Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messqases in einem Messgasraum und Verfahren zum Herstellen desselben

Stand der Technik Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und

Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines

Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. 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

Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.

Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte

Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1 . Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit

Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die 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. Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (Zr0 ₂ ),

insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ) und/oder Siliziumoxid (Si0 ₂ ) enthalten können. Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So werden derartige

Sensorelemente üblicherweise als planare, stäbchenförmige Bauteile

ausgebildet, die über eine keramische Mehrschichttechnik hergestellt werden. Sie zeichnen sich durch eine integrierte Heizelementstruktur und eine

elektrochemische Zelle aus. Zur Herstellung werden dabei ungesinterte Folien, d. h. Folien im sogenannten Grünlingszustand, mittels eines Siebdruckprozesses mit den Funktionsschichten bedruckt. Beispielsweise werden zwei solcher Folien im Grünlingszustand aus Zirkoniumdioxid hergestellt und mittels eines

Laminierprozesses miteinander verbunden. Anschließend erfolgt ein Sintern zu einem monolithischen Bauteil. Derartige Sensorelemente erfahren eine aufwändige Qualitätskontrolle, wobei manche Prüfungen dem sehr komplexen Funktionsschichtaufbau geschuldet sind, der wegen der nicht ausreichenden Isolierfähigkeit des Trägermaterials aus Zirkoniumdioxid erforderlich ist. Nach den Prüfungen werden die Sensorelemente über aufgefädelte Dichtungen in ein metallisches Gehäuse verpresst. Derartige Sensorelemente müssen steigende Funktionsanforderungen erfüllen. Insbesondere spielt die schnelle

Betriebsbereitschaft von Sensorelementen von Lambdasonden nach Motorstart eine große Rolle. Diese wird von zwei Aspekten beeinflusst, nämlich dem raschen Aufheizen der Sonde auf Betriebstemperatur und der Robustheit gegen Thermoschock durch Wasserschlag im Betrieb. Als Standardmaßnahme gegen Wasserschlag hat sich dabei die sogenannte Thermoschockschutzschicht durchgesetzt. Dabei handelt es sich um eine poröse Schicht, die zusätzlich auf das Sensorelement aufgebracht wird. Daher ist es bei derartigen

zirkoniumdioxidbasierten Sensorelementen zur Erreichung der Anforderungen hinsichtlich Wasserschlags erforderlich, eine Thermoschockschutzschicht aus Aluminiumoxid zu applizieren. Entsprechend sind zur Herstellung derartiger Sensorelemente viele Fertigungsschritte erforderlich, die sowohl die

Herstellungskosten als auch die Materialkosten in die Höhe treiben. Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum und ein Verfahren zur Herstellung desselben vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensorelemente und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden und die insbesondere die gesteigerten Funktionsanforderungen erfüllen als auch Fertigungsschritte und Materialkosten einsparen.

Ein erfindungsgemäßes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas, einer

Temperatur des Messgases oder zur Detektion von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikeln, umfasst einen keramischen Schichtaufbau mit mindestens einer elektrochemischen Zelle. Die elektrochemische Zelle weist mindestens zwei Elektroden und mindestens einen die Elektroden verbindenden Festelektrolyten auf. Das Sensorelement umfasst weiterhin einen Träger zum Tragen des keramischen Schichtaufbaus. Der Träger ist im Wesentlichen aus Aluminiumoxid hergestellt. Der Träger kann in einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweisen als außerhalb der elektrochemischen Zelle. Der Träger ist in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle verjüngt ausgebildet und kann optional zusätzlich abgerundete Kanten aufweisen. Der Träger kann in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle gekrümmt verjüngt oder linear verjüngt ausgebildet sein. Dabei kann das Sensorelement eine Dichtung umfassen, der mit dem keramischen Schichtaufbau verbunden ist. Die Dichtung kann im Wesentlichen aus Aluminiumoxid hergestellt sein. Die Dichtung kann in Längserstreckungsrichtung betrachtet im Wesentlichen in einer Mitte des Sensorelements angeordnet sein. Dieses Sensorelement kann weiterhin eine Thermoschockschutzschicht, die den keramischen Schichtaufbau zumindest teilweise umgibt, sowie weiterhin ein Heizelement zum Erwärmen der elektrochemischen Zelle umfassen, wobei das Heizelement auf einer dem keramischen Schichtaufbau abgewandten Seite des Trägers angeordnet ist. Alternativ ist das Heizelement auf der gleichen Seite des Trägers wie der keramische Schichtaufbau angeordnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem

Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst die folgenden Schritte: - Ausbilden eines keramischen Schichtaufbaus, wobei der keramische

Schichtaufbau mit mindestens einer elektrochemischen Zelle ausgebildet wird, wobei die elektrochemische Zelle mindestens zwei Elektroden und mindestens einen die Elektroden verbindenden Festelektrolyten aufweist, Anordnen des keramischen Schichtaufbaus in einem Formwerkzeug, - Einbringen, insbesondere Einspritzen, einer keramischen Masse in das

Formwerkzeug zum Ausbilden eines Trägers zum Tragen des keramischen Schichtaufbaus, wobei die keramische Masse aus einem Material hergestellt ist, das im Wesentlichen Aluminiumoxid aufweist. Der Träger kann dabei derart ausgebildet werden, dass dieser in einer

Längserstreckungsrichtung des Sensorelements betrachtet im Bereich der elektrochemischen Zelle eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweist als außerhalb der elektrochemischen Zelle. Der keramische

Schichtaufbau kann auf einem ersten Trägerelement ausgebildet werden, wobei das erste Trägerelement lösbar mit dem keramischen Schichtaufbau verbunden wird, wobei das erste Trägerelement nach dem Einbringen der keramischen Masse in das Formwerkzeug entfernt wird. Zum Erwärmen der

elektrochemischen Zelle kann ein Heizelement auf einem zweiten Trägerelement ausgebildet werden, wobei das zweite Trägerelement lösbar mit dem

Heizelement verbunden wird, wobei das zweite Trägerelement nach dem Einbringen der keramischen Masse in das Formwerkzeug entfernt wird. Das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement können derart in dem

Formwerkzeug angeordnet werden, dass der keramische Schichtaufbau und das Heizelement einander zugewandt sind. Die keramische Masse kann zwischen den keramischen Schichtaufbau und das Heizelement eingebracht werden.

Alternativ wird die keramische Masse derart eingebracht werden, dass das Heizelement auf der gleichen Seite des Trägers wie der keramische

Schichtaufbau angeordnet wird. Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus bedingt unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein.

Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein.

Unter einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird.

Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung 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 dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische

Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.

Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre

Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und ungefähr 352 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 952 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der

Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein.

Unter einer Dicke eines Bauteils oder Elementes ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung in der Richtung des Schichtaufbaus und somit senkrecht zu den einzelnen Schichtebenen des Schichtaufbaus zu verstehen.

Unter einer elektrochemischen Zelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pumpzelle und Nernstzelle. Unter einer Anordnung„im Bereich der elektrochemischen Zelle" ist eine

Anordnung eines Bauteils zu verstehen, die in einer Richtung senkrecht zu den Schichten des Schichtaufbaus gesehen mit der elektrochemischen Zelle zumindest teilweise überlappt.

Unter einer thermischen Masse pro Längeneinheit ist im Rahmen der

vorliegenden Erfindung die Wärmekapazität des keramischen Schichtaufbaus pro Längeneinheit in Längserstreckungsrichtung zu verstehen. Ein Grundgedanke der Erfindung ist die Realisierung eines Sensorelementes unter Verwendung eines Keramikspritzgußverfahrens mit integrierter Inmould- Labeling-Technik. Als Trägermaterial wird dabei Aluminiumoxid anstelle

Zirkoniumdioxid eingesetzt. Vorteile davon sind, dass einerseits durch den Einsatz der Keramikspritzguss-/lnmould-Labeling-Technologie mechanisch günstigere Bauformen für die Realisierung der Schüttelfestigkeit und

Thermoschockfestigkeit für das Sensorelement möglich sind, so dass das mechanisch stabilere Zirkoniumdioxid gegenüber Aluminiumoxid nicht mehr zwingend erforderlich ist. Für den Inmould-Labeling-Prozess werden dazu vorab auf ein„inertes" Trägermaterial, beispielsweise Trucal ^® -Papier, die

Funktionsschichten aufgebracht/gedruckt, wie beispielsweise in alternativen additiven Fertigungsverfahren. Der gesamte Siebdruckprozess ist auf Papier schneller und präziser durchführbar, da bei Papier gegenüber den Grünfolien während der Trocknung keine Formänderung, wie beispielsweise eine

Schrumpfung, entsteht. Diese so hergestellten Funktionsschichten werden ins Keramikspritzgusswerkzeug eingelegt und überspritzt. Hierbei können auch gekrümmte Oberflächen realisiert werden. Durch dieses Verfahren kann auf das Bedrucken von Grünfolien verzichtet werden.

Die Keramikspritzguss-/lnmould-Labeling-Technologie ermöglicht weiterhin die Realisierung eines Dichtsockelbereichs im mittigen Bereich des Sensorelements, um die Verbauung ins Gehäuse zu vereinfachen. Dadurch ergibt sich eine Einsparung von zum Teil teuren Dichtscheiben, beispielsweise aus Bornitrid, und den entsprechenden Prozessschritten. Eine Abführung eines Großteils der Sensorelementwärme in die metallischen Nachbarkomponenten über den Kontakt des Aluminiumoxiddichtsockels mit dem Gehäuse ermöglicht, dass die Gefahr der Überhitzung an den Kontaktelementen des Sensorelementes deutlich reduziert ist. Aluminiumoxid als Träger hat durch seine höhere Wärmeleitfähigkeit zudem günstigere Eigenschaften hinsichtlich Aufheiz- und

Thermoschockverhalten als Zirkoniumdioxid. Der Wärmeeintrag des

Heizelements in die Messzelle kann daher schneller erfolgen, was ein

günstigeres Fast-Light-Off-Verhalten bedeutet.

Zusätzlich ist die Thermoschockrobustheit deutlich gesteigert, da hier kein scharfer Temperaturgradient beim Auftreffen kalter Wassertropfen auf heiße Sensorelementoberflächen entsteht. Durch diese gesteigerte

Thermoschockrobustheit kann auf einen nachträglich applizierten

Thermoschockschutzmantel verzichtet werden. In diesem Fall genügen dünne, gedruckte Abdeckschichten für die Sensormesszelle. Durch den Einsatz von Aluminiumoxid kann darüber hinaus der

Funktionsschichtaufbau deutlich vereinfacht werden, da der Träger hier schon die Anforderung für die elektrische Isolierung des Heizelements erfüllt. Aufwändige Druckschichten zur Isolierung bzw. Durchisolierung, die im Stand der Technik ebenfalls aus Aluminiumoxid realisiert werden, können entfallen. Im Zuge dessen können auch die korrespondierenden Prüfungen der Isolationsqualität eingespart werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen 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 perspektivische Ansicht eines Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements gemäß einer

zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 3 eine Querschnittsansicht eines Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Figur 5 Schritte eines Verfahrens zum Herstellen des Sensorelements. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in Figur 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases 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 Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. 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, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas. Es versteht sich, dass das Sensorelement auch in anderen Bereichen einsetzbar ist, wie beispielsweise im Bereich der Abgastechnik für Heizkraftwerke oder Haus- Brennwertgeräten und dergleichen.

Das Sensorelement 10 weist einen keramischen Schichtaufbau 12 auf. Der keramische Schichtaufbau 12 weist einen Festelektrolyten 14 und mindestens zwei Elektroden auf. Der Festelektrolyt 14 kann aus mehreren keramischen Schichten in Form von Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Die Elektroden 16, 18 werden auch als erste Elektrode 16 und zweite Elektrode 18 bezeichnet, ohne jedoch eine Gewichtung ihrer Bedeutung anzugeben, sondern lediglich, um diese begrifflich unterscheiden zu können. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 sind durch den Festelektrolyten 14 miteinander verbunden, insbesondere elektrisch verbunden. Auf diese Weise weist der keramische Schichtaufbau eine elektrochemische Zelle 20 auf, die die zwei Elektroden 16, 18 und den

Festelektrolyten 14 umfasst. Die elektrochemische Zelle 20 kann beispielsweise als sogenannte Nernstzelle ausgebildet sein. Alternativ kann die

elektrochemische Zelle 20 als sogenannte Pumpzelle eines Sensorelements einer planaren Breitband-Lambdasonde ausgebildet sein.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin einen Träger 22 zum Tragen des keramischen Schichtaufbaus 12 auf. Der Träger 22 ist im Wesentlichen aus Aluminiumoxid hergestellt, d. h. aus Aluminiumoxid mit einem Anteil von mindestens 50 Gew.-% Aluminiumoxid, bevorzugt mindestens 60 Gew.-% Aluminiumoxid und noch bevorzugter mindestens 70 Gew.-% Aluminiumoxid, beispielsweise 75 Gew.-% oder 80 Gew.-% Aluminiumoxid. Des Weiteren weist das Sensorelement 10 ein Heizelement 24 zum Erwärmen der

elektrochemischen Zelle 20 auf. Das Heizelement 24 ist auf einer dem keramischen Schichtaufbau 12 abgewandten Seite 26 des Trägers 22 angeordnet. Alternativ ist das Heizelement 24 auf der gleichen Seite des Trägers 22 wie der keramische Schichtaufbau 12 angeordnet. Des Weiteren weist das Sensorelement 10 eine sockeiförmige Dichtung 28 auf. Die Dichtung 28 ist ebenfalls aus Aluminiumoxid hergestellt. Die Dichtung 28 ist in einer

Längserstreckungsrichtung 30 des Sensorelements 10 betrachtet in einer Mitte 32 des Sensorelements 10 angeordnet. Die Dichtung 28 ist konusförmig ausgebildet. Alternativ ist die Dichtung 28 zylindrisch, insbesondere

kreiszylindrisch, ausgebildet.

Der Träger 22 weist in der Längserstreckungsrichtung 30 betrachtet in einem Bereich 34 der elektrochemischen Zelle 20 eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit auf als außerhalb der elektrochemischen Zelle 20. Beispielsweise ist der Träger 22 in Längserstreckungsrichtung 30 betrachtet in dem Bereich 34 der elektrochemischen Zelle 20 verjüngt ausgebildet. Wie aus Figur 1 zu erkennen ist, kann der Träger 22 in Längserstreckungsrichtung 30 betrachtet im Bereich 34 der elektrochemischen Zelle 20 gekrümmt verjüngt ausgebildet sein. Alternativ ist der Träger 22 linear verjüngt ausgebildet. Bei der ersten

Ausführungsform ist der Träger 22 beispielsweise zungenförmig ausgebildet.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem

Sensorelement 10 der zweiten Ausführungsform ist die geringere thermische Masse pro Längeneinheit in dem Bereich 34 der elektrochemischen Zelle 20 als außerhalb der elektrochemischen Zelle 20 dadurch realisiert, dass der Träger 22 eine im Vergleich zu der ersten Ausführungsform geringere Höhe 36 und Breite 38 aufweist. Entsprechend verjüngt sich der Träger 22 in

Längserstreckungsrichtung 30 betrachtet in dem Bereich 34 der

elektrochemischen Zelle 20 allseitig.

Des Weiteren weist das Sensorelement 10 eine Thermoschockschutzschicht 40 auf. Die Thermoschockschutzschicht 40 umgibt das Sensorelement 10 zumindest teilweise. Insbesondere umgibt die Thermoschockschutzschicht 40 das

Sensorelement 10 in dem Bereich 34 der elektrochemischen Zelle 20. Die Thermoschockschutzschicht 40 kann aufgrund des verjüngten Trägers 22 eine geringere Dicke 42 aufweisen. Beispielsweise ist die Dicke 42 der

Thermoschockschutzschicht 40 im Vergleich zu herkömmlichen

Sensorelementen um eine Abmessung 44 verringert, die demjenigen Maß entspricht, um das sich der Träger 22 in der Längserstreckungsrichtung 30 betrachtet verjüngt.

Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem

Sensorelement 10 der dritten Ausführungsform weist der Träger 22 eine

Verzahnung 46 auf. Die Verzahnung 46 kann beispielsweise wellenförmig ausgebildet sein. Die Verzahnung 46 dient dem besseren Anhaften der Thermoschockschutzschicht 40, da die Thermoschockschutzschicht 40 und der Träger 22 an der Verzahnung 46 ineinander greifen. Insbesondere stellt die Wellenform der Verzahnung neben einem Materialschluss zusätzlich einen Formschluss dar und verhindert ein Abfallen der Thermoschockschutzschicht 40 während des Betriebes des Sensorelements 10.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem

Sensorelement 10 der vierten Ausführungsform kann die geringere thermische Masse im Bereich 34 der elektrochemischen Zelle 20 dadurch realisiert sein, dass der Träger 22 zylindrisch verjüngt ausgebildet ist. Optional kann der Träger 22 dabei ein halbkugelförmiges Vorderende 48 aufweisen. Optional kann die Thermoschockschutzschicht 40 in der oben beschriebenen Weise vorgesehen sein.

Figur 5 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Herstellen des Sensorelements 10. Nachstehend wird insbesondere ein erfindungsgemäßes Verfahren zum

Herstellen eines Sensorelements 10 gemäß den ersten vier Ausführungsformen beschrieben. Zunächst wird der keramische Schichtaufbau 12 ausgebildet. Der keramische Schichtaufbau 12 wird dabei mit mindestens einer elektrochemischen Zelle 20 ausgebildet. Die elektrochemische Zelle 20 weist mindestens zwei Elektroden 16, 18 und mindestens einen die Elektroden 16, 18 verbindenden Festelektrolyten 14 auf. Der keramische Schichtaufbau 12 kann beispielsweise aus mehreren Folien hergestellt werden, die aufeinander laminiert werden. Der keramische Schichtaufbau 12 wird dabei auf einem ersten Trägerelement 50 ausgebildet. Das Drucken dieser Funktionsschichten erfolgt beispielsweise mit einem an sich bekannten Siebdruckverfahren, kann aber auch über additive Verfahren, wie beispielsweise 3-D-Druck, Inkjet, Aerosoljet, oder ähnlicher, realisiert werden. Das erste Trägerelement 50 ist beispielsweise Papier oder eine Polymerfolie. Das erste Trägerelement 50 ist dabei lösbar mit dem keramischen Schichtaufbau 12 verbunden. Das erste Trägerelement 50 wird zusammen mit dem keramischen Schichtaufbau 12 in einem Formwerkzeug 52 angeordnet. Dabei wird das erste Trägerelement 50 so in dem Formwerkzeug 52 angeordnet, dass es mit seiner dem keramischen Schichtaufbau 12 abgewandten Rückseite 54 an dem Formwerkzeug 52 anliegt.

Das Heizelement 24 zum Erwärmen der elektrochemischen Zelle 20 wird auf einem zweiten Trägerelement 56 ausgebildet. Das zweite Trägerelement 56 kann dabei ebenfalls ein Papier oder eine Polymerfolie sein. Das zweite Trägerelement 56 wird dabei lösbar mit dem Heizelement 24 verbunden. Das zweite

Trägerelement 56 wird so in dem Formwerkzeug 52 angeordnet, dass es mit seiner dem Heizelement 24 abgewandten Rückseite 58 an dem Formwerkzeug 52 anliegt. Entsprechend sind das erste Trägerelement 50 und das zweite Trägerelement 56 derart in dem Formwerkzeug 52 angeordnet, dass der keramische Schichtaufbau 12 und das Heizelement 24 einander zugewandt sind. Der keramische Schichtaufbau 12 und das Heizelement 24 sind dabei voneinander beabstandet. Die Rückseiten 54, 58 der Trägerelemente 50,56 können mit einer lösbaren Klebeschicht versehen sein, beispielsweise ähnlich der Klebeschicht auf den sogenannten Post-it-Stickern, um die positionsgenaue Haftung der Trägerelemente 50, 54 in dem Formwerkzeug 52 sicherzustellen. Alternativ sind auch adhäsive Klebungen mittels lösbarer Klebstoffe oder auch Fette oder ähnliches denkbar.

Anschließend wird eine keramische Masse in das Formwerkzeug 52 zum

Ausbilden eines Trägers 22 zum Tragen des keramischen Schichtaufbaus 12 eingebracht, insbesondere eingespritzt. Die keramische Masse ist dabei aus einem Material hergestellt, das im Wesentlichen Aluminiumoxid aufweist. Das in der keramischen Masse eingesetzte Aluminiumoxid weist eine Kornfeinheit D50 von 0,10 μηι bis 0,15 μηι auf, beispielsweise 0,12 μηι. Der Träger 22 wird dabei derart ausgebildet, dass dieser in Längserstreckungsrichtung 30 betrachtet im Bereich 34 der elektrochemischen Zelle 20 eine geringere thermische Masse pro Längeneinheit aufweist als außerhalb der elektrochemischen Zelle 20. Die keramische Masse wird insbesondere zwischen den keramischen Schichtaufbau 12 und das Heizelement 24 eingebracht, insbesondere eingespritzt. Dadurch wird die keramische Masse sowohl mit dem keramischen Schichtaufbau 12 als auch mit dem Heizelement 24 verbunden. Anschließend werden das erste Trägerelement 50 und das zweite Trägerelement 56 entfernt. Als Trägerelemente 50, 56 kann beispielsweise 200 μηι dickes Trucal-Papier verwendet werden, das mit einer wasserlöslichen Zuckerschicht beschichtet ist und eine leichte Ablösung im Wasser durch Auflösung der Zuckerschicht ermöglicht. Alternativ sind dünne, trocken abziehbare

Polymerfolien als Trägerelemente 50, 56 verwendbar. Für die Haftfestigkeit des keramischen Schichtaufbaus 12 und des Heizelements 24 ist darauf zu achten, dass die Affinität ihres Pastenbinders zu der Spritzgußmasse stärker ist als zum Material der Trägerelemente 50,56, damit ein Heißverkleben dieses Labels mit dem später gespritzten Körper sichergestellt und eine saubere Ablösung der Trägerelemente 50, 56 gewährleistet ist.

Durch entsprechende Formgebung des Formwerkzeugs kann im Anschluss daran die Dichtung 28 ausgebildet werden, indem eine entsprechende keramische Masse in das Formwerkzeug 52 eingebracht, insbesondere eingespritzt, wird. Die keramische Masse der Dichtung 28 kann dabei identisch mit der keramischen Masse des Trägers 22 sein, so dass ein monolithisches Bauteil entsteht. Alternativ kann die keramische Masse zum Ausbilden der Dichtung 28 einen um 0,5 Vol.-% bis 1 ,0 Vol.-% geringeren Feststoffgehalt als die keramische Masse zum Ausbilden des Trägers 22 aufweisen.

Schließlich kann eine keramische Masse zum Ausbilden der optionalen

Thermoschockschutzschicht 40 in das Formwerkzeug 52 eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden. Die keramische Masse zum Ausbilden der optionalen Thermoschockschutzschicht 40 weist Aluminiumoxid oder

Mischungen aus Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid oder sonstige Materialien auf, wie beispielsweise Forsterit.

Im Anschluss daran wird das so gebildete und in einem Grünlingszustand befindliche Sensorelement 10 aus dem Formwerkzeug 52 entnommen und einer Wasserentbinderung zugeführt. Die Wasserentbinderung hat den Vorteil, dass ein Großteil der wasserlöslichen Komponenten ausgelöst wird.

Anschließend wird das so in einem Grünlingszustand befindliche Sensorelement 10 einer thermischen Entbinderung unterzogen und typischerweise gesintert bei einer Temperatur von 1350 °C bis 1500 °C, bevorzugt bei beispielsweise 1400 °C. Während der thermischen Entbinderung verbrennen alle restlichen organischen Komponenten und der im Wesentlichen aus Aluminiumoxid hergestellte Träger 22 sintert dicht. Durch Ausbrand des organischen

Porenbildners der Thermoschockschutzschicht 40 stellt sich eine offene Porosität der Thermoschockschutzschicht 40 ein, was die sensitive Funktion und die Thermoschockrobustheit verbessert. Auf Grund der vorhergehenden

Wasserentbinderung bleibt das thermoplastische Bindersystem während der thermischen Entbinderung thermisch deformationsstabil.