DE10127917C1

DE10127917C1 - Gassensor, insbesondere Lambdasonde

Info

Publication number: DE10127917C1
Application number: DE10127917A
Authority: DE
Inventors: Helmut Weyl; Hans-Joerg Renz; Lothar Diehl; Juergen Karle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2021-06-09
Also published as: US20040011116A1; US6883363B2; JP2004521349A; WO2002101373A1; JP4436671B2

Abstract

Der innerhalb eines Gehäuses mittels einer Dichtungspackung gehalterte keramische Sensorkörper besitzt im Bereich der Dichtungspackung eine Umfangsbeschichtung aus elektrisch isolierendem Material, so daß der Sensorkörper gegenüber dem Gehäuse auch bei Verwendung einer Dichtungspackung aus elektrisch schlecht isolierenden Materialien elektrisch potentialfrei bleibt. Damit kann für die Dichtungspackung auch eine Glaskittung eingesetzt werden, die zwar vergleichsweise schlechte Isolatoreigenschaften jedoch gute Dichtwirkung bei hoher Temperaturbelastbarkeit hat.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf Gassensoren, insbesondere Lambdasonden, mit keramischem Sensorkörper sowie zugeordnetem Gehäuse, welches durch eine den Sensorkörper an einem Mittelabschnitt umfassende und den Sensorkörper halternde Dichtungspackung in einen von einem Meßgas beaufschlagten Meßgasraum und einen von einem Referenzgas, insbesondere Luft der Atmosphäre, beaufschlagbaren Referenzgasraum unterteilt ist.

Abgassysteme moderner Verbrennungsmotoren sind insbesondere bei Kraftfahrzeugen heute regelmäßig mit Katalysatoren ausgerüstet, um schädliche Abgase in unschädliche Reaktionsprodukte umzusetzen. Für eine gute Funktion der Katalysatoren ist es notwendig, dem Motor Luft und Kraftstoff in einem vorgegebenen Verhältnis zuzuführen. Die dafür vorgesehenen Motorsteuerungen sind auf ihrer Eingangsseite mit einer sogenannten Lambdasonde verbunden, deren Signale die Zusammensetzung der Abgase wiedergeben und damit der Motorsteuerung ermöglichen, das Verhältnis von Kraftstoff und Verbrennungsluft in einer für den Katalysator optimalen Weise einzuregeln.

Ähnliches gilt für moderne Heizgeräte, in denen Kraftstoffe zur Wärmeerzeugung verbrannt werden.

Die eingangs genannte Dichtungspackung hat eine Vielfachfunktion. Einerseits teilt sie im Gehäuse des Sensorskörpers einen Meßgas- bzw. Abgasraum von einem Referenzgasraum ab. Andererseits dient sie auch zur Halterung des Sensorkörpers im Gehäuse, dessen Innenquerschnitt regelmäßig eine vom Außenquerschnitt des Sensorkörpers abweichende Form aufweist. Schließlich soll die Dichtungspackung den Sensorkörper elektrisch potentialfrei halten bzw. gegenüber dem Gehäuse, welches regelmäßig aus Metall besteht, elektrisch isolieren.

Die Dichtungspackung ist regelmäßig mehrschichtig aufgebaut, wobei die verschiedenen Schichten unterschiedliche Hauptfunktionen, wie Schutz der übrigen Schichten vor Pulsationen des Abgases, feste Halterung des Sensorkörpers im Gehäuse und dichte Abtrennung von Abgasraum und Referenzgasraum voneinander, übernehmen können.

Die dichte Abtrennung von Meßgas- bzw. Abgasraum und Referenzgasraum gegeneinander wird bisher regelmäßig durch eine Steatitpresspackung vorgenommen, in die eine Bornitridscheibe eingelegt ist. Damit kann einerseits eine gute elektrische Isolation zwischen Sensorkörper und zugehörigem Gehäuse und andererseits eine gute Abdichtung gegenüber Benzin- bzw. Kraftstoffdämpfen sowie flüssigem Benzin bzw. flüssigem Kraftstoff gewährleistet werden.

Der notwendige Herstellungaufwand ist jedoch vergleichsweise groß.

Aus der US 6,063,249 ist ein Sauerstoffsensor bekannt, in dem ein Sensorelement mit einer Glaseinschmelzung festgelegt ist. Das Sensorelement ist im Bereich der Glaseinschmelzung mit einer dünnen Schicht aus kohlenstoffhaltigem Material, beispielsweise Graphit, überzogen. In einer weiteren Ausführungsform ist die kohlenstoffhaltige Schicht durch eine dünne Metallfolie ersetzt.

Aus der DE 197 51 424 A1 ist ein Messfühler bekannt, der ein in einem Gehäuse angeordnetes Sensorelement umfasst. Für das Sensorelement ist eine Sensorelementdichtung vorgesehen, die einen Referenzgasraum hermetisch von einem Messgasraum trennt. Innerhalb des dem Referenzgas zugewandten Gehäuseteils ist eine das Sensorelement an einem Längsabschnitt umfassende Hülse vorgesehen, die eine Aufnahme für die Sensorelementdichtung bildet.

In der DE 197 07 459 A1 ist ein Messfühler beschrieben, bei dem ein plättchenförmiges Sensorelement in einem Keramikformteil, das in einem metallischen Gehäuse angeordnet ist, mittels einer Dichtung gasdicht eingesetzt ist. Die Dichtung besteht aus einer pulverförmigen Dichtpackung und einer darüberliegenden Glaseinschmelzung.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Sensorkörper im Bereich der Dichtungspackung bzw. in der Dichtungspackung mit einer Beschichtung aus elektrisch isolierendem Material zu versehen, so daß zum Zwecke der Abtrennung von Abgasraum und Referenzgasraum voneinander auch elektrisch schlecht isolierende Materialien als Dichtungspackung eingesetzt werden können.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, durch eine auf dem Sensorkörper angeordnete elektrisch isolierende Schicht den Sensorkörper gegenüber dem elektrisch potentialfrei zu halten bzw. die Notwendigkeit einer Dichtungspackung mit guten elektrischen Isolatoreigenschaften zu erübrigen und damit bei der Materialauswahl für die Dichtungspackung eine größere konstruktive Freiheit zu gewährleisten.

Dabei wird die Erkenntnis genutzt, daß die Isolationsschicht auf dem Sensorkörper im Bereich der Dichtungspackung simultan mit ohnehin notwendigen elektrisch isolierenden Beschichtungen des Sensorkörpers an dessen Elektroden hergestellt werden kann und dementsprechend praktisch keinen zusätzlichen Herstellungsaufwand erfordert.

Insbesondere ist vorteilhaft, daß aufgrund der Erfindung eine Glaskittung ohne weiteres möglich ist, die bei vergleichsweise deutlich geringeren Kosten eine zumindest gleiche, in der Regel deutlich höhere Abdichtung als Bornitrid ermöglicht.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Lambdasonden sowie deren Herstellung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 einen schematisierten Längsschnitt eines Sensorkörpers sowie des zugehörigen Gehäuses und der Dichtungspackung,

Fig. 2 ein Schnittbild entsprechend der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 beispielhafte Herstellungsschritte für die Isolationsbeschichtung der Sensorkörper im Bereich für die Dichtungspackung,

Fig. 4 eine weitere Möglichkeit der Herstellung dieser Isolationsschicht.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist in einem im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse 1 ein als keramisches Laminat ausgebildeter Sensorkörper 2 geschützt untergebracht und mittels einer Dichtungspackung 3 im Gehäuse 1 gehaltert. Durch die Dichtungspackung 3 wird der Innenraum des Gehäuses 1 in einen Referenzgasraum 1' sowie einen Abgas- bzw. Meßgasraum 1" unterteilt, wobei der Sensorkörper 2 in beide Räume mit zugeordneten Endbereichen hineinragt.

An seinem dem Referenzgasraum 1' zugeordneten Ende ist das Gehäuse 1 offen, so daß nicht dargestellte elektrische Anschlußleitungen mit Elektroden am Sensorkörper verbindbar sind. Der den Abgasraum umschließende Teil des Gehäuses 1 besitzt ein oder mehrere kleine Öffnungen, über die der Abgas- bzw. Meßgasraum 1" mit der Außenseite des Gehäuses 1 kommuniziert. Mit diesem Gehäuseabschnitt ragt das Gehäuse 1 in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors oder Heizgerätes hinein, wobei die Dichtungspackung 3 für eine Abdichtung des Abgasstranges gegenüber der Atmosphäre sorgt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Sensorkörper 2 im Bereich der Dichtungspackung 3 eine Umfangsschicht 4 aus elektrisch isolierendem Material aufweist. Damit kann der Sensorkörper 1 auch dann gegenüber dem regelmäßig aus Metall bestehendem Gehäuse 1 elektrisch potentialfrei gehalten werden, wenn das Material der Dichtungspackung 3 mehr oder weniger ausgeprägt elektrisch leitend ist bzw. nur schlechte elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.

Aufgrund der elektrisch isolierenden Umfangsschicht 4 kann die Dichtungspackung 3 ganz oder teilweise als Glaskittung ausgebildet sein, deren elektrischer Isolationswiderstand auf ca. 200 kΩ absinkt, wenn die Temperatur des Gehäuses entsprechend der Temperatur im Abgasstrang auf beipielsweise 530°C ansteigt.

Vorteilhaft ist, daß eine derartige Glaskittung eine gute Dichtigkeit gegenüber flüssigem oder dampfförmigem Kraftstoff, insbesondere Benzin, besitzt. Gegebenenfalls kann innerhalb der Glaskittung noch eine zusätzliche dünne Dichtschicht oder -folie angeordnet sein, beispielsweise aus Bornitrid. Eine derartige dünne Dichtschicht bzw. -folie ist deutlich preiswerter als die bisher übliche dicke Scheibe aus Bornitrid.

Gegebenenfalls kann zur Verbesserung der Abdichtung zwischen Dichtungspackung 3 und Sensorkörper 2 auf der elektrisch isolierenden Umfangsschicht 4 des Sensorkörpers 2 noch eine Dichtschicht 5 angeordnet sein, beispielsweise aus Metall.

Eine vorteilhafte Möglichkeit der Herstellung der elektrisch isolierenden Umfangsschicht 4 wird anhand der Fig. 3 erläutert.

Zur Herstellung einer Vielzahl von Sensorkörpern 2 wird ein großflächiges, strukturiertes keramisches Laminat 20 hergestellt, welches durch Zerschneiden an Schnittlinien 6 in viele Sensorkörper 2 zerlegt werden kann.

Im Bereich der herzustellenden Umfangsschichten 4 werden in dem großflächigen Laminat Schlitze 7 ausgestanzt, die das vorgenannte Laminat von seiner Ober- zur Unterseite durchsetzen. Nachfolgend kann dann drucktechnisch ein Streifen 8 aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht werden, wobei dieses Material auch in die Schlitze 7 eindringt bzw. durch Unterdruck od. dgl. in die Schlitze 7 eingebracht wird. Sodann wird das großflächige keramische Laminat an den Schnittlinien 6 zertrennt, wobei das in die Schlitze 7 eingedrungene Isolationsmaterial durchschnitten wird, so daß jeder Sensorkörper 2 unter Bildung einer elektrisch isolierenden Umfangsschicht 4 sowohl auf seiner Ober- als auch seiner Unterseite und an seinen Längskanten mit Isolationsmaterial bedeckt ist.

Nunmehr erfolgt ein Sinterprozess, bei dem die aus dem Laminat 20 ausgeschnittenen Sensorkörper 2 mit dem Isolationsmaterial verfestigt werden.

Grundsätzlich ist es auch möglich, bereits beim Ausstanzen der Schlitze 7 die Sensorkörper 2 an den Schnittlinien 6 voneinander zu trennen. Beim nachfolgenden Auftrag des Isolationsmaterials müssen dann die voneinander separierten Sensorkörper 2 durch geeignete Maßnahmen bzw. Werkzeuge in Position gehalten werden.

Der Auftrag der Streifen 8 aus elektrisch isolierendem Material kann simultan mit dem Auftrag von elektrisch isolierenden Schichten (nicht dargestellt) an weiteren Bereichen des großflächigen Laminates bzw. der Sensorkörper 2 erfolgen, beispielsweise an Elektrodenflächen auf den Sensorkörpern 2.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Sensorkörper gemäß Fig. 4 zur Herstellung der elektrisch isolierenden Umfangsschicht 4 mit einem elektrisch isolierenden Band 9 zu umwickeln. Statt dessen kann ein das Isolationsmaterial tragendes Transfer-Band eingesetzt werden, welches durch einen nachfolgenden Hochtemperaturprozess unter gleichzeitiger Sinterung des Isolationsmaterials auf dem jeweiligen Sensorkörper 2 auflöst bzw. zersetzt wird.

Zur Herstellung der Dichtschicht 5 können prinzipiell gleiche Verfahren wie zur Herstellung der elektrisch isolierenden Umfangsschicht 4 eingesetzt werden.

Claims

1. Gassensor, insbesondere Lambdasonde, mit keramischem Sensorkörper (2) sowie zugeordnetem Gehäuse (1), in welchem eine den Sensorkörper (2) umfassende und/oder halternde Dichtungspackung (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (2) im Bereich der Dichtungspackung (3) mit einer Beschichtung (4) aus elektrisch isolierendem Material versehen ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (2) mit seinem sensitiven Bereich in einem vom Meßgas beaufschlagbaren Meßgasraum (1") angeordnet ist, der von einem vom Meßgasraum (1") abgewandten Bereich (1') des Gehäuses (1) durch die Dichtungspackung (3) gasdicht getrennt ist, und daß die Dichtungspackung (3) aus einer Glaskittung besteht bzw. eine solche umfaßt.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungspackung (3) eine quer zur Längsrichtung des Sensorkörpers (2) erstreckte Schicht bzw. Folie aus Bornitrid umfaßt.

4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Beschichtung (4) aus elektrisch isolierendem Material eine Dicht- bzw. Metallschicht (5) angeordnet ist.

5. Verfahren zur Herstellung von Gassensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Sensorkörper (2) ein an Schnittlinien (6) in die Sensorkörper zerlegbares flächiges Laminat (20) erzeugt wird, und daß in diesem Laminat an für die Beschichtung (4) mit elektrisch isolierendem Material vorgesehenen Bereichen das Laminat durchsetzende Schlitze (7) längs der Schnittlinien (6) hergestellt bzw. ausgestanzt und durch bzw. bei Auftrag von elektrisch isolierendem Material auf der Ober- und/oder der Unterseite des Laminates innerhalb eines die Schlitze (7) in Querrichtung überdeckenden Streifens (8) mit dem elektrisch isolierenden Material verfüllt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige Laminat (20) vor einem Sinterprozess an den Schnittlinien (6) durchtrennt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flächige Laminat (20) nach Auftrag des elektrisch isolierenden Materials an den Schnittlinien (6) durchtrennt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorkörper mit dem elektrisch isolierenden Material gesintert werden.