Titel

Sensorelement mit Durchkontaktierloch

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in

Kraftfahrzeugen eingesetzt, insbesondere als Lambdasonden. Auch auf andere Arten von Sensorelementen, welche Festelektrolyte der beschriebenen Art umfassen, ist die Erfindung jedoch anwendbar, zum Beispiel auf Sensoren zum Nachweis anderer gasförmiger Bestandteile von Abgasen und auf Partikelsensoren. Die Erfindung betrifft ein Sensorelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, insbesondere eines erfindungsgemäßen Sensorelements.

Eine bekannte Problematik bei der Herstellung von Sensorelementen, welche mindestens eine Festelektrolytschicht aufweisen, besteht darin, dass elektrische

Durchkontaktierungen durch die Festelektrolytschicht hergestellt werden müssen, welche nicht in leitendem Kontakt mit der Festelektrolytschicht stehen sollen. Die

Durchkontaktierung wird daher in der Regel durch Isolationsschichten elektrisch gegen den Festelektrolyten isoliert.

Die in der DE 100 14 995 Cl dargestellte Durchkontaktierung weist leitende und isolierende Schichten auf, die in einem Durchkontaktierloch in einer Festelektrolytschicht eines keramischen Messfühlers angeordnet sind. Hierbei hat das Durchkontaktierloch die Gestalt eines geraden Kreiszylinders, dessen Achse senkrecht zur Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnet ist. Die Wand des Durchkontaktierlochs stößt entlang einer rechwinkligen Kante auf die Oberfläche der Festelektrolytschicht. Nachteilig an der bekannten Durchkontaktierung ist es, dass es im Fertigungsprozess schwierig sicherzustellen ist, dass die Dicke der isolierenden Schicht im

Durchkontaktierloch zwischen einer Mindestdicke und einer höchstzulässigen Dicke liegt. Insbesondere ist es schwierig sicherzustellen, dass im Bereich der Kanten des

Durchkontaktierlochs die Mindestdicke nicht unterschritten wird. Hierdurch wäre die Isolationswirkung der isolierenden Schicht beeinträchtigt. Ferner ist es insbesondere schwierig sicherzustellen, dass im Bereich der Wand des Durchkontaktierungslochs, insbesondere im Bereich unterhalb der Kanten des Durchkontaktierlochs eine

höchstzulässige Dicke der isolierenden Schicht nicht überschritten wird. Eine solche Überschreitung hat im Fertigungsprozess die Konsequenz, dass übermäßig viel

Lösungsmittel aus der der Herstellung der isolierenden Schicht dienenden Substanz in die der Herstellung der Festelektrolytschicht dienenden Substanz gelangt, wodurch diese Substanz geschädigt wird und es in der fertig gestellten Festelektrolytschicht zu Rissen kommen kann.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäße Sensorelemente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 haben hingegen den Vorteil, dass sie sich einfach herstellen lassen, insbesondere dadurch, dass sich einfach sicherstellen lässt, dass die Isolation im Bereich des Durchkontaktierlochs eine definierte Schichtdicke aufweist.

Dadurch, dass die Wand des Durchkontaktierlochs eine Fase aufweist, verbessert sich die Zugänglichkeit der Wand des Durchkontaktierlochs für die Aufbringung von

Substanzen zur Herstellung einer Isolationsschicht. Ferner wird durch die

erfindungsgemäß vorgesehene Fase vermieden, dass die Wand des

Durchkontaktierlochs und die Außenfläche der Festelektrolytschicht entlang einer Kante scharfkantig aufeinanderstoßen. Hierdurch kann im Fertigungsprozess einerseits vermieden werden, dass es im Bereich der Kante zu einer zu dünnen oder gar unterbrochenen Isolation kommt, andererseits kann das Entstehen einer zu dicken Isolationsschicht im Inneren der Durchkontaktierung ebenfalls vermieden werden. Als Mindestdicke ist eine Dicke der Isolation im Bereich zwischen 5μm und 20μm, zum Beispiel eine Dicke von 10μm anzusehen. Als höchstzulässige Dicke ist eine Dicke der Isolation im Bereich zwischen 15μm und 35μm, zum Beispiel eine Dicke von 20μm anzusehen. Es ist, insbesondere im Zusammenspiel mit der Form des

Durchkontaktierungslochs, besonders günstig, die Isolation mit einer Schichtdicke vorzusehen, die zumindest im Wesentlichen im gesamten Durchkontaktierloch zwischen der Mindestdicke und der höchstzulässigen Dicke liegt.

Im Allgemeinen versteht man unter einer Fase eine Fläche, die zwischen einer ersten und einer zweiten Fläche angeordnet ist und deren Neigung größer ist als die Neigung der ersten Fläche und kleiner als die Neigung der zweiten Fläche.

Im Rahmen dieser Anmeldung ist unter der Fase einer Wand eines Durchkontaktierlochs einer Festelektrolytschicht insbesondere ein Teil der Wand des Durchkontaktierlochs zu verstehen, der zwischen einer Großfläche der Festelektrolytschicht und einem weiteren Teil der Wand des Durchkontaktierlochs angeordnet ist, wobei die Neigung der Wand in dem weiteren Teil der Wand in radialer Richtung zumindest weitgehend konstant ist, und insbesondere zumindest weitgehend senkrecht zur Neigung der Großfläche der

Festelektrolytschicht ist, wobei in dem Teil der Wand des Durchkontaktierlochs die Neigung der Wand in radialer Richtung zwischen der Neigung der Wand in radialer

Richtung in dem weiteren Teil der Wand des Durchkontaktierlochs und der Neigung der Großfläche der Festelektrolytschicht liegt.

Ein derartiger Teil der Wand eines Durchkontaktierlochs einer Festelektrolytschicht ist insbesondere dann als Fase aufzufassen, wenn er ausgedehnter ist als ein derartiger Bereich, der üblicherweise und fertigungsbedingt zwangsläufig bei der Herstellung eines Durchkontaktierlochs in einer Festelektrolytschicht entsteht. Derartige Bereiche reichen beispielsweise bis in eine Tiefe von weniger als lμm, insbesondere weniger als 3μm, insbesondere weniger als 9μm des Durchkontaktierlochs.

Unter der Neigung der Wand eines Durchkontaktierlochs in radialer Richtung ist im Rahmen dieser Anmeldung die Neigung der Wand eines Durchkontaktierlochs in der Richtung zu verstehen, die lokal senkrecht zur umlaufenden Kante des

Durchkontaktierlochs orientiert ist. Bei Vorliegen einer zylindrischen Achssymmetrie des Durchkontaktierlochs ist dies die Richtung, die von der Achse des Durchkontaktierlochs zur Wand des Durchkontaktierlochs zeigt. Unter Großflächen einer Festelektrolytschicht werden im Rahmen dieser Anmeldung deren Oberseite und deren Unterseite verstanden. Wenn die Fase bis in eine Tiefe von nicht weniger als 25μm, insbesondere von nicht weniger als 75μm, in das Durchkontaktierloch reicht und/oder wenn die Fase bis in eine Tiefe von nicht weniger als 5% der Dicke der ersten Festelektrolytschicht, insbesondere von nicht weniger als 15% der Dicke der ersten Festelektrolytschicht, in das

Durchkontaktierloch reicht, sind die genannten vorteilhaften Effekte der Fase besonders ausgeprägt, beispielsweise ist die Zugänglichkeit der Wand des Durchkontaktierlochs für die Aufbringung von Substanzen zur Herstellung einer Isolationsschicht besonders deutlich verbessert.

Weist die Fase zumindest einen geraden Bereich auf, der in radialer Richtung gerade ist, wobei sich der gerade Bereich der Fase insbesondere über die gesamte Fase erstreckt, ergibt sich der Vorteil, dass sich eine derartige Fase besonders einfach, mit

herkömmlichen Werkzeugen fertigen lässt. Bildet überdies der gerade Bereich der Fase mit der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht und/oder der Unterseite der ersten Festelektrolytschicht einen Winkel von nicht weniger als 15° und von nicht mehr als 75°, insbesondere von nicht weniger als 30° und von nicht mehr als 60°, so werden

Scharfkantigkeiten im Bereich der Kante des Durchkontaktierlochs besonders

wirkungsvoll vermieden.

Ebenfalls besonders wirkungsvoll werden Scharfkantigkeiten im Bereich der Kante des Durchkontaktierlochs vermieden, wenn die Fase zumindest einen gekrümmten Bereich aufweist, der in radialer Richtung abgerundet ist, insbesondere dann wenn der entsprechende Krümmungsradius lOμm bis 200μm, insbesondere 25μm bis 115μm, beträgt, insbesondere dann, wenn sich der gekrümmte Bereich der Fase über die gesamte Fase erstreckt und/oder insbesondere dann, wenn das Durchkontaktierloch im Bereich der gekrümmten Fase eine konkave Form aufweist.

Eine weitere Optimierung der Fase hinsichtlich ihrer vorteilhaften Wirkungen wird möglich, wenn die Fase zwei voneinander verschiedene Bereiche, eine erste Teilfase und eine zweite Teilfase aufweist. Ist ferner vorgesehen, dass in Aufsicht auf die Festelektrolytfolie die erste Teilfase innerhalb der zweiten Teilphase angeordnet ist.

Es ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die zweite Teilphase zwischen einer Großfläche der Festelektrolytschicht und der ersten Teilfase angeordnet ist, wobei in der zweiten Teilfase eine Neigung der Wand in radialer Richtung zwischen einer Neigung der Wand in radialer Richtung in der ersten Teilfase und der Neigung der Großfläche der Festelektrolytschicht liegt. Die zweite Teilphase stellt dann gleichsam eine Fase der Fase der Wand des Durchkontaktierlochs dar. Es ergeben sich in diesem Fall sehr

weitreichende Vorteile, die die einfache Herstellbarkeit des Sensorelements und die

Zuverlässigkeit der Isolation im Bereich des Durchkontaktierlochs und damit letztlich die Lebensdauer des Sensorelements betreffen.

Wenn die zweite Teilfase bis in eine Tiefe von nicht weniger als lOμm, insbesondere von nicht weniger als 30μm, in das Durchkontaktierloch reicht und/oder bis in eine Tiefe von nicht weniger als 2,5% der Dicke der ersten Festelektrolytschicht, insbesondere von nicht weniger als 7,5% der Dicke der ersten Festelektrolytschicht, in das Durchkontaktierloch reicht, ist die Zugänglichkeit der Wand des Durchkontaktierlochs für die Aufbringung von Substanzen zur Herstellung einer Isolationsschicht besonders deutlich verbessert.

Wenn die zweite Teilfase bis in eine Tiefe von nicht mehr als lOOμm, insbesondere von nicht mehr als 50μm, in das Durchkontaktierloch reicht und/oder bis in eine Tiefe von nicht mehr als 20% der Dicke der ersten Festelektrolytschicht, insbesondere von nicht mehr als 10% der Dicke der ersten Festelektrolytschicht, in das Durchkontaktierloch reicht, lässt sie sich besonders einfach fertigen.

Eine Ausführung, in der während der Herstellung des Sensorelements eine vollständige Benetzung der Wand mit isolierendem Material besonders sichergestellt ist, sieht vor, dass die erste Teilfase und die zweite Teilfase jeweils in radialer Richtung zumindest bereichsweise gerade sind und in radialer Richtung unter einem Teilfasenwinkel aufeinanderstoßen, insbesondere unter einem Teilfasenwinkel von nicht weniger als 10° und von nicht mehr als 55°, insbesondere unter einem Teilfasenwinkel von nicht weniger als 25° und von nicht mehr als 45°. Eine weitere Ausführung, in der während der Herstellung des Sensorelements eine vollständige Benetzung der Wand mit isolierendem Material besonders sichergestellt ist, sieht vor, dass die zweite Teilfase mit der Oberseite der Festelektrolytschicht oder der Unterseite der Festelektrolytschicht einen Winkel von nicht weniger als 3° und von nicht mehr als 25°, insbesondere von nicht weniger als 6° und von nicht mehr als 16°, einschließt.

Erprobungen der Anmelderin haben ergeben, dass die Lebensdauer der Sensorelemente insbesondere dann besonders hoch ist, wenn die zweite Teilfase in radialer Richtung zumindest bereichsweise gerade ist und die erste Teilfase in radialer Richtung zumindest bereichsweise abgerundet ist, insbesondere mit einem Krümmungsradius von lOμm bis 200μm, insbesondere mit einem Krümmungsradius von 25μm bis 115μm, wobei insbesondere die zweite Teilfase und die erste Teilfase in radialer Richtung unter einem Teilfasenwinkel von weniger als 5°, insbesondere weniger als 1°, insbesondere plan, aufeinanderstoßen, insbesondere dann, wenn die zweite Teilfase mit der Oberseite der Festelektrolytschicht oder der Unterseite der Festelektrolytschicht einen Winkel von nicht weniger als 3° und von nicht mehr als 25°, insbesondere von nicht weniger als 6° und von nicht mehr als 16°, einschließt.

Zweckmäßigerweise umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements die im unabhängigen Verfahrensanspruch genannten Schritte, insbesondere in der genannten Reihenfolge.

Besonders vorteilhaft kommt hierbei zum Einbringen des Durchkontaktierlochs in die Festelektrolytfolie zumindest ein Werkzeug, zum Beispiel ein mechanischer Bohrer oder ein Stanzwerkzeug oder aber auch ein Laserstrahl, zum Einsatz, dessen Form der Form der herzustellenden Bohrung entspricht, oder der einen Teilbereich aufweist, der zumindest der Form eines Teiles der herzustellenden Bohrung aufweist. So kann das Werkzeug beispielsweise in einem distalen Bereich eine zylindrische Form aufweisen der sich in proximaler Richtung an einen Bereich anschließt, der entsprechend der Fase des Durchkontaktierlochs geformt ist. Auch der Einsatz eines Werkzeuges, dessen Form der Form der Fase des Durchkontaktierlochs entspricht, oder das einen Teilbereich aufweist, der der Form der Fase oder der Form eines Teils der Fase entspricht, ist denkbar.

Handelt es sich bei dem Werkzeug um einen Laserstrahl, so ist die Form des Laserstrahls im Sinne der DIN EN ISO 11145 zu verstehen. Es ergibt sich bei der Verwendung eines Laserstrahls der Vorteil, dass auch Hinterschnitte erzeugt werden können. Es kann also beispielsweise mit nur einseitigem (Laser-) Bohren ein Durchkontaktierloch eingebracht werden, das an seiner Oberseite und an seiner Unterseite je eine Fase aufweist.

Besonders bevorzugt erfolgt das Einbringen einer Isolationspaste und/oder einer Isolationssuspension in das Durchkontaktierloch durch zweiseitiges Saugen, wobei jeweils auf einer Großfläche der Festelektrolytfolie die Isolationspaste und/oder die Isolationssuspension aufgebracht und anschließend mittels einer Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Festelektrolytfolie durch das Durchkontaktierloch gesaugt bzw. gepresst wird. Vorteilhafterweise kann zwischen den einzelnen Saugvorgängen je eine Trocknung der Isolationspaste und/oder der Isolationssuspension erfolgen. Es ist vorgesehen, dass die Festelektrolytfolie nach dem Saugen von der ersten Seite und vor dem Saugen von der zweiten Seite gewendet wird.

Zur Realisierung einer alterungsbeständigen Durchkontaktierung ist es vorteilhaft, dass das Leitelement und das Isolationselement innig miteinander verbunden sind, was insbesondere durch ein Kosintern gewährleistet ist. Für letzteres ist es erforderlich zumindest eine oder eine Kombination mehrerer oder alle der im Anspruch 19 genannten Maßnahmen und insbesondere eine Sintertemperatur von 1350 ⁰ C bis 1450 ⁰ C

anzuwenden.

Zeichnung Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorelements

Figur 2a bis 2e zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung

Figur 3 zeigt schematisch die Herstellung eines Sensorelements

Figur 4, 5a und 5b zeigen die Herstellung der Durchkontaktierung eines

Sensorelements

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Figur 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen anschlussseitigen

Endabschnitt eines Sensorelements 20, das in einem Gehäuse eines Gasmessfühlers (nicht gezeichnet) angeordnet ist und beispielsweise der Bestimmung der

Sauerstoffkonzentration in einem Abgas eines Verbrennungsmotors (nicht gezeichnet) oder der Temperatur des Abgases dient.

Das Sensorelement 20 ist aus keramischen Schichten 21, 22, 28, 29a, 29b aufgebaut, von denen zwei als eine erste und eine zweite Festelektrolytfolie 21, 22 ausgebildet sind und Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) enthalten, zwei als innere elektrisch isolierende Schichten 29a, 29b ausgebildet sind und Aluminiumoxid enthalten und eine als äußere elektrisch isolierende Schichte 28 ausgebildet ist und ebenfalls Aluminiumoxid enthält. Unterhalb und oberhalb der inneren elektrisch isolierenden Schichten 29a, 29b befinden sich die erste und die zweite Festelektrolytfolie 21, 22. Oberhalb der ersten

Festelektrolytfolie 21 ist die äußere elektrisch isolierende Schicht 28 angeordnet.

Selbstverständlich kann das Sensorelement 20 weitere Schichten aufweisen zur

Realisierung an sich bekannter Funktionalitäten des Sensorelements 20.

Zwischen den inneren elektrisch isolierenden Schichten 29a, 29b befindet sich ein Funktionselement 31, das sich in diesem Beispiel aus einer elektrischen

Widerstandsheizung und einer Zuleitung 131 zu der elektrischen Widerstandsheizung zusammensetzt. Die elektrische Widerstandsheizung bewirkt zusammen mit einer äußeren Beschaltung (nicht gezeichnet) die Beheizung des Sensorelements 20, beispielsweise auf Temperaturen bis über 650 ⁰ C. Die Zuleitung 131 zu der elektrischen Widerstandsheizung erstreckt sich bis zum anschlussseitigen Endabschnitt des

Sensorelements 20, während die elektrische Widerstandsheizung in dem

gegenüberliegenden, in der Figur 1 nicht gezeichneten, messseitigen Endabschnitt des Sensorelements 20 angeordnet ist. Selbstverständlich kann das Funktionselement 31 auch eine andere, im Zusammenhang mit keramischen Sensorelementen an sich bekannte Funktion haben.

Das Sensorelement 20 weist im Bereich des anschlussseitigen Endabschnitts eine elektrische Durchkontaktierung 200 auf, die eine elektrische Kontaktierung des sich im

Inneren des Sensorelements 20 befindlichen Funktionselements 31 über die Außenfläche 100 des Sensorelements 20 ermöglicht. Die Durchkontaktierung 200 erstreckt sich folglich ausgehend von dem Funktionselement 31 durch die innere elektrisch isolierende Schicht 29b, durch die erste Festelektrolytfolie 21 und durch die die äußere elektrisch isolierende Schicht 28 bis an die Außenfläche 100 des Sensorelements 20. Zum Zweck der

Durchkontaktierung 200 weist die erste Festelektrolytschicht 21 ein Durchkontaktierloch 25 auf. Im Inneren der Durchkontaktierung 200 ist ein schichtförmig ausgebildetes Isolierelement 42 angeordnet, das sich ausgehend von der äußeren elektrisch

isolierenden Schicht 28, über die Wand 251 des Durchkontaktierlochs 25 bis zur inneren elektrisch isolierenden Schicht 29b erstreckt, sodass durch das schichtförmig

ausgebildete Isolierelement 42 und die äußere und innere isolierende Schicht 28, 29b die erste Festelektrolytschicht 21 im Bereich der Durchkontaktierung 200 vollständig von elektrisch isolierendem Material, das beispielsweise Aluminiumoxid enthält, umgeben ist und innerhalb der Durchkontaktierung 200 ein Bereich entsteht, der gegenüber der ersten Festelektrolytschicht 21 auch bei hohen Temperaturen, zum Beispiel Temperaturen von über 400°, elektrisch isoliert ist. In diesem elektrisch isolierten Bereich, auf dem schichtförmig ausgebildeten Isolierelement 42 ist ein ebenfalls schichtförmig

ausgebildetes Leitelement 41 angeordnet, das sich ausgehend von dem

Funktionselement 31 durch die Durchkontaktierung 200 bis zu einer auf der Außenfläche 100 des Sensorelements 20 angeordneten Kontaktfläche 43 erstreckt, sodass insgesamt eine elektrische Kontaktierung des sich im Inneren des Sensorelements 20 befindlichen Funktionselements 31 über die Außenfläche 100 des Sensorelements 20 entsteht, die gegenüber der ersten Festelektrolytschicht 21 elektrisch isoliert ist.

Die Wand 251 des Durchkontaktierlochs 25 weist an seiner Oberkante und an seiner Unterkante jeweils eine Fase 51 auf, die jeweils eine schräge Verbindung zwischen einer der Großflächen der ersten Festelektrolytschicht 21 und einem zu den Großflächen der ersten Festelektrolytschicht 21 senkrechten Teil der Wand 251 des Durchkontaktierlochs 25 im Inneren des Durchkontaktierlochs 25 darstellt. In den gedanklich aus der ersten Festelektrolytschicht 21 durch die Fasen 51 ausgeschnittenen, umlaufenden Bereichen befindet sich in diesem Beispiel elektrisch isolierendes Material. Dieses Material kann, wie in Figur 1 ersichtlich, als den elektrisch isolierenden Schichten 28, 29b zugehörig aufgefasst werden oder als dem Isolationselement 42 zugehörig aufgefasst werden.

In diesem Beispiel weist das Durchkontaktierloch 25 an seiner engsten Stelle einen Durchmesser auf, der im Bereich von 0,3mm bis 2mm liegt. Das schichtförmige

Isolationselement 42 und das schichtförmige Leitelement 41 weisen im Inneren der Durchkontaktierung 200 Schichtdicken im Bereich von 5 bis lOOμm auf. Besonders bevorzugt ist es, die Schichtdicke des Isolationselements 42 sehr homogen zu gestalten, sodass sie stets oder zumindest fast überall zwischen einer Mindestdicke und einer höchstzulässigen Dicke liegt, zum Beispiel zwischen 7μm und 26μm.

Die in der Figur 1 angegebenen Fasen 51 sind als Teil der Wand 251 des

Durchkontaktierlochs 25 zu verstehen, der zwischen einer Großfläche der ersten

Festelektrolytschicht 21 und einem weiteren Teil der Wand des Durchkontaktierlochs 25 angeordnet ist, wobei die Neigung der Wand in dem weiteren Teil der Wand 251 des Durchkontaktierlochs 25 in radialer Richtung zumindest weitgehend konstant ist, und insbesondere zumindest weitgehend senkrecht zur Neigung der Großfläche der ersten Festelektrolytschicht 21 ist, wobei in dem Teil der Wand 251 des Durchkontaktierlochs 25 die Neigung der Wand 251 in radialer Richtung zwischen der Neigung der Wand 251 in radialer Richtung in dem weiteren Teil der Wand 251 des Durchkontaktierlochs 25 und der Neigung der Großfläche der ersten Festelektrolytschicht 21 liegt.

In diesem Beispiel enthält das Isolationselement 42 einen Anteil von 55 Gew-% Oc-AI ₂ O ₃ und einen Anteil von 45 Gew-% einer hoch isolierende Glasphase, zum Beispiel eines Celsian-Glases oder eines Ba-Si-La-Glases. Auch andere Anteile und andere

Bestandteile sind möglich.

Ausführungsformen des Ausführungsbeispiels sind in den Figuren 2a bis 2e gezeigt und betreffen Weiterbildungen der Form der Fase 51 der Wand 251 des Durchkontaktierlochs 25 in der ersten Festelektrolytschicht 21. Es sind dabei in den Figuren 2a bis 2e zur besseren Übersichtlichkeit jeweils nur die erste Festelektrolytschicht 21, das

Durchkontaktierloch 25 und eine oder mehrere Fasen 51 dargestellt, wobei jedoch auch diese Ausführungsformen im Sinne eines, in Figur 1 beispielhaft gezeigten,

Sensorelements zu verstehen sind. Selbstverständlich sind sämtliche Ausführungsformen der Erfindung nicht auf planar aufgebaute keramische Sensorelemente eingeschränkt, sondern unmittelbar auf andere, beispielsweise zylindrische, Geometrien eines

Schichtaufbaus übertragbar.

Die in Figur 2a gezeigte Fase 51 weist einen geraden Bereich 511 auf, der in radialer Richtung gerade ist und sich über die gesamte umlaufende Fase 51 erstreckt. Die Fase 51 erstreckt sich bis in eine Tiefe von lOOμm der ersten Festelektrolytschicht 21 bei einer Dicke der ersten Festelektrolytschicht 21 von 400μm. Die Fase 51 weist bezüglich der Großflächen der ersten Festelektrolytschicht 21 eine Neigung von 45° auf, d.h. der gerade Bereich 511 der Fase 51 schließt mit den Großflächen der ersten Festelektrolytschicht 21 einen Winkel 61 von 45° ein. Die in Figur 2b gezeigte Fase 51 weist einen gekrümmten Bereich 512 auf, der in radialer Richtung abgerundet ist. Der gekrümmte Bereich weist in radialer Richtung einen

Krümmungsradius von 80μm auf. Die Fase 51 erstreckt sich bis in eine Tiefe von 80μm der ersten Festelektrolytschicht 21 bei einer Dicke der ersten Festelektrolytschicht 21 von 400μm.

Die in den Figuren 2c und 2d gezeigten Fasen 51 bestehen jeweils aus einer ersten Teilfase 515 und einer zweiten Teilfase 516. In Aufsicht auf die Festelektrolytfolie 21 (Figur 2d) ist die erste Teilfase 515 innerhalb der zweiten Teilphase 516 angeordnet. Die beiden Teilfasen 515 und 516 stoßen in radialer Richtung unter einem Teilfasenwinkel 60 von 37,5° aufeinander. Die zweite Teilfase 516 ist gegenüber der Großfläche der

Festelektrolytschicht um 22,5° geneigt.

Die zweite Teilfase 516 ist zwischen einer Großfläche der Festelektrolytschicht 21 und der ersten Teilfase 515 angeordnet und die Neigung der Wand 251 in radialer Richtung liegt in der zweiten Teilfase 516 zwischen der Neigung der Wand 251 in radialer Richtung in der ersten Teilfase 515 und der Neigung der Großfläche der Festelektrolytschicht 21.

Die in der Figur 2e gezeigten Fasen 51 bestehen jeweils aus einer ersten Teilfase 515 und einer zweiten Teilfase 516. In Aufsicht auf die Festelektrolytfolie 21 ist die erste Teilfase 515 innerhalb der zweiten Teilphase 516 angeordnet (wie Figur 2d). Die beiden Teilfasen 515 und 516 gehen ohne Kante, plan ineinander über. Die zweite Teilfase 516 ist eine in radialer Richtung gerade und gegenüber der Großfläche der

Festelektrolytschicht um 9,3° geneigt. Die zweite Teilfase 516 erstreckt sich bis in eine Tiefe von 38 μm in das Durchkontaktierloch 25, etwa 10% der Dicke der ersten

Festelektrolytschicht 21. Die erste Teilfase 515 ist in radialer Richtung gekrümmt, wobei die Krümmung einen Radius von 55μm aufweist.

Auch weitere Kombinationen der Merkmale der dargestellten Fasen 51 sind denkbar. Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10, insbesondere einer Durchkontaktierung 200 eines solchen Sensorelements 20 ist in Figur 3 beispielhaft schematisch dargestellt und kann erfolgen, indem in eine ungebrannte Festelektrolytfolie 21', zum Beispiel aus mit Y, Ca und/oder mit Sc stabilisiertem ZrO ₂ , ein

Durchkontaktierloch 25 durch Stanzen, Prägen und/oder ein- oder zweiseitiges Bohren, insbesondere mittels Laserstrahlung, eingebracht wird. Nachfolgend erfolgt ein ein- oder mehrfaches Einbringen einer Isolationspaste 42' und/oder einer Isolationssuspension in das Durchkontaktierloch 25 durch Drucken, Siebdrucken, ein- oder zweiseitiges

Saugen/Pressen, Sprühen und/oder Tropfen, wobei abschließend, und bei mehrfachem Einbringen zusätzlich auch zwischenzeitlich, eine Trocknung erfolgt. Nachfolgend erfolgt ein ein- oder mehrfaches Einbringen einer Leitpaste 41' in das Durchkontaktierloch 25 durch Durchsaugen der Leitpaste 41' durch das Durchkontaktierloch 25 und/oder durch Aufdrucken der Leitpaste 41' auf die Oberfläche der Festelektrolytfolie 21'.

In einer Ausführungsform wird zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10, insbesondere zum Einbringen eines Durchkontaktierlochs 25 in die Festelektrolytfolie 21', ein spezielles Werkzeug 25' benutzt, das als mechanischer Bohrer oder als

Stanzwerkzeug ausgebildet ist, siehe Figur 4. Die Form des Stanzwerkzeugs oder die sich bei Rotation des Bohrers ausbildende Schneidfläche ist im unteren, distalen

Teilbereich zylindrisch, im sich nach oben anschließenden, proximalen Teilbereich des Werkzeugs 25' entspricht sie der Form der herzustellenden Fase 51. Es ist auch möglich, mit diesem speziellen Werkzeug 25' nur Teile des Durchkontaktierlochs 25, zum Beispiel nur den Bereich, der die Fase 51 aufweist, zu fertigen und die übrige Bohrung auf eine andere Art und Weise herzustellen. In diesem Fall würde der untere, distale, zylindrische Teil des Werkzeugs 25' wegfallen. In einer anderen Ausführungsform wird zusätzlich oder alternativ zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10, insbesondere zum Einbringen einer

Isolationspaste 42' und/oder einer Isolationssuspension in das Durchkontaktierloch 25 zunächst Isolationspaste 42' auf der Oberseite 211 der Festelektrolytfolie 21' im Bereich des Durchkontaktierlochs 25 aufgebracht, siehe Figur 5a. Es ist vorgesehen, dass diese Isolationspaste 42' durch Anlegen eines Unterdrucks auf der Unterseite 212 der

Festelektrolytfolie 21' in das Durchkontaktierloch hineingesaugt wird, sodass es zu einer Beschichtung der Wand 251 der Durchkontaktierung kommt.

Es ist ferner vorgesehen, das Aufbringen und Durchsaugen nach einem Wenden der Festelektrolytfolie 21' ein oder mehrfach zu wiederholen, wobei die Isolationspaste 42' nun auf der in Figur 5b nach oben weisenden Unterseite 212 der Festelektrolytfolie 21' im Bereich des Durchkontaktierlochs 25 aufgebracht wird und mittels Unterdruck in Richtung der nun in Figur 5b nach unten weisenden Oberseite 211 der Festelektrolytfolie 21' durchgesaugt wird. Es ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass der Unterdruck, eine Konsistenz der Isolationspaste 42' sowie die Anzahl der Durchsaugungen und die Form des Durchkontaktierlochs 25 so gewählt werden, dass entlang der gesamten Wand 251 des Durchkontaktierlochs 25 eine Schicht der Isolationspaste 42' und/oder der Isolationssuspension erzeugt wird, deren Dicke 5μm bis 35μm, insbesondere lOμm bis 25μm, beträgt.

Es ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass zur Herstellung eines Sensorelements 10, insbesondere einer

Durchkontaktierung 200 eines solchen Sensorelements 20 ein Sintern, insbesondere bei 1350 ⁰ C bis 1450 ⁰ C, vorgesehen ist. Um zu gewährleisten, dass im Anschluss das Leitelement 41 und das Isolationselement als kogesinterter Verbund vorliegen, wird hierbei eine der folgenden Maßnahmen angewendet oder es wird eine Kombination der folgenden Maßnahmen angewendet oder es werden alle der folgenden Maßnahmen angewendet:

- Die Isolationspaste 42' und/oder die Isolationssuspension weist Partikel eines

Isolationsmaterials, insbesondere Aluminiumoxid, auf und ferner organische Bestandteile, insbesondere Weichmacher, Lösungsmittel und Binder, und die Leitpaste 41' weist Partikel eines Edelmetalls, insbesondere Platin, auf und weist Partikel eines

Festelektrolyts, insbesondere YSZ, auf und ferner organische Bestandteile, insbesondere Weichmacher, Lösungsmittel und Binder.

- Die Größe (d ₉₀ ) der Partikel des Isolationsmaterials, die Größe (d ₉₀ ) der Partikel des Edelmetalls und die Größe (d ₉₀ ) der Partikel des Festelektrolyts liegen alle im Bereich von 0,8μm bis 2,5μm.

- Die Größe (d ₉₀ ) der Partikel des Isolationsmaterials, die Größe (d ₉₀ ) der Partikel des Edelmetalls und die Größe (d ₉₀ ) der Partikel des Festelektrolyts unterscheiden sich um weniger als 50% des größten der drei Werte.

- Der Feststoffgehalt (Gew-%) in der Isolationspaste 42' und/oder in der

Isolationssuspension unterscheidet sich von dem Feststoffgehalt (Gew-%) in der Leitpaste 42' um weniger als 20 Gew-%.

- Der Gehalt (Gew-%) an organischen Bestandteilen unterscheidet sich in der

Isolationspaste 42' und/oder in der Isolationssuspension von dem Gehalt (Gew-%) an organischen Bestandteilen in der Leitpaste 42' um weniger als 20 Gew-%.

- Die Isolationspaste (42') und/oder die Isolationssuspension und die Leitpaste 41' enthalten dieselben organischen Bestandteile.