DE10060027A1

DE10060027A1 - Dichtungsanordnung für einen Temperatur- oder Gassensor

Info

Publication number: DE10060027A1
Application number: DE2000160027
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Jaenen
Original assignee: Epiq Sensor Nite NV
Current assignee: Epiq Sensor Nite NV
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-13
Also published as: FR2817619A1; JP2002221450A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für einen Temperatur- oder einen Gassensor, der ein Sensorelement mit einer Messseite und einer Anschlussseite und ein Sensorgehäuse aufweist, wobei das Sensorelement im Sensorgehäuse angeordnet ist und mindestens über die Dichtungsanordnung mit dem Sensorgehäuse verbunden ist, wobei die Dichtungsanordnung aus einem Dichtungselement, einem anschlussseitigen Formteil und einem messseitigen Formteil gebildet ist, wobei das Dichtungselement zwischen dem anschlussseitigen Formteil und dem messseitigen Formteil angeordnet ist. Es ist Problem der Erfindung, eine einfache Dichtungsanordnung für einen Temperatur- oder Gassensor und ein kostengünstiges Herstellungsverfahren bereitzustellen. Das Problem wird dadurch gelöst, dass das Dichtungselement aus einem Graphitfolienkörper gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für einen Temperatur- oder einen Gassensor, der ein Sensorelement mit einer Messseite und einer Anschlussseite und ein Sensorgehäuse aufweist, wobei das Sensorelement im Sensorgehäuse angeordnet ist und mindestens über die Dichtungsanordnung mit dem Sensorgehäuse verbunden ist, wobei die Dichtungsanordnung aus einem Dichtungselement, einem anschlussseitigen Formteil und einem messseitigen Formteil gebildet ist, wobei das Dichtungselement zwischen dem anschlussseitigen Formteil und dem messseitigen Formteil angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtungsanordnung und die Verwendung einer Graphitfolie.

DE 197 14 203 C2 beschreibt gattungsgemäß eine Abdichtung zwischen einem Sensorelement und einem metallischen Sensorgehäuse eines Gassensors, wobei ein Dichtelement aus 5 bis 10 Gew.-% des hexagonalen Allotropen des Bornitrids und wenigstens einer oxidkeramischen Verbindung, vorzugsweise Steatit, eingesetzt wird. Das Dichtelement wird dabei aus einer Pul vermischung vorgeformt und vorgesintert. Zur Herstellung der Abdichtung zwischen Sensor element und Sensorgehäuse wird das so vorgefertigte, noch verformbare Dichtelement zw schen zwei Keramikformteilen angeordnet und auf diese eine Kraft in Richtung des Dichtele ments ausgeübt. Das Dichtelement wird dabei verformt und bildet zwischen Sensorelement und Sensorgehäuse eine gasdichte Verbindung. An das Dichtelement wird nach der Verformung über eine Metallhülse eine Anpressung der Keramikformteile an das Dichtelement ständig auf recht erhalten.

DE 197 34 575 C2 offenbart eine ähnliche Anordnung bei gleichem Herstellungsverfahren, bei welcher ein Dichtelement aus einer Mischung aus einer keramischen Verbindung und wenigs tens einer Fluoridverbindung verwendet wird. Als keramische Verbindung wird dabei Steatit oder das hexagonale Allotrope des Bornitrids bevorzugt. Als Fluoridverbindung wird ein zwei- oder dreiwertiges metallisches Fluorid, wie zum Beispiel Ca-, Mg-, Sr-, Al- oder Y-Fluorid, in einer Menge von 15-70 Gew.-% bevorzugt.

DE 195 32 090 A1 beschreibt eine ähnliche Anordnung bei gleichem Herstellungsverfahren, bei der zwei übereinander liegende Dichtelemente aus Bornitrid und Steatit verwendet werden.

DE 196 28 423 C2 offenbart eine ähnliche Anordnung bei gleichem Herstellungsverfahren, bei der ein Dichtelement aus Steatitpulver verwendet wird.

EP 0 939 314 A2 beschreibt einen Gassensor, bei dem ein Sensorelement und ein metallisches Gehäuse über ein Isolierstück verbunden und abgedichtet sind. Die Abdichtung zwischen Sen sorelement und Isolierstück erfolgt über ein glashaltiges Material, wobei die Abdichtung vor zugsweise durch eine dämpfende Schicht aus Füllerpartikeln wie Al₂O₃ oder Talk und Binder partikeln wie Ton oder kristallisierte Glaspartikel beiderseits begrenzt ist.

Die oben genannten Ausführungsformen haben alle den Nachteil, dass das Dichtelement aus einem Pulver oder einer Pulvermischung hergestellt wird. Die Verarbeitung von Pulvern ist ver fahrenstechnisch aufwendig bringt eine hohe Staubbelastung mit sich. Meist werden die Pulver in einem Formgebungsverfahren zu einem besser handhabbaren Körper vorverdichtet und zur Erhöhung der Festigkeit zusätzlich vorgesintert. Bei Verwendung von Glasabdichtungen ist ein Einbrennen zusammen mit dem Sensorelement notwendig, um ein Aufschmelzen des Glases und eine Benetzung des Sensorelementes zu erreichen. Formgebungs- und Temperaturpro zesse sind aber immer Zeit- und kostenintensiv.

Es ist nun Problem der Erfindung, eine einfache Dichtungsanordnung für einen Temperatur- oder Gassensor und ein kostengünstiges Herstellungsverfahren bereitzustellen.

Das Problem wird dadurch gelöst, dass das Dichtungselement aus einem Graphitfolienkörper gebildet ist. Dieser Graphitfolienkörper wird dadurch erzeugt, dass eine Graphitfolie oder ein Gebilde aus Graphitfolie, das vorverdichtet sein kann, in irgendeiner Art und Weise um das Sensorelement gelegt und über das anschlussseitige Formteil und das messseitige Formteil verdichtet wird. An das Dichtungselement wird nach der Verdichtung eine Anpressung der Formteile an das Dichtungselement ständig aufrecht erhalten. Dabei kann die Graphitfolie beispielsweise um das Sensorelement gewickelt werden, aber auch gefaltete Gebilde aus Gra phitfolie ähnlich einer Halskrause oder in einfacher Stapelanordnung sind verwendbar. Von Vorteil ist bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung, dass kein Pulver verwendet wird, sondern dass eine leicht handhabbare Folie eingesetzt wird. Ein Formgebungs- und Vorsinte rungsprozess, wie er für Pulver üblich ist, kann demnach entfallen. Nach dem Verdichten der Graphitfolie zu dem Graphitfolienkörper ist die Abdichtung zwischen Sensorelement und Sen sorgehäuse ohne einen Temperaturprozess gas- und feuchtigkeitsdicht. Der Graphitfolienkörper bleibt bei einem späteren Einsatz des Temperatur- oder Gassensors, beispielsweise in der Ab gasführung eines Kraftfahrzeuges, schwindungsfrei und elastisch. Es treten somit keine Risse oder Spalte auf, die zu Undichtigkeiten führen könnten. Dabei kann ein Einsatz des Graphitfo lienkörpers unter oxidierender Atmosphäre bis 500°C und unter reduzierender Atmosphäre bis 2500°C erfolgen. Auch die chemische Beständigkeit des Graphitfolienkörpers ist, außer in Kontakt mit stark oxidierenden Substanzen, sehr gut. Allerdings bieten die beiden Formkörper, zwischen denen der Graphitfolienkörper angeordnet ist, einen weitgehenden, zusätzlichen Schutz vor der Atmosphäre und vor chemischen Angriffen.

Bevorzugt wird, wenn das Dichtungselement eine Breite von 1 mm bis 15 mm aufweist. Besonders vorteilhaft ist diese Dichtungsanordnung, wenn das Sensorelement aus einem pla naren Substrat aus Al₂O₃ oder ZrO₂ gebildet ist, auf dem messseitig mindestens ein sensitiver Bereich, anschlussseitig mindestens zwei elektrische Kontakte und elektrische Leiterbahnen zur Verbindung der sensitiven Bereiche und der elektrischen Kontakte angeordnet sind, wobei eine elektrisch isolierende Schicht die Leiterbahnen vom Dichtungselement elektrisch trennt. Vorteilhaft ist die Dichtungsanordnung aber auch, wenn das Sensorelement aus einem Röhr chen aus Al₂O₃ oder ZrO₂ gebildet ist, auf dem messseitig mindestens ein sensitiver Bereich, anschlussseitig mindestens zwei elektrische Kontakte und elektrische Leiterbahnen zur Verbin dung der sensitiven Bereiche und der elektrischen Kontakte angeordnet sind, wobei eine elekt risch isolierende Schicht die Leiterbahnen vom Dichtungselement elektrisch trennt.

Es hat sich bewährt, wenn das anschlussseitige Formteil und das messseitige Formteil aus elektrisch isolierender Keramik, insbesondere aus Al₂O₃ oder Steatit, gebildet sind. Vorzugswei se ist das Sensorgehäuse aus Metall gebildet.

Das Problem wird für das Verfahren dadurch gelöst, dass das Sensorelement senkrecht zu sei ner Längsachse in mindestens einem Teilbereich mit einer Graphitfolie oder einem Gebilde aus Graphitfolie umgeben wird, dass das mit der Graphitfolie oder dem Gebilde aus Graphitfolie umgebene Sensorelement im Sensorgehäuse angeordnet wird, dass das anschlussseitige und das messseitige Formteil so im Sensorgehäuse angeordnet werden, dass sie sich in Richtung der Längsachse des Sensorelementes gesehen vor und hinter der Graphitfolie oder dem Gebil de aus Graphitfolie befinden, und dass auf die Formteile eine Kraft in Richtung der Graphitfolie oder des Gebildes aus Graphitfolie ausgeübt und die Graphitfolie oder das Gebilde aus Gra phitfolie verformt wird, so dass ein Graphitfolienkörper gebildet wird, der eine gas- und feuchtig keitsdichte Verbindung zwischen Sensorelement und Sensorgehäuse herstellt. Ein Tempera turprozess ist dabei vorteilhafterweise nicht erforderlich. Allerdings kann das Gebilde aus Gra phitfolie dabei mechanisch vorverdichtet sein.

Besonders einfach gestaltet sich das Verfahren, wenn das Sensorelement senkrecht zu seiner Längsachse in mindestens einem Teilbereich mit der Graphitfolie umwickelt wird, insbesondere wenn das Sensorelement 3mal bis 20mal umwickelt wird. Hier ist ein Vorformen beziehungs weise Vorverdichten der Graphitfolie nicht erforderlich.

Die Verwendung einer Graphitfolie zur Herstellung einer Dichtungsanordnung zur Abdichtung zwischen einem Sensorelement und einem Sensorgehäuse eines Temperatur- oder Gassen sors ist ideal. Besonders gut verformbar und elastisch ist eine Graphitfolie, die eine Prägung aufweist. Um die Graphitfolie in den Raum zwischen Sensorelement und Sensorgehäuse gut einpassen zu können, sollte die eine Dicke im Bereich von 0.1 mm bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich von 0.4 mm bis 0.6 mm, aufweisen.

Um nur einen Teil des Sensorelementes mit der Graphitfolie zu umgeben und nach der Ver dichtung einen noch ausreichend breiten Graphitfolienkörper zu erhalten, sollte die Graphitfolie eine Breite im Bereich von etwa 2 mm bis 25 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 mm, aufwei sen.

Besonders geeignet ist hier eine Graphitfolie vom Typ Supagraf No. 505 der Firma James Wal ker Belgum N.V. in Wilrijk-Antwerpen. Diese Folie weist keine Bestandteile auf, die bei Tempe raturerhöhung flüchtig sind. Damit ist die Folie völlig schwindungsfrei. Außerdem weist diese Graphitfolie einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α von 7.10^-6 1/K auf, der auf den von Aluminiumoxid, wie es häufig für Substrate von Sensorelementen eingesetzt wird, abgestimmt ist.

Folgende Fig. 1 bis 4 sollen die Erfindung beispielhaft erläutern.

So zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Temperatursensor mit einem planaren Sensorelement

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Temperatursensor aus Fig. 1 im Bereich des Dichtungs elements

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Gassensor mit einem röhrchenförmigen Sensorelement

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Gassensor aus Fig. 3 im Bereich des Dichtungselements

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Temperatursensor mit einem Sensorelement 1 und einem Sensorgehäuse 2, wobei das Sensorgehäuse 2 hier nur angedeutet ist. Das Sensorele ment 1 setzt sich dabei aus einem planaren, keramischen Substrat 3 aus Al₂O₃, auf dem auf der Messseite ein sensitiver Bereich 4 und auf der Anschlussseite zwei elektrische Kontakte 5 an geordnet sind, zusammen. Der sensitive Bereich 4 und die elektrischen Kontakte 5 sind über elektrische Leitungen 6 miteinander verbunden. Die elektrischen Leitungen 6 sind teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht 7 bedeckt. Zwischen Sensorelement 1 und Sensorgehäuse 2 befindet sich zur Ausbildung einer gas- und feuchtigkeitsdichten Verbindung der Graphitfo lienkörper 8, der von dem anschlussseitigen Formteil 9 aus Steatit und dem messseitigen Formteil 10 aus Steatit begrenzt ist. Die elektrisch isolierende Schicht 7 verhindert einen Kon takt zwischen den elektrischen Leitungen 6 und dem Graphitfolienkörper 8, um die Bildung ei nes Kurzschlusses zwischen den beiden elektrischen Leitungen 6 aufgrund der guten elektri schen Leitfähigkeit des Graphits zu vermeiden.

Fig. 2 zeigt einen möglichen Querschnitt A-A' durch den Temperatursensor aus Fig. 1 mit dem Sensorelement 1 und dem Sensorgehäuse 2. Das Sensorgehäuse 2 ist hier als Rohr mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet, es könnte aber beispielsweise auch als Rohr mit recht eckigem Querschnitt ausgebildet sein. Das Substrat 3, die elektrischen Leitungen 6 und die elektrisch isolierende Schicht 7 des Sensorelements 1 sind zu erkennen. Der Graphitfolienkör per 8 bildet eine gas- und feuchtigkeitsdichte Verbindung zwischen Sensorelement 1 und Sen sorgehäuse 2.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Gassensor mit einem Sensorelement 1 und einem Sensorgehäuse 2, wobei das Sensorgehäuse 2 hier wieder nur angedeutet ist. Das Sensorele ment 1 setzt sich dabei aus einem einseitig geschlossenen, röhrchenförmigen, keramischen Substrat 3 aus ZrO₂, auf dem auf der Messseite ein sensitiver Bereich 4 und auf der Anschluss seite zwei elektrische Kontakte 5 angeordnet sind, zusammen. Der sensitive Bereich 4 und die elektrischen Kontakte 5 sind über elektrische Leitungen 6 miteinander verbunden. Die elektri schen Leitungen 6 sind teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht 7 bedeckt. Zwischen Sensorelement 1 und Sensorgehäuse 2 befindet sich zur Ausbildung einer gas- und feuchtig keitsdichten Verbindung der Graphitfolienkörper 8, der von dem anschlussseitigen Formteil 9 aus Al₂O₃ und dem messseitigen Formteil 10 aus Al₂O₃ begrenzt ist. Die elektrisch isolierende Schicht 7 verhindert einen Kontakt zwischen den elektrischen Leitungen 6 und dem Graphitfo lienkörper 8, um die Bildung eines Kurzschlusses zwischen den beiden elektrischen Leitungen 6 aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit des Graphits zu vermeiden.

Fig. 4 zeigt einen möglichen Querschnitt B-B' durch den Gassensor aus Fig. 3 mit dem Sen sorelement 1 und dem Sensorgehäuse 2. Das Sensorgehäuse 2 ist hier als Rohr mit kreisför migem Querschnitt ausgebildet, es könnte aber beispielsweise auch als Rohr mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein. Das Substrat 3, die elektrischen Leitungen 6 und die elektrisch isolierende Schicht 7 des Sensorelements 1 sind zu erkennen. Der Graphitfolienkörper 8 bildet eine gas- und feuchtigkeitsdichte Verbindung zwischen Sensorelement 1 und Sensorgehäuse 2. In dieser Darstellung ist zu erkennen, dass das Substrat 3 an seiner Innenwandung eine weitere elektrische Leitung 11, beispielsweise zur Kontaktierung einer Referenzelektrode, und den Hohlraum 12, beispielsweise für Referenzgas, aufweist.

Claims

1. Dichtungsanordnung für einen Temperatur- oder einen Gassensor, der ein Sensorelement mit einer Messseite und einer Anschlussseite und ein Sensorgehäuse aufweist, wobei das Sensorelement im Sensorgehäuse angeordnet ist und mindestens über die Dichtungsan ordnung mit dem Sensorgehäuse verbunden ist, wobei die Dichtungsanordnung aus einem Dichtungselement, einem anschlussseitigen Formteil und einem messseitigen Formteil ge bildet ist, wobei das Dichtungselement zwischen dem anschlussseitigen Formteil und dem messseitigen Formteil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement aus einem Graphitfolienkörper gebildet ist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsele ment eine Breite von 1 mm bis 15 mm aufweist.

3. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement aus einem planaren Substrat aus Al₂O₃ oder ZrO₂ gebildet ist, auf dem messseitig mindestens ein sensitiver Bereich, anschlussseitig mindestens zwei elektrische Kontakte und elektrische Leiterbahnen zur Verbindung der sensitiven Bereiche und der elektrischen Kontakte angeordnet sind, wobei eine elektrisch isolierende Schicht die Leiter bahnen vom Dichtungselement elektrisch trennt.

4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement aus einem Röhrchen aus Al₂O₃ oder ZrO₂ gebildet ist, auf dem messseitig mindestens ein sensitiver Bereich, anschlussseitig mindestens zwei elektrische Kontakte und elektrische Leiterbahnen zur Verbindung der sensitiven Bereiche und der elektrischen Kontakte angeordnet sind, wobei eine elektrisch isolierende Schicht die Leiterbahnen vom Dichtungselement elektrisch trennt.

5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das anschlussseitige Formteil und das messseitige Formteil aus elektrisch isolierender Keramik gebildet sind.

6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolie rende Keramik Al₂O₃ oder Steatit verwendet ist.

7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse aus Metall gebildet ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement senkrecht zu seiner Längsachse in min destens einem Teilbereich mit einer Graphitfolie oder einem Gebilde aus Graphitfolie umge ben wird, dass das mit der Graphitfolie oder dem Gebilde aus Graphitfolie umgebene Sen sorelement im Sensorgehäuse angeordnet wird, dass das anschlussseitige und das mess seitige Formteil so im Sensorgehäuse angeordnet werden, dass sie sich in Richtung der Längsachse des Sensorelementes gesehen vor und hinter der Graphitfolie oder dem Gebil de aus Graphitfolie befinden, und dass auf die Formteile eine Kraft in Richtung der Graphit folie oder des Gebildes aus Graphitfolie ausgeübt und die Graphitfolie oder das Gebilde aus Graphitfolie verformt wird, so dass ein Graphitfolienkörper gebildet wird, der eine gas- und feuchtigkeitsdichte Verbindung zwischen Sensorelement und Sensorgehäuse herstellt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement senkrecht zu seiner Längsachse in mindestens einem Teilbereich mit der Graphitfolie umwickelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement 3mal bis 20mal umwickelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebilde aus Graphitfolie mechanisch vorverdichtet ist.

12. Verwendung einer Graphitfolie zur Herstellung einer Dichtungsanordnung zur Abdichtung zwischen einem Sensorelement und einem Sensorgehäuse eines Temperatur- oder Gas sensors.

13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie eine Prä gung aufweist.

14. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gra phitfolie eine Dicke im Bereich von 0.1 mm bis 1 mm aufweist.

15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie eine Dicke im Bereich von 0.4 mm bis 0.6 mm aufweist.

16. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gra phitfolie eine Breite im Bereich von 2 mm bis 25 mm aufweist.

17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitfolie eine Breite im Bereich von 10 mm aufweist.