WO2003104791A1 - Gasmessfühler und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2003104791A1
WO2003104791A1 PCT/DE2003/001578 DE0301578W WO03104791A1 WO 2003104791 A1 WO2003104791 A1 WO 2003104791A1 DE 0301578 W DE0301578 W DE 0301578W WO 03104791 A1 WO03104791 A1 WO 03104791A1
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sealing element
gas
sensor
glass
receptacle
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PCT/DE2003/001578
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French (fr)
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Heinz Geier
Helmut Weyl
Siegfried Nees
Bernhard Wild
Rainer Maier
Michael Liebler
Peter Dettling
Bettina Schmidt
Craig Magera
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • G01N27/4078—Means for sealing the sensor element in a housing
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

Definitions

  • the invention is based on a gas sensor according to the preamble of the independent claim.
  • the gas sensor has a metallic housing in which two ceramic molded parts are arranged axially one behind the other and have openings for receiving a sensor element. There is a between the ceramic moldings
  • the molded ceramic part comprises the sensor element in the middle.
  • the sensor element On its end facing the measuring gas, the sensor element has one or more measuring elements, in particular electrochemical cells.
  • the sensor element At the end of the sensor element facing away from the measurement gas are on the sensor element Contact surfaces are provided which are electrically connected by means of contacting with conductor elements leading out of the gas sensor.
  • the sensor element is surrounded by a glass seal between the ceramic molded part and the end of the sensor element facing the contact.
  • the glass seal is arranged in a metallic receptacle, which is fixed to the housing by a welded connection.
  • the metallic receptacle, the end of the sensor element facing the contact, and the contact are surrounded by a metallic sleeve, which in turn is connected to the housing by a further welded connection.
  • the recess of the ceramic molded part for receiving the sensor element is dimensioned such that the sensor element has play in the recess. Because the sensor element is only on its
  • the sensor element can vibrate in the recess of the ceramic molding due to the vibrations occurring during operation, which can lead to damage to the sensor element.
  • the installation of the sensor element in the rigid ceramic molded part is complex and technically difficult and can lead to damage to the sensor element.
  • the gas sensor according to the invention with the characterizing features of independent claim 1 and the method according to the invention for producing the gas sensor has the advantage that the sealing of a sensor element in a housing by means of at least one sealing element takes place in a technically simple and cost-effective manner, the sensor element being in operation occurring vibrations is insensitive. This is the
  • Sealing element arranged in a metallic receptacle, which in turn is fixed to the metallic housing, and the sealing element comprises the sensor element along its longitudinal extent L in the center or on the side facing the measurement gas.
  • the sensor element is essentially by the sealing element arranged in the metallic receptacle (and also to a lesser extent by the
  • a molded ceramic part can thus be saved, so that the metallic holder can be directly exposed to the measurement gas.
  • the sealing element advantageously consists predominantly of glass or glass ceramic and forms a material connection to the sensor element and the metallic molded part.
  • a glass seal or a glass ceramic seal can adapt to the shape of the sensor element. This means that even curved sensor elements can be held securely.
  • the expansion coefficient of the sealing element and the expansion coefficient of the sensor element differ by a maximum of 10 percent.
  • the glass or glass ceramic is introduced into the receptacle, for example, as a powder spill, in the form of a pre-pressed or fused glass pill or in the form of a pre-pressed powder mixture in tablet form.
  • the glass contains a glass-forming component, the glass ceramic has a ceramic one
  • Component and a glass-forming component for example in the form of a ceramic powder and a glass-forming powder.
  • the glass-forming component of the glass or glass ceramic melts and forms a material connection to the surrounding materials.
  • the metallic receptacle is advantageously fixed to the housing by a material-locking connection, in particular by laser welding. Furthermore, on the side of the gas measuring sensor facing away from the measuring gas, a sleeve is provided, which comprises a section of the sensor element and the contacting of the sensor element. The metallic receptacle and the sleeve are fixed to the housing by a common material connection. A welded connection, in particular a circular weld seam produced by laser welding, is particularly favorable in terms of production technology.
  • the metallic receptacle is advantageously shaped like a pot, the bottom of the pot-shaped metallic receptacle having a recess for receiving the sensor element. At its open end, the metallic receptacle has a section which extends outwards perpendicularly to the longitudinal axis of the metallic receptacle, to which a further sleeve-shaped section adjoins, so that the metallic
  • the distance of the sensor element from the side wall of the pot-shaped metal receptacle is at least in regions less than or equal to twice the height of the sensor element.
  • the height of the sensor element is understood to mean the expansion of the sensor element perpendicular to its large area.
  • the metallic receptacle contains a first and a second sealing element.
  • the two sealing elements contain glass or glass ceramic as the main component and are arranged one behind the other in the receptacle in the longitudinal direction of the sensor element.
  • the glass-forming component of the first sealing element facing the measuring gas has a higher melting point than the glass-forming component of the second sealing element facing away from the measuring gas.
  • the composite of metallic receptacle, first and second sealing element and sensor element is heated to a temperature at which the glass-forming component of the second sealing element melts completely, while the glass-forming component of the first sealing element does not melt or does not melt completely.
  • Sealing element forms a gas-tight, cohesive connection to the sensor element and metallic receptacle, and that the first sealing element prevents the glass of the second sealing element from flowing out of the receptacle. It can further be provided that the second sealing element is arranged between the first sealing element and a third sealing element, the third
  • Sealing element has a viscous consistency at the operating temperatures of the gas sensor. With this arrangement of the sealing elements, the risk of cracking of the glass or glass ceramic and the risk of breakage of the sensor element in the region of the transition from glass / glass ceramic to air is reduced. - _) -
  • the metallic receptacle contains a first and a second sealing element, which are arranged one behind the other in the receptacle in the longitudinal direction of the sensor element.
  • the first sealing element facing the measuring gas contains a sintered ceramic
  • the second sealing element facing away from the measuring gas contains a glass or a glass ceramic.
  • the first sealing element prevents the glass or the glass ceramic of the second sealing element from flowing out of the ceramic receptacle during the manufacture of the gas measuring sensor.
  • a disk made of compressed ceramic powder material can be provided as the third sealing element between the first and the second sealing element.
  • the sensor element and a sealing element or a plurality of sealing elements are introduced into the metallic receptacle and subjected to a heat treatment during which the glass-forming component melts at least one sealing element, so that the sensor element in the L 5 metallic receptacle is sealed gas-tight by the sealing element ,
  • the composite of metallic receptacle, sealing element and sensor element is then introduced into the housing and the metallic receptacle is fixed in the housing.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a gas sensor according to the invention in a sectional view
  • FIG. 2a shows a section line Ha - Ha in FIG. 2b
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a gas sensor according to the invention in a sectional view
  • FIG. 4a shows a section of a metallic receptacle corresponding to the section line IVa - IVa in FIG. 4b
  • FIG. 4b shows a view of the metallic one
  • Figures 5 to 8 is a sectional view of a first, second, third and fourth embodiment of the first embodiment of the gas sensor according to the invention.
  • Description of the embodiments 1 shows, as the first exemplary embodiment of the invention, a partial section of a gas sensor 10.
  • the gas sensor 10 is used, for example, to determine the temperature or the oxygen content of a measuring gas and can be installed in a measuring opening of an exhaust gas line of an internal combustion engine (not shown).
  • the gas sensor 10 has a housing 21 with a thread 23 and a hexagon
  • the housing 21 surrounds a planar, elongated sensor element 20, which is constructed as a ceramic multilayer system.
  • the sensor element 20 contains measuring elements, such as electrodes or heaters, on a first section 26 exposed to the measuring gas.
  • the first section 26 of the sensor element 20 protrudes out of the housing 21 into a measuring gas space 28, which extends from a protective tube fixed to the housing 21
  • the protective tube 24 is surrounded.
  • the protective tube 24 has openings (without reference numerals) which allow the measurement gas to access the first section 26 of the sensor element 20.
  • contact points are provided on the outer surfaces of the sensor element 20.
  • the contact points are electrically connected to the measuring elements by supply lines arranged in the layer composite of the sensor element 20.
  • the contact points are electrically contacted by a contacting device with conductor elements (not shown), through which the measuring elements are connected to evaluation electronics provided outside the sensor element 20.
  • Sensor element 20 and the contacting device is surrounded by a sleeve 25 which is fixed to the housing 21.
  • a partial section of the sleeve 25 is shown in FIGS. 1, 3 and 5 to 8.
  • a sealing element 32 is provided, which is arranged in a metallic receptacle 31 for the sealing element 32.
  • the metallic receptacle 31 is shown as an individual element in FIGS. 2a and 2b.
  • the sealing element 32 surrounds a longitudinal section of the sensor element 20. This longitudinal section is provided in the middle of the sensor element 20 (in relation to its longitudinal extent L) or on the half of the sensor element 20 facing the measuring gas.
  • the sealing element 32 thus also serves as a holder for the sensor element 20 and prevents the sensor element 20 from vibrating in the housing 21.
  • the sealing element 32 consists of a glass or a glass ceramic and is introduced into the metallic receptacle 31 in the form of a glass powder or a mixture of a ceramic powder (ceramic component) and a glass-forming powder (glass-forming component).
  • the glass powder or the glass-forming powder is mainly based on the oxides BaO, SrO, ZnO, B 2 0 3 , A1 2 0 3 , MgO, CaO and / or Si0 2 .
  • the ceramic powder preferably consists of steatite, forsterite, A1 2 0 3 , A1 2 0 3 • MgO or Zr0 2 stabilized with CaO, MgO or Y 2 0 3 or mixtures thereof.
  • the starting material for the sealing element 32 is introduced as a powder bed into the metallic receptacle 31 with the sensor element 20 and is mechanically compressed.
  • the starting material can be introduced into the receptacle 31 together with the sensor element 20 as a pre-pressed or fused glass pill or as a pre-pressed powder mixture in tablet form, the glass pill or the pre-pressed powder mixture having a recess for receiving the sensor element 20.
  • the glass-forming component of the glass or the glass ceramic melts, so that a gas-tight connection between the sensor element 20 and the sealing element 32 and between the metallic receptacle 31 and the sealing element 32 forms.
  • a partial or complete crystallization of the glass or the glass-forming components can be generated by a targeted temperature control, so that the sealing element 32 is present as partially or fully crystallized glass ceramic after the temperature treatment.
  • the metallic receptacle 31 is shaped like a pot.
  • the bottom 35 of the metallic receptacle 31 has a recess 33 in the center for the sensor element 20.
  • the recess 33 has a rectangular shape corresponding to the cross section of the sensor element 20.
  • the distance between sensor element 20 and receptacle 31 must be so small in the region of the recess 33 that the sealing element 32 does not flow out during the melting process.
  • a collar 34 is provided, which can be placed on the housing 21.
  • the collar 34 encompasses the housing 21 on its side facing away from the measurement gas and in turn becomes encompassed by the sleeve 25.
  • the sleeve 25 and the collar 34 are fixed to the housing 21 by a common circular weld seam.
  • the measuring gas space 28 is delimited by the receptacle 31 and by the protective tube 24. Apart from the sensor element 20, no further elements are provided in the measuring gas space 28.
  • FIG. 3 shows, as a second exemplary embodiment of the invention, a partial section of a gas sensor 10.
  • the second exemplary embodiment differs from the first exemplary embodiment according to FIG. 1 in the design of the receptacle 31.
  • Corresponding elements were identified in FIG. 3 with the same reference numerals as in FIG. 1.
  • the distance of the sensor element 20 from the wall of the pot-shaped receptacle 31 corresponds approximately to the height of the sensor element 20 (that is to say the extent of the sensor element 20 in the direction perpendicular to its large area), but at most twice the height of the sensor element 20.
  • the shape of the wall of the receptacle 31 largely corresponds to the shape of the sensor element 20, that is, the wall is rectangular in cross section. The edges of the wall are rounded.
  • the receptacle 31 has no collar 34.
  • an S-shaped metallic intermediate piece 36 is provided, which is fixed to the metallic receptacle 31 and to the housing 21 by a welded connection 41.
  • FIGS. 4a and 4b show a receptacle 31 which is the same as that shown in FIG.
  • Embodiment tightly encloses the sensor element 20, but has a collar 34 through which the metallic receptacle 31 is fixed to the housing 21 by means of a welded connection, as in the first embodiment.
  • FIGS. 5 to 8 show different embodiments of the gas sensor 10, which differ from the first embodiment in the design of the sealing elements. Corresponding elements were designated in FIGS. 5 to 8 with the same reference numerals as in FIG. 1.
  • the metallic receptacle 31 contains a first sealing element 321 and a second sealing element 322, the first sealing element 321 being provided on the side of the metallic receptacle 31 facing the measuring gas.
  • the two sealing elements 321, 322 essentially consist of a glass or a glass ceramic, the melting temperature of the glass of the first sealing element 321 being above the temperature to which the composite of the receptacle 31, the first and second sealing elements 321, 322 and the sensor element 20 is heated to melt the glass of the second sealing element 322.
  • the second sealing element 322 is thus connected to the housing 21 and the sensor element 20 in a coherent manner and seals the sensor element 20 in the housing 21 of the gas sensor 10 in a gas-tight manner.
  • the glass-forming component of the first sealing element 321 is not completely melted during manufacture. This prevents the material of the second sealing element 322 from flowing out of the receptacle 31 when it melts.
  • FIG. 6 corresponds to the embodiment according to
  • FIG. 5 additionally has a third sealing element 323, which is arranged on the side of the second sealing element 322 facing away from the measurement gas.
  • the third sealing element 323 essentially consists of a glass or a glass ceramic and has the property of assuming a viscous consistency at the temperatures to which the gas sensor 10 is exposed when used as intended.
  • the receptacle 31 contains a first sealing element 331 and a second sealing element 332, the first sealing element 331 being provided on the side of the receptacle 31 facing the measurement gas.
  • the first sealing element 331 is a sintered ceramic disk with a recess for the
  • the second sealing element 332 contains a glass or a glass ceramic, as in the first and second exemplary embodiments.
  • the first sealing element 331 prevents the glass-forming component from flowing out of the receptacle 31 when it melts.
  • the recess 33 for the sensor element 20 is designed wider in this embodiment (the distance of the bottom of the receptacle 31 to
  • Sensor element 20 corresponds, for example, to the height of sensor element 20), so that sensor element 20 can be inserted into recess 33 more easily.
  • the embodiment shown in FIG. 8 corresponds to the embodiment according to FIG. 7 and additionally contains a third sealing element 333, which is between the first and the second sealing element 331, 332 is arranged.
  • the third sealing element 333 is a disk made of compressed ceramic powder material, which additionally prevents the material of the second sealing element 332 from flowing out during melting.
  • the third sealing element 333 can replace the second sealing element 332.
  • sealing elements from one embodiment can be replaced by sealing elements from another embodiment or sealing elements from another
  • Embodiment can be added.

Abstract

Es wird ein Gasmessfühler (10) vorgeschlagen, der der Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur eines Abgases, dient. Der Gasmessfühler (10) weist ein in einem metallischen Gehäuse (21) angeordnetes Sensorelement (20) auf, das durch mindestens ein in einer metallischen Aufnahme (31) angeordnetes Dichtelement (32, 321, 322, 323, 331, 332, 333) abgedichtet ist. Die metallische Aufnahme (31) ist am Gehäuse (21) festgelegt. Das Dichtelement (32, 321, 322, 323, 331, 332, 333) umfasst das Sensorelement (20) entlang seiner Längserstreckung L mittig oder an seiner dem Messgas zugewandten Hälfte.

Description

GASMESSFUHLER UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfuhler nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Ein derartiger Gasmessfuhler ist beispielsweise in der DE 197 07 456 AI beschrieben. Der Gasmessfuhler weist ein metallisches Gehäuse auf, in dem zwei axial hintereinanderliegende Keramikformteile angeordnet sind, die Durchbrüche zur Aufnahme eines Sensorelements aufweisen. Zwischen den Keramikformteilen ist ein
Zwischenraum ausgebildet, in dem eine das Sensorelement umfassende Glasdichtung vorgesehen ist. Das Keramikformteil ist durch einen Dichtring im Gehäuse abgedichtet.
Bei dem beschriebenen Gasmessfuhler ist nachteilig, dass bei einer in ein Keramikformteil eingebrachten Dichtung durch während des Betriebs des
Gasmessfühlers auftretende Temperaturschwankungen die Gefahr der Rissbildung hoch ist. Zudem ist die Abdichtung zwischen Keramikformteil und Gehäuse fertigungstechnisch aufwendig.
Aus der DE 197 51 424 AI ist weiterhin ein Gasmessfuhler mit einem metallischen
Gehäuse bekannt, in dem ein Keramikformteil angeordnet ist, das eine Aussparung zur Aufnahme eines Sensorelements enthält. Das Keramikformteil umfasst das Sensorelement mittig. Das Sensorelement weist auf seinem dem Messgas zugewandten Ende ein oder melirere Messelemente, insbesondere elektrochemische Zellen auf. An dem dem Messgas abgewandten Ende des Sensorelements sind auf dem Sensorelement Kontaktflächen vorgesehen, die mittels einer Kontaktierung mit aus dem Gasmessfuhler herausführenden Leiterelementen elektrisch verbunden sind. Zwischen dem Keramikformteil und dem der Kontaktierung zugewandten Ende des Sensorelements ist das Sensorelement von einer Glasdichtung umfasst. Die Glasdichtung ist in einer metallischen Aufnahme angeordnet, die durch eine Schweißverbindung am Gehäuse festgelegt ist. Die metallische Aufnahme, das der Kontaktierung zugewandte Ende des Sensorelements sowie die Kontaktierung ist von einer metallischen Hülse umgeben, die ihrerseits durch eine weitere Schweißverbindung mit dem Gehäuse verbunden ist.
Zur Herstellung der Sensorelemente für derartige Gasmessfuhler werden mit
Funktionsschichten bedruckte keramische Folien zusammenlaminiert und gesintert. Beim Sintern schrumpfen die keramischen Folien. Hierbei sind geringe Verkrümmungen der Sensorelemente häufig nicht zu vermeiden. Daher wird die Aussparung des Keramikformteils zur Aufnahme des Sensorelements so dimensioniert, dass das Sensorelement in der Aussparung Spiel hat. Da das Sensorelement nur an seinem der
Kontaktierung zugewandten Ende durch eine stoffschlüssige Verbindung festgelegt ist, kann das Sensorelement durch die im Betrieb auftretenden Vibrationen in der Aussparung des Keramikformteils schwingen, was zu Beschädigungen des Sensorelements führen kann. Zudem ist der Verbau des Sensorelements in das starre Keramikformteil aufwendig und fertigungstechnisch schwierig und kann zu Beschädigungen des Sensorelements führen.
Vorteile der Erfindung
Der erfmdungsgemäße Gasmessfuhler mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Gasmessfühlers hat demgegenüber den Vorteil, dass die Abdichtung eines Sensorelements in einem Gehäuse mittels mindestens eines Dichtelements auf fertigungstechnisch einfache und kostengünstige Weise erfolgt, wobei das Sensorelement gegenüber im Betrieb auftretenden Vibrationen unempfindlich ist. Hierzu ist das
Dichtelement in einer metallischen Aufnahme angeordnet, die ihrerseits am metallischen Gehäuse festgelegt, und das Dichtelement umfasst das Sensorelement entlang seiner Längserstreckung L mittig oder auf der dem Messgas zugewandten Seite. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Gasmessfühlers möglich
Das Sensorelement ist im wesentlichen durch das in der metallischen Aufnahme angeordnete Dichtelement (sowie außerdem in geringerem Maße durch die
Kontaktierung) gehaltert. Damit kann ein Keramikformteil eingespart werden, so dass die metallische Aufnahme direkt dem Messgas ausgesetzt sein kann.
Vorteilhaft besteht das Dichtelement überwiegend aus Glas oder Glaskeramik und bildet eine stoffschlüssige Verbindung zu dem Sensorelement und dem metallischen Formteil aus. Eine Glasdichtung oder eine Glaskeramikdichtung kann sich an die Form des Sensorelements anpassen. Damit können auch verkrümmte Sensorelemente sicher gehalten werden. Um mechanische Spannungen bei Temperaturschwankungen zu vermeiden, unterscheiden sich der Ausdehnungskoeffizient des Dichtelements und der Ausdehnungskoeffizient des Sensorelements um höchstens 10 Prozent.
Das Glas beziehungsweise die Glaskeramik werden beispielsweise als Pul verschüttung, in Form einer vorgepressten oder verschmolzenen Glaspille oder in Form einer vorgepressten Pulvermischung in Tablettenform in die Aufnahme eingebracht. Das Glas enthält ein glasbildende Komponente, die Glaskeramik weist eine keramische
Komponente und eine glasbildende Komponente, beispielsweise in Form eines keramischen Pulvers und eines glasbildenden Pulvers, auf. Wälirend einer anschließenden Wärmebehandlung schmilzt die glasbildende Komponente des Glases beziehungsweise der Glaskeramik auf und bildet eine stoffschlüssige Verbindung zu den umgebenden Materialien aus.
Die metallische Aufnahme ist vorteilhaft durch eine Stoff schlüssige Verbindung, insbesondere durch Laserschweißen am Gehäuse festgelegt. Weiterhin ist auf der dem Messgas abgewandten Seite des Gasmessfühlers eine Hülse vorgesehen, die einen Abschnitt des Sensorelements sowie die Kontaktierung des Sensorelements umfasst. Die metallische Aufnahme und die Hülse sind durch eine gemeinsame stoffschlüssige Verbindung am Gehäuse festgelegt. Fertigungstechnisch besonders günstig ist hierbei eine Schweißverbindung, insbesondere eine durch Laserschweißen erzeugte Rundschweißnaht. Die metallische Aufnahme ist vorteilhaft topfartig geformt, wobei der Boden der topfartig geformten metallischen Aufnahme eine Aussparung zur Aufnahme des Sensorelements aufweist. Die metallische Aufnahme weist an ihrem offenen Ende einen senkrecht zur Längsachse der metallischen Aufnahme sich nach außen erstreckenden Abschnitt auf, an den sich ein weiterer hülsenförmiger Abschnitt anschließt, so dass die metallische
Aufnahme eine kragenartiger Erweiterung aufweist. Der äußere hülsenförmige Abschnitt dieser kragenartigen Erweiterung ist durch Laserschweißen am Gehäuse festgelegt.
Eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Gasmessfühlers ist möglich, wenn der Abstand des Sensorelements zur Seitenwand der topfartig geformten metallischen Aufnahme zumindest bereichsweise kleiner oder gleich dem Doppelten der Höhe des Sensorelements ist. Unter der Höhe des Sensorelements ist dabei die Ausdehnung des Sensorelements senkrecht zu seiner Großfläche zu verstehen.
Bei einer ersten Weiterentwicklung der Erfindung enthält die metallische Aufnahme ein erstes und ein zweites Dichtelement. Die beiden Dichtelemente enthalten als Hauptbestandteil Glas oder Glaskeramik und sind in Längsrichtung des Sensorelements hintereinander in der Aufnahme angeordnet. Die glasbildende Komponente des ersten, dem Messgas zugewandten Dichtelements weist einen höheren Schmelzpunkt als die glasbildende Komponente des zweiten, dem Messgas abgewandten Dichtelements auf.
Beim Verbau des Sensorelements wird der Verbund aus metallischer Aufnahme, erstem und zweiten Dichtelement und Sensorelement auf eine Temperatur erwärmt, bei der die glasbildende Komponente des zweiten Dichtelements vollständig aufschmilzt, während die glasbildende Komponente des ersten Dichtelements nicht oder nicht vollständig schmilzt. Mit dieser Anordnung der Dichtelemente wird erreicht, dass das zweite
Dichtelement eine gasdichte, stoffschlüssige Verbindung zu Sensorelement und metallischer Aufnahme ausbildet, und dass durch das erste Dichtelement verhindert wird, dass das Glas des zweiten Dichtelements aus der Aufnahme herausfließen kann. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das zweite Dichtelement zwischen dem ersten Dichtelement und einem dritten Dichtelement angeordnet ist, wobei das dritte
Dichtelement bei den Einsatztemperaturen des Gasmessfühlers eine zähflüssige Konsistenz aufweist. Mit dieser Anordnung der Dichtelemente ist die Rissgefahr des Glases beziehungsweise der Glaskeramik sowie die Bruchgefahr des Sensorelements im Bereich des Übergangs von Glas/Glaskeramik zu Luft reduziert. - _) -
Bei einer zweiten Weiterentwicklung der Erfindung enthält die metallische Aufnahme ein erstes und ein zweites Dichtelement, die in Längsrichtung des Sensorelements hintereinander in der Aufnahme angeordnet sind. Das dem Messgas zugewandte erste Dichtelement enthält eine gesinterte Keramik, das dem Messgas abgewandte zweite Dichtelement enthält ein Glas oder eine Glaskeramik. Durch das erste Dichtelement wird verhindert, dass das Glas oder die Glaskeramik des zweiten Dichtelements bei der Herstellung des Gasmessfühlers aus der keramischen Aufnahme herausfließt. Zusätzlich kann zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtelement als drittes Dichtelement eine Scheibe aus verpresstem keramischen Pulvermaterial vorgesehen sein.
LO
Zur Fertigung des erfindungsgemäßen Gasmessfühlers wird das Sensorelement sowie ein Dichtelement beziehungsweise mehrere Dichtelemente in die metallische Aufnahme eingebracht und einer Wärmebehandlung unterworfen, während der die glasbildende Komponente mindestens eines Dichtelements schmilzt, so dass das Sensorelement in der L 5 metallischen Aufnahme durch das Dichtelement gasdicht abgedichtet wird. Danach wird der Verbund aus metallischer Aufnahme, Dichtelement und Sensorelement in das Gehäuse eingebracht und die metallische Aufnahme in dem Gehäuse festgelegt.
Zeichnung
.0
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasmessfühlers in einer Schnittdarstellung, Figur 2a einen der Schnittlinie Ha - Ha in Figur 2b entsprechenden
_ 5 Schnitt einer metallische Aufnahme des ersten Ausführungsbeispiels, Figur 2b eine
Aufsicht auf die metallische Aufnahme gemäß Figur 2a, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasmessfühlers in einer Schnittdarstellung, Figur 4a einen der Schnittlinie IVa - IVa in Figur 4b entsprechenden Schnitt einer metallische Aufnahme, Figur 4b eine Aufsicht auf die metallische
. 0 Aufnahme gemäß Figur 4a, und Figuren 5 bis 8 eine Schnittdarstellung einer ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gasmessfühlers.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Figur 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Teilabschnitt eines Gasmessfühlers 10. Der Gasmessfuhler 10 dient beispielsweise der Bestimmung der Temperatur oder des Sauerstoff gehalts eines Messgases und kann in eine Messöffnung eines Abgasstrangs eines Verbrennungsmotors verbaut werden (nicht dargestellt). Hierzu weist der Gasmessfuhler 10 ein Gehäuse 21 mit einem Gewinde 23 und einem Sechskant
22 auf. Das Gehäuse 21 umgibt ein planares, längliches Sensorelement 20, das als keramisches Mehrlagensystem aufgebaut ist. Das Sensorelement 20 enthält an einem dem Messgas ausgesetzten ersten Abschnitt 26 Messelemente wie beispielsweise Elektroden oder Heizer. Der erste Abschnitt 26 des Sensorelements 20 ragt aus dem Gehäuse 21 heraus in einen Messgasraum 28, der von einem am Gehäuse 21 festgelegten Schutzrohr
24 umgeben ist. Das Schutzrohr 24 weist Öffnungen (ohne Bezugszeichen) auf, die den Zutritt des Messgases zum ersten Abschnitt 26 des Sensorelements 20 erlauben.
An einem vom Messgas getrennten zweiten Abschnitt 27 des Sensorelements 20 sind auf den Außenflächen des Sensorelements 20 Kontaktstellen (nicht dargestellt) vorgesehen.
Die Kontaktstellen sind durch im Schichtverbund des Sensorelements 20 angeordnete Zuleitungen mit den Messelementen elektrisch verbunden. Die Kontaktstellen sind durch eine Kontaktierungsvorrichtung mit Leiterelementen elektrisch kontaktiert (nicht dargestellt), durch die die Messelemente mit einer außerhalb des Sensorelements 20 vorgesehenen Auswerteelektronik verbunden sind. Der zweite Abschnitt 27 des
Sensorelements 20 sowie die Kontaktierungsvorrichtung ist von einer Hülse 25 umgeben, die am Gehäuse 21 festgelegt ist. In den Figuren 1, 3 und 5 bis 8 ist ein Teilabschnitt der Hülse 25 dargestellt.
Zur Abdichtung des ersten Abschnitts 26 vom zweiten Abschnitt 27 des Sensorelements
20 ist ein Dichtelement 32 vorgesehen, das in einer metallischen Aufnahme 31 für das Dichtelement 32 angeordnet ist. Die metallische Aufnahme 31 ist in Figur 2a und 2b als Einzelelement dargestellt. Das Dichtelement 32 umgibt einen Längsabschnitt des Sensorelements 20. Dieser Längsabschnitt ist in der Mitte des Sensorelements 20 (bezogen auf seine Längserstreckung L) oder auf der dem Messgas zugewandten Hälfte des Sensorelement 20 vorgesehen. Damit dient das Dichtelement 32 auch als Halterung des Sensorelements 20 und verhindert ein Schwingen des Sensorelements 20 im Gehäuse 21. Das Dichtelement 32 besteht aus einem Glas oder einer Glaskeramik und wird in Form eines Glaspulvers oder eines Gemischs aus einem keramischen Pulver (keramische Komponente) und einem glasbildenden Pulver (glasbildende Komponente) in die metallische Aufnahme 31 eingebracht. Das Glaspulver beziehungsweise das glasbildende Pulver basiert hauptsächlich auf den Oxiden BaO, SrO, ZnO, B203, A1203, MgO, CaO und/oder Si02. Das keramische Pulver besteht vorzugsweise aus Steatit, Forsterit, A1203, A1203 • MgO oder mit CaO, MgO oder Y203 stabilisiertes Zr02 oder Mischungen davon.
Das Ausgangsmaterial für das Dichtelement 32 wird als Pulverschüttung in die metallische Aufnahme 31 mit dem Sensorelement 20 eingebracht und mechanisch verdichtet. Alternativ dazu kann das Ausgangsmaterial als vorgepresste oder verschmolzene Glaspille oder als vorgepresste Pulvermischung in Tablettenform zusammen mit dem Sensorelement 20 in die Aufnahme 31 eingeführt werden, wobei die Glaspille beziehungsweise die vorgepresste Pulvermischung eine Aussparung zur Aufnahme des Sensorelements 20 aufweist.
Bei der nachfolgenden thermischen Behandlung des vormontierten Verbunds aus Sensorelement 20, Dichtelement 32 und metallischer Aufnahme 31 schmilzt die glasbildende Komponente des Glases beziehungsweise der Glaskeramik auf, so dass sich eine gasdichte Verbindung zwischen dem Sensorelement 20 und dem Dichtelement 32 und zwischen der metallischen Aufnahme 31 und dem Dichtelement 32 ausbildet. Dabei kann durch eine gezielte Temperaturführung eine teilweise oder vollständige Kristallisation des Glases beziehungsweise der glasbildenden Komponenten erzeugt werden, so dass das Dichtelement 32 nach der Temperaturbehandlung als teil- oder vollkristallisierte Glaskeramik vorliegt.
Die metallische Aufnahme 31 ist topfartig geformt. Der Boden 35 der metallischen Aufnahme 31 weist mittig eine Aussparung 33 für das Sensorelement 20 auf. Die Aussparung 33 ist entsprechend dem Querschnitt des Sensorelements 20 rechteckig geformt. Der Abstand zwischen Sensorelement 20 und Aufnahme 31 muss im Bereich der Aussparung 33 so klein sein, dass ein Herausfließen des Dichtelements 32 während des Schmelzvorgangs vermieden wird. An dem offenen Ende der Aufnahme 1 ist ein Kragen 34 vorgesehen, der sich auf das Gehäuse 21 aufsetzen lässt. Der Kragen 34 umgreift das Gehäuse 21 auf seiner dem Messgas abgewandten Seite und wird seinerseits von der Hülse 25 umgriffen. Die Hülse 25 und der Kragen 34 sind durch eine gemeinsame Rundschweißnaht am Gehäuse 21 festgelegt.
Der Messgasraum 28 ist durch die Aufnahme 31 sowie durch das Schutzrohr 24 begrenzt. Abgesehen vom Sensorelement 20 sind keine weiteren Elemente im Messgasraum 28 vorgesehen.
Die Figur 3 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Teilabschnitt eines Gasmessfühlers 10. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 durch die Ausgestaltung der Aufnahme 31. Einander entsprechende Elemente wurden in Figur 3 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 bezeichnet. Der Abstand des Sensorelements 20 von der Wandung der topfartig geformten Aufnahme 31 entspricht beim zweiten Ausführungsbeispiel näherungsweise gerade der Höhe des Sensorelements 20 (also der Ausdehnung des Sensorelements 20 in der Richtung senkrecht zu seiner Großfläche), höchstens jedoch dem Doppelten der Höhe des Sensorelements 20. Die Form der Wandung der Aufnahme 31 entspricht dabei weitgehend der Formung des Sensorelements 20, das heißt, die Wandung ist im Querschnitt rechteckig. Die Kanten der Wandung sind abgerundet.
Die Aufnahme 31 weist im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel keinen Kragen 34 auf. Zur Verbindung der Aufnahme 31 mit dem Gehäuse 21 ist ein S-förmiges metallisches Zwischenstück 36 vorgesehen, das an der metallischen Aufnahme 31 und am Gehäuse 21 durch eine Schweißverbindung 41 festgelegt ist.
Die Figuren 4a und 4b zeigen eine Aufnahme 31, die wie bei dem in Figur 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel das Sensorelement 20 eng umschließt, jedoch einen Kragen 34 aufweist, durch den die metallische Aufnahme 31 wie beim ersten Ausführungsbeispiel mittels einer Schweißverbindung am Gehäuse 21 festgelegt ist.
Die Figuren 5 bis 8 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Gasmessfühlers 10, die sich vom ersten Ausführungsbeispiel in der Gestaltung der Dichtelemente unterscheiden. Einander entsprechende Elemente wurden in den Figuren 5 bis 8 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 bezeichnet. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 enthält die metallische Aufnahme 31 ein erstes Dichtelement 321 und ein zweites Dichtelement 322, wobei das erste Dichtelement 321 auf der dem Messgas zugewandten Seite der metallischen Aufnahme 31 vorgesehen ist. Die beiden Dichtelemente 321, 322 bestehen im wesentlichen aus einem Glas oder einer Glaskeramik, wobei die Schmelztemperatur des Glases des ersten Dichtelements 321 über der Temperatur liegt, auf die der Verbund aus Aufnahme 31 , erstem und zweitem Dichtelement 321, 322 und Sensorelement 20 erhitzt wird, um das Glas des zweiten Dichtelements 322 einzuschmelzen. Damit ist das zweite Dichtelement 322 nach der Fertigung mit dem Gehäuse 21 und dem Sensorelement 20 Stoff schlüssig verbunden und dichtet das Sensorelement 20 im Gehäuse 21 des Gasmessfühlers 10 gasdicht ab. Die glasbildende Komponente des ersten Dichtelements 321 wird bei der Fertigung nicht vollständig aufgeschmolzen. Dadurch wird verhindert, dass das Material des zweiten Dichtelements 322 beim Einschmelzen aus der Aufnahme 31 herausfließen kann.
Die in Figur 6 dargestellte Ausfuhrungsform entspricht der Ausführungsform gemäß
Figur 5 und weist zusätzlich ein drittes Dichtelement 323 auf, das auf der dem Messgas abgewandten Seite des zweiten Dichtelements 322 angeordnet ist. Das dritte Dichtelement 323 besteht im wesentlichen aus einem Glas oder einer Glaskeramik und hat die Eigenschaft, bei den Temperaturen, denen der Gasmessfuhler 10 bei bestimmungsgemäßem Einsatz ausgesetzt ist, eine zähflüssige Konsistenz anzunehmen.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 enthält die Aufnahme 31 ein erstes Dichtelement 331 und ein zweites Dichtelement 332, wobei das erste Dichtelement 331 auf der dem Messgas zugewandten Seite der Aufnahme 31 vorgesehen ist. Das erste Dichtelement 331 ist eine gesinterte Keramikscheibe mit einer Aussparung für das
Sensorelement 20, das zweite Dichtelement 332 enthält wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ein Glas oder eine Glaskeramik. Durch das erste Dichtelement 331 wird verhindert, dass die glasbildende Komponente beim Einschmelzen aus der Aufnahme 31 herausfließt. Die Aussparung 33 für das Sensorelement 20 ist bei dieser Ausführungsform breiter ausgelegt (der Abstand des Bodens der Aufnahme 31 zum
Sensorelement 20 entspricht beispielsweise der Höhe des Sensorelements 20), so dass das Sensorelement 20 leichter in die Aussparung 33 eingeführt werden kann.
Die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform entspricht der Ausführungsform gemäß Figur 7 und enthält zusätzlich ein drittes Dichtelement 333, das zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtelement 331, 332 angeordnet ist. Das dritte Dichtelement 333 ist eine Scheibe aus verpresstem keramischem Pulvermaterial, durch die zusätzlich das Herausfließen des Materials des zweiten Dichtelements 332 beim Einschmelzen verhindert wird. Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann das dritte Dichtelement 333 das zweite Dichtelement 332 ersetzen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch eine Kombination der Ausführungsformen gemäß Figur 5 oder 6 mit den Ausführungsformen gemäß Figur 7 oder 8. Hierbei können Dichtelemente aus einer Ausführungsform durch Dichtelemente einer anderen Ausführungsform ersetzt beziehungsweise Dichtelementen einer anderen
Ausführungsform hinzugefügt werden.
Der Fachmann kommt zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung, wenn die Dichtelemente der Ausführungsformen gemäß Figur 5 bis 8 mit entsprechend angepasster Geometrie in die Aufnahme des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3 oder 4a und 4b eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Gasmessfuhler ( 10) zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur eines Abgases, mit einem in einem metallischen Gehäuse (21) angeordneten Sensorelement (20), das durch mindestens ein in einer metallischen
Aufnahme (31) angeordnetes Dichtelement (32, 321, 322, 323, 331, 332, 333) abgedichtet ist, wobei die metallische Aufnahme (31) am Gehäuse (21) festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (32, 321, 322, 323, 331, 332, 333) das Sensorelement (20) entlang seiner Längserstreckung L mittig oder an seiner dem Messgas zugewandten Hälfte umfasst.
2. Gasmessfuhler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (20) im wesentlichen durch das Dichtelement (32) oder die Dichtelemente (321, 322, 323, 331, 332, 333) und zumindest mittelbar durch die metallische Aufnahme (31) im Gehäuse (21) des Gasmessfuhler (10) festgelegt ist.
3. Gasmessfuhler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Aufnahme (31) unmittelbar an einen Messgasraum (28) angrenzt.
4. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (32, 321, 322, 323, 332) stoffschlüssig mit dem Sensorelement (20) und der metallischen Aufnahme (31) verbunden ist.
5. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (32, 321, 322, 323, 332) überwiegend aus Glas oder aus einer Glaskeramik besteht.
6. Gasmessfuhler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehnungskoeffizient des stoffschlüssig mit dem Sensorelement (20) und der
5 metallischen Aufnahme (31) verbundenen Dichtelements (32, 321, 322, 323, 332) und der Ausdehnungskoeffizient des Sensorelements (20) sich um höchstens 10 Prozent unterscheiden.
7. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, _ 0 dass die metallische Aufnahme (31) durch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch eine Schweißverbindung (41), am Gehäuse (21) festgelegt ist.
8. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Messgas abgewandten Seite des Gasmessfühlers (10) eine Hülse
L5 (25) vorgesehen ist, die einen Abschnitt des Sensorelements (20) sowie eine
Kontaktierung des Sensorelements (20) umgibt, und dass die metallische Aufnahme (31) und die Hülse (25) durch eine gemeinsame stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung (41), am Gehäuse (21) festgelegt sind.
_ 0
9. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Aufnahme (31) topf artig geformt ist und auf einer Seite geschlossen (35) ausgeführt ist, wobei der Boden (35) der topfartig geformten metallischen Aufnahme (31) eine Aussparung (33) zur Aufnahme des Sensorelements (20) aufweist.
25
10. Gasmessfuhler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Sensorelements (20) zur Seitenwand der topfartig geformten metallischen Aufnahme (31) zumindest bereichsweise kleiner oder gleich dem Doppelten der Höhe des Sensorelements (20) ist, wobei die Höhe des Sensorelements (20) die Ausdehnung 0 des Sensorelements (20) senkrecht zu seiner Großfläche ist.
11. Gasmessfuhler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Aufnahme (31) an ihrem offenen Ende einen senkrecht zur Längsachse der metallischen Aufnahme (31) sich nach außen erstreckenden Abschnitt (34) aufweist, an den sich ein weiterer hülsenförmiger Abschnitt (34) anschließt.
12. Gasmessfuhler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Glas enthaltendes Dichtelement (321) und ein zweites Glas enthaltendes Dichtelement (322) vorgesehen sind, wobei die Dichtelemente (321,
322) in Längsrichtung des Sensorelements (20) hintereinander in der Aufnahme (31) angeordnet sind, wobei das Glas des ersten dem Messgas zugewandten Dichtelements (321) einen höheren Schmelzpunkt als das Glas des zweiten, dem Messgas abgewandten Dichtelements (322) aufweist und wobei das Glas des zweiten Dichtelements (322) nach einer Wärmebehandlung vollständig geschmolzen ist und eine stoffschlüssige Verbindung zu dem Sensorelement (20) ausgebildet hat, während das Glas des ersten Dichtelements (321) nicht oder nicht vollständig geschmolzen ist.
13. Gasmessfuhler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glas enthaltendes drittes Dichtelement (323) auf der dem Messgas abgewandten Seite des zweiten Dichtelements (322) vorgesehen ist, das bei den Einsatztemperaturen des Gasmessfühlers (10) eine zähflüssige Konsistenz aufweist.
14. Gasmessfuhler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes dem Messgas zugewandtes Dichtelement (331) und ein zweites, dem Messgas abgewandtes Dichtelement (332) vorgesehen sind, wobei die Dichtelemente (331, 332) in Längsrichtung des Sensorelements (20) hintereinander in der metallischen Aufnahme (31) angeordnet sind, wobei das erste Dichtelement (331) auf der dem Messgas zugewandten Seite der Aufnahme (31) angeordnet ist, und wobei das erste
Dichtelement (331) eine Keramik aufweist, und wobei das zweite Dichtelement (332) Glas oder eine Glaskeramik enthält.
15. Gasmessfuhler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtelement (331, 332) ein drittes Dichtelement (333) aus verpresstem keramischem Pulvermaterial vorgesehen ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines Gasmessfühlers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (20) sowie mindestens ein Dichtelement (32, 321, 322, 323, 331, 332, 333) in seiner Ausgangsform in die metallische Aufnahme (31) eingebracht wird, dass danach der Verbund aus metallischer Aufnahme (31), Dichtelement (32, 321, 322, 323, 331, 332, 333) und Sensorelement (20) auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der mindesten ein Dichtelement (32, 322, 332) eine stoffschlüssige Verbindung zu dem Sensorelement (20) und der metallischen Aufnahme (31) ausbildet, und anschließend in das Gehäuse (21) eingebracht wird, und dass die metallische Aufnahme (31) in dem Gehäuse (21) festgelegt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dichtelement (32, 322, 332) eine glasbildende Komponente enthält und dass der Verbund aus metallischer Aufnahme (31), Dichtelement (32) und Sensorelement (20) vor dem Einbau in das Gehäuse (21) einer Wärmebehandlung oberhalb der Sclimelztemperatur der glasbildenden Komponente des Dichtelements (32, 322, 332) unterzogen wird.
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