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WO2013034352A1 - Method for producing a sensor element - Google Patents

Method for producing a sensor element Download PDF

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Publication number
WO2013034352A1
WO2013034352A1 PCT/EP2012/064393 EP2012064393W WO2013034352A1 WO 2013034352 A1 WO2013034352 A1 WO 2013034352A1 EP 2012064393 W EP2012064393 W EP 2012064393W WO 2013034352 A1 WO2013034352 A1 WO 2013034352A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heating element
solid electrolyte
μηη
insulating layer
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/064393
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jens Schneider
Lothar Diehl
Sascha Klett
Gerhard Schneider
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
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN201280042715.2A priority Critical patent/CN103765203B/en
Publication of WO2013034352A1 publication Critical patent/WO2013034352A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Definitions

  • Properties of the gas wherein one or more properties can be detected.
  • the invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the gas.
  • the oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the gas are detectable, such as the
  • such sensor elements can be configured as so-called lambda probes, as they are known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in
  • broadband lambda probes in particular with planar broadband lambda probes, for example, the
  • the lambda probe Due to its measuring principle, the lambda probe usually has to be first heated to its operating temperature, since the solid electrolyte becomes conductive only at temperatures above 350 ° C. for oxygen ions.
  • the operating temperature is
  • Heating element can with the solid electrolyte by means of a high temperature resistant material be connected, in particular by means of a glass ceramic, a ceramic adhesive or a glass frit.
  • a high temperature resistant material for bonding the heating element to the solid electrolyte, it is possible to use an adhesive which is applied to the solid electrolyte by brushing, painting, printing, spraying or as a decal.
  • the adhesive may have a thickness of from 2 ⁇ to 300 ⁇ and preferably from 5 ⁇ to 250 ⁇ and more preferably from 10 ⁇ to 200 ⁇ .
  • a layer is to be understood as meaning a uniform mass in areal extent with a certain height which lies above, below or between other elements.
  • An electrode in the context of the present invention is generally understood to mean an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode.
  • the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte.
  • the electrodes comprise a noble metal electrode, which may, for example, be applied to the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte.
  • Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold and / or palladium, are in principle applicable.
  • a heating element is generally to be understood as meaning an element which is capable of heating the solid electrolyte and the electrodes to their functional temperature.
  • the heating element can a
  • a heating region of the heating element is to be understood as that region of the heating element which overlaps the electrode in the direction of this layer structure. For example, in a planar structure of a lambda probe, the overlap in a direction perpendicular to the
  • the heating area is usually located in an end region of the solid electrolyte.
  • a supply region is to be understood as that region of the heating element which serves to transport the energy for heating the solid electrolyte and the electrode into the heating region.
  • a protective glaze is to be understood as meaning a glaze which may contain aluminum, silicon and / or barium and serves to protect a component against external influences, such as, for example, thermal stresses, mechanical effects or damage by electrical voltage.
  • a coefficient of thermal expansion is to be understood as a characteristic value which describes the behavior of a substance with respect to changes in its dimensions in the case of temperature changes.
  • this is the ratio between the relative volume increase dV / V, ie Volume change compared to the initial volume, and to understand the temperature change dT of a body, so that the characteristic value has the unit 1 / K.
  • a high-temperature resistant material is to be understood as meaning a material which is at a temperature, such as its state, in particular its state of aggregation
  • frit is a
  • the glass frit is formed, for example, by superficial melting of glass powder, whereby the glass grains cake together. Both the powder and the resulting material is called a frit. In some manufacturing processes, the resulting material is additionally quenched. The result is a porous material. Finally, it is easy to produce a powder from the quenched material by grinding, which is also called a frit.
  • tempering is to be understood as meaning the heating of a solid to a temperature below the melting temperature. This happens over a long period of time, which can span several hours. Due to the increased mobility of the atoms of the solid structure defects can be compensated and the crystal structure in the near and far order can be improved. In this way, the process of melting and cooling to adjust the crystal structure can be avoided.
  • the annealing is carried out at a temperature of at most 1000 ° C, preferably at a temperature of 400 ° C to 800 ° C.
  • the lambda probe can be designed, for example, as a finger probe or as a planar lambda probe, that is to say for example as a lambda probe with a laminar structure.
  • a lambda probe with a laminar structure For example, jump probes and / or broadband lambda probes can be realized.
  • the ceramic substrate for example
  • the ceramic sensor element may comprise at least one electrochemical cell.
  • an electrochemical cell is to be understood as meaning an element which comprises at least two electrodes and at least one solid electrolyte which connects the electrodes.
  • a temperature of Ceramic sensor element can be determined for example by means of a determination of an internal resistance of the electrochemical cell. In a ceramic sensor element with a Nernst cell, the temperature of the ceramic
  • Sensor element can be detected for example by means of a determination of the internal resistance of the Nernst cell.
  • the heating of the ceramic sensor element and / or the power supply of the heating element can be effected by means of an electrical energy source, such as the battery in a vehicle.
  • the production method according to the invention differs from the methods known from the prior art by the following features: printing, rolling, brushing or painting, such as by means of a stencil
  • a heater structure on a sintered ceramic substrate such as a sensor element of an exhaust probe, using an ink or paste with platinum or platinum compound as an electrical conductor and a scaffolding portion for stabilizing the heater structure, and a subsequent coating with a thin oxide insulating layer or protective glaze, such as aluminum , Silicon and / or barium fractions, and a subsequent process step for the firing of the heater structures and the protective glaze.
  • a thin oxide insulating layer or protective glaze such as aluminum , Silicon and / or barium fractions
  • a prefabricated heating element on or in the prefabricated sintered solid electrolyte body to produce the sensor element.
  • a high-temperature-resistant material which is subjected to a temperature treatment together with the solid electrolyte, for example a glass ceramic, a ceramic adhesive or a glass frit.
  • a heating element preferably from the support material alumina, silicon carbide, aluminum nitride, barium steatite, steatite, cordierite or other common ceramic insulating materials, this is
  • the heating element can basically be realized as a co-sintered or subsequently sintered platinum-metal group structure.
  • the heating element is a weak heating element for bridging cold
  • Metals of the platinum group metal for the structure of the heating element is due to the high thermal load of hot exhaust gases, which may be up to about 1000 ° C at full load required.
  • the heating element is formed in particular from platinum cermet and may correspond to the prior art material composition, but is designed with a high support framework proportion and thin meander and lead structures to a total cold resistance of 8 ⁇ to 20 ⁇ . It suffices in this case to design the heat output in such a way that, when heating in a cold ambient temperature, i. at temperatures from -20 ° C to -40 ° C, one
  • a sensor element with a maximum length of 40 mm and a maximum width of 6 mm which has an integrated heating element, the minimum cold resistance at 20 ° C from 8 ⁇ to 20 ⁇ and a
  • Figure 3 is a cross-sectional view of a sensor element of a third
  • Figure 1 shows a cross-sectional view of a first embodiment of a
  • the sensor element 10 is described as an exemplary component of a planar lambda probe, but is not limited to this type of lambda probe, but can also be designed as a finger probe. Since this lambda probe has a compact design for use in small motor vehicles, the sensor element 10 has, for example, a length, ie a dimension in the direction of the view of FIG.
  • the sensor element 10 1 of not more than 50 mm, in particular not more than 45 mm and particularly preferably not more than 40 mm, and a width, ie a dimension from left to right or vice versa the Figure 1 of a maximum of 10 mm, in particular a maximum of 8 mm and more preferably a maximum of 6 mm, on.
  • the sensor element 10 is not more than 50 mm, in particular not more than 45 mm and particularly preferably not more than 40 mm, and a width, ie a dimension from left to right or vice versa the Figure 1 of a maximum of 10 mm, in particular a maximum of 8 mm and more preferably a maximum of 6 mm, on.
  • the sensor element 10 the sensor element 10
  • FIG. 1 is a view of a cross section perpendicular to a longitudinal direction of the sensor element 10.
  • the sensor element 10 has a solid electrolyte 12 which is yttrium-stabilized
  • the heating element 18 is arranged to heat the electrodes 14, 16 and the solid electrolyte 12.
  • the electrodes 14, 16 are connected to one another via the solid electrolyte 12 and can form a Nernst cell and / or electrochemical cell. It is also possible to provide further functional layers, for example further electrodes, a conductor track, a diffusion barrier, a diffusion gap, a further heating element and / or an oxygen pumping cell. These functional layers may be incorporated or integrated in the solid electrolyte 12.
  • the optional Nernst cell in the solid electrolyte 12 is preferably provided to measure the respective residual oxygen content in a combustion exhaust gas and from this the ratio of
  • the first insulating layer 22 may have a thickness of 30 ⁇ m.
  • the first insulating layer 22 is made of alumina in the main component. Alternatively or additionally, however, silicon carbide, aluminum nitride, barium steatite, steatite or cordierite can be used for the first insulating layer 22.
  • the heating element 18 is arranged on the first insulating layer 22.
  • the heating element 18 is of a second Insulating layer 24 or protective glaze covered or coated so that the
  • Thermal expansion coefficients can be carried out by additions of silica, calcium oxide, magnesium oxide, barium oxide or other metal oxides. Furthermore, it is possible and advantageous to adapt the modulus of elasticity of the first
  • Insulating layer 24 by targeted introduction of porosity make.
  • the porosity can be achieved by introducing a pore-forming agent, which usually consists of
  • Carbon based materials is to be adjusted. This volatilizes or burns during sintering, preferably residue-free, leaving behind cavities.
  • the solid electrolyte 12 is then together with the electrodes 14, 16, the
  • Process step for arranging a heating element 18 is provided.
  • the heating element 18 is applied to the first insulating layer 22 of the sintered solid electrolyte 12
  • the heating element 18 is preferably made of metals from the
  • Platinum metal group such as platinum, rhodium, palladium, gold, or even transition metals, e.g. Chromium, tungsten or molybdenum, or their alloys.
  • the geometry of the heating element 18 of the solid electrolyte 12 is adapted to the requirements of the assembly.
  • the heating element 18 may be designed such that the electrical power input is mainly in the heating area, i. in the region of a measuring cell of the sensor element 10, is implemented.
  • Measuring cell is the area of the heating element 18, which overlaps with the electrodes 14, 16. This can be done by a corresponding design of the electrical resistance of the heating element 18, in which in the heating area, i. the area of
  • Measuring cell for example, a resistance of 8 ⁇ to 20 ⁇ , for example, 10 ⁇ , is provided and in a supply range, a resistance of 1 ⁇ to 3 ⁇ is provided. This can be done, for example, by the heating conductor having a smaller cross-section in the heating region than in the supply region.
  • the heating element 18 is then coated with the second insulating layer 24 or protective glaze, which can also be applied as a paste or ink or as a prefabricated decal. Subsequently, a drying process and then a thermal treatment, such as a renewed sintering process, such as at a temperature of 900 ° C to 1250 ° C, over several hours.
  • the second insulating layer 24 or the protective glaze is made of a similar material as the first insulating layer 22, which is burned due to its composition at low temperature together with the heating element 18 and so permanently adheres to the first insulating layer 22.
  • the first insulating layer 22 and the second insulating layer 24 are preferably made thin with said thicknesses and made of a material such as alumina, which is electrically insulating and a high
  • FIG. 2 shows a cross-sectional illustration of a sensor element 10 according to a second embodiment. Below are just the differences to the first
  • the sensor element 10 likewise has a solid electrolyte 12, wherein a heating element 18 is arranged on one side of the solid electrolyte 12 opposite the first electrode 14.
  • the heating element 18 is embedded in an insulating layer 22 and fixedly attached to the solid electrolyte 12 by means of an adhesive 26.
  • the adhesive 26 is arranged as a layer, the layer thickness of the adhesive 26 being 2 .mu.m to 300 .mu.m, preferably 5 .mu.m to 250 .mu.m, and particularly preferably 10 .mu.m to 200 .mu.m, for example 50 .mu.m.
  • the adhesive 26 is made of a
  • the production of the sensor element 10 takes place in such a way that a solid electrolyte 12 in a green state, i. an unsintered state, in a conventional manner by, for example, the thick-film technique and / or the Folienlaminiertechnik and / or a screen printing process and / or a spray process with the functional layers, in particular the electrodes 14, 16 and the reference channel 20, is provided.
  • the solid electrolyte 12 is then together with the electrodes 14, 16 and the
  • Reference channel 20 sintered.
  • the sintering can be carried out for example at a temperature of 900 ° C to 1400 ° C for several hours.
  • Such a finished, i. already sintered solid electrolyte 12 with the electrodes 14, 16 already arranged thereon and the introduced reference channel 20 is then used for a subsequent method step for arranging a heating element 18
  • an adhesive 26 is applied, for example, brushed, for example by a brush or a squeegee, printed, for example by screen printing or pad printing, sprayed or glued as a decal.
  • Layer thickness of the adhesive 26 is chosen so that it is 2 ⁇ to 300 ⁇ , preferably 5 ⁇ 250 ⁇ and more preferably 10 ⁇ to 200 ⁇ , for example, 50 ⁇ after a thermal treatment, which will be described below.
  • a material development or Adaptation of existing material systems may be required.
  • a ceramic adhesive, a glass ceramic or glass frits can be used.
  • an adhesive 26 is used, which after a thermal described later
  • Treatment has a coefficient of thermal expansion which is identical to the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte 12 and the heating element 18 or, if this is not technically possible, has a coefficient of thermal expansion which substantially the arithmetic mean between the
  • Thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 12 and the heating element 18 has. For example, if the solid electrolyte 12 has a
  • the embedding of the heating element 18 in the insulating layer 22 can be effected, for example, by applying the heating element 18 to a first part of the insulating layer 22, for example by printing or brushing on a paste, and then applying a second part of the insulating layer 22 covering the heating element 18 , By a subsequent sintering process from the first part and the second part of the insulating layer 22 is a monolithic composite, so that the two parts are no longer distinguishable and a single insulating layer 22 is present with the heating element 18 therein.
  • Thermal expansion coefficient for the heating element refers to the composite of the insulating layer 22 and the heating element embedded therein 18.
  • the insulating layer 22 thus serves as a support for the heating element 18, since it carries the heating element 18, in particular carries in itself.
  • a support material for the heating element 18 for example, a material may be used which preferably consists of aluminum oxide, silicon carbide, aluminum nitride, magnesium oxide, silicon oxide, barium steatite, steatite and / or cordierite or other commercially available ceramic insulating materials. These materials are electrically insulating and have a high thermal conductivity.
  • the material used for the heating element 18 is preferably platinum, rhodium, palladium, gold, chromium, tungsten, molybdenum or their alloys.
  • the geometry of the heating element 18 of the solid electrolyte 12 is adapted to the requirements of the assembly.
  • the insulating layer 22 has, for example, a thickness of 60 ⁇ and is thus preferably made thin.
  • the heating element 18 can be designed in such a way that the electrical power input is converted mainly in the heating area, ie the part of the heating element 18 which will be located in a region of a measuring cell of the sensor element 10.
  • the measuring cell is the area of the solid electrolyte 12 which overlaps with the electrodes 14, 16.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a sensor element 10 according to a third embodiment. The following are merely the differences to the second
  • the sensor element 10 of the third embodiment also has a solid electrolyte 12 and a first electrode 14 and a second electrode 16 and one therein
  • the heating element 18 is embedded in an insulating layer 22 on an opposite side of the first electrode 14
  • Heating element 18 is attached to the solid electrolyte 12 without adhesive.
  • the insulating layer 22 with the heating element 18 embedded therein is in a
  • Heating element 18 and may for example be 50 kN. By pressing it comes to a compression, in particular in the area of the contact surfaces of the
  • Solid electrolyte 12 and the insulating layer 22 so that they are superficially pressed into each other depending on the applied force. Subsequently, the solid electrolyte 12 and the insulating layer 22 connected thereto are removed from the mold and subjected to a thermal treatment. This takes place for example as heat treatment at a temperature of at most 1000 ° C., preferably at a temperature of 400 ° C. to 800 ° C., for example at 600 ° C. for 12 hours, and thus at a lower temperature than a sintering process. The heat transfer takes place by heat radiation and convection. A common sintering of the solid electrolyte 12 and the insulating layer 22 with the heating element 18 embedded therein is in this
  • the tempering is preferably used to stabilize the mechanical connection between the solid electrolyte 12 and the insulating layer 22. This also leads to a permanent bonding of the solid electrolyte 12 with the insulating layer 22. An eventual air gap between the insulating layer 22 and the solid electrolyte 12 may by a correspondingly stronger design the heating power of the heating element 18 can be compensated.
  • a heating element 18 is used, which has a total cold resistance of 8 to 20 ⁇ . Furthermore, all have
  • Sensor elements have a maximum length of 55 mm, preferably 45 mm, more preferably a maximum of 40 mm, and a maximum width of 8 mm, preferably not more than 7 mm and more preferably not more than 6 mm, for example a length of 35 mm and a width of 5 mm ,

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Abstract

A method is proposed for producing a sensor element (10) for detecting at least one property of a gas in a measurement space, more particularly for detecting a gas component in the gas or a temperature of the gas. The method comprises the following steps: providing a sintered solid electrolyte (12), arranging a heating element (18) on or in the solid electrolyte (12), and the conjoint thermal treatment of the solid electrolyte (12) and the heating element (18).

Description

Beschreibung Titel  Description title
VERFAHREN UM HERSTELLEN EINES SENSORELEMENTS METHOD FOR MANUFACTURING A SENSOR ELEMENT
Stand der Technik State of the art
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische A large number of sensor elements and methods for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space are known from the prior art. This can basically be any physical and / or chemical
Eigenschaften des Gases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Gases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Gas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Gases erfassbar, wie beispielsweise die Properties of the gas, wherein one or more properties can be detected. The invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the gas are detectable, such as the
Temperatur des Gases. Temperature of the gas.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als sogenannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im For example, such sensor elements can be configured as so-called lambda probes, as they are known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in
Kraftfahrzeug, 1 . Auflage 2010, S. 160-165 bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die  Motor vehicle, 1. Edition 2010, pp. 160-165. With broadband lambda probes, in particular with planar broadband lambda probes, for example, the
Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Determined oxygen concentration in the exhaust gas in a wide range and thus be closed to the air-fuel ratio in the combustion chamber. The air ratio λ describes this air-fuel ratio.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf ionenleitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (Zr02), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al203) und/oder Siliziumoxid (Si02) enthalten können. In particular, ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, ie ion-conducting properties of these solids. In particular, these solids can be ceramic solid electrolytes, such as, for example, zirconium dioxide (ZrO 2 ), in particular yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and / or Scandium-doped zirconia (ScSZ), which may contain minor additions of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or silicon oxide (Si0 2 ).
Aufgrund ihres Messprinzips muss die Lambdasonde in der Regel zunächst auf ihre Betriebstemperatur erwärmt werden, da der Festkörperelektrolyt erst bei Temperaturen oberhalb 350 °C für Sauerstoffionen leitend wird. Die Betriebstemperatur liegt Due to its measuring principle, the lambda probe usually has to be first heated to its operating temperature, since the solid electrolyte becomes conductive only at temperatures above 350 ° C. for oxygen ions. The operating temperature is
üblicherweise im Bereich von 600 °C bis 900 °C. usually in the range of 600 ° C to 900 ° C.
Üblicherweise weisen die Lambdasonden daher ein Heizelement auf, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden dient. Dieses Heizelement wird üblicherweise auf einen Festelektrolyten oder auf eine Festelektrolytschicht im Grünlingszustand, d.h. in einem ungesinterten Zustand, aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt oder aufgedruckt. Anschließend wird der Festelektrolyt zusammen mit dem darauf angeordneten The lambda probes therefore usually have a heating element which serves to heat the solid electrolyte and the electrodes. This heating element is usually applied to a solid electrolyte or to a solid electrolyte layer in the green state, i. in an unsintered state, applied, for example, glued or printed. Subsequently, the solid electrolyte is arranged together with the one
Heizelement gesintert, um eine dauerhafte Haftung des Heizelements an dem Heating element sintered to a permanent adhesion of the heating element to the
Festelektrolyten zu gewährleisten. To ensure solid electrolyte.
Gerade in asiatischen Ländern sind motorisierte Zweiräder stark verbreitet. In diesen Ländern sind in den nächsten Jahren signifikante Verschärfungen der Abgasvorschriften geplant. Daraus resultiert ein großer Bedarf an Sensorelementen, insbesondere stöchiometrischen Lambdasonden, zur Gemischregelung bei den Verbrennungsmotoren dieser Zweiräder. Die Anforderungen an Lambdasonden für kleinmotorisierte Fahrzeuge, wie beispielsweise Motorräder, unterscheiden sich dabei deutlich von den Anforderungen an Lambdasonden für Kraftfahrzeuge. Insbesondere müssen die Sensorelemente für kleinmotorisierte Fahrzeuge noch kostengünstiger und kleinbauender ausgelegt werden. Ferner muss die Temperaturbelastbarkeit der verschiedenen Bauteile, wie beispielsweise Festelektrolyt, Sondenkörper oder Kabelausgang, mindestens genauso hoch sein wie bei Sensorelementen für Kraftfahrzeuge, da die kleinmotorisierten Fahrzeuge üblicherweise kostengünstigere Motorenkonzepte verwenden, die eine schlechtere Verbrennung aufweisen und somit einen schlechteren Wirkungsgrad bedingen. Daher kommt es zu langen Betriebsphasen im Volllastbetrieb, so dass die Sensorelemente entsprechend hohen Abgastemperaturen ausgesetzt sind. Motorized two-wheelers are very common in Asian countries. Significant tightening of emissions regulations is planned in these countries over the next few years. This results in a great need for sensor elements, in particular stoichiometric lambda probes, for mixture control in the internal combustion engines of these two-wheelers. The requirements for lambda sensors for small motor vehicles, such as motorcycles, for example, differ significantly from the requirements for lambda sensors for motor vehicles. In particular, the sensor elements for small motor vehicles must be designed even more cost-effective and physically smaller. Furthermore, the temperature resistance of the various components, such as solid electrolyte, probe body or cable exit, must be at least as high as in sensor elements for motor vehicles, since the small motor vehicles usually use cheaper engine concepts, which have a worse combustion and thus cause a lower efficiency. Therefore, it comes to long periods of operation in full load operation, so that the sensor elements are exposed to correspondingly high exhaust gas temperatures.
Lambdasonden für Kraftfahrzeuge, insbesondere Automobile, und Nutzfahrzeuge weisen ein vergleichsweise großes Heizelement mit einer hohen Leistungsaufnahme auf. Ein niederohmiger, leistungsstarker Heizer, wie er bei solchen Lambdasonden verwendet wird, wäre für kleinmotorisierte Fahrzeuge zu groß und aufgrund der zusätzlichen Kosten für eine leistungsstarke Heizerendstufe sowie für eine wärmeeffektive Wärmeableitung aus dem Steuergerät problematisch. Lambda sensors for motor vehicles, especially automobiles, and commercial vehicles have a comparatively large heating element with a high power consumption. A low-impedance, high-performance heater, as used in such lambda probes would be too large for small-sized vehicles and because of the additional cost problematic for a high-performance heater output stage as well as for heat-efficient heat dissipation from the control unit.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Es werden daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder einer Temperatur des Gases, und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgeschlagen, das in seiner Konstruktion kompakter als bislang bekannte Therefore, a sensor element is proposed for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, in particular for detecting a gas component in the gas or a temperature of the gas, and a method for its production, which is more compact in its construction than previously known
Sensorelemente für Kraftfahrzeuge ist und das insbesondere für kleinmotorisierte Sensor elements for motor vehicles is and especially for small motorized
Fahrzeuge, insbesondere Zweiräder, wie beispielsweise Motorräder, geeignet ist. Vehicles, especially two-wheelers, such as motorcycles, is suitable.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensorelements umfasst die folgenden Schritte, vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge: The method according to the invention for producing such a sensor element comprises the following steps, preferably in the order given:
Bereitstellen eines gesinterten Festelektrolyten, Providing a sintered solid electrolyte,
Anordnen eines Heizelements an oder in dem Festelektrolyten, und gemeinsame thermische Behandlung des Festelektrolyten und des Arranging a heating element on or in the solid electrolyte, and common thermal treatment of the solid electrolyte and the
Heizelements. Heating element.
Das Heizelement kann in einem ungesinterten Zustand an oder in dem Festelektrolyten angeordnet werden und die thermische Behandlung kann ein Sintern sein. Der The heating element may be disposed in or on the solid electrolyte in an unsintered state, and the thermal treatment may be sintering. Of the
Festelektrolyt kann eine Isolierschicht aufweisen, auf die das Heizelement angeordnet wird, und das Heizelement kann vor dem Sintern mit einer Isolierschicht oder einer Schutzglasur beschichtet werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Isolierschicht des Festelektrolyten kann von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolierschicht des Heizelements maximal um 10 %, bevorzugt maximal 5 % und besonders bevorzugt maximal 2 % abweichen, beispielsweise um 1 %. Die Isolierschicht des Festelektrolyten kann eine Dicke von 2 μηη bis 100 μηη, bevorzugt 5 μηη bis 75 μηη und besonders bevorzugt von 10 μηη bis 50 μηη, aufweisen. Das Heizelement kann durch Aufdrucken, Aufrollen, Aufpinseln oder Aufstreichen an oder in dem Festelektrolyten angeordnet werden. Das Heizelement kann auch in einem gesinterten Zustand an oder in dem Festelektrolyten angeordnet werden und die thermische Behandlung kann ein Tempern sein. Das Heizelement kann durch Aufkleben oder mechanisches Verbinden, Solid electrolyte may include an insulating layer on which the heating element is disposed, and the heating element may be coated with an insulating layer or a protective glaze prior to sintering. The coefficient of thermal expansion of the insulating layer of the solid electrolyte may differ from the coefficient of thermal expansion of the insulating layer of the heating element by at most 10%, preferably at most 5% and particularly preferably at most 2%, for example by 1%. The insulating layer of the solid electrolyte may have a thickness of 2 μηη to 100 μηη, preferably 5 μηη to 75 μηη and more preferably from 10 μηη to 50 μηη have. The heating element can be arranged by printing, rolling, brushing or painting on or in the solid electrolyte. The heating element can also be arranged in a sintered state on or in the solid electrolyte and the thermal treatment can be a tempering. The heating element can be attached by gluing or mechanical bonding,
insbesondere Verpressen, an oder in dem Festelektrolyten angeordnet werden. Dasin particular pressing, be arranged on or in the solid electrolyte. The
Heizelement kann mit dem Festelektrolyten mittels eines hochtemperaturfesten Materials verbunden werden, insbesondere mittels einer Glaskeramik, eines keramischen Klebers oder einer Glasfritte. Zum Verbinden des Heizelements mit dem Festelektrolyten kann ein Kleber verwendet werden, der durch Aufpinseln, Aufstreichen, Aufdrucken, Aufsprühen oder als Abziehbild auf den Festelektrolyten aufgebracht wird. Der Kleber kann eine Dicke von 2 μηη bis 300 μηη und bevorzugt 5 μηη bis 250 μηη und besonders bevorzugt von 10 μηη bis 200 μηη aufweisen. Heating element can with the solid electrolyte by means of a high temperature resistant material be connected, in particular by means of a glass ceramic, a ceramic adhesive or a glass frit. For bonding the heating element to the solid electrolyte, it is possible to use an adhesive which is applied to the solid electrolyte by brushing, painting, printing, spraying or as a decal. The adhesive may have a thickness of from 2 μηη to 300 μηη and preferably from 5 μηη to 250 μηη and more preferably from 10 μηη to 200 μηη.
Das Sensorelement kann eine Länge von maximal 55 mm, bevorzugt maximal 45 mm und noch bevorzugter maximal 40 mm, und eine Breite von maximal 8 mm, bevorzugt maximal 7 mm und noch bevorzugter maximal 6 mm, aufweisen, beispielsweise eine Länge von 35 mm und eine Breite von 5 mm. Das Heizelement kann einen Kalt- Gesamtwiderstand von 6 Ω bis 22 Ω und bevorzugt von 8 Ω bis 20 Ω aufweisen. Das Heizelement kann ein elektrisches Heizelement mit einer Leistungsaufnahme von maximal 5 W, bevorzugt maximal 4 W und noch bevorzugter maximal 3,5 W, bei einer Betriebsspannung von 13 V sein, beispielsweise 4 W. The sensor element may have a maximum length of 55 mm, preferably a maximum of 45 mm and more preferably a maximum of 40 mm, and a maximum width of 8 mm, preferably not more than 7 mm and more preferably not more than 6 mm, for example a length of 35 mm and a Width of 5 mm. The heating element may have a cold total resistance of 6 Ω to 22 Ω, and preferably from 8 Ω to 20 Ω. The heating element may be an electrical heating element with a power consumption of a maximum of 5 W, preferably a maximum of 4 W and more preferably a maximum of 3.5 W, at an operating voltage of 13 V, for example 4 W.
Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehrerenIn the context of the present invention, a solid electrolyte is to be understood as meaning a body or article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. In particular, the solid electrolyte may be in the form of a solid electrolyte layer or of several
Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist im Rahmen der Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung mit einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt. Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf den Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Be formed solid electrolyte layers. In the context of the invention, a layer is to be understood as meaning a uniform mass in areal extent with a certain height which lies above, below or between other elements. An electrode in the context of the present invention is generally understood to mean an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte. Typically, the electrodes comprise a noble metal electrode, which may, for example, be applied to the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte.
Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold und/oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten und die Elektroden auf ihre Funktionstemperatur zu erwärmen. Das Heizelement kann einen Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold and / or palladium, are in principle applicable. In the context of the present invention, a heating element is generally to be understood as meaning an element which is capable of heating the solid electrolyte and the electrodes to their functional temperature. The heating element can a
Zuleitungsbereich und einen Heizbereich aufweisen. Üblicherweise ist mindestens eine Elektrode auf oder in dem Festelektrolyten angeordnet. Das Heizelement ist dabei entweder durch den Festelektrolyten, eine Festelektrolytschicht oder eine zusätzliche Isolierung von der Elektrode getrennt. Unter einem Heizbereich des Heizelements ist dabei derjenige Bereich des Heizelements zu verstehen, der mit der Elektrode in der Richtung dieses Schichtaufbaus überlappt. So ist beispielsweise bei einem planaren Aufbau einer Lambdasonde die Überlappung in einer Richtung senkrecht zu den Supply line and have a heating area. Usually, at least one electrode is arranged on or in the solid electrolyte. The heating element is separated from the electrode either by the solid electrolyte, a solid electrolyte layer or additional insulation. A heating region of the heating element is to be understood as that region of the heating element which overlaps the electrode in the direction of this layer structure. For example, in a planar structure of a lambda probe, the overlap in a direction perpendicular to the
Schichten des planaren Aufbaus zu sehen. Der Heizbereich befindet sich dabei üblicherweise in einem Endbereich des Festelektrolyten. Unter einem Zuleitungsbereich ist derjenige Bereich des Heizelements zu verstehen, der dazu dient, die Energie zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektrode in den Heizbereich zu transportieren. Layers of planar construction can be seen. The heating area is usually located in an end region of the solid electrolyte. A supply region is to be understood as that region of the heating element which serves to transport the energy for heating the solid electrolyte and the electrode into the heating region.
Unter einem Kaltwiderstand ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der bei 20 °C gemessene elektrische Widerstand zu verstehen. Gemäß dieser Definition ist unter dem Kalt-Gesamtwiderstand der elektrische Widerstand des gesamten Heizelements zu verstehen, der sich aus dem Widerstand des Heizbereichs und dem Widerstand des Zuleitungsbereichs zusammensetzt. A cold resistance in the context of the present invention is to be understood as the electrical resistance measured at 20 ° C. According to this definition, the total cold resistance is understood to mean the electrical resistance of the entire heating element, which is composed of the resistance of the heating region and the resistance of the supply region.
Unter einer Isolierschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrisch isolierende Schicht zu verstehen. Eine derartige Schicht umfasst üblicherweise An insulating layer is to be understood in the context of the present invention as an electrically insulating layer. Such a layer usually comprises
Aluminiumoxid, Siliciumcarbid (SiC), Aluminiumnitrid (AIN), Magnesiumoxid (MgO), Bariumsteatit, Steatit, Cordierit oder andere handelsübliche keramische Isolierwerkstoffe. Alumina, silicon carbide (SiC), aluminum nitride (AIN), magnesium oxide (MgO), barium steatite, steatite, cordierite or other commercial ceramic insulating materials.
Unter einer Schutzglasur ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Glasur zu verstehen, die Aluminium, Silicium und/oder Barium enthalten kann und dazu dient, ein Bauteil vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise thermischen Spannungen, mechanischen Einwirkungen oder Schäden durch elektrische Spannung, zu schützen. In the context of the present invention, a protective glaze is to be understood as meaning a glaze which may contain aluminum, silicon and / or barium and serves to protect a component against external influences, such as, for example, thermal stresses, mechanical effects or damage by electrical voltage.
Unter einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Kennwert zu verstehen, der das Verhalten eines Stoffs bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt. Insbesondere ist darunter das Verhältnis zwischen der relativen Volumenzunahme dV/V, d.h. die Volumenänderung im Vergleich zum Ausgangsvolumen, und der Temperaturänderung dT eines Körpers zu verstehen, so dass der Kennwert die Einheit 1/K hat. In the context of the present invention, a coefficient of thermal expansion is to be understood as a characteristic value which describes the behavior of a substance with respect to changes in its dimensions in the case of temperature changes. In particular, this is the ratio between the relative volume increase dV / V, ie Volume change compared to the initial volume, and to understand the temperature change dT of a body, so that the characteristic value has the unit 1 / K.
Unter einem hochtemperaturfesten Material ist ein Material zu verstehen, das seinen Zustand, insbesondere seinen Aggregatszustand, bei Temperaturen, wie sie A high-temperature resistant material is to be understood as meaning a material which is at a temperature, such as its state, in particular its state of aggregation
insbesondere in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine vorkommen, d.h. especially in an exhaust tract of an internal combustion engine, i.
Temperaturen bis 1000 °C, nicht verändert. Insbesondere bleiben derartige Materialien auch bei solchen Temperaturen formstabil und beginnen nicht zu fließen und/oder zu schmelzen oder zu reagieren. Beispiele für solche Materialien sind insbesondere Temperatures up to 1000 ° C, not changed. In particular, such materials remain dimensionally stable even at such temperatures and do not start to flow and / or melt or react. Examples of such materials are in particular
Glaskeramik, keramische Kleber oder Glasfritten. Unter dem Begriff Fritte ist ein Glass ceramic, ceramic adhesive or glass frits. The term frit is a
Zwischenprodukt bei der Herstellung von Glas- oder Keramikschmelzen zu verstehen. Die Glasfritte entsteht beispielsweise durch oberflächliches Schmelzen von Glaspulver, wobei die Glaskörner zusammenbacken. Sowohl das Pulver als auch der entstehende Werkstoff wird als Fritte bezeichnet. In manchen Herstellungsprozessen wird der entstandene Werkstoff zusätzlich abgeschreckt. Es entsteht ein poröses Material. Zuletzt kann aus dem abgeschreckten Werkstoff leicht durch Mahlen ein Pulver hergestellt werden, das ebenfalls Fritte genannt wird.  Intermediate to understand in the production of glass or ceramic melts. The glass frit is formed, for example, by superficial melting of glass powder, whereby the glass grains cake together. Both the powder and the resulting material is called a frit. In some manufacturing processes, the resulting material is additionally quenched. The result is a porous material. Finally, it is easy to produce a powder from the quenched material by grinding, which is also called a frit.
Unter der Platinmetallgruppe sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß der allgemeinen Definition der Chemie die Elemente der Gruppen 8 bis 10 der 5. Periode, d.h. die leichten Platinmetalle Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), und der 6. Periode, d.h. die schweren Platinmetalle Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt), zu verstehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter Sintern ein Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen und/oder Werkstücken zu verstehen, bei dem feinkörnige, keramische Stoffe - meist unter erhöhtem Druck - auf Temperaturen unterhalb deren Schmelztemperaturen erhitzt werden. Beim Sintern werden zumeist körnige oder pulvrige Stoffe vermischt und dann durch Erwärmung miteinander verbunden. Im Gegensatz zur reinen Schmelze werden hierbei jedoch keine oder zumindest nicht alle Ausgangsstoffe aufgeschmolzen. Es handelt sich deshalb um ein Urformverfahren. Die Pulvermassen werden zunächst in die Form des gewünschten Werkstücks gebracht. Dies erfolgt dabei entweder durch Verpressen der Pulvermassen oder durch Formung und anschließendes Trocknen. For the purposes of the present invention, among the platinum metal group according to the general definition of chemistry are the elements of groups 8 to 10 of the 5th period, i. the light platinum metals ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), and the 6th period, i. to understand the heavy platinum metals osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt). In the context of the present invention, sintering is to be understood as meaning a process for the production of materials and / or workpieces in which fine-grained, ceramic substances are heated to temperatures below their melting temperatures, usually under elevated pressure. When sintering mostly granular or powdery substances are mixed and then joined together by heating. In contrast to the pure melt, however, no or at least not all starting materials are melted. It is therefore a primary molding process. The powder masses are first brought into the shape of the desired workpiece. This is done either by compression of the powder masses or by shaping and subsequent drying.
Hierbei muss wenigstens ein minimaler Zusammenhalt der Pulverpartikel gegeben sein. Ist dieser Zusammenhalt nicht gegeben, muss ein Bindemittel verwendet werden. Dieser sogenannte Grünling wird im Anschluss durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet. Auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Erfindung erfolgt das Sintern bei Temperaturen von 900 °C bis 1400 °C. Here, at least a minimum cohesion of the powder particles must be given. If this cohesion is not given, a binder must be used. This so-called green compact is subsequently heat treated below the Melting temperature compacted and cured. In the technical field of the present invention, sintering takes place at temperatures of 900 ° C to 1400 ° C.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter Tempern das Erhitzen eines Festkörper auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur zu verstehen. Dies geschieht über eine längere Zeit hinweg, die mehrere Stunden umfassen kann. Durch die erhöhte Beweglichkeit der Atome des Festkörpers können so Strukturdefekte ausgeglichen und die Kristallstruktur in der Nah- und Fernordnung verbessert werden. Auf diese Weise kann der Prozess des Schmelzens und Abkühlens zur Einstellung der Kristallstruktur vermieden werden. Auf dem technischen Gebiet der vorliegenden Erfindung erfolgt das Tempern bei einer Temperatur von maximal 1000 °C, bevorzugt bei einer Temperatur von 400 °C bis 800 °C In the context of the present invention, tempering is to be understood as meaning the heating of a solid to a temperature below the melting temperature. This happens over a long period of time, which can span several hours. Due to the increased mobility of the atoms of the solid structure defects can be compensated and the crystal structure in the near and far order can be improved. In this way, the process of melting and cooling to adjust the crystal structure can be avoided. In the technical field of the present invention, the annealing is carried out at a temperature of at most 1000 ° C, preferably at a temperature of 400 ° C to 800 ° C.
Die Erfindung ist grundsätzlich für jede Brennkraftmaschine geeignet, die mindestens ein keramisches Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Parameters eines Abgases einer Brennkraftmaschine aufweist, insbesondere mindestens eine Lambdasonde und/oder mindestens einen NOx-Sensor und/oder mindestens einen HC-Sensor, wobei das keramische Sensorelement mindestens ein Heizelement zum Erwärmen des keramischen Sensorelements aufweist. Insbesondere kann die Brennkraftmaschine einen Ottomotor und/oder einen Dieselmotor umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkraftmaschine auch einen Hybridantrieb umfassen, beispielsweise mit einem Ottomotor und/oder mindestens einem Dieselmotor und zusätzlich mindestens einem Elektromotor. Das keramische Sensorelement kann insbesondere eine Lambdasonde sein oder eine Lambdasonde umfassen. Die Lambdasonde kann beispielsweise als Fingersonde oder als planare Lambdasonde ausgeführt werden, also beispielsweise als Lambdasonde mit schichtförmigem Aufbau. Beispielsweise lassen sich Sprungsonden und/oder Breitband- Lambdasonden realisieren. Alternativ oder zusätzlich kann das keramische The invention is basically suitable for any internal combustion engine having at least one ceramic sensor element for detecting at least one parameter of an exhaust gas of an internal combustion engine, in particular at least one lambda sensor and / or at least one NOx sensor and / or at least one HC sensor, wherein the ceramic sensor element has at least one heating element for heating the ceramic sensor element. In particular, the internal combustion engine may comprise a gasoline engine and / or a diesel engine. Alternatively or additionally, the internal combustion engine may also comprise a hybrid drive, for example with a gasoline engine and / or at least one diesel engine and additionally at least one electric motor. The ceramic sensor element may in particular be a lambda probe or comprise a lambda probe. The lambda probe can be designed, for example, as a finger probe or as a planar lambda probe, that is to say for example as a lambda probe with a laminar structure. For example, jump probes and / or broadband lambda probes can be realized. Alternatively or additionally, the ceramic
Sensorelement auch mindestens eine andere Art eines keramischen Sensorelements umfassen, beispielsweise einen NOx-Sensor. Sensor element also comprise at least one other type of ceramic sensor element, for example, a NOx sensor.
Das keramische Sensorelement kann mindestens eine elektrochemische Zelle umfassen. Unter einer elektrochemischen Zelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei Elektroden und mindestens einen die Elektroden verbindenden Festkörperelektrolyten umfasst. Eine Temperatur des keramischen Sensorelements kann beispielsweise mittels einer Bestimmung eines Innenwiderstands der elektrochemischen Zelle bestimmt werden. Bei einem keramischen Sensorelement mit einer Nernstzelle kann die Temperatur des keramischen The ceramic sensor element may comprise at least one electrochemical cell. In the context of the present invention, an electrochemical cell is to be understood as meaning an element which comprises at least two electrodes and at least one solid electrolyte which connects the electrodes. A temperature of Ceramic sensor element can be determined for example by means of a determination of an internal resistance of the electrochemical cell. In a ceramic sensor element with a Nernst cell, the temperature of the ceramic
Sensorelements beispielsweise mittels einer Bestimmung des Innenwiderstands der Nernstzelle erfasst werden. Sensor element can be detected for example by means of a determination of the internal resistance of the Nernst cell.
Die Beheizung des keramischen Sensorelements und/oder die Energieversorgung des Heizelements können mittels einer elektrischen Energiequelle, wie beispielsweise der Batterie in einem Fahrzeug, erfolgen. The heating of the ceramic sensor element and / or the power supply of the heating element can be effected by means of an electrical energy source, such as the battery in a vehicle.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren unterscheidet sich von aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren durch die folgenden Merkmale: Aufdrucken, Aufrollen, Aufpinseln oder Aufstreichen, wie beispielsweise mittels einer Schablone, einer The production method according to the invention differs from the methods known from the prior art by the following features: printing, rolling, brushing or painting, such as by means of a stencil
Heizerstruktur auf ein gesintertes Keramiksubstrat, wie beispielsweise ein Sensorelement einer Abgassonde, Verwendung einer Tinte oder Paste mit Platin- oder Platinverbindung als elektrischem Leiter und einem Stützgerüstanteil zur Stabilisierung der Heizerstruktur, sowie einer nachfolgenden Beschichtung mit einer dünnen oxidischen Isolierschicht oder Schutzglasur, wie beispielsweise mit Aluminium-, Silicium- und/oder Bariumanteilen, sowie einem nachfolgenden Verfahrensschritt zum Einbrand der Heizerstrukturen und der Schutzglasur. Alternativ ist es auch möglich, durch Aufkleben oder mechanischesA heater structure on a sintered ceramic substrate, such as a sensor element of an exhaust probe, using an ink or paste with platinum or platinum compound as an electrical conductor and a scaffolding portion for stabilizing the heater structure, and a subsequent coating with a thin oxide insulating layer or protective glaze, such as aluminum , Silicon and / or barium fractions, and a subsequent process step for the firing of the heater structures and the protective glaze. Alternatively, it is also possible by sticking or mechanical
Verbinden eines vorgefertigten Heizelements auf oder in den vorgefertigten gesinterten Festelektrolytkörper das Sensorelement herzustellen. Dies ist beispielsweise durch flächiges oder partielles Aufkleben mit einem hochtemperaturfesten Material, das zusammen mit dem Festelektrolyten einer Temperaturbehandlung unterworfen wird, wie beispielsweise einer Glaskeramik, eines keramischen Klebers oder einer Glasfritte, denkbar. Durch gemeinsame Montage des Heizelements und des Festelektrolytkörpers und durch Wärmeübergang durch Strahlung und Konvektion wird die Verbindung dauerhaft gewährleistet. Durch Verwendung eines Heizelements, vorzugsweise aus dem Trägermaterial Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Bariumsteatit, Steatit, Cordierit oder anderen üblichen keramischen Isolierwerkstoffen, ist dieses Connecting a prefabricated heating element on or in the prefabricated sintered solid electrolyte body to produce the sensor element. This is conceivable, for example, by surface or partial bonding with a high-temperature-resistant material which is subjected to a temperature treatment together with the solid electrolyte, for example a glass ceramic, a ceramic adhesive or a glass frit. By joint assembly of the heating element and the solid electrolyte body and by heat transfer by radiation and convection, the connection is permanently guaranteed. By using a heating element, preferably from the support material alumina, silicon carbide, aluminum nitride, barium steatite, steatite, cordierite or other common ceramic insulating materials, this is
hochtemperaturfest. Die Verwendung eines Heizelements mit einem high temperatures. The use of a heating element with a
hochtemperaturstabilen Heizleitermaterial, wie beispielsweise aus Platin, Rhodium, Palladium, Gold, Chrom, Wolfram, Molybdän oder entsprechenden Legierungen, ist möglich. Das Heizelement kann insbesondere grundsätzlich als co-gesinterte oder nachträglich aufgesinterte Platinmetallgruppen-Struktur realisiert werden. Insbesondere ist das Heizelement ein schwaches Heizelement zur Überbrückung von kalten high temperature stable Heizleitermaterial, such as platinum, rhodium, palladium, gold, chromium, tungsten, molybdenum or corresponding alloys, is possible. In particular, the heating element can basically be realized as a co-sintered or subsequently sintered platinum-metal group structure. In particular, the heating element is a weak heating element for bridging cold
Betriebszuständen, wie beispielsweise während eines Leerlaufs, mit einer Operating conditions, such as during idle, with a
Leistungsaufnahme von maximal 5 W, während bei Lambdasonden für Kraftfahrzeuge mehr als 7 W üblich sind. Der Einschaltstrom überschreitet 2 A nicht, um die Anforderung an ein Steuergerät für das Sensorelement gering zu halten. Ein Anspringverhalten der Sonde von bis zu 30 Sekunden ist für Abgassonden für kleinmotorisierte Fahrzeuge unproblematisch, da der Großteil der Schadstoffmenge hier nicht in der Startphase, sondern innerhalb des entsprechenden Fahrzyklus gebildet wird. Der Einsatz vonPower consumption of a maximum of 5 W, while lambda probes for motor vehicles more than 7 W are common. The inrush current does not exceed 2 A to minimize the requirement for a sensor element controller. A light-emitting behavior of the probe of up to 30 seconds is unproblematic for exhaust gas probes for small motor vehicles, since the majority of the pollutant amount is not formed here in the starting phase, but within the corresponding driving cycle. The use of
Metallen der Platinmetallgruppe für die Struktur des Heizelements ist wegen der hohen thermischen Belastung durch heiße Abgase, die bei Volllast bis ungefähr 1000 °C betragen können, erforderlich. Das Heizelement wird insbesondere aus Platin-Cermet ausgebildet und kann von der Materialzusammensetzung dem Stand der Technik entsprechen, wird aber mit einem hohen Stützgerüstanteil und dünnen Mäander- und Zuleitungsstrukturen auf einen Gesamt-Kaltwiderstand von 8 Ω bis 20 Ω ausgelegt. Es reicht dabei aus, die Heizleistung so auszulegen, dass bei Eigenbeheizung in kalter Umgebungstemperatur, d.h. bei Temperaturen von -20 °C bis -40 °C, eine Metals of the platinum group metal for the structure of the heating element is due to the high thermal load of hot exhaust gases, which may be up to about 1000 ° C at full load required. The heating element is formed in particular from platinum cermet and may correspond to the prior art material composition, but is designed with a high support framework proportion and thin meander and lead structures to a total cold resistance of 8 Ω to 20 Ω. It suffices in this case to design the heat output in such a way that, when heating in a cold ambient temperature, i. at temperatures from -20 ° C to -40 ° C, one
Sensorelementtemperatur von maximal 750 °C erreicht wird. Sensor element temperature of a maximum of 750 ° C is reached.
Insbesondere wird ein Sensorelement mit einer maximalen Länge von 40 mm und einer maximalen Breite von 6 mm vorgeschlagen, das ein integriertes Heizelement aufweist, das einen minimalen Kaltwiderstand bei 20 °C von 8 Ω bis 20 Ω und eine In particular, a sensor element with a maximum length of 40 mm and a maximum width of 6 mm is proposed, which has an integrated heating element, the minimum cold resistance at 20 ° C from 8 Ω to 20 Ω and a
Leistungsaufnahme von 5 W bei Beaufschlagung einer Betriebsspannung von 13 V aufweist. Dadurch, dass erfindungsgemäß das Heizelement auf einen bereits Power consumption of 5 W when applying an operating voltage of 13 V has. Characterized in that according to the invention, the heating element to an already
fertiggestellten, d.h. gesinterten Festelektrolytkörpern aufgebracht wird, lassen sich an einem derartigen Festelektrolytkörper verschieden ausgelegte Heizelemente anordnen. Dies ist insbesondere in dem Fall vorteilhaft, wenn das Heizelement selbst schon fertiggestellt, d.h. gesintert ist, so dass sich beliebige Kombinationen von verschiedenen Heizelementen auf ein und derselben Art von Festelektrolytkörpern anordnen lassen. finished, i. sintered solid electrolyte bodies is applied, can be arranged on such a solid electrolyte body differently designed heating elements. This is particularly advantageous in the case when the heating element itself is already completed, i. is sintered, so that any combination of different heating elements can be arranged on the same type of solid electrolyte bodies.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen: Figur 1 eine Querschnittsansicht eines Sensorelements einer erstenFurther optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures. Show it: Figure 1 is a cross-sectional view of a sensor element of a first
Ausführungsform, Figur 2 eine Querschnittsansicht eines Sensorelements einer zweiten Embodiment, Figure 2 is a cross-sectional view of a sensor element of a second
Ausführungsform und  Embodiment and
Figur 3 eine Querschnittsansicht eines Sensorelements einer dritten Figure 3 is a cross-sectional view of a sensor element of a third
Ausführungsform.  Embodiment.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Figur 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Figure 1 shows a cross-sectional view of a first embodiment of a
erfindungsgemäßen Sensorelements 10. Das in Figur 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Gases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Gases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Gas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Gases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik einsetzbar, insbesondere im Bereich von kleinmotorisierten Fahrzeugen, wie beispielsweise Sensor element 10 according to the invention can be used for the detection of physical and / or chemical properties of a gas, wherein one or more properties can be detected. The invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. In principle, however, other types of gas components are also detectable, for example nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen. Alternatively or additionally, however, other properties of the gas can be detected. The invention can be used in particular in the field of vehicle technology, in particular in the field of small motor vehicles, such as
Motorrädern, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine eines Motorrads handeln kann und bei dem Gas insbesondere um ein Abgas. Das Sensorelement 10 wird als exemplarischer Bestandteil einer planaren Lambdasonde beschrieben, ist aber nicht auf diese Art von Lambdasonde beschränkt, sondern kann auch als Fingersonde ausgeführt sein. Da diese Lambdasonde eine kompakte Bauweise für den Einsatz bei kleinmotorisierten Fahrzeugen aufweist, weist das Sensorelement 10 beispielsweise eine Länge, d.h. eine Abmessung in der Richtung der Ansicht der Figur 1 von maximal 50 mm, insbesondere maximal 45 mm und besonders bevorzugt maximal 40 mm, und eine Breite, d.h. eine Abmessung von links nach rechts oder umgekehrt der Figur 1 von maximal 10 mm, insbesondere maximal 8 mm und besonders bevorzugt maximal 6 mm, auf. Bei dem Beispiel der Figur 1 weist das Sensorelement 10 Motorcycles, so that it may be in the sample gas chamber in particular an exhaust tract of an internal combustion engine of a motorcycle and the gas in particular an exhaust gas. The sensor element 10 is described as an exemplary component of a planar lambda probe, but is not limited to this type of lambda probe, but can also be designed as a finger probe. Since this lambda probe has a compact design for use in small motor vehicles, the sensor element 10 has, for example, a length, ie a dimension in the direction of the view of FIG. 1 of not more than 50 mm, in particular not more than 45 mm and particularly preferably not more than 40 mm, and a width, ie a dimension from left to right or vice versa the Figure 1 of a maximum of 10 mm, in particular a maximum of 8 mm and more preferably a maximum of 6 mm, on. In the example of FIG. 1, the sensor element 10
beispielsweise eine Länge von 35 mm und eine Breite von 5 mm auf. Daher ist die Ansicht der Figur 1 eine Ansicht auf einen Querschnitt senkrecht zu einer Längsrichtung des Sensorelements 10 gesehen. for example, a length of 35 mm and a width of 5 mm. Therefore, the view of FIG. 1 is a view of a cross section perpendicular to a longitudinal direction of the sensor element 10.
Das Sensorelement 10 weist einen Festelektrolyten 12, der yttriumstabilisiertes The sensor element 10 has a solid electrolyte 12 which is yttrium-stabilized
Zirkoniumdioxid mit beispielsweise 6 bis 10 Gew.-% Yttriumoxid enthält, eine einem Messgasraum zugewandte erste Elektrode 14, eine zweite Elektrode 16, ein Heizelement 18 und einen Referenzkanal 20 auf. Bei Lambdasonden kann eine gepumpte Referenz problematisch für kleinmotorisierte Fahrzeuge sein, weshalb bei dem gezeigten Beispiel eine Sondenauslegung mit Luftreferenz und entsprechender Auswirkung auf einen geringen Heizleistungsbedarf bevorzugt wird. Eine hohe Heizleistung ist bei den kleinmotorisierten Fahrzeugabgassonden nicht erforderlich. Auf nähere Details bezüglich der Leistungsaufnahme des Heizelements 18 wird später ausführlicher eingegangen. Zirconium dioxide with, for example, 6 to 10% by weight of yttrium oxide contains a first electrode 14 facing a measuring gas space, a second electrode 16, a heating element 18 and a reference channel 20. In the case of lambda probes, a pumped reference can be problematic for small motor vehicles, for which reason a probe design with air reference and a corresponding effect on low heating power requirement is preferred in the example shown. A high heat output is not required for the small motor vehicle exhaust probes. Further details regarding the power consumption of the heating element 18 will be discussed in more detail later.
Das Heizelement 18 ist zum Erwärmen der Elektroden 14, 16 und des Festelektrolyten 12 eingerichtet. Die Elektroden 14, 16 sind über den Festelektrolyten 12 miteinander verbunden und können eine Nernstzelle und/oder elektrochemische Zelle bilden. Es können auch weitere Funktionsschichten vorgesehen werden, beispielsweise weitere Elektroden, eine Leiterbahn, eine Diffusionsbarriere, ein Diffusionsspalt, ein weiteres Heizelement und/oder eine Sauerstoffpumpzelle. Diese Funktionsschichten können in dem Festelektrolyten 12 eingebaut oder integriert sein. Die optionale Nernstzelle in dem Festelektrolyten 12 ist vorzugsweise vorgesehen, um in einem Verbrennungsabgas den jeweiligen Restsauerstoffgehalt zu messen und daraus das Verhältnis von The heating element 18 is arranged to heat the electrodes 14, 16 and the solid electrolyte 12. The electrodes 14, 16 are connected to one another via the solid electrolyte 12 and can form a Nernst cell and / or electrochemical cell. It is also possible to provide further functional layers, for example further electrodes, a conductor track, a diffusion barrier, a diffusion gap, a further heating element and / or an oxygen pumping cell. These functional layers may be incorporated or integrated in the solid electrolyte 12. The optional Nernst cell in the solid electrolyte 12 is preferably provided to measure the respective residual oxygen content in a combustion exhaust gas and from this the ratio of
Verbrennungsluft zu Kraftstoff für die weitere Verbrennung so regeln zu können, dass weder ein Kraftstoff- noch ein Luftüberschuss auftritt.  To control combustion air to fuel for further combustion so that neither a fuel nor an excess of air occurs.
Auf einer der ersten Elektrode 14 gegenüberliegenden Seite des Festelektrolyten 12 befindet sich eine erste Isolierschicht 22, die eine Dicke bzw. Stärke von 2 μηη bis 100 μηη, bevorzugt 5 μηη bis 75 μηη und besonders bevorzugt von 10 μηη bis 50 μηη, aufweist. On a side of the solid electrolyte 12 opposite the first electrode 14 there is a first insulating layer 22 having a thickness of from 2 μm to 100 μm, preferably from 5 μm to 75 μm, and particularly preferably from 10 μm to 50 μm.
Beispielsweise kann die erste Isolierschicht 22 eine Dicke von 30 μηη aufweisen. Die erste Isolierschicht 22 besteht im Hauptbestandteil aus Aluminiumoxid. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch für die erste Isolierschicht 22 Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Barium-Steatit, Steatit oder Cordierit verwendet werden. Das Heizelement 18 ist auf der ersten Isolierschicht 22 angeordnet. Das Heizelement 18 ist von einer zweiten Isolierschicht 24 oder Schutzglasur bedeckt bzw. damit beschichtet, so dass das For example, the first insulating layer 22 may have a thickness of 30 μm. The first insulating layer 22 is made of alumina in the main component. Alternatively or additionally, however, silicon carbide, aluminum nitride, barium steatite, steatite or cordierite can be used for the first insulating layer 22. The heating element 18 is arranged on the first insulating layer 22. The heating element 18 is of a second Insulating layer 24 or protective glaze covered or coated so that the
Heizelement 18 zwischen der ersten Isolierschicht 22 und der zweiten Isolierschicht 24 eingebettet ist. Die zweite Isolierschicht 24 weist für eine symmetrische Anordnung des Heizelements 18 zwischen der ersten Isolierschicht 22 und der zweiten Isolierschicht 24 die gleiche Dicke wie die erste Isolierschicht 22 auf. Es versteht sich jedoch, dass die erste Isolierschicht 22 und die zweite Isolierschicht 24 eine unterschiedliche Dicke aufweisen, können. Eine Variation der Dicke kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Einbaulage oder dem konkreten Anwendungsgebiet erforderlich sein. Die Herstellung des Sensorelements 10 erfolgt dabei derart, dass ein Festelektrolyt 12 in einem Grünlingszustand, d.h. einem ungesinterten Zustand, in an sich bekannter Weise durch beispielsweise die Dickschichttechnik und/oder die Folienlaminiertechnik und/oder ein Siebdruckverfahren und/oder ein Sprühverfahren mit den Funktionsschichten, insbesondere den Elektroden 14, 16 und dem Referenzkanal 20, aber auch mit der ersten Isolierschicht 22 versehen wird. Die erste Isolierschicht 22 wird insbesondere mit einer Dicke aufgebracht, dass die erste Isolierschicht 22 nach einem Sintern die oben genannte Dicke aufweist, d.h. eine Dicke von 30 μηη nach dem Sintern. Die erste Isolierschicht 22 kann beispielsweise durch Aufdrucken, Aufrollen, Aufpinseln oder Aufstreichen oder dergleichen auf den Festelektrolyten aufgebracht werden. Insbesondere wird die erste Isolierschicht 22 derart ausgebildet, dass ihr Wärmeausdehnungskoeffizient nach einer später beschriebenen thermischen Behandlung zu der später aufzubringenden zweiten Isolierschicht 24 um maximal 10 % bevorzugt maximal 5 % und besonders bevorzugt maximal 2%, abweicht, beispielsweise um 1 %. Die Einstellung des jeweiligen Heating element 18 between the first insulating layer 22 and the second insulating layer 24 is embedded. The second insulating layer 24 has the same thickness as the first insulating layer 22 for a symmetrical arrangement of the heating element 18 between the first insulating layer 22 and the second insulating layer 24. However, it is understood that the first insulating layer 22 and the second insulating layer 24 may have a different thickness. A variation of the thickness may be required, for example, depending on the mounting position or the specific field of application. The production of the sensor element 10 takes place in such a way that a solid electrolyte 12 in a green state, i. an unsintered state, in a manner known per se, for example by the thick-film technique and / or the film lamination technique and / or a screen printing method and / or a spraying method with the functional layers, in particular the electrodes 14, 16 and the reference channel 20, but also with the first insulating layer 22 is provided. In particular, the first insulating layer 22 is applied with a thickness such that the first insulating layer 22 after sintering has the above-mentioned thickness, i. a thickness of 30 μηη after sintering. The first insulating layer 22 may be applied to the solid electrolyte by, for example, printing, rolling, brushing or painting or the like. In particular, the first insulating layer 22 is formed such that its coefficient of thermal expansion deviates from the later-applied second insulating layer 24 by a maximum of 10%, preferably not more than 5% and particularly preferably not more than 2%, for example by 1%. The setting of the respective
Wärmeausdehnungskoeffizienten kann dabei durch Zusätze an Siliciumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Bariumoxid oder anderen Metalloxiden vorgenommen werden. Ferner ist es möglich und vorteilhaft, eine Anpassung des Elastizitätsmoduls der ersten Thermal expansion coefficients can be carried out by additions of silica, calcium oxide, magnesium oxide, barium oxide or other metal oxides. Furthermore, it is possible and advantageous to adapt the modulus of elasticity of the first
Isolierschicht 22 an den Elastizitätsmodul der später aufzubringenden zweiten Insulating layer 22 to the elastic modulus of the second applied later
Isolierschicht 24 durch gezieltes Einbringen von Porosität vorzunehmen. Die Porosität kann dabei durch Einbringen eines Porenbildners, der üblicherweise aus Insulating layer 24 by targeted introduction of porosity make. The porosity can be achieved by introducing a pore-forming agent, which usually consists of
kohlenstoff basierten Materialien besteht, eingestellt werden. Dieser verflüchtigt sich oder verbrennt beim Sintern, vorzugsweise rückstandsfrei, und hinterlässt dadurch Hohlräume. Der Festelektrolyt 12 wird dann gemeinsam mit den Elektroden 14, 16, dem Carbon based materials is to be adjusted. This volatilizes or burns during sintering, preferably residue-free, leaving behind cavities. The solid electrolyte 12 is then together with the electrodes 14, 16, the
Referenzkanal 20 und der ersten Isolierschicht 22 gesintert. Das Sintern kann Reference channel 20 and the first insulating layer 22 sintered. The sintering can
beispielsweise bei einer Temperatur von 900 °C bis 1400 °C, über mehrere Stunden erfolgen. Ein so fertiggestellter, d.h. bereits gesinterter, Festelektrolyt 12 mit den bereits darauf angeordneten Elektroden 14, 16, dem eingebrachten Referenzkanal 20 und der aufgebrachten ersten Isolierschicht 22 wird dann für einen nachfolgenden for example, at a temperature of 900 ° C to 1400 ° C, over several hours. A thus finished, ie already sintered, solid electrolyte 12 with the already arranged thereon electrodes 14, 16, the introduced reference channel 20 and the applied first insulating layer 22 is then for a subsequent
Verfahrensschritt zum Anordnen eines Heizelements 18 bereitgestellt. Dabei wird auf die erste Isolierschicht 22 des gesinterten Festelektrolyten 12 das Heizelement 18 Process step for arranging a heating element 18 is provided. In this case, the heating element 18 is applied to the first insulating layer 22 of the sintered solid electrolyte 12
aufgedruckt, aufgerollt, aufgepinselt oder aufgestrichen, wie beispielsweise durch eine Paste oder Tinte, oder als vorgefertigtes Abziehbild durch die sogenannte Transfertechnik aufgebracht. Das Heizelement 18 besteht vorzugsweise aus Metallen aus der printed, rolled up, brushed or painted, such as applied by a paste or ink, or as a prefabricated decal by the so-called transfer technique. The heating element 18 is preferably made of metals from the
Platinmetallgruppe, wie beispielsweise Platin, Rhodium, Palladium, Gold, oder auch aus Übergangsmetallen, wie z.B. Chrom, Wolfram oder Molybdän, oder deren Legierungen. Insbesondere wird die Geometrie des Heizelements 18 des Festelektrolyten 12 an die Erfordernisse der Montage angepasst. Insbesondere kann das Heizelement 18 derart ausgelegt werden, dass der elektrische Leistungseintrag hauptsächlich im Heizbereich, d.h. in dem Bereich einer Messzelle des Sensorelements 10, umgesetzt wird. Die Platinum metal group, such as platinum, rhodium, palladium, gold, or even transition metals, e.g. Chromium, tungsten or molybdenum, or their alloys. In particular, the geometry of the heating element 18 of the solid electrolyte 12 is adapted to the requirements of the assembly. In particular, the heating element 18 may be designed such that the electrical power input is mainly in the heating area, i. in the region of a measuring cell of the sensor element 10, is implemented. The
Messzelle ist dabei der Bereich des Heizelements 18, der sich mit den Elektroden 14, 16 überlappt. Die kann durch eine entsprechende Auslegung des elektrischen Widerstands des Heizelements 18 erfolgen, bei dem in dem Heizbereich, d.h. dem Bereich der Measuring cell is the area of the heating element 18, which overlaps with the electrodes 14, 16. This can be done by a corresponding design of the electrical resistance of the heating element 18, in which in the heating area, i. the area of
Messzelle, beispielsweise ein Widerstand von 8 Ω bis 20 Ω, beispielsweise 10 Ω, vorgesehen wird und in einem Zuleitungsbereich ein Widerstand von 1 Ω bis 3 Ω vorgesehen wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Heizleiter in dem Heizbereich einen kleineren Querschnitt als in dem Zuleitungsbereich aufweist. Das Heizelement 18 wird anschließend mit der zweiten Isolierschicht 24 oder Schutzglasur beschichtet, die ebenfalls als Paste oder Tinte oder als vorgefertigtes Abziehbild aufgebracht werden kann. Nachfolgend erfolgt ein Trocknungsprozess und im Anschluss daran eine thermische Behandlung, wie beispielsweise ein erneuter Sinterprozess, wie beispielsweise bei einer Temperatur von 900 °C bis 1250 °C, über mehrere Stunden. Die zweite Isolierschicht 24 oder die Schutzglasur ist dabei aus einem ähnlichen Material wie die erste Isolierschicht 22, das aber aufgrund seiner Zusammensetzung bei niedriger Temperatur zusammen mit dem Heizelement 18 eingebrannt wird und so dauerhaft an der ersten Isolierschicht 22 haftet. Die erste Isolierschicht 22 und die zweite Isolierschicht 24 sind mit den genannten Dicken vorzugsweise dünn ausgeführt und aus einem Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, das elektrisch isolierend ist und eine hohe Measuring cell, for example, a resistance of 8 Ω to 20 Ω, for example, 10 Ω, is provided and in a supply range, a resistance of 1 Ω to 3 Ω is provided. This can be done, for example, by the heating conductor having a smaller cross-section in the heating region than in the supply region. The heating element 18 is then coated with the second insulating layer 24 or protective glaze, which can also be applied as a paste or ink or as a prefabricated decal. Subsequently, a drying process and then a thermal treatment, such as a renewed sintering process, such as at a temperature of 900 ° C to 1250 ° C, over several hours. The second insulating layer 24 or the protective glaze is made of a similar material as the first insulating layer 22, which is burned due to its composition at low temperature together with the heating element 18 and so permanently adheres to the first insulating layer 22. The first insulating layer 22 and the second insulating layer 24 are preferably made thin with said thicknesses and made of a material such as alumina, which is electrically insulating and a high
Wärmeleitfähigkeit aufweist, ausgebildet. Figur 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Sensorelements 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Thermal conductivity has formed. FIG. 2 shows a cross-sectional illustration of a sensor element 10 according to a second embodiment. Below are just the differences to the first
Ausführungsform beschrieben, wobei gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen aufweisen. Das Sensorelement 10 weist ebenfalls einen Festelektrolyten 12 auf, wobei auf einer der ersten Elektrode 14 gegenüberliegenden Seite des Festelektrolyten 12 ein Heizelement 18 angeordnet ist. Insbesondere ist das Heizelement 18 in einer Isolierschicht 22 eingebettet und mittels eines Klebers 26 an dem Festelektrolyten 12 fest angeordnet. Insbesondere ist der Kleber 26 als Schicht angeordnet, wobei die Schichtdicke des Klebers 26 dabei 2 μηη bis 300 μηη, bevorzugt 5 μηη 250 μηη und besonders bevorzugt 10 μηη bis 200 μηη, beträgt, beispielsweise 50 μηη. Der Kleber 26 ist aus einem Embodiment described, wherein like components have the same reference numerals. The sensor element 10 likewise has a solid electrolyte 12, wherein a heating element 18 is arranged on one side of the solid electrolyte 12 opposite the first electrode 14. In particular, the heating element 18 is embedded in an insulating layer 22 and fixedly attached to the solid electrolyte 12 by means of an adhesive 26. In particular, the adhesive 26 is arranged as a layer, the layer thickness of the adhesive 26 being 2 .mu.m to 300 .mu.m, preferably 5 .mu.m to 250 .mu.m, and particularly preferably 10 .mu.m to 200 .mu.m, for example 50 .mu.m. The adhesive 26 is made of a
hochtemperaturfesten Material. Alternativ kann auch ein anderes hochtemperaturfestes Material verwendet werden, das geeignet ist, das Heizelement 18 bzw. die Isolierschicht 22 dauerhaft an dem Festelektrolyten 12 zu befestigen, wie beispielsweise eine high temperature resistant material. Alternatively, another high-temperature resistant material suitable for permanently attaching the heating element 18 and the insulating layer 22 to the solid electrolyte 12, such as one, may be used
Glaskeramik oder eine Glasfritte. Glass ceramic or a glass frit.
Die Herstellung des Sensorelements 10 erfolgt dabei derart, dass ein Festelektrolyt 12 in einem Grünlingszustand, d.h. einem ungesinterten Zustand, in an sich bekannter Weise durch beispielsweise die Dickschichttechnik und/oder die Folienlaminiertechnik und/oder ein Siebdruckverfahren und/oder ein Sprühverfahren mit den Funktionsschichten, insbesondere den Elektroden 14, 16 und dem Referenzkanal 20, versehen wird. Der Festelektrolyt 12 wird dann gemeinsam mit den Elektroden 14, 16 und dem The production of the sensor element 10 takes place in such a way that a solid electrolyte 12 in a green state, i. an unsintered state, in a conventional manner by, for example, the thick-film technique and / or the Folienlaminiertechnik and / or a screen printing process and / or a spray process with the functional layers, in particular the electrodes 14, 16 and the reference channel 20, is provided. The solid electrolyte 12 is then together with the electrodes 14, 16 and the
Referenzkanal 20 gesintert. Das Sintern kann beispielsweise bei einer Temperatur von 900 °C bis 1400 °C über mehrere Stunden erfolgen. Reference channel 20 sintered. The sintering can be carried out for example at a temperature of 900 ° C to 1400 ° C for several hours.
Ein so fertiggestellter, d.h. bereits gesinterter, Festelektrolyt 12 mit den bereits darauf angeordneten Elektroden 14, 16 und dem eingebrachten Referenzkanal 20 wird dann für einen nachfolgenden Verfahrensschritt zum Anordnen eines Heizelements 18 Such a finished, i. already sintered solid electrolyte 12 with the electrodes 14, 16 already arranged thereon and the introduced reference channel 20 is then used for a subsequent method step for arranging a heating element 18
bereitgestellt. Auf die der ersten Elektrode 14 gegenüberliegende Seite des provided. On the first electrode 14 opposite side of the
Festelektrolyten 12 wird ein Kleber 26 aufgebracht, beispielsweise aufgestrichen, beispielsweise durch einen Pinsel oder ein Rakel, aufgedruckt, beispielsweise mittels Siebdruck oder Tampondruck, aufgesprüht oder als Abziehbild aufgeklebt. Die Solid electrolyte 12, an adhesive 26 is applied, for example, brushed, for example by a brush or a squeegee, printed, for example by screen printing or pad printing, sprayed or glued as a decal. The
Schichtdicke des Klebers 26 wird dabei so gewählt, dass sie nach einer thermischen Behandlung, die nachstehend beschrieben wird, 2 μηη bis 300 μηη, bevorzugt 5 μηη 250 μηη und besonders bevorzugt 10 μηη bis 200 μηη, beträgt, beispielsweise 50 μηη. Layer thickness of the adhesive 26 is chosen so that it is 2 μηη to 300 μηη, preferably 5 μηη 250 μηη and more preferably 10 μηη to 200 μηη, for example, 50 μηη after a thermal treatment, which will be described below.
Gegebenenfalls kann zum Aufbringen des Klebers 26 eine Materialentwicklung oder Anpassung vorhandener Materialsysteme erforderlich sein. So können beispielsweise ein keramischer Kleber, eine Glaskeramik oder Glasfritten verwendet werden. Insbesondere wird ein Kleber 26 verwendet, der nach einer später beschriebenen thermischen Optionally, for applying the adhesive 26, a material development or Adaptation of existing material systems may be required. For example, a ceramic adhesive, a glass ceramic or glass frits can be used. In particular, an adhesive 26 is used, which after a thermal described later
Behandlung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der identisch mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Festelektrolyten 12 und des Heizelements 18 ist oder, falls dies technisch nicht möglich ist, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Wesentlichen das arithmetische Mittel zwischen dem Treatment has a coefficient of thermal expansion which is identical to the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte 12 and the heating element 18 or, if this is not technically possible, has a coefficient of thermal expansion which substantially the arithmetic mean between the
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Festelektrolyten 12 und des Heizelements 18 aufweist. Weist beispielsweise der Festelektrolyt 12 einen Thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 12 and the heating element 18 has. For example, if the solid electrolyte 12 has a
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 10 x 10"6 1/K und das Heizelement 18 einenThermal expansion coefficient of 10 x 10 "6 1 / K and the heating element 18 a
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6 x 10"6 1/K auf, so wird ein Kleber 26 verwendet, der nach einer thermischen Behandlung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 x 10"6 1/K aufweist. Auf den Kleber 26 wird ein vorgefertigtes Heizelement 18, das in einer Isolierschicht 22 eingebettet ist, aufgebracht, d.h. das Heizelement 18 und die Isolierschicht 22 liegen in einem gesinterten Zustand vor. Das Einbetten des Heizelements 18 in die Isolierschicht 22 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Heizelement 18 auf einen ersten Teil der Isolierschicht 22 aufgebracht wird, beispielsweise durch Aufdrucken oder Aufstreichen einer Paste, und anschließend ein zweiter Teil der Isolierschicht 22 das Heizelement 18 bedeckend aufgebracht wird. Durch einen nachfolgenden Sinterprozess wird aus dem ersten Teil und dem zweiten Teil der Isolierschicht 22 ein monolithischer Verbund, so dass die beiden Teile nicht mehr unterscheidbar sind und eine einzige Isolierschicht 22 mit dem darin befindlichen Heizelement 18 vorliegt. Der oben genannte Thermal expansion coefficient of 6 x 10 "6 1 / K, so an adhesive 26 is used, which has a thermal expansion coefficient of 8 x 10 " 6 1 / K after a thermal treatment. On the adhesive 26, a prefabricated heating element 18, which is embedded in an insulating layer 22, applied, ie, the heating element 18 and the insulating layer 22 are in a sintered state. The embedding of the heating element 18 in the insulating layer 22 can be effected, for example, by applying the heating element 18 to a first part of the insulating layer 22, for example by printing or brushing on a paste, and then applying a second part of the insulating layer 22 covering the heating element 18 , By a subsequent sintering process from the first part and the second part of the insulating layer 22 is a monolithic composite, so that the two parts are no longer distinguishable and a single insulating layer 22 is present with the heating element 18 therein. The above
Wärmeausdehnungskoeffizient für das Heizelement bezieht sich dabei auf den Verbund aus der Isolierschicht 22 und dem darin eingebetteten Heizelement 18. Die Isolierschicht 22 dient somit als Träger für das Heizelement 18, da es das Heizelement 18 trägt, insbesondere in sich trägt. Als Trägermaterial für das Heizelement 18 kann beispielsweise ein Material verwendet werden, das vorzugsweise aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Magnesiumoxid, Siliciumoxid, Bariumsteatit, Steatit und/oder Cordierit oder anderen handelsüblichen keramischen Isolierwerkstoffen besteht. Diese Materialien sind elektrisch isolierend und weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Als Material für das Heizelement 18 wird vorzugsweise Platin, Rhodium, Palladium, Gold, Chrom, Wolfram, Molybdän oder deren Legierungen verwendet. Insbesondere wird die Geometrie des Heizelements 18 des Festelektrolyten 12 an die Erfordernisse der Montage angepasst. Die Isolierschicht 22 weist beispielsweise eine Dicke von 60 μηη auf und ist somit vorzugsweise dünn ausgeführt. Insbesondere kann das Heizelement 18 derart ausgelegt werden, dass der elektrische Leistungseintrag hauptsächlich im Heizbereich d.h. dem Teil des Heizelements 18, der sich in einem Bereich einer Messzelle des Sensorelements 10 befinden wird, umgesetzt wird. Die Messzelle ist dabei der Bereich des Festelektrolyten 12, der sich mit den Elektroden 14, 16 überlappt. Thermal expansion coefficient for the heating element refers to the composite of the insulating layer 22 and the heating element embedded therein 18. The insulating layer 22 thus serves as a support for the heating element 18, since it carries the heating element 18, in particular carries in itself. As a support material for the heating element 18, for example, a material may be used which preferably consists of aluminum oxide, silicon carbide, aluminum nitride, magnesium oxide, silicon oxide, barium steatite, steatite and / or cordierite or other commercially available ceramic insulating materials. These materials are electrically insulating and have a high thermal conductivity. The material used for the heating element 18 is preferably platinum, rhodium, palladium, gold, chromium, tungsten, molybdenum or their alloys. In particular, the geometry of the heating element 18 of the solid electrolyte 12 is adapted to the requirements of the assembly. The insulating layer 22 has, for example, a thickness of 60 μηη and is thus preferably made thin. In particular, the heating element 18 can be designed in such a way that the electrical power input is converted mainly in the heating area, ie the part of the heating element 18 which will be located in a region of a measuring cell of the sensor element 10. The measuring cell is the area of the solid electrolyte 12 which overlaps with the electrodes 14, 16.
Nachfolgend werden der Festelektrolyt 12, der Kleber 26, und die Isolierschicht 22 mit dem darin eingebetteten Heizelement 18 einer thermischen Behandlung unterzogen. Diese erfolgt beispielsweise als Temperung bei einer Temperatur von maximal 1000 °C, bevorzugt bei einer Temperatur von 400 °C bis 800 °C, beispielsweise bei 600 °C über 12 Stunden, und somit bei einer niedrigeren Temperatur als ein Sinterprozess. Die Subsequently, the solid electrolyte 12, the adhesive 26, and the insulating layer 22 with the heating element 18 embedded therein are subjected to a thermal treatment. This takes place for example as heat treatment at a temperature of at most 1000 ° C., preferably at a temperature of 400 ° C. to 800 ° C., for example at 600 ° C. for 12 hours, and thus at a lower temperature than a sintering process. The
Wärmeübertragung erfolgt dabei durch Wärmestrahlung und Konvektion. Ein Heat transfer takes place by heat radiation and convection. One
gemeinsames Sintern des Festelektrolyten 12, des Klebers 26, und der Isolierschicht 22 mit dem darin eingebetteten Heizelement 18 ist bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich, da der Festelektrolyt 12 und das Heizelement 18 bereits einem Sinterprozess bei ihrer getrennten Herstellung unterzogen wurden. Die Temperung dient vorzugsweise zum Aushärten des Klebers 26, damit dieser die Isolierschicht 22 und den co-sintering of the solid electrolyte 12, the adhesive 26, and the insulating layer 22 with the heating element 18 embedded therein is not required in this embodiment because the solid electrolyte 12 and the heating element 18 have already undergone a sintering process in their separate production. The heat treatment is preferably used to cure the adhesive 26 so that it the insulating layer 22 and the
Festelektrolyten 12 dauerhaft verbindet. Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der zweiten Solid electrolyte 12 permanently connects. FIG. 3 shows a cross-sectional view of a sensor element 10 according to a third embodiment. The following are merely the differences to the second
Ausführungsform beschrieben, wobei gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen aufweisen. Embodiment described, wherein like components have the same reference numerals.
Das Sensorelement 10 der dritten Ausführungsform weist ebenfalls einen Festelektrolyten 12 und eine erste Elektrode 14 und eine zweite Elektrode 16 und einen darin The sensor element 10 of the third embodiment also has a solid electrolyte 12 and a first electrode 14 and a second electrode 16 and one therein
angeordneten Referenzkanal 20 auf. Das Heizelement 18 ist in einer Isolierschicht 22 eingebettet auf einer der ersten Elektrode 14 gegenüberliegenden Seite des arranged reference channel 20. The heating element 18 is embedded in an insulating layer 22 on an opposite side of the first electrode 14
Festelektrolyten 12 angeordnet. Der Unterschied zu der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass zwischen dem Festelektrolyten 12 und der Isolierschicht 22 kein Kleber zum Verbinden vorgesehen ist, d.h. die Isolierschicht 22 mit dem darin eingebetteten Solid electrolyte 12 is arranged. The difference from the second embodiment is that no adhesive is provided for bonding between the solid electrolyte 12 and the insulating layer 22, i. the insulating layer 22 with the embedded therein
Heizelement 18 ist an dem Festelektrolyten 12 ohne Kleber befestigt. Heating element 18 is attached to the solid electrolyte 12 without adhesive.
Zur Herstellung des Sensorelements 10 der dritten Ausführungsform wird im Gegensatz zu der zweiten Ausführungsform kein Kleber 26 verwendet, sondern der fertiggestellte Festelektrolyt 12, d.h. der gesinterte Festelektrolyt 12, wird mit den bereits darauf angeordneten Elektroden 14, 16 und dem darin eingebrachten Referenzkanal 20 bereitgestellt. Die Fertigstellung des Festelektrolyten 12 und den genannten In contrast to the second embodiment, no adhesive 26 is used to produce the sensor element 10 of the third embodiment, but the finished solid electrolyte 12, ie the sintered solid electrolyte 12, becomes with the electrodes 14, 16 already arranged thereon and the reference channel 20 introduced therein provided. The completion of the solid electrolyte 12 and the mentioned
Funktionsschichten erfolgt dabei beispielsweise wie bei der zweiten Ausführungsform. Die Isolierschicht 22 mit dem darin eingebetteten Heizelement 18 wird in einem Functional layers are carried out, for example, as in the second embodiment. The insulating layer 22 with the heating element 18 embedded therein is in a
fertiggestellten Zustand, d.h. gesinterten Zustand, auf der der Elektrode 14 finished condition, i. sintered state on the electrode 14
gegenüberliegenden Seite des Festelektrolyten 12 angeordnet. Nachfolgend werden der Festelektrolyt 12 und die darauf angebrachte Isolierschicht 22 mechanisch verbunden. Dies kann beispielsweise durch Anordnen des Festelektrolyten 12 mit der darauf angeordneten Isolierschicht 22 in einem Formwerkzeug und anschließendem Verpressen erfolgen. Die zum Verpressen aufgewendete Kraft liegt unterhalb der Materialfestigkeit des Festelektrolyten 12 und der Isolierschicht 22 mit dem darin eingebetteten opposite side of the solid electrolyte 12 is arranged. Subsequently, the solid electrolyte 12 and the insulating layer 22 mounted thereon are mechanically connected. This can be done, for example, by arranging the solid electrolyte 12 with the insulating layer 22 arranged thereon in a molding tool and subsequent pressing. The force applied for pressing is below the material strength of the solid electrolyte 12 and the insulating layer 22 with the embedded therein
Heizelement 18 und kann beispielsweise 50 kN betragen. Durch das Verpressen kommt es zu einem Verdichten insbesondere im Bereich der Kontaktoberflächen des  Heating element 18 and may for example be 50 kN. By pressing it comes to a compression, in particular in the area of the contact surfaces of the
Festelektrolyten 12 und der Isolierschicht 22, so dass diese in Abhängigkeit von der aufgewendeten Kraft oberflächlich ineinander gedrückt werden. Anschließend wird der Festelektrolyt 12 und die mit diesem verbunden Isolierschicht 22 aus dem Formwerkzeug entformt und einer thermischen Behandlung unterzogen. Diese erfolgt beispielsweise als Temperung bei einer Temperatur von maximal 1000 °C, bevorzugt bei einer Temperatur von 400 °C bis 800 °C, beispielsweise bei 600 °C über 12 Stunden, und somit bei einer niedrigeren Temperatur als ein Sinterprozess. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei durch Wärmestrahlung und Konvektion. Ein gemeinsames Sintern des Festelektrolyten 12 und der Isolierschicht 22 mit dem darin eingebetteten Heizelement 18 ist bei dieser Solid electrolyte 12 and the insulating layer 22 so that they are superficially pressed into each other depending on the applied force. Subsequently, the solid electrolyte 12 and the insulating layer 22 connected thereto are removed from the mold and subjected to a thermal treatment. This takes place for example as heat treatment at a temperature of at most 1000 ° C., preferably at a temperature of 400 ° C. to 800 ° C., for example at 600 ° C. for 12 hours, and thus at a lower temperature than a sintering process. The heat transfer takes place by heat radiation and convection. A common sintering of the solid electrolyte 12 and the insulating layer 22 with the heating element 18 embedded therein is in this
Ausführungsform nicht erforderlich, da der Festelektrolyt 12 und das Heizelement 18 bereits einem Sinterprozess bei ihrer getrennten Herstellung unterzogen wurden. Die Temperung dient vorzugsweise zum Stabilisieren der mechanischen Verbindung zwischen dem Festelektrolyten 12 und der Isolierschicht 22. Dies führt ebenfalls zu einer dauerhaften Haftverbindung des Festelektrolyten 12 mit der Isolierschicht 22. Ein eventueller Luftspalt zwischen der Isolierschicht 22 und dem Festelektrolyten 12 kann durch eine entsprechend stärkere Auslegung der Heizleistung des Heizelements 18 kompensiert werden. Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, die Kontaktoberflächen der Isolierschicht 22 und des Festelektrolyten 12 oder zumindest eine davon vor dem mechanischen Verbinden plan zu schleifen. Dadurch wirken die Kräfte beim Verpressen gleichmäßiger auf die Kontaktoberflächen der Isolierschicht 22 und des Festelektrolyten 12 und die Verbindung zwischen diesen ist über die gesamten Kontaktoberflächen gleich stabil. Für alle zuvor genannten Ausführungsformen wird ein Heizelement 18 verwendet, das einen Kalt-Gesamtwiderstand von 8 bis 20 Ω aufweist. Ferner weisen alle Embodiment not required because the solid electrolyte 12 and the heating element 18 have already been subjected to a sintering process in their separate production. The tempering is preferably used to stabilize the mechanical connection between the solid electrolyte 12 and the insulating layer 22. This also leads to a permanent bonding of the solid electrolyte 12 with the insulating layer 22. An eventual air gap between the insulating layer 22 and the solid electrolyte 12 may by a correspondingly stronger design the heating power of the heating element 18 can be compensated. In addition, it may be advantageous to plan flat the contact surfaces of the insulating layer 22 and the solid electrolyte 12 or at least one of them prior to mechanical bonding. As a result, the forces during pressing act more uniformly on the contact surfaces of the insulating layer 22 and the solid electrolyte 12 and the connection between them is equally stable over the entire contact surfaces. For all the aforementioned embodiments, a heating element 18 is used, which has a total cold resistance of 8 to 20 Ω. Furthermore, all have
Sensorelemente eine Länge von maximal 55 mm, bevorzugt 45 mm noch bevorzugter maximal 40 mm, und eine Breite von maximal 8 mm, bevorzugt maximal 7 mm und noch bevorzugter maximal 6 mm, auf, beispielsweise eine Länge von 35 mm und eine Breite von 5 mm. Sensor elements have a maximum length of 55 mm, preferably 45 mm, more preferably a maximum of 40 mm, and a maximum width of 8 mm, preferably not more than 7 mm and more preferably not more than 6 mm, for example a length of 35 mm and a width of 5 mm ,
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsform und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle It is to be expressly understood that all features disclosed in the specification and claims should be considered as separate and independent of each other for purposes of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the feature combinations in the embodiment and / or claims , It is explicitly stated that all
Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Range indications or indications of groups of units every possible
Zwischenwert oder jede mögliche Untergruppe zum Zweck der ursprünglichen Intermediate value or any subgroup for the purpose of the original one
Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe. Disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention, in particular also as a limit of a range indication.

Claims

Ansprüche 1 . Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis einer Gaskomponente in dem Gas oder einer Temperatur des Gases, umfassend die Schritte: Claims 1. Method for producing a sensor element (10) for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, in particular for detecting a gas component in the gas or a temperature of the gas, comprising the steps:
Bereitstellen eines gesinterten Festelektrolyten (12),  Providing a sintered solid electrolyte (12),
- Anordnen eines Heizelements (18) an oder in dem Festelektrolyten (12), und gemeinsame thermische Behandlung des Festelektrolyten (12) und des Heizelements (18).  - Arranging a heating element (18) on or in the solid electrolyte (12), and common thermal treatment of the solid electrolyte (12) and the heating element (18).
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Heizelement (18) in 2. Method according to the preceding claim, wherein the heating element (18) in
einem ungesinterten Zustand an oder in dem Festelektrolyten (12) angeordnet wird und die thermische Behandlung ein Sintern ist.  an unsintered state is disposed on or in the solid electrolyte (12) and the thermal treatment is sintering.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Festelektrolyt (12) eine Isolierschicht (22) aufweist, auf die das Heizelement (18) angeordnet wird, und das Heizelement (18) vor der thermischen Behandlung mit einer Isolierschicht (24) und/oder einer Schutzglasur beschichtet wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the solid electrolyte (12) comprises an insulating layer (22) on which the heating element (18) is arranged, and the heating element (18) before the thermal treatment with an insulating layer (24) and / or a protective glaze is coated.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der 4. The method according to the preceding claim, wherein the
Wärmeausdehnungskoeffizient der Isolierschicht (22) des Festelektrolyten (12) von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Isolierschicht (24) des Heizelements (18) maximal um 10 %, bevorzugt maximal 5 % und besonders bevorzugt maximal 2 %, abweicht, beispielsweise um 1 %.  Thermal expansion coefficient of the insulating layer (22) of the solid electrolyte (12) of the coefficient of thermal expansion of the insulating layer (24) of the heating element (18) by a maximum of 10%, preferably at most 5% and more preferably at most 2%, deviates, for example by 1%.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Isolierschicht (22) des Festelektrolyten (12) nach dem gemeinsamen Sintern mit dem Heizelement (18) eine Dicke von 2 μηη bis 100 μηη, bevorzugt 5 μηη bis 75 μηη und besonders bevorzugt von 10 μηη bis 50 μηη, aufweist. 5. The method of claim 3 or 4, wherein the insulating layer (22) of the solid electrolyte (12) after the common sintering with the heating element (18) has a thickness of 2 μηη to 100 μηη, preferably 5 μηη to 75 μηη and particularly preferably of 10 μηη to 50 μηη, has.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (18) durch Aufdrucken, Aufrollen, Aufpinseln oder Aufstreichen an dem Festelektrolyten6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the heating element (18) by printing, rolling, brushing or painting on the solid electrolyte
(12) angeordnet wird. (12) is arranged.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Heizelement (18) in einem gesinterten Zustand an oder in dem Festelektrolyten (12) angeordnet wird und die thermische Behandlung ein Tempern ist. A method according to claim 1, wherein the heating element (18) is disposed in a sintered state on or in the solid electrolyte (12) and the thermal treatment is annealing.
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Heizelement (18) durch Aufkleben oder mechanisches Verbinden, insbesondere Verpressen, an oder in dem Festelektrolyten (12) angeordnet wird. 8. The method according to the preceding claim, wherein the heating element (18) by gluing or mechanical bonding, in particular pressing, on or in the solid electrolyte (12) is arranged.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Heizelement (18) mit dem Festelektrolyten (12) mittels eines hochtemperaturfesten Materials verbunden wird, insbesondere einer Glaskeramik, eines keramischen Klebers (26) oder einer Glasfritte 9. The method according to the preceding claim, wherein the heating element (18) is connected to the solid electrolyte (12) by means of a high temperature resistant material, in particular a glass ceramic, a ceramic adhesive (26) or a glass frit
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zum Verbinden des Heizelements (18) mit dem Festelektrolyten (12) ein Kleber (26) verwendet wird, der durch Aufpinseln, Aufstreichen, Aufdrucken, Aufsprühen oder als Abziehbild auf den Festelektrolyten (12) aufgebracht wird. 10. The method of claim 8 or 9, wherein for bonding the heating element (18) with the solid electrolyte (12), an adhesive (26) is applied by brushing, brushing, printing, spraying or as a decal applied to the solid electrolyte (12) becomes.
1 1 . Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Kleber (26) nach dem Sintern eine Dicke von 2 μηη bis 300 μηη und bevorzugt 5 μηη bis 250 μηη und besonders bevorzugt von 10 μηη bis 200 μηη, aufweist. 1 1. Method according to the preceding claim, wherein the adhesive (26) after sintering has a thickness of 2 μηη to 300 μηη and preferably 5 μηη to 250 μηη and particularly preferably from 10 μηη to 200 μηη having.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (18) einen Kalt-Gesamtwiderstand von 6 Ohm bis 22 Ohm und bevorzugt von 8 Ohm bis 20 Ohm aufweist. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the heating element (18) has a total cold resistance of 6 ohms to 22 ohms, and preferably from 8 ohms to 20 ohms.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (18) ein elektrisches Heizelement mit einer Leistungsaufnahme von maximal 5 W, bevorzugt 4 W und noch bevorzugter 3,5 W, bei einer Betriebsspannung von 13 V ist, beispielsweise eine Leistungsaufnahme von 5 W. 13. The method according to any one of the preceding claims, wherein the heating element (18) is an electrical heating element with a power consumption of a maximum of 5 W, preferably 4 W and more preferably 3.5 W, at an operating voltage of 13 V, for example, a power consumption of 5 W.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (10) eine Länge von maximal 55 mm, bevorzugt maximal 45 mm und noch 14. The method according to any one of the preceding claims, wherein the sensor element (10) has a maximum length of 55 mm, preferably at most 45 mm and still
bevorzugter maximal 40 mm, und eine Breite von maximal 8 mm, bevorzugt maximal 7 mm und noch bevorzugter maximal 6 mm, aufweist, beispielsweise eine Länge von 35 mm und eine Breite von 5 mm.  more preferably not more than 40 mm and a maximum width of 8 mm, preferably not more than 7 mm and more preferably not more than 6 mm, for example a length of 35 mm and a width of 5 mm.
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