Titel

Keramisches Sensorelement für einen Abqassensor Stand der Technik

Es sind bereits keramische Sensorelemente für Abgassensoren bekannt, die hergestellt werden, indem ungesinterte („grüne") Folien aus stabilisiertem Zirkonoxid oder Aluminiumoxid, beispielsweise per Siebdruck, mit Metall- und Keramikschichten versehen, zum Beispiel per Bohr- oder Stanzprozessen mit

Durchkontaktierkanälen versehen, und dann miteinander laminiert und schließlich als Ganzes bei über 1000°C gesintert werden. Durch diese Abfolge der Prozessschritte werden nach dem bekannten Stand der Technik keramische Sensorelemente aufgebaut und in ihnen Heizer- und Elektrodenstrukturen ausgebildet.

Diese Verfahren haben den Nachteil, dass zum Aufbau bzw. zur Beschichtung der Sensorelemente wenig temperaturbeständige und/oder wenig

oxidationsbeständige Materialien nicht verwendet werden können, da sie während des Sinterprozesses nicht ausreichend stabil sind. Somit werden

Leiterbahnen, Kontaktpads und Durchkontaktierungen von Sensorelementen für Abgassensoren herkömmlicherweise auch in jenen Bereichen aus oder überwiegend aus Platin gefertigt, die im bestimmungsgemäßen Betrieb nur mäßiger Wärmeeinwirkung, beispielsweise Temperaturen im Bereich unterhalb 500°C, ausgesetzt sind. Nuturgemäß hat dies hohe Kosten zur Folge.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das keramische Sensorelement zumindest eine zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn aufweist, die ein Material aufweist oder ein Material bezogen auf seinen Massenanteil überwiegend, also zu nicht weniger als 50%, aufweist oder aus einem Material besteht, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um ein Metall, insbesondere Pd,

Ag, Au, Fe, AI, Cr, Ni, oder eine Metalllegierung, insbesondere Pt-Pd, Ag-Pd, Ag- Au, eine Ni-Legierung oder eine Fe-Cr-Al-Legierung, handeln. Auf diese Weise entsteht ein Kostenvorteil, ohne dass die Funktion des Sensorelements beeinträchtigt wäre.

Es kann sich bei diesem Material ferner um ein zumindest weitgehend

oxidationsbeständiges Platingruppenmetall außer Platin handeln, insbesondere Palladium, oder um ein Münzmetall handeln, insbesondere um ein Münzmetall mit hoher Leitfähigkeit, bevorzugt Au, Ag oder Cu.

Weitere Alternativen bestehen darin, dass das Material ein Übergangsmetall ist, insbesondere Fe, Co oder Ni ist, oder Konstantan oder ein Superalloy ist oder ein unedles Metall ist, insbesondere ein Überganggruppen oder Hauptgruppenmetall ist, bevorzugt Sn, AI, In oder Ti ist. Letztere Materialien können in Weiterbildung in Form von Oxiden, beispielsweise als Eloxal vorliegen. Derartige Schichten weisen vorteilhafterweise besonders günstige mechanische Eigenschaften, insbesondere Festigkeiten, auf.

Es kann sich bei diesem Material ferner um ein Cermet handeln, beispielsweise um ein Cermet, das einen metallischen Anteil und einen keramische Anteil aufweist. Während für den metallischen Anteil bevorzugt eines oder mehrere der oben genannten Metalle verwendbar ist, kann der keramische Anteil

beispielsweise Aluminiumoxid sein. Bei der Verwendung von Cermets kann vorteilhafterweise von deren Leitfähigkeit, Verarbeitbarkeit und günstigen Kosten profitiert werden.

In vorteilhaften Weiterbildungen hat das keramische Sensorelement eine längliche Grundform, wobei in Längsrichtung ein abgasseitiges Ende einem anschlussseitigen Ende gegenüberliegt, wobei die zumindest teilweise offenliegende Leiterbahn im Bereich des anschlussseitigen Endes offen liegt und dort das Material aufweist und im Bereich des abgasseitigen Endes ein höher temperaturbeständiges und/oder höher oxidationsbeständiges Material aufweist, insbesondere Platin aufweist oder überwiegend oder ganz aus Platin oder aus Platin- und Keramikanteilen besteht. Auf diese Weise sind die oben bereits erwähnten Kostenvorteile bei voller abgasseitiger Temperatur- und

Oxidationsbeständigkeit des Sensorelements realisierbar.

Es sind insbesondere Leiterbahnen vorgesehen, die aus zwei Bereichen unterschiedlicher chemischer metallischer Zusammensetzung bestehen, die sich im bestimmungsgemäßen Betrieb insbesondere in unterschiedlichen

Temperaturbereichen befinden und/oder insbesondere von einem Strom durchflössen sind. Die resultierenden thermo-elektrischen Effekte, insbesondere der an sich bereits bekannte Seebeck-Effekt und der an sich bereits bekannte Peltier-Effekt, eröffnen im vorliegenden Zusammenhang vielfältige neuartige Betriebsverfahren, beispielsweise solche, die eine lokale Erwärmung oder Abkühlung des keramischen Sensorelements vorsehen, eine Erzeugung einer Thermospannung oder eines Thermostroms vorsehen und/oder die zur

Energieversorgung und/oder zum Pumpen einer elektrochemischen Zelle des keramischen Sensorelements genutzt werden können. Vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten sind denkbar.

Gemäß dem unabhängigen auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Sensorelements gerichteten Anspruch erfolgt ein Aufbringen des weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständigen Leiterbahnanteils auf dem zuvor bereits gesinterten keramischen Körper des keramischen Sensorelements. Die hohen Temperaturanforderungen des Sinterprozesses, beispielsweise über 1000°C, sind auf diese Weise für diesen Leiterbahnanteil wirkungsvoll umgangen, sodass die Verwendung von Materialien, die weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständig sind als Platin, ohne weiteres möglich wird.

Das Aufbringen des weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständigen Leiterbahnanteils auf dem zuvor bereits gesinterten keramischen Körper des keramischen Sensorelements kann mit einem generativen Verfahren erfolgen.

Generative Verfahren, auch additive Verfahren oder 3-D Druck genannt, werden dabei im Sinne der VDI-Richtlinie VDI 3404 von 12/2009 von den konventionellen Verfahren abgegrenzt. Insbesondere erfolgt bei generativen Verfahren die Fertigung ohne Verwendung von Formen oder Halbzeugen, insbesondere durch eine Fertigungseinrichtung, die ein lediglich als elektronischer Datensatz vorhandenes Modell des herzustellenden Produkts (beispielsweise CAD-Modell) direkt umsetzt.

Das Aufbringen des weniger temperatur- und/oder oxidationsbeständigen Leiterbahnanteils auf dem zuvor bereits gesinterten keramischen Körper des keramischen Sensorelements kann mittels eines 3D-MID-Verfahren, mittels eines kaltaktivem Plasmas, mit dem unter der Marke Plasmadust bekannten Verfahren und/oder durch Dispensen/Einbrennen bei einer Temperatur zwischen 600°C und 1 100°C erfolgen.

Generative Verfahren unterliegen derzeit einer raschen technologischen

Fortentwicklung und haben ein erhebliches technologisches Potential. Insofern ist zur Herstellung von bereits bekannten, vorliegend offenbarten und zukünftigen Abgassensoren und deren Strukturelementen stets neben den bereits bekannten und den vorliegend offenbarten Fertigungstechnologien auch der in den nächsten Jahren zu erwartende weitere technologische Fortschritt auf dem Gebiet der generativen Fertigungsverfahren zur Realisierung der genannten Vorteile besonders zwingend heranzuziehen.

Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Die Figur 1 in Explosionsdarstellung perspektivisch und schematisch ein erfindungsgemäßes Sensorelement.

Figur 2 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Sensorelements aus Figur 1 .

Figur 3 in Explosionsdarstellung perspektivisch und schematisch das

Sensorelements aus Figur 1 während der Herstellung.

Figur 4 eine Übersicht des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens. Ausführungsformen

Figur 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Gesamtansicht eines gesinterten Sensorelements 20, das in einem Gehäuse eines Gasmessfühlers (nicht gezeichnet) angeordnet werden kann, der zur Bestimmung der

Sauerstoffkonzentration in einem Abgas eines Verbrennungsmotors (nicht gezeichnet) dient.

Das Sensorelement erstreckt sich in der Figur 1 in Längsrichtung von links nach rechts, wobei ein erster Endbereich 201 des Sensorelements 20 rechts und ein zweiter Endbereich 202 des Sensorelements 20 links abgebildet ist. Im bestimmungsgemäßen Verbau und Betrieb ist der erste Endbereich 201 des Sensorelements 20 einem Abgas zugewandt und der zweite Endbereich 202 des Sensorelements 20 dem Abgas abgewandt.

Ferner erstreckt sich in der Figur 1 das Sensorelement 20 in Querrichtung von vorne nach hinten und in Hochrichtung von unten nach oben.

Das Sensorelement 20 ist aus bedruckten keramischen Schichten aufgebaut, die in diesem Beispiel als eine erste, zweite und eine dritte Festelektrolytfolie 21 , 22,

23 ausgebildet sind und Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) enthalten. Die gesinterten Festelektrolytfolien 21 , 22, 23 weisen im Beispiel eine Länge von 60mm, eine Breite von 4mm und eine Höhe von 450μηι auf. Die erste Festelektrolytfolie 21 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach außen weisenden Großfläche, in Figur 1 unten, im zweiten Endbereich 202 des Sensorelements 20 mit einer Kontaktfläche 43 und einer weiteren

Kontaktfläche 44 versehen. Die erste Festelektrolytfolie 21 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach innen weisenden Großfläche, in Figur 1 oben, im ersten Endbereich 201 des Sensorelements 20 mit einer mäanderförmigen Heizvorrichtung 31 1 versehen. In Fortsetzung der mäanderförmigen Heizvorrichtung 31 1 ist an deren Enden jeweils eine Leiterbahn 321 , 322 angeschlossen. Die Leiterbahnen 321 , 322 weisen abgasseitig einen als Zuleitung 323, 325 bezeichneten Abschnitt auf, der vorliegend eine konstante Breite hat. Die Leiterbahnen 321 , 322 weisen ferner abgasabgewandt einen als Kragen 324, 326 bezeichneten Abschnitt auf, der vorliegend ringförmig ausgebildet ist.

Die erste Festelektrolytfolie 21 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach innen weisenden Großfläche, in Figur 1 oben, ferner mit Isolationsschichten 330 und einem Dichtrahmen 331 , sowie einer Folienbinderschicht 333 versehen.

Die erste Festelektrolytfolie 21 weist im zweiten Endbereich 202 zwei

Durchkontaktierungen 501, 502 auf, die in senkrechter Richtung durch die erste Festelektrolytfolie 21 verlaufen und jeweils eine Kontaktfläche 43, 44 mit einem Kragen 324, 326 einer Leiterbahn 321, 322 elektrisch leitendend verbinden, siehe Figur 2.

Die zweite Festelektrolytfolie 22 ist beidseitig mit jeweils einer

Folienbinderschicht 333 versehen, ferner weist die zweite Festelektrolytfolie 22 einen Referenzgaskanal 35 auf, der sich längs von einer abgasabgewandt angeordneten Referenzgasöffnung 351 bis in den ersten Endbereich 201 des Sensorelements 20 erstreckt und dabei in Querrichtung mittig verläuft. Der Referenzgaskanal 35 ist ungefüllt ausgebildet.

Die dritte Festelektrolytfolie 23 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach innen weisenden Großfläche, in Figur 1 unten, dem Referenzgaskanal 35 gegenüberliegend, mit einer Cermetelektrode 312 als Funktionselement 31 zur Messung einer Sauerstoffkonzentration versehen. In Fortsetzung der

Cermetelektrode 312 ist an deren Ende eine Leiterbahn 328 angeschlossen, wobei der Übergang von der Cermetelektrode 312 zu der Leiterbahn 328 durch eine Abnahme der Strukturbreite gekennzeichnet ist.

Die Leiterbahn 328 weist abgasseitig einen als Zuleitung 327 bezeichneten Abschnitt auf, der vorliegend eine konstante Breite hat.

Die dritte Festelektrolytfolie 23 ist auf ihrer aus Sicht des Sensorelements 20 nach außen weisenden Großfläche, in Figur 1 oben, im zweiten Endbereich 202 des Sensorelements 20 mit einer Kontaktfläche 45 und einer weiteren

Kontaktfläche 46 versehen.

An die weitere Kontaktfläche 46 schließt sich eine Leiterbahn 320 mit

beispielsweise konstanter Breite an, die sich bis zu einer im ersten Endbereich 201 des Sensorelements 20 angeordneten weiteren Cermetelektrode 313 erstreckt.

Die dritte Festelektrolytfolie 23 weist im zweiten Endbereich 202 eine

Durchkontaktierung 503 auf, die die in senkrechter Richtung durch die dritte Festelektrolytfolie 23 verläuft und die die Kontaktfläche 45 mit dem Kragen 329 elektrisch leitendend verbindet, siehe Figur 2.

Ein Schnitt durch das in der Figur 1 gezeigte Sensorelement 20, in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Sensorelements 20 durch die

Durchkontaktierungen 501 , 502, 503 ist in der Figur 2, rein schematisch, gezeigt.

Die Durchkontaktierungen 501 , 502, 503 sind als leitfähige Schichten der radialen Wände der Durchkontaktierlöcher 601 , 602, 603 des Sensorelements 20 ausgebildet. Der Durchmesser der Durchkontaktierlöcher 601 , 602, 603 beträgt im Beispiel 0,48mm.

Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Sensorelement 20 weist zumindest teilweise offenliegende Leiterbahnen auf, nämlich die auf der nach außen weisenden Großfläche der dritten Festelektrolytfolie 23 angeordnete Leiterbahn 320 mit der weiteren Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45 mit der Durchkontaktierung 503; ferner die auf der nach außen weisenden Großfläche der ersten

Festelektrolytfolie 21 angeordneten Kontaktflächen 43, 44 mit den zugehörigen Durchkontaktierungen 501 , 502.

Es ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass bestimmte offenliegende Teile dieser Leiterbahnen, nämlich ein anschlussseitiger Teil 320a der Leiterbahn 320, die weitere Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45, die Durchkontaktierung 503; ferner die Kontaktflächen 43, 44 und die Durchkontaktierungen 501 , 502 ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das weniger

temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, beispielsweise aus einer Fe-Cr-Al-Legierung bestehen. Ein abgasseitiger Teil 320b der

Leiterbahn 320 und die im Inneren des Sensorelements 20 angeordneten Leiterbahnen, beispielsweise die Leiterbahnen 321 , 322, 328 bestehen hingegen, wie im Stand der Technik üblich, ganz oder überwiegend aus Platin oder einem Platin-Cermet.

Zur Herstellung des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Sensorelements wird in einem ersten Verfahrensschritt 101 (siehe Figur 4) in an sich bekannter Technik, mittels Bedrucken, Laminieren und Sintern bei über 1000°C von keramischen Folien ein keramischer Körper 120 hergestellt, der sich von dem fertigen

Sensorelement 20 dadurch unterscheidet, dass die bestimmten offen liegenden Teile der Leiterbahnen die ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, genauer gesagt: der anschlussseitige Teil 320a der Leiterbahn 320, die weitere Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45, die Durchkontaktierung

503, die Kontaktflächen 43, 44 und die Durchkontaktierungen 501 , 502, noch nicht aufgebracht sind. Der keramische Körper 120 ist in der Figur 3 in einer Darstellung entsprechend der Figur 1 dargestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt 102 (siehe Figur 4) werden auf den

Keramikkörper 102 die bestimmten offen liegenden Teile der Leiterbahnen die ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, genauer gesagt: der anschlussseitige Teil 320a der Leiterbahn 320, die weitere Kontaktfläche 46 sowie die Kontaktfläche 45, die Durchkontaktierung 503, die Kontaktflächen 43,

44 und die Durchkontaktierungen 501 , 502, aufgebracht. Das Aufbringen 102 erfolgt beispielsweise mittels an sich bekannter generativer Verfahren. Das Aufbringen 102 erfolgt beispielsweise mittels eines 3D-MID-Verfahrens, mittels eines kaltaktiven Plasmas, mittels des unter der Marke Plasmadust bekannten Verfahrens und/oder durch Dispensen/Einbrennen bei einer Temperatur zwischen 600°C und 1 100°C. Im Anschluss an den zweiten Verfahrensschritt 102 liegt das in den Figuren 1 und 2 gezeigte fertige Sensorelement 20 vor.

Im Fall des Aufbringens der Leiterbahnteile mittels einer Plasma-Metallisierung erfolgt letztere bevorzugt durch eine antihaftbeschichtete Metall-, Glas- oder PTFE-Maske hindurch, um feine Leiterbahnstrukturen mit einer Breite von beispielsweise nur 50μηι aber auch geometrisch definierte Vollflächen reproduzierbar herstellen zu können. Zur Wiederverwendung der Masken wird das auf die Masken aufgetragene Material durch einen anschließenden

Säuberungsprozess (z.B. Wasserstrahl-Hochdruck; C02 oder Ätzprozess) entfernt.

Optional ist es möglich, in beliebigen Raumrichtungen gradierte metallische Schichten aufzubringen, mittels derer beispielsweise eine vollflächige EMV- Abschirmung oder Wärmeableitung im Bereich von 5 bis 100W/(m ^* K) zur Temperaturhomogenisierung oder Entwärmung erreichbar ist.

Wenngleich oben exemplarisch von einem planaren Sensorelement

ausgegangen wurde, lassen sich die Leiterbahnen auch auf unebenen

Oberflächen aufbringen. Auf diese Weise sind beispielsweise auch in einem Arbeitsgang kostengünstige, insbesondere spiralförmige Heizelemente und/oder Induktivitäten herstellbar, beispielsweise in einer Anwendung als HF-Filter oder Transformator.

Es können ferner zusätzliche Dispersionsschichten, z.B. aus Bornitrid aufgebracht werde und somit eine Erhöhung der Korrosionsfestigkeit und eine Verhinderung elektrischer Nebenschlüsse durch eindringende Feuchtigkeit verbessert werden.

Strukturelemente und Fertigungsverfahren der an sich bekannten Aufbau- und Verbindungstechnik können nach Bedarf ergänzend oder alternativ zur

Anwendung kommen.

Bei einem alternativen Ausführbeispiel sind im Vergleich zum vorangehend beschriebenen die platinhaltigen Teile der Leiterbahnen in Längsrichtung des Sensorelements 20 verkleinert und die platinfreien Teile der Leiterbahnen in Längsrichtung des Sensorelements 20 vergrößert, so dass der Bereich der offenliegenden Leiterbahn, der ein Material aufweist oder aus einem Material besteht, das weniger temperaturbeständig und/oder oxidationsbeständig ist als Platin, sich bis in ein in Längsrichtung mittleres Drittel des Sensorelements 20 erstreckt, vorzugsweise sogar bis in eine in Längsrichtung abgasseitige Hälfte des Sensorelements 20.