DE10023980B4

DE10023980B4 - Keramikschichtkörper, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung bei einem Gasfühlerelement

Info

Publication number: DE10023980B4
Application number: DE10023980A
Authority: DE
Inventors: Hirohiko Kariya-shi Tatsumoto; Shoichiro Kariya-shi Emmei
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2020-05-17
Also published as: DE10023980A1; JP2001030219A; US6537431B1; 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 µm, und die vorragende Länge L1 des Verjüngungsabschnitts (130) ist größer oder gleich 2,5 t1.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Keramikschichtkörper, die vorzugsweise bei Gasfühlerelementen mit geschichtetem oder mehrlagigem Aufbau Anwendung finden, sowie Verfahren zu deren Herstellung.
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 Abmessungen. 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, entsteht ein geschlossener Hohlraum.
Auf einen Randbereich der ersten Keramikgrünlagen wird jeweils eine eine Grünverbindungsschicht bildende Schlämme aufgebracht. Dann wird die zweite Keramikgrünlage zwischen die ersten Keramikgrünlagen gesetzt, sodass die Keramikgrünlagen mittels der Grünverbindungsschichten verbunden werden, wodurch ein Grünschichtkörper mit einem sich darin befindenden geschlossenen Hohlraum gebildet wird.
Als nächstes wird der Grünschichtkörper entfettet und gesintert.
12 zeigt einen auf diese Weise gebildeten herkömmlichen Keramikschichtkörper 9, bei dem zwei erste Keramiklagen 11 und 115 mittels der Verbindungsschichten 93 und 935 mit der zweiten Keramiklage 12 verbunden sind, sodass zwischen ihnen ein geschlossener Hohlraum 10 gebildet ist (siehe JP 59-29107 A ).
Verglichen mit den ersten und zweiten Keramikgrünlagen enthält die Schlämme jedoch eine große Menge organisches Bindemittel. Im Allgemeinen ist das organische Bindemittel dafür notwendig, die Bindungs- oder Haftkraft zu verbessern.
Aufgrund des Vorhandenseins dieses organischen Bindemittels hat die Grünverbindungsschicht in ihrem Anfangszustand eine verhältnismäßig geringe Dichte. Wenn die Grünverbindungsschicht dem Entfettungs- und Sintervorgängen unterzogen wird, kommt es zu einer starken Schrumpfung der Verbindungsschicht.
Durch die Schrumpfung der Verbindungsschichten besteht die Möglichkeit, dass sich die Keramiklagen ablösen oder dass Lücken erzeugt werden. 12 zeigt in der Umgebung der Verbindungsschichten auftretende Risse 99, die durch die Schrumpfungsdifferenz zwischen den Verbindungsschichten und den Keramiklagen entstehen.
Darüber hinaus ist aus der DE 690 09 958 T2 (& EP 0 434 392 B1 ) ein Keramikschichtkörper bekannt, der sich aus einer ersten Keramiklage, einer zweiten Keramiklage und einer die erste und zweite Keramiklage verbindenden Verbindungsschicht zusammensetzt, wobei die zweite Keramiklage eine Aussparung hat, die mit der über ihr angeordneten ersten Keramiklage einen geschlossenen Hohlraum definiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Keramikschichtkörper bereitzustellen, der frei von Rissen oder einem Ablöseeffekt ist, der durch eine Wärmeschrumpfungsdifferenz zwischen Verbindungsschichten und Keramiklagen bedingt ist.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung dieses Keramikkörpers bereitzustellen.
Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Verwendung dieses Keramikschichtkörpers bei einem Gasfühlerelement vorzusehen.
Diese Aufgaben werden jeweils durch einen Keramikschichtkörper gemäß Anspruch 1, 2, 4 oder 5, ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 6, 7, 8 oder 9 und eine Verwendung gemäß Anspruch 10 gelöst.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung. Es zeigen:
1A eine Querschnittansicht eines Keramikschichtkörpers gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
1B eine Draufsicht auf den Keramikschichtkörper gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
1C eine vergrößerte Schnittansicht eines Verjüngungsabschnitts einer Verbindungsschicht gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
2A bis 2C Ansichten zur Veranschaulichung der Herstellungsvorgänge bei dem Keramikschichtkörper gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine Perspektivansicht einer auf einer Keramiklage aufgebrachten Grünverbindungsschicht und des Verjüngungsabschnitts gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
4 eine Perspektivansicht eines Gasfühlerelements gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
5 eine Querschnittansicht eines Gasfühlerelements gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
6 eine Ansicht einer Festelektrolytgrünlage, einer Grünverbindungsschicht und eines Elektrodendruckabschnitts gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
7 eine Querschnittansicht eines Keramikschichtkörpers gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
8 eine Schnittansicht eines Grünschichtkörpers gemäß dem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
9 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen einer Länge L12 und der Risserzeugungsrate bei verschiedenen Werten der Dicke t1 gemäß dem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
10 eine Querschnittansicht eines Keramikschichtkörpers gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
11 eine Querschnittansicht eines Gasfühlerelements gemäß dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel; und
12 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Keramikschichtkörpers.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgt nun eine Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Erstes Ausführungsbeispiel
Die 1A bis 1C zeigen einen Keramikschichtkörper 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem eine (als erste Keramiklage dienende) untere Keramiklage 11 mittels einer Verbindungsschicht 13 mit einer unteren Fläche einer (als zweite Keramiklage dienenden) mittleren Keramiklage 12 verbunden ist und eine (als eine weitere erste Keramiklage dienende) obere Keramiklage 115 mittels einer Verbindungsschicht 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 abgeschrägter Oberfläche, der jeweils an einem hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschichten 13 und 135 ausgebildet ist, ragt von einer durch die mittlere Keramiklage 12 ausgebildeten Seitenwand 12 des Hohlraums 10 in den Hohlraum 10 hinein. Der Verjüngungsabschnitt 130 ragt, wie in 1A gezeigt ist, mit einer Länge L1 von der Seitenwand 102 in den geschlossenen Hohlraum 10 hinein.
Wie in 1C vergrößert gezeigt ist, befindet sich der Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 130 (d. h. der Startpunkt der abgeschrägten 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. Das Ende der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 130 (d. h. der Endpunkt der abgeschrägten Oberfläche) läuft mit der Innenfläche der unteren Keramiklage 11 oder mit der oberen Keramiklage 115 zusammen. Die Innenfläche (d. h. die obere Fläche) der unteren Keramiklage 11 dient als Boden 103 des geschlossenen Hohlraums 10. Die Innenfläche (d. h. die 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 Verbindungsschicht 13 auf die untere Keramiklage 11 geschichtet, und die obere Keramiklage 115 ist über die Verbindungsschicht 135 auf die mittlere Keramiklage 12 geschichtet, sodass ein wie in 1A gezeigter Schichtaufbau (oder mehrlagiger Aufbau) mit dem geschlossenen Hohlraum 10 gebildet ist.
Wie in 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 10 ausgebildet.
Der Keramikschichtkörper gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel 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 Schaberklingenverfahrens ein Lagenkörper mit einer Dicke von ungefähr 300 μm angefertigt.
Der erhaltene Lagenkörper wird für die erste Keramikgrünlage 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 Polyvinylbutyral; 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 Schaberklingenverfahrens 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 rechteckige Fenster bildet den geschlossenen Hohlraum 10.
Als nächstes folgt eine Erläuterung des Verbindungsmaterials für eine Grünverbindungsschicht 23. Die Grünverbindungsschicht 23 wird zu der Verbindungsschicht 13.
Für die Grünverbindungsschicht 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 Verbindungsmaterial ausgebildet.
Als nächstes wird die Ausbildung eines Grünschichtkörpers erläutert.
Wie in 2A und in 3 gezeigt ist, wird das Verbindungsmaterial unter Verwendung des Siebdruckverfahrens auf die erste Keramikgrünlage 215 (aus Zirkoniumoxid) aufgebracht, sodass eine Grünverbindungsschicht 235 erhalten wird. Wegen der Oberflächenspannung breitet sich die Grünverbindungsschicht 235 in diesem Fall naturgemäß entlang ihrer mit der ersten Keramikgrünlage 215 in Berührung gebrachten Rückseite aus. An der hohlraumseitigen Randkante der Grünverbindungsschicht 235 wird daher ein Verjüngungsabschnitt 230 gebildet.
Auf ähnliche Weise wird das Verbindungsmaterial unter Verwendung des Siebdruckverfahrens auf die erste Keramikgrünlage 21 (aus Aluminiumoxid) aufgebracht, um eine Grünverbindungsschicht 23 zu erhalten. Wegen der Oberflächenspannung breitet sich die Grünverbindungsschicht 23 naturgemäß entlang ihrer mit der ersten Keramikgrünlage 21 in Berührung gebrachten Rückseite aus. Somit wird an der hohlraumseitigen Randkante der Grünverbindungsschicht 23 ein Verjüngungsabschnitt 230 gebildet.
Wie in 2B gezeigt ist, werden die ersten Keramikgrünlagen 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 2C gezeigter Grünschichtkörper 2 mit einem sich darin befindenden geschlossenen Hohlraum 20 erhalten.
L0 entspricht der Länge, mit der die Grünverbindungsschicht 23 (oder 235) von der Seitenwand des geschlossenen Hohlraums 20 in den Hohlraum 20 hineinragt, und t0 der Dicke der Grünverbindungsschicht 23 (oder 235). 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 1 gezeigten Keramikschichtkörper 1. Die Größe der Verbindungsschicht 13 (oder 135) beträgt L1 = 160 μm und t1 = 25 μm. Mit anderen Worten unterliegt die Verbindungsschicht 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 Beurteilungsprüfung wurden mehrere Proben (Nr. 1 bis Nr. 6) als Grünschichtkörper vorbereitet, die bezüglich der Dicke t0 und der Länge L0 der Grünverbindungsschicht unterschiedlich waren. Jede Probe der Grünschichtkörper wurde gesintert, sodass ein Keramikschichtkörper mit der Dicke t1 erhalten wurde. Der Zustand jeder Probe des Grünschichtkörpers 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

Proben-Nr.	1	2	3	4	5	6
t0 (μm)	t0 < 40	t0 < 40	40 ≤ t0 ≤ 80	40 ≤ t0 ≤ 80	80 < t0	80 < t0
t1 (μm)	t1 < 20	t1 < 20	20 ≤ t1 ≤ 40	20 ≤ t1 ≤ 40	40 < t1	40 < t1
L0 (μm)	L0 < 2t0	2t0 ≤ L0	L0 < 2t0	2t0 ≤ L0	L0 < 2t0	2t0 ≤ L0
Sinterzustand	Lücken & Risse (1/10)	Lücken	Risse (2/10)	keine Lücken & keine Risse	Risse (8/10)	Risse (3/10)
Beurteilung	X	Δ	X	O	X	X

Die Probe 1 ist ein Keramikschichtkörper, der die Abmessungsbedingungen t0 < 40 μm, t1 < 20 μm und L0 < 2t0 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 Verbindungsschichten 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 Verbindungsschicht den Ablöseeffekt. Dadurch wurde die Bindungskraft der Verbindungsschicht 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 Gasfühlerelement 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 zufriedenstellenden 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 Ausführungsbeispiel ist der Verjüngungsabschnitt 130 mit abgeschrägter Oberfläche derart an einem hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschicht 13 (und 135) ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum 10 hineinragt. Mit anderen Worten ragt der Verjüngungsabschnitt 130 von der Verbindungsschicht 13 (und 135) nach innen (d. h. in den geschlossenen Hohlraum 10) hinein. Die Dicke t1 der Verbindungsschicht 13 (und 135) liegt innerhalb eines Bereichs von 20 μm bis 40 μm. Die Länge L1 des Verjüngungsabschnitts 130 ist größer oder gleich 2,5 t1.
Im Zustand des Grünschichtkörpers 2 liegt die Dicke t0 der Grünverbindungsschicht 23 (und 235) innerhalb eines Bereichs von 40 μm bis 80 μm. Die Länge L0 des Verjüngungsabschnitts 230 ist größer oder gleich 2t0.
Im Allgemeinen schrumpft die Grünverbindungsschicht 23 (und 235) während des Herstellungsvorgang des Keramikschichtkörpers 1. Durch die Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann die zwischen den ersten und zweiten Keramikgrünlagen 21, 215 und 22 wirkende Zugspannung jedoch unterdrückt werden. Dadurch lässt sich der Ablöseeffekt der Keramiklagen wirksam beseitigen und auch die Erzeugung von Rissen (siehe 99 in 12) unterdrücken.
Demnach wird durch das erste erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel ein Keramikschichtkörper bereitgestellt, der frei von Rissen oder einem Ablöseeffekt ist, der durch eine Wärmeschrumpfungsdifferenz zwischen den Verbindungsschichten und Keramiklagen bedingt ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf die 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 312 und eine die Elektroden 311 und 312 gegenüber dem Messgas abdeckende Schutzschicht 31. Die Schutzschicht 31 und die Festelektrolytschicht 33 sind mittels einer Verbindungsschicht 32 verbunden.
Der Träger 35 (d. h. die zweite Keramiklage) weist einen 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 4), geschlossen.
Wie in 5 gezeigt ist, ist in dem Fühlerabschnitt 39 mittels der Verbindungsschicht 32 die Schutzschicht 31 mit der oberen Fläche der Festelektrolytschicht 33 verbunden. Die obere Elektrode 311 ist an der oberen Fläche der Festelektrolytschicht 33 angebracht und in der Verbindungsschicht 32 eingebettet. Der Träger 35 ist mit der unteren Fläche der Festelektrolytschicht 33 mittels einer Verbindungsschicht 34 verbunden. Die untere Elektrode 311 ist an einem zentralen Bereich der unteren Fläche der Festelektrolytschicht 33 angebracht, an der sich die Verbindungsschicht 34 nicht befindet.
Wie in 4 gezeigt ist, ist die obere Elektrode 311 über eine Leitung 321 an einen Anschluss 313 angeschlossen. 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 Festelektrolytschicht 33 und den Träger 35 definiert, die durch die Verbindungsschicht 34 verbunden sind. An einem hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschicht 34 ist derart ein Verjüngungsabschnitt 340 mit abgeschrägter Oberfläche ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum 30 mit einer Länge L1 hineinragt.
Wie in 6 gezeigt ist, ist der Verjüngungsabschnitt 340 entlang sämtlicher vier Randseiten des rechteckigen Hohlraums 30 ausgebildet. Die Dicke t1 der Verbindungsschicht 34 beträgt 30 μm (d. h. t1 = 30 μm). Die Länge 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 Verbindungsschicht 36 verbunden ist. Das Heizelement 370 ist in der Verbindungsschicht 36 eingebettet. Das vorstehend beschriebene Gasfühlerelement 3 wird auf die folgende Weise hergestellt.
Zunächst wird eine Zirkoniumoxidgrünlage für die Festelektrolytschicht 33 durch Mischen der folgenden Materialien 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 vorbestimmte Form gebracht. Dann werden auf die entgegengesetzten 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 Heizelemente 370 auf der Oberfläche der Grünlage ausgebildet, indem auf die Oberfläche unter Verwendung des Siebdruckverfahrens 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 Verbindungsmaterial für die Verbindungsschichten 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 Verbindungsmaterials zu erhalten.
Die erhaltene Paste des Verbindungsmaterials wird durch Siebdruck auf die Grünlage für die Festelektrolytschicht 33 und die Grünlage für das Heizelementsubstrat 37 aufgebracht. Das Verbindungsmaterial für das Heizelementsubstrat 37 wird auf die gesamte Oberfläche der Grünlage aufgebracht.
Wie in 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 Grünverbindungsschicht 349 (d. h. dem Verbindungsmaterial) versehen. Wegen der Oberflächenspannung breitet sich in diesem Fall die Grünverbindungsschicht 349 (d. h. das Verbindungsmaterial) naturgemäß entlang ihrer mit der Festelektrolytschicht 33 in Berührung gebrachten Rückseite aus. Somit wird an der hohlraumseitigen Randkante der Grünverbindungsschicht 349 der Verjüngungsabschnitt 340 gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Länge L0 des Verjüngungsabschnitts 340 im Grünzustand 150 μm. Die Dicke t0 der Grünverbindungsschicht 349 beträgt 60 μm.
Als nächstes wird durch Mischen der folgenden Materialien ein Verbindungsmaterial für die Verbindungsschicht 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.

Die obengenannten Materialien werden unter Verwendung einer drei Walzen aufweisenden Mühle geknetet, um eine Paste des Verbindungsmaterials zu erhalten.
Beim Sintern wird die Verbindungsschicht 32 porös. Das Messgas kann daher durch die Verbindungsschicht 32 dringen und die Elektrode 311 erreichen.
Die erhaltene Paste des Verbindungsmaterials wird durch Siebdruck auf die gesamte Oberfläche der Grünlage für die Schutzschicht 31 aufgebracht, wodurch eine Grünverbindungsschicht gebildet wird.
Anschließend werden die vier Grünlagen für die Schutzschicht 31, die Festelektrolytschicht 33, den Träger 35 und das Heizelementsubstrat 37 in dieser Reihenfolge mittels der Grünverbindungsschichten zu einem wie in 5 gezeigten Schichtpaket zusammengesetzt (oder aufeinander geschichtet). Dann wird die erhaltene Schichtanordnung unter einem Druck von 0,3 MPa gepresst, um einen Grünschichtkörper zu erhalten.
Der erhaltene Grünschichtkörper wird danach auf die Maximaltemperatur von 1450°C erhitzt. Auf diese Weise wird das in 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 Ablöseeffekt festgestellt. Außerdem wurden bei dem geschlossenen Hohlraum 30 keine Risse festgestellt.
Bei dem Gasfühlerelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Verjüngungsabschnitt 340 mit abgeschrägter Oberfläche derart an dem hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschicht 34 ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum 30 hineinragt. Mit anderen Worten ragt der Verjüngungsabschnitt 340 von der Verbindungsschicht 34 aus nach innen (d. h. in den geschlossenen Hohlraum 30) hinein. Die Dicke t1 der Verbindungsschicht 34 liegt in einem Bereich von 20 μm bis 40 μm. Die Länge L1 des Verjüngungsabschnitts 340 ist größer oder gleich 2,5 t1.
Im Zustand des Grünschichtkörpers liegt die Dicke t0 der Grünverbindungsschicht 349 innerhalb eines Bereichs von 40 μm bis 80 μm. Die Länge L0 des Verjüngungsabschnitts 340 ist größer oder gleich 2 t0.
Im Allgemeinen schrumpft die Grünverbindungsschicht 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 Keramikschichtkörper (1; 3) mit der ersten Keramiklage (11, 115; 33) und der zweiten Keramiklage (12; 35) vorgesehen, die mittels der Verbindungsschicht (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 abgeschrägter Oberfläche ist derart an dem hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschicht ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt. Die Dicke t1 der Verbindungsschicht ist kleiner oder gleich 40 μm. Außerdem ist die 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 hervorgerufen 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 Länge L1 führt zu einer Verkleinerung eines Winkels A1, der, wie in 1C gezeigt ist, zwischen der abgeschrägten Oberfläche des Verjüngungsabschnitts und der Seitenwand des geschlossenen 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 Sauerstofffühlern, 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 Keramiklagen mit den Elektroden versehen. Der geschlossene Hohlraum wird zur Speicherung eines Bezugsgases (z. B. Luft) oder eines Messgases (siehe zweites Ausführungsbeispiel) verwendet.
Die Anzahl erster und zweiter Keramiklagen ist nicht begrenzt und kann daher flexibel geändert werden.
Die Dicke t1 der Verbindungsschicht liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 μm bis 40 μm.
Falls die Dicke t1 kleiner als 20 μm ist, nähert sich der Winkel A1 90 Grad, was zu Rissen führt, wenn der Keramikschichtkörper einer Wärmespannung unterliegt.
Falls die Dicke t1 40 μm überschreitet, kommt es zu einer starken Schrumpfung der Grünverbindungsschicht, 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 Grünverbindungsschicht (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 abgeschrägter Oberfläche wird derart an dem hohlraumseitigen Ende der Grünverbindungsschicht ausgebildet, dass er in den geschlossenen Hohlraum hineinragt. Die Dicke t0 der Grünverbindungsschicht 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 Grünverbindungsschicht 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 Verbindungsschicht ablösen.
Falls die Dicke t0 der Grünverbindungsschicht 80 μm überschreitet, kommt es zu einer starken Schrumpfung der Grünverbindungsschicht, 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 7 bis 9 ist ein Keramikschichtkörper gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen Kennzeichen der Aufbau des Verjüngungsabschnitts mit abgeschrägter Oberfläche ist, dessen Anfang sich in dem Spalt für die Verbindungsschicht befindet und dessen Ende in den geschlossenen Hohlraum hineinragt.
Wie in 7 gezeigt ist, umfasst der Keramikschichtkörper 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 Verbindungsschicht 13 auf der unteren Keramiklage 11 aufgebracht ist, und eine (als weitere erste Keramiklage dienende) obere Keramiklage 115 aus Zirkoniumoxid, die mittels einer Verbindungsschicht 135 auf der mittleren Keramiklage 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 hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschichten 13 und 135 ausgebildeter Verjüngungsabschnitt 1130 mit abgeschrägter Oberfläche ragt von einer durch die mittlere Keramiklage 12 gebildete Seitenwand 102 des geschlossenen Hohlraums 10 in den Hohlraum 10 hinein.
Der Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 1130 (d. h. der Startpunkt der abgeschrägten Oberfläche) befindet sich in dem zwischen der ersten Keramiklage 11 (115) und der zweiten Keramiklage 12 ausgebildeten Spalt für die Verbindungsschicht 13 (und 135). Und zwar ist der Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 1130 (d. h. der Startpunkt der abgeschrägten 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. Das Ende der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 1130 (d. h. der Endpunkt der abgeschrägten Oberfläche) läuft mit der Innenfläche der unteren Keramiklage 11 oder der oberen Keramiklage 115 zusammen. Die Innenfläche (d. h. die obere Fläche) der unteren Keramiklage 111 dient als Boden 103 des geschlossenen Hohlraums 10. Die Innenfläche (d. h. die untere Fläche) der oberen Keramiklage 115 dient als Decke 101 des geschlossenen Hohlraums 10.
Bei der in 7 gezeigten Querschnittansicht beträgt die Dicke t1 der Verbindungsschicht 13 (und 135) 30 μm (d. h. t1 = 30 μm). Die Gesamtlänge L11 der Verbindungsschicht 13 (und 135) beträgt 1,2 mm (d. h. L11 = 1,2 mm). Die Gesamtlänge L11 entspricht dem Abstand von der Außenkante der Verbindungsschicht 13 (und 135) bis zum Ende der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 1130. Die Länge L12 des Verjüngungsabschnitts 1130 beträgt 0,1 mm (d. h. L12 = 0,1 mm). Die Länge L12 entspricht dem Abstand von der Seitenwand 102 bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 1130 definiert. Die Länge L13 des Verjüngungsabschnitts 1130 ist länger als die Länge L12 (d. h. L13 > 100 μm). Die Länge L13 ist als Abstand zwischen dem Anfang und dem Ende der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 1130 definiert.
Außerdem ist der folgende Zusammenhang erfüllt: 0 < L12 < 0,5 L11.
Der Keramikschichtkörper 1' gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird auf die folgende Weise hergestellt.
Wie in 8 gezeigt ist, wird eine zweite Keramikgrünlage 22 mittels einer Grünverbindungsschicht 23 an einer ersten Keramikgrünlage 21 angebracht. Eine weitere erste Keramikgrünlage 215 wird mittels einer Grünverbindungsschicht 235 an der zweiten Keramikgrünlage 22 angebracht. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert ist, breitet sich die Grünverbindungsschicht 23 (235) wegen der Oberflächenspannung naturgemäß entlang ihrer mit der ersten Keramikgrünlage 21 (215) in Berührung gebrachten Rückseite aus, wenn sie darauf aufgebracht wird. Auf diese Weise wird an dem hohlraumseitigen Ende jeder Grünverbindungsschicht 23 und 235 der Verjüngungsabschnitt 1230 gebildet. Der Verjüngungsabschnitt 1230 hat eine abgeschrägte Oberfläche, die an ihrem Ende in einen geschlossenen Hohlraum 20 hineinragt und sich an ihrem Anfang in dem zwischen der ersten Keramikgrünlage 21 (215) und der zweiten Keramikgrünlage 22 ausgebildeten Spalt für die Grünverbindungsschicht 23 (und 235) befindet.
Die Dicke t0 der Grünverbindungsschicht 23 (und 235) beträgt 60 μm (d. h. t0 = 60 μm). Eine Gesamtlänge L01 der Grünverbindungsschicht 23 (und 235) beträgt 1,5 mm (d. h. L01 = 1,5 mm). Die Gesamtlänge L01 entspricht dem Abstand von der Außenkante der Grünverbindungsschicht 23 (und 235) bis zum Ende der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 1230. Die Länge L02 des Verjüngungsabschnitts 1230 beträgt 0,13 mm (d. h. L02 = 0,13 mm). Die Länge L02 entspricht dem Abstand von der Seitenwand 102 bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 1230.
Die Länge L03 des Verjüngungsabschnitts 1230 ist länger als die Länge L02 (d. h. L03 > 130 μm). Die Länge L03 ist als Abstand zwischen dem Anfang und dem Ende der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 1230 definiert. Vorzugsweise ist die Länge L03 größer oder gleich 2 t0.
Außerdem ist der folgende Zusammenhang erfüllt: 0 < L02 < 0,5 L01.
9 zeigt die Prüfdaten für den Keramikschichtkörper 1' gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, aus denen sich der Zusammenhang zwischen der Länge L12 der Verbindungsschicht 13 (und 135) und der Risserzeugungsrate für verschiedene Werte der Dicke t1 der Verbindungsschicht 13 (und 135) ergibt.
Wie aus 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 Länge L12, eine große Anzahl Risse gefunden.
Anhand der in 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 Ausführungsbeispiel den Verjüngungsabschnitt 1130 mit abgeschrägter Oberfläche auf, dessen Anfang sich in dem zwischen der ersten Keramiklage 11 (115) und der zweiten Keramiklage 12 ausgebildeten Spalt für die Verbindungsschicht 13 (und 135) befindet und dessen Ende in den geschlossenen Hohlraum 10 hineinragt. Die Dicke t1 der Verbindungsschicht 13 (und 135) liegt innerhalb des Bereichs von 10 μm bis 40 μm. Die Länge L13 des Verjüngungsabschnitts 1130 ist größer oder gleich 2,5 t1. Die Länge L12 und die Gesamtlänge L11 der Verbindungsschicht 13 (und 135) erfüllen den folgenden Zusammenhang: 0 < L12 < 0,5 L11.
Mit dieser Anordnung können bei dem dritten Ausführungsbeispiel die während des Herstellungsvorgangs des Keramikschichtkörpers 1' zwischen den ersten und zweiten Keramiklagen 11, 115 und 12 wirkenden Zugkräfte unterdrückt werden. Dadurch lässt sich wirksam der Ablöseeffekt der Keramiklagen beseitigen sowie die Erzeugung von Rissen unterdrücken.
Viertes Ausführungsbeispiel
10 zeigt einen Keramikschichtkörper gemäß dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich der Verjüngungsabschnitt vollständig in dem Spalt für die Verbindungsschicht befindet.
Im Einzelnen hat der Keramikschichtkörper 1'' gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel einen Verjüngungsabschnitt 2130 mit abgeschrägter Oberfläche, der sich sowohl mit seinem Anfang als auch mit seinem Ende in dem zwischen der ersten Keramikplatte 11 (und 115) und der zweiten Keramikplatte 12 ausgebildeten Spalt für die Verbindungsschicht 13 (und 135) befindet.
Die übrige Anordnung ist identisch mit der im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel offenbarten Anordnung.
Mit anderen Worten unterscheidet sich das vierte Ausführungsbeispiel von dem dritten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die Länge L12 länger als die Länge L13 des Verjüngungsabschnitts 2130 ist.
Die Dicke t1 der Verbindungsschicht 13 (und 135) liegt innerhalb des Bereichs von 10 μm bis 40 μm. Die Länge L13 des Verjüngungsabschnitts 2130 ist größer oder gleich 2,5 t1. Die Länge L13 ist als Abstand zwischen dem Anfang und dem Ende der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 2130 definiert. Die Länge L12 und die Gesamtlänge L11 der Verbindungsschicht 13 (und 135) erfüllen den folgenden Zusammenhang: 0 < L12 < 0,5 L11.
Die Länge L12 entspricht dem Abstand von der Seitenwand 102 des geschlossenen Hohlraums 10 bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 2130.
Wie sich aus dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel ergibt, ist erfindungsgemäß ein zweiter Keramikschichtkörper (1', 1'') mit der ersten Keramiklage (11, 115; 33) und der zweiten Keramiklage (12; 35) vorgesehen, die mittels der Verbindungsschicht (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 abgeschrägter Oberfläche ist derart an dem hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschicht ausgebildet, dass er sich zumindest teilweise in dem zwischen der ersten und zweiten Keramiklage ausgebildeten Spalt für die Verbindungsschicht befindet. Die Dicke t1 der Verbindungsschicht liegt innerhalb des Bereichs von 10 μm bis 40 μm. Die 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 der Gesamtlänge der Verbindungsschicht und L12 der Länge des Abstands von der durch die zweite Keramiklage (12; 35) ausgebildeten Seitenwand des Hohlraums (10; 30) bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts (1130; 2130) entspricht.
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 Grünverbindungsschicht, was zu einer hohen Zugspannung führt, die in der ersten und zweiten Keramiklage wahrscheinlich die Risse hervorruft.
Falls die 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 einzustellen.
Falls die Länge L12 0,5 L11 überschreitet, nimmt die Berührungsfläche der Verbindungsschicht 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 Grünverbindungsschicht (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 abgeschrägter Oberfläche wird derart an dem hohlraumseitigen Ende der Grünverbindungsschicht ausgebildet, dass er sich zumindest teilweise in dem zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ausgebildeten Spalt für die Grünverbindungsschicht befindet. Die Dicke t0 der Grünverbindungsschicht liegt innerhalb des Bereichs von 20 μm bis 80 μm. Die Länge L03 des Verjüngungsabschnitts (1230) ist größer oder gleich 2 t0. Außerdem ist der folgende Zusammenhang erfüllt: 0 < L02 < 0,5 L01,wobei L01 der Gesamtlänge der Grünverbindungsschicht und L02 der Länge des Abstands von der durch die zweite Keramiklage (22) ausgebildeten Seitenwand des Hohlraums (20) bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts (1230) entspricht.
Falls die Dicke t0 der Grünverbindungsschicht 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 Verbindungsschicht ablösen.
Falls die Dicke t0 der Grünverbindungsschicht 80 μm überschreitet, kommt es zu einer starken Schrumpfung der Grünverbindungsschicht, was zu einer große Zugspannung führt, die in den ersten und zweiten Keramiklagen wahrscheinlich die Risse hervorruft.
Falls die 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 einzustellen.
Falls die Länge L02 0,5 L01 überschreitet, nimmt die Berührungsfläche der Verbindungsschicht und der ersten (zweiten) Keramiklage ab. Dadurch wird der Ablöseeffekt verursacht.
11 zeigt ein Gasfühlerelement 3' gemäß dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das Gasfühlerelement 3' ist mit Ausnahme der zwischen der Festelektrolytschicht 33 und dem Träger 35 angeordneten Verbindungsschicht strukturell mit dem Gasfühlerelement 3 gemäß dem unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel identisch.
Und zwar umfasst das Gasfühlerelement 3' eine Verbindungsschicht 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 abgeschrägter Oberfläche ist derart an einem hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschicht 34' ausgebildet, dass er sich zumindest teilweise in einen zwischen dem Gasfühlerabschnitt 39 (d. h. Festelektrolytschicht 33) und dem Träger 35 ausgebildeten Spalt für die Verbindungsschicht 34' befindet.
Die Verbindungsschicht 34' des Gasfühlerelements 3' befindet sich bei dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel vollständig in dem Spalt. Die Verbindungsschicht 34' des Gasfühlerelements 3' kann jedoch auch dahingehend abgewandelt werden, dass sie mit der des dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels übereinstimmt, indem das hohlraumseitige Ende der Verbindungsschicht 34' derart ausgebildet wird, dass es in den geschlossenen Hohlraum 30 hineinragt.
Die Dicke t1 der Verbindungsschicht 34' liegt innerhalb eines Bereichs von 10 μm bis 40 μm. Die 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 der Gesamtlänge der Verbindungsschicht 34' und L12 der Länge des Abstands von der durch den Träger 35 gebildeten Seitenwand des Hohlraums 30 bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts 340' entspricht.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf einen einzelligen Schichtgasfühler beschränkt. Die Erfindung ist beispielsweise auch bei einem zweizelligen Schichtgasfühler 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 Patentansprüche sind weitere Änderungen und Abwandlungen denkbar.

Claims

Keramikschichtkörper (1), mit: zwei ersten Keramiklagen (11, 115); einer zweiten Keramiklage (12); und zwei Verbindungsschichten (13, 135), die die zweite Keramiklage (12) mit den ersten Keramiklagen (11, 115) verbinden, wobei die zweite Keramiklage (12) ein Fenster hat, das mit den über und unter ihm angeordneten ersten Keramiklagen (11, 115) einen geschlossenen Hohlraum (10) definiert, die Verbindungsschichten (13, 135) eine Dicke t1 aufweisen, die kleiner oder gleich 40 μm ist, und jede der Verbindungsschichten (13, 135) an ihrem hohlraumseitigen Ende einen Verjüngungsabschnitt (130) mit abgeschrägter Oberfläche aufweist, der in den geschlossenen Hohlraum (10) mit einer Länge L1 hineinragt, die größer oder gleich 2,5 t1 ist.
Keramikschichtkörper (3), mit: einer ersten Keramiklage (33); einer zweiten Keramiklage (35); und einer Verbindungsschicht (34), die die zweite Keramiklage (35) mit der ersten Keramiklage (33) verbindet, wobei die zweite Keramiklage (35) eine Aussparung hat, die mit der über ihr angeordneten ersten Keramiklage (33) einen geschlossenen Hohlraum (30) definiert, die Verbindungsschicht (34) eine Dicke t1 aufweist, die kleiner oder gleich 40 μm ist, und die Verbindungsschicht (34) an ihrem hohlraumseitigen Ende einen Verjüngungsabschnitt (340) mit abgeschrägter Oberfläche aufweist, der in den geschlossenen Hohlraum (30) mit einer Länge L1 hineinragt, die größer oder gleich 2,5 t1 ist.
Keramikschichtkörper (1; 3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke t1 in einem Bereich von 20 μm bis 40 μm liegt.
Keramikschichtkörper (1'; 1''), mit: zwei ersten Keramiklagen (11, 115); einer zweiten Keramiklage (12); und zwei Verbindungsschichten (13, 135), die die zweite Keramiklage mit den ersten Keramiklagen (11, 115) verbinden, wobei die zweite Keramiklage (12) ein Fenster hat, das mit den über und unter ihm angeordneten ersten Keramiklagen (11, 115) einen geschlossenen Hohlraum (10) definiert, die Verbindungsschichten (13, 135) eine Dicke t1 aufweisen, die innerhalb eines Bereichs von 10 μm bis 40 μm liegt, jede der Verbindungsschichten (13, 135) einen Verjüngungsabschnitt (1130; 2130) mit abgeschrägter Oberfläche hat, der derart am jeweilig hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschichten (13, 135) ausgebildet ist, dass er sich zumindest teilweise in einem zwischen der ersten und zweiten Keramiklage ausgebildeten Spalt für die jeweilige Verbindungsschicht befindet, der Verjüngungsabschnitt (1130; 2130) eine Länge L13 zwischen Anfang der Verjüngung und Ende der Verjüngung aufweist, die größer oder gleich 2,5 t1 ist, und der Zusammenhang 0 < L12 < 0,5 L11 erfüllt ist, wobei L11 der Gesamtlänge der Verbindungsschicht (13, 135) von ihrer Außenkante bis zum Ende der Verjüngung entspricht und L12 der Länge des Abstandes von einer durch die zweite Keramiklage (12) ausgebildeten Seitenwand (102) des Hohlraums (10) bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts (1130; 2130) entspricht.
Keramikschichtkörper (3'), mit: einer ersten Keramiklage (33); einer zweiten Keramiklage (35); und einer Verbindungsschicht (34'), die die zweite Keramiklage (35) mit der ersten Keramiklage (33) verbindet, wobei die zweite Keramiklage (35) eine Aussparung hat, die mit der über ihr angeordneten ersten Keramiklage (33) einen geschlossenen Hohlraum (30) definiert, die Verbindungsschicht (34') eine Dicke t1 aufweist, die innerhalb eines Bereichs von 10 μm bis 40 μm liegt, die Verbindungsschicht (34') einen Verjüngungsabschnitt (340') mit abgeschrägter Oberfläche hat, der derart am hohlraumseitigen Ende der Verbindungsschicht (34') ausgebildet ist, dass er sich zumindest teilweise in einem zwischen der ersten und zweiten Keramiklage ausgebildeten Spalt für die Verbindungsschicht befindet, der Verjüngungsabschnitt (340') eine Länge L13 zwischen Anfang der Verjüngung und Ende der Verjüngung aufweist, die größer oder gleich 2,5 t1 ist, und der Zusammenhang 0 < L12 < 0,5 L11 erfüllt ist, wobei L11 der Gesamtlänge der Verbindungsschicht (34') von ihrer Außenkante bis zum Ende der Verjüngung entspricht und L12 der Länge des Abstandes von einer durch die zweite Keramiklage (35) ausgebildeten Seitenwand des Hohlraums (30) bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts (340') entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikschichtkörpers gemäß Anspruch 1 oder 3, mit den Schritten: Ausbilden eines Grünschichtkörpers (2), wobei auf zwei ersten Keramikgrünlagen (21, 215) jeweils eine Grünverbindungsschicht (23, 235) angeordnet wird und zwischen diesen eine zweite Keramikgrünlage (22), die ein Fenster hat, angeordnet wird, sodass zwischen den ersten Keramikgrünlagen (21, 215) und der zweiten Keramikgrünlage (22) ein geschlossener Hohlraum (20) gebildet wird; und Sintern des Grünschichtkörpers (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Grünverbindungsschichten (23, 235) derart ausgebildet werden, dass sie eine Dicke t0 innerhalb eines Bereichs zwischen 40 μm und 80 μm aufweisen und sie an ihrem hohlraumseitigen Ende einen Verjüngungsabschnitt (230) mit abgeschrägter Oberfläche aufweisen, der in den geschlossenen Hohlraum (20) mit einer Länge L0 hineinragt, die größer oder gleich 2 t0 ist.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikschichtkörpers gemäß Anspruch 2 oder 3, mit den Schritten: Ausbilden eines Grünschichtkörpers, wobei auf einer ersten Keramikgrünlage eine Grünverbindungsschicht angeordnet wird und auf dieser eine zweite Keramikgrünlage, die eine Aussparung hat, angeordnet wird, sodass zwischen der ersten und zweiten Keramikgrünlage ein geschlossener Hohlraum gebildet wird; und Sintern des Grünschichtkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass die Grünverbindungsschicht so ausgebildet wird, dass sie eine Dicke t0 innerhalb eines Bereichs zwischen 40 μm und 80 μm aufweist und sie an ihrem hohlraumseitigen Ende einen Verjüngungsabschnitt mit abgeschrägter Oberfläche aufweist, der in den geschlossenen Hohlraum mit einer Länge L0 hineinragt, die größer oder gleich 2 t0 ist.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikschichtkörpers gemäß Anspruch 4, mit den Schritten: Ausbilden eines Grünschichtkörpers (2), wobei auf zwei ersten Keramikgrünlagen (21, 215) jeweils eine Grünverbindungsschicht (23, 235) angeordnet wird und zwischen diesen eine zweite Keramikgrünlage (22), die ein Fenster hat, angeordnet wird, sodass zwischen den ersten Keramikgrünlagen (21, 215) und der zweiten Keramikgrünlage (22) ein geschlossener Hohlraum (20) gebildet wird; und Sintern des Grünschichtkörpers (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Grünverbindungsschichten (23, 235) derart ausgebildet werden, dass sie eine Dicke t0 innerhalb eines Bereichs zwischen 20 μm und 80 μm aufweisen und sie an ihrem hohlraumseitigen Ende einen Verjüngungsabschnitt (1230) mit abgeschrägter Oberfläche aufweisen, der sich zumindest teilweise in einem zwischen den ersten Keramikgrünlagen (21, 215) und der zweiten Keramikgrünlage (22) ausgebildeten Spalt für die Grünverbindungsschichten befindet, wobei der Verjüngungsabschnitt (1230) eine Länge L03 zwischen Anfang der Verjüngung und Ende der Verjüngung aufweist, die größer oder gleich 2 t0 ist, und der Zusammenhang 0 < L02 < 0,5 L01 erfüllt ist, wobei L01 der Gesamtlänge der Grünverbindungsschicht (23, 235) von ihrer Außenkante bis zum Ende der Verjüngung entspricht und L02 der Länge des Abstandes von einer durch die zweite Keramikgrünlage ausgebildeten Seitenwand des Hohlraums (20) bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts (1230) entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines Keramikschichtkörpers gemäß Anspruch 5, mit den Schritten: Ausbilden eines Grünschichtkörpers, wobei auf einer ersten Keramikgrünlage eine Grünverbindungsschicht angeordnet wird und auf dieser eine zweite Keramikgrünlage, die eine Aussparung hat, angeordnet wird, sodass zwischen der ersten Keramikgrünlage und der zweiten Keramikgrünlage ein geschlossener Hohlraum gebildet wird; und Sintern des Grünschichtkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass die Grünverbindungsschicht derart ausgebildet wird, dass sie eine Dicke innerhalb eines Bereichs zwischen 20 μm und 80 μm aufweist und sie an ihrem hohlraumseitigen Ende einen Verjüngungsabschnitt mit abgeschrägter Oberfläche aufweist, der sich zumindest teilweise in einem zwischen der ersten Keramikgrünlage und der zweiten Keramikgrünlage ausgebildeten Spalt für die Grünverbindungsschicht befindet, wobei der Verjüngungsabschnitt eine Länge L03 zwischen Anfang der Verjüngung und Ende der Verjüngung aufweist, die größer oder gleich 2 t0 ist, und der Zusammenhang 0 < L02 < 0,5 L01 erfüllt ist, wobei L01 der Gesamtlänge der Verbindungsschicht von ihrer Außenkante bis zum Ende der Verjüngung entspricht und L02 der Länge des Abstandes von einer durch die zweite Keramiklage ausgebildeten Seitenwand des Hohlraums bis zum Anfang der Verjüngung des Verjüngungsabschnitts entspricht.
Verwendung eines Keramikschichtkörpers (3; 3') gemäß Anspruch 2 oder 5 bei einem Gasfühlerelement, wobei die zweite Keramiklage des Keramikschichtkörpers (3; 3') als ein Träger (35) für einen Fühlerabschnitt (39) zum Messen einer Gaskonzentration eines Messgases dient und der Fühlerabschnitt (39) als die erste Keramiklage (33) eine Festelektrolytschicht und ein Paar an entgegensetzten Oberflächen der Festelektrolytschicht ausgebildeter Elektroden (311, 312) umfasst.