WO2016082965A1 - Keramisches sensorelement für einen abgassensor - Google Patents

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WO2016082965A1
WO2016082965A1 PCT/EP2015/071657 EP2015071657W WO2016082965A1 WO 2016082965 A1 WO2016082965 A1 WO 2016082965A1 EP 2015071657 W EP2015071657 W EP 2015071657W WO 2016082965 A1 WO2016082965 A1 WO 2016082965A1
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WO
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sensor element
ceramic sensor
ceramic
platinum
metal
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PCT/EP2015/071657
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English (en)
French (fr)
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Ingrid Gerner
Hans-Joerg Renz
Uwe Glanz
Harald Guenschel
Petra Kuschel
Jens Schneider
Michael Piwonski
Nicolas Maier
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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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
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air

Definitions

  • Ceramic sensor elements for exhaust gas sensors which are prepared by unsintered (“green”) films of stabilized zirconia or alumina, for example by screen printing, provided with metal and ceramic layers, for example by drilling or stamping processes
  • Oxidation resistant materials can not be used as they are not sufficiently stable during the sintering process.
  • Conductor tracks, contact pads and plated-through holes of sensor elements for exhaust gas sensors conventionally also in those areas made of or predominantly made of platinum, which are exposed to normal heat exposure, for example, temperatures below 500 ° C in normal operation. Nuturbine this has high costs.
  • the ceramic sensor element has at least one conductor track which is at least partially exposed and which has a material or a material based on its mass fraction predominantly, that is to say not less than 50%, or consists of a material which is less temperature-resistant and / or oxidation-resistant than platinum.
  • This material may be, for example, a metal, in particular Pd,
  • platinum act, especially palladium, or act of a coin metal, in particular a coin metal with high conductivity, preferably Au, Ag or Cu.
  • the material is a transition metal, in particular Fe, Co or Ni, or is constantan or a superalloy or is a non-noble metal, in particular a transition group or main group metal, preferably Sn, Al, In or Ti.
  • the latter materials may be present in further development in the form of oxides, for example as anodized.
  • Such layers advantageously have particularly favorable mechanical properties, in particular strengths.
  • cermet in this material, for example, a cermet having a metallic portion and a ceramic portion. While one or more of the above-mentioned metals is preferably usable for the metallic portion, the ceramic portion
  • cermets for example, alumina.
  • cermets When using cermets, it is advantageously possible to profit from their conductivity, processability and favorable costs.
  • the ceramic sensor element has an elongated basic shape, wherein an exhaust-side end is opposite a connection-side end in the longitudinal direction, wherein the at least partially exposed conductor is open in the region of the connection-side end and there has the material and in the region of the exhaust side end a higher having temperature-resistant and / or higher oxidation-resistant material, in particular platinum or consists mainly or entirely of platinum or of platinum and ceramic parts.
  • conductor tracks are provided, which consist of two areas of different chemical metallic composition, which in normal operation, in particular in different
  • thermoelectric effects in particular the already known Seebeck effect and the per se known Peltier effect, open up in the present context diverse novel operating methods, for example those which provide local heating or cooling of the ceramic sensor element, generation provide a thermoelectric voltage or a thermo-current and / or the
  • Power supply and / or pumping an electrochemical cell of the ceramic sensor element can be used. Various other applications are conceivable.
  • the application of the less temperature and / or oxidation resistant conductor track portion on the previously sintered ceramic body of the ceramic sensor element can be carried out by a generative process.
  • Generative processes also known as additive processes or 3-D printing, are delimited from conventional procedures in the sense of the VDI Guideline VDI 3404 of 12/2009.
  • the Manufacturing without the use of molds or semi-finished products, in particular by a manufacturing facility, which directly implements a model of the product to be produced (for example a CAD model) that exists only as an electronic data record.
  • the application of the less temperature- and / or oxidation-resistant conductor track portion on the previously sintered ceramic body of the ceramic sensor element can by means of a 3D-MID method, by means of a cold-active plasma, with the known under the brand Plasmadust method and / or by dispensing / baking be carried out at a temperature between 600 ° C and 1 100 ° C.
  • the figure 1 in an exploded perspective view and schematically a sensor element according to the invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of the sensor element according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 4 shows an overview of the production method according to the invention. embodiments
  • Figure 1 shows as an embodiment of the invention an overall view of a sintered sensor element 20, which can be arranged in a housing of a gas sensor (not shown), which is used to determine the
  • Oxygen concentration in an exhaust gas of an internal combustion engine (not shown) is used.
  • the sensor element extends in the longitudinal direction from left to right in FIG. 1, wherein a first end region 201 of the sensor element 20 is depicted on the right and a second end region 202 of the sensor element 20 on the left.
  • first end portion 201 of the sensor element 20 faces an exhaust gas and the second end portion 202 of the sensor element 20 faces away from the exhaust gas.
  • the sensor element 20 extends in the transverse direction from front to back and in the vertical direction from bottom to top.
  • the sensor element 20 is constructed from printed ceramic layers, which in this example as a first, second and a third solid electrolyte foil 21, 22,
  • the sintered Festelektrolytfolien 21, 22, 23 have in the example a length of 60mm, a width of 4mm and a height of 450 ⁇ on.
  • the first solid electrolyte film 21 is on its from the perspective of the sensor element 20 outwardly facing large area, in Figure 1 below, in the second end portion 202 of the sensor element 20 with a contact surface 43 and another
  • the first solid electrolyte foil 21 is provided with a meandering heating device 31 1 in the first end region 201 of the sensor element 20 on its large surface facing inward from the perspective of the sensor element 20, in FIG.
  • a conductor 321, 322 is connected at the ends thereof.
  • the interconnects 321, 322 have on the exhaust side a designated as supply line 323, 325 section, which in the present case has a constant width.
  • the conductor tracks 321, 322 also have, facing away from the exhaust, a section designated as a collar 324, 326, which is present in the form of a ring.
  • the first solid electrolyte film 21 is provided on its from the view of the sensor element 20 inwardly facing large area, in Figure 1 above, further with insulation layers 330 and a sealing frame 331, and a film binder layer 333.
  • the first solid electrolyte foil 21 has two in the second end region 202
  • Through holes 501, 502 which extend in the vertical direction through the first solid electrolyte film 21 and each connect a contact surface 43, 44 with a collar 324, 326 of a conductor 321, 322 electrically conductive, see Figure 2.
  • the second solid electrolyte film 22 is on both sides with one each
  • the second solid electrolyte film 22 has a reference gas channel 35, which extends longitudinally from a reference gas opening 351 disposed away from the exhaust gas into the first end region 201 of the sensor element 20 and extends centrally in the transverse direction.
  • the reference gas channel 35 is unfilled.
  • the third solid electrolyte film 23 is provided with a cermet electrode 312 as a functional element 31 for measuring an oxygen concentration on its large surface facing inward from the view of the sensor element 20, in FIG. 1 below, opposite the reference gas channel 35.
  • Cermet electrode 312 is connected at the end of a conductor 328, wherein the transition from the cermet electrode 312 to the conductor 328 is characterized by a decrease in the pattern width.
  • the conductor track 328 has on the exhaust side a designated as lead 327 portion which in the present case has a constant width.
  • the third solid electrolyte film 23 is on its from the perspective of the sensor element 20 outwardly facing large area, in Figure 1 above, in the second end portion 202nd the sensor element 20 with a contact surface 45 and another
  • a conductor 320 includes
  • a constant width which extends to a arranged in the first end 201 of the sensor element 20 further cermet electrode 313.
  • the third solid electrolyte film 23 has in the second end portion 202 a
  • the plated-through holes 501, 502, 503 are formed as conductive layers of the radial walls of the via holes 601, 602, 603 of the sensor element 20.
  • the diameter of the via holes 601, 602, 603 is 0.48 mm in the example.
  • the sensor element 20 shown in Figures 1 and 2 has at least partially exposed interconnects, namely arranged on the outwardly facing large surface of the third solid electrolyte film 23 interconnect 320 with the further contact surface 46 and the contact surface 45 with the feedthrough 503; furthermore, on the outwardly facing large area of the first
  • Solid electrolyte film 21 arranged contact surfaces 43, 44 with the associated vias 501, 502nd
  • certain exposed parts of these interconnects namely a connection-side part 320a of the conductor 320, the further contact surface 46 and the contact surface 45, the feedthrough 503; Further, the contact surfaces 43, 44 and the vias 501, 502 have a material or consist of a material that less
  • a ceramic body 120 is produced in a first method step 101 (see FIG. 4) in a conventional technique by means of printing, laminating and sintering at over 1000 ° C. of ceramic films from the finished
  • Sensor element 20 differs in that the particular exposed parts of the tracks have a material or consist of a material that is less resistant to temperature and / or oxidation than platinum, more precisely: the connection-side part 320a of the conductor 320, the other contact surface 46 and the contact surface 45, the via
  • the ceramic body 120 is shown in FIG. 3 in a representation corresponding to FIG. In a second method step 102 (see FIG. 4), reference is made to FIG.
  • Ceramic body 102 the specific exposed parts of the conductors which have a material or consist of a material which is less temperature resistant and / or oxidation resistant than platinum, more precisely: the connection-side part 320a of the conductor 320, the further contact surface 46 and the contact surface 45, the plated-through hole 503, the contact surfaces 43,
  • the application 102 takes place, for example, by means of generative methods known per se.
  • the application 102 takes place, for example, by means of a 3D-MID method, by means of a cold-active plasma, by means of the method known under the trademark Plasmadust and / or by dispensing / baking at a temperature between 600 ° C. and 1100 ° C.
  • the finished sensor element 20 shown in FIGS. 1 and 2 is present.
  • the conductor track parts by means of a plasma metallization, the latter is preferably carried out through a non-stick-coated metal, glass or PTFE mask to form fine printed conductor structures with a width of For example, only 50 ⁇ but also geometrically defined solid surfaces to produce reproducible.
  • a non-stick-coated metal, glass or PTFE mask to form fine printed conductor structures with a width of For example, only 50 ⁇ but also geometrically defined solid surfaces to produce reproducible.
  • the material applied to the masks is replaced by a subsequent one
  • Cleaning process e.g., water jet high pressure, CO 2 or etching process.
  • any spatial directions graded metallic layers by means of which, for example, a full-surface EMC shielding or heat dissipation in the range of 5 to 100W / (m * K) for temperature homogenization or heat dissipation is achievable.
  • Additional dispersion layers e.g. Boron nitride applied and thus an increase in corrosion resistance and prevention of electrical shunts are improved by penetrating moisture.
  • Structural elements and manufacturing methods of the known construction and connection technology can, if necessary, in addition to or as an alternative to
  • the platinum-containing parts of the conductor tracks in the longitudinal direction of the sensor element 20 are reduced in size and the platinum-free parts of the conductor tracks in the longitudinal direction of the sensor element 20 is increased, so that the area of the exposed conductor path, which comprises a material or of a material which is less resistant to temperature and / or oxidation than platinum, extends into a middle third of the sensor element 20 extending in the longitudinal direction, preferably even into a half-side of the sensor element 20 in the longitudinal direction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein keramisches Sensorelement (20) für einen Abgassensor, wobei das keramische Sensorelement (20) zumindest eine zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503) ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin.

Description

Beschreibung
Titel
Keramisches Sensorelement für einen Abqassensor Stand der Technik
Es sind bereits keramische Sensorelemente für Abgassensoren bekannt, die hergestellt werden, indem ungesinterte („grüne") Folien aus stabilisiertem Zirkonoxid oder Aluminiumoxid, beispielsweise per Siebdruck, mit Metall- und Keramikschichten versehen, zum Beispiel per Bohr- oder Stanzprozessen mit
Durchkontaktierkanälen versehen, und dann miteinander laminiert und schließlich als Ganzes bei über 1000°C gesintert werden. Durch diese Abfolge der Prozessschritte werden nach dem bekannten Stand der Technik keramische Sensorelemente aufgebaut und in ihnen Heizer- und Elektrodenstrukturen ausgebildet.
Diese Verfahren haben den Nachteil, dass zum Aufbau bzw. zur Beschichtung der Sensorelemente wenig temperaturbeständige und/oder wenig
oxidationsbeständige Materialien nicht verwendet werden können, da sie während des Sinterprozesses nicht ausreichend stabil sind. Somit werden
Leiterbahnen, Kontaktpads und Durchkontaktierungen von Sensorelementen für Abgassensoren herkömmlicherweise auch in jenen Bereichen aus oder überwiegend aus Platin gefertigt, die im bestimmungsgemäßen Betrieb nur mäßiger Wärmeeinwirkung, beispielsweise Temperaturen im Bereich unterhalb 500°C, ausgesetzt sind. Nuturgemäß hat dies hohe Kosten zur Folge.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das keramische Sensorelement zumindest eine zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn aufweist, die ein Material aufweist oder ein Material bezogen auf seinen Massenanteil überwiegend, also zu nicht weniger als 50%, aufweist oder aus einem Material besteht, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um ein Metall, insbesondere Pd,
Ag, Au, Fe, AI, Cr, Ni, oder eine Metalllegierung, insbesondere Pt-Pd, Ag-Pd, Ag- Au, eine Ni-Legierung oder eine Fe-Cr-Al-Legierung, handeln. Auf diese Weise entsteht ein Kostenvorteil, ohne dass die Funktion des Sensorelements beeinträchtigt wäre.
Es kann sich bei diesem Material ferner um ein zumindest weitgehend
oxidationsbeständiges Platingruppenmetall außer Platin handeln, insbesondere Palladium, oder um ein Münzmetall handeln, insbesondere um ein Münzmetall mit hoher Leitfähigkeit, bevorzugt Au, Ag oder Cu.
Weitere Alternativen bestehen darin, dass das Material ein Übergangsmetall ist, insbesondere Fe, Co oder Ni ist, oder Konstantan oder ein Superalloy ist oder ein unedles Metall ist, insbesondere ein Überganggruppen oder Hauptgruppenmetall ist, bevorzugt Sn, AI, In oder Ti ist. Letztere Materialien können in Weiterbildung in Form von Oxiden, beispielsweise als Eloxal vorliegen. Derartige Schichten weisen vorteilhafterweise besonders günstige mechanische Eigenschaften, insbesondere Festigkeiten, auf.
Es kann sich bei diesem Material ferner um ein Cermet handeln, beispielsweise um ein Cermet, das einen metallischen Anteil und einen keramische Anteil aufweist. Während für den metallischen Anteil bevorzugt eines oder mehrere der oben genannten Metalle verwendbar ist, kann der keramische Anteil
beispielsweise Aluminiumoxid sein. Bei der Verwendung von Cermets kann vorteilhafterweise von deren Leitfähigkeit, Verarbeitbarkeit und günstigen Kosten profitiert werden.
In vorteilhaften Weiterbildungen hat das keramische Sensorelement eine längliche Grundform, wobei in Längsrichtung ein abgasseitiges Ende einem anschlussseitigen Ende gegenüberliegt, wobei die zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn im Bereich des anschlussseitigen Endes offen liegt und dort das Material aufweist und im Bereich des abgasseitigen Endes ein höher temperaturbeständiges und/oder höher oxidationsbeständiges Material aufweist, insbesondere Platin aufweist oder überwiegend oder ganz aus Platin oder aus Platin- und Keramikanteilen besteht. Auf diese Weise sind die oben bereits erwähnten Kostenvorteile bei voller abgasseitiger Temperatur- und
Oxidationsbeständigkeit des Sensorelements realisierbar.
Es sind insbesondere Leiterbahnen vorgesehen, die aus zwei Bereichen unterschiedlicher chemischer metallischer Zusammensetzung bestehen, die sich im bestimmungsgemäßen Betrieb insbesondere in unterschiedlichen
Temperaturbereichen befinden und/oder insbesondere von einem Strom durchflössen sind. Die resultierenden thermo-elektrischen Effekte, insbesondere der an sich bereits bekannte Seebeck-Effekt und der an sich bereits bekannte Peltier-Effekt, eröffnen im vorliegenden Zusammenhang vielfältige neuartige Betriebsverfahren, beispielsweise solche, die eine lokale Erwärmung oder Abkühlung des keramischen Sensorelements vorsehen, eine Erzeugung einer Thermospannung oder eines Thermostroms vorsehen und/oder die zur
Energieversorgung und/oder zum Pumpen einer elektrochemischen Zelle des keramischen Sensorelements genutzt werden können. Vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten sind denkbar.
Gemäß dem unabhängigen auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Sensorelements gerichteten Anspruch erfolgt ein Aufbringen des weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständigen Leiterbahnanteils auf dem zuvor bereits gesinterten keramischen Körper des keramischen Sensorelements. Die hohen Temperaturanforderungen des Sinterprozesses, beispielsweise über 1000°C, sind auf diese Weise für diesen Leiterbahnanteil wirkungsvoll umgangen, sodass die Verwendung von Materialien, die weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständig sind als Platin, ohne weiteres möglich wird.
Das Aufbringen des weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständigen Leiterbahnanteils auf dem zuvor bereits gesinterten keramischen Körper des keramischen Sensorelements kann mit einem generativen Verfahren erfolgen.
Generative Verfahren, auch additive Verfahren oder 3-D Druck genannt, werden dabei im Sinne der VDI-Richtlinie VDI 3404 von 12/2009 von den konventionellen Verfahren abgegrenzt. Insbesondere erfolgt bei generativen Verfahren die Fertigung ohne Verwendung von Formen oder Halbzeugen, insbesondere durch eine Fertigungseinrichtung, die ein lediglich als elektronischer Datensatz vorhandenes Modell des herzustellenden Produkts (beispielsweise CAD-Modell) direkt umsetzt.
Das Aufbringen des weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständigen Leiterbahnanteils auf dem zuvor bereits gesinterten keramischen Körper des keramischen Sensorelements kann mittels eines 3D-MID-Verfahren, mittels eines kaltaktivem Plasmas, mit dem unter der Marke Plasmadust bekannten Verfahren und/oder durch Dispensen/Einbrennen bei einer Temperatur zwischen 600°C und 1 100°C erfolgen.
Generative Verfahren unterliegen derzeit einer raschen technologischen
Fortentwicklung und haben ein erhebliches technologisches Potential. Insofern ist zur Herstellung von bereits bekannten, vorliegend offenbarten und zukünftigen Abgassensoren und deren Strukturelementen stets neben den bereits bekannten und den vorliegend offenbarten Fertigungstechnologien auch der in den nächsten Jahren zu erwartende weitere technologische Fortschritt auf dem Gebiet der generativen Fertigungsverfahren zur Realisierung der genannten Vorteile besonders zwingend heranzuziehen.
Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Die Figur 1 in Explosionsdarstellung perspektivisch und schematisch ein erfindungsgemäßes Sensorelement.
Figur 2 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Sensorelements aus Figur 1 .
Figur 3 in Explosionsdarstellung perspektivisch und schematisch das
Sensorelements aus Figur 1 während der Herstellung.
Figur 4 eine Übersicht des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens. Ausführungsformen
Figur 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Gesamtansicht eines gesinterten Sensorelements 20, das in einem Gehäuse eines Gasmessfühlers (nicht gezeichnet) angeordnet werden kann, der zur Bestimmung der
Sauerstoffkonzentration in einem Abgas eines Verbrennungsmotors (nicht gezeichnet) dient.
Das Sensorelement erstreckt sich in der Figur 1 in Längsrichtung von links nach rechts, wobei ein erster Endbereich 201 des Sensorelements 20 rechts und ein zweiter Endbereich 202 des Sensorelements 20 links abgebildet ist. Im bestimmungsgemäßen Verbau und Betrieb ist der erste Endbereich 201 des Sensorelements 20 einem Abgas zugewandt und der zweite Endbereich 202 des Sensorelements 20 dem Abgas abgewandt.
Ferner erstreckt sich in der Figur 1 das Sensorelement 20 in Querrichtung von vorne nach hinten und in Hochrichtung von unten nach oben.
Das Sensorelement 20 ist aus bedruckten keramischen Schichten aufgebaut, die in diesem Beispiel als eine erste, zweite und eine dritte Festelektrolytfolie 21 , 22,
23 ausgebildet sind und Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) enthalten. Die gesinterten Festelektrolytfolien 21 , 22, 23 weisen im Beispiel eine Länge von 60mm, eine Breite von 4mm und eine Höhe von 450μηι auf. Die erste Festelektrolytfolie 21 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach außen weisenden Großfläche, in Figur 1 unten, im zweiten Endbereich 202 des Sensorelements 20 mit einer Kontaktfläche 43 und einer weiteren
Kontaktfläche 44 versehen. Die erste Festelektrolytfolie 21 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach innen weisenden Großfläche, in Figur 1 oben, im ersten Endbereich 201 des Sensorelements 20 mit einer mäanderförmigen Heizvorrichtung 31 1 versehen. In Fortsetzung der mäanderförmigen Heizvorrichtung 31 1 ist an deren Enden jeweils eine Leiterbahn 321 , 322 angeschlossen. Die Leiterbahnen 321 , 322 weisen abgasseitig einen als Zuleitung 323, 325 bezeichneten Abschnitt auf, der vorliegend eine konstante Breite hat. Die Leiterbahnen 321 , 322 weisen ferner abgasabgewandt einen als Kragen 324, 326 bezeichneten Abschnitt auf, der vorliegend ringförmig ausgebildet ist.
Die erste Festelektrolytfolie 21 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach innen weisenden Großfläche, in Figur 1 oben, ferner mit Isolationsschichten 330 und einem Dichtrahmen 331 , sowie einer Folienbinderschicht 333 versehen.
Die erste Festelektrolytfolie 21 weist im zweiten Endbereich 202 zwei
Durchkontaktierungen 501, 502 auf, die in senkrechter Richtung durch die erste Festelektrolytfolie 21 verlaufen und jeweils eine Kontaktfläche 43, 44 mit einem Kragen 324, 326 einer Leiterbahn 321, 322 elektrisch leitendend verbinden, siehe Figur 2.
Die zweite Festelektrolytfolie 22 ist beidseitig mit jeweils einer
Folienbinderschicht 333 versehen, ferner weist die zweite Festelektrolytfolie 22 einen Referenzgaskanal 35 auf, der sich längs von einer abgasabgewandt angeordneten Referenzgasöffnung 351 bis in den ersten Endbereich 201 des Sensorelements 20 erstreckt und dabei in Querrichtung mittig verläuft. Der Referenzgaskanal 35 ist ungefüllt ausgebildet.
Die dritte Festelektrolytfolie 23 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach innen weisenden Großfläche, in Figur 1 unten, dem Referenzgaskanal 35 gegenüberliegend, mit einer Cermetelektrode 312 als Funktionselement 31 zur Messung einer Sauerstoffkonzentration versehen. In Fortsetzung der
Cermetelektrode 312 ist an deren Ende eine Leiterbahn 328 angeschlossen, wobei der Übergang von der Cermetelektrode 312 zu der Leiterbahn 328 durch eine Abnahme der Strukturbreite gekennzeichnet ist.
Die Leiterbahn 328 weist abgasseitig einen als Zuleitung 327 bezeichneten Abschnitt auf, der vorliegend eine konstante Breite hat.
Die dritte Festelektrolytfolie 23 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach außen weisenden Großfläche, in Figur 1 oben, im zweiten Endbereich 202 des Sensorelements 20 mit einer Kontaktfläche 45 und einer weiteren
Kontaktfläche 46 versehen.
An die weitere Kontaktfläche 46 schließt sich eine Leiterbahn 320 mit
beispielsweise konstanter Breite an, die sich bis zu einer im ersten Endbereich 201 des Sensorelements 20 angeordneten weiteren Cermetelektrode 313 erstreckt.
Die dritte Festelektrolytfolie 23 weist im zweiten Endbereich 202 eine
Durchkontaktierung 503 auf, die die in senkrechter Richtung durch die dritte Festelektrolytfolie 23 verläuft und die die Kontaktfläche 45 mit dem Kragen 329 elektrisch leitendend verbindet, siehe Figur 2.
Ein Schnitt durch das in der Figur 1 gezeigte Sensorelement 20, in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Sensorelements 20 durch die
Durchkontaktierungen 501 , 502, 503 ist in der Figur 2, rein schematisch, gezeigt.
Die Durchkontaktierungen 501 , 502, 503 sind als leitfähige Schichten der radialen Wände der Durchkontaktierlöcher 601 , 602, 603 des Sensorelements 20 ausgebildet. Der Durchmesser der Durchkontaktierlöcher 601 , 602, 603 beträgt im Beispiel 0,48mm.
Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Sensorelement 20 weist zumindest teilweise offenliegende Leiterbahnen auf, nämlich die auf der nach außen weisenden Großfläche der dritten Festelektrolytfolie 23 angeordnete Leiterbahn 320 mit der weiteren Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45 mit der Durchkontaktierung 503; ferner die auf der nach außen weisenden Großfläche der ersten
Festelektrolytfolie 21 angeordneten Kontaktflächen 43, 44 mit den zugehörigen Durchkontaktierungen 501 , 502.
Es ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass bestimmte offenliegende Teile dieser Leiterbahnen, nämlich ein anschlussseitiger Teil 320a der Leiterbahn 320, die weitere Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45, die Durchkontaktierung 503; ferner die Kontaktflächen 43, 44 und die Durchkontaktierungen 501 , 502 ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das weniger
temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, beispielsweise aus einer Fe-Cr-Al-Legierung bestehen. Ein abgasseitiger Teil 320b der
Leiterbahn 320 und die im Inneren des Sensorelements 20 angeordneten Leiterbahnen, beispielsweise die Leiterbahnen 321 , 322, 328 bestehen hingegen, wie im Stand der Technik üblich, ganz oder überwiegend aus Platin oder einem Platin-Cermet.
Zur Herstellung des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Sensorelements wird in einem ersten Verfahrensschritt 101 (siehe Figur 4) in an sich bekannter Technik, mittels Bedrucken, Laminieren und Sintern bei über 1000°C von keramischen Folien ein keramischer Körper 120 hergestellt, der sich von dem fertigen
Sensorelement 20 dadurch unterscheidet, dass die bestimmten offen liegenden Teile der Leiterbahnen die ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, genauer gesagt: der anschlussseitige Teil 320a der Leiterbahn 320, die weitere Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45, die Durchkontaktierung
503, die Kontaktflächen 43, 44 und die Durchkontaktierungen 501 , 502, noch nicht aufgebracht sind. Der keramische Körper 120 ist in der Figur 3 in einer Darstellung entsprechend der Figur 1 dargestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt 102 (siehe Figur 4) werden auf den
Keramikkörper 102 die bestimmten offen liegenden Teile der Leiterbahnen die ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, genauer gesagt: der anschlussseitige Teil 320a der Leiterbahn 320, die weitere Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45, die Durchkontaktierung 503, die Kontaktflächen 43,
44 und die Durchkontaktierungen 501 , 502, aufgebracht. Das Aufbringen 102 erfolgt beispielsweise mittels an sich bekannter generativer Verfahren. Das Aufbringen 102 erfolgt beispielsweise mittels eines 3D-MID-Verfahrens, mittels eines kaltaktiven Plasmas, mittels des unter der Marke Plasmadust bekannten Verfahrens und/oder durch Dispensen/Einbrennen bei einer Temperatur zwischen 600°C und 1 100°C. Im Anschluss an den zweiten Verfahrensschritt 102 liegt das in den Figuren 1 und 2 gezeigte fertige Sensorelement 20 vor.
Im Fall des Aufbringens der Leiterbahnteile mittels einer Plasma-Metallisierung erfolgt letztere bevorzugt durch eine antihaftbeschichtete Metall-, Glas- oder PTFE-Maske hindurch, um feine Leiterbahnstrukturen mit einer Breite von beispielsweise nur 50μηι aber auch geometrisch definierte Vollflächen reproduzierbar herstellen zu können. Zur Wiederverwendung der Masken wird das auf die Masken aufgetragene Material durch einen anschließenden
Säuberungsprozess (z.B. Wasserstrahl-Hochdruck; C02 oder Ätzprozess) entfernt.
Optional ist es möglich, in beliebigen Raumrichtungen gradierte metallische Schichten aufzubringen, mittels derer beispielsweise eine vollflächige EMV- Abschirmung oder Wärmeableitung im Bereich von 5 bis 100W/(m*K) zur Temperaturhomogenisierung oder Entwärmung erreichbar ist.
Wenngleich oben exemplarisch von einem planaren Sensorelement
ausgegangen wurde, lassen sich die Leiterbahnen auch auf unebenen
Oberflächen aufbringen. Auf diese Weise sind beispielsweise auch in einem Arbeitsgang kostengünstige, insbesondere spiralförmige Heizelemente und/oder Induktivitäten herstellbar, beispielsweise in einer Anwendung als HF-Filter oder Transformator.
Es können ferner zusätzliche Dispersionsschichten, z.B. aus Bornitrid aufgebracht werde und somit eine Erhöhung der Korrosionsfestigkeit und eine Verhinderung elektrischer Nebenschlüsse durch eindringende Feuchtigkeit verbessert werden.
Strukturelemente und Fertigungsverfahren der an sich bekannten Aufbau- und Verbindungstechnik können nach Bedarf ergänzend oder alternativ zur
Anwendung kommen.
Bei einem alternativen Ausführbeispiel sind im Vergleich zum vorangehend beschriebenen die platinhaltigen Teile der Leiterbahnen in Längsrichtung des Sensorelements 20 verkleinert und die platinfreien Teile der Leiterbahnen in Längsrichtung des Sensorelements 20 vergrößert, so dass der Bereich der offenliegenden Leiterbahn, der ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, sich bis in ein in Längsrichtung mittleres Drittel des Sensorelements 20 erstreckt, vorzugsweise sogar bis in eine in Längsrichtung abgasseitige Hälfte des Sensorelements 20.

Claims

Ansprüche
Keramisches Sensorelement (20) für einen Abgassensor, wobei das keramische Sensorelement (20) zumindest eine zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501 , 502, 503) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501 , 502, 503) ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin.
Keramisches Sensorelement (20) nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass das Material ein Metall, insbesondere Pd, Ag, Au, Fe, AI, Cr, Ni, oder eine Metalllegierungen, insbesondere Pt-Pd, Ag-Pd, Ag-Au, eine Ni-Legierung oder eine Fe-Cr-Al-Legierung, oder ein Cermet ist.
Keramisches Sensorelement (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein zumindest weitgehend
oxidationsbeständiges Platingruppenmetall außer Platin ist, insbesondere Palladium ist, oder ein Münzmetall ist, insbesondere ein Münzmetall mit hoher Leitfähigkeit ist, bevorzugt Au, Ag oder Cu ist.
Keramisches Sensorelement (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Übergangsmetall ist, insbesondere Fe, Co oder Ni ist, oder Konstantan oder ein Superalloy ist oder ein unedles Metall ist, insbesondere ein Überganggruppen oder Hauptgruppenmetall ist, bevorzugt Sn, AI, In oder Ti ist.
Keramisches Sensorelement (20) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501 , 502, 503) zumindest in Teilbereichen des offenliegenden Bereichs nicht platinhaltig ist.
Keramisches Sensorelement (20) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Sensorelement (20) eine längliche Grundform aufweist, wobei in Längsrichtung ein abgasseitiges Ende (201 ) einem anschlussseitigen Ende (202)
gegenüberliegt, wobei die zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501 , 502, 503) im Bereich des anschlussseitigen Endes (202) offen liegt und dort das Material aufweist und im Bereich des abgasseitigen Endes (201 ) ein höher temperaturbeständiges und/oder höher oxidationsbeständiges Material aufweist, insbesondere Platin aufweist oder überwiegend oder ganz aus Platin oder aus Platin- und Keramikanteilen besteht.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Sensorelements (20) für einen Abgassensor, insbesondere eines keramischen Sensorelements (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501 , 502, 503) zumindest teilweise auf einem zuvor gesinterten keramischen Körper (120) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen (102) mittels einem generativen Verfahren, insbesondere mittels einem der folgenden Verfahren erfolgt: 3D-MID-Verfahren, kaltaktives Plasma, und/oder Dispensen/Einbrennen bei T=600..1 100°C.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen durch eine Maske hindurch erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines Keramisches Sensorelement (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis eines Stromflusses durch die offenliegende Leiterbahn (43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501 , 502, 503) eine lokale Erwärmung oder Abkühlung des keramischen
Sensorelements (20) erzeugt wird oder dass eine Thermospannung generiert wird, die zur Energieversorgung des keramischen Sensorelements (20) und/oder zum Pumpen einer elektrochemischen Zelle des keramischen Sensorelements (20) genutzt werden kann.
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