DE10023980A1

DE10023980A1 - Keramikschichtkörper und Herstellungsverfahren dafür sowie Anwendung dieses Karamikschichtkörpers bei einem Gasfühler

Info

Publication number: DE10023980A1
Application number: DE10023980A
Authority: DE
Inventors: Hirohiko Tatsumoto; Shoichiro Emmei
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2020-05-17
Also published as: JP2001030219A; US6537431B1; DE10023980B4; JP3797060B2

Abstract

Eine erste Keramiklage (11, 115) und eine zweite Keramiklage (12) sind mittels einer Haftschicht (13, 135) verbunden, sodass sie zwischen ihnen einen geschlossenen Hohlraum (10) bilden. Ein Verjüngungsabschnitt (130) mit schräger Oberfläche ist derart an einem inneren Ende der Haftschicht gebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt. Die Dicke t1 der Haftschicht ist kleiner oder gleich 40 _m, und die vorragende Länge L1 des Verjüngungsabschnitts (130) ist größer oder gleich 2,5 t1.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Keramikschicht körper, der vorzugsweise bei verschiedenen Gasfühlern mit geschichtetem oder mehrlagigem Aufbau Anwendung findet.

Entsprechend einem herkömmlichen Verfahren lässt sich ein Keramikschichtkörper mit einem sich darin befindenden geschlossenen Hohlraum auf die folgende Weise herstellen:

Es werden insgesamt zwei (als erste Keramikgrünlagen bezeichnete) Keramikgrünlagen und eine einzelne (als zweite Keramikgrünlage bezeichnete) Keramikgrünlage vorbereitet. Die zweite Keramikgrünlage und die ersten Keramikgrünlagen haben im wesentlichen identische Abmes sungen. Die zweite Keramikgrünlage hat in ihrem zentralen Bereich ein Fenster. Nach einem Zusammensetzen der Keramikgrünlagen, bei dem ein Schichtpaket mit der zwischen zwei erste Keramikgrünlagen gesetzten zweiten Keramikgrünlage gebildet wird, dient dieses Fenster als geschlossener Hohlraum.

Auf einen Randbereich der ersten Keramikgrünlagen wird jeweils eine eine Grünhaftschicht bildende Schlämme aufgebracht. Dann wird die zweite Keramikgrünlage zwischen die ersten Keramikgrünlagen gesetzt, sodass die Schichten mittels der Grünhaftschichten verbunden werden, wodurch ein Grünschichtkörper mit einem sich darin befindenden geschlossenen Hohlraum gebildet wird.

Als nächstes wird der Grünschichtkörper entfettet und gesintert.

Fig. 12 zeigt einen auf diese Weise gebildeten herkömm lichen Keramikschichtkörper 9, bei dem zwei erste Keramiklagen 11 und 115 mittels der Haftschichten 93 und 935 mit der zweiten Keramiklage 12 verbunden sind, sodass zwischen ihnen ein geschlossener Hohlraum 10 gebildet ist (siehe Japanische Offenlegungsschrift Nr. 59-29107).

Verglichen mit den ersten und zweiten Keramikgrünlagen enthält die Grünhaftschlämme jedoch eine große Menge organisches Bindemittel. Im allgemeinen ist das organi sche Bindemittel dafür notwendig, die Bindungs- oder Haftkraft zu verbessern.

Aufgrund des Vorhandenseins dieses organischen Binde mittels hat die Grünhaftschicht in ihrem Anfangszustand eine verhältnismäßig geringe Dichte. Wenn die Grünhaft schicht dem Entfettungs- und Sintervorgängen unterzogen wird, kommt es zu einer starken Schrumpfung der Haft schicht.

Durch die Schrumpfung der Haftschichten besteht die Möglichkeit, dass sich die Keramiklagen ablösen oder dass Lücken erzeugt werden. Fig. 12 zeigt in der Umgebung der Haftschichten auftretende Risse 99, die durch die Schrumpfungsdifferenz zwischen den Haftschichten und den Keramiklagen entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Keramikschichtkörper bereitzustellen, der frei von Rissen oder einem Ablöse effekt ist, der durch eine Wärmeschrumpfungsdifferenz zwischen Haftschichten und Keramiklagen bedingt ist.

Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstel lung dieses Keramikkörpers bereitzustellen.

Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anwendung dieses Keramikschichtkörpers bei einem Gas fühler vorzusehen.

Um diese und weitere verwandte Aufgaben zu lösen, ist erfindungsgemäß ein erster Keramikschichtkörper mit einer ersten Keramiklage und einer zweiten Keramiklage vorge sehen, die mittels einer Haftschicht verbunden sind, sodass zwischen der ersten Keramiklage und der zweiten Keramiklage ein geschlossener Hohlraum gebildet ist. An einem inneren Ende der Haftschicht ist derart ein Verjüngungsabschnitt mit schräger Oberfläche ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt. Eine Dicke t1 der Haftschicht ist kleiner oder gleich 40 µm, und eine vorragende Länge L1 des Verjüngungsabschnitts ist größer oder gleich 2,5 t1.

Die Dicke t1 der Haftschicht liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 µm bis 40 µm.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein zweiter Keramik schichtkörper mit einer ersten Keramiklage und einer zweiten Keramiklage vorgesehen, die mittels einer Haft schicht verbunden sind, sodass zwischen der ersten Keramiklage und der zweiten Keramiklage ein geschlossener Hohlraum gebildet ist, wobei an einem inneren Ende der Haftschicht derart ein Verjüngungsabschnitt mit schräger Oberfläche ausgebildet ist, dass er zumindest teilweise in einen zwischen der ersten und zweiten Keramiklage ausgebildeten Spalt für die Haftschicht zurückgezogen ist. Eine Dicke t1 der Haftschicht liegt innerhalb eines Bereichs von 10 µm bis 40 µm. Eine ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungsabschnitts ist größer oder gleich 2,5 t1. Außerdem ist der folgende Zusammenhang erfüllt:

0 < L12 < 0,5 L11,

wobei L11 eine Gesamtlängslänge der Haftschicht und L12 eine zurückgezogene Länge des Verjüngungsabschnitts darstellen.

Des weiteren ist erfindungsgemäß ein erstes Gasfühler element mit einem Fühlerabschnitt zum Messen einer Gas konzentration eines Messgases und einem Träger zum Tragen des Fühlerabschnitts vorgesehen. Der Fühlerabschnitt umfasst eine Festelektrolytschicht und ein Paar an entgegensetzten Oberflächen der Festelektrolytschicht ausgebildeter Elektroden. Der Träger hat einen Aus sparungsabschnitt, der einen geschlossenen Hohlraum definiert, wenn der Träger mit dem Fühlerabschnitt zusammengesetzt ist. Zwischen dem Fühlerabschnitt und dem Träger ist eine Haftschicht angeordnet, um eine Ober fläche der Festelektrolytschicht mit einer Oberfläche des Trägers zu verbinden, sodass zwischen der Festelektrolyt schicht und dem Träger der geschlossene Hohlraum gebildet ist. An einem inneren Ende der Haftschicht ist derart ein Verjüngungsabschnitt mit schräger Oberfläche ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt. Eine Dicke t1 der Haftschicht ist kleiner oder gleich 40 µm, und eine vorragende Länge L1 des Verjüngungsabschnitts ist größer oder gleich 2,5 t1.

Außerdem ist erfindungsgemäß ein zweites Gasfühlerelement mit einem Fühlerabschnitt zum Messen einer Gaskonzen tration eines Messgases und einem Träger zum Tragen des Fühlerabschnitts vorgesehen. Der Fühlerabschnitt umfasst eine Festelektrolytschicht und ein Paar an entgegen gesetzten Oberflächen der Festelektrolytschicht ausgebil deter Elektroden. Der Träger hat einen Aussparungs abschnitt, der einen geschlossenen Hohlraum definiert, wenn der Träger mit dem Fühlerabschnitt zusammengesetzt ist. Zwischen dem Fühlerabschnitt und dem Träger ist eine Haftschicht angeordnet, um eine Oberfläche der Fest elektrolytschicht mit einer Oberfläche des Trägers zu verbinden, sodass zwischen der Festelektrolytschicht und dem Träger der geschlossene Hohlraum gebildet ist. An einem inneren Ende der Haftschicht ist derart ein Verjüngungsabschnitt mit schräger Oberfläche ausgebildet, dass er zumindest teilweise in einen zwischen der ersten und zweiten Keramiklage ausgebildeten Spalt für die Haftschicht zurückgezogen ist. Die Dicke t1 der Haft schicht liegt innerhalb eines Bereichs von 10 µm bis 90 µm. Eine ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungs abschnitts ist größer oder gleich 2,5 t1, wobei der folgende Zusammenhang erfüllt ist:

0 < L12 < 0,5 L11,

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein erstes Verfahren zur Herstellung eines Keramikschichtkörpers mit den Schritten vorgesehen: Ausbilden eines Grünschichtkörpers durch Aufschichten einer ersten Keramikgrünlage und einer zweiten Keramikgrünlage mittels einer Grünhaftschicht, sodass zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ein geschlossener Hohlraum gebildet wird, und Sintern des Grünschichtkörpers, wobei an einem inneren Ende der Grünhaftschicht derart ein Verjüngungsabschnitt mit schräger Oberfläche ausgebildet wird, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt, eine Dicke t0 der Grünhaftschicht innerhalb eines Bereichs von 40 µm bis 80 µm liegt und eine vorragende Länge L0 des Verjüngungs abschnitts größer oder gleich 2 t0 ist.

Außerdem ist erfindungsgemäß ein zweites Verfahren zur Herstellung eines Keramikschichtkörpers mit den Schritten vorgesehen: Ausbilden eines Grünschichtkörpers durch Aufschichten einer ersten Keramikgrünlage und einer zweiten Keramikgrünlage mittels einer Grünhaftschicht, sodass zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ein geschlossener Hohlraum gebildet wird, und Sintern des Grünschichtkörpers, wobei an einem inneren Ende der Grünhaftschicht derart ein Verjüngungsabschnitt mit schräger Oberfläche ausgebildet wird, dass er zumindest teilweise in einen zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ausgebildeten Spalt für die Grünhaft schicht zurückgezogen ist, eine Dicke t0 der Grünhaft schicht innerhalb eines Bereichs von 20 µm bis 80 µm liegt, eine ausgestreckte Länge L03 des Verjüngungs abschnitts größer oder gleich 2 t0 ist und der folgende Zusammenhang erfüllt ist:

0 < L02 < 0,5 L01,

wobei L01 eine Gesamtlängslänge der Grünhaftschicht und L02 eine zurückgezogene Länge des Verjüngungsabschnitts darstellen.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den beige fügten Zeichnungen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung. Es zeigen:

Fig. 1A eine Querschnittansicht eines Keramikschicht körpers gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungs beispiel;

Fig. 1B eine Draufsicht auf den Keramikschichtkörper gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 1C eine vergrößerte Schnittansicht eines Verjüngungsabschnitts einer Haftschicht gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 2A bis Fig. 2C Ansichten zur Veranschaulichung der Herstellungsvorgänge bei dem Keramikschichtkörper gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine Perspektivansicht einer auf einer Keramiklage aufgebrachten Grünhaftschicht und des Verjüngungs abschnitts gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 eine Perspektivansicht eines Gasfühlerelements gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungs beispiel;

Fig. 5 eine Querschnittansicht eines Gasfühlerelements gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 eine Ansicht einer Festelektrolytgrünlage, einer Grünhaftschicht und eines Elektrodendruckabschnitts gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 eine Querschnittansicht eines Keramikschicht körpers gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsbeispiel;

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Grünschichtkörpers gemäß dem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 9 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen einer zurückgezogenen Länge L12 und der Risserzeugungsrate bei verschiedenen Werten der Dicke t1 gemäß dem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 10 eine Querschnittansicht eines Keramikschicht körpers gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsbeispiel;

Fig. 11 eine Querschnittansicht eines Gasfühlerelements gemäß dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel; und

Fig. 12 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Keramikschichtkörpers.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgt nun eine Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 1A bis 1C zeigen einen Keramikschichtkörper 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem eine (als erste Keramiklage dienende) untere Keramiklage 11 mittels einer Haftschicht 13 mit einer unteren Fläche einer (als zweite Keramiklage dienenden) mittleren Keramiklage 12 verbunden ist und eine (als eine weitere erste Keramik lage dienende) obere Keramiklage 115 mittels einer Haftschicht 135 mit einer oberen Fläche der mittleren Keramiklage 12 verbunden ist. In dem Keramikschichtkörper 1 ist, von der oberen und unteren Keramiklage 11, 115 und der mittleren Keramiklage 12 umgeben, ein geschlossener Hohlraum 10 gebildet.

Ein Verjüngungsabschnitt 130 mit schräger Oberfläche, der jeweils an einem inneren Ende der Haftschichten 13 und 135 ausgebildet ist, ragt von einem inneren Ende der mittleren Keramiklage 12 aus in den Hohlraum 10 hinein. Das innere Ende der mittleren Keramiklage 12 dient als Seitenwand 102 des geschlossenen Hohlraums 10. Eine vorragende Länge L1 des Verjüngungsabschnitts 130 ist, wie in Fig. 1A gezeigt ist, als ein Überhang von der Seitenwand 102 des geschlossenen Hohlraums definiert.

Wie in Fig. 1C vergrößert gezeigt ist, befindet sich ein nahes Ende des Verjüngungsabschnitts 130 (d. h. ein Startpunkt der schrägen Oberfläche) gerade an der Eckkante der mittleren Keramiklage 12, an der sich die obere (oder untere) Fläche der mittleren Keramiklage 12 mit der Seitenwand 102 des Hohlraums 10 trifft. Ein entferntes Ende des Verjüngungsabschnitts 130 (d. h. ein Endpunkt der schrägen Oberfläche) läuft mit der Innen fläche der unteren Keramiklage 11 oder mit der oberen Keramiklage 115 zusammen. Die Innenfläche (d. h. eine obere Fläche) der unteren Keramiklage 11 dient als Boden 103 des geschlossenen Hohlraums 10. Die Innenfläche (d. h. eine untere Fläche) der oberen Keramiklage 115 dient als Decke 101 des geschlossenen Hohlraums 10.

Die untere Keramiklage 11 (erste Keramiklage) besteht aus Aluminiumoxid. Die mittlere Keramiklage 12 (zweite Keramiklage) besteht ebenfalls aus Aluminiumoxid. Die obere Keramiklage 115 (erste Keramiklage) besteht aus Zirkoniumoxid. Die mittlere Keramiklage 12 ist über die Haftschicht 13 auf die untere Keramiklage 11 geschichtet, und die obere Keramiklage 115 ist über die Haftschicht 135 auf die mittlere Keramiklage 12 geschichtet, sodass ein wie in Fig. 1A gezeigter Schichtaufbau (oder mehr lagiger Aufbau) mit dem geschlossenen Hohlraum 10 gebildet ist.

Wie in Fig. 1B gezeigt ist, hat der geschlossene Hohlraum 10, von oben oder von unten aus gesehen, eine rechteckige Form. Dementsprechend ist der Verjüngungsabschnitt 130 entlang sämtlicher vier Randseiten des rechteckigen Hohlraums ausgebildet.

Der Keramikschichtkörper gemäß dem ersten Ausführungs beispiel wird auf die folgende Weise hergestellt.

Zunächst wird wie folgt eine erste Keramikgrünlage 215 für die Keramiklage 115 ausgebildet.

Für die erste Keramikgrünlage 215 werden die folgenden Materialien vorbereitet:

- 71,7 Gew.-% Zirkoniumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,7 µm und Yttriumoxidzusätzen;
- 2,5 Gew.-% als organisches Bindemittel dienendes Polyvinylbutyral;
- 5,9 Gew.-% plastisches Dibutylphthalat;
- 0,7 Gew.-% Dispersions-Sorbitantriolat; und
- 19,2 Gew.-% Lösungsgemisch aus Ethanol und Toluol zum Lösen und Dispergieren der obigen Materialien, um eine Schlämme zu bilden.

Aus dieser Schlämme wird unter Verwendung des Schaber klingenverfahrens ein Lagenkörper mit einer Dicke von ungefähr 300 µm angefertigt.

Der erhaltene Lagenkörper wird für die erste Keramik grünlage 215 in eine vorbestimmte rechteckige Form geschnitten.

Als nächstes werden wie folgt eine erste und zweite Keramikgrünlage 21 und 22 für die Keramiklagen 11 und 12 ausgebildet.

Für die erste und zweite Keramikgrünlage 21 und 22 werden folgende Materialien vorbereitet:

- 53,2 Gew.-% Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,3 µm;
- 3,8 Gew.-% als organisches Bindemittel dienendes Polyvinylbutaryl; und
- 34 Gew.-% Lösungsgemisch aus Ethanol und Toluol zum Lösen und Dispergieren der obigen Materialien, um eine Schlämme zu bilden.

Aus dieser Schlämme werden unter Verwendung des Schaber klingenverfahrens zwei Lagenkörper mit einer Dicke von ungefähr 300 µm angefertigt.

Dann wird einer der erhaltenen Lagenkörper für die erste Keramikgrünlage 21 in eine vorbestimmte rechteckige Form geschnitten.

Der andere der erhaltenen Lagenkörper wird für die zweite Keramikgrünlage 22 in eine vorbestimmte rechteckige Form mit einem rechteckigen Fenster geschnitten. Das recht eckige Fenster dient als der geschlossene Hohlraum 10.

Als nächstes folgt eine Erläuterung des Haftmaterials für eine Grünhaftlage 23. Die Grünhaftlage 23 wird zu der Haftlage 13.

Für die Grünhaftlage 23 werden die folgenden Materialien vorbereitet:

- 44,4 Gew.-% Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,3 µm;
- 19,2 Gew.-% als organisches Bindemittel dienendes Alkylesterpolymethacrylat;
- 2,8 Gew.-% Dispersions-Polycarbonsäure; und
- 33,4 Gew.-% organisches Lösungsgemisch aus Ethanol und Terpineol zum Lösen und Dispergieren der obigen Materialien, um eine Paste zu bilden.

Aus dieser Paste wird unter Verwendung einer drei Walzen aufweisenden Mühle das Haftmaterial ausgebildet.

Als nächstes wird die Ausbildung eines Grünschichtkörpers erläutert.

Wie in Fig. 2A und in Fig. 3 gezeigt ist, wird das Haftmaterial unter Verwendung des Siebdruckverfahrens auf die erste Keramikgrünlage 215 (aus Zirkoniumoxid) aufge bracht, sodass eine Grünhaftlage 235 erhalten wird. Wegen der Oberflächenspannung breitet sich die Grünhaftschicht 235 in diesem Fall naturgemäß entlang ihrer mit der ersten Keramikgrünlage 215 in Berührung gebrachten Rückseite aus. An der inneren Randkante der Grünhaftlage 235 wird daher ein Verjüngungsabschnitt 230 gebildet.

Auf ähnliche Weise wird das Haftmaterial unter Verwendung des Siebdruckverfahrens auf die erste Keramikgrünlage 21 (aus Aluminiumoxid) aufgebracht, um eine Grünhaftlage 23 zu erhalten. Wegen der Oberflächenspannung breitet sich die Grünhaftlage 23 naturgemäß entlang ihrer mit der ersten Keramikgrünlage 21 in Berührung gebrachten Rück seite aus. Somit wird an der inneren Randkante der Grünhaftlage 23 ein Verjüngungsabschnitt 230 gebildet.

Wie in Fig. 2B gezeigt ist, werden die ersten Keramik grünlagen 21 und 215 und die zweite Keramikgrünlage 22 aufeinander geschichtet und unter einem Druck von 0,3 MPa zusammengepresst, um sie zu einer Einheit zu verbinden. Auf diese Weise wird ein wie in Fig. 2C gezeigter Grün schichtkörper 2 mit einem sich darin befindenden geschlossenen Hohlraum 20 erhalten.

L0 stellt eine vorragende Länge der Grünhaftschicht 23 (oder 235) und t0 eine Dicke der Grünhaftschicht 23 (oder 235) dar. Die vorragende Länge L0 ist ein Überhang des Verjüngungsabschnitts 230 von der Seitenwand des geschlossenen Hohlraums 20. L0 beträgt vorzugsweise ungefähr 200 µm, und t0 ungefähr 50 µm.

Der Grünschichtkörper 2 wird auf die Maximaltemperatur von 1450°C erhitzt und unter einem derartigen Zustand höherer Temperatur gesintert.

Durch diesen Sintervorgang wird der Grünschichtkörper 2 zu dem in Fig. 1 gezeigten Keramikschichtkörper 1. Die Größe der Haftschicht 13 (oder 135) beträgt L1 = 160 µm und t1 = 25 µm. Mit anderen Worten unterliegt die Haft schicht einer während des Sintervorgangs stattfindenden deutlichen Schrumpfung, die L0 - L1 = 40 µm und t0 - t1 = 25 µm entspricht.

In Tabelle 1 sind die Ergebnisse einer Prüfung angegeben, die durchgeführt wurde, um die Eigenschaften des Keramik schichtkörpers zu beurteilen. Bei dieser Beurteilungs prüfung wurden mehrere Proben (Nr. 1 bis Nr. 6) als Grünschichtkörper vorbereitet, die in bezüglich der Dicke t0 und des Überhangs L0 der Grünhaftschicht unterschied lich waren. Jede Probe der Grünschichtkörper wurde gesintert, sodass ein Keramikschichtkörper mit der Dicke t1 erhalten wurde. Der Zustand jeder Probe des Grün schichtkörpers wurde jeweils anhand eines Schnittmusters des erhaltenen Keramikschichtkörpers, der in der Umgebung des Hohlraums geschnitten wurde, mit dem Auge überprüft.

Bei dieser Prüfung wurden für jede Probe insgesamt zehn Keramikschichtkörper vorbereitet.

TABELLE 1

Die Probe 1 ist ein Keramikschichtkörper, der die Abmessungsbedingungen t0 < 40 µm, t1 < 20 µm und L0 < 2 t0 erfüllt.

Wie in Tabelle 1 angegeben ist, ergaben sich bei der Probe 1 während des Sintervorgangs zwischen der ersten Keramiklage, der zweiten Keramiklage und den Haft schichten Lücken. Darüber hinaus wurden bei einem von zehn geprüften Keramikschichtkörpern der Probe 1 (wie in Tabelle durch 1/10 angegeben ist) Risse gefunden. Die erzeugten Lücken verursachten zwischen der Keramiklage und der Haftschicht den Ablöseeffekt. Dadurch wurde die Bindungskraft der Haftschicht stark geschwächt.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, bewies lediglich die Probe 4 hervorragende Eigenschaften.

Bei der Probe 2 führte die Erzeugung von Lücken zu Δ als Beurteilungsergebnis. Falls die Probe 2 als Gasfühler element verwendet wird (auf das bei dem an späterer Stelle beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird), lässt sich die Luftdichtheit des geschlossenen Hohlraums nur schwer auf einem zufrieden stellenden Niveau halten und eine zufriedenstellende mechanische Festigkeit sicherstellen.

Als nächstes wird die Funktion und Wirkung des ersten Ausführungsbeispiels erläutert.

Bei dem Keramikschichtkörper gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel ist der Verjüngungsabschnitt 130 mit schräger Oberfläche derart an einem inneren Ende der Haftschicht 13 (und 135) ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum 10 hineinragt. Mit anderen Worten hängt der Verjüngungsabschnitt 130 von der Haftschicht 13 (und 135) nach innen (d. h. zu dem geschlossenen Hohlraum 10 hin) über. Die Dicke t1 der Haftschicht 13 (und 135) liegt innerhalb eines Bereichs von 20 µm bis 40 µm. Die vorragende Länge (d. h. der Überhang) L1 des Verjüngungs abschnitts 130 ist größer oder gleich 2,5 t1.

Im Zustand des Grünschichtkörpers 2 liegt die Dicke t0 der Grünhaftschicht 23 (und 235) innerhalb eines Bereichs von 40 µm bis 80 µm. Die vorragende Länge (d. h. der Überhang) L0 des Verjüngungsabschnitts 230 ist größer oder gleich 2 t0.

Im allgemeinen schrumpft die Grünhaftschicht 23 (und 235) während des Herstellungsvorgang des Keramikschichtkörpers 1. Durch die Anordnung gemäß dem ersten Ausführungs beispiel kann die zwischen den ersten und zweiten Keramikgrünlagen 21, 215 und 22 wirkende Zugspannung jedoch unterdrückt werden. Dadurch lässt sich der Ablöse effekt der Keramiklagen wirksam beseitigen und auch die Erzeugung von Rissen (siehe 99 in Fig. 12) unterdrücken.

Demnach wird durch das erste erfindungsgemäße Ausfüh rungsbeispiel ein Keramikschichtkörper bereitgestellt, der frei von Rissen oder einem Ablöseeffekt ist, der durch eine Wärmeschrumpfungsdifferenz zwischen den Haftschichten und Keramiklagen bedingt ist.

Zweites Ausführungsbeispiel

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6 wird ein Gasfühlerelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel erläutert.

Ein Gasfühlerelement 3 besteht ganz allgemein gesagt aus einem Fühlerabschnitt 39, einem Träger 35 und einem Heizelementabschnitt 38.

Der Fühlerabschnitt 39 misst eine Gaskonzentration eines Umgebungsgases (nachstehend als "Messgas" bezeichnet), das das Gasfühlerelement 3 umgibt. Der Fühlerabschnitt 39 umfasst eine Festelektrolytschicht 33 (d. h. eine erste Keramiklage), ein Paar auf entgegengesetzten Oberflächen der Festelektrolytschicht 33 ausgebildeter Elektroden 311 und 112 und eine die Elektroden 311 und 312 gegenüber dem Messgas abdeckende Schutzschicht 31. Die Schutzschicht 31 und die Festelektrolytschicht 33 sind mittels der Haft schicht 32 verbunden.

Der Träger 35 (d. h. die zweite Keramiklage) weist den geschlossenen Hohlraum 30 auf, der als Lufteinlasskanal dient. Der Hohlraum 30 ist an dem Basisanschluss des Gasfühlerelements 3 zur Luft hin geöffnet und an seinem vorderen Ende, an dem sich die Elektroden 311 und 312 befinden (siehe Fig. 4), geschlossen.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist in dem Fühlerabschnitt 39 mittels der Haftschicht 32 die Schutzschicht 31 mit der oberen Fläche der Festelektrolytschicht 33 verbunden. Die obere Elektrode 311 ist an der oberen Fläche der Fest elektrolytschicht 33 angebracht und in der Haftschicht 32 eingebettet. Der Träger 35 ist mit der unteren Fläche der Festelektrolytschicht 33 mittels der Haftschicht 34 verbunden. Die untere Elektrode 311 ist an einem zentralen Bereich der unteren Fläche der Festelektrolyt schicht 33 angebracht, an der sich die Haftschicht 34 nicht befindet.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist die obere Elektrode 311 über eine Leitung 321 an einen Anschluss 313 angeschlos sen. Die untere Elektrode 312 ist über eine (nicht gezeigte) Leitung an einen Anschluss 314 angeschlossen. Die Anschlüsse 313 und 314 befinden sich an dem Basisende des Gasfühlerelements 3 und sind direkt an der oberen Fläche der Festelektrolytschicht 33 angebracht. Das Ausgangssignal des Gasfühlerabschnitts 39, das eine Gaskonzentration des Messgases darstellt, wird über die Anschlüsse 313 und 314 abgegriffen.

Der geschlossene Hohlraum 30 ist durch die Festelektro lytschicht 33 und den Träger 35 definiert, die durch die Haftschicht 34 verbunden sind. An einem inneren Ende der Haftschicht 34 ist derart ein Verjüngungsabschnitt 340 mit schräger Oberfläche ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum 30 mit einem Überhang L1 hinein ragt.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist der Verjüngungsabschnitt 340 entlang sämtlicher vier Randseiten des rechteckigen Hohlraums 30 ausgebildet. Die Dicke t1 der Haftschicht 34 beträgt 30 µm (d. h. t1 = 30 µm). Der Überhang L1 des Verjüngungsabschnitts 340 beträgt 100 µm (d. h. L1 = 100 µm).

Der Heizelementabschnitt 38 umfasst ein Heizelement 370, das an ein Heizelementsubstrat 37 angebracht ist, das mit der unteren Fläche des Trägers 35 mittels einer Haft schicht 36 verbunden ist. Das Heizelement 370 ist in der Haftschicht 36 eingebettet. Das vorstehend beschriebene Gasfühlerelement 3 wird auf die folgende Weise herge stellt.

Zunächst wird eine Zirkoniumoxidgrünlage für die Fest elektrolytschicht 33 durch Mischen der folgenden Materia lien gebildet:

- Zirkoniumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,6 µm und Yttriumoxidzusätzen;
- als organisches Bindemittel dienende Methylcellulose; und
- Wasser als Lösungsmittel.

Das Gemisch der obigen Materialien wird unter Verwendung eines geeigneten Kneters zu einem Pellet geknetet. Das erhaltene Pellet wird dann unter Verwendung einer geeigneten Strangpresse zu einer Grünlage mit einer Dicke von 300 µm geformt.

Die erhaltene Grünlage wird durch Stanzen in eine vorbe stimmte Form gebracht. Dann werden auf die entgegen gesetzten Oberflächen der Grünlage die Druckmuster für die Elektroden 311 und 312 ausgebildet, indem auf jede Oberfläche unter Verwendung des Siebdruckverfahrens eine Pt-Paste aufgebracht wird.

Als nächstes wird durch Mischen der folgenden Materialien eine Aluminiumoxidgrünlage für den Träger 35 und das Heizelementsubstrat 37 ausgebildet:

- Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,3 µm;
- als organisches Bindemittel dienende Methylcellulose; und
- Wasser als Lösungsmittel.

Das Gemisch der obigen Materialien wird unter Verwendung eines geeigneten Kneters zu einem Pellet geknetet. Unter Verwendung einer geeigneten Strangpresse wird das erhaltene Pellet dann in eine Grünlage mit einer Dicke von 1000 µm sowie in eine andere Grünlage mit einer Dicke von 300 µm geformt.

Die (1000 µm dicke) Grünlage für den Träger 35 wird durch Stanzen in eine vorbestimmte Form gebracht, wobei eine als der geschlossene Hohlraum 30 dienende Aussparung gebildet wird.

Darüber hinaus wird die (300 µm dicke) Grünlage für das Heizelementsubstrat 37 durch Stanzen in eine vorbestimmte Form gebracht und dann das Druckmuster für die Heiz elemente 370 auf der Oberfläche der Grünlage ausgebildet, indem auf die Oberfläche unter Verwendung des Siebdruck verfahrens eine Pt-Paste aufgebracht wird.

Als nächstes wird durch Mischen der folgenden Materialien eine Aluminiumoxidgrünlage für die Schutzschicht 31 ausgebildet:

- Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,6 µm;
- als organisches Bindemittel dienende Methylcellulose; und
- Wasser als Lösungsmittel.

Das Gemisch der obigen Materialien wird unter Verwendung eines geeigneten Kneters zu einem Pellet geknetet. Das erhaltene Pellet wird dann unter Verwendung einer geeigneten Strangpresse in eine Grünlage mit einer Dicke von 200 µm geformt.

Die erhaltene Grünlage wird dann durch Stanzen in eine vorbestimmte Form gebracht, sodass die Grünlage für die Schutzschicht 31 erhalten wird.

Als nächstes wird durch Mischen der folgenden Materialien ein Haftmaterial für die Haftschichten 34 und 36 gebildet:

- 44,4 Gew.-% Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,3 µm;
- 19,2 Gew.-% als organisches Bindemittel dienendes Alkylesterpolymethacrylat;
- 2,8 Gew.-% Dispersions-Polycarbonsäure; und
- 33,4 Gew.-% organisches Lösungsmittelgemisch aus Ethanol und Terpineol zum Lösen und Dispergieren der obigen Materialien.

Die obengenannten Materialien werden unter Verwendung einer drei Walzen aufweisenden Mühle geknetet, um eine Paste des Haftmaterials zu erhalten.

Die erhaltene Paste des Haftmaterials wird durch Sieb druck auf die Grünlage für die Festelektrolytschicht 33 und die Grünlage für das Heizelementsubstrat 37 aufge bracht. Das Haftmaterial für das Heizelementsubstrat 37 wird auf die gesamte Oberfläche der Grünlage aufgebracht.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird die Oberfläche der Grünlage 339 für die Festelektrolytschicht 33 mit Ausnahme des der Aussparung des Trägers 35 zugewandten Bereichs sowie des Bereichs für das Druckmuster der Elektrode 312 mit einer Grünhaftschicht 349 (d. h. dem Haftmaterial) versehen. Wegen der Oberflächenspannung breitet sich in diesem Fall die Grünhaftlage 349 (d. h. das Haftmaterial) naturgemäß entlang ihrer mit der Festelektrolytschicht 33 in Berührung gebrachten Rück seite aus. Somit wird an der inneren Randkante der Grünhaftlage 349 der Verjüngungsabschnitt 340 gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die vorragende Länge (d. h. der Überhang) L0 des Verjüngungsabschnitts 340 im Grünzustand 150 µm. Die Dicke t0 der Grünhaftlage 349 beträgt 60 µm.

Als nächstes wird durch Mischen der folgenden Materialien ein Haftmaterial für die Haftschicht 32 gebildet:

- 41,6 Gew.-% Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von 0,5 µm;
- 22,4 Gew.-% als organisches Bindemittel dienendes Alkylesterpolymethacrylat;
- 2,6 Gew.-% Dispersions-Polycarbonsäure; und
- 33,4 Gew.-% organisches Lösungsmittelgemisch aus Ethanol und Terpineol zum Lösen und Dispergieren der obigen Materialien.

Beim Sintern wird die Haftschicht 32 porös. Das Messgas kann daher durch die Haftschicht 32 dringen und die Elektrode 311 erreichen.

Die erhaltene Paste des Haftmaterials wird durch Sieb druck auf die gesamte Oberfläche der Grünlage für die Schutzschicht 31 aufgebracht, wodurch eine Grünhaft schicht gebildet wird.

Anschließend werden die vier Grünlagen für die Schutz schicht 31, die Festelektrolytschicht 33, den Träger 35 und das Heizelementsubstrat 37 in dieser Reihenfolge mittels der Grünhaftschichten zu einem wie in Fig. 5 gezeigten Schichtpaket zusammengesetzt (oder aufeinander geschichtet). Dann wird die erhaltene Schichtanordnung unter einem Druck von 0,3 MPa gepresst, um einen Grün schichtkörper zu erhalten.

Der erhaltene Grünschichtkörper wird danach auf die Maximaltemperatur von 1450°C erhitzt. Auf diese Weise wird das in Fig. 4 gezeigte Gasfühlerelement 3 erhalten.

Bei der Überprüfung der Eigenschaften des auf diese Weise hergestellten Gasfühlerelements 33 wurde weder bei der Schutzschicht 31, der Festelektrolytschicht 33, dem Träger 35 noch dem Heizelementsubstrat 37 ein Ablöse effekt festgestellt. Außerdem wurden bei dem geschlos senen Hohlraum 30 keine Risse festgestellt.

Bei dem Gasfühlerelement gemäß dem zweiten Ausführungs beispiel ist der Verjüngungsabschnitt 340 mit schräger Oberfläche derart an dem inneren Ende der Haftschicht 34 ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum 30 hineinragt. Mit anderen Worten hängt der Verjüngungs abschnitt 340 von der Haftschicht 34 aus nach innen (d. h. zu dem geschlossenen Hohlraum 30 hin) über. Die Dicke t1 der Haftschicht 34 liegt in einem Bereich von 20 µm bis 40 µm. Die vorragende Länge (d. h. der Überhang) L1 des Verjüngungsabschnitts 340 ist größer oder gleich 2,5 t1.

Im Zustand des Grünschichtkörpers liegt die Dicke t0 der Grünhaftschicht 349 innerhalb eines Bereichs von 40 µm bis 80 µm. Die vorragende Länge (d. h. der Überhang) L0 des Verjüngungsabschnitts 340 ist größer oder gleich 2 t0.

Im allgemeinen schrumpft die Grünhaftschicht 349 während des Herstellungsvorgangs des Gasfühlerelements 3. Durch die Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann jedoch die zwischen der Festelektrolytschicht 33 und dem Träger 35 (die als die erste und zweite Keramikgrünlage dienen) wirkende Zugspannung unterdrückt werden. Dadurch lässt sich der Ablöseeffekt der Keramiklagen wirksam beseitigen sowie die Erzeugung von Rissen unterdrücken.

Wie anhand des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels ersichtlich ist, ist erfindungsgemäß ein erster Keramik schichtkörper (1; 3) mit der ersten Keramiklage (11, 115; 33) und der zweiten Keramiklage (12; 35) vorgesehen, die mittels der Haftschicht (13, 135; 34) verbunden sind, sodass zwischen der ersten Keramiklage und der zweiten Keramiklage der geschlossene Hohlraum (10; 30) gebildet ist. Der Verjüngungsabschnitt (130; 340) mit schräger Oberfläche ist derart an dem inneren Ende der Haftschicht ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt. Die Dicke t1 der Haftschicht ist kleiner oder gleich 40 µm. Außerdem ist eine vorragende Länge L1 des Verjüngungsabschnitts (130; 340) größer oder gleich 2,5 t1.

Falls die Dicke t1 40 µm überschreitet, unterliegen die erste und zweite Keramiklage einer großen Zugspannung, die während des Sintervorgangs durch Schrumpfung hervor gerufen wird und wahrscheinlich zu Rissen führt.

Falls die vorragende Länge L1 kleiner als 2,5 t1 ist, nimmt die durch das Vorsehen des Verjüngungsabschnitts bedingte Wirkung deutlich ab.

Um hervorragende Eigenschaften zu erzielen, ist es vorzuziehen, die Obergrenze von L1 auf 4 t1 einzustellen.

Eine Vergrößerung der vorragenden Länge L1 führt zu einer Verkleinerung eines Winkels A1, der, wie in Fig. 1C gezeigt ist, zwischen der geneigten Oberfläche des Verjüngungsabschnitts und der Seitenwand des geschlos senen Hohlraums gebildet ist. Mit anderen Worten nähert sich der Winkel A1 90°. Dies ist zur Beseitigung der Risserzeugung nicht zu empfehlen, da sich an der Ecke von A1 = beinahe 90° leicht eine große Spannung konzentrieren kann, wenn der Keramikschichtkörper einer Wärmespannung unterliegt.

Der erfindungsgemäße Keramikschichtkörper kann bei verschiedenen Gasfühlerelementen wie etwa Sauerstoff fühlern, NOx-Fühlern, und CO₂-Fühlern Anwendung finden, die üblicherweise einer Bauart elektromotorischer Kraft oder einer Grenzstrombauart entsprechen. In diesem Fall werden die Oberflächen der ersten und zweiten Keramik lagen mit den Elektroden versehen. Der geschlossene Hohlraum wird zur Speicherung eines Bezugsgases (z. B. Luft) oder eines Messgases (siehe zweites Ausführungs beispiel) verwendet.

Die Anzahl erster und zweiter Keramikschichten ist nicht begrenzt und kann daher flexibel geändert werden.

Falls die Dicke t1 kleiner als 20 µm ist, nähert sich der Winkel A1 90 Grad, was zu Rissen führt, wenn der Keramik schichtkörper einer Wärmespannung unterliegt.

Falls die Dicke t1 40 µm überschreitet, kommt es zu einer starken Schrumpfung der Grünhaftschicht, was zu einer hohen Zugspannung führt, die in der ersten und zweiten Keramiklage wahrscheinlich Risse hervorruft.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein erstes Verfahren zur Herstellung eines Keramikschichtkörpers vorgesehen, mit dem Schritt Ausbilden eines Grünschichtkörpers durch Aufschichten der ersten Keramikgrünlage (21, 215) und der zweiten Keramikgrünlage (22) mittels der Grünhaftschicht (23, 235), sodass zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage der geschlossene Hohlraum (20) gebildet wird, und dem Schritt Sintern des Grünschichtkörpers. Der Verjüngungsabschnitt (230) mit schräger Oberfläche wird derart an dem inneren Ende der Grünhaftschicht ausge bildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt. Die Dicke t0 der Grünhaftschicht liegt innerhalb des Bereichs von 40 µm bis 80 µm. Die vorragende Länge L0 des Verjüngungsabschnitts (230) ist größer oder gleich 2 t0.

Falls die Dicke t0 der Grünhaftschicht kleiner als 40 µm ist, nimmt die Bindungskraft zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ab. Während des Sintervorgangs werden dann wahrscheinlich Lücken erzeugt und können sich die Keramiklagen von der Haftschicht ablösen.

Falls die Dicke t0 der Grünhaftschicht 80 µm überschrei tet, kommt es zu einer starken Schrumpfung der Grünhaft schicht, was zu einer großen Zugspannung führt, die in der ersten und zweiten Keramiklage wahrscheinlich Risse hervorruft.

Falls die vorragende Länge L0 kürzer als 2 t0 ist, nimmt die durch das Vorsehen des Verjüngungsabschnitts bedingte Wirkung deutlich ab.

Um hervorragende Eigenschaften zu erzielen, ist es vorzuziehen, die Obergrenze von L0 auf 4 t0 einzustellen.

Drittes Ausführungsbeispiel

In den Fig. 7 bis 9 ist ein Keramikschichtkörper gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen Kenn zeichen der Aufbau des Verjüngungsabschnitts mit schräger Oberfläche ist, dessen nahes Ende in dem Spalt für die Haftschicht zurückgezogen ist und dessen fernes Ende in den geschlossenen Hohlraum hineinragt.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, umfasst der Keramikschicht körper 1' gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine (als erste Keramiklage dienende) untere Keramiklage 11 aus Aluminiumoxid, eine (als zweite Keramiklage dienende) mittlere Keramiklage 12 aus Aluminiumoxid, die mittels einer Haftlage 13 auf der unteren Keramiklage 11 aufge bracht ist, und eine (als weitere erste Keramiklage dienende) obere Keramiklage 115 aus Zirkoniumoxid, die mittels einer Haftschicht 135 auf der mittleren Keramik lage 12 aufgebracht ist. In dem Keramikschichtkörper 1' ist, von der oberen und unteren Keramiklage 11, 115 und der mittleren Keramiklage 12 umgeben, ein geschlossener Hohlraum 10 gebildet.

Ein jeweils an einem inneren Ende der Haftschichten 13 und 135 ausgebildeter Verjüngungsabschnitt 1130 mit schräger Oberfläche ragt von einem inneren Ende der mittleren Keramiklage 12 (d. h. von der Seitenwand 102 des geschlossenen Hohlraums 10) in den Hohlraum 10 hinein.

Ein nahes Ende des Verjüngungsabschnitts 1130 (d. h. ein Startpunkt der schrägen Oberfläche) ist in den zwischen der ersten Keramiklage 11 (115) und der zweiten Keramik lage 12 ausgebildeten Spalt für die Haftschicht 13 (und 135) zurückgezogen. Und zwar ist das nahe Ende des Verjüngungsabschnitts 1130 (d. h. des Startpunkts der schrägen Oberfläche) von der Eckkante der mittleren Keramiklage 12, an der sich die obere (oder untere) Fläche der mittleren Keramiklage 12 mit der Seitenwand 102 des Hohlraums 10 trifft, nach außen hin versetzt. Ein fernes Ende des Verjüngungsabschnitts 1130 (d. h. ein Endpunkt der schrägen Oberfläche) läuft mit der Innen fläche der unteren Keramiklage 11 oder der oberen Keramiklage 115 zusammen. Die Innenfläche (d. h. eine obere Fläche) der unteren Keramiklage 111 dient als Boden 103 des geschlossenen Hohlraums 10. Die Innenfläche (d. h. eine untere Fläche) der oberen Keramiklage 115 dient als Decke 101 des geschlossenen Hohlraums 10.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Querschnittansicht beträgt die Dicke t1 der Haftschicht 13 (und 135) 30 µm (d. h. t1 = 30 µm). Eine Gesamtlängslänge L11 der Haftschicht 13 (und 135) beträgt 1,2 mm (d. h. L11 = 1,2 mm). Die Gesamt längslänge L11 entspricht einem Abstand von der Außen kante der Haftschicht 13 (und 135) zu dem fernen Ende des Verjüngungsabschnitts 1130. Eine zurückgezogene Länge L12 des Verjüngungsabschnitts 1130 beträgt 0,1 mm (d. h. L12 = 0,1 mm). Die zurückgezogene Länge L12 ist als ein Abstand von der Seitenwand 102 zu dem nahen Ende des Verjüngungs abschnitts 1130 definiert. Eine ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungsabschnitts 1130 ist länger als die zurück gezogene Länge L12 (d. h. L13 < 100 µm). Die ausgestreckte Länge L13 ist als Längsabstand von dem nahen Ende zu dem fernen Ende des Verjüngungsabschnitts 1130 definiert.

Außerdem ist der folgende Zusammenhang erfüllt:

0 < L12 < 0,5 L11.

Der Keramikschichtkörper 1' gemäß dem dritten Ausfüh rungsbeispiel wird auf die folgende Weise hergestellt.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird eine zweite Keramikgrün lage 22 mittels einer Grünhaftschicht 23 an einer ersten Keramikgrünlage 21 angebracht. Eine weitere erste Keramikgrünlage 215 wird mittels einer Grünhaftschicht 235 an der zweiten Keramikgrünlage 22 angebracht. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert ist, breitet sich die Grünhaftschicht 23 (235) wegen der Oberflächen spannung naturgemäß entlang ihrer mit der ersten Keramik grünlage 21 (215) in Berührung gebrachten Rückseite aus, wenn sie darauf aufgebracht wird. Auf diese Weise wird an dem inneren Ende jeder Grünhaftschicht 23 und 235 der Verjüngungsabschnitt 1230 gebildet. Der Verjüngungs abschnitt 1230 hat eine geneigte Oberfläche, die an ihrem fernen Ende in einen geschlossene Hohlraum 20 hineinragt und an ihrem nahen Ende in die zwischen der ersten Keramikgrünlage 21 (215) und der zweiten Keramikgrünlage 22 ausgebildete Lücke für die Grünhaftschicht 23 (und 235) zurückgezogen ist.

Die Dicke t0 der Grünhaftschicht 23 (und 235) beträgt 60 µm (d. h. t0 = 60 µm). Eine Gesamtlängslänge L11 der Grünhaftschicht 23 (und 235) beträgt 1,5 mm (d. h. L01 = 1,5 mm). Die Gesamtlängslänge L01 entspricht einem Abstand von der Außenkante der Grünhaftschicht 23 (und 235) zu dem fernen Ende des Verjüngungsabschnitts 1230. Eine zurückgezogene Länge L02 des Verjüngungsabschnitts 1230 beträgt 0,13 mm (d. h. L02 = 0,13 mm). Die zurück gezogene Länge L02 ist als Abstand von der Seitenwand 102 zu dem nahen Ende des Verjüngungsabschnitts 1230 definiert.

Eine ausgestreckte Länge L03 des Verjüngungsabschnitts 1230 ist länger als die zurückgezogene Länge L02 (d. h. L03 < 130 µm). Die ausgestreckte Länge L03 ist als Längsabstand von dem nahen Ende zu dem fernen Ende des Verjüngungsabschnitts 1230 definiert. Vorzugsweise ist die ausgestreckte Länge L03 größer oder gleich 2 t0.

Außerdem ist der folgende Zusammenhang erfüllt:

0 < L02 < 0,5 L01.

Fig. 9 zeigt die Prüfdaten für den Keramikschichtkörper 1' gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, aus denen sich der Zusammenhang zwischen der zurückgezogenen Länge L12 der Haftschicht 13 (und 135) und der Risserzeugungsrate für verschiedene Werte der Länge t1 der Haftschicht 13 (und 135) ergibt.

Wie aus Fig. 9 hervorgeht, wurden für die Beispiele mit der Dicke von t1 = 10 µm oder t1 = 40 µm keine Risse festgestellt. Dagegen wurde bei den Beispielen mit der Dicke von t1 = 60 µm oder t1 = 80 µm, insbesondere bei einer kurzen zurückgezogenen Länge L12, eine große Anzahl Risse gefunden.

Anhand der in Fig. 9 gezeigten Prüfergebnisse wurde bestätigt, dass sich durch Einschränken der Dicke t1 innerhalb des Bereichs von 10 µm bis 40 µm wirksam eine Erzeugung von Rissen unterdrücken lässt.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, weist der Keramikschichtkörper 1' gemäß dem dritten Ausfüh rungsbeispiel den Verjüngungsabschnitt 1130 mit schräger Oberfläche auf, der an seinem nahen Ende in den zwischen der ersten Keramiklage 11 (115) und der zweiten Keramik lage 12 ausgebildeten Spalt für die Haftschicht 13 (und 135) zurückgezogen ist und an seinem fernen Ende in den geschlossenen Hohlraum 10 hineinragt. Die Dicke t1 der Haftschicht 13 (und 135) liegt innerhalb des Bereichs von 10 µm bis 40 µm. Die ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungsabschnitts 1130 ist größer oder gleich 2,5 t1. Die zurückgezogene Länge L12 und die Gesamtlängslänge L11 der Haftschicht 13 (und 135) erfüllen den folgenden Zusammenhang:

0 < L12 < 0,5 L11.

Mit dieser Anordnung können bei dem dritten Ausführungs beispiel die während des Herstellungsvorgangs des Keramikschichtkörpers 1' zwischen den ersten und zweiten Keramiklagen 11, 115 und 12 wirkenden Zugkräfte unter drückt werden. Dadurch lässt sich wirksam der Ablöse effekt der Keramiklagen beseitigen sowie die Erzeugung von Rissen unterdrücken.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 10 zeigt einen Keramikschichtkörper gemäß dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Verjüngungsabschnitt vollständig in die Lücke für die Haftschicht zurück gezogen ist.

Im einzelnen hat der Keramikschichtkörper 1" gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel einen Verjüngungsabschnitt 2130 mit schräger Oberfläche, der sowohl an seinem nahen Ende als auch seinem fernen Ende in den zwischen der ersten Keramikplatte 11 (und 115) und der zweiten Keramikplatte 12 ausgebildeten Spalt für die Haftschicht 13 (und 135) zurückgezogen ist.

Die übrige Anordnung ist identisch mit der im Zusammen hang mit dem dritten Ausführungsbeispiel offenbarten Anordnung.

Mit anderen Worten unterscheidet sich das vierte Ausfüh rungsbeispiel von dem dritten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die zurückgezogene Länge L12 länger als die ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungsabschnitts 2130 ist.

Die Dicke t1 der Haftschicht 13 (und 135) liegt innerhalb des Bereichs von 10 µm bis 40 µm. Die ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungsabschnitts 2130 ist größer oder gleich 2,5 t1. Die ausgestreckte Länge L13 ist als Abstand von dem nahen Ende bis zu dem fernen Ende des Verjüngungs abschnitts 2130 definiert. Die zurückgezogene Länge L12 und die Gesamtlängslänge L11 der Haftschicht 13 (und 135) erfüllen den folgenden Zusammenhang:

0 < L12 < 0,5 L11.

Die zurückgezogene Länge L12 ist als Abstand von der Seitenwand 102 des geschlossenen Hohlraums 10 bis zu dem nahen Ende des Verjüngungsabschnitts 2130 definiert.

Wie sich aus dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel ergibt, ist erfindungsgemäß ein zweiter Keramikschicht körper (1', 1") mit der ersten Keramiklage (11, 115; 33) und der zweiten Keramiklage (12, 35) vorgesehen, die mittels der Haftschicht (13, 135; 34) verbunden sind, sodass sie zwischen der ersten Keramiklage und der zweiten Keramiklage den geschlossenen Hohlraum (10; 30) bilden. Der Verjüngungsabschnitt (1130; 2130) mit schräger Oberfläche ist derart an dem inneren Ende der Haftschicht ausgebildet, dass er zumindest teilweise in den zwischen der ersten und zweiten Keramiklage ausge bildeten Spalt für die Haftschicht zurückgezogen ist. Die Dicke t1 der Haftschicht liegt innerhalb des Bereichs von 10 µm bis 40 µm. Die ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungsabschnitts (1130; 2130) ist größer oder gleich 2,5 t1. Außerdem ist der folgende Zusammenhang erfüllt:

0 < L12 < 0,5 L11,

wobei L11 die Gesamtlängslänge der Haftschicht und L12 eine zurückgezogene Länge des Verjüngungsabschnitts (1130; 2130) darstellen.

Falls die Dicke t1 weniger als 10 µm beträgt, ist der Winkel A1 scharf abgesetzt, was zu Rissen führt, wenn der Keramikschichtkörper einer Wärmespannung unterliegt.

Falls die Dicke t1 40 µm überschreitet, kommt es zu einer starken Schrumpfung der Grünhaftschicht, was zu einer hohen Zugspannung führt, die in der ersten und zweiten Keramikschicht wahrscheinlich die Risse hervorruft.

Falls die ausgestreckte Länge L13 kürzer als 2,5 t1 ist, nimmt die durch das Vorsehen des Verjüngungsabschnitts bedingte Wirkung deutlich ab.

Um hervorragende Eigenschaften zu erzielen, ist es vorzuziehen, die Obergrenze von L13 auf 4 t1 einzu stellen.

Falls die zurückgezogene Länge L12 0,5 L11 überschreitet, nimmt die Berührungsfläche der Haftschicht und der ersten (zweiten) Keramiklage ab. Dadurch wird der Ablöseeffekt verursacht.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein zweites Verfahren zur Herstellung des Keramikschichtkörpers vorgesehen, mit dem Schritt Ausbilden eines Grünschichtkörpers durch Aufschichten der ersten Keramikgrünlage (21, 215) und der zweiten Keramikgrünlage (22) mittels der Grünhaftschicht (23, 235), sodass zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage der geschlossene Hohlraum (20) gebildet wird, und dem Schritt Sintern des Grünschichtkörpers. Der Verjüngungsabschnitt (1230) mit schräger Oberfläche wird derart an dem inneren Ende der Grünhaftschicht ausge bildet, dass er zumindest teilweise in den zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ausgebildeten Spalt für die Grünhaftschicht zurückgezogen ist. Die Dicke t0 der Grünhaftschicht liegt innerhalb des Bereichs von 20 µm bis 80 µm. Die ausgestreckte Länge L03 des Verjün gungsabschnitts (1230) ist größer oder gleich 2 t0. Außerdem ist der folgende Zusammenhang erfüllt:

0 < L02 < 0,5 L01,

wobei L01 die Gesamtlängslänge der Grünhaftschicht und L02 die zurückgezogene Länge des Verjüngungsabschnitts (1230) darstellen.

Falls die Dicke t0 der Grünhaftschicht weniger als 20 µm beträgt, nimmt die Bindungskraft zwischen den ersten und zweiten Keramikgrünlagen ab. Während des Sintervorgangs werden dann wahrscheinlich Lücken erzeugt und können sich die Keramiklagen von der Haftschicht ablösen.

Falls die Dicke t0 der Grünhaftschicht 80 µm überschrei tet, kommt es zu einer starken Schrumpfung der Grünhaft schicht, was zu einer große Zugspannung führt, die in den ersten und zweiten Keramikschichten wahrscheinlich die Risse hervorruft.

Falls die ausgestreckte Länge L03 kürzer als 2 t0 ist, nimmt die durch das Vorsehen des Verjüngungsabschnitts bedingte Wirkung deutlich ab.

Um hervorragende Eigenschaften zu erzielen, ist es vorzuziehen, die Obergrenze von L03 auf 4 t0 einzu stellen.

Falls die zurückgezogene Länge L02 0,5 L01 überschreitet, nimmt die Berührungsfläche der Haftschicht und der ersten (zweiten) Keramiklage ab. Dadurch wird der Ablöseeffekt verursacht.

Fig. 11 zeigt ein Gasfühlerelement 3' gemäß dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das Gasfühler element 3' ist mit Ausnahme der zwischen der Festelektro lytschicht 33 und dem Träger 35 angeordneten Haftschicht strukturell mit dem Gasfühlerelement 3 gemäß dem unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6 erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel identisch.

Und zwar umfasst das Gasfühlerelement 3' eine Haftschicht 34', die die untere Fläche der Festelektrolytschicht 33 mit der oberen Fläche des Trägers 35 verbindet, sodass der geschlossene Hohlraum 30 definiert ist.

Ein Verjüngungsabschnitt 340' mit schräger Oberfläche ist derart an einem inneren Ende der Haftschicht 34' ausge bildet, dass er zumindest teilweise in einen zwischen dem Gasfühlerabschnitt 39 (d. h. Festelektrolytschicht 33) und dem Träger 35 ausgebildeten Spalt für die Haftschicht 34' zurückgezogen ist.

Die Haftschicht 34' des Gasfühlerelements 3' ist bei dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel vollständig in den Spalt zurückgezogen. Die Haftschicht 34' des Gasfühlerelements 3' kann jedoch auch dahingehend abge wandelt werden, dass sie mit der des dritten erfindungs gemäßen Ausführungsbeispiels übereinstimmt, indem das innere Ende der Haftschicht 34' derart ausgebildet wird, dass es in den geschlossenen Hohlraum 30 hineinragt.

Die Dicke t1 der Haftschicht 34' liegt innerhalb eines Bereichs von 10 µm bis 40 µm. Die ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungsabschnitts 340' ist größer oder gleich 2,5 t1, wobei der folgende Zusammenhang erfüllt ist:

0 < L12 < 0,5 L11,

wobei L11 die Gesamtlängslänge der Haftschicht 34' und L12 die zurückgezogene Länge des Verjüngungsabschnitts 340' darstellen.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf einen ein zelligen Schichtgasfühler beschränkt. Die Erfindung ist beispielsweise auch bei einem zweizelligen Schicht gasfühler oder anderen Bauarten anwendbar.

Die vorliegenden Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung, wobei die Erfindung nicht auf die angegebenen Einzelheiten zu beschränken ist. Im Rahmen des Schutzumfangs der beigefügten Patent ansprüche sind weitere Änderungen und Abwandlungen denkbar.

Claims

1. Keramikschichtkörper, mit:
einer ersten Keramiklage (11, 115; 33) und einer zweiten Keramiklage (12; 35), die mittels einer Haft schicht (13, 135; 34) verbunden sind, sodass zwischen der ersten Keramiklage und der zweiten Keramiklage ein geschlossener Hohlraum (10; 30) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verjüngungsabschnitt (130; 340) mit schräger Oberfläche derart an einem inneren Ende der Haftschicht ausgebildet ist, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt,
eine Dicke t1 der Haftschicht kleiner oder gleich 40 µm ist und
eine vorragende Länge L1 des Verjüngungsabschnitts (130; 340) größer oder gleich 2,5 t1 ist.

2. Keramikschichtkörper nach Anspruch 1, wobei die Dicke t1 der Haftschicht in einem Bereich von 20 µm bis 40 µm liegt.

3. Keramikschichtkörper, mit:
einer ersten Keramiklage (11, 115) und einer zweiten Keramiklage (12), die mittels einer Haftschicht (13, 135) verbunden sind, sodass zwischen der ersten Keramiklage und der zweiten Keramiklage ein geschlossener Hohlraum (10) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verjüngungsabschnitt (1130; 2130) mit schräger Oberfläche derart an einem inneren Ende der Haftschicht ausgebildet ist, dass er zumindest teilweise in einen zwischen der ersten und zweiten Keramiklage ausgebildeten Spalt für die Haftschicht zurückgezogen ist,
eine Dicke t1 der Haftschicht innerhalb eines Bereichs von 10 µm bis 40 µm liegt,
eine ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungs abschnitts (1130; 2130) größer oder gleich 2,5 t1 ist und
der folgende Zusammenhang erfüllt ist:
0 < L12 < 0,5 L11,
wobei L11 eine Gesamtlängslänge der Haftschicht und L12 eine zurückgezogene Länge des Verjüngungsabschnitts (1130; 2130) darstellen.

4. Gasfühlerelement, mit:
einem Fühlerabschnitt (39) zum Messen einer Gas konzentration eines Messgases; und
einem Träger (35) zum Tragen des Fühlerabschnitts, wobei
der Fühlerabschnitt (39) eine Festelektrolytschicht (33) und ein Paar an entgegensetzten Oberflächen der Festelektrolytschicht (33) ausgebildeter Elektroden (311, 312) umfasst,
der Träger (35) einen Aussparungsabschnitt hat, der einen geschlossenen Hohlraum (30) definiert, wenn der Träger mit dem Fühlerabschnitt zusammengesetzt ist,
eine Haftschicht (34) zwischen dem Fühlerabschnitt (39) und dem Träger (35) angeordnet ist, um eine Ober fläche der Festelektrolytschicht (33) mit einer Ober fläche des Trägers (35) zu verbinden, sodass zwischen der Festelektrolytschicht (33) und dem Träger (35) der geschlossene Hohlraum (30) gebildet ist,
ein Verjüngungsabschnitt (340) mit schräger Ober fläche derart an einem inneren Ende der Haftschicht (34) ausgebildet ist, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt,
eine Dicke t1 der Haftschicht kleiner oder gleich 40 µm ist und
eine vorragende Länge L1 des Verjüngungsabschnitts (340) größer oder gleich 2,5 t1 ist.

5. Gasfühlerelement, mit:
einem Fühlerabschnitt (39) zum Messen einer Gas konzentration eines Messgases; und
einem Träger (35) zum Tragen des Fühlerabschnitts, wobei
der Fühlerabschnitt (39) eine Festelektrolytschicht (33) und ein Paar an entgegengesetzten Oberflächen der Festelektrolytschicht (33) angebrachter Elektroden (311, 312) umfasst,
der Träger (35) einen Aussparungsabschnitt hat, der einen geschlossenen Hohlraum (30) definiert, wenn der Träger mit dem Fühlerabschnitt zusammengesetzt ist,
eine Haftschicht (34'), die zwischen dem Fühler abschnitt (39) und dem Träger (35) angeordnet ist, um eine Oberfläche der Festelektrolytschicht (33) mit einer Oberfläche des Trägers (35) zu verbinden, sodass zwischen der Festelektrolytschicht (33) und dem Träger (35) der geschlossene Hohlraum (30) ausgebildet ist,
ein Verjüngungsabschnitt (340') mit schräger Ober fläche derart an einem inneren Ende der Haftschicht (34') ausgebildet ist, dass er zumindest teilweise in einen zwischen dem Fühlerabschnitt und dem Träger ausgebildeten Spalt für die Haftschicht zurückgezogen ist,
eine Dicke t1 der Haftschicht innerhalb eines Bereichs von 10 µm bis 40 µm liegt,
eine ausgestreckte Länge L13 des Verjüngungs abschnitts (340') größer oder gleich 2,5 t1 ist und
der folgende Zusammenhang erfüllt ist:
0 < L12 < 0,5 L11,
wobei L11 eine Gesamtlängslänge der Haftschicht und L12 eine zurückgezogene Länge des Verjüngungsabschnitts (340') darstellen.

6. Verfahren zur Herstellung eines Keramikschicht körpers, mit den Schritten:
Ausbilden eines Grünschichtkörpers durch Aufschich ten einer ersten Keramikgrünlage (21, 215) und einer zweiten Keramikgrünlage (22) mittels einer Grünhaft schicht (23, 235), sodass zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ein geschlossener Hohlraum (20) gebildet wird; und
Sintern des Grünschichtkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verjüngungsabschnitt (230) mit schräger Ober fläche derart an einem inneren Ende der Grünhaftschicht ausgebildet wird, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt,
eine Dicke t0 der Grünhaftschicht innerhalb eines Bereichs von 40 µm bis 80 µm liegt und
eine vorragende Länge L0 des Verjüngungsabschnitts (230) größer oder gleich 2 t0 ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Keramikschicht körpers, mit den Schritten:
Ausbilden eines Grünschichtkörpers durch Aufschich ten einer ersten Keramikgrünlage (21, 215) und einer zweiten Keramikgrünlage (22), die mittels einer Grünhaft schicht (23, 235) verbunden werden, sodass zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ein geschlossener Hohlraum (20) gebildet wird; und
Sintern des Grünschichtkörpers,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verjüngungsabschnitt (1230) mit schräger Ober fläche derart an einem inneren Ende der Grünhaftschicht ausgebildet wird, dass er zumindest teilweise in einen zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ausge bildeten Spalt für die Grünhaftschicht zurückgezogen ist,
eine Dicke t0 der Grünhaftschicht innerhalb eines Bereichs von 20 µm bis 80 µm liegt,
eine ausgestreckte Länge L03 des Verjüngungs abschnitts (1230) größer oder gleich 2 t0 ist und
der folgende Zusammenhang erfüllt ist:
0 < L02 < 0,5 L01
wobei L01 eine Gesamtlängslänge der Grünhaftschicht und L02 eine zurückgezogene Länge des Verjüngungs abschnitts (1230) darstellen.