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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen geschichteten Gassensor zum Abfühlen
der Konzentration einer bestimmten Komponente, beispielsweise O2
oder NOx in dem Abgas eines Kraftfahrzeugs.
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2. Beschreibung des zugehörigen
Stands der Technik
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Um
eine Luftverschmutzung zu verhindern, wurden die Bestimmungen für
Abgase von Automobilmaschinen Jahr für Jahr zunehmend streng.
Zum Verringern schädlicher, in den Abgasen enthaltener
Komponenten wurden Systeme entwickelt, die einen Gassensor einsetzen,
um die Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in einem Abgasdurchgang
der Maschine zu erfassen und die Menge von schädlichen
Komponenten in dem Abgas durch eine Verbrennungssteuerung der Maschine
basierend auf der erfasste Konzentration zu unterdrücken.
Zu dem gleichen Zweck wurden auch Systeme entwickelt, die einen
Gassensor einsetzen, um die Konzentration von O2 oder NOx in dem
Abgas der Maschine zu erfassen, um die Verbrennungsbedingung der
Maschine auf der Basis der erfassten Konzentration zu bestimmen,
und um die Kraftstoffeinspritzung oder ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis
der Maschine zu regeln.
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Gassensoren
für derartige Anwendungen waren in der Vergangenheit becherförmig.
Jedoch sind geschichtete Gassensoren nun so weit, diese becherförmigen
Gassensoren hinsichtlich einer raschen Aktivierung und einer hohen
Funktionsfähigkeit zu ersetzen. Geschichtete Gassensoren
werden im Allgemeinen durch Schichten und Zusammenbrennen eines
Sensorabschnitts und eines Heizgerätabschnitts hergestellt.
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Beispielsweise
offenbart die
japanische
Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2004-333205 einen geschichteten
Gassensor, der einen Diffusionswiderstandsabschnitt, eine Messgaskammer,
in die durch den Diffusionswiderstandsabschnitt ein zu messendes
Gas eingeführt wird, eine Festelektrolytlage, die sauerstoffionenleitfähig
ist, eine Messelektrode, die an einer Fläche der Festelektrolytlage
befestigt ist, um innerhalb der Messgaskammer dem Gas ausgesetzt
zu sein, eine Referenzelektrode, die an einer anderen Fläche
der Festelektrolytlage befestigt ist, um zusammen mit der Messelektrode
eine elektrochemische Zelle zu formen, aufweist.
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Die 8, 9A und 9B zeigen
gemeinsam einen geschichteten Gassensor 1B gemäß dem Stand
der Technik, der einen Sensorabschnitt 20B und einen Heizgerätabschnitt 19 aufweist,
die geschichtet und zusammengebrannt sind.
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Der
Sensorabschnitt 20B hat eine poröse Gasdiffusionsschicht 14,
eine Messgaskammerausbildungsschicht 13B, eine Festelektrolytschicht 11 und
eine Referenzgaskammerausbildungsschicht 12. Die poröse Gasdiffusionsschicht 14 ist
beispielsweise aus Aluminiumoxid hergestellt. Die Messgaskammerausbildungsschicht 13B hat
eine Öffnung zum Ausbilden einer Messgaskammer 130B.
Die Festelektrolytschicht 11 ist beispielsweise aus teilweise
stabilisiertem Zirkonoxid hergestellt. Die Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 hat
einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt zum Ausbilden
einer Referenzgaskammer 120.
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An
einer oberen Fläche 111 der Festelektrolytschicht 11 sind
beispielsweise durch Drucken eine Messelektrode 21, eine
Messleitung 211, ein Messelektrodenanschluss 212,
der mit der Messelektrode 21 über die Messleitung 211 verbunden
ist, und ein Referenzelektrodenanschluss 224 ausgebildet.
Andererseits sind an einer unteren Fläche 112 der
Festelektrolytschicht 11 beispielsweise durch Drucken eine
Referenzelektrode 22 und Referenzleitungen 221 und 222 ausgebildet.
Die Referenzleitungen 221 und 222 verbinden die
Referenzelektrode 22 über einen in der Festelektrolytschicht 11 ausgebildeten
Durchgangsbohrungsanschluss 223 mit dem Referenzelektrodenanschluss 224.
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Die
Gasdiffusionsschicht 14 ist an der oberen Fläche 111 der
Festelektrolytschicht 11 über die Messgaskammerausbildungsschicht 13B befestigt.
Infolgedessen wird die Messgaskammer 130B ausgebildet,
die durch die Gasdiffusionsschicht 14, die Messgaskammerausbildungsschicht 13B und
die obere Fläche 111 der Festelektrolytschicht 11 umgeben
ist. Andererseits ist die Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 an
der unteren Fläche 112 der Festelektrolytschicht 11 befestigt.
Infolgedessen wird die Referenzgaskammer 120 ausgebildet,
die von der unteren Fläche 112 der Festelektrolytschicht 11 und
der Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 umgeben ist.
Der Heizgerätabschnitt 19 hat ein Heizgerätsubstrat 190,
ein Heizelement 191, ein Paar Heizgerätleitungen 192,
die mit dem Heizelement 191 verbunden sind, und ein paar
Heizgerätanschlüsse 194. Das Heizgerätsubstrat 190 ist
beispielsweise aus Aluminiumoxid hergestellt. Das Heizelement 191 und
die Heizgerätleitungen 192 sind beispielsweise
durch Drucken auf einer oberen Fläche 195 des
Heizgerätsubstrats 190 ausgebildet. Andererseits
sind die Heizgerätanschlüsse 194 beispielsweise
durch Drucken auf einer unteren Fläche 196 des
Heizgerätsubstrats 190 ausgebildet und über
die Durchgangsbohrungselektroden 193, die in dem Heizgerätsubstrat 190 ausgebildet
sind, jeweils mit den Heizgerätleitungen 192 verbunden.
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Bei
dem vorstehenden geschichteten Gassensor 1B sind jedoch
Hohlräume (d. h., die Messgaskammer 130B und die
Referenzgaskammer 120) sowohl an der oberen, als auch an
der unteren Seite der Festelektrolytschicht 11 ausgebildet.
Folglich hat derjenige Abschnitt der Festelektrolytschicht 11,
der zwischen den Hohlräumen zwischengelegt ist, eine geringere
Festigkeit als die anderen Abschnitte. Daher können während den
Brenn- und Kühlprozessen des geschichteten Gassensors 1B Brüche
in der Festelektrolytschicht 11 auftreten.
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Genauer
gesagt, bezugnehmend auf die 9A und 9B,
können Brüche in der Festelektrolytschicht 11 um
die Schnittstellen zwischen der oberen Fläche 111 der
Festelektrolytschicht 11 und einem gegenüberliegenden
Paar von inneren Seitenflächen 131B der Messgaskammerausbildungsschicht 13B auftreten;
die inneren Seitenflächen 131B erstrecken sich
in der Längsrichtung der Festelektrolytschicht 11 und
sind einander durch die dazwischen ausgebildete Messgaskammer 130B hindurch
zugewandt.
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Derartige
in der Festelektrolytschicht 11 existierende Brüche
werden von außerhalb des geschichteten Gassensors 1B nur
schwer gefunden, wodurch die Zuverlässigkeit des Sensors 1B beträchtlich
verringert wird. Deshalb ist es erforderlich, zuverlässig
zu verhindern, dass während eines Herstellens des geschichteten
Gassensors 1B Brüche in der Festelektrolytschicht 11 auftreten.
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Insbesondere
wenn der geschichtete Gassensor 1B verwendet wird, um die
Konzentration von O2 in dem Abgas einer Automobilmaschine zu erfassen,
wird er rasch auf eine Temperatur überhalb 500°C
erwärmt. Daher, wenn Bruchstellen in der Festelektrolytschicht 11 existieren,
werden die Brüche aufgrund einer Wärmespannung
voranschreiten, was zu einer Beschädigung des geschichteten
Gassensors 1B führt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend erwähnten
Probleme gemacht.
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Es
ist deshalb eine Hauptaufgabe der Erfindung, einen geschichteten
Gassensor bereitzustellen, der einen verbesserten Aufbau zum zuverlässigen
Verhindern eines Auftretens von Brüchen in einer Festelektrolytschicht
des geschichteten Gassensors während einer Herstellung
hat.
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Erfindungsgemäß ist
ein geschichteter Gassensor vorgesehen, der eine Festelektrolytschicht,
eine Messgaskammer, eine Referenzgaskammer, eine Messelektrode,
eine Referenzelektrode, eine Messgaskammerausbildungsschicht und
eine Referenzgaskammerausbildungsschicht aufweist.
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Die
Festelektrolytschicht hat ein entgegengesetztes Paar von einer ersten
und einer zweiten Hauptfläche. Die erste und die zweite
Hauptfläche haben eine Länge und eine Breite,
wodurch sie eine Längs- und eine Querrichtung der Festelektrolytschicht
definieren. Die Messgaskammer und die Referenzgaskammer sind an der
ersten bzw. zweiten Hauptfläche der Festelektrolytschicht
ausgebildet. Ein zu messendes Gas und ein Referenzgas sind in die
Messgaskammer bzw. die Referenzgaskammer einzuführen. Die
Messelektrode ist an der ersten Hauptfläche der Festelektrolytschicht
und innerhalb der Messgaskammer vorgesehen, um dem Gas ausgesetzt
zu sein. Die Referenzelektrode ist an der zweiten Hauptfläche
der Festelektrolytschicht und innerhalb der Referenzgaskammer vorgesehen,
um dem Referenzgas ausgesetzt zu sein. Die Messgaskammerausbildungsschicht
hat einen in sich ausgebildeten ersten Hohlraum und ist an die erste
Hauptfläche der Festelektrolytschicht geschichtet, so dass
der erste Hohlraum die Messgaskammer ausbildet. Die Messgaskammerausbildungsschicht
hat ein gegenüberliegendes Paar innerer Seitenflächen,
die sich in der Längsrichtung der Festelektrolytschicht
erstrecken und einander in der Querrichtung der Festelektrolytschicht
durch die dazwischen ausgebildete Messgaskammer zugewandt sind.
Die Referenzgaskammerausbildungsschicht hat einen zweiten, in sich
ausgebildeten, Hohlraum und ist an die zweite Hauptfläche
der Festelektrolytschicht geschichtet, so dass der zweite Hohlraum
die Referenzgaskammer bildet. Die Referenzgaskammerausbildungsschicht
hat ein gegenüberliegendes Paar innerer Seitenflächen,
die sich in der Längsrichtung der Festelektrolytschicht
erstrecken und einander in der Querrichtung der Festelektrolytschicht
durch die dazwischen ausgebildete Referenzgaskammer zugewandt sind.
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Ferner
befindet sich bei dem geschichteten Gassensor wenigstens eine der
inneren Seitenflächen der Messgaskammerausbildungsschicht
weiter innerhalb des geschichteten Gassensors als eine entsprechende Seitenfläche
der inneren Seitenflächen der Referenzgaskammerausbildungsschicht
in der Querrichtung der Festelektrolytschicht.
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Mit
dem vorstehenden Aufbau werden einwärts gerichtete Spannungen
aufgrund des Gewichts von demjenigen Abschnitt der Festelektrolytschicht,
der zwischen der Messgaskammer und einer Referenzgaskammer zwischengelegt
ist, und der Gewichte der Mess- und Referenzelektroden auf die Festelektrolytschicht wirken.
Die Wirkpositionen der einwärts gerichteten Spannungen
fallen in der lateralen Richtung der Festelektrolytschicht mit den
Schnittstellen zwischen den inneren Seitenflächen der Referenzgaskammerausbildungsschicht
bzw. der zweiten Hauptfläche der Festelektrolytschicht
zusammen. Ferner werden während eines Brennprozesses beim
Herstellen des geschichteten Gassensors auswärtsgerichtete
Spannungen aufgrund des Schrumpfens der Messgaskammerausbildungsschicht
auf die Festelektrolytschicht wirken. Die Wirkpositionen der auswärts
gerichteten Spannungen befinden sich jeweils bei den Schnittstellen
zwischen den inneren Seitenflächen der Messgaskammerausbildungsschicht
und der ersten Hauptfläche der Festelektrolytschicht.
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Da
sich wenigstens eine der inneren Seitenflächen der Messgaskammerausbildungsschicht
weiter innerhalb des geschichteten Gassensors befindet, als die
entsprechende Seitenfläche der inneren Seitenflächen der
Referenzgaskammerausbildungsschicht in der Querrichtung der Festelektrolytschicht,
ist die Wirkposition von wenigstens einer der auswärts
gerichteten Spannungen von derjenigen einer entsprechenden der einwärts
gerichteten Spannungen versetzt.
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Infolgedessen
wird die wenigstens eine auswärts gerichtete Spannung durch
die zugehörige einwärts gerichtete Spannung aufgehoben
und dadurch wird eine Beanspruchung in der Festelektrolytschicht
signifikant verringert. Infolgedessen kann zuverlässig
verhindert werden, dass Brüche in der Festelektrolytschicht auftreten,
wodurch die Zuverlässigkeit des geschichteten Gassensors
sichergestellt wird.
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Gemäß einer
weiteren Umsetzung der Erfindung erstreckt sich die wenigstens eine
der inneren Seitenflächen der Messgaskammerausbildungsschicht
zickzackförmig in der Längsrichtung der Festelektrolytschicht,
wodurch ein Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitt der Messgaskammerausbildungsschicht ausgebildet
wird, der von der entsprechenden der inneren Seitenflächen
von der Referenzgaskammerausbildungsschicht in der Querrichtung
der Festelektrolytschicht einwärts vorsteht.
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Mit
dem Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitt wird die Beanspruchung
in der Festelektrolytschicht weiter verringert, wodurch ferner zuverlässig
verhindert wird, dass Brüche in der Festelektrolytschicht auftreten.
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Der
Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitt der Messgaskammerausbildungsschicht
hat einen Querschnitt, der parallel zu der ersten Hauptfläche
der Festelektrolytschicht ist, und ist in einer Wellenform geformt,
die eine Vielzahl von Gipfeln und Tälern aufweist, die
in der Längsrichtung der Festelektrolytschicht abwechselnd
angeordnet sind.
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Mit
einer derartigen Wellenform des Querschnitts kann die Spannung auf
der ersten Hauptfläche der Festelektrolytschicht weiter
wirksam dekonzentriert werden, wodurch ferner zuverlässig
verhindert wird, dass Brüche in der Festelektrolytschicht
auftreten.
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Ferner
kann die Welle entweder eine dreiecksförmige, eine sinusförmige
oder eine rechteckförmige Welle sein.
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Des
Weiteren ist es wünschenswert, dass 0,2T < H < 2,5T, wobei T ein
Abstand der Welle und H eine Höhe der Welle ist.
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Es
ist auch wünschenswert, dass die Welle weniger oder gleich
als 50 Paare von Gipfeln und Tälern aufweist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung, die nachstehend
gegeben wird, und aus den beigefügten Zeichnungen eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung vollständiger
verstanden werden, welches jedoch nicht herangezogen werden sollte,
um die Erfindung auf das bestimmte Ausführungsbeispiel
zu beschränken, sondern nur zum Zwecke der Erklärung
und des Verständnisses ist.
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In
den beigefügten Zeichnungen:
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1 ist
eine perspektivische Explosionsansicht eines geschichteten Gassensors
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2A ist
eine seitliche Querschnittansicht des geschichteten Gassensors von 1;
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2B ist
eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 2A;
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die 3A und 3B sind
schematische Querschnittansichten, die den Mechanismus eines Auftretens
von Brüchen in herkömmlichen geschichteten Gassensoren
darstellen;
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die 4A und 4B sind
schematische Querschnittansichten, die die Vorteile des geschichteten Gassensors
von 1 beim Verhindern eines Auftretens von Brüchen
darstellen;
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die 5A, 5B und 5C zeigen
Abwandlungen von Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitten einer
Festelektrolytschicht in dem geschichteten Gassensor von 1;
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6 ist
eine grafische Darstellung, die die Ergebnisse einer experimentellen
Untersuchung zum Bestätigen der Vorteile des geschichteten
Gassensors von 1 zeigt;
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die 7 und 7B zeigen
geschichtete Gassensoren verschiedener Arten, bei denen die Erfindung
angewandt werden kann;
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8 ist
eine perspektivische Explosionsansicht eines herkömmlichen
geschichteten Gassensors;
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9A ist
eine Seitenquerschnittansicht des herkömmlichen Gassensors
mit einer Angabe von Positionen, bei denen Brüche auftreten;
und
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9B ist
eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 9A,
wobei die Positionen von auftretenden Brüchen angezeigt
sind.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend
unter Bezugnahme auf die 1–6 beschrieben.
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Die 1, 2A und 2B zeigen
gemeinsam den Gesamtaufbau eines geschichteten Gassensors 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie es gezeigt ist,
hat der geschichtete Gassensor 1 einen Sensorabschnitt 20 und
einen Heizabschnitt 19, die geschichtet und aneinander
gebrannt sind.
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Der
Sensorabschnitt 20 hat eine poröse Gasdiffusionsschicht 14,
eine Messgaskammerausbildungsschicht 13, eine Festelektrolytschicht 11 und
eine Referenzgaskammerausbildungsschicht 12. Die poröse
Gasdiffusionsschicht 14 ist beispielsweise aus Aluminiumoxid
hergestellt. Die Messgaskammerausbildungsschicht 13 hat
eine Öffnung zum Ausbilden einer Messgaskammer 130.
Die Festelektrolytschicht 11 ist beispielsweise aus teilweise
stabilisiertem Zirkonoxid hergestellt. Die Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 hat
einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt zum Ausbilden
einer Referenzgaskammer 120.
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Die
Festelektrolytschicht 11 hat ein entgegengesetztes Paar
Hauptflächen, d. h., eine obere Fläche 111 und
eine untere Fläche 112. Die obere und die untere
Fläche 111 und 112 haben eine gegebene
Länge und eine gegebene Breite, wodurch eine Längs-
und eine Querrichtung D1 und D2 der Festelektrolytschicht 11 definiert
werden.
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An
der oberen Fläche 111 der Festelektrolytschicht 11 sind
beispielsweise durch Drucken eine Messelektrode 21, eine
Messleitung 211, ein Messelektrodenanschluss 212,
der über die Messleitung 211 mit der Messelektrode 21 verbunden
ist, und ein Referenzelektrodenanschluss 224 ausgeformt.
Andererseits sind an der unteren Fläche 112 der
Festelektrolytschicht 11 beispielsweise durch Drucken eine
Referenzelektrode 22 und Referenzleitungen 221 und 222 ausgebildet.
Die Referenzleitungen 221 und 222 verbinden die
Referenzelektrode 22 über einen in der Festelektrolytschicht 11 ausgeformten
Durchgangsbohrungsanschluss 223 mit dem Referenzelektrodenanschluss 224.
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Die
Gasdiffusionsschicht 14 ist an der oberen Fläche 111 der
Festelektrolytschicht 11 über die Messgaskammerausbildungsschicht 13 befestigt.
Infolgedessen ist die Messgaskammer 130 ausgebildet, die,
wie es am besten in 2A gezeigt ist, durch die Gasdiffusionsschicht 14,
die Messgaskammerausbildungsschicht 13 und die obere Fläche 111 der
Festelektrolytschicht 11 umgeben ist. Ferner befindet sich
die Messelektrode 21 innerhalb der Messgaskammer 130,
um einem Messgas (d. h., einem zu messenden Gas) ausgesetzt zu sein,
das in die Messgaskammer 130 einzuführen ist.
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Andererseits
ist die Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 an der unteren
Fläche 112 der Festelektrolytschicht 11 befestigt.
Infolgedessen ist die Referenzgaskammer 120 ausgebildet,
die, wie es am besten in 2A gezeigt
ist, von der unteren Fläche 112 der Festelektrolytschicht 1 und der
Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 umgeben ist. Ferner
befindet sich die Referenzelektrode 22 innerhalb der Referenzgaskammer 120,
um einem Referenzgas, das in die Referenzgaskammer 120 einzuführen
ist, ausgesetzt zu sein.
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Die
Messgaskammerausbildungsschicht 13 hat, wie es am besten
in 2B gezeigt ist, ein gegenüberliegendes
Paar innerer Seitenflächen 131, die sich in der
Längsrichtung D1 der Festelektrolytschicht 11 erstrecken
und einander durch die dazwischen ausgeformte Messgaskammer 130 zugewandt
sind. Andererseits hat die Referenzgaskammerausbildungsschicht 12,
wie es in 2A gezeigt ist, ein gegenüberliegendes
Paar von inneren Seitenflächen 121, die sich in
der Längsrichtung D1 der Festelektrolytschicht 11 erstrecken
und einander durch die dazwischen ausgeformte Referenzgaskammer 120 zugewandt
sind.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel, wie es in 2A gezeigt
ist, befindet sich jede der inneren Seitenflächen 131 der
Messgaskammerausbildungsschicht 13 weiter innen (d. h.,
weiter innerhalb des geschichteten Gassensors 1) als eine
entsprechende Seitenfläche der inneren Seitenflächen 121 der
Referenzgaskammerausbildungsschicht 12.
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Ferner,
wie es in 2B gezeigt ist, erstreckt sich
jede der inneren Seitenflächen 131 der Messgaskammerausbildungsschicht 13 zickzackförmig
in der Längsrichtung D1 der Festelektrolytschicht 11,
wodurch ein Spannungsdekonzentrationsabschnitt 132 der
Messgaskammerausbildungsschicht 13 ausgebildet wird, der
von der entsprechenden Seitenfläche der inneren Seitenflächen 121 der
Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 vorsteht.
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Die
Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitte 132 der Messgaskammerausbildungsschicht 13 haben
jeweils einen Querschnitt, der parallel zu der oberen Fläche 111 der
Festelektrolytschicht 11 ist, und der, wie es in 2B gezeigt
ist, die Form einer Welle hat, die eine Vielzahl von Gipfeln und
Tälern aufweist, die abwechselnd in der Längsrichtung
D1 der Festelektrolytschicht 11 angeordnet sind. Die Welle
hat eine Höhe H in der lateralen Richtung D2 der Festelektrolytschicht 11.
Anders gesagt steht jeder der Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitte 132 der
Messgaskammerausbildungsschicht 13 einwärts von
einer entsprechenden Seitenfläche der inneren Seitenflächen 121 der
Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 um H hervor.
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Der
Heizabschnitt 19 hat ein Heizsubstrat 190, ein
Heizelement 191, ein Paar Heizleitungen 192, die mit
dem Heizelement 191 verbunden sind, und ein Paar Heizkörperanschlüsse 194.
Das Heizsubstrat 190 ist beispielsweise aus Aluminiumoxid
hergestellt. Das Heizelement 191 und die Heizleitungen 192 sind
beispielsweise durch Drucken an einer oberen Fläche 195 des
Heizsubstrats 190 ausgeformt. Andererseits sind die Heizkörperanschlüsse 194 beispielsweise
durch Drucken an einer unteren Fläche 196 des
Heizsubstrats 190 ausgebildet und sind jeweils über
die Durchgangsbohrungselektroden 193, die in dem Heizsubstrat 190 ausgeformt
sind, mit den Heizleitungen 192 verbunden.
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Der
geschichtete Gassensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel
kann beispielsweise in der folgenden Art und Weise hergestellt werden.
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Zuerst
wird die Festelektrolytschicht 11 vorbereitet. Genauer
gesagt wird ein dünner Brei erhalten, indem beispielsweise
ein Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxidpulver zusammen mit Sinterhilfen,
einem Bindemittel (beispielsweise Polyvinylbutylaldehyd) und einem
Weichmacher (beispielsweise Dibutylphthalat), in einem Lösungsmittel
(beispielsweise einem organischen Lösungsmittel) dispergiert
wird; der dünne Brei wird durch ein Rakelklingenverfahren
in eine grüne Lage einer gegebenen Dicke geformt; die grüne
Lage wird getrocknet und in ein Rechteck einer gegebenen Abmessung
geschnitten; ferner ist eine Durchgangsbohrung in die grüne
Lage gebohrt, um den Durchgangsbohrungsanschluss 223 auszubilden.
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Zweitens
wird eine Platinpaste, der der gleiche dünne Brei wie bei
dem ersten Schritt zugegeben wird, auf die obere Fläche 111 der
Festelektrolytschicht 11 gedruckt, um die Messelektrode 21,
die Messleitung 211, den Messelektrodenanschluss 212 und
den Referenzelektrodenanschluss 224 auszubilden. Die Platinpaste wird
auch auf die untere Fläche 112 der Festelektrolytschicht 11 gedruckt,
um die Referenzelektrode 22 und die Referenzleitungen 221 und 222 auszubilden.
Die Platinpaste wird ferner an die innere Fläche der Festelektrolytschicht 11,
die die Durchgangsbohrung definiert, gedruckt, um die Durchgangsbohrungselektrode 223 auszubilden.
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Drittens
wird die Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 vorbereitet.
Genauer gesagt wird ein dünner Aluminiumoxidbrei erhalten,
indem Aluminiumoxidpulver, zusammen mit Sinterhilfen, einem Bindemittel und
einem Weichmacher, in einem Lösungsmittel (beispielsweise
einem organischen Lösungsmittel) dispergiert wird; der
dünne Aluminiumoxidbrei wird durch Verwenden eines Rakelklingenverfahrens
in Aluminiumoxidgrünlinge einer gegebenen Dicke geformt;
die Aluminiumoxidgrünlinge werden getrocknet, geschnitten
und geschichtet, um die Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 auszubilden,
die den im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist.
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Viertens
wird das Heizsubstrat 190 vorbereitet. Genauer gesagt wird
ein Aluminiumoxidgrünling einer gegebenen Dicke in der
gleichen Art und Weise wie bei dem dritten Schritt erhalten; sie
wird dann getrocknet und in Rechtecke einer gegebenen Größe
geschnitten und ferner werden Durchgangsbohrungen in sie gebohrt,
um die Durchgangsbohrungselektroden 193 auszubilden.
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Fünftens
wird eine Platinpaste, der der gleiche dünne Aluminiumoxidbrei
zugegeben wird, wie bei dem dritten Schritt, auf die obere Fläche 195 des
Heizsubstrats 190 gedruckt, um das Heizelement 191 und
die Heizleitungen 192 auszuformen. Die Platinpaste wird
auch auf die untere Fläche 196 des Heizsubstrats 190 gedruckt,
um die Heizkörperanschlüsse 194 auszuformen.
Die Platinpaste wird ferner auf die inneren Flächen des
Heizsubstrats 190 gedruckt, das die Durchgangsbohrungen
definiert, um die Durchgangsbohrungsanschlüsse 193 auszuformen.
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Sechstens
wird die poröse Gasdiffusionsschicht 14 vorbereitet.
Genauer gesagt wird ein zweiter dünner Aluminiumoxidbrei
erhalten, indem ein Aluminiumoxidpulver mit einem größeren
Durchmesser als demjenigen des dritten Schritts zusammen mit einem
Bindemittel und einem Weichmacher in einem Lösungsmittel dispergiert
wird; der zweite dünne Aluminiumoxidbrei wird durch Verwenden
des Rakelklingenverfahrens in einen zweiten Aluminiumoxidgrünling
einer gegebenen Dicke geformt; der zweite Aluminiumoxidgrünling
wird getrocknet und in eine gewünschte Form geschnitten,
um die Gasdiffusionsschicht 14 auszuformen.
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Siebtens
wird die Messgaskammerausbildungsschicht 13 an der oberen
Fläche 111 der Festelektrolytschicht 11 ausgeformt.
Genauer gesagt wird eine Klebepaste, die erhalten wird, indem mehr
von dem Bindemittel in den gleichen dünnen Brei wie bei
dem ersten Schritt zugegeben wird, auf die obere Fläche 111 der Festelektrolytschicht 11 gedruckt,
um die Messgaskammerausbildungsschicht 13 auszuformen.
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Außerdem
sollte beachtet werden, dass die Klebepaste auch erhalten werden
kann, indem mehr Bindemittel in ein Gemisch der dünnen
Breie von dem ersten und dem sechsten Schritt zugegeben wird.
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Achtens
wird die poröse Gasdiffusionsschicht 14 durch
Verwenden des Haftvermögens der Schicht 13 auf
die Messgaskammerausbildungsschicht 13 gefügt.
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Neuntens
wird die Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 auf die
untere Fläche 112 der Festelektrolytschicht 11 geschichtet,
um dem Sensorabschnitt 20 auszuformen.
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Zehntens
werden der Sensorabschnitt 20 und der Heizabschnitt 19 beispielsweise
durch Heißpressen oder Aufkleben aneinander befestigt,
um einen Gassensorschichtverbund auszubilden.
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Zuletzt
wird der Gassensorschichtverbund getrocknet, entfettet und gebrannt,
um den geschichteten Gassensor 1 auszubilden.
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Der
geschichtete Gassensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel
kann beispielsweise in der folgenden Art und Weise verwendet werden.
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Ein
Spannungsdifferenzmessgerät (nicht gezeigt) ist mit dem
Messelektrodenanschluss 212 und dem Referenzelektrodenanschluss 224 verbunden.
Eine Stromquelle (nicht gezeigt) ist mit den Heizkörperanschlüssen 194 verbunden.
Eine elektronische Steuereinheit (nicht gezeigt) steuert eine Energiezufuhr
von der Energiequelle zu dem Heizelement 191, um den Sensorabschnitt 20 auf
eine gegebene Temperatur zu erwärmen, um ihn zu aktivieren.
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Die
poröse Gasdiffusionsschicht 14 ist einem Messgas
(beispielsweise dem Abgas einer Automobilmaschine) ausgesetzt, wodurch
das Messgas in die Messgaskammer 130 eingeführt
wird. Andererseits ist ein Eingang der Referenzgaskammer 120 zu
einem Referenzgas (beispielsweise Luft) geöffnet, wodurch
das Referenzgas in die Referenzgaskammer 120 eingeführt
wird. Infolgedessen sind die Messelektrode 21 und die Referenzelektrode 22 dem
Messgas bzw. dem Referenzgas ausgesetzt.
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Die
Festelektrolytschicht 11 kann beispielsweise sauerstoffionenleitfähig
sein. In diesem Fall wird ein Unterschied bei einem elektrischen
Potenzial zwischen der Messelektrode 21 und einer Referenzelektrode 22 abhängig
von dem Unterschied bei der Sauerstoffkonzentration zwischen dem
Messgas und dem Referenzgas erzeugt. Folglich ist es durch Messen
der elektrischen Potenzialdifferenz möglich, die Konzentration
von Sauerstoff in dem Messgas zu bestimmen.
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Der
geschichtete Gassensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel
hat verglichen mit dem herkömmlichen geschichteten Gassensor 1B,
der vorgehend beschrieben ist, einen verbesserten Aufbau, durch
den zuverlässig verhindert werden kann, dass während
einer Herstellung Bruchstellen in der Festelektrolytschicht 11 auftreten.
Der Mechanismus eines Auftretens von Brüchen in dem herkömmlichen
geschichteten Gassensor 1B und der Grund, warum das Auftreten
von Brüchen bei dem geschichteten Gassensor 1 des
Ausführungsbeispiels verhindert werden kann, werden nachstehend
beschrieben.
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Erstens,
bezugnehmend auf 3A, befindet sich bei dem herkömmlichen
geschichteten Gassensors 1B jede von den inneren Seitenflächen 131B der
Messgaskammerausbildungsschicht 13B an der gleichen Position
der Querrichtung D2 der Festelektrolytschicht 11 wie die
entsprechende Seitenfläche der inneren Seitenflächen 121 der
Referenzgaskammerausbildungsschicht 12.
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Aufgrund
des Gewichts des Abschnitts der Festelektrolytschicht 11,
der zwischen die Gaskammern 130B und 120 zwischengelegt
ist, und aufgrund der Gewichte der Messelektrode 21 und
der Referenzelektrode 22 werden Biegemomente auf die Festelektrolytschicht 11 wirken,
die die Schnittstellen zwischen der Festelektrolytschicht 11 und
den inneren Seitenflächen 121 der Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 als Drehpunkt
verwenden. Die Biegemomente werden einwärts gerichtete
Spannungen F1 hervorrufen, die bei den Schnittstellen zwischen der
Festelektrolytschicht 11 und den inneren Seitenflächen 131B der
Messgaskammerausbildungsschicht 13B auf die Festelektrolytschicht 11 wirken.
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Ferner
wird während des Brennprozesses bei der Herstellung des
geschichteten Gassensors 1B die Messgaskammerausbildungsschicht 13B auswärts
der Messgaskammer 130B schrumpfen, was auswärts
gerichtete Spannungen F2 hervorruft, die auch bei den Schnittstellen
zwischen der Festelektrolytschicht 11 und den inneren Seitenflächen 131B der
Messgaskammerausbildungsschicht 13B auf die Festelektrolytschicht 11 wirken.
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Infolgedessen
wird die Spannung in Abschnitten der Festelektrolytschicht 11 um
die Schnittstellen zwischen der Festelektrolytschicht 11 und
den inneren Seitenflächen 131B der Messgaskammerausbildungsschicht 13B herum
konzentriert werden, wodurch bewirkt wird, dass Brüche
in denjenigen Abschnitten, wie sie in 3B gezeigt
sind, auftreten.
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Im
Vergleich dazu, bezugnehmend auf 4A, befinden
sich bei dem geschichteten Gassensors 1 des Ausführungsbeispiels
die inneren Seitenflächen 131 der Messgaskammerausbildungsschicht 13 weiter
innen als die inneren Seitenflächen 121 der Referenzgaskammerausbildungsschicht 12.
Das heißt, die Schnittstellen zwischen der Festelektrolytschicht 11 und
den inneren Seitenflächen 131 der Messgaskammerausbildungsschicht 13 sind
von denjenigen zwischen der Festelektrolytschicht 11 und
den inneren Seitenflächen 121 der Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 in
der Querrichtung D2 der Festelektrolytschicht 11 versetzt.
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Wie
bei dem geschichteten Gassensor 15 gemäß dem
Stand der Technik werden Biegemomente auf die Festelektrolytschicht 11 wirken,
die die Schnittpunkte zwischen der Festelektrolytschicht 11 und
den inneren Seitenflächen 121 der Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 als
Drehpunkte verwenden. Die Biegemomente werden einwärts
gerichtete Spannungen F1 hervorrufen, die auf die obere Fläche 111 der
Festelektrolytschicht 11 bei lateralen Positionen wirken
werden, die den Schnittstellen zwischen der Festelektrolytschicht 11 und
den inneren Seitenflächen 121 der Referenzgaskammerausbildungsschicht 12 entsprechen.
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Ferner
wird während des Brennprozesses beim Herstellen des geschichteten
Gassensors 1 die Messgaskammerausbildungsschicht 13 außerhalb
der Messgaskammer 130 schrumpfen, wodurch auswärts
gerichtete Spannungen F2 hervorgerufen werden, die bei den Schnittpunkten
zwischen der Festelektrolytschicht 11 und den inneren Seitenflächen 131 der
Messgaskammerausbildungsschicht 13 auf die Festelektrolytschicht 11 wirken
werden.
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Jedoch,
da die Wirkpositionen der auswärts gerichteten Spannungen
F2 von denjenigen der einwärts gerichteten Spannungen E1
versetzt sind, werden die auswärts gerichteten Spannungen
F2 durch die einwärts gerichteten Spannungen E1 aufgehoben
werden.
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Infolgedessen
wird eine Spannung in den Abschnitten der Festelektrolytschicht 11 um
die Schnittpunkte zwischen der Festelektrolytschicht 11 und
den inneren Seitenflächen 131 der Messgaskammerausbildungsschicht 13 herum
signifikant verringert, wodurch zuverlässig verhindert
wird, dass Brüche in der Festelektrolytschicht 11 auftreten.
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Ferner,
bezugnehmend auf 4B, sind die Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitte 132 in der
Messgaskammerausbildungsschicht 13 vorgesehen. Mit diesen
Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitten 132 wird die
Spannung um die Schnittpunkte zwischen der Festelektrolytschicht 11 und
den inneren Seitenflächen 131 der Messgaskammerausbildungsschicht 13 weiter
verringert, wodurch weiter zuverlässig verhindert wird,
dass Brüche in der Festelektrolytschicht 11 auftreten.
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Die 5A, 5B und 5C stellen
Abwandlungen der Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitte 132 der
Messgaskammerausbildungskammer 13 dar.
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Bei
der in 5A gezeigten ersten Abwandlung
ist der Querschnitt von jedem der Spannungsdekonzentrationsabschnitte 132 in
einer dreiecksförmigen Welle geformt.
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Bei
der in 5B gezeigten zweiten Abwandlung
ist der Querschnitt von jedem der Spannungsdekonzentrationsabschnitte 132 in
einer sinusförmigen Welle geformt.
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Bei
der in 5C gezeigten dritten Abwandlung
ist der Querschnitt von jedem der Spannungsdekonzentrationsabschnitte 132 in
einer rechtecksförmigen Welle geformt.
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Bei
jeder der drei in den 5A bis 5C gezeigten
Abwandlungen repräsentiert a die gerade Länge
von jedem der Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitte 132,
repräsentiert b die Oberflächenlänge von
jedem der Spannungsdekon-zentrationsabschnitte 132, repräsentiert
H die Höhe der Welle, die den Querschnitt von jedem der
Dekonzentrations-abschnitte 132 ausbildet, und repräsentiert
T den Abstand der Welle. Außerdem, wenn man n die Anzahl
von Paaren von Gipfeln und Tälern in der Welle darstellen
lässt, dann ist T = (a/n).
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Ferner
sind in jeder der drei Abwandlungen die folgenden Beziehungen definiert:
0,2T < H < 2,5T
1 ≤ n ≤ 50;
und
1,1a ≤ b ≤ 5a.
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Ein
großes H ist hinsichtlich eines Verringerns der Auftrittsrate
von Brüchen in der Festelektrolytschicht 11 wünschenswert.
Wenn jedoch H so groß gemacht wird, dass es die vorstehende
Obergrenze übersteigt, wird das Volumen der Messgaskammer 130 dementsprechend
verringert werden, wodurch die Breite der Messelektrode 21 dazu
gezwungen wird, dementsprechend verringert zu werden. In diesem
Fall, um die Breite der Messelektrode 21 konstant zu halten
und dadurch die Ansprechempfindlichkeit des geschichteten Gassensors 1 sicherzustellen,
ist es erforderlich, das Volumen der Messgaskammer 130 durch
Erhöhen der Breite der Festelektrolytschicht 11 zu
vergrößern. Jedoch, wenn die Breite der Festelektrolytschicht 11 zunimmt,
steigt die Wärmekapazität dergleichen dementsprechend,
wodurch die Erwärmungszeit erhöht wird, die erforderlich
ist, um die Festelektrolytschicht 11 zu aktivieren.
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Andererseits,
wenn H kleiner als die vorstehende Untergrenze gemacht wird, werden
die inneren Seitenflächen 131 der Messgaskammerausbildungsschicht 13 annähernd
eben sein, was es schwierig macht, die Wirkung der Spannungskonzentrationsaufhebungsabschnitte 132 sicherzustellen.
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Die
Vorteile des geschichteten Gassensors 1 gemäß dem
Ausführungsbeispiel wurden durch eine experimentelle Untersuchung
bestätigt.
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Bei
der Untersuchung wurden fünf verschiedene Arten A–E
von geschichteten Gassensorproben getestet. Unter diesen war Typ
A identisch zu dem herkömmlichen geschichteten Gassensor 1B,
der vorstehend beschrieben ist. Die Typen B–E hatten die
gleiche Struktur wie der geschichtete Gassensor 1 des Ausführungsbeispiels,
jedoch verschiedene Werte der vorstehend definierten Parameter.
Genauer gesagt hatte der Typ B ein H von 0,32 mm, n von 10, und
b von gleich 1,05a; der Typ C hatte H von 0,46 mm, n von 10, und
b von gleich 1,1a; der Typ D hatte H von 0,56 mm, n von 20, und
b von gleich 1,5a; und der Typ E hatte H von 0,87 mm, n von 20,
und b von gleich 2a.
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Ferner
war für jeden dieser Typen B–E a = 8 mm und war
die Form der Querschnitte der Spannungsdekonzentrationsabschnitte
132 der
Festelektrolytschicht
11 eine Sinuswelle, wie es
5B gezeigt
ist. All diese Typen A–E wurden hinsichtlich einer Auftrittsrate
von Brüchen ausgewertet. Die Auswertungsergebnisse sind
in Tabelle 1 und
6 gezeigt, wobei die Auftrittsrate
von Brüchen für jeden der Typen A–E auf
eine relative Auftrittsrate von Brüchen (RORC) reduziert
ist, die die Auftrittsrate von Brüchen für den
Typ A als Referenzwert von 1 annimmt. Tabelle 1
| | Typ
A | Typ
B | Typ
C | Typ
D | Typ
E |
| H
(mm) | - | 0,32 | 0,46 | 0,56 | 0,87 |
| T
(mm) | - | 0,8 | 0,8 | 0,4 | 0,4 |
| n | - | 10 | 10 | 20 | 20 |
| RORC | 1 | 0,9 | 0,4 | 0,35 | 0,3 |
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Wie
es aus 6 ersichtlich ist, hatten all die Typen B–E
eine niedrigere Auftrittsrate von Brüchen als der Typ A
und nahm die Auftrittsrate von Brüchen mit einer Zunahme
bei H ab.
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Anders
gesagt ist der geschichtete Gassensor 1 gemäß dem
Ausführungsbeispiel besser als der herkömmliche
geschichtete Gassensor 1B hinsichtlich eines Verhinderns
eines Auftretens von Brüchen in der Festelektrolytschicht 11 während
einer Herstellung. Darüber hinaus ist ein größeres
H wünschenswerter, solange es innerhalb des vorstehend
bestimmten Bereichs bleibt.
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Während
das vorstehende bestimmte Ausführungsbeispiel der Erfindung
gezeigt und beschrieben wurde, wird es von denjenigen Fachleuten
verstanden werden, dass verschiedene Abwandlungen, Änderungen
und Verbesserungen gemacht werden können, ohne von dem
Wesen der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise,
wie es in 7A gezeigt ist, ist es für
den geschichteten Gassensor 1 möglich, ferner eine
Gasschutzschicht 15 aufzuweisen, um die Gasdiffusionsschicht 14 abzudecken,
wodurch die Diffusionsbeständigkeit erhöht wird.
Anders gesagt kann der geschichtete Gassensor 1 von der
Art eines begrenzten Stroms sein.
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Darüber
hinaus ist das vorangehende Ausführungsbeispiel auf den
geschichteten Gassensor 1 gerichtet, der von einer Einzellenart
ist. Jedoch kann die Erfindung auch auf einen geschichteten Gassensor
einer Zweizellenart angewandt werden, wie es in 7B gezeigt
ist, wobei zusätzliche Komponenten, einschließlich einer
zweiten Festelektrolytschicht 16, Elektroden 31 und 32,
und eines Stiftlochs 160 ferner zu dem Aufbau des geschichteten
Gassensors 1 zugefügt werden. Die zusätzlichen
Komponenten bilden eine Pumpzelle, wobei die Genauigkeit des geschichteten
Gassensors verbessert wird.
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Des
Weiteren kann die Erfindung bei jedem Keramikverbund angewandt werden,
der einen ähnlichen Aufbau zu dem geschichteten Gassensor 1 aufweist.
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Ein
geschichteter Gassensor hat eine Festelektrolytschicht, eine Messgaskammer,
eine Referenzgaskammer, eine Messgaskammerausbildungsschicht und
eine Referenzgaskammerausbildungsschicht. Die Messgaskammerausbildungsschicht
hat ein gegenüberliegendes Paar von inneren Seitenflächen,
die sich in einer Längsrichtung der Festelektrolytschicht
erstrecken und einander in einer lateralen Richtung der Festelektrolytschicht
durch die Messgaskammer zugewandt sind. Die Referenzgaskammerausbildungsschicht
hat ein gegenüberliegendes Paar von inneren Seitenflächen,
die sich in der Längsrichtung erstrecken und einander in
der Qeurrichtung durch die Referenzgaskammer zugewandt sind. Ferner
befindet sich wenigstens eine von den inneren Seitenflächen
der Messgaskammerausbildungsschicht weiter innerhalb des geschichteten Gassensors
als eine entsprechende Seitenfläche der inneren Seitenflächen
der Referenzgaskammerausbildungsschicht in der Querrichtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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