DE102005014657A1 - Ceramic heating element for sensor has resistive or conductive strip having intermetallic connection, between electrically isolating materials - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein keramisches Heizelement und dessen Verwendung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to a ceramic heating element and its use according to the generic term of the independent Claims.
Stand der TechnikState of technology
Es sind keramische Sensorelemente zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren bekannt, die aus einem planaren Festelektrolytkörper gebildet sind und elektrochemische Pump- und/oder Nernstzellen aufweisen können.It are ceramic sensor elements for determining the oxygen concentration known in exhaust gases of internal combustion engines, consisting of a planar Solid electrolyte body are formed and have electrochemical pumping and / or Nernstzellen can.
Da keramische Festelektrolytmaterialien erst bei höheren Temperaturen eine ausreichende Ionenleitfähigkeit aufweisen, umfasst ein derartiges Sensorelement weiterhin ein keramisches Heizelement in Form einer zwischen keramischen Isolationsschichten ausgebildeten Widerstandsleiterbahn. Dieses dient der Beheizung des Sensorelementes auf eine Betriebstemperatur von beispielsweise 750 bis 800°C.There ceramic solid electrolyte materials only at higher temperatures sufficient ion conductivity Such a sensor element furthermore comprises a ceramic Heating element in the form of a between ceramic insulation layers trained resistance track. This serves for heating the sensor element to an operating temperature of, for example 750 to 800 ° C.
Aus
der
Es sind bisher kaum alternative Materialien zum Aufbau der Widerstandleiterbahn bekannt, da die Widerstandsleiterbahn auch bei den üblichen Betriebstemperaturen des Sensorelementes von über 700°C keine ausgeprägte Oxidation zeigen darf.It So far, there are hardly any alternative materials to build up the resistance trace known, since the resistance track also in the usual Operating temperatures of the sensor element of over 700 ° C no pronounced oxidation may show.
Ein möglicher Ausweg besteht darin, Legierungen edler Platingruppenmetalle mit unedlen Platingruppenmetallen zu verwenden. Dabei wird zwar eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit der Widerstandsleiterbahn erreicht; der dabei auftretende Legierungseffekt in Form eines sich erhöhenden spezifischen Widerstandes bzw. einer Reduzierung des Temperaturkoeffizienten der Widerstandsleiterbahn erschwert jedoch die technische Umsetzung. So kann die Widerstandsleiterbahn nur in einer bestimmten, herstellungsbedingten Maximalstärke ausgeführt werden, sodass der angestrebte, relativ geringe Gesamtwiderstand des Heizelementes kaum zu realisieren ist.One potential A way out is to use alloys of noble platinum group metals to use non-noble platinum group metals. This is indeed a sufficient oxidation resistance reaches the resistance track; the occurring alloying effect in the form of an increasing resistivity or a reduction of the temperature coefficient However, the resistance ladder makes the technical implementation difficult. Thus, the resistance track can only in a certain, production-related maximum strength accomplished so that the desired, relatively low total resistance of the heating element is difficult to realize.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Heizelement bereitzustellen, das eine gute Langzeitbeständigkeit zeigt und dennoch einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.task the present invention is to provide a heating element, this is a good long-term stability shows and yet can be easily and inexpensively manufactured.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Das erfindungsgemäße Heizelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 löst in vorteilhafter Weise die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.The heating element according to the invention with the characterizing features of independent claim 1 solves in an advantageous Way the task underlying the invention.
Das Heizelement weist dabei eine Widerstandsleiterbahn auf, die aufgrund ihrer Materialzusammensetzung eine gute Beständigkeit im Dauerbetrieb zeigt und dennoch verhältnismäßig preisgünstig ausgeführt werden kann. Dies wird erreicht, indem die Widerstandsleiterbahn mindestens eine Verbindung enthält, die bei Kontakt mit Sauerstoff unter Betriebsbedingungen des Heizelementes eine dünne Oxidschicht bildet, die eine geringe Sauerstoff-Diffusionskonstante aufweist. Die sich ausbildende Oxidschicht verhindert ein Eindringen von Sauerstoff in innere Materialbereiche der Widerstandsleiterbahn des Heizelementes und somit deren Oxidation. Auf diese Weise kann ein wirkungsvoller Oxidationsschutz des Materials der Widerstandsleiterbahn erreicht werden.The Heating element has a resistor track, due to their material composition shows a good resistance in continuous operation and yet be carried out relatively inexpensively can. This is achieved by making the resistor trace at least contains a compound when in contact with oxygen under operating conditions of the heating element a thin one Oxide layer forms, which has a low oxygen diffusion constant having. The forming oxide layer prevents penetration of oxygen in inner material areas of the resistance track of the heating element and thus their oxidation. This way you can an effective oxidation protection of the material of the resistance track be achieved.
Sollte es während des Betriebs des Heizelementes, beispielsweise durch Wärmeausdehnung der Widerstandsleiterbahn, zu einem Aufbrechen der Oxidschicht kommen, so tritt an der Rissstelle erneut ein Oxidationsprozess ein, der zu einem Schließen der Oxidschutzschicht führt. Die Oxidschutzschicht ist somit selbstregenerierend.Should it while the operation of the heating element, for example by thermal expansion of the Resistor track, breaking the oxide layer, Thus, an oxidation process occurs again at the fracture site to a closing the Oxide protective layer leads. The oxide protective layer is thus self-regenerating.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Sensorelements möglich.By in the subclaims listed activities are advantageous developments and improvements to claim 1 specified sensor element possible.
So ist es von Vorteil, wenn die Widerstandsleiterbahn des keramischen Heizelementes eine intermetallische Verbindung des Aluminiums mit mindestens einem weiteren Metall enthält. Dabei werden als intermetallische Verbindung insbesondere Verbindungen des Typs M3Al, MAl oder MAl3 eingesetzt, wobei M für das weitere Metall steht. Der Vorteil einer Verwendung von aluminiumhaltigen intermetallischen Verbindungen besteht darin, dass Aluminium zur Ausbildung von festhaftenden Aluminiumoxidschichten neigt, die nur eine geringe Diffusion von Sauerstoff in tiefere Materialschichten zulassen.Thus, it is advantageous if the resistance track of the ceramic heating element contains an intermetallic compound of the aluminum with at least one further metal. Here are used as intermetallic compound, in particular compounds of the type M 3 Al, MAI or MAI 3 , where M is the further metal. The advantage of using aluminum-containing intermetallic compounds is that aluminum tends to form adherent alumina layers that allow only a small diffusion of oxygen into deeper layers of material.
Gegenüber dem Einsatz mischkristalliner Verbindungen besteht der Vorteil der Verwendung von intermetallischen Verbindungen darin, dass diese bedingt durch Ordnungseffekte im Atom-Kristallgitter (Legierungseffekt) einen gegenüber Mischkristallen niedrigeren spezifischen Widerstand zeigen. Der elektrische Widerstand der Widerstandsleiterbahn ist vorteilhafterweise nach erfolgter anfänglicher Ausbildung der Oxidschicht über die restliche Lebensdauer des Heizelementes im wesentlichen konstant.Compared to the Use of mixed-crystalline compounds has the advantage of using intermetallic compounds in that these are due to order effects in the atomic crystal lattice (Alloy effect) one opposite Mixed crystals show lower specific resistance. Of the electrical resistance of the resistance track is advantageously after the initial one Formation of the oxide layer over the remaining life of the heating element substantially constant.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung aluminiumhaltiger intermetallischer Verbindungen besteht darin, dass sich bei der Ausbildung der oberflächlichen Oxidschicht Aluminiumoxid bildet, das üblicherweise auch zur elektrischen Isolation des Heizelementes verwendet wird. So trägt die sich ausbildende Oxidschicht zum einen zu einer Verbesserung der Isolation des Heizelementes bei und zum anderen bewirkt sie eine verbesserte Anbindung des Materials der Widerstandleiterbahn an das sie umgebende, keramische Isolationsmaterial.One Another advantage of using aluminum-containing intermetallic Compounds is that in the formation of the superficial Oxide layer forms alumina, which is usually also used for electrical Insulation of the heating element is used. So she wears herself forming oxide layer on the one hand to improve the insulation the heating element at and on the other it causes an improved Connection of the material of the resistor track to the surrounding, ceramic Insulation material.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die intermetallische Verbindung als Partikel in der Widerstandsleiterbahn vor, die oberflächlich mit Platin, Gold oder Silber beschichtet sind, um so eine Oxidation der in der Widerstandsleiterbahn enthaltenen intermetallischen Verbindung bereits während einer in den Herstellungsprozess des Heizelementes integrierten Wärmebehandlung zu verhindern.In a further advantageous embodiment of the present invention Invention is the intermetallic compound as a particle in the resistance track, the superficial with platinum, gold or silver coated so as to cause oxidation in the resistance trace contained intermetallic compound already during a integrated in the manufacturing process of the heating element integrated heat treatment to prevent.
Zeichnungdrawing
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigt
Die
integrierte Form des keramischen Heizelementes
Das
Heizelement
Die
Widerstandsleiterbahn
Die
Widerstandleiterbahn
Anstelle von Aluminium als oxidbildendem Metall oder zusätzlich hierzu kann die intermetallische Verbindung auch Magnesium enthalten. Unter einer intermetallischen Verbindung werden dabei insbesondere Legierungen des oxidbildenden Metalls mit dem mindestens einem weiteren Metall verstanden.Instead of of aluminum as an oxide-forming metal, or in addition thereto, the intermetallic Compound also contain magnesium. Under an intermetallic In this connection, in particular alloys of the oxide-forming Metal understood with the at least one other metal.
Wird
als intermetallische Verbindung RuAl eingesetzt, so wird eine besonders
gute Anbindung des Materials der Widerstandleiterbahn
Zur
Herstellung des Heizelementes
Wird
das Heizelement in Betrieb genommen, so bildet sich bei der ersten
Inbetriebnahme, soweit nicht bereits während der Herstellung geschehen,
an der Widerstandsleiterbahn
Dies
ist in
Während der
Ausbildung der Oxidschicht
Das
erfindungsgemäße Heizelement
ist in elektrochemischen Sensorelementen, die der Bestimmung von
Gasen in Gasgemischen wie beispielsweise Sauerstoff, Stickoxide,
Schwefeloxide, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe vorzugsweise in Abgasen
von Verbrennungsmotoren dienen, einsetzbar, aber auch in sonstigen
beheizbaren Vorrichtungen keramischer Art, wie Glühstiftkerzen
oder Partikelfiltern. Dazu kann der in den
Claims (8)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR0651092A FR2883975A1 (en) | 2005-03-31 | 2006-03-30 | CERAMIC HEATING ELEMENT |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE200510014657 DE102005014657A1 (en) | 2005-03-31 | 2005-03-31 | Ceramic heating element for sensor has resistive or conductive strip having intermetallic connection, between electrically isolating materials |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102005014657A1 true DE102005014657A1 (en) | 2006-10-05 |
Family
ID=36972807
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DE200510014657 Withdrawn DE102005014657A1 (en) | 2005-03-31 | 2005-03-31 | Ceramic heating element for sensor has resistive or conductive strip having intermetallic connection, between electrically isolating materials |
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DE (1) | DE102005014657A1 (en) |
FR (1) | FR2883975A1 (en) |
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2005
- 2005-03-31 DE DE200510014657 patent/DE102005014657A1/en not_active Withdrawn
-
2006
- 2006-03-30 FR FR0651092A patent/FR2883975A1/en active Pending
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Publication number | Publication date |
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FR2883975A1 (en) | 2006-10-06 |
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