Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
SENSOR ELEMENT FOR SENSING AT LEAST ONE PROPERTY OF A MEASUREMENT GAS IN A MEASUREMENT GAS CHAMBER, AND METHOD FOR PRODUCING SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/001802
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a sensor element (10) for sensing at least one property of a measurement gas in a measurement gas chamber, in particular for sensing a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, and a method for producing said sensor element. The sensor element (10) comprises a ceramic layer structure (12), which has at least one electrochemical cell (26), a top side (16), a bottom side (18), and lateral surfaces (20). The top side (16) and the bottom side (18) are connected to the lateral surfaces (20) by means of lateral edges (22). The sensor element (10) additionally has at least one thermal shock protection layer (44). The thermal shock protection layer (44) covers at least the lateral surfaces (20) and the lateral edges (22). A portion (46) of the thermal shock protection layer (44) covering the lateral edges (22) has a larger or smaller layer thickness than a portion (48) of the thermal shock protection layer (44) covering the lateral surfaces (20).

Inventors:
KUEHNLEIN TOBIAS (DE)
GUENSCHEL HARALD (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/061221
Publication Date:
January 03, 2019
Filing Date:
May 02, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
G01N27/407
Domestic Patent References:
WO2016080176A12016-05-26
Foreign References:
DE102014204124A12014-09-18
DE102012208787A12012-11-29
JP2011252894A2011-12-15
DE102015111681A12016-01-21
DE10308558A12004-04-01
Other References:
"Sensoren im Kraftfahrzeug", 2010, pages: 160 - 165
Download PDF:
Claims:
Sensorelement (10) 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, umfassend einen keramischen Schichtaufbau (12) mit mindestens einer elektrochemischen Zelle (26), einer Oberseite (16), einer Unterseite (18) und Seitenflächen (20), wobei die Oberseite (16) und die Unterseite (18) mittels Seitenkanten (22) mit den Seitenflächen (20) verbunden sind, wobei das Sensorelement (10) weiterhin mindestens eine Thermoschockschutzschicht (44) aufweist, wobei die

Thermoschockschutzschicht (44) zumindest die Seitenflächen (20) und die Seitenkanten (22) bedeckt, wobei ein die Seitenkanten (22) bedeckender Abschnitt (46) der Thermoschockschutzschicht (44) eine größere oder kleinere Schichtdicke als ein die Seitenflächen (20) bedeckender Abschnitt (48) der Thermoschockschutzschicht (44) aufweist.

Sensorelement (10) nach Anspruch 1, wobei die Thermoschockschutzschicht (44) die Oberseite (16) und/oder die Unterseite (18) bedeckt, wobei der die Seitenkanten (22) bedeckende Abschnitt (46) der

Thermoschockschutzschicht (44) eine größere oder kleinere Schichtdicke als ein die Oberseite (16) und/oder die Unterseite (18) bedeckender Abschnitt (50, 52) der Thermoschockschutzschicht (44) aufweist.

Sensorelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend

Durchgangs- und/oder Sacklöcher, die sich in der Oberseite (16) und/oder der Unterseite (18) befinden, wobei die Thermoschockschutzschicht (44) die Oberseite (16) und/oder die Unterseite (18) bedeckt, wobei die Durchgangsund/oder Sacklöcher mit der Thermoschockschutzschicht (44) gefüllt sind oder von der Thermoschockschutzschicht (44) ungefüllt überdeckt sind.

Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich das Sensorelement (10) in einer Längserstreckungsrichtung erstreckt, wobei die Thermoschockschutzschicht (44) in der Längserstreckungsrichtung eine Variation der Schichtdicke aufweist, wobei insebsodnere die Variation umlaufend die Oberseite (16), die Unterseite (18), die Seitenflächen (20) und die Seitenkanten (22) umfasst.

5. Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der

keramische Schichtaufbau (12) weiterhin ein Heizelement (38) aufweist, wobei die elektrochemischen Zelle (26) näher zu der Oberseite (16) als das Heizelement (38) angeordnet ist.

6. Sensorelement (10) nach Anspruch 5, wobei ein die Oberseite (16)

bedeckender Abschnitt (50) der Thermoschockschutzschicht (44) eine größere oder kleinere Schichtdicke als ein die Unterseite (18) bedeckender Abschnitt (52) der Thermoschockschutzschicht (44) aufweist.

7. Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der

keramische Schichtaufbau (12) weiterhin ein anschlussseitiges Ende (34), an dem die elektrochemische Zelle (26) elektrisch kontaktierbar ist, und ein dem anschlussseitigen Ende (34) gegenüberliegendes Vorderende (36) mit einer Stirnfläche aufweist, wobei die Oberseite (16) und die Unterseite (18) mittels Vorderkanten mit der Stirnfläche verbunden sind, wobei die

Thermoschockschutzschicht (44) zumindest die Vorderkanten bedeckt.

8. Sensorelement (10) nach Anspruch 7, wobei die Thermoschockschutzschicht (44) die Stirnfläche bedeckt, wobei ein die Vorderkanten bedeckender Abschnitt (54) der Thermoschockschutzschicht (44) eine größere oder kleinere Schichtdicke als ein die Stirnfläche bedeckender Abschnitt (56) der Thermoschockschutzschicht (44) aufweist.

9. Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die

Seitenkanten (22) als Fasen (24) ausgebildet sind.

10. Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das

Sensorelement (10) weiterhin mindestens eine poröse Untergrundschicht auf seiner Außenseite aufweist, wobei die mindestens eine

Thermoschockschutzschicht (44) auf der Untergrundschicht angeordnet ist, wobei die Untergrundschicht insbesondere U-förmig entlang der Seitenkanten (22) und Vorderkanten des Sensorelements (10) ausgebildet ist.

11. Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die

Thermoschockschutzschicht (44) weiterhin mindestens ein katalytisch aktives Material, insbesondere feinverteilte Edelmetallpartikel, aufweist.

12. Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) 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, insbesondere eines Sensorelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein keramischer Schichtaufbau (12) ausgebildet wird, wobei der keramische Schichtaufbau (12) mit mindestens einer elektrochemischen Zelle (26), einer Oberseite (16), einer Unterseite (18) und Seitenflächen (20) ausgebildet wird, wobei die Oberseite (16) und die Unterseite (18) mittels Seitenkanten (22) mit den Seitenflächen (20) verbunden sind, wobei auf den keramischen

Schichtaufbau (12) eine Sol-Gel-Suspension (58) aufgebracht wird, wobei der keramische Schichtaufbau (12) zusammen mit der aufgebrachten Sol-Gel- Suspension (58) zum Ausbilden einer Thermoschockschutzschicht (44) mindestens einem Gasstrom (72) und einer Wärmezufuhr (74) ausgesetzt wird, wobei die Thermoschockschutzschicht (44) derart ausgebildet wird, dass die Thermoschockschutzschicht (44) zumindest die Seitenflächen (20) und die Seitenkanten (22) bedeckt, wobei ein die Seitenkanten (22) bedeckender Abschnitt (46) der Thermoschockschutzschicht (44) eine größere Schichtdicke als ein die Seitenflächen (20) bedeckender Abschnitt (48) der Thermoschockschutzschicht (44) aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der keramische Schichtaufbau (12)

weiterhin ein Heizelement (38) aufweist, wobei das Heizelement (38) zumindest während des Aufbringens der Sol-Gel-Suspension (58) betrieben wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Sol-Gel-Suspension (58) durch Eintauchen des keramischen Schichtaufbaus (12) in die Sol-Gel- Suspension (58) aufgebracht wird.

Description:
Beschreibung Titel

Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum und Verfahren zur Herstellung 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 (ZrC>2), insbesondere yttriumstabilisiertes

Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (AI2O3) und/oder Siliziumoxid (S1O2) enthalten können. Bei Sensorelementen mit einem Schnellstartverhalten, d. h. einer niedrigen Fast-Light-

Off-Zeit, werden niederohmiges Platin oder Platin/Palladium für das Heizelement eingesetzt. Dabei wird darauf geachtet, dass der Heizleistungseintrag im

Funktionsbereich möglichst klein und konzentriert stattfindet, d. h. ein so genannter Hot-Spot erzeugt wird. Zusätzlich wird das Sensorelement möglichst dünn ausgeführt, wie beispielsweise mit einer Dicke von 1 mm, um die thermische Masse, die aufgeheizt werden muss, möglichst klein zu halten. Eine weitere Reduzierung der

Sensorelementdicke ist aus Montagegründen, insbesondere im Hinblick auf die Festigkeit, beispielsweise in der Packung, kritisch. Zur Erhöhung der Robustheit gegen Wasserschlag beim Einschalten der Sonde kann eine keramische, poröse Schicht, die so genannte Thermoschockschutzschicht, im beheizten Bereich aufgetragen werden.

Dies führt zwar zu einer exzellenten Verträglichkeit gegen Wassertropfen und Kaltluft beim Hochheizen sowie auch bei Betriebstemperatur. Nachteilig ist jedoch eine signifikant langsamere Aufheizzeit durch die zusätzliche thermische Masse der Thermoschockschutzschicht.

Unterhalb von ca. 300°C ist die ZrC>2-Keramik aufgrund ihrer hohen Festigkeit thermoschockfest. Die Thermoschockschutzschicht vermindert im

Niedertemperaturbereich von 300°C bis 400°C durch ihre begrenzte Permeabilität den Wasserzutritt zur ZrC>2-Keramik und begrenzt im Hochtemperaturbereich von 400°C bis 600°C die lokale Abkühlung der Sensorelementkeramik über Wärmeleitung. Bei höheren Temperaturen verhindert der Leidenfrost-Effekt die Abkühlung.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotential. Gemäß gesetzlichen Abgasvorschriften werden Gassensoren gefordert, die unmittelbar nach dem Motorstart betriebsbereit sind, keine Taupunktende-Bedatung benötigen und deshalb eine

Thermoschockschutzschicht aufweisen müssen. Bekannt ist, eine gleichmäßig ca. 300 μηη dicke Thermoschockschutzschicht, die aus porösem AI2O3 oder ZrÜ2 hergestellt ist, auf das Sensorelement bzw. dessen keramischen Schichtaufbau mittels

atmosphärischem Plasmaspritzens oder mittels kombiniertem

Suspensionsplasmaspriten aufzuspritzen. Die thermisch gespritzten Schichten belasten die Lambdasondenkeramik jedoch teilweise sehr stark und setzen die thermomechanische Robustheit deutlich herab. Bekannt ist, dass die Seitenflächen und -Kanten des Sensorelementes der Lambdasonde die kritischen Bereiche für die Thermoschockrobustheit darstellen. Bekannt ist, dass sich bei Tauchbeschichtungen durch den sogenannten Kantenfluchteffekt eine inhomogene Schichtdicke auf der

Oberfläche in der Nähe von Kanten ergibt, so dass die Schichtdicke an den Kanten geringer als an anderen Stellen der Oberfläche ist. Bekannt ist, dass die Kantenflucht der Beschichtung, d.h. Ausdünnung an der Kante, mit abnehmendem Radius der Kante zunimmt. Bekannt ist, dass die Kantenflucht durch Abrundung der Kanten oder durch Erhöhung der Viskosität und der Thixotropie der Sol-Gel-Suspension reduziert werden kann. Bekannt ist, dass bei Sprüh-Auftragsprozessen mittels Plasma oder Schlickersprühen nur gleichmäßige Schichtdicken aufgetragen werden können, deren Schichtdicke während des Beschichtungsprozesses lokal nicht gezielt eingestellt werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Es werden daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum und ein Verfahren zu dessen

Herstellung vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden und bei denen eine erhöhte

Thermoschockfestigkeit an den besonders thermoschockgefährdeten seitlichen Kanten bei gleichzeitig reduzierter thermischer Masse der

Thermoschockschutzschicht gegenüber dem zuvor beschriebenen Stand der Technik vorliegen.

Ein erfindungsgemäßes Sensorelement zur Erfassung mindestens einer

Eigenschaft eines Messgases in ein Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur eines Messgases, umfasst einen keramischen Schichtaufbau mit mindestens einer elektrochemischen Zelle, einer Oberseite, einer Unterseite und

Seitenflächen. Die Oberseite und die Unterseite sind jeweils mittels einer

Seitenkante mit den Seitenflächen verbunden bzw. gehen in diese über. Das

Sensorelement weist weiterhin mindestens eine Thermoschockschutzschicht auf. Die Thermoschockschutzschicht bedeckt zumindest die Seitenflächen und die

Seitenkanten. Ein die Seitenkanten bedeckender Abschnitt der Thermoschockschutzschicht weist dabei eine größere, gleiche oder kleinere Schichtdicke als ein die Seitenflächen bedeckender Abschnitt der

Thermoschockschutzschicht auf. Durch das Ausbilden der Thermoschockschutzschicht an den Seitenkanten dicker als an anderen Stellen, wie beispielsweise den Seitenflächen, wird eine erhöhte Thermoschockfestigkeit an den besonders thermoschockgefährdeten seitlichen Kanten bei gleichzeitig reduzierter thermischer Masse der

Thermoschockschutzschicht erzielt. Eine dünnere Ausbildung der

Thermoschockschutzschicht an den Seitenkanten dicker als an anderen Stellen, wie beispielsweise den Seitenflächen, ist beispielsweise möglich, wenn die Thermoschockschutzschicht in mehreren Beschichtungsvorgängen,

insbesondere Tauchvorgängen in einer Sol-Gel-Suspension, ausgebildet wird, da die Kapillarwirkung der zuvor aufgebrachten und porösen

Thermoschockschutzschicht eine dichtere Abscheidung der nachfolgend aufgebrachten Thermoschockschutzschicht(en) bewirkt.

Die Thermoschockschutzschicht kann die Oberseite und/oder die Unterseite bedecken. Der die Seitenkanten bedeckende Abschnitt der

Thermoschockschutzschicht weist in diesem Fall eine größere oder kleinere

Schichtdicke als ein die Oberseite und/oder die Unterseite bedeckender

Abschnitt der Thermoschockschutzschicht auf. Dadurch wird die thermische Masse insgesamt reduziert. In der Oberseiten und/oder der Unterseite können Durchgangs- und/oder

Sacklöcher ausgebildet sein. Derartige Löcher diene beispielsweise der elektrischen Kontaktierung oder können als Gaszutrittlsloch ausgebildet sein. Diese Durchgangs- und/oder Sacklöcher können mit der

Thermoschockschutzschicht gefüllt oder von dieser überdeckt sein. Dadurch lassen sich auch diese Löcher gezielt thermisch mit möglichst geringer thermischer Masse schützen.

Das Sensorelement kann sich entlang einer Längserstreckungsrichtung erstrecken. Die Thermoschockschutzschicht kann in der

Längserstreckungsrichtung des Sensorelements eine gezielt eingestellte

Variation der Schichtdicke aufweisen. Die Variation kann umlaufend um die Längserstreckungsrichtung die Oberseite, die Unterseite, die Seitenflächen und die Seitenkanten umfassen. Mit anderen Worten kann die

Thermoschockschutzschicht sowohl in der Längserstreckungsrichtung als auch in Umfangsrichtung senkrecht zur Längserstreckungsrichtung eine inhomogene bzw. sich änderde Schichtdicke aufweisen.

Die Variation kann lokal zu einer größeren oder kleineren Schichtdicke bezogen auf eine Referenzschichtdicke der Oberseite, der Unterseite, der Seitenflächen bzw. der Seitenkanten führen.

Beispielsweise kann die Thermoschockschutzschicht im wesentlichen U-förmig ausgebildet sein und die Oberseite oder die Unterseite kann ohne

Thermoschockschutzschicht ausgebildet sein.

Bei einer Weiterbildung weist das Sensorelement mehrere

Thermoschockschutzschichten auf, die übereinander angeordnet sind.

Bei einer Weiterbildung weist das Sensorelement auf seiner Außenseite mindestens eine poröse Untergrundschicht auf. Auf der Untergrundschicht ist die mindestens eine Thermoschockschutzschicht angeordnet. Die Untergrundschicht kann insbesondere U-förmig entlang der Seitenkanten und Vorderkanten des Sensorelements ausgebildet sein. Die Gestaltung U-förmiger

Thermoschockschutzschichten mit größeren Schichtdicken an den Seitenkanten kann beispielsweise durch U-förmig entlang den Seiten- und Vorderkanten verlaufender, poröser Untergrundschichten auf dem Sensorelement unterstützt werden. Mit Hilfe von porösen Schichten des Sensorelements wird die lokale Abscheidung der Thermoschockschutzschicht infolge des Sol-Gel- Trocknungsprozesses durch die Kapillarwirkung der porösen Schicht des Sensorelements im Vergleich zu glatten Schichten des Sensorelements gesteigert.

Der keramische Schichtaufbau kann weiterhin ein Heizelement aufweisen. Die elektrochemische Zelle ist dabei näher zu der Oberseite als das Heizelement angeordnet. Durch das Heizelement lässt sich die elektrochemische Zelle schneller auf ihre Betriebstemperatur erwärmen.

Ein die Oberseite bedeckender Abschnitt der Thermoschockschutzschicht kann eine größere Schichtdicke als ein die Unterseite bedeckender Abschnitt der Thermoschockschutzschicht aufweisen. Dadurch wird beispielsweise die dem Heizelement zugewandte Unterseite besser thermisch geschützt als die der elektrochemischen Zelle zugewandte und thermoschockunempfindlichere Oberseite.

Der keramische Schichtaufbau kann weiterhin ein anschlussseitiges Ende, an dem die elektrochemische Zelle elektrisch kontaktierbar ist, und ein dem anschlussseitigen Ende gegenüberliegendes Vorderende mit einer Stirnfläche aufweisen. Die Oberseite und die Unterseite können dabei jeweils mittels einer Vorderkante mit der Stirnfläche verbunden sein. Die Thermoschockschutzschicht bedeckt in diesem Fall zumindest die Vorderkanten. Damit lässt sich auch die Stirnseite des Sensorelements vor Thermoschock schützen.

Die Thermoschockschutzschicht kann weiterhin die Stirnfläche bedecken. Dabei weist ein die Vorderkanten bedeckender Abschnitt der

Thermoschockschutzschicht eine größere Schichtdicke als ein die Stirnfläche bedeckender Abschnitt der Thermoschockschutzschicht auf. Dadurch lässt sich die thermische Masse reduzieren und gleichzeitig die empfindlicheren Kanten schützen.

Die Seitenkanten können als Fasen ausgebildet sein bzw. Fasen umfassen. Unter einer Fase ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine abgeschrägte Fläche an einer Kante eines Werkstücks oder Gegenstands zu verstehen. Bei einem erfindungsgemäßen 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, insbesondere eines Sensorelements gemäß der vorherigen Beschreibung, wird ein keramischer Schichtaufbau ausgebildet, wobei der keramische Schichtaufbau mit mindestens einer elektrochemischen Zelle, einer Oberseite, einer Unterseite und

Seitenflächen ausgebildet wird, wobei die Oberseite und die Unterseite mittels Seitenkanten mit den Seitenflächen verbunden sind, wobei auf den keramischen Schichtaufbau eine Sol-Gel-Suspension aufgebracht wird, wobei der keramische Schichtaufbau zusammen mit der aufgebrachten Sol-Gel-Suspension zum

Ausbilden einer Thermoschockschutzschicht einem Gasstrom und einer

Wärmezufuhr ausgesetzt wird, wobei die Thermoschockschutzschicht derart ausgebildet wird, dass die Thermoschockschutzschicht zumindest die

Seitenflächen und die Seitenkanten bedeckt, wobei ein die Seitenkanten bedeckender Abschnitt der Thermoschockschutzschicht eine größere oder kleinere Schichtdicke als ein die Seitenflächen bedeckender Abschnitt der Thermoschockschutzschicht aufweist.

Der Gasstrom kann von einer ersten Gasdüse und einer zweiten Gasdüse zugeführt werden, wobei die Oberseite des keramischen Schichtaufbaus der ersten Gasdüse und die Unterseite des keramischen Schichtaufbaus der zweiten Gasdüse zugewandt wird, wobei die Wärmezufuhr mittels mindestens zwei Wärmequellen erfolgt, wobei die Seitenflächen den Wärmequellen zugewandt werden.

Die Thermoschockschutzschicht kann derart ausgebildet werden, dass die Thermoschockschutzschicht die Oberseite und/oder die Unterseite bedeckt, wobei der die Seitenkanten bedeckende Abschnitt der

Thermoschockschutzschicht eine größere oder kleinere Schichtdicke als ein die Oberseite und/oder die Unterseite bedeckender Abschnitt der

Thermoschockschutzschicht aufweist, wobei insbesondere ein die Oberseite bedeckender Abschnitt der Thermoschockschutzschicht eine größere

Schichtdicke als ein die Unterseite bedeckender Abschnitt der

Thermoschockschutzschicht aufweist.

Die Sol-Gel-Suspension kann durch Eintauchen des keramischen

Schichtaufbaus in die Sol-Gel-Suspension auf den keramische Schichtaufbau aufgebracht werden.

Der keramische Schichtaufbau kann weiterhin ein Heizelement aufweisen, wobei die elektrochemischen Zelle näher zu der Oberseite als das Heizelement angeordnet ist.

Das Heizelement kann während des Aufbringens der Sol-Gel-Suspension temperaturgeregelt betrieben werden.

Der keramische Schichtaufbau kann weiterhin ein anschlussseitiges Ende, an dem die elektrochemische Zelle elektrisch kontaktierbar ist, und ein dem anschlussseitigen Ende gegenüberliegendes Vorderende mit einer Stirnfläche aufweisen, wobei die Oberseite und die Unterseite mittels Vorderkanten mit der Stirnfläche verbunden sind, wobei die Thermoschockschutzschicht derart ausgebildet wird, dass die Thermoschockschutzschicht zumindest die

Vorderkanten bedeckt, wobei insbesondere die Thermoschockschutzschicht die Stirnfläche bedeckt, wobei insbesondere ein die Vorderkanten bedeckender

Abschnitt der Thermoschockschutzschicht eine größere Schichtdicke als ein die Stirnfläche bedeckender Abschnitt der Thermoschockschutzschicht aufweist.

Der keramische Schichtaufbau kann vor oder nach dem Ausbilden der

Thermoschockschutzschicht gesintert werden.

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, Porositäten 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 sein. 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 elektrochemischen Zelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, ein Aufbau aus zwei Elektroden und mindestens einer Festelektrolytschicht zu verstehen, die die Elektroden ionenleitfähig verbindet und als eine Art Membran dient. 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.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die elektrochemische Zelle insbesondere eine Pumpzelle und/oder Nernstzelle sein.

Unter einer Nernstzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Zelle zu verstehen, die die Eigenschaft von

Festelektrolytkörpern, insbesondere Zirkoniumdioxid, nutzt, bei Temperaturen ab ca. 300 °C Sauerstoffionen elektrolytisch transportieren zu können, wodurch eine Spannung zwischen den außenliegenden Elektroden entsteht. Durch diese Eigenschaft lässt sich beispielsweise der Unterschied des

Sauerstoffpartialdrucks bzw. Sauerstoffkonzentrationsunterschied zweier verschiedener Gase bestimmen.

Unter einer Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung

elektrochemische Zelle zu verstehen, bei der mittels eines an die Elektroden angelegten Pumpstroms Sauerstoff von einer Seite der Festelektrolytschicht zur anderen Seite gepumpt wird. So wird beispielsweise durch den Pumpstrom je nach Polarität Sauerstoff von der Abgasseite der Festelektrolytschicht in einen Messspalt gepumpt bzw. aus diesem herausbefördert. 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 350 °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 950 °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 Thermoschockschutzschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine keramische, poröse Schicht zu verstehen, die geeignet ist, das Sensorelement vor Wasserschlag zu schützen.

Unter einer Dicke eines Bauteils oder Elements 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 Sol-Gel-Suspension ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine kolloidale Dispersion, den sogenannten Solen, zu verstehen, die geeignet ist zur Herstellung nichtmetallischer anorganischer oder hybridpolymerer Materialien. Die Ausgangsmaterialien werden auch als Präkursoren bezeichnet. Aus ihnen entstehen in Lösung in ersten Grundreaktionen feinste Teilchen. Eine derartige Suspension wird bei sogenannten Sol-Gel-Prozessen verwendet. Dabei laufen die folgenden Grundreaktionen ab. Die Hydrolyse von Präkursor- Molekülen und die Kondensation zwischen dabei entstehenden reaktiven Spezies, sind die wesentlichen Grundreaktionen des Sol-Gel-Prozesses. Die dabei ablaufenden Vorgänge und die Eigenschaften der Präkursor-Moleküle haben einen entscheidenden Einfluss auf die resultierenden Materialeigenschaften. Bei der nachfolgenden Kondensation kondensieren bereits Metallalkoholat-Gruppen teilweise hydrolysierter Präkursormoleküle unter Wasserabspaltung miteinander. Aus dem Dimer entstehen in der Art einer anorganischen

Polykondensationsreaktion Trimere, Tetramere und weitere Oligomere, bis sich schließlich ein Partikel gebildet hat. Je nach Lösungsmittel unterscheidet man zwischen alkoholischen Solen und Hydrosolen. Hydrolyse und Kondensation sind dynamische Reaktionen vieler ineinander greifender Gleichgewichte, die auch von Katalysatoren (Säuren, Basen) beeinflusst werden. Solpartikel können in erheblichem Umfang nicht hydrolysierte Alkoholat-, Carboxylat- oder

Diketonatgruppen enthalten. Fortschreitendes Partikelwachstum und die

Aggregation von Solteilchen zu Sekundärpartikeln führen zu einem Anstieg der Viskosität. Es schließt sich eine Gelbildung an. Sobald sich zwischen den Wänden des Reaktionsgefäßes ein Netzwerk aus Solpartikeln gebildet hat, spricht man von Gelierung. Das viskos fließende Sol ist in einen viskoelastischen Festkörper übergegangen. Das Gel besteht aus dem Gelgerüst und der von ihm eingeschlossenen Lösungsmittel, wobei jedoch alle Poren miteinander in Verbindung stehen C.interpenetrierendes Netzwerk"). Derartige Gele werden schließlich weiterverarbeitet, insbesondere getrocknet. Durch nasschemische Beschichtungsverfahren wie Tauch- und Rotationsbeschichtung sowie Rakeln oder Sprühen lassen sich aus Solen Beschichtungen herstellen.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist eine selektive Einstellung der Dicke der Thermoschockschutzschicht an besonders thermomechanisch beanspruchten Sensorflächen und -Kanten. Der hierfür optimierte Sol-Gel- Prozess kann kostengünstig in die Linienfertigung integriert werden und vermeidet den bei herkömmlichen Sprühauftragsprozessen auftretenden

Materialverlust von bis zu 95%. Der lokale Auftrag der

Thermoschockschutzschicht wird durch die temperatur-, zeit- und

geschwindigkeitsabhängige Abscheidung der Thermoschockschutzschicht gesteuert. Die Beschichtungsdicke wird nur in geringem Maße von der Viskosität der mit Keramikpartikeln versetzten Sol-Gel-Suspension beeinflusst, wenn die Oberflächentemperatur der Suspension unterhalb der Taupunktemperatur liegt. Durch eigenbeheizte thermische Unterstützung des Schichtaufbaues im

Tauchbad bzw. lokale Kühlung des Schichtaufbaus durch gezielte Anströmung mit der keramischen Suspension wird die Dicke der Tauchbeschichtung auf der

Sensor- und Heizerseite sowie auf den Seitenflächen und -Kanten gezielt so eingestellt, um an den thermoschock-kritischen Stellen den besten Schutz zu erzielen, die thermische Masse der Thermoschockschutzschicht zu verringern und somit die Sensordynamik durch geringere

Thermoschockschutzschichtabscheidung im Bereich von Pump- bzw. Nernstzelle zu erhöhen. Durch gezielte Einstellung der rheologischen Eigenschaften der

Tauchsuspension - insbesondere der Oberflächenspannung sowie des

Benetzungsverhaltens können Durchgangs- und Sacklöcher in den zu beschichtenden keramischen Sensorelementen in Verbindung mit gerichteter Suspensions-Anströmung überdeckt oder auch mit keramischer Suspension gefüllt werden. Hierdurch werden zusätzliche Prozessschritte zum Füllen von z.B. Gaszutrittslöchern, mittels Dispensen mit poröser, keramischer Suspension oder zum Freihalten von Hohlräumen mittels Dispensen mit ausbrennbarer Organiksuspension, eingespart.

Bei einer Weiterbildung weist die Thermoschockschutzschicht weiterhin mindestens ein katalytisch aktives Material, insbesondere feinverteilte

Edelmetallpartikel, auf. Durch gezielte Anpassung der Werkstoffeigenschaften der übereinander aufzubringenden Tauchsuspensionen können Gradientenschichtsysteme realisiert werden, bei denen insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der inneren Thermoschockschutzschicht durch Einsatz von YSZ und Porenbildnern, wie beispielsweise Kohlenstoff, gering gehalten, die Wärmeausdehnung an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des zu beschichtenden Sensorelements optimal angepasst, die Gaspermeabilität sowie Wasserpenetrierbarkeit für Messfunktion und Thermoschockschutz optimiert sowie außenliegende

Thermoschockschutzschichten mit katalytischen Eigenschaften zur Einstellung des Lambda-Betriebspunktes durch Zugabe von katalytisch aktiven Materialien, wie beispielsweise durch feinverteilte Edelmetallpartikel, versehen werden können. Hierdurch kann die bisher zusätzlich durch Tauchen aufgetragene Edelmetall-Imprägnierung sowie deren Ausheizung entfallen.

Durch thermische und pneumatische Unterstützung des Schichtaufbaues direkt nach dem Tauchen des Sensorelementes in der keramischen Suspension kann die Dicke der Tauchbeschichtung auf der Sensorelement- und Heizerseite sowie auf den Seitenflächen und -Kanten zusätzlich gezielt eingestellt werden, um an den thermoschock-kritischen Stellen den besten Schutz zu erzielen. Dadurch wird die thermische Masse der Thermoschockschutzschicht bei hoher

Sensordynamik so gering wie möglich gehalten, was sowohl das

Schnellstartverhalten der Sonde und deren Heizspannungsbedarf so wenig wie möglich erhöht. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung selektiv optimierter Schichtdicken-Topographien. So lassen sich bei dem Verfahren Druckluftdüsen in der Mitte der Heizer- und Sensorseite und die Wärmequellen an den beiden Seitenflächen vorsehen. Sowohl die Druckluftdüsen wie auch die Wärmequellen sind dabei über einem Tauchbad fest angeordnet. Das Sensorelement wird aus dem Tauchbau und anschließend durch den Druckluft- und Wärmebereich nach oben gezogen. Die mittig auf die Sensor- und Heizerseite treffende Druckluft verdrängt die Suspension. Ein Teil der Suspension wird nach unten abgeblasen und tropft zurück in das Tauchbad. Ein weiterer Teil der Suspension wird zu den

Seitenkanten hin verdrängt und wird dort mit Hilfe der Wärmequelle

angetrocknet. Dadurch wird eine dünnere Schichtdicke auf der Sensor- und Heizerseite erreicht und eine dickere Schichtdicke auf den Seitenkanten.

Je nach Einstellung des Luftdrucks, der Trockentemperatur und der

Ziehgeschwindigkeit des Sensorelements aus dem Tauchbad kann die

Schichtdicke auf den Seitenkanten deutlich gegenüber der Sensor- und/oder Heizerseite erhöht werden, wodurch sich die gewünschte Form der

Thermoschockschutzschicht ergibt. Damit sind die thermoschock-kritischen Seitenkanten sehr gut geschützt und die thermische Masse der

Thermoschockschutzschicht sehr gering gehalten, wodurch die schnelle

Betriebsbereitschaft des Sensors nur geringfügig verlangsamt wird.

Der Druck bzw. die Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft kann auf Sensor- und Heizerseite unabhängig voneinander eingestellt werden, um die

Beschichtungs-Schichtdicken an die Erfordernisse der Sensormessfunktion wie z.B. poröse Schicht über Elektrode bzw. abgedecktes Gaszutrittsloch, anzupassen. Soll auf der Sensor- und/oder Heizerseite des Sensorelements die Suspension komplett entfernt werden und nur auf den Seitenflächen verbleiben, so kann durch einen im Tauchbad befindlichen mechanischen Abstreifer die Suspension noch vor dem Antrocknen entfernt werden. Die an den Seitenflächen bzw. -Kanten verbleibende Suspension wird nachfolgend getrocknet, entweder durch Eigenausheizen oder Fremdbeheizung. Die Beschichtungsmethode kann sowohl für gesinterte wie auch für grüne ungesinterte Sensorelemente angewandt werden. Die durch den Tauchbeschichtungsprozess auf das keramische Sensorelement aufgebrachte Suspension wird gezielt auf den thermoschockempfindlichen Bereichen des Sensorelements, z.B. an den Kanten, abgeschieden. Dies geschieht beispielsweise durch eine lokal einstellbare

Thermoschockschutzschicht-Abscheidungsrate je Tauchschritt durch die

Eigenbeheizung des Sensorelements während der Tauchbeschichtung, indem die Polymerisation/Kondensation bzw. der Trocknungsvorgang des Sol-Gel- Prozesses temperaturgesteuert auf dem Sensorelement erfolgt. Die

Abscheiderate der Suspension auf dem Sensorelement infolge

Polymerisation/Kondensation wird durch die Differenz-Temperaturregelung von gekühlter Suspension zum eigenbeheizten Heizmäander und gekühlter

Heizerzuleitung prozessstabil gewährleistet. Zusätzlich kann die TSP- Schichtdicke außerhalb des Tauchbades lokal unter gezieltem Einfluss von Kräften, welche auf die trocknende Suspension einwirken mit Hilfe von pneumatischer und thermischer Unterstützung eingestellt werden.

Dadurch kann bei geeigneter Wahl der Suspension und geeigneter

Abscheidungsdicke je Tauchschritt die Thermoschockschutzschicht durch die Eigenbeheizung des Sensorelements während der Tauchbeschichtung ausgebildet werden, indem die Polymerisation/Kondensation/Trocknung temperaturgesteuert auf dem Sensorelement erfolgt. Die Abscheiderate der Suspension auf dem SE infolge Polymerisation/Kondensation/Trocknung wird durch die Differenz-Temperaturregelung von gekühlter Suspension zum eigenbeheizten Sensorelement prozessstabil gewährleistet. Weiterhin kann die Suspensions-Schichtdicke durch Rotation (Zentripedalkraft) bzw. der Lage des

Sensorelements (Gravitation) während des Trockenprozesses gezielt eingestellt werden, um den Schutz der empfindlichen Seiten und Stirnkanten zu steigern, ohne die Gesamtschichtdicke erhöhen zu müssen. Weiterhin kann durch lokale Anströmung des Sensorelements mittels Druckluft die Fließgeschwindigkeit bzw. die Fließrate der Suspension zu den Seitenkanten eingestellt werden. Weiterhin kann durch die Temperatur durch Kombination einer externen Wärmequelle, z.B. I R-Strahler, und dem eigenbeheizten Heizmäander die

Trocknungsgeschwindigkeit und damit die Schichtdicke an Seitenkanten und Sensorflächen kontrolliert eingestellt werden. Weiterhin kann bei homogener Thermoschockschutzschichtdicke die thermische Masse und die damit

Wärmekapazität der Thermoschockschutzschicht so gering wie möglich gehalten werden, wodurch die Fast-Light-Off-Zeit und auch der Heizspannungsbedarf geringst möglich erhöht wird. Weiterhin kann die Schichtdicke an der Seitenkante bei geeigneter lokaler Anströmung des Sensorelements mittels Druckluft sowie einer steuerbaren Trockenzeit dort gezielt gesteigert werden. Weiterhin kann bei Eigenbeheizen des Sensorelements die selektive Antrocknung der Suspension an den Seitenkanten/ - Flächen unterstützt werden. Die Oberflächentemperatur an den Seitenkanten ist dabei höher als auf der Oberfläche der Sensor- und/oder Heizerseite, da diese durch die Druckluftströmung gekühlt werden können.

Weiterhin kann bei mehrfacher Tauchbeschichtung die erste Tauchschicht durch geeignete Wahl des Luftdruckes nur an den Kanten abgeschieden werden.

Neben der Einstellung einer selektiven Schichtdicke im Querschnitt mit beispielsweise höhere Schickdicke an der Seitenkante im Vergleich zur

Seitenfläche bzw. Oberseite und Unterseite, ist durch eine geeignete Führung des Tauchverfahren und der nachfolgender Trocknung und Ausheizung eine selektive Einstellung der Schichtdicke bezüglich der Längsachse des

keramischen Sensorelements. Der Querschnitt bezeichnet dabei eine Ebene senkrecht zur Längsachse des keramischen Sensorelements. So kann beispielsweise eine umlaufenden Wulst in bzw. am Ende der

Thermoschockschutzschicht erzeugt werden, durch gezielte Einstellung der Heizspannung und/oder gezielte Bewegung des keramischen Sensorelments im Sol-Gel-Tauchbad.

Durch geeignete Einstellung der Gefügestruktur der ersten Tauchschicht kann diese in einem weiteren Tauchschritt die Haftung und Abscheidung der

Suspension auf den Seitenkanten/ - Flächen verbessern. Weiterhin kann die thermomechanische Schädigung des Sensorelements während des

Beschichtungsprozesses vermieden werden. Weiterhin kann ein Sensordesign mit reduzierter Sensorelement- Breite und einem für Fast-Light-Off-,

Thermoschockfestigkeit- und reduziertem Platineinsatz optimiertem Heizelement gewählt werden, um Zugspannungen beim Aufheizen der Seitenkanten zu reduzieren und den Auftrag der Thermoschockschutzschicht lokal zu optimieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Auführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrensschritts zur Herstellung des Sensorelements,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines grundsätzlichen Aufbaus für einen weiteren Verfahrensschritt zur Herstellung des Sensorelements,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des weiteren Verfahrensschritts zur Herstellung des Sensorelements, und

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines gemäß dem Verfahren hergestellten Sensorelements.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das in Fig. 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, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas. Entsprechend kann das Sensorelement 10 in einer Lambdasonde eingesetzt werden. Das Sensorelement 10 weist einen keramischen Schichtaufbau 12 auf, welcher einen Festelektrolyten 14 umfasst. Der Festelektrolyt 14 kann aus mehreren keramischen Schichten in Form von Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Beispielsweise umfasst der

Festelektrolyt 14 eine Nernstfolie oder Nernstschicht, eine Zwischenfolie oder Zwischenschicht und eine Heizfolie bzw. Heizschicht, die übereinander bzw. untereinander angeordnet sind. Es wird explizit betont, dass der Festelektrolyt 14 weiterhin eine Pumpfolie mit einem oder mehreren Gaszutrittslöchern mit Durchmessern von 50 μηη bis ΙΙΟΟμηη bzw. Pumpschicht aufweisen kann.

Der keramische Schichtaufbau 12 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Der keramische Schichtaufbau 12 weist eine Oberseite 16, eine Unterseite 18 und Seitenflächen 20 auf. Die Oberseite 16 und die Unterseite 18 sind jeweils mittels einer Seitenkante 22 mit den Seitenflächen 20 verbunden. Die

Seitenkanten 22 können als Fasen 24 ausgebildet sein.

Weiterhin weist der keramische Schichtaufbau 12 mindestens eine

elektrochemische Zelle 26 auf. Die elektrochemische Zelle 26 ist beispielsweise eine Nernstzelle, die zumindest teilweise in dem Festelektrolyten 14 angeordnet ist. Es wird explizit betont, dass der keramische Schichtaufbau 12 zusätzlich eine Pumpzelle aufweisen kann. Die elektrochemische Zelle 26 umfasst mindestens zwei Elektroden 28, 30 umfasst. Die Elektroden 28, 30 werden auch als erste Elektrode 28 und zweite Elektrode 30 bezeichnet, ohne jedoch eine Gewichtung ihrer Bedeutung anzugeben, sondern lediglich, um diese begrifflich zu unterscheiden. Die erste Elektrode 28 ist auf der Oberseite 16 angeordnet. Die zweite Elektrode 30 ist im Inneren des Festelektrolyten 14 in einem nicht Referenzgasraum 32 angeordnet, in dem sich ein Gas bekannter

Zusammensetzung befindet. Die erste Elektrode 28 und die zweite Elektrode 30 sind durch den Festelektrolyten 14 und insbesondere die Nernstschicht miteinander verbunden, insbesondere ionenleitend verbunden. Die erste

Elektrode 28 ist dem Messgas aussetzbar. Die Zusammensetzung des

Messgases wird wiederum von der Nernstzelle erfasst, indem eine

Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode 28 und der zweiten Elektrode 30 gemessen wird. Der keramische Schichtaufbau 12 weist weiterhin ein anschlussseitiges Ende 34 (Fig. 2), an dem die elektrochemische Zelle 26 elektrisch kontaktierbar ist, und ein dem anschlussseitigen Ende 34 gegenüberliegendes Vorderende 36 (Fig. 2) mit einer nicht näher gezeigten Stirnfläche auf. Die Oberseite 16 und die

Unterseite 18 sind jeweils mittels einer nicht näher gezeigten Vorderkante mit der

Stirnfläche verbunden. Die Vorderkanten können ähnlich oder identisch zu den Seitenkanten 22 ausgebildet sein.

Der keramische Schichtaufbau 12 weist weiterhin ein Heizelement 38 auf. Das Heizelement 38 weist einen Heizbereich 40 und elektrische Zuleitungsbahnen 42

(Fig. 2) auf. Der Heizbereich 40 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als eine einzige Schlaufe oder omega-förmig ausgebildet. Es wird jedoch explizit betont, dass der Heizbereich 40 alternativ mäanderförmig ausgebildet sein kann. Der Heizbereich 40 lässt sich von den Zuleitungsbahnen 42 dadurch

unterscheiden bzw. abgrenzen, dass der Heizbereich 40 einen höheren elektrischen Widerstand als die Zuleitungsbahnen 42 aufweist. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass das Heizelement 38 beidseitig von einer dünnen Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise

Aluminiumoxid, umgeben ist, auch wenn dies in den Figuren nicht näher dargestellt ist. Da eine derartige isolierende Schicht beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt ist, wird diese nicht näher beschrieben. Für weitere Details bezüglich der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material wird daher auf den oben genannten Stand der Technik, verwiesen, dessen Inhalt betreffend die Schicht aus dem elektrischen Material durch Verweis hierin eingeschlossen ist. Das Sensorelement 10 bzw. der keramische Schichtaufbau 12 ist derart ausgebildet, dass die elektrochemische Zelle 26 näher zu der Oberseite 16 als das Heizelement 38 angeordnet ist.

Dadurch lässt sich die Oberseite 16 von der Unterseite 18 unterscheiden. Das Sensorelement 10 weist weiterhin mindestens eine

Thermoschockschutzschicht 44 auf. Die Thermoschockschutzschicht 44 bedeckt zumindest die Seitenflächen 20 und die Seitenkanten 22. Die

Thermoschockschutzschicht 44 ist derart ausgebildet, dass ein die Seitenkanten 22 bedeckender Abschnitt 46 der Thermoschockschutzschicht 44 eine größere Schichtdicke als ein die Seitenflächen 22 bedeckender Abschnitt 48 der

Thermoschockschutzschicht 44 aufweist. Bei dem in Fig. 1 gezeigten

Ausführungsbeispiel bedeckt die Thermoschockschutzschicht 44 weiterhin die Oberseite 16 und die Unterseite 18. Der die Seitenkanten 22 bedeckende Abschnitt 46 der Thermoschockschutzschicht 44 weist eine größere Schichtdicke als ein die Oberseite 16 bedeckender Abschnitt 50 und ein die Unterseite 18 bedeckender Abschnitt 52 der Thermoschockschutzschicht 44 auf. Die

Abschnitte 48, 50 und 52 an den Seitenflächen 20, der Obereite 16 und der

Unterseite 18 können dabei identische oder unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Beispielsweise weist der die Oberseite 16 bedeckende Abschnitt 50 der Thermoschockschutzschicht 44 eine größere Schichtdicke als der die Unterseite 18 bedeckende Abschnitt 52 der Thermoschockschutzschicht 44 auf. Weiterhin bedeckt die Thermoschockschutzschicht 44 die Vorderkanten.

Zusätzlich bedeckt die Thermoschockschutzschicht 44 die Stirnfläche. Ein die Vorderkanten bedeckender Abschnitt 54 der Thermoschockschutzschicht 44 weist dabei eine größere Schichtdicke als ein die Stirnfläche bedeckender Abschnitt 56 der Thermoschockschutzschicht 44 auf.

Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements 10 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, beschrieben. Das Verfahren wird beispielhaft anhand des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel für ein Sensorelement 10 beschrieben.

Zunächst wird in an sich bekannter Weise ein keramischer Schichtaufbau 12 ausgebildet. Der keramische Schichtaufbau 12 wird mit mindestens einer elektrochemische Zelle 26, einer Oberseite 16, einer Unterseite 18 und

Seitenflächen 20 ausgebildet, wobei die Oberseite 16 und die Unterseite 18 jeweils mittels einer Seitenkante 22 mit den Seitenflächen 20 verbunden sind, wie zuvor beschrieben wurde. Der keramische Schichtaufbau 12 wird weiterhin mit einem Heizelement 38 ausgebildet, wobei die elektrochemischen Zelle 26 näher zu der Oberseite 16 als das Heizelement 38 angeordnet wird. Der keramische Schichtaufbau 12 weist weiterhin ein anschlussseitiges Ende 34, an dem die elektrochemische Zelle 26 elektrisch kontaktierbar ist, und ein dem anschlussseitigen Ende 34 gegenüberliegendes Vorderende 34 mit einer Stirnfläche auf, wobei die Oberseite 16 und die Unterseite 18 jeweils mittels einer Vorderkante mit der Stirnfläche verbunden sind. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrensschritts zur

Herstellung des Sensorelements 10. Auf den keramischen Schichtaufbau 12 wird eine Sol-Gel-Suspension 58 aufgebracht. Die Sol-Gel-Suspension 58 befindet sich in einem Behälter 60, der ein Tauchbad darstellt. Das Aufbringen erfolgt durch Eintauchen des keramischen Schichtaufbaus 12 in die Sol-Gel-Suspension

58. Während des Aufbringens der Sol-Gel-Suspension 58 wird das Heizelement 38 betrieben. Die Sol-Gel-Suspension 58 in dem Behälter 60 wird definiert temperiert und zirkuliert. Durch das Betreiben des Heizelements 38 und somit das Eigenbeheizen des keramischen Schichtaufbaus 12 erfolgt eine

temperaturgesteuerte lokale Antrocknung und Polymerisation oder Kondensation der Sol-Gel-Suspension 58 auf dem eingetauchten Bereich des keramischen Schichtaufbaus 12. Die Abscheiderate der Sol-Gel-Suspension 58 auf dem keramischen Schichtaufbaus 12 infolge Polymerisation/Kondensation bzw.

Trocknung wird durch die Differenz-Temperaturregelung von gekühlter Sol-Gel- Suspension 58 zum eigenbeheizten Heizbereich 40 und gekühlter

Heizerzuleitung 42 prozessstabil durch geeignete Wahl der

Beschichtungsparameter Heizleistung, Tauchdauer und Ziehgeschwindigkeit gewährleistet. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines grundsätzlichen Aufbaus 62 für einen weiteren Verfahrensschritt zur Herstellung des Sensorelements 10. Fig. 3 stellt eine Draufsicht des Aufbaus dar. Der Aufbau 62 befindet sich oberhalb des Behälters 60. der Aufbau 62 umfasst eine erste Gasdüse 64, eine zweite Gasdüse 66, zwei Wärmequellen 68, wie beispielsweise Infrarotstrahler, und eine nicht näher gezeigte Drehvorrichtung. Die erste Gasdüse 64 und die zweite gasdüse 66 liegen sich gegenüber. Die beiden Wärmequellen 68 liegen sich ebenfalls gegenüber, sind jedoch jeweils zu den Gasdüsen 64, 66 um 90 ° versetzt angeordnet bezüglich der Zeichenebene der Fig. 3. Bei dem Aufbau 62 wird die Oberseite 16 des keramischen Schichtaufbaus 12 der ersten Gasdüse 64 und wird die Unterseite 18 des keramischen Schichtaufbaus 12 der zweiten

Gasdüse 66 zugewandt. Außerdem werden die Seitenflächen 20 den

Wärmequellen 68 zugewandt. Um diese Ausrichtung zu realisieren ist die Drehvorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, den keramischen Schichtaufbau 12 zu drehen, wie durch einen Pfeil 70 angedeutet ist.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des weiteren Verfahrensschritts zur Herstellung des Sensorelements 10. Wird der keramische Schichtaufbau 12 aus dem Behälter 60 herausgezogen, so ist die Sol-Gel-Suspension 60 zunächst allseitig auf dessen Oberflächen aufgebracht, wie in Fig. 4 angedeutet ist. Der keramische Schichtaufbau 12 wird zusammen mit der aufgebrachten Sol-Gel- Suspension 58 zum Ausbilden einer Thermoschockschutzschicht 44 mindestens einem Gasstrom 72 und einer Wärmezufuhr 74 ausgesetzt. Die Wärmezufuhr 74 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel Infrarotstrahlung. Die Wärmequellen 68 können jedoch alternativ Heißluftgebläse sein, so das es sich bei der

Wäremzufuhr 74 um Heißluft handelt. Dabei wird die

Thermoschockschutzschicht 44 derart ausgebildet, dass die

Thermoschockschutzschicht 44 zumindest die Seitenflächen 20 und die

Seitenkanten 22 bedeckt, wobei ein die Seitenkanten 22 bedeckender Abschnitt 46 der Thermoschockschutzschicht 44 eine größere Schichtdicke als ein die Seitenflächen 20 bedeckender Abschnitt 48 der Thermoschockschutzschicht 44 aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass sowohl von der ersten Gasdüse 64 als auch von der zweiten Gasdüse 66 jeweils ein Gasstrom 72, wie beispielsweise

Druckluft, auf den keramischen Schichtaufbau 12 und genauer auf die Oberseite 16 und die Unterseite 18 geleitet wird. Dadurch wird die Sol-Gel-Suspension 58 in Richtung zu den Seitenkanten 22 und den Seitenflächen 20 verdrängt bzw. fließt in der durch Pfeile angegebenen Fließrichtung 76. Ein Teil der Sol-Gel- Suspension 58 wird nach unten abgeblasen und tropft zurück in den Behälter 60.

Die Wärmezufuhr 74 mittels der Wärmequellen 68 sorgt für ein Antrocknen und somit Ausbilden der Thermoschockschutzschicht 44 an den Seitenkanten 22 und Seitenflächen 20. Dadurch wird eine dünnere Schichtdicke der

Thermoschockschutzschicht 44 auf der Oberseite 16 und Unterseite 18 und eine dickere Schichtdicke der Thermoschockschutzschicht 44 auf den Seitenkanten

22 erreicht. Die Thermoschockschutzschicht 44 wird derart ausgebildet, dass die Thermoschockschutzschicht 44 die Oberseite 16 und die Unterseite 18 bedeckt, wobei der die Seitenkanten 22 bedeckende Abschnitt 46 der

Thermoschockschutzschicht 44 eine größere Schichtdicke als ein die Oberseite 16 bedeckender Abschnitt 50 der Thermoschockschutzschicht 44 und die

Unterseite 18 bedeckender Abschnitt 52 der Thermoschockschutzschicht 44 aufweist. Die Thermoschockschutzschicht 44 wird weiterhin derart ausgebildet, dass die Thermoschockschutzschicht 44 die Vorderkanten bedeckt, wobei die Thermoschockschutzschicht 44 die Stirnfläche bedeckt. Dabei weist ein die Vorderkanten bedeckender Abschnitt 54 der Thermoschockschutzschicht 44 eine größere Schichtdicke als ein die Stirnfläche bedeckender Abschnitt 56 der Thermoschockschutzschicht 44 auf. Optional kann der die Oberseite 16 bedeckende Abschnitt 50 der

Thermoschockschutzschicht 44 eine größere Schichtdicke als der die Unterseite 18 bedeckende Abschnitt 52 der Thermoschockschutzschicht 44 aufweisen. Dies lässt sich dadurch realisieren, dass der Druck bzw. die

Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms 72 auf der Oberseite 16 und der Unterseite 18 unabhängig voneinander eingestellt werden kann, um die

Beschichtungs-Schichtdicken an die Erfordernisse der Sensormessfunktion, z.B. poröse Schicht über Elektrode bzw. abgedecktes Gaszutrittsloch, anzupassen. Soll auf der Oberseite 16 und/oder der Unterseite 18 des Sensorelements 10 die

Sol-Gel-Suspension 58 komplett entfernt werden und nur auf den Seitenflächen 20 und Seitenkanten 22 verbleiben, so kann durch einen mechanischen

Abstreifer die Sol-Gel-Suspension 58 entfernt werden. Die an den Seitenflächen 20 und Seitenkanten 22 verbleibende Sol-Gel-Suspension 58 wird nachfolgend getrocknet, entweder durch Eigenausheizen oder Fremdbeheizung mittels der

Wärmequellen 68. Bei Eigenbeheizen des Sensorelements 10 kann die selektive Antrocknung der Sol-Gel-Suspension 58 an den Seitenkanten 22 und

Seitenflächen 20 unterstützt werden. Die Oberflächentemperatur an den

Seitenkanten 22 ist dabei höher als auf der Oberfläche der Oberseite 16 und/oder Unterseite 18, da diese durch die Druckluftströmung gekühlt werden können. Der keramische Schichtaufbau 12 kann vor oder nach dem Ausbilden der Thermoschockschutzschicht 44 gesintert werden.

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines gemäß dem Verfahren hergestellten Sensorelements 10. Wie in Fig. 5 gezeigt, weist der die Seitenkanten 22 bedeckende Abschnitt 46 der Thermoschockschutzschicht 44 eine größere Schichtdicke als der die Seitenflächen 22 bedeckende Abschnitt 48 der

Thermoschockschutzschicht 44 auf. Außerdem weist der die Seitenkanten 22 bedeckende Abschnitt 46 der Thermoschockschutzschicht 44 eine größere Schichtdicke als der die Oberseite 16 bedeckende Abschnitt 50 und der die

Unterseite 18 bedeckende Abschnitt 52 der Thermoschockschutzschicht 44 auf. Der die Seitenflächen 22 bedeckende Abschnitt 48 der

Thermoschockschutzschicht 44 weist außerdem eine größere Schichtdicke als der die Oberseite 16 bedeckende Abschnitt 50 und der die Unterseite 18 bedeckende Abschnitt 52 der Thermoschockschutzschicht 44 auf. Mittels des

Verfahrens kann die Schichtdicke an den Seitenkanten 22 bei geeigneter lokaler Anströmung des keramischen Schichtaufbaus 12 mittels Druckluft sowie einer steuerbaren Trockenzeit dort gezielt gesteigert werden.

Es wird explizit betont, dass die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt werden können. So kann bei mehrfacher Tauchbeschichtung die erste

Tauchschicht durch geeignete Wahl des Luftdruckes nur an den Seitenkanten 22 abgeschieden werden. Durch geeignete Einstellung der Gefügestruktur der ersten Tauchschicht kann diese in einem weiteren Tauchschritt die Haftung und Abscheidung der Sol-Gel-Suspension 58 auf den Seitenkanten 22 und

Seitenflächen 20 verbessern.