesehen, der eine axiale Er­ streckung in Richtung der Durchgangsöffnung 18 besitzt.

In diesen Dichtspalt 74 ist das Dichtelement 30 eingebracht. Das Dichtelement 30 wird hierbei ein­ gebracht, bevor das Sensorelement 22 mittels der Einpreßkraft 72 mit dem Gehäuse 12 gefügt wird. Das Dichtelement 30 besteht hierbei beispielsweise aus einer Schüttung 76 einzelner mit einer Nickel­ beschichtung versehener Graphit-Körner 78. Diese sind lediglich angedeutet dargestellt. Die Schüt­ tung 76 ist vor Einbringen des Sensorelementes 22 beispielsweise auf das Sensorelement 22 im Bereich der Ringschulter 26 mittels eines allgemein be­ kannten Verfahrens, zum Beispiel Flammspritzen, Plasmaspritzen, Aufrollen, Aufpinseln oder ähn­ lichem aufgebracht. Eine Schichtdicke der aufge­ brachten Schüttung 76 ist hierbei größer als die spätere axiale Erstreckung des Ringspaltes 74.

Durch Einbringen des Sensorelementes 22 in das Ge­ häuse 12 unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit der Einpreßkraft 72 wird die Schüttung 76 gegen den Dichtsitz 20 des Gehäuses 12 gedrückt, so daß die Schüttung 76 komprimiert beziehungsweise verdichtet wird. Durch diese Verdichtung der Schüttung 76 bil­ den die nickelbeschichteten Graphit-Körner 78 einen derartigen Verbund aus, der gas-, dampf- und/oder flüssigkeitsdicht sowie temperaturbeständig ist. Insbesondere ist dieser Verbund gegenüber den durch die Öffnungen 54 in das Schutzrohr 52 eintretenden Heißgasen, die auch Kraftstoffgemische enthalten können, undurchlässig, so daß eine absolute Abdich­ tung des Sensorelementes 22 zwischen der Abgasseite und der abgasfernen Seite erfolgt.

Während der Verdichtung der Schüttung 76 werden et­ wa vorhandene Unebenheiten auf dem Dichtsitz 20 beziehungsweise der Ringschulter 26, gegebenenfalls der dort aufgebrachten Leiterbahn 40, ausgeglichen, so daß selbst Mikrorauhigkeiten und/oder -wellig­ keiten ausgeglichen werden können. Das aus der ver­ dichteten Schüttung 76 entstehende Dichtelement 30 paßt sich somit der vorgegebenen Kontur problemlos an. Insbesondere ist ein flächenhaft abdichtendes Dichtelement 30 geschaffen, da durch die Anpassung an jede beliebige Kontur das Oberflächenrelief der Konturen, hier des Dichtsitzes 20 und der Ring­ schulter 26, durch das Dichtelement 30 während des Verpressens abgeformt wird.

Nach einem weiteren Beispiel kann die Schüttung 76 vor Einbringen des Sensorelementes 22 bereits vor­ gepreßt sein, was beispielsweise während des Auf­ tragens der Schüttung 76 erfolgen kann, so daß eine Haftfestigkeit an dem Sensorelement 22 verbessert ist. Darüber hinaus ist es möglich, einen vorge­ preßten Dichtring an Stelle der Schüttung 76 einzu­ setzen, der durch die Einpreßkraft 72 eine Defor­ mation erfährt. Eine axiale Erstreckung des vorge­ preßten Dichtringes ist hierbei ebenfalls größer als die spätere axiale Erstreckung der Ringschulter 26.

In der Fig. 3 ist die Dichtzone 28 bei einem po­ tentialfrei angeordneten Sensorelement 22 gezeigt, wobei der hier dargestellte Ausschnitt dem in Fig. 1 dargestellten Meßfühler 10 zuzuordnen ist. Glei­ che Teile wie in Fig. 2 sind mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Zu­ sätzlich zu dem Dichtelement 30 ist hier zwischen der Leiterbahn 40 und dem Gehäuse 12 eine Isolier­ schicht 80 vorgesehen. Die Isolierschicht 80 ge­ währleistet eine elektrische Isolierung zwischen der Leiterbahn 40 und damit dem Sensorelement 22 und dem Gehäuse 12, so daß dieses potentialfrei an­ geordnet ist. Die Isolierschicht 80 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, über die gesamte Länge des Sensorelementes 22 vorgesehen sein, mit der dieses innerhalb des Gehäuses 12 zu liegen kommt. Gemäß Fig. 3 kann die Isolierschicht 80 sich jedoch auch nur über die Dichtzone 28 erstrecken. Die Schutz­ schicht 80 kann beispielsweise aus plasmagespritz­ tem Magnesium-Spinell oder einer Glasur, die auch co-gesintert sein kann, bestehen. Das Material der Isolierschicht 80 ist insbesondere so gewählt, daß es den Einpreßkräften 72 beim Fügen des Sensorele­ mentes 22 mit dem Gehäuse 12 standhält und die bereits erwähnte Verdichtung der Schüttung 76 zu dem Dichtelement 30 unterstützt.

Insgesamt wird deutlich, daß durch einfaches Auf­ bringen einer gegebenenfalls vorgepreßten und/oder vorgesinterten Schüttung 76 jedes beliebige Sensor­ element 22 in einem Gehäuse 12 sowohl potentialbe­ haftet als auch potentialfrei angeordnet werden kann, wobei eine absolute gas- und hitzebeständige Abdichtung zwischen dem Sensorelement 22 und dem Gehäuse 12 erfolgt. Ein Vorhalten entsprechend aus­ gebildeter Dichtringe und ähnlichem für spezielle Ausbildungen von Meßfühlern 10 ist somit nicht not­ wendig. Die Verfahren zum Aufbringen der Schüttung 76 sind mit den Verfahren zur Herstellung des Sen­ sorelementes 22 kompatibel und somit in einem Fer­ tigungsablauf ohne weiteres zu integrieren.

Claims (14)

1. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasen, insbesondere zur Be­ stimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Ver­ brennungsmotoren mit einem Sensorelement, das dich­ tend in einem metallischen Gehäuse eingesetzt ist, wobei zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse wenigstens ein Dichtelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (30) aus einem feinkörnigen beziehungsweise pulverigen Material besteht, dessen Volumen in unbelastetem Zustand größer als ein Dichtspalt (74) zwischen dem Sensor­ element (22) und dem Gehäuse (12) ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Dichtelement (30) aus beschichteten Graphit-Körnern (78) besteht.

3. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (30) als Schüttung (76) der beschichteten Graphit- Körner (78) einbringbar ist.

4. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (30) als vorgepreßte Schüttung (76) einbringbar ist.

5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (30) als vorgesinterte Schüttung (76) einbringbar ist.

6. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphit-Körner (78) eine gegen Heißgaskorrosion resistente Be­ schichtung aufweisen.

7. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Nickelbeschichtung oder Nickel-Legierungs-Be­ schichtung ist.

8. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Dichtelement (30) ein deformierbarer Preßkörper, beispielsweise ein vorgepreßter Dicht­ ring ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines elektrochemi­ schen Meßfühlers mit einem in einem Gehäuse dich­ tend angeordneten Sensorelement, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dicht­ element großvolumig zwischen Dichtbereichen des Sensorelementes und des Gehäuses eingebracht wird, und das Dichtelement beim Fügen des Sensorelementes und des Gehäuses verdichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dichtelement als Schüttung auf wenigstens einen der Dichtbereiche des Sensorele­ mentes oder des Gehäuses vor dem Fügen aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung mit­ tels eines fertigungskompatiblen Verfahrens zur Herstellung des Sensorelementes aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung durch Flammspritzen, Plasmaspritzen, Aufrollen, Aufpinseln oder ähnlichem aufgebracht wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung vor dem Fügen des Sensorelementes und des Gehäuses vorgepreßt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung vor dem Fügen des Sensorelementes und des Gehäuses vorgesintert wird.