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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Gassensorelement, das in einen Gassensor
einzubauen ist, der zur Erfassung einer Konzentration einer in einem
Zielgas enthaltenen speziellen Gaskomponente wie etwa Sauerstoff,
Stickstoffoxid und Kohlenwasserstoff fähig ist.
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2. Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Im
Allgemeinen ist ein Gassensorelement zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
in einer Verbrennungskraftmaschine basierend auf einer Differenz
der Sauerstoffkonzentration zwischen einem Bezugsgas wie etwa der
Atmosphäre und einem Zielgas wie etwa einem von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen
Abgas fähig. Ein solches Gassensorelement besteht aus einer
Fangschicht, die an einer Ober-/Fläche einer Diffusionswiderstandsschicht
ausgebildet ist, durch die das Zielgas eingeführt wird.
Die Fangschicht in dem Gassensorelement fängt oder ergreift
bzw. sperrt in dem Zielgas enthaltene giftige bzw. verschmutzende
Komponenten.
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Zum
Beispiel offenbart als herkömmliche Technik das offengelegte
japanische Patent mit Veröffentlichungsnr.
JP 2006-171013 ein Gassensorelement
des Schichtungstyps, das eine poröse Schutzschicht aufweist,
mit der Eckteile eines Gassensorkörpers bedeckt bzw. umhüllt
sind. Insbesondere weist die poröse Schutzschicht von jedem
Eckteil aus gemessen eine Dicke von nicht weniger als 20 μm
auf.
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Das
offengelegte japanische Patent mit Veröffentlichungsnr.
JP 2006-250537 offenbart
als weitere Technik ein Gassensorelement und ein Verfahren zur Herstellung
des Gassensorelements. Bei dem Verfahren wird ein Gassensorelement
in eine aus keramischem Pulver bestehende keramische wässrige
Masse bzw. Aufschlämmung eingetaucht. Das Gassensorelement
wir dann getrocknet und schließlich gebrannt, um an der Fläche
des Gassensorelements eine vor Vergiftung bzw. Verschmutzung schützende
Schicht auszubilden. Die vorgenannte herkömmliche Technik
gemäß
JP
2006-250537 offenbart außerdem, wie die vor Vergiftung
bzw. Verschmutzung schützende Schicht in einer elliptischen
Form auszubilden ist.
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Das
Gassensorelement des Schichtungstyps besteht aus einem Sensorsubstrat
und einem Heizersubstrat. Ein Paar Elektroden sind in einem festen
Elektrolyt bzw. Festelektrolyt an dem Sensorsubstrat ausgebildet.
Das Heizersubstrat weist einen aus einem Leiterdraht bestehenden
Heizer auf, durch den das Sensorsubstrat rasch eine Aktivierungstemperatur
erreicht, wenn dem leitfähigen Draht ein Strom zugeführt
wird.
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Es
gibt jedoch die Möglichkeit bzw. Wahrscheinlichkeit der
Erzeugung eines Bruchs bzw. Risses in dem Gassensorelement durch
Thermo- bzw. Temperaturschock, falls ein Wassertropfen auf den Heizer
in dem Heizersubstrat tropft, der eine hohe Temperatur hat. Um diese
Schwäche zu beheben und den Heizer in dem Heizersubstrat
mit Bezug auf Thermo- bzw. Temperaturschock durch Wasser zu stärken,
wurden verschiedene herkömmliche Techniken vorgeschlagen,
wie gas gesamte Heizelement mit einer Fangschicht (wie etwa einer porösen
Schutzschicht und einer vor Verschmutzung schützenden Schicht)
abzudecken ist. Die vorgenannte herkömmliche Technik hat
jedoch einen Nachteil darin, dass sich eine Erhöhung der
Wärmemasse (oder einer Wärmekapazität)
der Fangschicht ergibt, wenn das Heizerelement und sein Umfangsbereich
mit der Fangschicht bedeckt werden. Des Weiteren ist ein langer
Zeitraum notwendig, um die Funktion des Gassensorelements durch
thermische Energie von dem Heizersubstrat angemessen zu aktivieren.
Da keine herkömmliche Technik den Ausbildungsbereich der
Fangschicht und der porösen Schutzschicht steuert oder
anpasst, gibt es die Möglichkeit bzw. Wahrscheinlichkeit
einer Ausweitung des Ausbildungsbereichs der Fangschicht oder der porösen
Schutzschicht auf den Ausbildungsbereich des Heizerelements. Dies
verursacht eine Schwierigkeit bei stabiler bzw. beständiger
Verwendung des Gassensorelements mit einer kurzen Zeitdauer zur
Aktivierung der Funktion des Gassensorelements.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gassensorelement und ein Verfahren
zur Herstellung des Gassensorelements bereitzustellen, das in Bezug
auf Thermo- bzw. Temperaturschock durch Wasser und eine verringerte
Aktivierungszeitdauer zur Aktivierung der Funktion des Gassensorelements
belastbar bzw. nachgiebig ist.
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Um
die vorgenannten Ziele zu erreichen, stellt die Erfindung ein Gassensorelement
(2) bereit. Das Gassensorelement (2) weist ein
Sensorsubstrat (3), ein Paar Elektroden (32A und 32B)
und ein Heizersubstrat (4) auf. Das Sensorsubstrat (3)
beinhaltet einen festen Elektrolyt (31) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit.
Ein Paar der Elektroden (32A und 32B) ist an beiden
Ober-/Flächen des Sensorsubstrats (3) ausgebildet.
Das Heizersubstrat (4) beinhaltet einen Keramikkörper
(41) und einen Heizerkörper (42). Der
Keramikkörper (41) weist elektrische Isolierung
auf. Der Heizerkörper (42) besteht aus einem elektrischen
Leiter, der in den Keramikkörper (41) eingelassen
ist. Der Heizerkörper (42) beinhaltet einen Heizteil
(401) und einen Leitungsteil (402). In dem Heizteil
(401) schlängelt sich bzw. mäandert der
elektrische Leiter in dem Heizteil (401). Der Leitungsteil (402)
ist elektrisch mit dem elektrischen Leiter in dem Heizteil (401)
verbunden. In dem Gassensorelement (2) ist insbesondere
ein Heizbereich (21) in einem vorderseitigen Teil des Gassensorelements
(2) positioniert, wo der Heizteil (401) in dem
Heizersubstrat (4) dem Sensorsubstrat (3) zugewandt
ist. Das Gassensorelement (2) weist ferner eine poröse
Schutzschicht (5) auf, die aus Keramikpartikeln mit einer
Vielzahl von Poren besteht. Der Heizbereich (21) ist mit
der porösen Schutzschicht (5) bedeckt bzw. umhüllt.
Ein Endteil (51) der porösen Schutzschicht (5)
steht in Richtung einer Längsrichtung (L2) des Gassensorelements
(2) um eine vorbestimmte Länge in einer Größenordnung
bzw. einem Wertebereich von nicht mehr als 3 mm über, die
von einem Endteil (P2) des Heizteils (401) aus gemessen
wird.
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Bei
dem Gassensorelement gemäß der Erfindung ist der
gesamte Heizbereich (21), der auf der einen Endseite der
Längsrichtung des Gassensorelements (2) positioniert
ist, mit der porösen Schutzschicht (5) bedeckt
bzw. umhüllt. Diese poröse Schutzschicht (5)
fängt bzw. ergreift giftige bzw. verschmutzende Materialien, die
in dem Zielgas wie etwa einem von der Verbrennungskraftmaschine
eines Fahrzeugs ausgestoßenen Abgas enthalten sind. Das
Zielgas wird dann an eine Elektrode (32A) herangeführt,
die auf dem festen Elektrolyt (31) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit
ausgebildet ist. Der Aufbau des Gassensorelements (2) gemäß der
Erfindung verhindert eine Erzeugung eines Bruchs bzw. Risses in
diesem, wenn das Gassensorelement (2) eine hohe Temperatur
aufweist und ein Wassertropfen auf seine Ober-/Fläche tropft.
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Weiterhin
steht bei dem Gassensorelement gemäß der Erfindung
das Endteil (P1) des überstehenden Teils (51 oder 52)
in der porösen Schutzschicht (5) entlang der Längsrichtung
(L) des Gassensorelements (2) in einer Größenordnung
bzw. einem Wertebereich von 3 mm in der Richtung (L2) von dem Endteil
(P2) des Heizbereichs (21) aus über. Da dieser
Aufbau eine Wärmemasse (oder eine Wärmekapazität)
der porösen Schutzschicht (5) erhöht,
ist es möglich, die Länge bzw. Dauer einer zum
Aktivieren des Gassensorelements (2) benötigten
Zeit zu verkürzen.
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Des
Weiteren ist es möglich, die Länge des überstehenden
Teils (51), gemessen von dem Endteil (P2) des Heizbereichs
(21) zu dem Endteil (P1) in Richtung der Richtung (L2),
auf null (= 0 mm) festzusetzen. (Das heißt, dass das vorderseitige
Teil des überstehenden Teils der porösen Schutzschicht
(5) nahezu gleich dem Endteil (P2) des Heizteils (401)
(oder des Heizbereichs (21)) ist).
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Gemäß dem
Gassensorelement (2) der Erfindung ist es daher möglich,
sowohl die Stärke- bzw. Festigkeitsfunktion in Bezug auf
Wasser als auch die Funktion zu haben, zu unterdrücken,
dass die Aktivierungszeitdauer des Gassensorelements (2)
lang ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
einer porösen Schutzschicht (5) an einem Gassensorelement
(2) bereitgestellt. Das Verfahren weist die Schritte eines
Eintauchens, Trocknens und Brennens auf. In dem Eintauchschritt
wird das Gassensorelement (2) in ein keramisches Material
eingetaucht, das keramische Partikel und ein Lösungsmittel
enthält. In dem Trockenschritt wird das Gassensorelement
(2), auf dem das keramische Material anhaftet, getrocknet.
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Nach
einem Wiederholen einer Aufeinanderfolge von Eintauchschritten und
Trockenschritten mehrmals in einer Größenordnung
von 2 bis 5-mal wird das Gassensorelement (2) gebrannt,
um an dem Gassensorelement (2) eine poröse Schutzschicht
(5) auszubilden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung ist ein Verfahren
zur effizienten Herstellung des Gassensorelements (2),
das die poröse Schutzschicht (5) mit überlegener
Funktionalität aufweist, ohne irgendwelche Brüche bzw.
Risse darin zu erzeugen.
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Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es möglich,
die Dicke des keramischen Materials anzupassen, das an der Ober-/Fläche
des Gassensorelements (2) anhaftet, um die poröse
Schutzschicht (5) auszubilden, indem eine Aufeinanderfolge
des Eintauschritts und des Trockenschritts mehrere Male, zum Beispiel 2
bis 5-mal, wiederholt wird. Es ist möglich, zu unterdrücken,
dass das Gassensorelement (2) Brüche bzw. Risse
erzeugt, die verursacht werden, wenn das an der Ober-/Fläche
des Gassensors anzuhaftende keramische Material zu dick ist.
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Gemäß dem
Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements (2) der
Erfindung ist es möglich, das Gassensorelement (2)
effizient herzustellen, das zum Beibehalten der Fähigkeit
zum Widerstehen eines Thermo- bzw. Temperaturschocks durch Kontakt
mit Wasser und zum Bewahren der Aktivierungszeitdauer des Gassensorelements
(2) davor, verzögert zu werden, fähig
ist.
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Wenn
die Größe des überstehenden Teils (51 oder 52),
gemessen von dem Endteil (P2) des Heizteils (401) (oder
des Heizbereichs (21)) kleiner als null (< 0 mm) ist, mit
anderen Worten, wenn die poröse Schutzschicht (5)
nicht die Gesamtheit des Heizteils (401) (oder des Heizbereichs
(21)) vollständig bedeckt, besteht eine Möglichkeit
bzw. Wahrscheinlichkeit einer Erzeugung eines Bruchs bzw. Risses
in der Ober-/Fläche des Gassensorelements (2),
weil der Heizteil (401) nicht stark bzw. fest genug ist,
um dem Thermo- bzw. Temperaturschock zu widerstehen, der mit einem
Kontakt mit Wasser erfolgt.
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In
realen Fällen ist es aufgrund der Unmöglichkeit
einer Ausbildung des überstehenden Teils (51)
in der porösen Schutzschicht (5) von null (mm)
notwendig, die Größe des überstehenden
Teils (51) in der porösen Schutzschicht (5)
von weniger als 1 mm zu haben.
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Andererseits
erhöht sich, wenn die Größe des überstehenden
Teils (51) mehr als 3 mm beträgt, die Wärmemasse
(oder die Wärmekapazität) der porösen
Schutzschicht (5), wobei die Größe des überstehenden Teils
(51) von dem Endteil (P2) des Heizteils (401)
(oder des Heizbereichs (21)) entlang der Längsrichtung
(L2) des Gassensorelements (2) bis zu dem Endteil (P1)
der porösen Schutzschicht (5) gemessen wird. Dies
bewirkt eine Möglichkeit bzw. Wahrscheinlichkeit einer
Verzögerung der Aktivierungszeitdauer des Gassensorelements
(2).
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Bei
dem Gassensorelement (2) ist es als ein weiterer Aspekt
der Erfindung bevorzugt, dass eine Größenordung
von 80 bis 95% des einen Endteils (51) der porösen
Schutzschicht (5) (die von dem einen Endteil (P2) des Heizteils
(401) in Richtung der Längsrichtung (L2) des Gassensorelements
(2) ragt) an Stellen bzw. Teilen (C1 bis C4) einer minimalen
Dicke bzw. Stärke in einem Querschnitt der porösen
Schutzschicht (5), der in rechten Winkeln die Längsrichtung
(L2) schneidet, eine Dicke von nicht weniger als 30 μm
aufweist.
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Es
ist daher möglich, die poröse Schutzschicht (5)
mit einer optimalen Dicke in dem Bereich entlang der Seite der Längsrichtung
(L2) des Gassensorelements (2) auszubilden.
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Wenn
der Bereich bzw. die Fläche von weniger als 80% des überstehenden
Teils (51) die Dicke von nicht weniger als 30 μm
aufweist, besteht andererseits eine Möglichkeit bzw. Wahrscheinlichkeit
einer Abnahme der Stärke- bzw. Festigkeitsfunktion der
porösen Schutzschicht (5) in Bezug auf Wasser.
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Wenn
ein Bereich bzw. eine Fläche von mehr als 95% des überstehenden
Teils (51) eine Dicke von nicht weniger als 30 μm
aufweist, wird es des Weiteren schwierig, einen abgeschrägten
Teil oder einen gestuften Teil des Endteils der porösen
Schutzschicht (5) in der Längsrichtung (L) des
Gassensorelements (2) auszubilden.
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Es
ist auch möglich, dass die poröse Schutzschicht
(5) ihre maximale Dicke bei nicht mehr als 700 μm hat.
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Bei
dem Gassensorelement (2) ist es als ein weiterer Aspekt
der Erfindung bevorzugt, den einen Endteil (51) der porösen
Schutzschicht (5) mit einer schrägen bzw. Neigungsform
oder einer Stufen- bzw. Treppenform auszubilden, bei der eine Dicke
des Endteils (51) von dem einen Endteil (P2) in Richtung
der Längsrichtung (L2) des Gassensorelements (2)
abnimmt.
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Mit
dem Aufbau des Gassensorelements (2) gemäß der
Erfindung ist es möglich zu vermeiden, dass sich eine schnelle Änderung
einer Dicke an der Grenze zwischen dem mit der porösen
Schutzschicht (5) bedeckten Bereich und dem Bereich ohne
jede poröse Schutzschicht ausbildet, und ist es als Folge
hiervon möglich, die Erzeugung einer thermischen Beanspruchung
an dieser Grenze zu verringern.
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Bei
dem Gassensorelement (2) gemäß der Erfindung
ist es möglich, dass das überstehende Teil (51) einen
geradlinigen abgeschrägten Teil oder einen konkav bzw.
gewölbt geformten abgeschrägten Teil aufweist.
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KURZE BESCHRIEBUNG DER ZEICHNUNG
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Ein
bevorzugtes, nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung beschrieben, bei der gilt:
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1 ist
ein Querschnitt eines Gassensors, der mit einem Gassensorelement
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ausgestattet ist;
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2 ist
ein Querschnitt des Gassensorelements in einem Heizbereich von diesem
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3 ist
ein Querschnitt eines vorderseitigen Teils des gemäß 1 gezeigten
Gassensorelements, in dem ein Heizbereich und ein leitfähiger
Bereich ausgebildet sind, und in dem eine poröse Schutzschicht
in dem Heizbereich ausgebildet ist;
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4 ist
ein Querschnitt eines Ausbildungsbereichs eines Endteils der porösen
Schutzschicht entlang der Längsrichtung des gemäß 3 gezeigten
Gassensorelements;
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5 ist
ein Querschnitt eines weiteren Aufbaus des Heizbereichs und des
leitfähigen Bereichs bei dem Gassensorelement gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6 ist
ein Querschnitt eines Ausbildungsbereichs eines Endteils der porösen
Schutzschicht entlang der Längsrichtung bei dem gemäß 5 gezeigten
Gassensorelement;
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7 ist
Graph, der eine Beziehung zwischen einer Größe
eines überstehenden Teils der porösen Schutzschicht
und einem Erzeugungsanteil von Brüchen bzw. Rissen, wenn
ein Wassertropfen auf das Gassensorelement tropft, als experimentelle
Proben zeigt;
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8 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Größe
eines überstehenden Teils der porösen Schutzschicht
und einem Verringerungsanteil einer Aktivierungszeitdauer des Gassensorelements
als experimentelle Proben zeigt;
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9A bis 9C sind
Schaubilder, die jeweils eine Beziehung zwischen einem Längsbereich
M mit einer vorbestimmten Dicke von nicht weniger als "t" (mm) in
dem überstehenden Teil und Brüchen bzw. Rissen, die
erzeugt werden, wenn das Gassensorelement sich auf einer hohen Temperatur
befindet und ein Wassertropfen auf die Ober-/Fläche des
Gassensorelements tropft, gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen; und
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10 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Anteil (%) des Längsbereichs
M des überstehenden Teils, einem Erzeugungsanteil (%) von
Brüchen bzw. Rissen und einem Verringerungsanteil der Aktivierungszeitdauer
bei den experimentellen Proben zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Hierin
nachstehend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
Bei der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele
bezeichnen gleiche bzw. ähnliche Bezugszeichen oder -ziffern über
die verschiedenen Darstellungen hinweg gleiche bzw. ähnliche
oder äquivalente Bau- bzw. Bestandteile.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Es
wird unter Bezugnahme auf 1 bis 8 eine
Beschreibung eines Gassensorelements mit einer porösen Schutzschicht
und eines Verfahrens zur Herstellung des Gassensorelements gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben.
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1 ist
ein Querschnitt des mit einem Gassensorelement 2 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestatteten
Gassensors 1. 2 ist ein Querschnitt des gemäß 1 gezeigten
Gassensors in einem Heizbereich 21, wo ein Heizersubstrat 4,
das Sensorsubstrat 3 und ein Paar Elektroden 32A und 32B geschichtet
sind.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, weist das Gassensorelement 2 das Sensorsubstrat 3 und
das Heizersubstrat 4 auf. Das Sensorsubstrat 3 besteht
aus einem festen Elektrolyt 31 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit. Ein
Paar der Elektroden 32A und 32B ist an den beiden
Ober-/Flächen des festen Elektrolyts 31 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit
ausgebildet.
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Das
Heizersubstrat 4 besteht aus einem Keramikkörper 41 und
einem Heizerkörper 42. Der Heizerkörper 42,
der aus einem leitfähigen Draht besteht, ist in dem Keramikkörper 41 in
das Heizersubstrat 4 eingelassen. Der Heizerkörper 42 erzeugt
Wärmeenergie, wenn ein Strom von einer (nicht gezeigten)
außen liegenden Energiequelle an den Heizerkörper 42 zugeführt
wird.
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3 ist
ein Querschnitt eines vorderseitigen Teils des gemäß 1 gezeigten
Gassensorelements. In dem vorderseitigen Teil des Gassensorelements 2 sind
der Heizbereich 21 und der leitende Bereich 22 ausgebildet,
und in dem Heizbereich 21 ist eine poröse Schutzschicht 5 ausgebildet. 4 ist
ein Querschnitt des Ausbildungsbereichs eines Endteils der porösen Schutzschicht 5 entlang
der Längsrichtung des gemäß 3 gezeigten
Gassensorelements 2.
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Wie
es gemäß 3 und 4 gezeigt
ist, weist der Heizerkörper 42 den Heizteil 401 und
den Leitungsteil 402 auf. Der Heizteil 401 ist
aus dem Leiterdraht aufgebaut, der in den Keramikkörper 41 eingelassen ist
und sich schlängelt bzw. mäandert, um Wärmeenergie
zu erzeugen, wenn ein Strom zugeführt wird. Der Leitungsteil 402 ist
ein herausragender Teil des Leiterdrahts, der aus dem Heizteil 401 herausragt.
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Wie
es gemäß 3 gezeigt
ist, weist das Gassensorelement 2 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel den Heizbereich 21 auf,
der and dem vorderseitigen Teil auf der Seite der einen Richtung
L1 entlang der Längsrichtung L des Gassensorelements 2 positioniert
ist. Der leitende Bereich 22 ist anschließend
an den Heizbereich 21 auf der Seite der Richtung L2 ausgebildet.
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In
dem Heizbereich 21 ist der Heizteil 401 dem Sensorsubstrat 3 in
dem vorderseitigen Teil des Gassensorelements 2 zugewandt.
Die Gesamtheit des Heizbereichs 21 ist mit einer porösen
Schutzschicht 5 bedeckt bzw. umhüllt. Die poröse
Schutzschicht 5 besteht aus Keramikpartikeln mit zahlreichen
Poren.
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Wie
es gemäß 3 gezeigt
ist, steht das Endteil der porösen Schutzschicht 5 um
eine vorbestimmte Länge in einer Größenordnung
von 3 mm über, was von einem Endteil P2 in Richtung der
Seite der Richtung L2 bis zu dem Endteil P1 gemessen wird. Gemäß 3 ist
die Überstandsgröße der porösen
Schutzschicht 5 in Richtung der Richtung L2 mit Buchstabe
"A" bezeichnet. Insbesondere zeigt 2 einen
Querschnitt des vorderseitigen Teils des Gassensorelements 2 in
der Richtung, die sich in rechten Winkeln mit der Längsrichtung
L des Gassensorelements 2 schneidet.
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4 ist
ein Querschnitt eines Ausbildungsbereichs eines Endteils der porösen
Schutzschicht 5 entlang der Längsrichtung L des
gemäß 3 gezeigten Gassensorelements 2.
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Unter
Bezugnahme auf 1 bis 7 wird nun
eine Beschreibung des detaillierten Aufbaus und der Merkmale des
Gassensorelements 2 und des Verfahrens zur Herstellung
des Gassensorelements 2 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel gegeben.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, ist der Gassensor 1 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel ein Gassensor des Grenzstromtyps, der
an einem Fahrzeug zu installieren ist. Der Gassensor 1 ist
zum Erfassen einer Konzentration von Sauerstoff fähig,
der in einem von der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs ausgestoßenen
Abgas enthalten ist. Der Gassensor 1 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel erfasst ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis
in der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs, indem ein zwischen
einem Paar der Elektroden 32A und 32B in dem Gassensorelement 2 erzeugter
Strom erfasst wird. Der Strom wird zwischen einem Paar der Elektroden 32A und 32B gemäß einer
Differenz einer Sauerstoffkonzentration zwischen einem Zielgas und
einem Bezugsgas (wie etwa der Atmosphäre) erzeugt. Das
Zielgas steht mit der Elektrode 32A auf der Zielgasseite
als eine Elektrode in Kontakt. Das Bezugsgas steht mit der Elektrode 32B als
die andere Elektrode auf der Bezugsgasseite in Kontakt.
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Das
Sensorsubstrat 3 in dem Gassensorelement 2 des
Gassensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
weist einen Einzelzellenaufbau auf, der eine Pumpzellenfunktion
und eine Abtast- bzw. Fühlzellenfunktion bereitstellt.
Die Pumpzellenfunktion passt die Sauerstoffkonzentration des Zielgases
an. Die Abtast- bzw. Fühlzellenfunktion erfasst die Sauerstoffkonzentration
des Zielgases wie etwa eines Abgases. Das Gassensorelement 2 stellt
die Funktionen sowohl der Pumpzelle als auch der Abtast- bzw. Fühlzelle
bereit, wobei ein Paar von Elektroden 32A und 32B verwendet
wird, die an den beiden Ober-/Flächen des festen Elektrolyts 31 ausgebildet
sind.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, ist eine Diffusionswiderstandsschicht 33 auf der Ober-/Fläche
des festen Elektrolyts 31 geschichtet, um die Diffusion
des Zielgases zu regulieren. Eine Abschirmschicht 34 ist
auf der Ober-/Fläche der Diffusionswiderstandsschicht 33 geschichtet.
Zum Beispiel sind sowohl die Diffusionswiderstandsschicht 33 als
auch die Abschirmschicht 34 aus Aluminiumoxid und dergleichen
hergestellt. Ein Paar der Elektroden 32A und 32B ist
aus Platin hergestellt.
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Die
poröse Schutzschicht 5 ist zum Einfangen oder
Ergreifen von giftigen bzw. verschmutzenden Komponenten, die in
dem als das Zielgas dienenden Abgas enthalten sind, das in die Diffusionswiderstandsschicht 33 eingeführt
wird, sowie zum Schützen des Gassensorelements 2 vor
einer Erzeugung jedweder durch Wasser verursachter Brüche
bzw. Risse geeignet.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, ist das Sensorsubstrat 3 auf dem Heizersubstrat 4 geschichtet.
Das heißt, dass das Heizersubstrat 4 auf der Ausbildungsseite
der Elektrode 32B in dem Sensorsubstrat 3 mit
dem festen Elektrolyt 31 in Kontakt steht. Das Heizersubstrat 4 weist
den Heizerkörper 42 auf, der zwischen einem Keramikkörper 41A und
einem Keramikkörper 41B ausgebildet ist. Der Keramikkörper 41A und
der feste Elektrolyt 31 bilden an der bezugsgasseitigen
Elektrode 32B einen Bezugsgasraum 45 aus. Der
Heizerkörper 42 wird durch Schaltungsmusterdruck
von Platin und dergleichen in dem aus den Keramikkörpern 41A und 41B bestehenden
Keramikkörper 41 ausgebildet.
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Wie
es gemäß 3 und 4 gezeigt
ist, ist ein an den beiden Ober-/Flächen des festen Elektrolyts 31 ausgebildetes
Paar der Elektroden 32A und 32B an einer solchen
Position ausgebildet, dass sie dem Heizteil 401 mit dem
Heizerkörper 42 über den Bezugsgasraum 45 zugewandt
sind.
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Wie
es gemäß 3 gezeigt
ist, ist der Heizteil 401 des Heizerköpers 42 (zum
Beispiel ein leitender Draht) so ausgebildet, dass er sich in der
Längsrichtung L des Gassensorelements 2 schlängelt
bzw. mäandert.
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5 ist
ein Querschnitt eines weiteren Aufbaus des Heizbereichs 21 und
des leitenden Bereichs 22 in dem Gassensorelement 2 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel. Wie es gemäß 5 gezeigt
ist, ist es möglich, den Heizteil 401 so auszubilden,
dass sich der Heizerkörper 42 in einer Querrichtung
W schlängelt bzw. mäandert, die sich in rechten
Winkeln mit der Längsrichtung L des Gassensorelements 2 schneidet.
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Der
Heizbereich 21 und der leitende Bereich 22 sind
in dem Gassensorelement 2 ausgebildet. In dem Heizbereich 21 ist
der Heizteil 401 dem Sensorsubstrat 3 zugewandt.
In dem leitenden Bereich 22 ist der Leitungsteil 402 dem
Sensorsubstrat 3 zugewandt.
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Wie
es gemäß 1 gezeigt
ist, ist ein rückseitiger Teil 202 des Gassensorelements 2 durch
einen elektrischen Isolationsteil 14 an einem aus Metal
bestehenden Gehäuse 11 befestigt. Das vorderseitige
Teil 201 des Gassensorelements 2 ist mit einer
Elementhülle 12 umhüllt, die an dem vorderseitigen
Teil des Gehäuses 11 befestigt ist. Die Elementhülle 12 ist
aufgebaut aus einer inneren Hülle 12A und einer äußeren
Hülle 12B. Die innere Hülle 12A nimmt
den vorderseitigen Teil des Gassensorelements 2 auf. Die äußere
Hülle 12B nimmt die innere Hülle 12A auf.
In der inneren Hülle 12A ist ein Zielgas-Einlassteil 13A ausgebildet.
In der äußeren Hülle 12B ist
ein Zielgas-Einlassteil 13B ausgebildet. Diese Einlassteile 13A und 13B sind
an einer unterschiedlichen Position entlang der Längsrichtung
L des Gassensorelements 2 ausgebildet.
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Der
rückseitige Teil 202 des Gassensorelements 2 ist
elektrisch mit leitenden Metallelementen 15 und den Leitungsdrähten 16 verbunden, über
die ein Paar der Elektroden 32A und 32B mit Anschlüssen
von (nicht gezeigten) äußeren Vorrichtungen elektrisch
verbunden ist.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, sind gemäß dem Aufbau des Gassensorelements 2 des
ersten Ausführungsbeispiels vier Ecken in einem Querschnitt
des Gassensorelements 2 mit einer rechteckigen Form abgeschnitten,
so dass eine Schnittfläche (eine C-Fläche) 36 an
jeder Ecke ausgebildet ist. Beide Seitenteile von jeder der Diffusionswiderstandsschicht 33 und
der Abschirmschicht 34 sind abgeschnitten, um eine Schnittfläche
(eine C-Fläche) auszubilden, durch die das zu erfassende
Zielgas in die Diffusionswiderstandsschicht 33 eingeführt
wird.
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Ein
Querschnitt des Gassensorelements 2 weist in der Schichtungsrichtung
D, in der das Sensorsubstrat 3 und das Heizersubstrat 4 geschichtet
sind, eine dünne Rechtecksform auf.
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Wie
es gemäß 4 gezeigt
ist, weist der Endteil 51 der porösen Schutzschicht 5 in
Richtung der Richtung L2 in der Längsrichtung L eine abgeschrägte
Form einer geraden Linie auf, wo die Dicke der porösen Schutzschicht 5 in
Richtung der Richtung L2 allmählich abnimmt. Es ist auch
möglich, den Endteil 51 einer abgeschrägten
Form so auszubilden, dass er ein konvexes bzw. nach außen
gewölbtes Teil darstellt.
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Ein
Ausbilden des abgeschrägten Teils an dem Endteil 51 der
porösen Schutzschicht 5 vermeidet eine schnelle
Veränderung der Dicke des Grenzbereichs zwischen dem mit
der porösen Schutzschicht 5 abgedeckten Teil und
dem nicht abgedeckten Teil. Dieser Aufbau verringert eine an diesem
Grenzteil in dem Gassensorelement 2 anliegende thermische
Beanspruchung, wenn das Gassensorelement 2 eine hohe Temperatur
aufweist und ein Wassertropfen auf die Ober-/Fläche des
Gassensorelements 2 tropft.
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6 ist
ein Querschnitt des Ausbildungsbereichs des Endteils 51 der
porösen Schutzschicht 5 entlang der Längsrichtung
L in den gemäß 5 gezeigte
Gassensorelement.
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Wie
es gemäß 6 gezeigt
ist, ist es möglich, den Endteil 51 der porösen
Schutzschicht 5 in Richtung der Richtung L2 in der Längsrichtung
L so auszubilden, dass der Endteil 51 eine Stufen- bzw.
Treppenform aufweist, bei der die Dicke des Endteils 51 entlang
der Richtung L2 in Stufen bzw. Treppen verändert wird.
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Der
Endteil 51 einer Stufen- bzw. Treppenform besteht aus einer
porösen Schutzschicht 5A als untere Schicht und
einer porösen Schutzschicht 5B als obere Schicht.
Die poröse Schutzschicht 5A als die untere Schicht
besteht aus keramischen Partikeln geringer Größe.
Andererseits besteht die poröse Schutzschicht 5B als
die obere Schicht aus keramischen Partikeln großer Größe.
Insbesondere besteht die poröse Schutzschicht 5B,
wie es gemäß 6 gezeigt
ist, aus einem Paar einer oberen Schicht 5B-1 und einer
mittleren Schicht 5B-2.
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Wie
es bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt
wird, ist die Partikelgröße bei der als die obere
Schicht dienenden porösen Schutzschicht 5B größer
als bei der als die untere Schicht dienenden porösen Schutzschicht 5A.
Die poröse Schutzschicht 5A und die poröse
Schutzschicht 5B (5B-1 und 5B-2) werden
jeweils unter Verwendung unterschiedlicher Eintauchprozesse ausgebildet.
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Wie
es gemäß 2 gezeigt
ist, weist der zentrale Teil der porösen Schutzschicht 5,
die das Sensorsubstrat 3 und das Heizersubstrat 4 bedeckt
bzw. umhüllt, in dem Querschnitt, der sich in rechten Winkeln
mit der Längsrichtung L schneidet, eine maximale Dicke
auf. Andererseits weisen die Eckteile C1 bis C4 der porösen
Schutzschicht 5 eine minimale Dicke von nicht weniger als
30 μm auf.
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Eine
Größenordnung von 80 bis 95% des gemäß 4 gezeigten
Endteils 51 der porösen Schutzschicht 5 (oder
des gemäß 9A, 9B und 9C gezeigten
Endteils 52) an den Ecken C1 bis C4 des überstehenden
Teils der porösen Schutzschicht 5 weist, betrachtet
hin zu einem Endteil P1 von dem anderen Endteil P2 in dem Heizteil 401 entlang
der Längsrichtung L aus, eine Dicke von nicht weniger als
30 μm auf. Der verbleibende Teil des Endteils 51 in
der porösen Schutzschicht 5 weist den abgeschrägten
Teil auf.
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Die
poröse Schutzschicht 5 in dem Gassensorelement 2 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel weist eine Vielzahl von Poren
auf, die aus Keramikpartikel darstellenden Aluminiumoxidpartikeln
hergestellt sind. Das Porenverhältnis in der porösen
Schutzschicht 5 beträgt nicht weniger als 20%.
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Es
ist auch möglich, die untere Schicht mit einer Vielzahl
von aus Keramikpartikeln hergestellten Poren an der Ober-/ Fläche
des Gassensorelements 2 auszubilden, nämlich an
der Ober-/Fläche des Sensorsubstrats 3, des Heizersubstrats 4 und
der Abschirmschicht 34. Diese untere Schicht kann gleichzeitig
ausgebildet werden, wenn das Gassensorelement 2 gebrannt
wird.
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Die
poröse Schutzschicht 5 in dem Gassensorelement 2 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung von Keramikpartikeln
mit elektrischer Isolierung hergestellt, die in einem Mehrschichtenaufbau
geschichtet werden (bei dem ersten Ausführungsbeispiel
eine primäre und eine sekundäre Schicht). Die obere
Schicht ist betreffend eine durchschnittliche Partikelgröße
größer als die untere Schicht.
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Das
Gassensorelement 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
weist einen Schichtungsaufbau auf, bei dem das Sensorsubstrat 3,
das Heizersubstrat 4, die Diffusionswiderstandsschicht 33 und
die Abschirmschicht 34 geschichtet sind. Das Gassensorelement 2 mit
dem vorgenannten Schichtungsaufbau wird durch Befeuern bzw. Heizen
oder Brennen hergestellt.
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Die
poröse Schutzschicht 5 wird durch Eintauchen des
Gassensorelements 2 in ein viele Keramikpartikel und Wasser
enthaltendes wässriges bzw. breiiges keramisches Material
hergestellt, so dass das keramische Material an den Ober-/Flächen
des Gassensorelements 2 anhaftet. Das Gassensorelement 2 mit
der porösen Schutzschicht 5 wird dann getrocknet
und gebrannt.
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Bei
dem Gassensorelement 2 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel ist die Gesamtheit des Heizteils 401 auf
der einen Seite L1 des Gassensorelements 2 entlang dessen
Längsrichtung mit der porösen Schutzschicht 5 bedeckt.
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Die
poröse Schutzschicht 5 fängt oder ergreift
giftige bzw. verschmutzende Komponenten, die in dem Zielgas enthalten
sind. Das Zielgas wird dann an die auf dem festen Elektrolyt 31 ausgebildete
zielgasseitige Elektrode 32A zugeführt. Die poröse
Schutzschicht 5 bewahrt das Gassensorelement 2 davor,
dass irgendwelche Brüche bzw. Risse erzeugt werden, wenn
es erwärmt wird und ein Wassertropfen auf das Gassensorelement 2 tropft.
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Der
Endteil P1 der porösen Schutzschicht 5 ist von
dem Endteil P2 des Heizteils 401 aus in Richtung der Richtung
L2 entlang der Längsrichtung L in einer Größenordnung
von nicht mehr als 3 mm überstehend.
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Dieser
Aufbau der porösen Schutzschicht 5 erhöht
dessen Wärmemasse (oder Wärmekapazität)
und unterdrückt, dass die Sensoraktivierungszeitdauer erhöht
wird.
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Gemäß dem
Gassensorelement 2 mit der porösen Schutzschicht 5 mit
dem vorstehend beschriebenen überlegenen Aufbau ist es
möglich, sowohl die Stärke- bzw. Festigkeitsfunktion
in Bezug auf Wasser als auch die Aktivierungsfunktion mit einer
kurzen Zeitdauer gleichzeitig beizubehalten.
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7 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Größe
bzw. dem Betrag A (mm) des überstehenden Teils 51 (oder 52,
der gemäß 9A, 9B und 9C gezeigt
ist) der porösen Schutzschicht 5 und dem Erzeugungsanteil
bzw. -verhältnis (%) von Brüchen bzw. Rissen zeigt,
wenn das Gassensorelement 2 eine hohe Temperatur aufweist
und ein Wassertropfen auf das Gassensorelement tropft.
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Gemäß 7 gibt
die Querachse die Größe bzw. den Betrag A (mm)
des überstehenden Teils 51 der porösen
Schutzschicht 5 an, der von dem einen Endteil P2 bis zu
dem vorderen Endteil P1 der porösen Schutzschicht 5 in
dem Heizteil 401 entlang der Längsrichtung L des
Gassensorelements 2 gemessen wurde. Die Hochachse gibt
den Erzeugungsanteil bzw. das -verhältnis (%) von Brüchen
bzw. Rissen (oder einem Brechen) in dem Gassensorelement 2 an,
wenn es auf einer hohen Temperatur ist und ein Wassertropfen auf
dessen Ober-/Fläche tropft.
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Der
Erzeugungsanteil (%) von Brüchen bzw. Rissen in dem Gassensorelement 2 wurde
auf die folgende Art und Weise gemessen und dann bewertet.
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Zunächst
wurde das Gassensorelement 2 bis auf eine hohe Temperatur
von etwa 700°C aufgewärmt. Ein Wassertropfen wurde
rund um die Ober-/Fläche des Endteils P2 in dem Heizteil 401 des
Gassensorelements 2 auf 700°C getropft. Es wurde
erfasst, ob Brüche bzw. Risse in der Ober-/Fläche
des Gassensorelements 2 auftreten. Die in dem Wassertropfen
enthaltene Wassermenge war die gleiche wie diejenige, die an der
Ober-/Fläche des Gassensorelements 2 ohne Vorliegen einer
porösen Schutzschicht sicherlich einen Bruch bzw. Riss
verursachen würde.
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Der
Test wurde unter Verwendung von je 100 experimentellen Proben für
die in der folgenden Tabelle 1 aufgelisteten Bedingungen durchgeführt.
Die Erzeugung von Brüchen bzw. Rissen in dem Gassensorelement 2 wurde
erfasst, und der Erzeugungsanteil (%) von Brüchen bzw.
Rissen wurde berechnet.
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Die
Art und Weise einer Erfassung, wie das Auftreten von Brüchen
bzw. Rissen in dem Gassensorelement 2 zu erfassen ist,
wird wie folgt erläutert.
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Ein
Teil des Gassensorelements 2 wurde, nachdem ein Wassertropfen
auf dessen Ober-/Fläche getropft wurde, in ein Ethanol
enthaltendes Ethanolbad eingetaucht, so dass der Heizteil 401 in
dem Heizbereich 21 und ein Teil des leitenden Bereichs 22 (siehe 3 und 5)
vollständig in das Ethanolbad eingetaucht waren. Eine vorbestimmte
Spannung wurde an einen Primärknoten zwischen dem Heizbereich 401 des
Gassensorelements 2 und dem Ethanolbad sowie auch an einen
Sekundärknoten zwischen der Elektrode 32B auf der
Bezugsgasseite und dem Ethanolbad angelegt, um die Größe
bzw. den Wert eines Isolierwiderstands des Gassensorelements 2 als
jede experimentelle Probe zu erfassen. Wenn eine experimentelle
Probe im Vergleich zu einer normalen experimentellen Probe einen
drastisch erhöhten Isolierwiderstand aufwies, wurde geurteilt,
dass ein Bruch bzw. Riss in diesem Gassensorelement erzeugt wurde.
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Tabelle
1 zeigt die experimentellen Ergebnisse der vorgenannten Bewertung
unter Verwendung von drei Typen experimenteller Proben. Jeder Typ
weist eine unterschiedliche Schnittfläche und eine unterschiedliche
Länge von Heizbereich 401 auf. Unterschiedliche
Schnittflächen des Heizbereichs 401 schneiden
sich bei jeder experimentellen Probe in rechten Winkeln mit der
Längsrichtung L des Gassensorelements 2.
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Die
Größe A (mm) des überstehenden Bereichs
der porösen Schutzschicht 5 in dem Gassensorelement 2 wurde
so verändert, dass sie in einem Intervall von –2
mm bis +4 mm liegt. 4, 5 und 6 zeigen
zum Beispiel die Größe A (mm) des überstehenden
Bereichs 51 der porösen Schutzschicht 5 in
dem Gassensorelement 2 als jede experimentelle Probe. Das
heißt, dass die Größe A des überstehenden
Bereichs 51, wie es gemäß 4, 5 und 6 gezeigt
ist, von dem Endteil P2 bis zu dem Endteil P1 gemessen ist.
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Die
Schnittfläche gemäß Tabelle 1 enthält
nicht die Schnittfläche einer porösen Schutzschicht 5.
Die Größe A des überstehenden Bereichs 51 von –2
mm gibt an, dass der vordere Endteil P1 des überstehenden Bereichs 51 in
dem Bereich in Richtung der Richtung L1, gemessen von dem Endteil
P2 aus, liegt.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel gemäß der
Erfindung wird eine ausführliche Erläuterung eines
Verfahrens aufzeigen, wobei ausführlich beschrieben wird,
wie die Größe A des überstehenden Bereichs 51 der porösen
Schutzschicht 5 anzupassen ist.
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7 und
Tabelle 1 zeigen die experimentellen Bewertungsergebnisse. Gemäß 7 gibt
Bezugszeichen "T1" die experimentelle Probe des Gassensorelements 2 mit
der Schnittfläche von 9 mm2 und
dem Heizbereich 21 der Länge von 6,2 mm an. Bezugszeichen
"T2" gibt die experimentelle Probe des Gassensorelements 2 mit
der Schnittfläche von 6,84 mm2 und
dem Heizbereich 21 der Länge von 8,5 mm an. Bezugszeichen
"T3" gibt die experimentelle Probe des Gassensorelements 2 mit
der Schnittfläche von 4,48 mm2 und dem
Heizbereich 21 der Länge von 8,5 mm an.
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8 zeigt
weitere experimentelle Ergebnisse unter Verwendung der gleichen
Proben T1 bis T3. Tabelle 1
| Schnittfläche [mm2] von Gassensorelement (Breite [mm], Dicke
[mm] | Länge
[mm] von Heizbereich | Größe
A [mm] von überstehendem Teil | Erzeugungsanteil [%]
von Brüchen/Rissen | Verringerungsanteil
[%] von Aktivierungszeitdauer |
| 9
(4,5 × 2) | 6,2 | –2 | 6 | –0,2 |
| 9
(4,5 × 2) | 6,2 | 0 | 0 | 0 |
| 9
(4,5 × 2) | 6,2 | 1 | 0 | 0,7 |
| 9
(4,5 × 2) | 6,2 | 2 | 0 | 1,4 |
| 9
(4,5 × 2) | 6,2 | 3 | 0 | 3,1 |
| 9
(4,5 × 2) | 6,2 | 4 | 0 | 7,2 |
| | | | | |
| 6,84
(3,8 × 1,8) | 8,5 | –2 | 5 | –0,3 |
| 6,84
(3,8 × 1,8) | 8,5 | 0 | 0 | 0 |
| 6,84
(3,8 × 1,8) | 8,5 | 1 | 0 | 0,6 |
| 6,84
(3,8 × 1,8) | 8,5 | 2 | 0 | 1,2 |
| 6,84
(3,8 × 1,8) | 8,5 | 3 | 0 | 2,5 |
| 6,84
(3,2 × 1,8) | 8,5 | 4 | 0 | 6,8 |
| | | | | |
| 4,48
(3,2 × 1,4) | 8,5 | –2 | 7 | –0,3 |
| 4,48
(3,2 × 1,4) | 8,5 | 0 | 0 | 0 |
| 4,48
(3,2 × 1,4) | 8,5 | 1 | 0 | 0,8 |
| 4,48
(3,2 × 1,4) | 8,5 | 2 | 0 | 1,3 |
| 4,48
(3,2 × 1,4) | 8,5 | 3 | 0 | 2,7 |
| 4,48
(3,2 × 1,4) | 8,5 | 4 | 0 | 6,6 |
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8 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Größe
bzw. dem Betrag A (mm) des überstehenden Teils 51 der
porösen Schutzschicht 5 und einem Verringerungsanteil
bzw. -verhältnis einer Aktivierungszeitdauer des Gassensorelements 2 als
jede experimentelle Probe zeigt.
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Gemäß 8 gibt
die Querachse die Größe bzw. den Betrag A (mm)
des überstehenden Teils 51 der porösen
Schutzschicht 5 an, die/der von einem Endteil P2 bis zu
dem anderen Endteil P1 in dem Heizteil 401 entlang der
Längsrichtung L des Gassensorelements 2 gemessen
wurde. Die Hochachse gibt den Verringerungsanteil (%) einer Aktivierungszeitdauer
des Gassensorelements 2 als experimentelle Proben an.
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Der
Verringerungsanteil (%) einer Aktivierungszeitdauer ist ein Anteil
bzw. Verhältnis der Aktivierungszeitdauer des Gassensorelements 2 als
experimentelle Proben zu einer Bezugsprobe mit der Größe
A (mm) von 0 mm des überstehenden Bereichs 51 der
porösen Schutzschicht 5.
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Die
Aktivierungszeitdauer gibt eine Zeit an, die zum Erhöhen
der Ober-/Fläche des Gassensorelements 2 von der
Raumtemperatur auf 700°C notwendig ist, wenn ein vorbestimmter
Strom an den Heizerkörper 42 in dem Gassensorelement 2 zugeführt
wird.
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Die
Bewertung einer solchen Aktivierungszeitdauer wurde unter Verwendung
der drei Typen der Gassensorelemente 2 als experimentelle
Proben durchgeführt, die eine unterschiedliche Schnittfläche,
eine unterschiedliche Heizfläche und eine unterschiedliche
Größe A (mm) des überstehenden Bereichs
in einem Intervall von –2 mm bis +4 mm aufweisen.
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Die
Gesamtzahl der experimentellen Proben jedes Typs beträgt
10. 8 und Tabelle 1 zeigen den Durchschnitt der erfassten
Werte der experimentellen Proben.
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Wie
es gemäß 8 klar gezeigt
ist, wird der Verringerungsanteil (%) der Aktivierungszeitdauer
des Gassensorelements als experimentelle Proben erhöht
(das heißt, dass sie lang wird), wenn die Größe
A des überstehenden Bereichs 51 der porösen
Schutzschicht 5 erhöht wird.
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Andererseits
zeigt 7 experimentelle Proben dafür, dass Brüche
bzw. Risse in der Ober-/Fläche des Gassensorelements 2 als
experimentelle Proben auftreten, wenn die Größe
A des überstehenden Bereichs 51 der porösen
Schutzschicht 5 kleiner als 0 mm ist. Mit anderen Worten
ist bei diesen experimentellen Proben die Stärke- bzw.
Festigkeitsfunktion in Bezug auf Wasser herabgesetzt.
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Wie
es gemäß 8 gezeigt
ist, ist der Verringerungsanteil (%) der Aktivierungszeitdauer weiter
erheblich erhöht, wenn die Größe A des überstehenden
Bereichs 51 der porösen Schutzschicht 5 3
mm überschreitet.
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Diese
Tendenz hängt nicht von der Länge der Schnittfläche
(mm2) des Gassensorelements 2 oder
von der Länge (mm) des Heizbereichs 21 des Gassensorelements 2 ab.
Mit anderen Worten kann aus den experimentellen Ergebnissen erkannt
werden, dass dies eine allgemeine bzw. gemeinsame Tendenz für
alle Typen von Gassensorelementen ist.
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Als
Ergebnis ist es möglich, die Stärke- bzw. Festigkeitsfunktion
in Bezug auf Wasser und die Aktivierungszeitdauer beizubehalten,
wenn die Größe A (mm) des überstehenden
Teils 51 der porösen Schutzschicht 5 in
einem Intervall von 0 bis 3 mm an dem Gassensorelement 2 ausgebildet
ist.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Es
wird eine Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des Gassensorelements 2 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben.
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Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Eintauchschritt
und ein Trockenschritt zum Ausbilden der porösen Schutzschicht 5 auf
der Ober-/Fläche des Gassensorelements 2 mehrere
Male wiederholt durchgeführt. Nach Abschluss einer mehrmaligen
Aufeinanderfolge dieser Schritte wird ein Brennschritt durchgeführt,
um die poröse Schutzschicht 5 auf der Ober-/Fläche
des Gassensorelements 2 vollständig bzw. abschließend
auszubilden.
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In
dem Eintauchschritt wird der vordere Endteil 201 (der dem
gemäß 3 und 5 gezeigten
Heizbereich 21 entspricht) des Gassensorelements 2 in
eine keramisches Material und Wasser enthaltende keramische wässrige
Masse bzw. Aufschlämmung eingetaucht, wobei Wasser ein
Lösungsmittel ist.
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Das
Gassensorelement 2 wird dann aus der keramischen wässrigen
Masse bzw. Aufschlämmung herausgezogen. Die keramischen
Materialien haften an der Ober-/Fläche des vorderen Endteils 201 des
Gassensorelements 2 an.
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Bei
dem Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist das Gassensorelement 2 an einem (nicht gezeigten) Isolator
befestigt und wird der vordere Endteil 201, der von dem
(nicht gezeigten) Isolator übersteht, in dem Eintauchschritt
in die keramische wässrige Masse bzw. Aufschlämmung
eingetaucht.
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In
dem Trockenschritt wird das an der Ober-/Fläche des Gassensorelements 2 anhaftende
keramische Material getrocknet. Während dieses Schritts
bläst gewärmte Luft das Gassensorelement 2 an,
bis in dem keramischen Material enthaltenes Wasser zu nicht mehr
als 20 wt% wird.
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In
dem Eintauchschritt des Verfahrens gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel haftet eine primäre Keramikschicht 5A (die
gemäß 6 gezeigt ist) an der Ober-/Fläche
des Gassensorelements 2 an und wird dann getrocknet. Die
primäre Keramikschicht 5A besteht aus keramischem
Material mit einer Partikelgröße von nicht mehr
als 10 μm.
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Als
nächstes haftet eine sekundäre Keramikschicht 5B-2 an
der primären Keramikschicht 5A an dem Gassensorelement 2 an
und wird dann getrocknet. Die sekundäre Keramikschicht 5B-2 besteht
aus keramischem Material mit einer Partikelgröße,
die größer ist als diejenige des keramischen Materials
in der primären Keramikschicht 5A.
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Schließlich
haftet eine dritte Keramikschicht 5B-1 an der sekundären
Keramikschicht 5B-2 an und wird dann getrocknet. Die dritte
Keramikschicht 5B-1 besteht aus einem keramischen Material
mit einer Partikelgröße, die nahezu gleich derjenigen
des keramischen Materials in der sekundären Keramikschicht 5B-2 ist.
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Der
Eintauchschritt und der Trockenschritt werden wiederholt durchgeführt,
bis die Wassermenge, die in dem an dem Gassensorelement 2 anhaftenden
keramischen Material enthalten ist, zu ungefähr 0 wt% wird.
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Nach
Abschluss des Trockenschritts wird das Gassensorelement 2 gebrannt,
um die poröse Schutzschicht 5 an der Ober-/Fläche
des Gassensorelements 2 vollständig bzw. abschließend
auszubilden.
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Es
ist auch möglich, eine (nicht gezeigte) Grundschicht an
der Ober-/Fläche des Gassensorelements 2 auszubilden,
bevor der Eintauchschritt durchgeführt wird. Die Grundschicht
und das Gassensorelement 2 werden gleichzeitig gebrannt,
bevor die poröse Schutzschicht 5 an der Ober-/Fläche
des Gassensorelements 2 ausgebildet wird.
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Die
Größe A (mm) des überstehenden Bereichs 51 der
porösen Schutzschicht 5 wird angepasst, indem
die Länge des Gassensorelements 2 gesteuert wird,
die in dem Eintauchschritt in die keramische wässrige Masse
bzw. Aufschlämmung einzutauchen ist. Das heißt,
dass der Ausbildungsbereich bzw. die Ausbildungsfläche
des Heizbereichs 21 (entsprechend dem Heizteil 401)
in dem Gassensorelement 2 ebenso wie die Länge,
die von dem vorderen Endteil bis zu dem Endteil P1 entlang der Längsrichtung
L des Gassensorelements 2 gemessen wird, bereits bei der
Entwurfs- bzw. Planungsarbeit bekannt sind. Es ist daher möglich, die
poröse Schutzschicht 5 mit dem überstehenden
Teil 51 einer vorbestimmten Länge A auszubilden,
indem der vordere Endteil des Gassensorelements 2 mit einer
vorbestimmten Länge A in die keramische wässrige Masse
bzw. Aufschlämmung eingetaucht wird.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements 2 gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es möglich,
die Film- bzw. Schichtdicke der aus keramischem Material bestehenden
unteren Schicht A, die direkt an der Ober-/Fläche des Gassensorelements 2 auszubilden
ist, zu verringern, weil eine Aufeinanderfolge von Eintauchschritten
und Trockenschritten zweimal wiederholt wird, um die obere Schicht
auszubilden, die aus den gemäß 6 gezeigten
Schichten 5B-1 und 5B-2 aufgebaut ist. Es ist
dadurch möglich, ein Auftreten von in der porösen
Schutzschicht 5 und dem Gassensorelement 2 erzeugten
Brüchen bzw. Rissen zu unterdrücken, die dadurch
verursacht werden, dass das keramische Material eine große Dicke
hat.
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Es
ist möglich, eine Aufeinanderfolge des Eintauchschritts
und des Trockenschritts zwei- bis fünfmal zu wiederholen,
um die obere Schicht auszubilden. Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung des Gassensorelements 2 ist es möglich,
das Gassensorelement mit der Stärke- bzw. Festigkeitsfunktion
bezüglich Wasser und mit der Aktivierungsfunktion bereitzustellen.
Mit anderen Worten ist das Gassensorelement 2 gemäß der Erfindung
fähig, die Stärke- bzw. Festigkeitsfunktion in
Bezug auf Wasser beizubehalten und eine Verzögerung der
Sensoraktivierungszeitdauer zu unterdrücken.
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Da
der Aufbau des Gassensorelements 2 mit der porösen
Schutzschicht 5 der gleiche ist wie derjenige des ersten
Ausführungsbeispiels, weist das durch das zweite Ausführungsbeispiel
hergestellte Gassensorelement die gleiche Aktivität und
die gleichen Effekte bzw. Wirkungen wie das Gassensorelement gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel auf.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Es
wird eine Beschreibung des dritten Ausführungsbeispiels
gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf 9A bis 9C und 10 gegeben.
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9A bis 9C sind
Schaubilder, die jeweils eine Beziehung zwischen einem Längsbereich
M mit einer vorbestimmten Dicke von nicht weniger als "t" (mm) in
dem überstehenden Teil 52 und Brüchen
bzw. Rissen, die erzeugt werden, wenn das Gassensorelement eine
hohe Temperatur aufweist und ein Wassertropfen auf die Ober-/Fläche
des Gassensorelements tropft, gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
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Wie
es gemäß 9A bis 9C und
der folgenden Tabelle 2 gezeigt ist, wurden fünf Typen
von experimentellen Proben mit der vorbestimmten Dicke "t" = 15 μm
vorbereitet, bei denen der Längsbereich M mit der vorbestimmten
Dicke t = 15 μm in einem Intervall von 60 bis 95% in dem überstehenden
Teil 52 verändert ist. Zusätzlich dazu
wurden auch weitere fünf Typen von experimentellen Proben
mit der vorbestimmten Dicke t = 30 μm vorbereitet, bei
denen der Längsbereich M mit einer vorbestimmten Dicke
t = 45 μm in einem Intervall von 60 bis 95% in dem überstehenden
Teil 52 verändert ist.
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Bei
der Vorbereitung dieser experimentellen Proben wurde die vorbestimmte
Dicke "t" (15 μm und 45 μm) durch Veränderung
der Anzahl der Eintauchschritte angepasst, in denen die Gassensorelemente
als die experimentellen Proben in die keramische wässrige
Masse bzw. Aufschlämmung eingetaucht wurden, und zwar in
der gleichen Art und Weise wie bei dem Verfahren des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Das
heißt, dass die experimentellen Proben mit der vorbestimmten
Dicke t = 15 μm in einem zweischichtigen Aufbau, wie gemäß 9A gezeigt,
mittels zweifacher Durchführung des Eintauchschritts hergestellt
wurden. Die anderen experimentellen Proben mit der vorbestimmten
Dicke t = 30 μm in einem dreischichtigen Aufbau, wie gemäß 9B gezeigt,
wurden mittels dreifacher Durchführung des Eintauchschritts
hergestellt. Die verbleibenden experimentellen Proben mit der vorbestimmten
Dicke t = 45 μm in einem vierschichtigen Aufbau, wie gemäß 9C gezeigt,
wurden mittels vierfacher Durchführung des Eintauchschritts
hergestellt.
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Der
Längsbereich M in dem überstehenden Teil 52 bei
jeder experimentellen Probe wurde durch Veränderung der
Eintauchtiefe angepasst, die nach Vollendung des primären
Eintauchschritts in die keramische wässrige Masse bzw.
Aufschlämmung einzutauchen ist.
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Jede
der experimentellen Proben hat eine Schnittfläche von 6,84
mm2, die sich in rechten Winkeln mit der
Längsrichtung L in dem Heizbereich 21 schneidet,
und die Länge (nämlich die Überstandsgröße)
A = 3 mm des überstehenden Teils 52.
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10 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Anteil bzw. Verhältnis
(%) des Längsbereichs M des überstehenden Teils 52,
einem Erzeugungsanteil bzw. -verhältnis von Brüchen
bzw. Rissen (der/das der Stärke bzw. Festigkeit in Bezug
auf Wasser entspricht) und einem Verringerungsanteil bzw. -verhältnis
der Aktivierungszeitdauer bei den experimentellen Proben zeigt.
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Die
folgende Tabelle 2 und
10 zeigen die experimentellen
Ergebnisse dieser experimentellen Proben, wenn jede Probe auf 700°C
aufgewärmt wurde und dann ein Wassertropfen auf die Ober-/Fläche
jeder experimentellen Probe getropft wurde. Tabelle 2
| Vorbestimmte
Dichte t [μm] | Anteil
[%] von Längsbereich M mit vorbestimmter Dicke t | Erzeugungsanteil
[%] von Brüchen/Rissen |
| 15 | 60 | 14 |
| 15 | 70 | 10 |
| 15 | 80 | 6 |
| 15 | 90 | 4 |
| 15 | 95 | 3 |
| | | |
| 30 | 60 | 5 |
| 30 | 70 | 2 |
| 30 | 80 | 0 |
| 30 | 90 | 0 |
| 30 | 95 | 0 |
| | | |
| 45 | 60 | 2 |
| 45 | 70 | 1 |
| 45 | 80 | 0 |
| 45 | 90 | 0 |
| 45 | 95 | 0 |
-
Wie
es aus den gemäß Tabelle 2 und 10 gezeigten
experimentellen Ergebnissen deutlich zu ersehen ist, steigt der
Erzeugungsanteil [%] von Brüchen bzw. Rissen desto mehr
an, je mehr der Anteil [%] des Längsbereichs M mit der
vorbestimmten Dicke "t" ansteigt. Des Weiteren sinkt der Erzeugungsanteil
von Brüchen bzw. Rissen umso mehr, je mehr die vorbestimmte
Dicke "t" des überstehenden Teils 52 ansteigt.
Jedoch werden bei den experimentellen Proben mit der vorbestimmten
Dicke "t" = 15 μm Brüche bzw. Risse erzeugt. Noch
darüber hinaus gibt es keine Brüche bzw. Risse
bei den experimentellen Proben mit der vorbestimmten Dicke "t" =
30 μm und 45 μm, wenn der Anteil des Längsbereichs
M mit der vorbestimmten Dicke "t" in dem überstehenden
Teil nicht weniger als 80% beträgt.
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Als
Ergebnis ist es wünschenswert, den überstehenden
Teil der porösen Schutzschicht 5 in dem Gassensorelement 2 so
auszubilden, dass der Bereich von nicht weniger als 80% in dem überstehenden
Teil 52 entlang der Längsrichtung L des Gassensorelements 2 die
Dicke von nicht weniger als 30 μm aufweist.
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Da
eine Anwendung des Verfahrens zur Herstellung des Gassensorelements
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
häufig den abgeschrägten Teil in dem Endteil 51 der
porösen Schutzschicht 5 erzeugt, was gemäß 4 gezeigt
ist, ist es schwierig, den Längsbereich M von nicht weniger
als 95% in dem überstehenden Teil auszubilden. Daher ist
es wünschenswert, den überstehenden Teil 52 in
dem Gassensorelement 2 so auszubilden, dass der Teil in
einer Größenordnung von 80 bis 90% in dem überstehenden
Teil an der Stelle bzw. dem Teil minimaler Dicke, nämlich
jedem Eckteil C1 bis C4, in dem Querschnitt, der sich in rechten
Winkeln mit der Längsrichtung L des Gassensorelements 2 schneidet,
eine Dicke von nicht weniger als 30 μm aufweist.
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Während
spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlich
beschrieben wurden, wird von dem Fachmann anerkannt werden, dass
verschiedene Modifikationen und Alternativen zu diesen Details im
Lichte der Gesamtlehre der Offenbarung entwickelt werden können.
Dementsprechend sind die offenbarten besonderen Anordnungen dazu
gedacht, nur veranschaulichend und nicht beschränkend für
den Umfang der vorliegenden Erfindung zu sein, dem die volle Breite
der folgenden Patentansprüche und aller Äquivalente
von diesen einzuräumen ist.
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Ein
Gassensorelement (2) weist ein Sensorsubstrat (3)
mit einem Paar Elektroden (32A, 32B) und ein Heizersubstrat
(4) mit einem Keramikkörper (41) und
einem Heizerkörper (42) auf. Diese Substrate (3, 4)
sind geschichtet. Der Heizerkörper (42) weist
einen Heizteil (401), wo sich ein Leiter schlängelt
bzw. mäandert, und einen mit dem Leiter verbundenen Leitungsteil
(402) auf. Ein Heizbereich (21) ist an einem vorderen
Teil des Gassensorelements (2) in einer Richtung (L1) positioniert.
Der Heizteil (401) ist dem Sensorsubstrat (3)
zugewandt. Der Heizbereich (21) ist mit einer porösen
Schutzschicht (5) bedeckt, die aus keramischen Partikeln bestehende
Poren aufweist. Ein Endteil (51) der porösen Schutzschicht
(5) steht in einer Längsrichtung (L2) des Gassensorelements
(2) um eine Länge in einer Größenordnung
von nicht mehr als 3 mm von einem Endteil (P2) des Heizteils (401)
aus über.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-171013 [0003]
- - JP 2006-250537 [0004, 0004]