DE102017205102A1

DE102017205102A1 - Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space and method for producing the same

Info

Publication number: DE102017205102A1
Application number: DE102017205102.7A
Authority: DE
Inventors: Viktor Zaverkin; Benjamin Rosenfeld; Kim Gehron; Robin Schaefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Es werden ein 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, und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasst einen Schichtaufbau (12) mit mindestens einer elektrochemischen Zelle (30). Die elektrochemische Zelle (30) weist mindestens eine erste Elektrode (16), eine zweite Elektrode (18) und mindestens einen die erste Elektrode (16) und die zweite Elektrode (18) verbindenden Festelektrolyten (14) auf. Die zweite Elektrode (18) ist im Inneren des Schichtaufbaus (12) angeordnet. Der Schichtaufbau (12) ist aus einem keramischen Material hergestellt. Das Sensorelement (10) weist weiterhin ein Gaszutrittsloch (22) auf, das sich in dem Schichtaufbau (12) befindet und über das die zweite Elektrode (18) dem Messgas aussetzbar ist. Das Gaszutrittsloch (22) ist von einem Füllmaterial (36) zumindest teilweise begrenzt. Das Füllmaterial (36) unterscheidet sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft von dem keramischen Material des Schichtaufbaus (12).

A sensor element (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, and a method for its production are proposed. The sensor element (10) comprises a layer structure (12) with at least one electrochemical cell (30). The electrochemical cell (30) has at least one first electrode (16), a second electrode (18) and at least one solid electrolyte (14) connecting the first electrode (16) and the second electrode (18). The second electrode (18) is arranged in the interior of the layer structure (12). The layer structure (12) is made of a ceramic material. The sensor element (10) further has a gas inlet hole (22) which is located in the layer structure (12) and via which the second electrode (18) can be exposed to the measurement gas. The gas inlet hole (22) is at least partially bounded by a filling material (36). The filler material (36) differs from the ceramic material of the layer structure (12) with regard to at least one material property.

Description

Stand der TechnikState of the art

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.A large number of sensor elements and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, these can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more properties being able to be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a proportion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas part. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas are detectable, such as the temperature.

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.For example, such sensor elements can be configured as so-called lambda probes, as they are made, for example Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 , are known. With broadband lambda probes, in particular with planar broadband lambda probes, it is possible, for example, to determine the oxygen concentration in the exhaust gas over a large range and thus to deduce the air-fuel ratio in the combustion chamber. The air ratio λ describes this air-fuel ratio.

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 (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.In particular ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, that is to ion-conducting properties of these solids. In particular, these solids may be ceramic solid electrolytes such as zirconia (ZrO ₂ ), in particular yttrium stabilized zirconia (YSZ) and scandium doped zirconia (ScSZ), the minor additions of alumina (Al ₂ O ₃ ) and / or silica (SiO ₂ ) ₂ ).

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.For sensor elements with a quick start behavior, i. H. a low fast-light-off time, low-resistance platinum or platinum / palladium are used for the heating element. Care is taken to ensure that the heat input in the functional area is as small and concentrated as possible, ie. H. a so-called hot spot is generated. In addition, the sensor element is made as thin as possible, for example, with a thickness of 1 mm, to keep the thermal mass that needs to be heated as small as possible. A further reduction of the sensor element thickness is critical for assembly reasons, in particular with regard to the strength, for example in the package.

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.To increase the resistance to water hammer when the probe is switched on, a ceramic, porous layer, the so-called thermal shock protection layer, can be applied in the heated area. Although this leads to an excellent compatibility with water droplets and cold air during heating and also at operating temperature. However, a disadvantage is a significantly slower heating time due to the additional thermal mass of the thermal shock protection layer.

Heutige amperometrisch messende Gassensoren, wie beispielsweise Breitbandlambdasonden, haben ein Gaszutrittsloch, durch welches das Messgas einströmt und durch eine Diffusionsbarriere in einen Messraum gelangt. Eine erste Elektrode, nachfolgend auch als Außenelektrode oder äußere Pumpelektrode bezeichnet, ist an der Außenseite des keramischen Sensorelementes angeordnet und dem Messgas ausgesetzt. In dem Messraum ist eine zweite Elektrode, auch als Innenelektrode oder innere Pumpelektrode bezeichnet, angeordnet.Today's amperometric gas sensors, such as broadband lambda probes, have a gas inlet hole through which the sample gas flows and passes through a diffusion barrier into a measurement space. A first electrode, hereinafter also referred to as an outer electrode or outer pump electrode, is arranged on the outside of the ceramic sensor element and exposed to the measurement gas. In the measuring space, a second electrode, also referred to as inner electrode or inner pumping electrode, arranged.

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. Eine wesentliche Schwachstelle, insbesondere in Hinsicht auf die Robustheit gegen Thermoschock, bildet das Gaszutrittsloch, da diese Veränderung der Baugeometrie eine Erhöhung des Spannungsintensitätsfaktors mit sich zieht. Insbesondere lässt sich das Gaszutrittsloch nur schwer mit einem Material füllen, welches porös sein muss um die Funktion des Gaszutrittlochs zu erhalten, und infolgedessen auch nur schwer verstärken.Despite the advantages of the sensor elements known from the prior art, these still contain potential for improvement. In accordance with statutory emissions regulations, gas sensors are required which are ready for operation immediately after engine start, do not require dew-point control and therefore must have a thermal shock protection layer. A major weakness, particularly with respect to robustness against thermal shock, is the gas access hole, since this change in construction geometry results in an increase in the stress intensity factor. In particular, it is difficult to fill the gas access hole with a material which must be porous in order to maintain the function of the gas inlet hole and, consequently, difficult to reinforce.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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 vermeidet und bei denen insbesondere der Bereich des Gaszutrittslochs hinsichtlich Thermoschockrobustheit signifikant verbessert werden kann.Therefore, a sensor element is proposed for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space and a method for its production which at least substantially avoids the disadvantages of known sensor elements and in which in particular the area of the gas access hole can be significantly improved with respect to thermal shock robustness.

Ein erfindungsgemäßes Sensorelement 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 einen Schichtaufbau mit mindestens einer elektrochemischen Zelle. Die elektrochemische Zelle weist mindestens eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten auf. Die zweite Elektrode ist im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet. Der Schichtaufbau ist aus einem keramischen Material hergestellt. Das Sensorelement weist weiterhin ein Gaszutrittsloch auf, das sich in dem Schichtaufbau befindet und über das die zweite Elektrode dem Messgas aussetzbar ist. Das Gaszutrittsloch ist von einem Füllmaterial zumindest teilweise begrenzt. Das Füllmaterial unterscheidet sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft von dem keramischen Material des Schichtaufbaus. So kann bei Benutzung von yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid verwendet werden. Weiterhin sind Mischungen aus dem keramischen Material des Schichtaufbaus und einer weiteren technischen Keramik möglich.A sensor element according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprises a layer structure with at least one electrochemical cell. The electrochemical cell has at least one first electrode, a second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. The second electrode is arranged inside the layer structure. The layer structure is made of a ceramic material. The sensor element further has a gas inlet hole which is located in the layer structure and via which the second electrode can be exposed to the measurement gas. The gas inlet hole is at least partially bounded by a filler material. The filling material differs from the ceramic material of the layer structure with regard to at least one material property. For example, using yttria-stabilized zirconia, alumina, silicon nitride, or silicon carbide may be used. Furthermore, mixtures of the ceramic material of the layer structure and another technical ceramics are possible.

Das Füllmaterial kann einen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweisen, der sich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials des Schichtaufbaus unterscheidet. Beispielsweise weist das Füllmaterial einen kleineren Wärmeausdehungskoeffizienten als das keramische Material des Schichtaufbaus auf. Das Gaszutrittsloch kann als Bohrung in dem Füllmaterial ausgebildet sein. Der Schichtaufbau kann eine Aussparung aufweisen, in der das Füllmaterial angeordnet ist. Auf einer dem Inneren des Schichtaufbaus abgewandten Außenseite des Füllmaterials kann eine Thermoschockschutzschicht angeordnet sein. Das Füllmaterial kann porös sein.The filler material may have a thermal expansion coefficient different from a thermal expansion coefficient of the ceramic material of the layer structure. For example, the filling material has a smaller thermal expansion coefficient than the ceramic material of the layer structure. The gas inlet hole may be formed as a bore in the filler material. The layer structure may have a recess in which the filling material is arranged. On a side facing away from the interior of the layer structure outside of the filling material may be arranged a thermal shock protective layer. The filling material can be porous.

Bei einem erfindungsgemäßes 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, wird ein Schichtaufbau mit mindestens einer elektrochemischen Zelle ausgebildet, wobei die elektrochemische Zelle mindestens eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweist, wobei die zweite Elektrode im Inneren des Schichtaufbaus ausgebildet wird, wobei der Schichtaufbau aus einem keramischen Material hergestellt wird, wobei das Sensorelement mit weiterhin einem Gaszutrittsloch ausgebildet wird, das sich in dem Schichtaufbau befindet und über das die zweite Elektrode dem Messgas aussetzbar ist, wobei das Gaszutrittsloch von einem Füllmaterial zumindest teilweise begrenzt wird, wobei sich Füllmaterial hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft von dem keramischen Material des Schichtaufbaus unterscheidet.In a method according to the invention for producing a sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, a layer structure is formed with at least one electrochemical cell, the electrochemical cell at least a first electrode, a second electrode, and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode, wherein the second electrode is formed inside the layer structure, wherein the layer structure is made of a ceramic material, wherein the sensor element is further formed with a gas access hole is, which is located in the layer structure and through which the second electrode is exposed to the measurement gas, wherein the gas inlet hole is at least partially limited by a filler material, wherein filling material with respect min a material property of the ceramic material of the layer structure differs.

Das Füllmaterial kann einen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweisen, der sich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials des Schichtaufbaus unterscheidet. Beispielsweise weist das Füllmaterial einen kleineren Wärmeausdehungskoeffizienten als das keramische Material des Schichtaufbaus auf. In dem Schichtaufbau kann eine Aussparung ausgebildet werden, in der das Füllmaterial angeordnet wird. Die Aussparung kann in einem ungesinterten Zustand des Schichtaufbaus ausgebildet werden, wobei das Füllmaterial in einem ungesinterten Zustand des Schichtaufbaus in der Aussparung angeordnet wird. Das Gaszutrittsloch kann in einem gesinterten Zustand des Schichtaufbaus in dem Füllmaterial ausgebildet werden. Das Gaszutrittsloch kann mittels Bohren in dem Füllmaterial ausgebildet werden. Das Füllmaterial kann zusammen mit dem Schichtaufbau gesintert werden, wobei das Füllmaterial in einem gesinterten Zustand porös ist.The filler material may have a thermal expansion coefficient different from a thermal expansion coefficient of the ceramic material of the layer structure. For example, the filling material has a smaller thermal expansion coefficient than the ceramic material of the layer structure. In the layer structure, a recess can be formed, in which the filler material is arranged. The recess may be formed in an unsintered state of the layer structure, wherein the filling material is arranged in an unsintered state of the layer structure in the recess. The gas introduction hole may be formed in a sintered state of the layer structure in the filler. The gas access hole may be formed by drilling in the filler. The filler material may be sintered together with the layer structure, wherein the filler material is porous in a sintered state.

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.In the context of the present invention, a layer structure is generally to be understood as meaning an element which has at least two layers and / or layer planes arranged one above the other. The layers can be made conditionally distinguishable by the production of the layer structure and / or from different materials and / or starting materials. In particular, the layer structure can be designed completely or partially as a ceramic layer structure.

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.In the context of the present invention, a layer is to be understood as a uniform mass in the areal extent of a certain height which lies above, below or between other elements.

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.In the context of the present invention, a solid electrolyte layer is to be understood as a body or article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green or brown, which only becomes a solid electrolyte after sintering. In particular, the solid electrolyte may be formed as a solid electrolyte layer or from a plurality of solid electrolyte layers.

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. An electrode in the context of the present invention is generally understood to mean an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte. typically, For example, the electrodes include a noble metal electrode which may be deposited on the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode, for example, or may otherwise be associated with the solid electrolyte. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable.

Unter einer Thermoschockschutzschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine keramische, poröse Schicht zu verstehen, die geeignet ist, das Sensorelement vor Wasserschlag zu schützen.In the context of the present invention, a thermal shock protection layer is to be understood as meaning a ceramic, porous layer which is suitable for protecting the sensor element from water hammer.

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.In the context of the present invention, a thickness of a component or element is to be understood as meaning a dimension in the direction of the layer structure and thus perpendicular to the individual layer planes of the layer structure.

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.In the context of the present invention, an electrochemical cell is to be understood as meaning an element which is selected from the group consisting of pumping cell and Nernst cell.

Unter einer Materialeigenschaft ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Eigenschaft zu verstehen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Porosität, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmekapazität, Benetzbarkeit, Dicke und Thermoschockschutzfähigkeit. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von -20°C bis 800 °C bestimmt.For the purposes of the present invention, a material property is understood to mean a property selected from the group consisting of: porosity, thermal conductivity, thermal expansion coefficient, heat capacity, wettability, thickness and thermal shock protection capability. The thermal expansion coefficient is determined within the scope of the present invention in a range of -20 ° C to 800 ° C.

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.In the context of the present invention, a heating element is to be understood as meaning an element which serves for heating the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature. The functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte becomes conductive to ions and is about 350 ° C. Of this, the operating temperature is to be distinguished, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the operating temperature. The operating temperature may be, for example, from 700 ° C to 950 ° C. The heating element may comprise a heating area and at least one feed track. In the context of the present invention, a heating region is to be understood as the region of the heating element which overlaps in the layer structure along an axis perpendicular to the surface of the sensor element with an electrode. Usually, during operation, the heating area heats up more than the supply track, so that they are distinguishable. The different heating can for example be realized in that the heating area has a higher electrical resistance than the supply track. The heating area and / or the supply line are formed, for example, as an electrical resistance path and heat up by applying an electrical voltage. The heating element may for example be made of a platinum cermet.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, den Bereich des Gaszutrittslochs im Hinblick auf Thermoschockrobustheit durch Verwendung von zwei verschiedenen Materialien zu verbessern. Hierbei wird zunächst ein größeres Loch in das Material des Schichtaufbaus eingebracht, beispielsweise, gebohrt, welches anschließend mit einem anderen Material, insbesondere mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, gefüllt wird. Das Füllen kann beispielsweise entweder mittels Dispenser oder mittels dem in DE 10 2005 055 947 A1 beschriebenen Verfahren erfolgen, das hinsichtlich des Füllverfahrens ausdrücklich durch Verweis eingeschlossen ist. Anschließend wird das eigentliche Gaszutrittsloch in das andere Material eingebracht, beispielsweise gebohrt. Als Ergebnis erhält man einen chemisch graduierten Bereich um das Gaszutrittsloch, welcher, ausgehend vom Gaszutrittsloch, in radialer Richtung zuerst ein Material mit niedrigerem thermischem, Ausdehnungskoeffizienten und anschließend einem Material mit höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, besteht.A basic idea of the present invention is to improve the area of the gas access hole with respect to thermal shock robustness by using two different materials. Here, a larger hole is first introduced into the material of the layer structure, for example, drilled, which is then filled with another material, in particular with a lower coefficient of thermal expansion. The filling can be done, for example, either by dispenser or by means of the in DE 10 2005 055 947 A1 take place, which is expressly included by reference in the filling process by reference. Subsequently, the actual gas inlet hole is introduced into the other material, for example drilled. As a result, there is obtained a chemically graded region around the gas inlet hole, which, starting from the gas inlet hole, in the radial direction is first a material having a lower thermal expansion coefficient and then a material having a higher thermal expansion coefficient.

Wesentlicher Vorteil bei dieser Methode ist, dass durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten Eigenspannungen in den Bereich um das Gaszutrittsloch eingebaut werden. Für den Fall, dass das Material in dem sich das Gaszutrittsloch befindet einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizient besitzt, bilden sich beim Abkühlen nach Sintern Druckspannungen am Rand des Gaszutrittlochs aus, da sich das äußere Material bei Temperaturänderung mehr zusammenziehen will als das innere Material. Die um das Gaszutrittloch eingebauten Druckspannungen müssen an anderer Stelle durch Zugspannungen wieder ausgeglichen werden. Der Ort ist das Interface bzw. der Übergang der verschiedenen Materialien und ist vom Gaszutrittsloch weiter entfernt. Man befindet sich hier in einem Bereich, in welchem das keramische Sensorelement gut durch zusätzliche Maßnahmen geschützt werden kann, wie zum Beispiel dem Aufbringen einer porösen keramischen Schutz- oder Deckschicht, die auch als Thermoschockschutzschicht oder Thermal Shock Protection (TSP) bezeichnet wird. Infolgedessen wird der kritische Bereich vom Gaszutrittsloch wegbewegt.The main advantage of this method is that due to the different coefficients of thermal expansion, residual stresses are built into the area around the gas inlet hole. In the event that the material in which the gas inlet hole is located has a smaller coefficient of thermal expansion, compressive stresses form on the edge of the gas inlet hole during cooling after sintering, since the outer material tends to contract more when the temperature changes than the inner material. The compressive stresses installed around the gas inlet hole must be compensated for by tension elsewhere. The location is the interface of the various materials and is further from the gas access hole. One is here in an area where the ceramic sensor element can be well protected by additional measures, such as the application of a porous ceramic protective or capping layer, also referred to as Thermal Shock Protection (TSP). As a result, the critical area is moved away from the gas access hole.

Figurenlistelist of figures

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention will become more apparent from the following description Embodiments which are shown schematically in the figures.

Es zeigen:

1 einen Querschnitt eines Sensorelements,
2 eine perspektivische Ansicht einer Schicht des Schichtaufbaus, und
3 eine Schnittansicht der Schicht.

Show it:

1 a cross section of a sensor element,
2 a perspective view of a layer of the layer structure, and
3 a sectional view of the layer.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das in 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. 1 shows a cross-sectional view of a sensor element 10 according to an embodiment of the invention. This in 1 illustrated sensor element 10 can be used to detect physical and / or chemical properties of a sample gas, wherein one or more properties can be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. In principle, however, other types of gas components are detectable, such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas can also be detected. The invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measuring gas chamber can be, in particular, an exhaust gas tract of an internal combustion engine, with the measuring gas in particular being an exhaust gas.

Das Sensorelement 10 weist einen Schichtaufbau 12 auf, welcher aus einem keramischen Material hergestellt ist, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid, und der einen Festelektrolyten 14 und mindestens zwei Elektroden 16, 18 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 Pumpfolie oder Pumpschicht, eine Zwischenfolie oder Zwischenschicht und eine Heizfolie bzw. Heizschicht, die übereinander bzw. untereinander angeordnet sind. 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 zu unterscheiden. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 sind durch den Festelektrolyten 14 und insbesondere die Pumpschicht miteinander verbunden, insbesondere elektrisch verbunden.The sensor element 10 has a layer structure 12 which is made of a ceramic material such as zirconia and a solid electrolyte 14 and at least two electrodes 16 . 18 includes. The solid electrolyte 14 may be composed of a plurality of ceramic layers in the form of solid electrolyte layers or may comprise a plurality of solid electrolyte layers. For example, the solid electrolyte includes 14 a pumping film or pumping layer, an intermediate film or intermediate layer and a heating foil or heating layer, which are arranged one above the other or one below the other. The electrodes 16 . 18 are also called the first electrode 16 and second electrode 18, but without giving a weighting of their meaning, but merely to distinguish them conceptually. The first electrode 16 and the second electrode 18 are through the solid electrolyte 14 and in particular the pumping layer connected to each other, in particular electrically connected.

Das Sensorelement 10 weist ferner einen Gaszutrittsweg 20 auf. Der Gaszutrittsweg 20 weist ein Gaszutrittsloch 22 auf, das sich in dem Schichtaufbau 12 befindet. In dem Festelektrolyten 14 kann ein Elektrodenhohlraum 24 vorgesehen sein, der das Gaszutrittsloch 22 umgibt. Der Elektrodenhohlraum 24 ist Teil des Gaszutrittswegs 20 und kann über das Gaszutrittsloch 22 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 22 als zylindrisches Sackloch in das Innere des Schichtaufbaus 12. Zwischen dem Gaszutrittsloch 22 und dem Elektrodenhohlraum 24 ist ein Kanal 26 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 20 ist. In diesem Kanal 26 ist eine Diffusionsbarriere 28 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 24 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Der Kanal 26 und der Elektrodenhohlraum 24 sind von dem Gaszutrittsloch 22 ausgehend hintereinander angeordnet, weshalb in diesem Zusammenhang von einem linearen Diffusionsbarrieren-Design gesprochen werden kann.The sensor element 10 also has a gas access path 20 on. The gas inlet path 20 has a gas inlet hole 22 on, which is located in the layer structure 12. In the solid electrolyte 14 For example, an electrode cavity 24 may be provided that houses the gas inlet hole 22 surrounds. The electrode cavity 24 is part of the gas access path 20 and may communicate with the sample gas space via the gas inlet hole 22. For example, the gas access hole extends 22 as a cylindrical blind hole in the interior of the layer structure 12. Between the gas inlet hole 22 and the electrode cavity 24 is a channel 26 arranged, which is also part of the Gaszutrittswegs 20 is. In this channel 26 a diffusion barrier 28 is arranged, which a subsequent flow of gas from the sample gas space into the electrode cavity 24 diminished or even prevented and only allows diffusion. The channel 26 and the electrode cavity 24 are from the gas inlet hole 22 arranged one behind the other, which is why in this context one can speak of a linear diffusion barrier design.

Der Schichtaufbau 12 umfasst ferner eine elektrochemische Zelle 30 in Form einer Pumpzelle 32. Über diese Diffusionsbarriere 28 lässt sich ein Grenzstrom der Pumpzelle 32 einstellen. Die Pumpzelle 32 umfasst die erste Elektrode 16, die seitlich neben dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine gasdurchlässige Schutzschicht getrennt sein kann. Ferner umfasst die Pumpzelle 32 die zweite Elektrode 18, die in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet ist. Die zweite Elektrode 18 kann ebenfalls seitlich neben dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet sein. Beispielsweise sind die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 radial zu dem Gaszutrittsloch 22 angeordnet. Der oben genannte Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 über den Festelektrolyten 14 dar. Über das Gaszutrittsloch 22 ist die zweite Elektrode 18 dem Messgas mittels Diffusion aussetzbar.The layer structure 12 further comprises an electrochemical cell 30 in the form of a pump cell 32 , About this diffusion barrier 28 can be a limiting current of the pumping cell 32 to adjust. The pump cell 32 includes the first electrode 16 , the side next to the gas inlet hole 22 can be arranged and separated from the sample gas space, for example by a gas-permeable protective layer. Furthermore, the pump cell includes 32 the second electrode 18 which is disposed in the electrode cavity 24. The second electrode 18 can also be next to the gas access hole 22 be arranged. For example, the first electrode 16 and the second electrode 18 radially to the gas inlet hole 22 arranged. The above-mentioned limiting current thus represents a current flow between the first electrode 16 and the second electrode 18 above the solid electrolyte 14. About the gas inlet hole 22 is the second electrode 18 exposed to the sample gas by diffusion.

2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Pumpschicht des Schichtaufbaus 12. 3 zeigt eine Schnittansicht der Pumpschicht und des Gaszutrittslochs 22. Der Schichtaufbau 12 weist eine Aussparung 34 auf. In der Aussparung 34 ist ein Füllmaterial 36 angeordnet. Das Gaszutrittsloch 22 ist von dem Füllmaterial 36 zumindest teilweise begrenzt. Das Füllmaterial 36 unterscheidet sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft von dem keramischen Material des Schichtaufbaus 12. Das Füllmaterial 36 weist einen Wärmeausdehnungskoeffizient auf, der sich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials des Schichtaufbaus 12 unterscheidet. Insbesondere weist das Füllmaterial 36 einen kleineren Wärmeausdehungskoeffizienten als das keramische Material des Schichtaufbaus 12 auf. Das Gaszutrittsloch 22 kann als Bohrung in dem Füllmaterial 36 ausgebildet sein. Das Füllmaterial 36 kann porös sein. Beispielsweise ist das Füllmaterial 36 aus dem gleichen Material wie die Diffusionsbarriere hergestellt. 2 shows a perspective view of the pumping layer of the layer structure 12 , 3 shows a sectional view of the pumping layer and the gas inlet hole 22 , The layer structure 12 has a recess 34 on. In the recess 34 a filling material 36 is arranged. The gas entry hole 22 is from the filler 36 at least partially limited. The filling material 36 differs with respect to at least one material property of the ceramic material of the layer structure 12. The filler 36 has a thermal expansion coefficient that is different from a thermal expansion coefficient of the ceramic material of the layer structure 12 different. In particular, the filler material 36 a smaller thermal expansion coefficient than the ceramic material of the layer structure 12 on. The gas entry hole 22 can as a bore in the filler 36 be educated. The filling material 36 can be porous. For example, the filling material 36 is made of the same material as the diffusion barrier.

Wie in 1 gezeigt ist, kann auf einer dem Inneren des Schichtaufbaus 12 abgewandten Außenseite 38 des Füllmaterials 36 eine Thermoschockschutzschicht 40 angeordnet sein. In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 ist ein Heizelement 42 in dem Schichtaufbau 12 angeordnet. Das Heizelement 42 weist einen Heizbereich 44 und elektrische Zuleitungsbahnen 46 auf. Der Heizbereich 44 ist beispielsweise mäanderförmig ausgebildet. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass das Heizelement 42 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.As in 1 can be shown on a the inside of the layer structure 12 opposite outside 38 of the filling material 36 a thermal shock protection layer 40 may be arranged. In the extension of the extension direction of the gas access hole 22 is a heating element 42 arranged in the layer structure 12. The heating element 42 has a heating area 44 and electrical supply tracks 46 on. The heating area 44 For example, it is meandering. It is expressly mentioned that the heating element 42 is surrounded on both sides by a thin layer of an electrically insulating material, such as alumina, even if this is not shown in detail in the figures. Since such an insulating layer is known for example from the above-mentioned prior art, this is not described in detail. For further details regarding the layer of the electrically insulating material, reference is therefore made to the above-mentioned prior art, the content of which relating to the layer of the electrical material is incorporated herein by reference.

Ferner kann der Schichtaufbau 12 eine nicht näher gezeigte dritte Elektrode 48, eine vierte Elektrode 50 und einen Referenzgaskanal 52 umfassen. Der Referenzgaskanal 52 kann sich senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 in das Innere des Festelektrolyten 14 erstrecken. Wie oben erwähnt, ist das Gaszutrittsloch 22 zylindrisch ausgebildet, so dass die Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 22 parallel zu einer Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22 verläuft. In diesem Fall erstreckt sich der Referenzgaskanal 52 senkrecht zu der Zylinderachse des Gaszutrittslochs 22. Der Referenzgaskanal 52 kann sich beispielsweise parallel zu dem Kanal 26 bzw. in dessen gedachter Verlängerung von dem gaszutrittsloch 22 ausgehend erstrecken. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass der Referenzgaskanal 52 auch in einer gedachten Verlängerung des Gaszutrittslochs 22 und somit weiter im Inneren des Festelektrolyten 14 angeordnet sein kann. Der Referenzgaskanal 52 muss nicht als makroskopischer Referenzgaskanal ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Referenzgaskanal als so genannte gepumpte Referenz ausgeführt sein, das heißt als künstliche Referenz.Furthermore, the layer structure 12 a third electrode not shown in detail 48 , a fourth electrode 50 and a reference gas channel 52 include. The reference gas channel 52 may be perpendicular to a direction of extension of the gas inlet hole 22 into the interior of the solid electrolyte 14 extend. As mentioned above, the gas entry hole is 22 cylindrically shaped, so that the extension direction of the gas inlet hole 22 runs parallel to a cylinder axis of the gas inlet hole 22. In this case, the reference gas channel extends 52 perpendicular to the cylinder axis of the gas inlet hole 22 , For example, the reference gas channel 52 may be parallel to the channel 26 or extend in its imaginary extension of the gas inlet hole 22 starting. It is expressly mentioned that the reference gas channel 52 also in an imaginary extension of the gas access hole 22 and thus further inside the solid electrolyte 14 can be arranged. The reference gas channel 52 does not have to be designed as a macroscopic reference gas channel. For example, the reference gas channel can be designed as a so-called pumped reference, that is, as an artificial reference.

Die dritte Elektrode 48 kann in dem Elektrodenhohlraum 24 angeordnet sein. Beispielsweise liegt die dritte Elektrode 48 der zweiten Elektrode 18 gegenüber. Die vierte Elektrode 50 kann in dem Referenzgaskanal 52 angeordnet sein. Die dritte Elektrode 48, die vierte Elektrode 50 und der Teil des Festelektrolyten 14 zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 bilden eine Nernstzelle. Mittels der Pumpzelle 32 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 32 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 24 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 52 eine bekannte Gaszusammensetzung vorliegt bzw. diese einem Sauerstoffüberschuss ausgesetzt ist, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 24 geschlossen werden.The third electrode 48 can in the electrode cavity 24 be arranged. For example, the third electrode is located 48 the second electrode 18 across from. The fourth electrode 50 can in the reference gas channel 52 be arranged. The third electrode 48 , the fourth electrode 50 and the part of the solid electrolyte 14 between the third electrode 48 and the fourth electrode 50 form a Nernst cell. By means of the pumping cell 32 For example, a pumping current through the pumping cell 32 be adjusted so that in the electrode cavity 24 the condition λ = 1 or another known composition prevails. This composition is in turn detected by the Nernst cell by applying a Nernst voltage between the third electrode 48 and the fourth electrode 50 is measured. As in the reference gas channel 52 a known gas composition is or is exposed to an excess of oxygen, based on the measured voltage on the composition in the electrode cavity 24 getting closed.

Ein solches Sensorelement 10 kann wie folgt hergestellt werden. In Ansicht bekannter Weise wird der Schichtaufbau 12 mit den zuvor beschriebenen Komponenten bzw. Bauteilen bereitgestellt. Mit anderen Worten wird in dem keramischen Schichtaufbau 12 die elektrochemische Zelle 30 mit den Elektroden 16, 18 und dem die Elektroden 16, 18 verbindenden Festelektrolyten 14 ausgebildet, wobei die zweite Elektrode 18 im Inneren des Schichtaufbaus 12 angeordnet wird. In dem Schichtaufbau 12 wird weiterhin die Aussparung 34 ausgebildet, beispielsweise mittels Bohren oder Ausstanzen. In die Aussparung 34 wird das Füllmaterial 36 eingebracht, das einen niedrigeren Wärmeausdehungskoeffizienten als das Material des Schichtaufbaus 12 aufweist. Das Füllen kann hierbei entweder mittels Dispenser oder dem in DE 10 2005 055 947 A1 beschriebenen Verfahren erfolgen. Sowohl der Schichtaufbau 12 als auch das Füllmaterial 36 liegen in einem ungesinterten Zustand vor. Der Schichtaufbau 12 wird anschließend zusammen mit dem Füllmaterial 36 gesintert. Dann wird das Gaszutrittsloch 22 in einem gesinterten Zustand des Schichtaufbaus 12 in dem Füllmaterial 36 ausgebildet. Das Gaszutrittsloch kann beispielsweise mittels Stanzens oder Bohrens in dem Füllmaterial 36 ausgebildet werden. das gaszutrittsloch kann dabei das Füllmaterial 36 durchdringen und auch in dem Material des Schichtaufbaus bzw. dem Festelektrolyten 14 ausgebildet werden. Somit begrenzt das Füllmaterial 36 zumindest teilweise das Gaszutrittsloch 22. Nach dem Sintern und somit in einem gesinterten Zustand kann das Füllmaterial 36 porös sein. Nach dem Sintern bilden sich beim Abkühlen Druckspannungen am Rand des Gaszutrittlochs 22 aus, da sich das äußere Material des Schichtaufbaus 12 bei Temperaturänderung mehr oder stärker zusammenziehen will als das innere Füllmaterial 36. Die um das Gaszutrittloch 22 eingebauten Druckspannungen müssen an anderer Stelle durch Zugspannungen wieder ausgeglichen werden. Der Ort ist das Interface bzw. der Übergang 54 der verschiedenen Materialien und ist vom Gaszutrittsloch 22 weiter entfernt bzw. beabstandet. Optional kann noch die Thermoschockschutzschicht 40 auf die Außenseite 38 des Füllmaterials 36 und zusätzlich auch auf andere Oberflächen des Schichtaufbaus 12 aufgebracht werden.Such a sensor element 10 can be made as follows. In view of known manner, the layer structure 12 provided with the components or components described above. In other words, in the ceramic layer structure 12 the electrochemical cell 30 with the electrodes 16 . 18 and the electrodes 16 . 18 connecting solid electrolyte 14 formed, wherein the second electrode 18 inside the layer structure 12 is arranged. In the layer structure 12 will continue the recess 34 formed, for example by drilling or punching. In the recess 34 becomes the filling material 36 introduced, which has a lower thermal expansion coefficient than the material of the layer structure 12 having. The filling can be done either by dispenser or the in DE 10 2005 055 947 A1 described method. Both the layer structure 12 as well as the filling material 36 are in an unsintered state. The layer structure 12 is then together with the filler 36 sintered. Then, the gas access hole becomes 22 in a sintered state of the layer structure 12 in the filler 36 educated. The gas access hole may be, for example, by punching or drilling in the filler material 36 be formed. the gas inlet hole can be the filling material 36 penetrate and also in the material of the layer structure or the solid electrolyte 14 be formed. Thus, the filler limits 36 at least partially the gas inlet hole 22. After sintering, and thus in a sintered state, the filling material may 36 be porous. After sintering, compressive stresses form on the edge of the gas inlet hole during cooling 22 because of the outer material of the layer structure 12 wants to contract more or more with temperature change than the inner filler 36 , The built-in to the gas inlet hole 22 compressive stresses must be compensated elsewhere by tensile stresses again. The place is the interface or the transition 54 of different materials and is from the gas access hole 22 further away or spaced. Optionally, still the thermal shock protection layer 40 on the outside 38 of filler 36 and in addition to other surfaces of the layer structure 12 be applied.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005055947 A1 [0022, 0034]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 [0002]

Claims

Sensor element (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprising a layer structure (12) having at least one electrochemical cell (30), wherein the electrochemical cell (30) at least one first electrode (16), a second electrode (18) and at least one of the first electrode (16) and the second electrode (18) connecting solid electrolyte (14), wherein the second electrode (18) inside the Layer structure (12) is arranged, wherein the layer structure (12) made of a ceramic material, wherein the sensor element (10) further comprises a gas inlet hole (22) which is located in the layer structure (12) and via which the second electrode ( 18) is exposed to the measuring gas, wherein the gas inlet hole (22) of a filling material (36) is at least partially limited, wherein filler material (36) hinsich At least one material property different from the ceramic material of the layer structure (12).

Sensor element (10) after Claim 1 wherein the filling material (36) has a coefficient of thermal expansion which differs from a thermal expansion coefficient of the ceramic material of the layer structure (12).

Sensor element (10) after Claim 1 or 2 wherein the filling material (36) has a smaller thermal expansion coefficient than the ceramic material of the layer structure (12).

Sensor element (10) according to one of Claims 1 to 3 wherein the gas inlet hole (22) is formed as a bore in the filling material (36).

Sensor element (10) according to one of Claims 1 to 4 wherein the layer structure (12) has a recess (34), wherein the filler material (36) in the recess (34) is arranged.

Sensor element (10) according to one of Claims 1 to 5 , wherein on a the inside of the layer structure (12) facing away from the outside (38) of the filling material (36) a thermal shock protection layer is arranged.

Sensor element (10) according to one of Claims 1 to 6 wherein the filling material (36) is porous.

A method for producing a sensor element (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, wherein a layer structure (12) is formed with at least one electrochemical cell, wherein the electrochemical cell has at least one first electrode (16), a second electrode (18) and at least one solid electrolyte (14) connecting the first electrode (16) and the second electrode (18), the second electrode (18) being located inside the Layer structure (12) is formed, wherein the layer structure (12) is made of a ceramic material, wherein the sensor element (10) is further formed with a gas inlet hole (22) which is located in the layer structure (12) and on the second Electrode (18) the sample gas is exposed, wherein the gas inlet hole (22) of a filler (36) at least partially b is delimited, wherein filler material (36) with respect to at least one material property of the ceramic material of the layer structure (12) is different.

Method according to Claim 8 wherein the filling material (36) has a coefficient of thermal expansion which differs from a thermal expansion coefficient of the ceramic material of the layer structure (12).

Method according to Claim 8 or 9 wherein the filling material (36) has a smaller thermal expansion coefficient than the ceramic material of the layer structure (12).

Method according to one of Claims 8 to 10 in which a recess (34) is formed in the layer structure, wherein the filling material (36) is arranged in the recess (34)

Method according to Claim 11 wherein the recess (34) is formed in an unsintered state of the layer structure (12), wherein the filling material (36) is arranged in an unsintered state of the layer structure (12) in the recess (34).

Method according to one of Claims 8 to 12 wherein the gas inlet hole (22) is formed in a sintered state of the layer structure (12) in the filler material (36).

Method according to one of Claims 8 to 13 wherein the gas inlet hole (22) is formed by drilling in the filler material (36).

Method according to one of Claims 8 to 14 wherein the filling material (36) is sintered together with the layer structure (12), wherein the filling material (36) is porous in a sintered state.