DE10009597B4

DE10009597B4 - Elektrochemischer Messfühler und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10009597B4
Application number: DE2000109597
Authority: DE
Inventors: Helmut Weyl; Lothar Dr. Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: DE10009597A1

Abstract

Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen mit einem in einem Gehäuse angeordneten Sensorelement, welches durch eine Dichtungsanordnung in dem Gehäuse abgedichtet ist, wobei die Dichtungsanordnung ein erstes, zweites und drittes Dichtelement enthält und wobei das zweite Dichtelement zwischen dem ersten Dichtelement und dem dritten Dichtelement angeordnet ist und im wesentlichen aus hexagonalem Bornitrid besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das dritte Dichtelement (36, 38) zum überwiegenden Teil eine Mischung aus Steatitpulver und hexagonalem Bornitridpulver mit einem Anteil des Bornitridpulvers von über 10 Gewichtsprozent enthalten.

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger elektrochemische Meßfühler ist beispielsweise aus der DE 197 14 203 A1 bekannt, wobei der elektrochemische Meßfühler in einem Gehäuse ein Sensorelement aufweist, das durch eine Dichtungsanordnung in dem Gehäuse abgedichtet ist. Die Dichtungsanordnung enthält als Dichtungsmaterial eine Mischung aus Bornitrid und einer oxidkeramischen Komponente, vorzugsweise Steatit, wobei der Bornitrid-Anteil im Dichtelement 5 bis 10 Gewichtsprozent beträgt. Hierdurch wird eine gute Dichtwirkung insbesondere gegenüber Kraftstoff und eine hohe Temperaturbeständigkeit der Dichtungsanordnung erreicht. Bei diesem Meßfühler ist jedoch nachteilig, daß aufgrund des großen Steatit-Anteils eine hohe Feuchte des Dichtungsmaterials notwendig ist, um zu gewährleisten, daß das Dichtungsmaterial ausreichend gute Gleiteigenschaften hat, um beim Verpressen während des Verbauvorgangs einen genügend guten Abschluß zum Sensorelement und zum Gehäuse zu erreichen. Dadurch kann im Betrieb Wasser beispielsweise in einem im Sensorelement befindlichen Referenzgasraum freigesetzt werden, so dass der Sauerstoff im Referenzgasraum verdünnt und damit das Messsignal beeinflusst wird. Sind zudem organische Verunreinigungen im Referenzgasraum vorhanden, so kann der Sauerstoff im Referenzgasraum durch Oxidation vollständig verbraucht werden, wodurch der Messfühler ein falsches Messsignal liefert.

Aus der DE 197 07 456 A1 ist bekannt, zwischen einem messgasseitigen Keramikformteil und einem anschlussseitigen Keramikformteil eine Glasdichtung vorzusehen.

Aus der DE 195 32 090 C2 ist eine Dichtungsanordnung bekannt mit einem ersten, zweiten und dritten Dichtelement, wobei das zweite Dichtelement zwischen dem ersten und dem dritten Dichtelement angeordnet ist. Das erste und das dritte Dichtelement bestehen aus Steatit, das zweite Dichtelement aus hexagonalem Bornitrid.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße elektrochemische Messfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Dichtungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen Mischungsverhältnis von Steatit und Bornitrid neben den guten Dichtungseigenschaften gute Gleiteigenschaften bei einer geringen Feuchte aufweist, so dass eine Verfälschung des Messsignals durch die Freisetzung von Wasser in den Referenzgasraum weitgehend vermieden wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Messfühlers wird erreicht, dass eine noch im Dichtmaterial vorhandene Feuchte nach dem Verbauen in ausreichendem Maße verringert wird, so dass eine bestimmungsgemäße Funktion des Messfühlers gewährleistet ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Messfühlers möglich.

Bei Verwendung von Steatitpulver und Bornitridpulver mit den erfindungsgemäßen mittleren Teilchengrößen werden besonders gute Gleiteigenschaften und eine besonders gute Dichtwirkung erzielt. Dadurch, dass der mittlere Teilchenradius des Steatitpulvers 50 bis 200 mal, vorzugsweise 100 mal größer ist als der mittlere Teilchenradius des Bornitridpulvers, wird erreicht, daß die Bornitrid-Teilchen die viel größeren Steatit-Teilchen umhüllen, wodurch die Mischung aus Steatit und Bornitrid besonders gute Gleiteigenschaften aufweist.

Die Dichtwirkung kann weiter durch eine Dichtanordnung verbessert werden, bei der zwischen zwei Dichtelementen, die eine Mischung aus Steatit und Bornitrid aufweisen, ein weiteres Dichtelement vorgesehen ist, das Bornitrid enthält.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßfühlers.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die einzige Figur zeigt einen Meßfühler 10, beispielsweise einen elektrochemischen Sauerstoffsensor, mit einem metallischen Gehäuse 12, das ein Gewinde 13 als Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Meßgasrohr aufweist. Das Gehäuse 12 hat eine Längsbohrung 15 mit einer schulterförmigen Ringfläche 16. Auf der schulterförmigen Ringfläche 16 befindet sich beispielsweise ein metallischer Dichtring 18, auf dem ein meßgasseitiges Keramikformteil 21 aufliegt. Das meßgasseitige Keramikformteil 21 hat in Richtung der Längsbohrung 15 verlaufend einen durchgehenden meßgasseitigen Durchbruch 22. Beabstandet vom meßgasseitigen Keramikformteil 21 ist in der Längsbohrung 15 ferner ein anschlußseitiges Keramikformteil 23 angeordnet. Das anschlußseitige Keramikformteil 23 hat ebenfalls in Richtung der Längsbohrung 15 verlaufend, einen zentral angeordneten und durchgehenden anschlußseitigen Durchbruch 24. Der meßgasseitige Durchbruch 22 des meßgasseitigen Keramikformteils 21 und der anschlußseitige Durchbruch 24 des anschlußseitigen Keramikformteils 23 verlaufen fluchtend zueinander. In den Durchbrüchen 22, 24 befindet sich ein plättchenförmiges Sensorelement 27 mit einem meßgasseitigen Endabschnitt 28 und einem anschlußseitigen Endabschnitt 29.
Der meßgasseitige Endabschnitt 28 des Sensorelements 27 ragt aus dem Gehäuse 12 heraus und ist von einem Schutzrohr 31 umgeben, das am Gehäuse 12 festgelegt ist. Das Schutzrohr 31 weist Ein- und Austrittsöffnungen 32 für das zu messende Gas auf. Der anschlußseitige Endabschnitt 28 besitzt Anschlußkontakte 34, die ebenfalls aus dem Gehäuse 12 herausragen. Die Anschlußkontakte 34 werden mit einem nicht dargestellten, mit Anschlußkabeln versehenen Kontaktstecker kontaktiert. Der aus dem Gehäuse 12 herausragende anschlußseitige Endabschnitt 29 ist von einer nicht dargestellten Umkapselung umgeben, die den anschlußseitigen Endabschnitt 29 vor Umgebungseinflüssen schützt.
Zwischen dem meßgasseitigen Keramikformteil 21 und dem anschlußseitigen Keramikformteil 23 befindet sich eine Dichtungsanordnung 35, bestehend aus einem ersten Dichtelement 36, einem zweiten Dichtelement 37 und einem dritten Dichtelement 38. Das erste Dichtelement 36 sitzt auf dem meßgasseitigen Keramikformteil 21 auf. Daran schließt sich das zweite Dichtelement 37 an. Über dem zweiten Dichtelement 37 befindet sich das dritte Dichtelement 38, auf das das anschlußseitige Keramikformteil 23 drückt. Die Anpreßkraft des anschlußseitigen Keramikformteils 23 wird von einer Metallhülse 40 aufgebracht. Die Metallhülse 40 hat beispielsweise mehrere nach hinten weisende Krallen 41, die in am Gehäuse 12 eingeformte Einkerbungen 42 eingreifen. Es ist aber auch denkbar, die Metallhülse 40 mit dem Gehäuse 12 zu verschweißen.
Das erste und dritte Dichtelement 36, 38 bestehen aus einer Mischung aus Steatitpulver und hexagonalem Bornitridpulver. Der Anteil des Bornitrids liegt bei über 10 Gewichtsprozent. Bei einem Bornitrid-Anteil von unter 10 Gewichtsprozent sind die Gleiteigenschaften der Mischung aus Steatit und Bornitrid nicht ausreichend. Bei einem Bornitrid-Anteil von über 40 Gewichtsprozent wird die Mischung aus Steatit und Bornitrid brüchig und dadurch in der Montage schwer handhabbar. Ein optimaler Bornitrid-Anteil liegt zwischen 15 und 30 Gewichtsprozent, vorzugsweise 20 Gewichtsprozent, da in diesem Bereich optimale Gleiteigenschaften vorliegen.
Das Steatitpulver weist einen Teilchenradius von 200 bis 300 μm, vorzugsweise 250 μm, und das Bornitridpulver einen Teilchenradius von 2 bis 3 μm, vorzugsweise 2,5 μm, auf. Das zweite Dichtelement 37 besteht aus hexagonalem Bornitrid.
Vor dem Einbau in die Längsbohrung 15 des Gehäuses 12 werden die Dichtelemente 36, 37, 38 vorverdichtet, vorgeformt und bei einer Temperatur verglüht, die mindestens der späteren Einsatztemperatur, beispielsweise 630 °C, entspricht. Die so gebildeten ringförmigen Dichtelemente 36, 37, 38 werden entsprechend dem Ausführungsbeispiel in die das Sensorelement 27 bereits enthaltende Längsbohrung 15 eingesetzt. Über der Dichtungsanordnung 35 wird dann das anschlußseitige Keramikformteil 23 angeordnet. Danach wird auf das anschlußseitige Keramikformteil 23 die Metallhülse 40 aufgesetzt. Anschließend wird mittels eines Stempels eine Kraft auf die Metallhülse 40 ausgeübt, die über das anschlußseitige Keramikformteil 23 auf die Dichtelemente 36, 37, 38 der Dichtungsanordnung 35 einwirkt. Dabei werden die vorgefertigen Ringe der Dichtelemente 36, 37, 38 derart verformt, daß sich das Material der Dichtelemente 36, 37, 38 an das Sensorelement 27 und das Gehäuse 12 anpreßt. Vor und/oder nach dem Verbau kann beispielsweise durch Induktionserwärmung Restwasser aus den Dichtelementen 36, 37, 38 ausgetrieben werden.
Es ist eine weitere, nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung denkbar, in der die Dichtungsanordnung 35 nur aus einem einzigen Dichtelement besteht, das die Eigenschaften des bei 1 beschriebenen ersten Dichtelements 36 aufweist. Es ist weiterhin denkbar, daß die Dichtungsanordnung 35 aus einer beliebigen Kombination von zwei der bei 1 beschriebenen drei Dichtelementen 36, 37, 38 besteht.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 35 ist nicht auf die Abdichtung von planaren Sensorelementen in metallischen Gehäusen beschränkt. Es ist durchaus denkbar, eine derartige Dichtungsanordnung 35 auch zum Abdichten von sogenannten Fingersonden einzusetzen. Bei diesem Anwendungsfall muß dann lediglich die Ausführung der vorgefertigten Ringe für die Dichtelemente 36, 37, 38 der Geometrie der Längsbohrung und der Auflagefläche zwischen Gehäuse und fingerförmigem Sensorelement angepaßt werden.

Claims

Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen mit einem in einem Gehäuse angeordneten Sensorelement, welches durch eine Dichtungsanordnung in dem Gehäuse abgedichtet ist, wobei die Dichtungsanordnung ein erstes, zweites und drittes Dichtelement enthält und wobei das zweite Dichtelement zwischen dem ersten Dichtelement und dem dritten Dichtelement angeordnet ist und im wesentlichen aus hexagonalem Bornitrid besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das dritte Dichtelement (36, 38) zum überwiegenden Teil eine Mischung aus Steatitpulver und hexagonalem Bornitridpulver mit einem Anteil des Bornitridpulvers von über 10 Gewichtsprozent enthalten.
Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Bornitridpulvers 20 Gewichtsprozent beträgt.
Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steatitpulver einen größeren mittleren Teilchenradius aufweist als das Bornitridpulver.
Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teilchenradius des Steatitpulvers 50 bis 200 mal, vorzugsweise 100 mal größer ist als der mittlere Teilchenradius des Bornitridpulvers.
Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steatitpulver einen mittleren Teilchenradius von 200 bis 300 μm, vorzugsweise 250 μm aufweist.
Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bornitridpulver einen mittleren Teilchenradius von 2 bis 3 μm, vorzugsweise 2,5 μm, aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Meßfühlers nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eines der Dichtelemente (36, 37, 38) durch Vorverdichten des in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials zu einem Formteil gepreßt und anschließend verglüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem der Dichtelemente (36, 37, 38) nach und/oder direkt vor dem Verbau durch einen Trocknungsvorgang Wasser entzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trocknungsvorgang durch Induktionserwärmung realisiert wird.