EP1611436A1 - Messfühler - Google Patents

Messfühler

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Publication number
EP1611436A1
EP1611436A1 EP04709194A EP04709194A EP1611436A1 EP 1611436 A1 EP1611436 A1 EP 1611436A1 EP 04709194 A EP04709194 A EP 04709194A EP 04709194 A EP04709194 A EP 04709194A EP 1611436 A1 EP1611436 A1 EP 1611436A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
sensor
sensor according
ceramic
sensor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04709194A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juergen Ruth
Andreas Pesch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10347794A external-priority patent/DE10347794A1/de
Priority claimed from DE200410003187 external-priority patent/DE102004003187A1/de
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1611436A1 publication Critical patent/EP1611436A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49007—Indicating transducer

Definitions

  • the invention is based on a measuring sensor for determining a physical property of a measuring gas, in particular the concentration of a gas component or the temperature of a measuring gas, in particular the exhaust gas of internal combustion engines, according to the preamble of claim 1.
  • the contact between the at least one contact surface and the at least one conductor element is made by a contact holder which presses the at least one conductor element onto the contact surface by means of a spring element.
  • the at least one conductor element is connected via a crimp connection to a connecting line with which the sensor element can be connected to an electronic control unit, as described in DE 195 42 650 AI.
  • the sensor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the welded connection ensures an optimal electrical contact resistance and enables cost-effective production.
  • the weld connection is mechanically decoupled and embedded in an insulating, ceramic mass thereby insensitive to vibration stresses, such as occur when using the sensor as an exhaust gas sensor in internal combustion engines in vehicles. As a result of the greater mechanical strength of the sensor that is achieved, its service life is significantly extended.
  • the embedding can be achieved by pressing or casting an insulating mass or by means of a powder filling.
  • the ceramic mass is introduced into the housing as a compacted powder filling when the measuring sensor is installed and fills the space between the sensor element and the inner wall of the housing.
  • Magnesium oxide (MgO) is preferably used as the powder material.
  • a ceramic potting compound is preferred for pressing or potting.
  • ceramic adhesive, steatite or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) can also be used.
  • the welded connection is produced by resistance welding.
  • the welding of the conductor element, which is preferably made of nickel (Ni), to the contact surface, which is preferably made of platinum or a platinum cermet can also be carried out using a welding laser.
  • a counter disk spanning the housing cross section is fixed in the housing, through which the at least one conductor is passed.
  • a closure piece filling the housing cross-section is pressed into the bushing with a bushing enclosing the sensor element in the area of the welded connection, and the space between the counter disk and the bolted piece as well as the sensor element and the wall of the bushing are completely filled with a ceramic casting compound and / or a ceramic adhesive.
  • the application of the ceramic potting compound or the ceramic adhesive is very simple since it is not high Accuracy requirements are placed on the position of the filler neck.
  • the ceramic potting compound or the ceramic adhesive can be filled in with a high quantity tolerance, since excess mass is pushed out of the space between the closure piece and the counter disk when the closure piece is pushed in via the passage in the closure piece, and can, if necessary, be removed again on the exposed end face of the closure piece.
  • a statement about the seal is also possible.
  • the conventional seal packing consisting of two steatite disks with a boron nitride disk in between can be dispensed with, so that the sensor is short in the axial direction .
  • Such a sealing arrangement must, however, be provided in cases in which the sensor element is to be additionally held, for example in order to avoid oscillating movements of the sensor element.
  • the dual guide provided in the closure piece for the sensor element in the area of the welded connection has a clear cross-section adapted to the cross-sectional shape of the sensor element, the clear cross-section starting from the end face facing the counter disk to that facing away from the counter disk
  • the face of the closure piece steadily decreases.
  • This tapering of the D x guide results in a throttling effect in the distribution of the ceramic potting compound and / or the ceramic adhesive caused by the pressing in of the closure piece, the ceramic potting compound or the ceramic adhesive initially being distributed radially uniformly, and then gradually increasing as the insertion depth of the closure piece increases to be squeezed out.
  • the preassembly of the sensor to produce the gas-tight lead-out of the at least one conductor connected to the sensor element from the housing takes place in the following process steps:
  • the counter washer through which the at least one conductor element is passed, is fixed in the housing, the closure piece is placed on the sensor element
  • the sensor element is inserted with its end into the blind hole of the counter plate and the at least one conductor element protruding from the counter plate is welded to a contact surface on the sensor element.
  • a certain amount of ceramic potting compound and / or ceramic adhesive is placed on the counter plate and the closure piece on the sensor element is pushed towards the counter plate until there is only a small gap between the front side of the closure piece and the counter plate, the minimum axial depth of which is provided by the intended one Spacer is fixed on the closure piece.
  • the ceramic sealing compound or the ceramic adhesive seals the counter piece and counter disc against the housing.
  • the blind hole of the counter plate has a through hole to the wiring harness.
  • Fig. 3 is a top perspective view of a closure piece of the
  • the measuring sensor shown only partially in longitudinal section in FIG. 1 serves to determine a physical property of a measuring gas.
  • One such property is the concentration of a gas component or the temperature of the sample gas.
  • This sensor is preferably used in internal combustion engines or brake engines in vehicles as an exhaust gas sensor, which either Measures oxygen concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine (lambda probe) or the temperature of the exhaust gas (temperature sensor).
  • the measuring sensor has a housing 11 in which a sensor element 12 is accommodated, which protrudes from the housing 11 with an end section on the measuring gas side and is exposed to the measuring gas.
  • the sensor element 12 On a connection-side end section 121, the sensor element 12 carries, on surfaces facing away from one another, a plurality of contact surfaces 13 made of platinum or a platinum cermet, which are connected to electrical conductor tracks (not shown here) leading to the measurement gas-side end section. In the exemplary embodiment, two of the contact surfaces 13 are shown.
  • the sensor element 12 is passed through a sealing arrangement 17 located between the two end sections, which supports the sensor element 12 on the housing 11 and mechanically dampens its vibration and seals the connection-side end section 121 against the measurement gas.
  • the sealing arrangement 17 consists of two ceramic molded parts 14 and 15, e.g. made of steatite, between which a sealing element 16, e.g. made of boron nitride.
  • each contact surface 13 is contacted by a conductor element 18, which is led to a connector plug connected to the connecting line to the electronic control unit, as described, for example, in DE 195 23 911 C2.
  • the conductor element 18 is preferably made of nickel (Ni).
  • Ni nickel
  • the conductor elements 18 are welded to their associated contact surfaces 13, resistance welding being preferred as the welding method, but laser welding can also be used.
  • the sensor element 12 When the sensor element 12 is installed in the housing 11, the sensor element 12 is embedded in the area of the welded connections in a ceramic mass 19 which surrounds the connection-side end section 121 of the sensor element 12 and is supported on the inner wall of the housing 11.
  • the embedding is carried out in a compressed, high-temperature-resistant powder filling which completely fills the space between the connection-side end section 121 of the sensor element 12 and the inner wall of the housing 11 up to the sealing arrangement 17.
  • Magnesium oxide (MgO) is preferably used as powder.
  • Embedding in the ceramic mass 19 can also be done by casting or pressing. In this case, a ceramic casting compound, a ceramic adhesive or steatite or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is used as the material.
  • the ceramic mass 19 is covered towards the end of the housing by an insulating disk 20 which is supported all around on the inner wall of the housing 11 and through which the conductor elements 18 are passed.
  • the insulation washer 20 is preferably made of aluminum oxide.
  • the housing 11 is crimped on the end of the insulating washer 20, so that the insulating washer 20 is axially fixed.
  • a further insulation disk 21 is arranged, which surrounds the sensor element 12 and bears all around on the inner wall of the housing 11.
  • the sealing arrangement can be used if the ceramic mass 19 is not the powder filling described, but instead a compression or casting compound as described 17 are simplified in that, for example, the components 15 and 16 of the sealing arrangement 17 are omitted.
  • the sensor shown in detail in longitudinal section in FIG. 2 has a housing 11, into which a tubular, preferably bendable connector 23 is inserted at the end, in which the conductor elements 18 are guided to a connector plug that closes the connector 23.
  • a counter washer 24, through which the conductor elements 18 are guided, is inserted into the connecting piece 23 at an axial distance from its tube end which dips into the housing 11.
  • the conductor elements 18 are fixed electrically and mechanically by a welded connection to the contact surfaces 13 present on the large surfaces of the connection-side end section 121 of the sensor element 12 facing away from one another.
  • the counter disk 24 has a central blind hole 25 which is open toward the interior of the housing and whose clear cross section corresponds to the cross section of the sensor element 12, so that the end of the sensor element 12 can be positively inserted into the blind hole 25 with only a small gap distance.
  • the Sachloch 25 has a through hole (not shown) through which the connection-side end section 121 of the sensor element 12 is connected to the ambient atmosphere. Housing 11 and connecting piece 23 are connected to one another by a weld seam 22 or all-round caulking.
  • the cylindrical closure piece 26 has two cylinder sections 261, 262 with different diameters. With its smaller diameter cylinder section 262, the closure piece 26 is pushed into the tube section of the connecting piece 23 immersed in the housing 11 and presses with the larger diameter cylinder section 261 against the inner wall of the housing 11.
  • the closure piece 26 On the end face facing the counter disk 24, the closure piece 26 carries two spacer elements 28, which are supported on the counter disk 24, so that in the inserted state of the closure piece 26 shown in FIG. 2, between the counter disk 24 and the smaller-diameter cylinder section 262, there remains a minimal gap 29 is ensured.
  • the bushing 27 surrounds the sensor element 12 in the region of the contact surfaces 13 and the conductor elements 18 welded to the contact surfaces 13.
  • the clear cross section of the bushing 27 is adapted to the shape of the sensor element 12 and is rectangular in the exemplary embodiment.
  • the bushing 18 tapers from the end face of the closure piece 26 facing the counter disk 24 to the end face of the closure piece 26 facing away from it.
  • the assembly of the sensor for producing the gas-tight design of the conductor elements 18 from the housing 11 is carried out with the following method steps:
  • the connecting piece 23 with inserted counter washer 24 and conductor elements 18 passed through it is completely preassembled.
  • the sensor element 12 is inserted into the blind hole 25 of the counter disk 24 and the conductor elements 18 protruding from the counter disk 24 are welded to the contact surfaces 13 on the sensor element 12.
  • Sensor element 12 and connector 23 are inserted into housing 11, and housing 11 and connector 23 are welded together.
  • a certain amount of ceramic casting compound 31 (alternatively on Ceramic adhesive 31) placed in the protective tube 23 on the counter plate 24.
  • the closure piece 26 pushed onto the sensor element 12 with its smaller-diameter cylinder section 262 is inserted into the pipe end of the connection piece 23.
  • the insertion pressure initially leads to a uniform radial distribution of the ceramic potting compound 31 in the intermediate space 29 between the closure piece 26 and the counter washer 24. If the intermediate space 29 is filled to the maximum, the ceramic potting compound 31 increasingly enters the bushing 27 and becomes a part of the tapering bushing 27 as a result of the throttling effect increasing injection pressure ultimately pressed out of the bushing 27 on the end face of the closure piece 26 facing away from the counter disk 24.
  • the insertion of the closure piece 26 into the connection piece 23 is ended as soon as the annular shoulder 263 which forms between the cylinder sections 261, 262 abuts the annular front end of the connection piece 23, but at the latest when the spacer elements 28 bear against the counter disk 24.
  • a sealing element 32 sealingly enclosing the sensor element 12 is placed on the end face of the counter disk 24 facing the closure piece 26.
  • the sealing element 32 can be, for example, a small, round glass fiber mat that is slotted in the penetration area of the sensor element 12. If, due to the consistency of the ceramic potting compound 31, there is a fear of drying out of the ceramic potting compound 31, the closure piece 26 is installed in the moist state.

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Abstract

Es wird ein Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur eines Messgases, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, angegeben, der ein Gehäuse (11) und ein im Gehäuse (11) aufgenommenes Sensorelement (12) mit einem aus dem Gehäuse (11) vorstehenden, messgasseitigen Endabschnitt und einem mindestens eine Kontaktfläche (13) tragenden anschlussseitigen Endabschnitt (121) sowie mindestens ein die mindestens eine Kontaktfläche (13) kontaktierendes Leiterelement (18) aufweist. Zur Erzielung geringer Übergangswiderstände an der elektrischen Kontaktierung und einer Entkopplung gegenüber mechanischer Beanspruchung sind Kontaktfläche (13) und Leiterelement (18) durch Schweissen miteinander verbunden und zumindest im Bereich der Schweissverbindung in eine keramische Masse (19) eingebettet (Fig. 1).

Description

Messfühler
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur eines Messgases, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Gasmessfühler (DE 101 32 828 AI) wird die Kontaktierung zwischen der mindestens einen Kontaktfläche und dem mindestens einen Leiterelement durch einen Kontakthalter hergestellt, der mittels eines Federelements das mindestens eine Leiterelement auf die Kontaktfläche aufpresst. Das mindestens eine Leiterelement ist über eine Crimpverbindung an einer Anschlussleitung angeschlossen, mit der das Sensorelement an ein elektronisches Steuergerät anschließbar ist, wie dies in der DE 195 42 650 AI beschrieben ist.
Vorteile der Erfindung
Der erfmdungsgemäße Messfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Schweißverbindung einen optimalen elektrischen Übergangswiderstand gewährleistet und eine kostengünstige Fertigung ermöglicht. Durch die Einbettung in eine isolierende, keramische Masse wird die Schweißverbindung mechanisch entkoppelt und dadurch unanfällig gegenüber Schwingungsbeanspruchungen, wie sie bei Verwendung des Messfühlers als Abgassensor in Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen auftreten. Infolge der damit erzielten größeren mechanischen Festigkeit des Messfühlers wird dessen Standzeit wesentlich verlängert. Die Einbettung kann durch Einpressen oder Vergießen einer isolierenden Masse oder mittels einer Pulverfüllung erreicht werden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Messfühlers möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die keramische Masse beim Verbau des Messfühlers als verdichtete Pulverfüllung in das Gehäuse eingebracht und füllt den zwischen dem Sensorelement und der Gehäuseinnenwand vorhandenen Raum aus. Als Pulvermaterial wird vorzugsweise Magnesiumoxid (MgO) verwendet. Zum Einpressen oder Vergießen wird eine Keramikvergussmasse bevorzugt. Alternativ kann auch Keramikkleber, Steatit oder Aluminiumoxid (Al2O3) verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schweißverbindung durch Widerstandsschweißen hergestellt. Das Verschweißen des vorzugsweise aus Nickel (Ni) hergestellten Leiterelements mit der vorzugsweise aus Platin oder einem Platincermet bestehenden Kontaktfläche kann aber auch mit einem Schweißlaser vorgenommen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in dem Gehäuse eine den Gehäusequerschnitt überspannende Gegenscheibe festgelegt, durch die der mindestens eine Leiter hindurchgefühlt ist. In das Gehäuse ist ein den Gehäusequerschnitt ausfüllendes Verschlussstück mit einer das Sensorelement im Bereich der Schweißverbindung umschließenden Durchführung eingepresst und der Zwischenraum zwischen Gegenscheibe und Verschlussstück sowie Sensorelement und Wand der Durchführung vollständig mit einer Keramikvergussmasse und/oder einem Keramikkleber ausgefüllt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass auch noch bei einer Miniaturisierung des Messfühlers der Eintrag der Keramikvergussmasse beziehungsweise des Keramikklebers zu einer optimalen isolierenden Einbindung der Schweißverbindung und einem optimalen gasdichten Verschließen des Sensorelements führt. Dabei ist die Einbringung der Keramikvergussmasse oder des Keramikklebers sehr einfach, da keine hohe Genauigkeitsanforderungen an die Position des Einfüllstutzens gestellt werden. Die Keramikvergussmasse oder der Keramikkleber kann mit hoher Mengentoleranz eingefüllt werden, da überschüssige Masse beim Einschieben des Verschlussstücks über die Durchführung im Verschlussstück aus dem Zwischenraum zwischen Verschlussstück und Gegenscheibe verdrängt wird, und erforderlichenfalls an der freiliegenden Stirnseite des Verschlussstückes wieder entfernt werden kann. Anhand der aus der Durchführung austretenden Menge an Keramikvergussmasse oder Keramikkleber ist auch eine Aussage über die Dichtung möglich. Da die Keramikvergussmasse beziehungsweise der Keramikkleber sowohl die Schweißverbindung zum Verschlussstück hin als auch den Zwischenraum zwischen Verschlussstück und Gegenscheibe zum Gehäuse hin abdichtet, kann auf die herkömmliche Dichtungspackung aus zwei Steatitscheiben mit dazwischenliegender Bornitridscheibe verzichtet werden, so dass eine in Achsrichtung kurze Bauweise des Messfühlers erzielt wird. Eine solche Dichtungsanordnung ist jedoch in den Fällen vorzusehen, in denen das Sensorelement zusätzlich gehaltert werden soll, beispielsweise um Schwingbewegungen des Sensorelements zu vermeiden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die im Verschlussstück vorgesehene Dui-chfuhrung für das Sensorelement im Bereich der Schweißverbindung eine an die Querschnittsform des Sensorelements angepasste lichten Querschnitt auf, wobei der lichte Querschnitt ausgehend von der der Gegenscheibe zugekehrten Stirnseite hin zu der von der Gegenscheibe abgekehrten Stirnseite des Verschlussstückes stetig abnimmt. Durch diese Verjüngung der D xMührung wird bei der durch die Einpressung des Verschlussstücks erfolgenden Verteilung der Keramikvergussmasse und/oder des Keramikklebers eine Drosselwirkung bewirkt, wobei die Keramikvergussmasse beziehungsweise der Keramikkleber zunächst radial gleichmäßig verteilt wird, um dann mit zunelimender Einpresstiefe des Verschlussstückes zunehmend durch die Durchführung herausgepresst zu werden.
Die Vormontage des Messfühlers zur Herstellung der gasdichten Herausführung des mindestens einen mit dem Sensorelement verbundenen Leiters aus dem Gehäuse erfolgt in folgenden Verfahrensschritten:
Die Gegenscheibe, durch die das mindestens eine Leiterelement hindurchgeführt ist, wird im Gehäuse fixiert, das Verschlussstück auf das Sensorelement aufgesetzt, das Sensorelement mit seinem Ende in das Sackloch der Gegenscheibe eingesteckt und das aus der Gegenscheibe herausragende mindestens eine Leiterelement mit einer Kontaktfläche am Sensorelement verschweißt. Nunmehr wird eine bestimmte Menge an Keramikvergussmasse und/oder Keramikkleber auf die Gegenscheibe gegeben und das Verschlussstück auf dem Sensorelement soweit zu der Gegenscheibe hin verschoben, bis zwischen Stirnseite des Verschlussstückes und der Gegenscheibe nur noch ein kleiner Zwischenraum verbleibt, dessen minimale axiale Tiefe durch das vorgesehene Distanzstück am Verschlussstück festgelegt ist. In diesem Zwischenraum zwischen Verschlussstück und Gegenscheibe, dichtet die Keramikvergussmasse beziehungsweise der Keramikkleber Verschlussstück und Gegenscheibe gegenüber dem Gehäuse ab. Das Sackloch der Gegenscheibe weist eine Durchgangsbohrung zum Kabelbaum auf.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhnuigsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Messfühlers in schematisierter Darstellung,
Fig. 2 ausschnittweise einen Längsschnitt des Messfühlers gemäß einem zweiten Ausfü uαingsbeispiel,
Fig. 3 eine perspektivische Draufsicht eines Verschlussstücks des
Messfühlers in Fig. 2.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der in Fig. 1 nur ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Messfühler dient zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases. Eine solche Eigenschaft ist die Konzentration einer Gaskomponente oder die Temperatur des Messgases. Vorzugsweise wird dieser Messf hler bei Verbrennungsmotoren oder Bremikraftmaschinen in Fahrzeugen als Abgassensor eingesetzt, der entweder die Sauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine (Lambdasonde) oder die Temperatur des Abgases (Temperatursensor) misst.
Der Messfühler weist ein Gehäuse 11 auf, in dem ein Sensorelement 12 aufgenommen ist, das mit einem messgasseitigen Endabschnitt aus dem Gehäuse 11 vorsteht und dem Messgas ausgesetzt ist. Auf einem anschlussseitigen Endabschnitt 121 trägt das Sensorelement 12 auf voneinander abgekehrten Oberflächen mehrere Kontaktflächen 13 aus Platin oder einem Platincermet, die mit zu dem messgasseitigen Endabschnitt führenden elektrischen Leiterbahnen (hier nicht dargestellt) verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel sind zwei der Kontaktflächen 13 dargestellt. Das Sensorelement 12 ist durch eine zwischen den beiden Endabschnitten liegende Dichtungsanordnung 17 hindurchgefül rt, die das Sensorelement 12 am Gehäuse 11 abstützt und mechanisch in seiner Schwingung dämpft sowie den anschlussseitigen Endabschnitt 121 gegen das Messgas abdichtet. In bekannter Weise besteht die Dichtungsanordnung 17 aus zwei Keramikformteilen 14 und 15, z.B. aus Steatit, die zwischen sich ein Dichtungselement 16, z.B. aus Bornitrid, einspannen.
Zum Anschließen des Sensorelements 12 an ein elektronisches Steuergerät ist jede Kontaktfläche 13 von einem Leiterelement 18 kontaktiert, das zu einem mit der Anschlussleitung zum elektronischen Steuergerät verbundenen Anschlussstecker geführt ist, wie dies beispielsweise in der DE 195 23 911 C2 beschrieben ist. Das Leiterelement 18 besteht bevorzugst aus Nickel (Ni). Zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung mit minimalen Übergangswiderständen sind die Leiterelemente 18 mit ihren zugeordneten Kontaktflächen 13 verschweißt, wobei als Schweißverfahren das Widerstandsschweißen bevorzugt wird, aber auch Laserschweißen herangezogen werden kann.
Beim Einbau des Sensorelements 12 in das Gehäuse 11 wird das Sensorelement 12 im Bereich der Schweißverbindungen in eine keramische Masse 19 eingebettet, die den anschlussseitigen Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 umschließt und sich an der Innenwand des Gehäuses 11 abstützt. Im Ausführungsbeispiel ist die Einbettung in eine verdichtete, hochtemperaturfeste Pulverfüllung vorgenommen, die den Raum zwischen dem anschlussseitigen Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 und der Innenwand des Gehäuses 11 bis hin zur Dichtungsanordnung 17 vollständig ausfüllt. Als Pulver wird vorzugsweise Magnesiumoxid (MgO) verwendet. Die Einbettung in die keramische Masse 19 kann aber auch durch Vergießen oder Einpressen erfolgen. In diesem Fall wird als Material eine Keramikvergussmasse, ein Keramikkleber oder Steatit oder Aluminiumoxid (Al2O3) eingesetzt.
Die keramische Masse 19 ist zum Gehäuseende hin durch eine sich ringsum an der Innenwand des Gehäuses 11 abstützende Isolationsscheibe 20 abgedeckt, durch die die Leiterelemente 18 hindurchgeführt sind. Die Isolationsscheibe 20 besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid. Das Gehäuse 11 ist endseitig auf die Isolationsscheibe 20 aufgebördelt, so dass die Isolationsscheibe 20 axial festgelegt ist. Auf der dem messgasseitigen Endabschnitt zugekehrten Seite der Dichtungsanordnung 17 ist eine weitere Isolationsscheibe 21 angeordnet, die das Sensorelement 12 umschließt und ringsum an der Innenwand des Gehäuses 11 anliegt.
Da die isolierende, keramische Masse 19 auch Dichtungsfunktion hat und den anschlussseitigen Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 gegenüber dem Abgas abdichtet, kann im Fall, dass als keramische Masse 19 nicht die beschriebene Pulverfüllung, sondern wie beschrieben eine Verpress- oder Vergießmasse eingesetzt ist, die Dichtungsanordnung 17 vereinfacht ausgeführt werden, indem beispielsweise die Komponenten 15 und 16 der Dichtungsanordnung 17 entfallen.
Der in Fig. 2 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Messfühler gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist ein Gehäuse 11 auf, in das endseitig ein rohrförmiges, vorzugsweise biegbares Anscl lussstück 23 eingeschoben ist, in dem die Leiterelemente 18 zu einem das Anschlussstück 23 abschließenden Anschlussstecker geführt sind. In das Anschlussstück 23 ist mit axialem Abstand von dessen in das Gehäuse 11 eintauchenden Rohrende eine Gegenscheibe 24 eingesetzt, durch die die Leiterelemente 18 hindurchgeführt sind. Die Leiterelemente 18 sind, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1, durch eine Schweißverbindung elektrisch und mechanisch auf den auf voneinander abgekehrten Großflächen des anschlussseitigen Endabschnitts 121 des Sensorelements 12 vorhandenen Kontaktflächen 13 festgelegt. Die Gegenscheibe 24 weist ein zum Gehäuseinnern hin offenes, zentrales Sackloch 25 auf, dessen lichter Querschnitt dem Querschnitt des Sensorelements 12 entspricht, so dass das Ende des Sensorelements 12 mit nur geringem Spaltabstand formschlüssig in das Sackloch 25 einzutauchen vermag. Das Sachloch 25 weist eine Durchgangsbohrung (nicht dargestellt) auf, durch die der anschlussseitige Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 mit der Umgebungsatmosphäre verbunden ist. Gehäuse 11 und Anschlussstück 23 sind durch eine Schweißnaht 22 oder eine Rundumverstemmung miteinander verbunden.
In das Gehäuse 11 ist ein den lichten Querschnitt des Gehäuses 11 ausfüllendes Verschlussstück 26 eingesetzt, das mit einer zentralen Durchführung 27 ausgestattet ist. Das zylinderförmige Verschlussstück 26 weist zwei Zylinderabschnitte 261, 262 mit unterschiedlichem Durchmessern auf. Das Verschlussstück 26 ist mit seinem den kleineren Durchmesser aufweisenden Zylinderabschnitt 262 in den in das Gehäuse 11 eintauchenden Rohrabschnitt des Anschlussstücks 23 spaltlos eingeschoben und presst sich mit seinem durchmessergrößeren Zylinderabschnitt 261 an die Innenwand des Gehäuses 11 an. An der der Gegenscheibe 24 zugekehrten Stirnseite trägt das Verschlussstück 26 zwei Distanzelemente 28, die sich an der Gegenscheibe 24 abstützen, so dass in dem in Fig. 2 gezeigten Einsetzzustand des Verschlussstücks 26 zwischen der Gegenscheibe 24 und dem durchmesserkleineren Zylinderabschnitt 262 der Verbleib eines minimalen Zwischenraums 29 sichergestellt ist. In diesem Einsetzzustand des Verschlussstücks 26 umschließt die Durchführung 27 das Sensorelement 12 im Bereich der Kontaktflächen 13 und der mit den Kontaktflächen 13 verschweißten Leiterelemente 18. Wie Fig. 3 zeigt, ist der lichte Querschnitt der Durchführung 27 an die Form des Sensorelements 12 angepasst und ist im Ausführungsbeispiel rechteckig. Die Durchführung 18 verjüngt sich dabei ausgehend von der der Gegenscheibe 24 zugekehrten Stirnseite des Verschlussstückes 26 zu der davon abgekehrten Stirnseite des Verschlussstückes 26 hin.
Die Montage des Messfühlers zur Herstellung der gasdichten Ausführung der Leiterelemente 18 aus dem Gehäuse 11 wird mit folgenden Verfahrensschritten vorgenommen:
Das Anschlussstück 23 mit eingesetzter Gegenscheibe 24 und durch diese hindurchgeführte Leiterelemente 18 wird komplett vormontiert. Das Sensorelement 12 wird in das Sackloch 25 der Gegenscheibe 24 eingesteckt und die aus der Gegenscheibe 24 vorstehenden Leiterelemente 18 werden mit den Kontaktflächen 13 am Sensorelement 12 verschweißt. Sensorelement 12 und Anschlussstück 23 werden in das Gehäuse 11 eingesetzt, und Gehäuse 11 und Anschlussstück 23 werden miteinander verschweißt. Nunmehr wird eine bestimmte Menge an Keramikvergussmasse 31 (alternativ an Keramikkleber 31) in das Schutzrohr 23 auf die Gegenscheibe 24 gegeben. Dann wird das auf das Sensorelement 12 aufgeschobene Verschlussstück 26 mit seinem durchmesserkleineren Zylinderabschnitt 262 in das Rohrende des Anschlussstücks 23 eingeschoben. Der Einschiebedruck führt zunächst zu einer gleichmäßigen radialen Verteilung der Keramikvergussmasse 31 im Zwischenraum 29 zwischen Verschlussstück 26 und Gegenscheibe 24. Ist der Zwischenraum 29 maximal gefüllt so tritt zunehmend die Keramikvergussmasse 31 in die Durchführung 27 hinein und wird infolge der Drosselwirkung der sich verjüngenden Durchführung 27 mit zunehmenden Einpressdruck letztlich auf der von der Gegenscheibe 24 abgekehrten Stirnseite des Verschlussstücks 26 aus der Durchführung 27 herausgepresst. Das Einschieben des Verschlussstücks 26 in das Anschlussstück 23 ist beendet, sobald die zwischen den Zylinderabschnitten 261, 262 sich ausbildende Ringschulter 263 an dem ringförmigen Stirnende des Anschlussstücks 23 anstößt, spätestens aber dann, wenn die Distanzelemente 28 sich an die Gegenscheibe 24 anlegen. Um das Eindringen der Keramikvergussmasse 31 in den zwischen dem Sackloch 25 in der Gegenscheibe 24 und dem Sensorelement 12 verbleibende Spalt zu verhindern, ist auf die dem Verschlussstück 26 zugekehrten Stirnfläche der Gegenscheibe 24 ein das Sensorelement 12 dicht umschließendes Dichtelement 32 aufgelegt. Das Dichtelement 32 kann beispielsweise eine kleine, runde Glasfasermatte sein, die im Durchstoßbereich des Sensor elements 12 geschlitzt ist. Falls aufgrund der Konsistenz der Keramikvergussmasse 31 ein Austrocknen der Keramikvergussmasse 31 zu befürchten ist, wird das Verschlussstück 26 im feuchten Zustand montiert.

Claims

Ansprüche
1. Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur eines Messgases, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse (11), einem im Gehäuse (11) aufgenommenen Sensorelement (12), das mit einem aus dem Gehäuse (11) vorstehenden, messgasseitigen Endabschnitt dem Messgas aussetzbar ist und auf einem anschlussseitigen Endabscl nitt (121) mindestens eine Kontaktfläche (13) trägt, und mit mindestens einem die mindestens eine Kontaktfläche (13) kontaktierenden Leiterelement (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (13) und das Leiterelement (18) durch Schweißen miteinander verbunden und zumindest im Bereich der Schweißverbindung in eine isolierende, keramische Masse (19) eingebettet sind.
2. Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung zwischen Kontaktfläche (13) und Leiterelement (18) durch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen hergestellt ist.
3. Messfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kontaktfläche (13) aus Platin oder einem Platincermet besteht.
4. Messfühler nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leiterelement (18) aus Nickel besteht.
5. Messfühler nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeicl net, dass die isolierende, keramische Masse (19) eine den Raum zwischen Innenwand des Gehäuses (11) und anschlussseitigem Endabschnitt (121) des Sensorelements (12) ausfüllende, verdichtete Pulverfüllung ist und vorzugsweise dass als Pulver Magnesiumoxid (MgO) verwendet ist.
6. Messfühler nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettung mittels Einpressen der keramischen Masse hergestellt ist und vorzugsweise dass als isolierende, keramische Masse (19) eine Keramikvergussmasse, ein Keramikkleber, Steatit oder Aluminiumoxid (Al2O3) verwendet ist.
7. Messfühler nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Masse (19) an ihrer äußeren Stirnseite von einer an der Innenwand des Gehäuses (11) sich ringsum abstützenden Abschlussscheibe (20) abgedeckt ist, durch die das mindestens eine Leiterelement (18) hindurchgeführt ist.
8. Messfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) auf die Abschlussscheibe (20) aufgebördelt, ist.
9. Messfühler nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende, keramische Masse (19) an ihrer inneren Stirnseite von einer das Sensorelement (12) umschließenden Dichtungsanordnung (17) begrenzt ist, die sich an der Innenwand des Gehäuses (11) gasdicht abstützt.
10. Messfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der von der Masse (19) abgekehrten Seite der Dichtungsanordnung (17) eine weitere Isolierscheibe (21) angeordnet ist, die das Sensorelement (12) umschließt und sich am Gehäuse (11) abstützt.
11. Messfühler nach Anspruch 6, dadurch gekemizeichnet, dass im Gehäuse (11) eine Gegenscheibe (24) festgelegt ist, durch die der mindestens eine Leiter (18) hindurchgeführt ist, dass in das Gehäuse (11) ein zumindest abschnittweise den lichten Gehäusequerschnitt ausfüllendes Verschlussstück (26) mit einer das Sensorelement (12) im Bereich der Schweißverbindung von Kontaktflächen (13) und Leiter (18) umschließenden Durchführung (27) eingepresst ist und dass der Zwischenraum (29, 30) zwischen Gegenscheibe (24) und Verschlussstück (26) sowie Sensorelement (12) und Wand der Durchführung (27) mit einer Keramikvergussmasse (31) und/oder einem Keramikkleber (31) ausgefüllt ist.
12. Messfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (27) für das Sensorelement (12) einen an die Querschήittsform des Sensorelements (12) angepassten Querschnitt aufweist und sich zu dem von der Gegenscheibe (24) abgekehrten Ende des Verschlusssrücks (26) hin verjüngt.
13. Messfühler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenscheibe (24) ein das Ende des Sensorelements (12) formschlüssig aufnehmendes Sackloch (25) aufweist.
14. Messfühler nach einem der Ansprüche 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussstück (26) auf seiner der Gegenscheibe (24) zugekehrten Stirnseite mindestens ein axial vorstehende Distanzelement (28) zum Abstützen des Verschlussstücks (26) auf der Gegenscheibe (24) trägt.
15. Messfühler nach einem der Ansprüche 11 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (11) stirnseitig ein Rohrabschnitt eines mit dem Gehäuse (11) fest verbundenen, rohrförmigen Anschlussstücks (23) eintaucht und dass die Gegenscheibe (24) in den Rohrabsclmitt des Anschlussstücks (23) mit Abstand vom Rohrende eingesetzt und das Verschlussstück (26) zumindest abschnittweise in das Rohrende eingepresst ist.
16. Messfühler nach einem der Ansprüche 11 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf die dem Verschlussstück (26) zugekehrte Stirnfläche der Gegenscheibe (24) ein das Sensorelement (12) dicht umschließendes Dichtelement (32), vorzugsweise eine Glasfasermatte, aufgelegt ist.
17. Verfahren zur Vormontage des Messfühlers nach einem der Ansprüche 11 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf die im Gehäuse (11) fixierte Gegenscheibe (24), in deren Sackloch (25) das an die Leiterelemente (18) angeschweißte Sensorelement (12) eingesteckt ist, eine ausreichend bestimmte Menge an Keramikvergussmasse (31) und/oder Keramikkleber (31) gegeben wird und dass das Verschlussstück (26)" auf dem Sensorelement (12) soweit im Gehäuse (11) zu der Gegenscheibe (24) hin verschoben wird, dass zwischen Gegenscheibe (24) und Verschlussstück (26) ein mit Keramikvergussmasse (31) und/oder Keramikkleber gefüllter Zwischenraum (29) verbleibt, dessen minimale axiale Tiefe durch das mindestens eine Distanzelement (28) bestimmt ist.
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