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DE19850959A1 - Meßfühler und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Meßfühler und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number
DE19850959A1
DE19850959A1 DE19850959A DE19850959A DE19850959A1 DE 19850959 A1 DE19850959 A1 DE 19850959A1 DE 19850959 A DE19850959 A DE 19850959A DE 19850959 A DE19850959 A DE 19850959A DE 19850959 A1 DE19850959 A1 DE 19850959A1
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DE
Germany
Prior art keywords
compact
sensor
sensor according
sealing element
pressing body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19850959A
Other languages
English (en)
Inventor
Heinz Geier
Helmut Weyl
Hans-Martin Wiedenmann
Karl-Hermann Friese
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE19850959A priority Critical patent/DE19850959A1/de
Priority to JP11312543A priority patent/JP2000146901A/ja
Priority to US09/434,667 priority patent/US6347543B1/en
Publication of DE19850959A1 publication Critical patent/DE19850959A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4078—Means for sealing the sensor element in a housing
    • G—PHYSICS
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem in einem metallischen Gehäuse (7) angeordneten keramischen Formteil (5) zur Aufnahme eines insbesondere planaren Sensorelements (6), wobei das Sensorelement (6) mittels eines aus warmverformbarem temperaturfesten Material bestehenden Dichtelements (2) abgedichtet ist. Das Aufnahmeformteil (5) ist einteilig ausgebildet und hat anschlußseitig um das Sensorelement (6) herum eine zylindrische Längsbohrung (8), und das Dichtelement (2) ist zwischen einem ersten meßgasseitigen Preßkörper (1) und einem zweiten anschlußseitigen Preßkörper (3) so verpreßt, daß es das Sensorelement (6) dicht umschließt und eine hermetische Abdichtung desselben gegenüber dem Aufnahmeformteil (5) bewirkt (Figur 1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler und einem Verfahren zu dessen Herstellung jeweils gemäß den Ober­ begriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 23.
Ein Meßfühler dieser Art ist aus der DE 197 07 458.8 der Robert Bosch GmbH bekannt. Diese Druckschrift beschreibt außerdem ein Fügeverfahren für diesen Meßfühler. Bei dem bekannten Meßfühler besteht das keramische Aufnahmeform­ teil aus zwei Teilen, nämlich aus einem meßgasseitigen Keramikformteil und einem anschlußseitigen Keramikform­ teil, die axial hintereinanderliegend angeordnet sind. Zwischen den beiden Keramikformteilen ist ein Hohlraum ausgebildet, in dem ein warm verformbares metallisches Dichtelement eingepreßt ist. Beim Vorgang des Einpressens dienen die beiden Teile der Keramikaufnahme als Preß­ körper. Das Dichtelement kann bei dem bekannten Meßfühler aus einem duktilen Metallkörper, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Paladium, Nickel, Silber oder einer Legierung dieser Metalle mit Zusätzen wie Graphit, Bor­ nitrit, Talkum, Bentonid, Kaolin bestehen, oder der Metallkörper ist ein Verbundkörper, der einen Kern mit einer ein- oder beidseitigen Oberflächenbeschichtung aufweist. Alternativ kann das Dichtelement auch ein Metallot sein, dem Zusätze wie Graphit, Bornitrid, Talkum usw. oder Gemisch dieser Zusatzstoffe beigemischt sind.
Aufgaben und Vorteile der Erfindung
Aufgabe dieser Erfindung ist es, den bekannten Meßfühler und das Verfahren zu seiner Herstellung derart zu verbessern, daß bei Auftreten von Temperaturgradienten oder von Temperaturintervallen keine rissauslösenden Verspannungen im Bauteil auftreten können.
Dadurch, daß erfindungsgemäß das Aufnahmeformteil einteilig ausgebildet ist und anschlußseitig um das Sensorelement herum eine axialsymmetrisch und zylindrisch ausgebildete Längsbohrung und/oder eine auf das Aufnahme­ formteil anschlußseitig gasdicht aufgesteckte Metallhülse aufweist und daß das Dichtelement in der Längsbohrung und/oder Metallhülse zwischen einem ersten meßgasseitigen Preßkörper und einem zweiten anschlußseitigen Preßkörper so verpreßt ist, daß es das Sensorelement im Aufnahme­ formteil bzw. in der Metallhülse dicht umschließt und eine hermetische Abdichtung desselben gegenüber dem Aufnahmeformteil und/oder der Metallhülse bewirkt, wird eine sichere hermetische Abdichtung des eingefügten Sensorelements gegen Gas und Benzin erreicht. Da das keramische Aufnahmeformteil nicht mehr, wie im Stand der Technik selbst als Preßkörper dient, werden Beschädigun­ gen des keramischen Aufnahmeformteils und Rißbildungen desselben beim Einpressen vermieden.
Das Sensorelement wird somit erfindungsgemäß in ein keramisches Aufnahmeformteil oder in eine auf ein Keramikformteil aufgesetzte Metallhülse zum Aufbau der Fügestelle und zu den Bedingungen des Fügeprozesses eingepreßt.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren mit dem ein erfindungsgemäßer Meßfühler herstellbar ist, ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
  • A) Der erste Preßkörper wird in die Längsbohrung des keramischen Aufnahmeformteils oder in die Metallhülse mit eingefügtem Sensorelement eingepreßt;
  • B) Das Dichtelement wird auf den ersten Preßkörper 1a, und um das Sensorelement gelegt; darüber wird der zweite Preßkörper angeordnet (gelegt);
  • C) Das soweit vormontierte Werkstück wird in einen temperaturfesten Werkstückträger eingesetzt;
  • D) Der Werkstückträger mit dem eingesetzten Werkstück wird in einem Ofen vorzugsweise in Luft auf eine bestimmte Temperatur für eine bestimmte Zeitdauer aufgeheizt;
  • E) Der Werkstückträger mit dem eingesetzten Werkstück wird dem Ofen entnommen;
  • F) Der zweite Preßkörper wird vorzugsweise in Luft auf und in das Dichtelement innerhalb der Längsbohrung des Aufnahmeformteils oder innerhalb der Metallhülse mit einem äußeren Preßstempel bei einer bestimmten Temperatur warm eingepreßt bis der Preßstempel am Aufnahmeformteil oder an der Metallhülse anliegt.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist ein sicheres und rationelles Verfahren für die hermetische Abdichtung von Sensorelementen im Sensorgehäuse ermöglicht. Das Warmeinpressen ermöglicht den Einsatz von stabilen Gläsern mit relativ hoher Transformations­ temperatur bei niedriger Fügetemperatur, die für das Sensorelement keine übermäßige thermische Beanspruchung bedeutet. Ferner können metallhaltige Abdichtmassen eingesetzt werden, die wesentliche Vorteile im Vergleich zu reinen Glaseinschmelzungen besitzen.
Bevorzugt ist der erste Preßkörper eine Pulverpackung aus temperaturfestem Material vorzugsweise mit gutem Gleit­ vermögen wie zum Beispiel Steatit, Talkum, Graphit, Bornitrid, Kupfer. Alternativ besteht der erste Preß­ körper aus Glas, Glaskeramik, Oxidkeramik gegebenenfalls unter Zusatz von organischem Bindemittel, eingebracht als Pulver- oder Granulatschüttung, als Preßling, gegebenen­ falls vorgesintert, und/oder als gegossene Folie; der erste Preßkörper wird vorzugsweise kalt eingepreßt, um das Sensorelement zu fixieren.
Das Dichtelement besteht aus warm verformbarem, temperaturfestem Material, vorzugsweise aus Glas und/oder Metall, vorteilhaft Kupfer, gegebenenfalls unter Zusatz von organischem Bindemittel und anderen Reduktions­ mitteln, eingebracht als Pulver-, Granulat- oder Panat- Schüttung, als Preßling, gegebenenfalls vorgesintert und/oder als gegossene Folie.
Der zweite Preßkörper besteht aus Keramik-, hoch­ schmelzendem Glas- und/oder Metallpulver, alternativ aus Steatit oder Talkum, die vorzugsweise nicht vorgesintert und denen organische Binde- und oder Preßhilfsmittel zugesetzt sind oder weiter alternativ aus Zirkonoxid bzw. Ba-Al-Silikatglas, das vorzugsweise gesintert ist. In einer besonderen Ausführungsform hat die Stirnseite des zweiten Preßkörpers zum Dichtelement hin vorspringende Vorsprünge, mit denen der zweite Preßkörper im Dichtelement verankerbar ist.
Beim Fügeprozeß (Schritte A-F) werden Poren im Dicht­ element beseitigt oder offene Poren geschlossen. Nicht vorgesinterte Preßkörper werden bei der Temperatur­ erhöhung während des Fügeprozesses soweit vorgesintert, daß sie eine für die Verdichtung des Dichtelements ausreichende Festigkeit erhalten.
Bevorzugt ist der äußere Preßstempel geteilt, und ein auf das zufügende Bauteil aufgesetztes Teilstück des äußeren Preßstempels, das vorzugsweise aus gesinterter Al2O3- oder ZrO2-Keramik besteht, wird mit auf die Füge­ temperatur aufgeheizt. Dann wird der äußere Preßstempel bevorzugt bis zum Anschlag an das keramische Aufnahme­ formteil oder die Metallhülse gedrückt so daß dann der zweite Preßkörper bündig mit der anschlußseitigen Stirnfläche des keramischen Aufnahmeformteils oder der Metallhülse abschließt.
Weitere vorteilhafte Merkmale werden aus der nachfolgen­ den Beschreibung deutlich, die zum einen schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßfühlers und Schemazeichnungen zur Veranschaulichung verschiedener Verfahrensschritte für verschiedene Ausführungsbeispiele des Herstellungsverfahrens zeigen und zwar die linken mit A bezeichneten Figurteile die zusammengesetzten Füge­ komponenten vor dem Fügeprozeß und die rechten Figurteile B die zusammengefügten Teile des Meßfühlers nach dem Fügeprozeß.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines mit den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten hergestellten Meßfühlers;
Fig. 2A und 2B Zusammensetz- und Fügeschritte für ein erstes bis drittes Ausführungsbeispiel;
Fig. 3A und 3B Schritte zum Zusammensetzen und Fügen gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4A und 4B entsprechende Verfahrensschritte zum Zusammensetzen und Fügen des Meßfühlers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 5 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßfühlers, bei der anschlußseitig eine Metallhülse zur Aufnahme des Dichtelements und des ersten und zweiten Preßkörpers gasdicht aufgesteckt ist.
Ausführungsbeispiele
Zunächst werden anhand der Fig. 1 die für die Erfindung wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Meß­ fühlers erläutert.
Der in Fig. 1 dargestellte Meßfühler ist ein elektro­ chemischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehal­ tes in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Innerhalb eines metallischen Gehäuses 7 befindet sich ein planares, plättchenförmiges Sensorelement 6. Im Gehäuse 7 ist eine Längsbohrung angeordnet, die mit Ringschultern versehen ist, an denen ein in der Längsbohrung sitzender kerami­ scher Aufnahmeformteil 5 anliegt. Der Aufnahmeformteil 5 ist einstückig und hat anschlußseitig eine zylindrische Längsbohrung 8 um die Mittellängsachse des planaren Sensorelements 6. In dieser Längsbohrung 8 des kerami­ schen Aufnahmeformteils 5 sitzen von ihrer meßgasseitigen Bodenfläche bis zu ihrer anschlußseitigen Öffnung gesehen ein erster Preßkörper 1, ein Dichtelement 2b, 2a sowie ein die Längsbohrung 8 und das keramische Aufnahmeform­ teil 5 bündig abschließender zweiter Preßkörper 3. Weitere Merkmale des in Fig. 1 dargestellten Meßfühlers sind bekannt und können zum Beispiel der schon erwähnten Patentanmeldung DE 197 07 458.8 der Robert Bosch GmbH entnommen werden.
Erstes bis drittes Ausführungsbeispiel des Herstellungs­ verfahrens (Fig. 2A, 2B):
In den Fig. 2A und 2B wird das aus gesinterter Steatitkeramik bestehende Aufnahmeformteil 5 mit dem darin eingesetzten Sensorelement 6 von einem (nicht gezeigten) temperaturfesten Werkstückträger zum Beispiel aus Oxidkeramik gehalten. Die zu fügenden Komponenten, d. h., der erste Preßkörper 1a, 1b, das Dichtelement 2, 2a, 2b und der zweite Preßkörper 3, liegen in der Bohrung 8 des keramischen Aufnahmeformteils 5 um das Sensorelement 6 herum, der zweite Preßkörper 3 ist an einem äußeren, vorzugsweise geteilten Preßstempel 4 angebracht, der vorzugsweise aus gesinterter Al2O3- oder ZrO2-Keramik besteht und, wie nachstehend erläutert, mit auf die Fügetemperatur aufgeheizt wird.
Erstes Ausführungsbeispiel
Der erste Preßkörper 1a, der ein ungesinterter Steatit­ preßling mit 2% organischem Binder ist, wird zuerst kalt eingepreßt. Der dafür vorgesehene Preßstempel und Preß­ schritt ist nicht dargestellt.
Dann wird das Dichtelement 2 aus warm verformbarem, temperaturfestem Material, bevorzugt ein Glas-Cu-Panat- Preßling, bestehend aus 70 Vol.% Na-Borosilikatglas, 30 Vol.% Cu-Pulver (Cu-Schliff) und 5 Gewichtsprozenten Dextrin (WAK 9 × 10-6 K-1) eingesetzt. Darüber wird der zweite Preßkörper 3 eingesetzt. Das soweit zusammen­ gesetzte (im temperaturfesten Werkstückträger gehaltene) Werkstück wird in einem Ofen, vorzugsweise in Luft, auf eine Temperatur unterhalb 1000°C, bevorzugt 850°C aufge­ heizt. Dabei können organische Zusätze eine reduzierende Atmosphäre an der Fügestelle schaffen.
Anschließend wird das Werkstück mit dem Werkstückträger aus dem Ofen herausgezogen und mit dem temperaturfesten äußeren Preßstempel 4 der zweite Preßkörper 3 in Luft warm eingepreßt, bis der äußere Preßstempel 4 an der anschlußseitigen Stirnfläche des keramischen Aufnahme­ formteils 5 anschlägt und das Dichtelement 2 das Sensorelement 6 dicht umschließt und gegen das keramische Aufnahmeformteil hermetisch abdichtet. Der zweite Preßkörper 3 kann ebenfalls wie der erste Preßkörper 1a ein ungesinterter Steatitpreßling mit 2% organischem Binder (PVA) sein.
Fig. 2B zeigt den Zustand der zusammengefügten Bauelemente nach dem Warmeinpressen des zweiten Preßkörpers 3. Es ist ersichtlich, daß die axiale Länge sowohl des ersten Preßkörpers 1, des Dichtelements 2 als auch des zweiten Preßkörper 3 durch den Fügevorgang reduziert wurde. Der Glas-Cu-Panat-Preßling des Dicht­ elements 2 dringt in die vom zweiten Preßkörper 3 gelassenen Lücken zwischen dem Sensorelement 6 und dem keramischen Aufnahmeformteil 5 ein, wodurch der zweite Preßkörper 3 im Dichtelement 2 verankert und das Sensorelement 6 gegen das keramische Aufnahmeformteil 5 hermetisch abgedichtet wird. Beim Fügeprozeß werden Poren im Dichtelement 2 beseitigt oder offene Poren zumindest geschlossen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel wird beim zweiten Ausführungsbeispiel der erste Preßkörper 1b (gestrichelt gezeichnet) nicht kalt sondern warm erst beim Einpreßprozeß des zweiten Preßkörpers 3 in das Dichtelement 2 eingepreßt. Er ist ebenfalls ein Steatit­ preßling wie im ersten Ausführungsbeispiel. Das Dicht­ element 2 kann mit dem des ersten Ausführungsbeispiels identisch sein oder alternativ aus Li-Borosilikatglas mit. Wak = 7,7 × 10-6 K-1 bestehen. Die anderen Merkmale sind mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch. Nach dem Preßschritt füllt gemäß Fig. 2B das Dichtelement 2 die vom ersten Preßkörper 1 und zweiten Preßkörper 3 gelassenen Lücken zwischen dem Sensorelement 6 und dem keramischen Aufnahmeformteil 5 aus, so daß das Dichtelement 2 das Sensorelement 6 dicht umschließt und gegen das keramische Aufnahmeformteil 5 hermetisch abdichtet. Auch hier werden beim Fügeprozeß Poren im Dichtelement beseitigt und/oder offene Poren geschlossen.
Drittes Ausführungsbeispiel
Bei diesem besteht im Gegensatz zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel das Dichtelement 2 gemäß Fig. 2A aus zwei Komponenten (gestrichelte Teilungslinie), nämlich einer an den ersten Preßkörper 1a oder 1b anschließenden ersten Komponente 2b, die ein Preßling aus Cu-Pulver (Cu- Schliff) unter Zusatz von 5% Dextrin ist und einer zweiten zur Anschlußseite hin anschließenden Komponente 2a aus einem Preßling aus Li-Borosilikatglas mit WAK = 7,7 × 10-6 × K-1 unter Zusatz von 5% Dextrin. Ferner ist der zweite Preßkörper 3 ein bei 600°C zwei Stunden vorgesinterter Steatitpreßling. Nach dem Warmeinpressen des zweiten Preßkörpers verschmelzen gemäß Fig. 2B die beiden Komponenten 2a und 2b des Dichtelements zu einem Dichtelement 2, das auch hier die Lücken zwischen dem ersten Preßkörper 1a bzw. 1b, dem Sensorelement 6 und dem keramischen Aufnahmeformteil 5 sowie dem zweiten Preßkörper 3, dem Sensorelement 6 sowie dem keramischen Aufnahmeformteil 5 so ausfüllt, daß es das Sensorelement 6 dicht umschließt und gegen das keramische Aufnahme­ formteil 5 hermetisch abdichtet. Das Glas der zweiten Komponente 2a dringt beim Warmeinpressen in den Cu- Preßling der ersten Komponente 2b des Dichtelements ein.
Viertes Ausführungsbeispiel (Fig. 3A, 3B)
Gemäß Fig. 3A unterscheidet sich das vierte Ausführungsbeispiel von den zuvor beschriebenen ersten drei Ausführungsbeispielen darin, daß der erste Preß­ körper 10 als gegossene Abdichtfolie mit 40-70 Vol.% organischem Binder (zum Beispiel Polyvinylbutyrol) gefüllt mit Keramikpulver, wie zum Beispiel Al2O3 oder ZrO2 und/oder mit hochschmelzendem Glas und/oder mit Graphit und/oder mit Bornitrid bzw. verstärkt mit Fasern und oder Gewebe und/oder Geflechten zuvor kalt in die Längsbohrung 8 des keramischen Aufnahmeformteils 5 eingepreßt wird. Die anderen Merkmale und Verfahrens­ schritte können identisch sein wie die zuvor für die ersten drei Ausführungsbeispiele beschriebenen Verfahrensschritte. Durch das Kalteinpressen der gegossenen Abdichtfolie 10 wird zunächst das Sensor­ element 6 fixiert.
Gemäß Fig. 3B dichtet die durch den Warmeinpreßvorgang zusätzlich verformte gegossene Folie des ersten Preßkörpers 10 das Sensorelement 6 zusätzlich zum Dichtelement 2 gegenüber dem keramischen Aufnahmeformteil 5 hermetisch ab. Fig. 3B zeigt außerdem, daß das Dichtelement 2 nach dem Warmeinpressen des zweiten Preßkörpers 3 die zwischen letzterem und dem Sensor­ element 6 sowie dem keramischen Aufnahmeformteil 5 verbleibenden Lücken aufgrund des Einpressen des zweiten Preßkörpers 3 ausfüllt und damit letzteren im Dichtelement 2 verankert.
Fünftes Ausführungsbeispiel (Fig. 4A, 4B)
Der erste Preßkörper 1 ist ein Steatit-Preßling wie im ersten Ausführungsbeispiel und wird wie dort kalt einge­ preßt. Das Dichtelement 2 ist ein Preßling aus Cu-Pulver (Cu-Schliff) mit 5% Dextrin. Der zweite Preßkörper 13 besteht aus gesinterter ZrO2-Keramik und hat an seiner zum Dichtelement 2 weisenden Stirnfläche zum Dichtelement 2 ragende Vorsprünge 14, die dazu dienen, den zweiten Preßkörper 13 im Dichtelement 2 zu verankern. Dies ist in Fig. 4B veranschaulicht. Der Einpreß- oder Fügeschritt, bei dem der zweite Preßkörper 13 mit dem äußeren Preßstempel 4 eingepreßt wird, erfolgt alternativ zu den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bei 950°C.
Allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß nicht vorgesinterte Preßkörper bei der Temperaturerhöhung während des Fügeprozesses soweit vorgesintert werden, daß sie eine für die Verdichtung des Dichtelements ausreichende Festigkeit erhalten.
Es ist zu bemerken, daß bei der in Fig. 5 gezeigten weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßfühlers eine Metallhülse 18 zur Anschlußseite hin auf das keramische Aufnahmeformteil 5 gasdicht aufgesetzt ist. Die gasdichte Verschweissung mit der äusseren Metallhülse ist mit der Zahl 19 bezeichnet. Beim Fügeprozeß wird dann der zweite Preßkörper 3 soweit in die Metallhülse 18 eingepreßt, daß die anschlußseitige Stirnfläche des zweiten Preßkörpers 3 im wesentlichen bündig mit der anschlußseitigen Stirnfläche der Metallhülse 18 ist. Auch hier wird der zweite Preßkörper 3, 13 vor der thermischen Behandlung eingesetzt.
Nachstehend werden allgemeine Vorteile der bei der Erfindung bevorzugt verwendeten metallhaltigen Abdicht­ massen, wie zum Beispiel des bei dem Dichtelement 2 gemäß den Fig. 2a und 2b verwendeten Glas-Cu-Panat- Preßlings, im Gegensatz zu reinen Glaseinschmelzungen angeführt. Indem für eine solche metallhaltige Abdicht­ masse geeignete Stoffe und Mischungsverhältnisse ausge­ wählt werden, paßt sich ihre thermische Ausdehnung an die bei den anderen Fügeelementen an. Der Einsatz von Glas mit niedrigem Schmelzpunkt ist möglich, da Glas mit geringer thermischer Ausdehnung verwendbar ist. Eigen­ spannungen werden durch eingelagerte, ducktile bzw. bei erhöhter Temperatur plastisch verformbare Metallpartikel abgebaut. Dadurch wird Rissbildung und Rissausbreitung verhindert oder stark eingeschränkt. Der Einsatz der kostengünstigen Steatitkeramik für das keramische Aufnahmeformteil ist dadurch möglich. Die metallhaltige Abdichtmasse hat eine verbesserte Haftung auf dem Sensorelement wegen begrenzter Festkörperreaktion Metall/Zirkonoxid. Auch dadurch ist die Rissbildung zwischen der Einschmelzmasse und dem Sensorelement speziell im Kantenbereich mit Sicherheit eingeschränkt.
Beim Warmeinpressen der metallhaltigen Abdichtmasse ist eine verbesserte Gleitwirkung und verbesserte plastische Verformung erzielt. Dadurch wird eine Absenkung der Fügetemperatur und eine Vermeidung einer thermischen Überbeanspruchung erreicht. Insgesamt ermöglichen die erfindungsgemäßen Merkmale einen sicheren und rationellen Herstellungsprozeß für die hermetische Abdichtung insbe­ sondere von planaren Sensorelementen im Sensorgehäuse, d. h. in dem keramischen Aufnahmeformteil. Das vorge­ schlagene Warmeinpressen ermöglicht den Einsatz von stabilen Gläsern mit relativ hoher Transformations­ temperatur bei niedriger Fügetemperatur, die für das Sensorelement keine übermäßige thermische Beanspruchung mit sich bringt.

Claims (35)

1. Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauer­ stoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem in einem metallischen Gehäuse (7) angeordneten keramischen Formteil (5) zur Aufnahme eines insbesondere planaren Sensorelements (6), wobei das Sensorelement (6) mittels eines aus warmverformbarem temperaturfestem Material bestehenden Dichtelements (2; 2a, 2b) abge­ dichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeformteil (5) einteilig ausgebildet ist und anschlußseitig um das Sensorelement (6) herum eine axialsymmetrisch und zylindrisch ausgebildete Längsbohrung (8) und/oder eine auf das Aufnahmeformteil (5) anschlußseitig gasdicht aufgesteckte Metallhülse(18) aufweist, und daß das Dichtelement (2; 2a, 2b) in der Längsbohrung (8) und/oder der Metallhülse (18) zwischen einem ersten meßgasseitigen Preßkörper (1; 1a, 1b; 10) und einem zweiten anschlußseitigen Preßkörper (3) so verpreßt ist, daß es das Sensorelement (6) im Aufnahmeformteil (5) und/oder in der Metallhülse (18) dicht umschließt und eine hermetische Abdichtung desselben gegenüber dem Aufnahmeformteil (5) und/oder der Metallhülse (18) bewirkt.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmeformteil (5) aus gesinterter Steatit- Keramik besteht, das Paket aus dem ersten Preßkörper (1; 1a, 1b; 10), dem Dichtelement (2; 2a, 2b) und dem zweiten Preßkörper (3) so verpreßt ist, daß es die Längsbohrung (8) des Aufnahmeformteils (5) bzw. das Innere der Metallhülse ausfüllt und mit dem anschlußseitigen Ende des Aufnahmeformteils (5) oder der Metallhülse (18) bündig abschließt.
3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dichtelement (2) aus Glas und/oder Metall, insbesondere aus Kupfer, besteht und als Pulver-, Granulat- oder Panat-Schüttung eingebracht ist.
4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulver-, Granulat- oder Panat-Schüttung ein organisches Bindemittel zugesetzt ist.
5. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dichtelement (2) aus Glas und/oder Metall, bevorzugt Kupfer, besteht und als Preßling eingebracht ist.
6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling vorgesintert ist.
7. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling eine gegossene Folie ist.
8. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Preßkörper (1; 1a, 1b; 10) aus temperaturfestem Material mit gutem Gleitvermögen, insbesondere aus Steatit, Talkum, Graphit, Bornitrid, Kupfer oder aus Glas, Glaskeramik oder Oxidkeramik besteht.
9. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Preßkörper als Pulver- oder Granulat- Schüttung eingebracht ist.
10. Meßfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulver- oder Granulat-Schüttung ein organisches Bindemittel zugesetzt ist.
11. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Preßkörper als Preßling eingebracht ist.
12. Meßfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling vorgesintert ist.
13. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Preßkörper (10) als gegossene Folie eingebracht ist.
14. Meßfühler nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Preßkörper zur Vorab­ fixierung des Sensorelements (6) kalt eingepreßt ist.
15. Meßfühler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Preßkörper (3) aus Steatit oder Talkum besteht.
16. Meßfühler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Preßkörper (13) aus Keramik oder hochschmelzendem Glas und/oder Metall­ pulver, oder aus Zirkonoxid oder aus Ba-Al-Silikat-Glas besteht.
17. Meßfühler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Preßkörper (3) eine etwa ebene meßgasseitige Stirnfläche hat.
18. Meßfühler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des zweiten Preßkörpers (13) zum Dichtelement (2) hin ragende Vorsprünge (14) aufweist, um den zweiten Preßkörper (13) im Dichtelement (2) zu verankern.
19. Meßfühler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (14) etwa parallel zu den Seiten­ flächen des Sensorelements (6) ragen.
20. Meßfühler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus Steatit oder Talkum bestehenden zweiten Preßkörper (3) ein organisches Bindemittel und/oder Preß­ hilfsmittel zugesetzt sind.
21. Meßfühler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Preßkörper (3) nicht vorgesintert ist.
22. Meßfühler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Zirkonoxid oder Ba-Al-Silikat-Glas bestehende zweite Preßkörper vorgesintert ist.
23. Verfahren zur Herstellung eines Meßfühlers nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • A) Der erste Preßkörper (1, 1a, 1b; 10) wird in die Längsbohrung (8) des keramischen Aufnahmeformteils (5) oder die Metallhülse (18) mit eingefügtem Sensorelement (6) eingepreßt;
  • B) Das Dichtelement (2; 2a, 2b) wird auf den ersten Preßkörper (1; 1a, 1b; 10) und um das Sensorelement (6) gelegt; darüber wird der zweite Preßkörper (3) gelegt;
  • C) Das soweit vormontierte Werkstück wird in einen temperaturfesten Werkstückträger eingesetzt;
  • D) Der Werkstückträger mit dem eingesetzten Werkstück wird in einem Ofen vorzugsweise in Luft auf eine bestimmte Temperatur für eine bestimmte Zeitdauer aufgeheizt;
  • E) Der Werkstückträger mit dem eingesetzten Werkstück wird dem Ofen entnommen;
  • F) Der zweite Preßkörper (3; 13) wird vorzugsweise in Luft auf und in das Dichtelement innerhalb der Längs­ bohrung (8) des Aufnahmeformteils (5) oder innerhalb der Metallhülse mit einem äußeren Preßstempel (4) bei einer bestimmten Temperatur warm eingepreßt bis der Preßstempel am Aufnahmeformteil oder an der Metallhülse (18) anliegt.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt A der erste Preßkörper (1a) aus einer Pulverpackung besteht und kalt eingepreßt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt A der erste Preßkörper (1b) aus einer vorgesinterten Pulverpackung besteht und warm eingepreßt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt A der erste Preßkörper (10) aus einer gegossenen Folie besteht und kalt eingepreßt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die gegossene Folie aus einem organischen Binder, gefüllt mit Keramikpulver, wie Al2O3 oder CrO2 und/oder gefüllt mit hochschmelzendem Glas und/oder Graphit und/oder mit Bornitrid und/oder mit temperaturfestem Metallpulver, bevorzugt Cu oder aus einer mit Fasern und/oder Gewebe verstärkten Folie besteht.
28. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt B das Dichtelement (2) als vorgeformter einstückiger Glas-Cu-Panat-Preßling eingelegt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt B das Dichtelement (2) aus zwei Komponenten (2a, 2b) besteht, von denen die erste meßgasseitige Komponente (2b) als vorgeformter Preßling aus Cu-Pulver eingesetzt und dann die zweite anschluß­ seitige Komponente (2a) als Li-Boro-Silikatglaspreßling eingesetzt wird, wobei das Glas der zweiten anschluß­ seitigen Komponente im Schritt F in den Cu-Preßling der ersten Komponente (2b) eindringt.
30. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt D der Werkstückträger mit dem Werkstück etwa 15 Minuten lang auf etwa 850°C erhitzt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt F der zweite Preßkörper (3) als Steatit­ preßkörper mit 2% organischem Bindemittel ungesintert eingepreßt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt F der zweite Preßkörper (3) als ein zwei Stunden bei 600°C unter Zusatz eines organischen Binders vorgesinterter Steatit-Preßling eingepreßt wird.
33. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt F der zweite Preßkörper (13) als vorge­ sinterter ZrO2-Keramikpreßling eingepreßt wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, das an der zum Dicht­ element (2) weisenden Stirnfläche des zweiten Preßkörpers (13) vorzugsweise parallel zum Sensorelement (6) ausge­ bildete Vorsprünge (14) beim Preßvorgang im Schritt F in das Dichtelement (2) eindringen und dabei den zweiten Preßkörper (13) im Dichtelement (2) verankern.
35. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der in Schritt F verwendete äußere Preßstempel (4) geteilt ist und daß in Schritt F das auf den zu fügenden zweiten Preßkörper aufgesetzte Teilstück aus gesinterter Al2O3-Keramik oder ZrO2-Keramik besteht und auf die Fügetemperatur mit aufgeheizt wird.
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