DE102006014892B4

DE102006014892B4 - Gassensorelement, Verfahren zu seiner Herstellung, und Gassensor

Info

Publication number: DE102006014892B4
Application number: DE102006014892.4A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Mori; Masaki Mizutani; Akinori Kojima; Shigeo Kondo
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: US8080143B2; DE102006014892A1; JP4623760B2; US20060219554A1; JP2010223971A; CN1841057B; CN1841057A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, umfassend ein Festelektrolytelement (109), eine auf dem Festelektrolytelement (109) gebildete Elektrode (110), und eine Schutzschicht (111), die ein Verstärkungselement (112) beinhaltet, das eine Einsetzöffnung (112a) aufweist, wobei ein poröses Elektrodenschutzelement (113a) in der Einsetzöffnung angeordnet ist und dazu angepasst oder geeignet ist, die Elektrode (110) davor zu schützen, vergiftet bzw. durch An- und/oder Einlagerungen verunreinigt zu werden, wobei das Verfahren umfasst:
Anordnen eines Grünkörper-Elektrodenschutzelements (113a) in der Einsetzöffnung (112a) eines Grünkörper-Verstärkungselements und nachfolgendes Pressen des Grünkörper-Verstärkungselements und/oder des Grünkörper-Elektrodenschutzelements, um eine Grünkörper-Schutzschicht (111) zu bilden;
Anordnen der Grünkörper-Schutzschicht (111) und eines Grünkörper-Festelektrolytelements (109) in Schichten, um einen Schichtverbund zu bilden, der nach dem Brennen zum Gassensorelement werden wird; und Brennen des Schichtverbunds.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements. Des Weiteren wird ein Gassensor und ein Gassensorelement beschrieben.
Ein herkömmlicher Gassensor ist in JP 2003 - 294 687 A offenbart. Der Gassensor beinhaltet ein sich axial erstreckendes Gassensorelement, um an seinem vorderen Endabschnitt ein zu messendes Gas festzustellen, einen Heizer, um das Gassensorelement zu aktivieren, und einen Metallmantel, um das Gassensorelement zu stützen.
Das Gassensorelement und der Heizer weisen den in 11 gezeigten Aufbau auf. 11 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Gassensorelements und des Heizers. Im Besonderen ist der Aufbau ein Mehrschichtaufbau, wobei hauptsächlich ein erstes Substrat 101, ein Heizelement 102, ein zweites Substrat 103, eine erste Elektrode 104, ein erstes Festelektrolytelement 105, eine zweite Elektrode 106, eine Isolierschicht 107, eine dritte Elektrode 108, ein zweites Festelektrolytelement 109, eine vierte Elektrode 110 und eine Schutzschicht 111 aufeinanderfolgend in Schichten angeordnet sind. Die Schutzschicht 111 umfasst ein Verstärkungselement 112, das eine Einsetzöffnung 112a aufweist, die sich in der Schichtungsrichtung durch das Element hindurcherstreckt, und ein Elektrodenschutzelement 113a, das in die Einsetzöffnung 112a eingesetzt ist. Das Verstärkungselement 112 verhindert ein Verziehen und erhöht die Stärke eines Gassensorelements 300 und eines Heizers 200. Das Elektrodenschutzelement 113a ist ein poröses Element, das die vierte Elektrode 110 (insbesondere einen vierten Elektrodenabschnitt 110a) davor schützt, vergiftet zu werden, während es die Gasverbindung zwischen der vierten Elektrode 110 und der Atmosphäre aufrechterhält.
Der Gassensor wird wie folgt hergestellt. Zuerst wird ein Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a, das das Elektrodenschutzelement 113a vor dem Brennen ist, in die Einsetzöffnung 112a eines Grünkörper-Verstärkungselements 112, das das Verstärkungselement 112 vor dem Brennen ist, eingesetzt. Dadurch wird eine Grünkörper-Schutzschicht 111 gebildet, die die Schutzschicht 111 vor dem Brennen ist. Anschließend werden ein erstes Grünkörper-Substrat 101, das das erste Substrat 101 vor dem Brennen ist, ein erstes Grünkörper-Festelektrolytelement 105, das das erste Festelektrolytelement 105 vor dem Brennen ist, ein zweites Grünkörper-Festelektrolytelement 109, das das zweite Festelektrolytelement 109 vor dem Brennen ist, und dergleichen zusammen mit der Grünkörper-Schutzschicht 111 in Schichten angeordnet, wodurch ein Schichtverbund erzeugt wird. Als Nächstes wird der Schichtverbund einem Harzbeseitigungsbrennen und dann einem Hauptbrennen unterzogen, wodurch das Gassensorelement 300 und der Heizer in einer vereinigten Weise erhalten werden. Dann werden das Gassensorelement 300 und der Heizer 200 an einem Metallmantel und dergleichen angebracht, wodurch ein Gassensor erzeugt wird.
Der so erhaltene Gassensor wird zum Beispiel an einem Abgassystem wie etwa einem Abgasrohr eines Motors angebracht und verwendet, um ein zu messendes Gas, das im Abgas enthalten ist, festzustellen.
Aus US 6 344 134 B1 ist ebenfalls ein Gassensor bekannt, bei dem zuerst ZrO₂ Schichten miteinander laminiert werden. Im Anschluss daran wird eine Öffnung für ein Diffusionselement in das Laminat gestanzt und das noch ungebrannte Diffusionselement in die Öffnung eingesetzt. Abschließend wird eine weitere ZrO₂ Schichten auflaminiert.
Ein weiterer Gassensor ist aus JP 2003 - 294 690 A bekannt.
Bei den oben erwähnten herkömmlichen Gassensoren besteht die Gefahr einer gesteigerten Schwankung in der Gasfeststellleistung unter jeweiligen Sensoren. Folglich war die Ertragsrate in manchen Fällen unzureichend.
Im Besonderen haben die vorliegenden Erfinder, wie in 13 gezeigt, herausgefunden, dass beim Gassensorelement ein Riss CR dazu neigt, im zweiten Festelektrolytelement 109, das durch Brennen aus dem zweiten Grünkörper-Festelektrolytelement 109 gebildet wird, aufzutreten. Bei Gassensoren, die den Riss CR aufweisen, besteht die Gefahr einer gesteigerten Schwankung in der Gasfeststellleistung unter jeweiligen Sensoren. Somit war die Produktionsertragsrate in manchen Fällen unzureichend. Dies liegt daran, dass, selbst wenn die anderen Anforderungen erfüllt sind, das Auftreten des Risses CR eine Verringerung des durch ein zu messendes Gas entwickelten elektrischen Potentials zwischen den Elektroden verursacht.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts obiger Probleme ausgeführt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Schwankung in der Gasfeststellleistung zwischen Gassensoren zu verringern und eine Herstellung von Gassensoren mit hoher Ertragsrate zu ermöglichen.
Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass der Riss CR im zweiten Festelektrolytelement 109 durch einen Zwischenraum G zwischen dem Verstärkungselement 112 und dem Elektrodenschutzelement 113a in der Schutzschicht 111, genauer, dem Zwischenraum G zwischen dem Grünkörper-Verstärkungselement 112 und dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a in der Grünkörper-Schutzschicht 111, verursacht wird. Mit anderen Worten wird sich, wenn beim Brennschritt (insbesondere zur Zeit der Harzbeseitigung) ein Zwischenraum G zwischen dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a und der Wandfläche der Einsetzöffnung 112a des Grünkörper-Verstärkungselements 112 vorhanden ist, während des Brennens eine Beanspruchung wahrscheinlich an einem Abschnitt um den Zwischenraum G im zweiten Grünkörper-Festelektrolytelement 109 konzentrieren. Dies liegt an einem Unterschied in der Schrumpfrate zwischen dem zweiten Grünkörper-Festelektrolytelement 109 und jener des Grünkörper-Verstärkungselements 112 und des Grünkörper-Elektrodenschutzelements 113a. Als Ergebnis tritt der Riss CR im zweiten Festelektrolytelement 109 um den Zwischenraum G herum auf. Diese Erkenntnis bildet die Grundlage der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements bereit, das Folgendes aufweist: ein Festelektrolytelement, eine auf dem Festelektrolytelement gebildete Elektrode und eine Schutzschicht, die ein Verstärkungselement beinhaltet, das eine Einsetzöffnung aufweist, wobei ein poröses Elektrodenschutzelement in der Einsetzöffnung bereitgestellt ist und dazu geeignet ist, die Elektrode davor zu schützen, vergiftet bzw. durch An- und/oder Einlagerungen verunreinigt zu werden. Das Verfahren umfasst einen Pressschritt, wobei nach dem Anordnen eines Grünkörper-Elektrodenschutzelements in der Einsetzöffnung eines Grünkörper-Verstärkungselements zumindest das Grünkörper-Verstärkungselement und/oder das Grünkörper-Elektrodenschutzelement gepresst wird, um eine Grünkörper-Schutzschicht zu bilden; einen Schichtverbundbildungsschritt, wobei die Grünkörper-Schutzschicht und ein Grünkörper-Festelektrolytelement in Schichten angeordnet werden, um einen Schichtverbund zu bilden, der nach dem Brennen zum Gassensorelement werden wird; und einen Brennschritt, wobei der Schichtverbund gebrannt wird.
Beim Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird während des Pressschritts zumindest das Grünkörper-Verstärkungselement und/oder das Grünkörper-Elektrodenschutzelement gepresst. Demgemäß wird das Grünkörper-Verstärkungselement oder das Grünkörper-Elektrodenschutzelement in einen Zwischenraum zwischen dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement und der Wandfläche der Einsetzöffnung gepresst. Beim sich ergebenden Schichtverbund ist es unwahrscheinlich, dass zwischen dem Grünkörper-Verstärkungselement und dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement ein Zwischenraum auftritt, wodurch eine gesteigerte Haftung erreicht wird. Wenn der Schichtverbund gebrannt wird, ist es daher unwahrscheinlich, dass eine Wärmeschrumpfung des Grünkörper-Festelektrolytelements zum Festelektrolytelement durch eine Atmosphäre beeinflusst wird, die andernfalls im Zwischenraum, der bei einem herkömmlichen Herstellungsverfahren auftritt, vorhanden wäre. Daher ist es unwahrscheinlich, dass das Festelektrolytelement reißt.
Demgemäß ist der so erhaltene Gassensor von einer Verringerung des durch ein zu messendes Gas entwickelten elektrischen Potentials zwischen den Elektroden frei, und zeigt er eine verringerte Schwankung in der Gasfeststellleistung zwischen jeweiligen Sensoren. Außerdem können Gassensoren, die die obigen Eigenschaften zeigen, mit einer hohen Ertragsrate hergestellt werden.
Daher kann das Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements der vorliegenden Erfindung die Schwankung in der Gasfeststellleistung zwischen jeweiligen Sensoren verringern und kann derartige Gassensoren mit einer hohen Ertragsrate bereitstellen.
Vorzugsweise wird der Pressschritt beim Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung bei Raumtemperatur (20°C) oder höher, und vorzugsweise bei 40°C oder höher, durchgeführt. Dies steigert die Fluidität des Grünkörper-Verstärkungselements und des Grünkörper-Elektrodenschutzelements der Grünkörper-Schutzschicht, so dass das Grünkörper-Verstärkungselement und/oder das Grünkörper-Elektrodenschutzelement leichter in den Zwischenraum gepresst werden kann. Daher kann der Zwischenraum verlässlicher ausgefüllt, die Presszeit verkürzt und der ausgeübte Druck verringert werden.
Vorzugsweise wird beim Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung das Grünkörper-Elektrodenschutzelement gepresst. Da das Grünkörper-Elektrodenschutzelement hinsichtlich der Fläche senkrecht zur Schichtungsrichtung kleiner als das Grünkörper-Verstärkungselement ist, wird sich das Grünkörper-Elektrodenschutzelement unter Druck im Allgemeinen eher auswärts bzw. seitwärts ausdehnen. Und da sich das Grünkörper-Elektrodenschutzelement durch die Ausübung von Druck auswärts ausdehnt, um in die Einsetzöffnung des Grünkörper-Verstärkungselements, deren Abmessungen fest sind, zu passen, kann eine Maßgenauigkeit sichergestellt werden.
Vorzugsweise ist, falls das Grünkörper-Elektrodenschutzelement gepresst wird, die Dicke des Grünkörper-Elektrodenschutzelements vor dem Durchführen des Pressschritts größer als jene des Grünkörper-Verstärkungselements. Dies gestattet, dass sich das Grünkörper-Elektrodenschutzelement unter Druck leicht radial auswärts ausdehnt, ohne das Grünkörper-Verstärkungselement zu beeinflussen. In diesem Fall weisen das Grünkörper-Verstärkungselement und das Grünkörper-Elektrodenschutzelement nach dem Pressschritt vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Dicke auf. Der Unterschied zwischen der Dicke des Grünkörper-Verstärkungselements und jener des Grünkörper-Elektrodenschutzelements wird vorzugsweise so gesteuert, dass er vor dem Brennen 25 µm oder weniger beträgt.
Selbst wenn das Grünkörper-Elektrodenschutzelement in Bezug auf die Schichtungsrichtung dicker als das Grünkörper-Verstärkungselement ist, oder wenn das Grünkörper-Verstärkungselement in Bezug auf die Schichtungsrichtung dicker als das Grünkörper-Elektrodenschutzelement ist, weisen das Verstärkungselement und das Elektrodenschutzelement beim Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung nach dem Brennen vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Dicke auf. Der Unterschied zwischen der Dicke des Verstärkungselements und jener des Elektrodenschutzelements wird vorzugsweise so gesteuert, dass er nach dem Brennen 20 µm oder weniger beträgt. Dies liegt daran, dass das durch ein zu messendes Gas entwickelte elektrische Potential zwischen den Elektroden verringert wird, wenn das Verstärkungselement und das Elektrodenschutzelement dabei versagen, im Wesentlichen die gleiche Dicke aufzuweisen. Als Ergebnis wird die Gasfeststellleistung zwischen Gassensoren wahrscheinlich schwanken.
Vorzugsweise weist die Einsetzöffnung beim Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung in der Ebene betrachtet keine scharfe Ecke auf. Im Besonderen ist eine vieleckige Form mit abgerundeten Ecken, welche vorzugsweise einen Krümmungsradius von 0,5 mm oder mehr aufweisen, eine runde Form oder dergleichen bevorzugt. Die Verwendung einer derartigen Form verringert die Anfälligkeit für das Auftreten eines Zwischenraums zwischen dem Grünkörper-Verstärkungselement und dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement. Wenn das Elektrodenschutzelement, das durch Brennen gebildet wird, während es in einem zwischenraum losen Zustand in die Einsetzöffnung eingepasst ist, in der Schichtungsrichtung betrachtet keine scharfe Ecke aufweist, wird insbesondere die thermische Stärke und die mechanische Stärke gesteigert.
Ein mit dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestelltes Gassensorelement umfasst ein Festelektrolytelement, das eine plattenartige Form aufweist; eine auf dem Festelektrolytelement gebildete Elektrode; und eine Schutzschicht, die ein Verstärkungselement beinhaltet, das eine Einsetzöffnung aufweist, wobei ein poröses Elektrodenschutzelement in der Einsetzöffnung bereitgestellt ist und dazu angepasst ist, die Elektrode davor zu schützen, vergiftet bzw. durch An- und/oder Einlagerungen verunreinigt zu werden. Beim Gassensorelement fehlt zwischen einer inneren Umfangsfläche der Einsetzöffnung und einer äußeren Umfangsfläche des Elektrodenschutzelements ein Zwischenraum von mehr als einem durchschnittlichen Durchmesser der Poren im Elektrodenschutzelement. Mit anderen Worten, der Zwischenraum ist kleiner als der durchschnittliche Durchmesser der Poren im Elektrodenschutzelment.
Wenn ein Zwischenraum zwischen der inneren Umfangsfläche der Einsetzöffnung und der äußeren Umfangsfläche des Elektrodenschutzelements nicht größer als der durchschnittliche Durchmesser der Poren im Elektrodenschutzelement ist, kann die Bildung eines Risses im Festelektrolytelement verhindert werden. Der folgende Grund dafür ist denkbar. Wenn es unwahrscheinlich ist, dass zwischen der Wandfläche der Einsetzöffnung und dem Grünkörper-Schutzelement, das das Elektrodenschutzelement vor dem Brennen ist, ein Zwischenraum während des Brennschritts auftritt, ist es unwahrscheinlich, dass die Wärmeschrumpfung des Grünkörper-Festelektrolytelements während des Brennens (um dadurch das Festelektrolytelement zu bilden) durch eine Atmosphäre beeinflusst wird, die andernfalls im Zwischenraum, der bei einem herkömmlichen Herstellungsverfahren auftritt, vorhanden wäre.
Demgemäß zeigen Gassensoren, die das Gassensorelement der vorliegenden Erfindung einsetzen, eine verringerte Schwankung in der Gasfeststellleistung zwischen den jeweiligen Sensoren und können mit einer hohen Ertragsrate hergestellt werden.
Ein Gassensor umfasst ein Gassensorelement zur Detektion bzw. zum Erfassen eines zu messenden Gases und einen Metallmantel zum Stützen des Gassensorelements. Der Gassensor setzt das oben beschriebene Gassensorelement ein.
Die Gassensoren zeigen eine verringerte Schwankung in der Gasfeststellleistung zwischen den jeweiligen Sensoren und können mit einer hohen Ertragsrate hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements bereitgestellt, wobei das Gassensorelement umfasst: ein Festelektrolytelement aufweisend eine plattenartige Form, eine auf dem Festelektrolytelement gebildete Elektrode und eine Schutzschicht, die ein Verstärkungselement hat, das eine Einsetzöffnung aufweist, wobei ein poröses Elektrodenschutzelement in der Einsetzöffnung bereitgestellt und dazu angepasst ist, die Elektrode davor zu schützen, vergiftet bzw. durch An- und/oder Einlagerungen verunreinigt zu werden. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Schritt zur Bildung einer Einsetzöffnung, wobei die Einsetzöffnung in eine erste Grünkörper-Keramikplatte bzw. Keramikfolie gestanzt wird, um ein Grünkörper-Verstärkungselement zu bilden, das die Einsetzöffnung aufweist; einen Schritt des Ausstanzens eines Rohlings aus einer zweiten Grünkörper-Keramikplatte bzw. Keramikfolie, die auf dem Grünkörper-Verstärkungselement angeordnet ist, um den Rohling als ein Grünkörper-Elektrodenschutzelement in der Einsetzöffnung des Grünkörper-Verstärkungselements anzuordnen; und einen Schritt des Brennens des Grünkörper-Verstärkungselements und des Grünkörper-Elektrodenschutzelements, um das Verstärkungselement und das Elektrodenschutzelement zu bilden.
Wie oben erwähnt wird der Rohling, der aus der zweiten Grünkörper-Keramikplatte ausgestanzt wird, als Grünkörper-Elektrodenschutzelement in der Einsetzöffnung des Grünkörper-Verstärkungselements angeordnet, um dadurch die Bildung eines Zwischenraums zwischen dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement und der Wandfläche der Einsetzöffnung möglichst zu verhindern. Außerdem kann ein Schritt des Ausstanzens des Grünkörper-Elektrodenschutzelements aus der zweiten Grünkörper-Keramikplatte und ein Schritt des Anordnens des erhaltenen Grünkörper-Elektrodenschutzelements in der Einsetzöffnung gleichzeitig durchgeführt werden, wodurch die Anzahl der Verarbeitungsschritte verringert wird.
Vorzugsweise umfasst das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung außerdem nach dem Ausstanzschritt einen Pressschritt, wobei zumindest das Grünkörper-Verstärkungselement und/oder das Grünkörper-Elektrodenschutzelement gepresst wird, um eine Grünkörper-Schutzschicht zu bilden. Dieses Pressen verformt das gepresste Grünkörper-Verstärkungselement oder das gepresste Grünkörper-Elektrodenschutzelement, um einen Zwischenraum zwischen dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement und der Wandfläche der Einsetzöffnung auszufüllen, wodurch die Haftung dazwischen verbessert wird. Daher ist es beim Brennen des sich ergebenden Schichtverbunds unwahrscheinlich, dass eine Wärmeschrumpfung des Grünkörper-Festelektrolytelements durch eine Atmosphäre beeinflusst wird, die andernfalls im Zwischenraum, der bei einem herkömmlichen Herstellungsverfahren auftritt, vorhanden wäre, so dass es unwahrscheinlich ist, dass das Festelektrolytelement reißt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

1 ist eine schematische, vergrößerte Schnittansicht, die Ausführungsform 1 betrifft und eine Stanzform zum Schneiden einer Einsetzöffnung durch ein Grünkörper-Verstärkungselement zeigt.
2 ist eine schematische vergrößerte Schnittansicht, die Ausführungsform 1 betrifft und einen Zustand zeigt, in dem die Stanzform von 1 geschlossen ist.
3 ist eine Flachansicht, die Ausführungsform 1 betrifft und eine Grünkörper-Schutzschicht zeigt, die das Grünkörper-Verstärkungselement und ein Grünkörper-Elektrodenschutzelement beinhaltet.
4 ist eine schematische vergrößerte Schnittansicht, die Ausführungsform 1 betrifft und die Stanzform zum Einsetzen des Grünkörper-Elektrodenschutzelements in die Einsetzöffnung des Grünkörper-Verstärkungselements zeigt.
5 ist eine schematische vergrößerte Schnittansicht, die Ausführungsform 1 betrifft und einen Zustand zeigt, in dem die Stanzform von 4 geschlossen ist.
6 ist eine schematische vergrößerte Schnittansicht, die Ausführungsform 1 betrifft und eine Bildungsform zum Pressen des Grünkörper-Schutzelements zeigt.
7 ist eine schematische vergrößerte Schnittansicht, die Ausführungsform 1 betrifft und einen Zustand zeigt, in dem die Stanzform von 6 geschlossen ist.
8 ist eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines Gassensorelements gemäß Ausführungsform 1.
9 ist eine Schnittansicht eines Gassensors gemäß Ausführungsform 1 und 2.
10 ist eine Draufsicht, die eine abgeänderte Ausführungsform betrifft und eine Grünkörper-Schutzschicht zeigt, die ein Grünkörper-Verstärkungselement und ein Grünkörper-Elektrodenschutzelement beinhaltet.
11 ist eine schematische auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Gassensorelements und eines Heizers, die sowohl Ausführungsform 1 als auch eine herkömmliche Gestaltung betrifft.
12 ist eine schematische auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Gassensorelements und eines Heizers gemäß Ausführungsform 2.
13 ist eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines herkömmlichen Gassensorelements.

Die Bezugszeichen, die verwendet werden, um in den Figuren verschiedene bauliche Merkmale zu bezeichnen, beinhalten Folgendes:

109: zweites Festelektrolytelement, zweites Grünkörper-Festelektrolytelement
405: zweites Festelektrolytelement
111: Schutzschicht, Grünkörper-Schutzschicht
407: Schutzschicht
110: vierte Elektrode, vierte Grünkörper-Elektrode
406: vierte Elektrode
300,600: Gassensorelement
112a: Einsetzöffnung
112: Verstärkungselement, Grünkörper-Verstärkungselement
113: zweite Grünkörper-Keramikplatte / zweite Grünkörper-Keramikfolie
117: erste Grünkörper-Keramikplatte / erste Grünkörper-Keramikfolie
408: Verstärkungselement
113a: Elektrodenschutzelement, Grünkörper-Elektrodenschutzelement
409a: Elektrodenschutzelement
G: Zwischenraum
23: Metallmantel

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden als nächstes die Ausführungsformen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht als darauf beschränkt betrachtet werden.
Ausführungsform 1:
Zuerst wird ein Gassensor der Ausführungsform 1 beschrieben.
Wie in 9 gezeigt, beinhaltet der Gassensor ein Gassensorelement 300; einen auf das Gassensorelement 300 geschichteten bzw. laminierten Heizer 200; einen Metallmantel 23, der das Gassensorelement 300 und dergleichen darin hält; und eine Schutzeinrichtung 24, die an einem vorderen Endabschnitt des Metallmantels 23 angebracht ist. Das Gassensorelement 300 und der Heizer 200 sind so angeordnet, dass sie sich in der Richtung einer Achse L erstrecken.
Wie in 11 gezeigt umfasst der Heizer 200 ein erstes Substrat 101, ein zweites Substrat 103, und ein Heizelement 102. Das erste und das zweite Substrat 101 und 103 enthalten hauptsächlich Aluminiumoxid. Das Heizelement 102 umfasst einen Heizabschnitt 102a, der sich an der vorderen Endseite davon befindet, und ein Paar von Heizerleiterabschnitten 102b. Die Enden der Heizerleiterabschnitte 102b sind über entsprechende Durchgangslöcher 101a, die im ersten Substrat 101 gebildet sind, elektrisch mit entsprechenden heizerseitigen Kontaktstellen 120 verbunden.
Das Gassensorelement 300 beinhaltet eine Sauerstoffkonzentrationsdetektionszelle bzw. Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle 130 und eine Sauerstoffpumpzelle 140. Die Sauerstoffkonzentrationsdetektionszelle 130 umfasst ein erstes Festelektrolytelement 105, eine erste Elektrode 104, und eine zweite Elektrode 106. Die erste und die zweite Elektrode 104 und 106 sind an entsprechenden gegenüberliegenden Seiten des ersten Festelektrolytelements 105 gebildet. Die erste Elektrode 104 beinhaltet einen ersten Elektrodenabschnitt 104a und einen ersten Leiterabschnitt 104b. Die zweite Elektrode 106 beinhaltet einen zweiten Elektrodenabschnitt 106a und einen zweiten Leiterabschnitt 106b.
Ein Ende des ersten Leiterabschnitts 104b ist über ein Durchgangsloch 105a, ein Durchgangsloch 107a, ein Durchgangsloch 109a und ein Durchgangsloch 111a elektrisch mit einer entsprechenden gassensorelementseitigen Kontaktstelle 121 verbunden. Ein Ende des zweiten Leiterabschnitts 106b ist über ein Durchgangsloch 107b, ein Durchgangsloch 109b und ein Durchgangsloch 111b elektrisch mit einer entsprechenden gassensorelementseitigen Kontaktstelle 121 verbunden.
Die Sauerstoffpumpzelle 140 beinhaltet ein zweites Festelektrolytelement 109, eine dritte Elektrode 108, und eine vierte Elektrode 110 Die dritte und die vierte Elektrode 108 und 110 sind an entsprechenden gegenüberliegenden Seiten des zweiten Festelektrolytelements 109 gebildet. Die dritte Elektrode 108 beinhaltet einen dritten Elektrodenabschnitt 108a und einen dritten Leiterabschnitt 108b. Die vierte Elektrode 110 beinhaltet einen vierten Elektrodenabschnitt 110a und einen vierten Leiterabschnitt 110b.
Ein Ende des dritten Leiterabschnitts 108b ist über das Durchgangsloch 109b und das Durchgangsloch 111b elektrisch mit einer entsprechenden gassensorelementseitigen Kontaktstelle 121 verbunden. Ein Ende des vierten Leiterabschnitts 110b ist über ein Durchgangsloch 111c elektrisch mit einer entsprechenden gassensorelementseitigen Kontaktstelle 121 verbunden. Der zweite Leiterabschnitt 106b und der dritte Leiterabschnitt 108b weisen über das Durchgangsloch 107b das gleiche elektrische Potential auf.
Das erste Festelektrolytelement 105 und das zweite Festelektrolytelement 109 sind aus einem Sinterkörper aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumoxid hergestellt, der durch Hinzufügen von Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Calciumoxid (CaO), das als Stabilisierungsmittel dient, zum Zirkoniumoxid (ZrO₂) gebildet wird.
Das Heizelement 102, die erste Elektrode 104, die zweite Elektrode 106, die dritte Elektrode 108, die vierte Elektrode 110, die heizerseitigen Kontaktstellen 120 und die gassensorelementseitigen Kontaktstellen 121 können aus einem Element der Platingruppe gebildet werden. Elemente der Platingruppe, die zum Bilden der Elemente (Elektroden, Kontaktstellen) bevorzugt sind, beinhalten Platin, Rhodium, und Palladium. Diese Elemente können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Insbesondere wird im Hinblick auf die Wärmebeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit hauptsächlich Platin verwendet, um das Heizelement 102, die erste Elektrode 104, die zweite Elektrode 106, die dritte Elektrode 108, die vierte Elektrode 110, die heizerseitigen Kontaktstellen 120 und die gassensorelementseitigen Kontaktstellen 121 zu bilden. Außerdem enthalten das Heizelement 102, die erste Elektrode 104, die zweite Elektrode 106, die dritte Elektrode 108, die vierte Elektrode 110, die heizerseitigen Kontaktstellen 120 und die gassensorelementseitigen Kontaktstellen 121 zusätzlich zum Element der Platingruppe (dem Hauptbestandteil) vorzugsweise einen keramischen Bestandteil. Zur Förderung der Haftung ist der keramische Bestandteil vorzugsweise einem Material ähnlich, das überwiegend in einem Gegenstück des Schichtverbunds enthalten ist (z.B. einem Hauptbestandteil des ersten Festelektrolytelements 105 und des zweiten Festelektrolytelements 109).
Zwischen der Sauerstoffpumpzelle 140 und der Sauerstoffkonzentrationsdetektionszelle 130 ist eine Isolierschicht 107 gebildet. Die Isolierschicht 107 beinhaltet einen Isolierabschnitt 114 und diffusionssteuernde Abschnitte 115. Eine Gasdetektionskammer bzw. Gaserfassungskammer 107c ist im Isolierabschnitt 114 der Isolierschicht 107 an einer Position gebildet, die dem zweiten Elektrodenabschnitt 106a und dem dritten Elektrodenabschnitt 108a entspricht. Die Gasfeststellkammer 107c steht entlang der seitlichen Richtung der Isolierschicht 107 mit der Außenseite in Verbindung. Im Verbindungsbereich der Isolierschicht 107 sind die diffusionssteuernden Abschnitte 115 bereitgestellt, um eine Gasdiffusion mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit zwischen der Außenseite und der Gasfeststellkammer 107c auszuführen.
Dem Isolierabschnitt 114 ist keine bestimmte Beschränkung auferlegt, solange der Isolierabschnitt 114 aus einem elektrisch isolierenden Keramiksinterkörper gebildet ist. Beispiele für einen derartigen Keramiksinterkörper beinhalten Oxidkeramiken wie etwa Aluminiumoxid und Mullit.
Die diffusionssteuernden Abschnitte 115 sind aus einem porösen Aluminiumoxidkörper hergestellt. Die diffusionssteuernden Abschnitte 115 steuern die Strömungsgeschwindigkeit eines festzustellenden Gases, wenn das Gas in die Gasdetektionskammer 107c strömt.
Eine Schutzschicht 111 ist so an der Oberfläche des zweiten Festelektrolytelements 109 gebildet, dass die vierte Elektrode 110 dazwischen eingefügt ist. Die Schutzschicht 111 beinhaltet ein poröses Elektrodenschutzelement 113a und ein Verstärkungselement 112. Das Elektrodenschutzelement 113a bedeckt den vierten Elektrodenabschnitt 110a, um den vierten Elektrodenabschnitt 110a davor zu schützen, vergiftet zu werden. Das Verstärkungselement 112 schützt das zweite Festelektrolytelement 109, wobei der vierte Leiterabschnitt 110b dazwischen eingefügt ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf 9 sind im Metallmantel 23 von der vorderen Endseite zur hinteren Endseite eine Metallhalterung 34, eine Keramikhalterung 35 und Talk 36 angeordnet. Eine aus Aluminiumoxid hergestellte Hülse 39 ist an der hinteren Seite des Talks 36 angeordnet. Die Hülse 39 ist zu einer mehrstufigen zylindrischen Form ausgeformt. Ein in Axialrichtung verlaufendes Loch 39a ist entlang der Achse in der Hülse 39 gebildet und gestattet, dass sich das Gassensorelement 300 und der Heizer 200 hindurch erstrecken. Ein Falzabschnitt 23a am hinteren Ende des Metallmantels 23 ist radial einwärts gebogen, wodurch die Hülse 39 über ein Ringelement 40, das aus Edelstahl hergestellt ist, zum vorderen Ende des Metallmantels 23 hin gepresst wird.
Eine Schutzeinrichtung 24, die aus Metall hergestellt ist und mehrere Gaseinlassöffnungen 24a aufweist, ist an die äußere Umfangsfläche eines vorderen Endabschnitts des Metallmantels 23 geschweißt und bedeckt einen vorderen Endabschnitt des Gassensorelements 300, der vom vorderen Ende des Metallmantels 23 vorspringt. Die Schutzeinrichtung 24 beinhaltet eine äußere Schutzeinrichtung 41 und eine innere Schutzeinrichtung 42.
Ein Außenrohr 25, ein Separator 50 und eine Halteeinrichtung 51 sind an einer hinteren Endseite des Metallmantels 23 bereitgestellt. Anschlussklemmen 16 zum Verbinden von Leitungsdrähten und externen Klemmen des Gassensorelements 300 und externen Klemmen des Heizers 200 sind in Durchgangslöchern 50b des Separators 50 untergebracht. Eine Gummikappe 52 ist an der hinteren Endseite des Separators 50 angeordnet.
Als nächstes wird ein Verfahren beschrieben werden, das zum Herstellen des Gassensorelements von Ausführungsform 1 verwendet wird.
Zuerst wurden ein erstes Materialpulver und ein Plastifiziermittel nassgemischt, wodurch eine Aufschlämmung bzw. Schlicker angefertigt wurde, in der das Pulver und das Plastifiziermittel dispergiert waren. Das erste Materialpulver besteht zum Beispiel aus 97 Gew.% Aluminiumoxidpulver und 3 Gew.% Siliziumoxid, das als ein Sinterungsverbesserungsmittel dient. Das Plastifiziermittel besteht aus einem Butyralharz und Dibutylphthalat (DBP). Durch einen Plattenbildungsvorgang, der eine Streichmesservorrichtung verwendet, wurde die Aufschlämmung bzw. Schlicker zu einer Platte bzw. Folie geformt, die eine Dicke von 0,4 mm aufwies. Die Platte bzw. Folie wurde zu einer Größe von 140 mm × 140 mm geschnitten, wodurch eine in 1 gezeigte erste Grünkörper-Keramikplatte bzw. Keramikfolie 117 hervorgebracht wurde.
Als nächstes wurde ein Einsetzöffnungsbildungsschritt durchgeführt. Zuerst wurde eine in 1 und 2 gezeigte Stanzform P1 vorbereitet. Die Stanzform P1 beinhaltet eine untere Form 1, eine obere Form 2 und einen Stempel 3. Eine Arbeitsöffnung 1a der unteren Form 1 und eine Arbeitsöffnung 2a der oberen Form 2 weisen in einer senkrechten Richtung gesehen eine quadratische Form mit abgerundeten Ecken auf. Der Stempel 3 ist so eingerichtet, dass er senkrecht durch die Arbeitsöffnung 2a und die Arbeitsöffnung 1a beweglich ist.
Wie in 1 gezeigt, wurde die erste Grünkörper-Keramikplatte 117 auf der unteren Form 1 angeordnet. Wie in 2 gezeigt, wurde der Stempel 3 abgesenkt, um eine Einsetzöffnung 112a durch die erste Grünkörper-Keramikplatte 117 zu schneiden, während die obere Form 2 abgesenkt wurde, damit die erste Grünkörper-Keramikplatte 117 fest zwischen der oberen Form 2 und der unteren Form 1 eingefügt war, wodurch ein Grünkörper-Verstärkungselement 112 gebildet wurde. Wie in 3 gezeigt, weist die Einsetzöffnung 112a wie im Fall der Arbeitsöffnung 1a von oben gesehen eine quadratische Form mit abgerundeten Ecken auf, die einen Krümmungsradius von etwa 1 mm aufweisen.
Mittlerweise wurden ein zweites Materialpulver und ein Plastifiziermittel nassgemischt, wodurch eine Aufschlämmung bzw. Schlicker angefertigt wurde, in der das Pulver und das Plastifiziermittel dispergiert waren. Das zweite Materialpulver besteht zum Beispiel aus 63 Gew.% Aluminiumoxidpulver, 3 Gew.% Siliziumoxid, das als ein Sinterungsverbesserungsmittel dient, und 34 Gew.% Kohlenstoffpulver. Das Plastifiziermittel besteht aus einem Butyralharz und DBP. Wie im Fall des Grünkörper-Verstärkungselements 112 wurde durch die Verwendung der Aufschlämmung bzw. Schlicker eine in 4 gezeigte zweite Grünkörper-Keramikplatte bzw. Keramikfolie 113 erhalten. Die zweite Grünkörper-Keramikplatte 113 weist eine Dicke von 0,4 mm + 25 µm auf. Es ist zu bemerken, dass das Plastifiziermittel modifiziert war, um die Dehnbarkeit der zweiten Grünkörper-Keramikplatte 113 zu erhöhen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde die zweite Grünkörper-Keramikplatte 113 mit einer Dicke von 0,4 mm + 25 µm gebildet. Doch wenn die Dicke 0,4 mm + 10 µm oder mehr beträgt, kann die Grünkörper-Keramikplatte 113 in einem Pressschritt, der nachstehend beschrieben werden wird, einen Zwischenraum G ausfüllen.
Anschließend wurde ein Ausstanzschritt durchgeführt. Wie in 4 gezeigt wurde die zweite Grünkörper-Keramikplatte 113 auf dem Grünkörper-Verstärkungselement 112 angeordnet. Wie in 5 gezeigt wurde der Stempel 3 abgesenkt, um einen Abschnitt aus der zweiten Grünkörper-Keramikplatte 113 auszustanzen, während die obere Form 2 abgesenkt wurde, damit das Grünkörper-Verstärkungselement 112 und die zweite Grünkörper-Keramikplatte 113 fest zwischen der oberen Form 2 und der unteren Form 1 eingefügt waren, und wurde der ausgestanzte Abschnitt in die Einsetzöffnung 112a eingefügt, um als ein Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a zu dienen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist nach dem Absenken des Stempels 3 die untere Fläche des Stempels 3 in einer senkrechten, mit der Kontaktfläche zwischen dem Grünkörper-Verstärkungselement 112 und der zweiten Grünkörper-Keramikplatte 113 ausgerichteten Position. Es ist zu bemerken, dass das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a ausreichend in die Einsetzöffnung 112a des Grünkörper-Verstärkungselements 112 eingesetzt werden kann, wenn sich die untere Fläche des abgesenkten Stempels 3 unter einer Position befindet, die der halben Dicke der zweiten Grünkörper-Keramikplatte 113 entspricht.
Wie oben beschrieben wird das ausgestanzte Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a in der Einsetzöffnung des Grünkörper-Verstärkungselements 112 angeordnet, während die auf dem Grünkörper-Verstärkungselement 112 angeordnete zweite Grünkörper-Keramikplatte 113 dem Ausstanzen unterzogen wird, um dadurch die Bildung eines Zwischenraums zwischen dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a und der Wandfläche der Einsetzöffnung 112a möglichst zu verhindern. Außerdem können ein Schritt des Ausstanzens des Grünkörper-Elektrodenschutzelements 113a aus der Grünkörper-Elektrodenschutzplatte 113 und ein Schritt des Anordnens des so erhaltenen Grünkörper-Elektrodenschutzelements 113a in der Einsetzöffnung 112a gleichzeitig und genau durchgeführt werden.
Dann wird ein Pressschritt durchgeführt. Wie in 6 gezeigt wurde eine Stanzform P2 angefertigt. Die Stanzform P2 beinhaltet eine untere Form 8 und eine obere Form 9. Die obere Fläche der unteren Form 8 und die untere Fläche der oberen Form 9 sind flach. Ein nicht dargestellter Heizer ist zumindest in der unteren Form 8 und/oder der oberen Form 9 eingebettet.
Während die Oberfläche der unteren Form 8 und die Oberfläche der oberen Form 9 durch den Heizer auf 50 °C erhitzt wurden, wurde eine Grünkörper-Schutzschicht 111 auf der unteren Form 8 angeordnet. In der Richtung der Aufschichtung (Schichtungsrichtung) vor dem Pressen gemessen ist die Grünkörper-Schutzschicht 111 so gestaltet, dass das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a um 25 µm dicker als das Grünkörper-Verstärkungselement 112 ist.
Dann wurde die obere Form 9 wie in 7 gezeigt abgesenkt, um das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a bei einem Druck von 40 kg/cm² nach unten zu pressen. Dies verursacht, dass sich das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a in den Zwischenraum G zwischen diesem Element und der Wandfläche der Einsetzöffnung 112a des Grünkörper-Verstärkungselements 112 ausdehnt.
Da der Pressschritt im Besonderen während eines Erhitzens auf Raumtemperatur oder höher durchgeführt wird, ist die Fluidität des Grünkörper-Elektrodenschutzelements 113a erhöht, so dass das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a leichter in den Zwischenraum G, gepresst wird. Somit kann der Zwischenraum G wie in 8 gezeigt, verlässlicher ausgefüllt werden; kann die Presszeit verkürzt werden; und kann der ausgeübte Druck verringert werden. Da die Form der Einsetzöffnung 112a des Grünkörper-Verstärkungselements 112 in Schichtungsrichtung gesehen keine scharfen Ecken aufweist, bleibt kein Zwischenraum an einer Ecke zurück. Da außerdem das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a, das in Schichtungsrichtung gemessen dicker als das Grünkörper-Verstärkungselement 112 ist und hinsichtlich des Oberflächenbereichs senkrecht zur Schichtungsrichtung kleiner als das Grünkörper-Verstärkungselement 112 ist, gepresst wird, kann das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a leicht durch Pressen ausgedehnt werden. Und da das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a durch Pressen ausgedehnt wird, um in die Einsetzöffnung 112a des Grünkörper-Verstärkungselements 112 eingepasst zu werden, dessen Abmessungen fest sind, kann die Abmessungsgenauigkeit der Einsetzöffnung 112a aufrechterhalten werden.
Anschließend wurde die obere Form 9 angehoben und die Grünkörper-Schutzschicht 111 abgeladen. Die so erhaltene Grünkörper-Schutzschicht 111 ist so gestaltet, dass das Grünkörper-Verstärkungselement 112 und das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen. In dieser Ausführungsform beträgt der Unterschied zwischen der Dicke des Grünkörper-Verstärkungselements 112 und jener des Grünkörper-Elektrodenschutzelements 113a etwa 20 µm.
Als nächstes wird der Aufschichtungsschritt beschrieben. Als Vorbereitung für den Aufschichtungsschritt wurden ein erstes Grünkörper-Substrat 101, ein zweites Grünkörper-Substrat 103, und ein Grünkörper-Isolierabschnitt 114 einer Grünkörper-Isolierschicht 107, die in 11 gezeigt sind, wie im Fall der Grünkörper-Keramikplatte 117 angefertigt.
Außerdem wurden ein drittes Materialpulver und ein Plastifiziermittel nassgemischt, wodurch eine Aufschlämmung bzw. Schlicker angefertigt wurde, in der das Pulver und das Plastifiziermittel dispergiert waren. Das dritte Materialpulver besteht zum Beispiel aus 97 Gew.% Zirkoniumoxidpulver und insgesamt 3 Gew.% Siliziumoxid(SiO₂)pulver und Aluminiumoxidpulver, die als Sinterungsverbesserungsmittel dienen. Das Plastifiziermittel besteht aus einem Butyralharz und DBP. Unter Verwendung der Aufschlämmung bzw. Schlicker wurden das erste Festelektrolytelement 105 und das zweite Festelektrolytelement 109 erhalten.
Außerdem wurden zum Beispiel 100 Gew.% Aluminiumoxidpulver und ein Plastifiziermittel nassgemischt, wodurch eine Aufschlämmung bzw. Schlicker angefertigt wurde, in der das Pulver und das Plastifiziermittel dispergiert waren . Das Plastifiziermittel besteht aus einem Butyralharz und DBP. Unter Verwendung der Aufschlämmung bzw. Schlicker wurden wie im Fall der zweiten Grünkörper-Keramikplatte 113 diffusionssteuernde Grünkörper-Abschnitte 115 der Grünkörper-Isolierschicht 107 erhalten.
Dann wurden das erste Grünkörper-Substrat 101, ein Grünkörper-Heizelement 102, das zweite Grünkörper-Substrat 103, eine erste Grünkörper-Elektrode 104, ein erstes Grünkörper-Festelektrolytelement 105, eine zweite Grünkörper-Elektrode 106, die Grünkörper-Isolierschicht 107, eine dritte Grünkörper-Elektrode 108, ein zweites Grünkörper-Festelektrolytelement 109, eine vierte Grünkörper-Elektrode 110, die Grünkörper-Schutzschicht 111, und dergleichen, von unten nach oben in Schichten angeordnet.
Im Besonderen wurde das Grünkörper-Heizelement 102 durch einen Siebdruckvorgang unter Verwendung einer Paste, die überwiegend Platin enthielt, auf dem ersten Grünkörper-Substrat 101 gebildet. Dann wurde das zweite Grünkörper-Substrat 103 so auf das erste Grünkörper-Substrat 101 geschichtet, dass das Grünkörper-Heizelement 102 dazwischen eingefügt war.
Die erste Grünkörper-Elektrode 104 wurde auf dem ersten Grünkörper-Festelektrolytelement 105 gebildet. Die erste Grünkörper-Elektrode 104 ist aus einer Platinpaste gebildet, die 90 Gew.% Platin und 10 Gew.% Zirkoniumoxidpulver enthält. Die erste Grünkörper-Elektrode 104 wurde durch einen Siebdruckvorgang unter Verwendung der Platinpaste gebildet.
Dann wurde das erste Grünkörper-Festelektrolytelement 105 so auf das zweite Grünkörper-Substrat 103 geschichtet, dass die erste Grünkörper-Elektrode 104 dazwischen eingefügt war. Außerdem wurde die zweite Grünkörper-Elektrode 106 durch Drucken auf dem ersten Grünkörper-Festelektrolytelement 105 gebildet. Das Material für die zweite Grünkörper-Elektrode 106 ist jenem für die erste Grünkörper-Elektrode 104 ähnlich.
Dann wurde die Grünkörper-Isolierschicht 107 auf der zweiten Grünkörper-Elektrode 106 gebildet. Insbesonders wurden der Grünkörper-Isolierabschnitt 114 und die diffusionssteuernden Grünkörper-Abschnitte 115 gebildet. Es ist zu bemerken, dass eine Paste, die überwiegend Kohlenstoff enthält, auf einen Bereich der Grünkörper-Isolierschicht 107 aufgebracht wird, der nach dem Brennen zur Gasdetektionskammer 107c werden wird.
Außerdem wurde die dritte Grünkörper-Elektrode 108 auf das zweite Grünkörper-Festelektrolytelement 109 gedruckt. Das zweite Grünkörper-Festelektrolytelement 109 wurde so auf die Grünkörper-Isolierschicht 107 geschichtet, dass die dritte Grünkörper-Elektrode 108 dazwischen eingefügt war. Dann wurde die vierte Grünkörper-Elektrode 110 auf das zweite Grünkörper-Festelektrolytelement 109 gedruckt. Ein Material, das jenem für die erste Grünkörper-Elektrode 104 ähnlich ist, wird verwendet, um die dritte Grünkörper-Elektrode 108 und die vierte Grünkörper-Elektrode 110 zu bilden. Dann wurde die Grünkörper-Schutzschicht 111 auf die vierte Grünkörper-Elektrode 110 geschichtet.
Der sich ergebende mehrschichtige Gegenstand wurde bei einem Druck von 1 MPa pressgebunden und dann in eine vorbestimmte Größe geschnitten, wodurch ein Schichtverbund hervorgebracht wurde. Da das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a im Pressschritt gepresst wurde, ist der Schichtverbund wie in 8 gezeigt so gestaltet, dass es unwahrscheinlich ist, dass der Zwischenraum G zwischen dem Grünkörper-Verstärkungselement 112 und dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a auftritt.
Anschließend wird der Schichtverbund gebrannt. Im Besonderen erfährt der Schichtverbund ein Harzbeseitigungsbrennen und wird er dann dem Hauptbrennen unterzogen, wodurch das Gassensorelement 300 zum Feststellen der Konzentration des Sauerstoffs in Abgas hervorgebracht wird.
Wenn der Brennschritt durchgeführt wird, wird die erste Grünkörper-Elektrode 104 zur ersten Elektrode 104, die den ersten Elektrodenabschnitt 104a und den ersten Leiterabschnitt 104b umfasst. Das erste Grünkörper-Festelektrolytelement 105 wird zum ersten Festelektrolytelement 105. Die zweite Grünkörper-Elektrode 106 wird zur zweiten Elektrode 106, die den zweiten Elektrodenabschnitt 106a und den zweiten Leiterabschnitt 106b umfasst. Der Grünkörper-Isolierabschnitt 114 der Grünkörper-Isolierschicht 107 wird zum Isolierabschnitt 114, und die diffusionssteuernden Grünkörper- Abschnitte 115 der Grünkörper-Isolierschicht 107 werden zu den porösen diffusionssteuernden Abschnitten 115 Auf diese Wiese wird die Grünkörper-Isolierschicht 107 zur Isolierschicht 107. Die Gasdetektionskammer 107c der Isolierschicht 107 steht über die diffusionssteuernden Abschnitte 115, die sich an seitlich gegenüberliegenden Seiten des Isolierabschnitts 114 befinden, mit der Außenseite in Verbindung. Die diffusionssteuernden Abschnitte 115 führen die Gasdiffusion mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit zwischen der Außenseite und der Gasdetektionskammer 107c aus. Die dritte Grünkörper-Elektrode 108 wird zur dritten Elektrode 108, die den dritten Elektrodenabschnitt 108a und den dritten Leiterabschnitt 108b umfasst. Das zweite Grünkörper-Festelektrolytelement 109 wird zum zweiten Festelektrolytelement 109. Die vierte Grünkörper-Elektrode 110 wird zur vierten Elektrode 110, die den vierten Elektrodenabschnitt 110a und den vierten Leiterabschnitt 110b umfasst. Das Grünkörper-Verstärkungselement 112 der Grünkörper-Schutzschicht 111 wird zum Verstärkungselement 112 zum Schützen des zweiten Festelektrolytelements 109, und das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a der Grünkörper-Schutzschicht 111 wird zum porösen Elektrodenschutzelement 113a zum Schützen der vierten Grünkörper-Elektrode 110 vor einer Vergiftung.
Im Besonderen setzt das Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements 300 einen Schichtverbund ein, bei dem es, wie in 8 gezeigt, unwahrscheinlich ist, dass der Zwischenraum G zwischen dem Grünkörper-Verstärkungselement 112 und dem Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113a auftritt. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Wärmeschrumpfung des zweiten Grünkörper-Festelektrolytelements 109 während des Brennschritts, um zum zweiten Festelektrolytelement 109 zu werden, durch eine Atmosphäre beeinflusst wird, die andernfalls im Zwischenraum G, der bei einem herkömmlichen Herstellungsverfahren gebildet wird, vorhanden wäre. Somit ist es unwahrscheinlich, dass sich im zweiten Festelektrolytelement 109 ein Riss CR bildet. Außerdem ist das Verstärkungselement 112 in der Dicke im Wesentlichen mit dem Elektrodenschutzelement 113a identisch. Der Unterschied zwischen der Dicke des Verstärkungselements 112 und jener des Elektrodenschutzelements 113a beträgt nach dem Brennen etwa 16 µm.
Da das Elektrodenschutzelement 113a, das während des Brennens gebildet wird, während es in einem zwischenraumlosen Zustand in die Einsetzöffnung 112a des Grünkörper-Verstärkungselements 112 eingepasst ist, in der Schichtungsrichtung gesehen keine scharfe Ecke aufweist, wird die thermische Stärke und die mechanische Stärke gesteigert.
Wie in 9 gezeigt werden der Metallmantel 23, das Außenrohr 25, die Schutzeinrichtung 24, und dergleichen angefertigt und zusammengesetzt, wodurch ein Gassensor gebildet wird. Da es unwahrscheinlich ist, dass sich im zweiten Festelektrolytelement 109 des Gassensorelements 300 der Riss CR bildet, wird das durch ein zu messendes Gas entwickelte elektrische Potential zwischen den Elektroden im Gassensor nicht verringert. Daher wird die Schwankung in der Gasfeststellleistung zwischen jeweiligen Gassensoren klein. Außerdem werden die Gassensoren der Erfindung mit hoher Ertragsrate hergestellt.
Wie in 10 gezeigt kann im Grünkörper-Verstärkungselement 112 der Grünkörper-Schutzschicht 111 eine Einsetzöffnung 112b gebildet werden, die in der senkrechten Richtung gesehen eine runde Form aufweist, und kann ein Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113b in die Einsetzöffnung 112b eingepasst werden. Zusätzlich zu einer runden Form kann die Einsetzöffnung dazu angepasst sein, eine abgerundete Ecken aufweisende quadratische Form, eine abgerundete Ecken aufweisende rechteckige Form, eine elliptische oder eine ähnliche Form aufzuweisen, und kann ein entsprechendes Grünkörper-Elektrodenschutzelement in eine derartige Einsetzöffnung eingepasst werden.
Ausführungsform 2:
Der Gassensor von Ausführungsform 2 ist dem von Ausführungsform 1 ähnlich. In Ausführungsform 1 ist das in 11 gezeigte Gassensorelement 300 so hergestellt, dass es die Sauerstoffkonzentrationsdetektionszelle bzw. Sauerstoffkonzentrationsfeststellzelle130, die Isolierschicht 107, die Sauerstoffpumpzelle 140, und die Schutzschicht 111 aufweist. Ein Gassensorelement 600 von Ausführungsform 2, das in 12 gezeigt ist und eine Sauerstoffkonzentrationsdetektionszelle 430 und eine Schutzschicht 407 aufweist, kann auf eine ähnliche Weise hergestellt werden.
Als nächstes wird das Gassensorelement 600 von Ausführungsform 2 zusammen mit einem Heizer 500 beschrieben . Das Gassensorelement 600 weist keine Sauerstoffpumpzelle und keine Isolierschicht auf. Die anderen baulichen Merkmale werden unter Verwendung der entsprechenden Ausdrücke von Ausführungsform 1 beschrieben werden.
Der Heizer 500 beinhaltet ein erstes Substrat 401, ein zweites Substrat 403, und ein Heizelement 402. Das erste und das zweite Substrat 401 und 403 enthalten überwiegend Aluminiumoxid, und das Heizelement 402 ist zwischen das erste und das zweite Substrat 401 und 403 eingefügt. Das Heizelement 402 beinhaltet einen Heizabschnitt 402a und ein Paar von Heizerleiterabschnitten 402b. Die Enden der Heizerleiterabschnitte 402b sind über entsprechende Durchgangslöcher 401a elektrisch mit entsprechenden heizerseitigen Kontaktstellen 420 verbunden.
Die Sauerstoffkonzentrationsdetektionszelle 430 des Gassensorelements 600 beinhaltet ein erstes Festelektrolytelement 405, eine erste Elektrode 404, und eine zweite Elektrode 406. Die erste und die zweite Elektrode 404 und 406 sind an entsprechenden gegenüberliegenden Seiten des ersten Festelektrolytelements 405 gebildet. Die erste Elektrode 404 beinhaltet einen ersten Elektrodenabschnitt 404a und einen ersten Leiterabschnitt 404b. Die zweite Elektrode 406 beinhaltet einen zweiten Elektrodenabschnitt 406a und einen zweiten Leiterabschnitt 406b.
Ein Ende des ersten Leiterabschnitts 404b ist über ein Durchgangsloch 405a und ein Durchgangsloch 407a elektrisch mit einer entsprechenden gassensorelementseitigen Kontaktstelle 421 verbunden. Ein Ende des zweiten Leiterabschnitts 406b ist über ein Durchgangsloch 407c elektrisch mit einer entsprechenden gassensorelementseitigen Kontaktstelle 421 verbunden.
Das erste Festelektrolytelement 405 ist aus einem Sinterkörper aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumoxid hergestellt, der durch Hinzufügen von Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Calciumoxid (CaO), das als Stabilisierungsmittel dient, zum Zirkoniumoxid (ZrO₂) gebildet wird.
Das Heizelement 402, die erste Elektrode 404, die zweite Elektrode 406, die heizerseitigen Kontaktstellen 420, und die gassensorelementseitigen Kontaktstellen 421 können aus einem Element der Platingruppe gebildet werden. Elemente der Platingruppe, die zum Bilden der Elemente bevorzugt sind, beinhalten Platin, Rhodium, und Palladium. Diese Elemente können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Eine Schutzschicht 407 ist so an der Oberfläche des ersten Festelektrolytelements 405 gebildet, dass die zweite Elektrode 406 dazwischen eingefügt ist. Die Schutzschicht 407 beinhaltet ein poröses Elektrodenschutzelement 409a und ein Verstärkungselement 408. Das Elektrodenschutzelement 409a ist so angeordnet, dass es den zweiten Elektrodenabschnitt 406a bedeckt, und ist dazu angepasst, den zweiten Elektrodenabschnitt 406a davor zu schützen, vergiftet zu werden. Das Verstärkungselement 408 schützt das erste Festelektrolytelement 405 und ist so angeordnet, dass der zweite Leiterabschnitt 406b dazwischen eingefügt ist.
Das so gestaltete Gassensorelement 600 kann auf eine Weise hergestellt werden, die der von Ausführungsform 1 ähnlich ist, und kann im in 9 gezeigten Gassensor verwendet werden. In einer derartigen Anwendung erbringt das Gassensorelement 600 eine ähnliche Funktion und ähnliche Wirkungen, wie dies das Gassensorelement von Ausführungsform 1 tut.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsform 1 und 2 beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann geeignet abgeändert werden, ohne vom Geist und vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel wird in Ausführungsform 1 und 2 ein Material, das überwiegend Aluminiumoxid enthält, verwendet, um das erste Substrat 101 und 401 und das zweite Substrat 103 und 403 zu bilden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es kann ebenfalls ein Material verwendet werden, das überwiegend Zirkoniumoxid enthält.
Außerdem wird in Ausführungsform 1 ein Material, das überwiegend Aluminiumoxid enthält, verwendet, um den Isolierabschnitt 114 der Isolierschicht 107 zu bilden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es kann ebenfalls ein Material verwendet werden, das überwiegend Zirkoniumoxid enthält.
In Ausführungsform 2 sind der Heizer 500 und das Gassensorelement 600 in Schichten angeordnet, während sie in einem direkten Kontakt miteinander stehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Eine Schicht, die eine Atmosphäreneinbringungsöffnung aufweist, um die erste Elektrode 404 der Atmosphäre auszusetzen, kann dazwischen liegen.
Im Pressschritt von Ausführungsform 1 wird eine einzelne Stanzform P1 verwendet, um die Einsetzöffnung 112a durch das Grünkörper-Verstärkungselement 112 zu schneiden und das Grünkörper-Elektrodenschutzelement 113 in die Einsetzöffnung 112a einzusetzen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Alternativ kann der Pressschritt wie folgt ausgeführt werden. Nachdem die Einsetzöffnung 112a durch bzw. in das Grünkörper-Verstärkungselement 112 geschnitten wurde, wird das Grünkörper-Verstärkungselement 112 abgeladen. Das Grünkörper-Verstärkungselement 112 wird auf einer Stanzform angeordnet, deren untere Form nicht über die Arbeitsöffnung 1a verfügt. Dann wird die Grünkörper-Elektrodenschutzschicht 113 in die Einsetzöffnung 112a eingesetzt.
Das Gassensorelement und der Gassensor der vorliegenden Erfindung können verbreitet in Motoren, Abgassensoren (Sauerstoffsensoren, Kohlenwasserstoffsensoren, NOx-Sensoren, usw.), und anderen verschiedenen Arten von Sensoren verwendet werden.
Diese Anmeldung beruht auf der am 31. März 2005 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-100425 , deren Offenbarungsgehalt hiermit vollständig aufgenommen ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, umfassend ein Festelektrolytelement (109), eine auf dem Festelektrolytelement (109) gebildete Elektrode (110), und eine Schutzschicht (111), die ein Verstärkungselement (112) beinhaltet, das eine Einsetzöffnung (112a) aufweist, wobei ein poröses Elektrodenschutzelement (113a) in der Einsetzöffnung angeordnet ist und dazu angepasst oder geeignet ist, die Elektrode (110) davor zu schützen, vergiftet bzw. durch An- und/oder Einlagerungen verunreinigt zu werden, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen eines Grünkörper-Elektrodenschutzelements (113a) in der Einsetzöffnung (112a) eines Grünkörper-Verstärkungselements und nachfolgendes Pressen des Grünkörper-Verstärkungselements und/oder des Grünkörper-Elektrodenschutzelements, um eine Grünkörper-Schutzschicht (111) zu bilden; Anordnen der Grünkörper-Schutzschicht (111) und eines Grünkörper-Festelektrolytelements (109) in Schichten, um einen Schichtverbund zu bilden, der nach dem Brennen zum Gassensorelement werden wird; und Brennen des Schichtverbunds.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 1, wobei der Pressschritt bei Raumtemperatur oder höher ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Grünkörper-Elektrodenschutzelement gepresst wird, um die Grünkörper-Schutzschicht zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 3, wobei das Grünkörper-Elektrodenschutzelement (113a) vor der Durchführung des Pressschritts eine Dicke aufweist, die größer als jene des Grünkörper-Verstärkungselements (112) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach Anspruch 4, wobei das Verstärkungselement (112) und das Elektrodenschutzelement (113a) im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einsetzöffnung keine scharfe Ecke aufweist.