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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tinte zum Drucken von Leitungsmustern.
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Es wurden verschiedene Techniken zum Drucken von Leitungsmustern unter Verwendung von Tinten mit darin enthaltenen Metallpartikeln wie etwa Nanopartikeln aus Gold, Silber, Kupfer, Platin usw. vorgeschlagen. Zum Beispiel gibt das offen gelegte
japanische Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2008-283181 eine Technik zum Drucken von Leitungsmustern an, in der ein Leitungsmuster auf einer Leiterplatte durch das Drucken einer Metallpartikeln enthaltenden Tinte auf einem Basisfilm und durch das Induktionsheizen des mit der Tinte bedruckten Basisfilms ausgebildet wird. Weiterhin gibt das offen gelegte
japanische Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2007-121173 eine Drucktechnik an, in der eine Platinpartikeln enthaltende Tinte durch einen Tintenstrahldruckprozess auf ein Festelektrolytsubstrat gedruckt wird, um eine Zwischenelektrodenschicht eines Gassensorelements auszubilden.
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Wenn ein Leitungsmuster durch einen Tintenstrahldruckprozess unter Verwendung einer Drucktinte mit darin enthaltenen Metallpartikeln wie in dem offen gelegten
japanischen Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2007-121173 beschrieben ausgebildet wird, muss die Viskosität der Drucktinte auf einem relativ niedrigen Wert gehalten werden, sodass die Drucktinte vorteilhaft von einem Tintenstrahlkopf (von Tintenstrahldüsen) ausgestoßen werden kann. Wenn die Viskosität der Drucktinte gering ist, kann jedoch eine Sedimentation der Metallpartikeln in der Drucktinte auftreten. Dies kann eine Verschlechterung der Leitungseigenschaften des Leitungsmusters aufgrund einer ungleichmäßigen Dispersion der Metallpartikeln in der Drucktinte zur Folge haben. Natürlich kann die Partikelgröße der Metallpartikeln vermindert werden, um das Gewicht der Metallpartikeln zu reduzieren und dadurch die Dispersionsfähigkeit der Metallpartikeln in der Drucktinte zu verbessern. Wenn jedoch die Partikelgröße der Metallpartikeln vermindert wird, erfährt das Leitungsmuster eine übermäßige Schrumpfung während des Brennens und bekommt Risse aufgrund einer übermäßigen Sinterung der Metallpartikeln. Dies bringt auch eine Verschlechterung in den Leitungseigenschaften der Leitungsmuster mit sich und kann unter Umständen zu einem Brechen des Leitungsmusters führen.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Tinte zum Drucken eines Leitungsmusters vorzusehen, ohne eine Verschlechterung der Leitungseigenschaften des Leitungsmusters oder ein Brechen des Leitungsmusters zu verursachen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Tinte zum Drucken eines Leitungsmusters angegeben, wobei die Tinte Platinpartikeln enthält und 70% oder mehr der Platinpartikeln eine Partikelgröße zwischen 0,05 und 0,5 μm aufweisen.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung verdeutlicht.
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1 ist eine schematische Ansicht, die die Partikelgrößenverteilung der Platinpartikeln in einer Tinte zum Drucken von Leitungsmustern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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2 ist eine detaillierte schematische Ansicht, die die Messergebnisse zu der Platinpartikelgrößenverteilung der Tinte zum Drucken von Leitungsmustern gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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3 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Sensorelements, in dem ein Leitungsmuster unter Verwendung der Tinte zum Drucken von Leitungsmustern gemäß der Ausführungsform der Erfindung gedruckt wird.
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4 ist ein Elektronenmikroskopbild eines Leitungsmusters in einem Beispiel 1.
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5 ist ein Elektronenmikroskopbild eines Leitungsmusters in einem Beispiel 2.
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6 ist ein Elektronenmikroskopbild eines Leitungsmusters in einem Vergleichsbeispiel 1.
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7 ist ein Elektronenmikroskopbild eines Leitungsmusters in einem Vergleichsbeispiel 2.
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Die Erfindung wird im Folgenden im Detail beschrieben.
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Eine Tinte zum Drucken von Leitungsmustern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (nachfolgend einfach als „Drucktinte” bezeichnet) dient zum Drucken eines Leitungsmusters durch einen Tintenstrahldruckprozess auf einem Substrat. Als Substrat kann ein keramisches Substrat oder ähnliches verwendet werden, das bei einer Temperatur von 1100°C oder höher gebrannt wird.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird die Drucktinte aus Platinpartikeln (Pt), einem Bindemittel, einem Dispersionsmittel einem Lösungsmittel usw. vorbereitet, wobei wie in 1 gezeigt 70% oder mehr der Platinpartikeln eine Partikelgröße zwischen 0,05 und 0,5 μm aufweisen. Zum Beispiel ist wie in 2 gezeigt der Anteil der Platinpartikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 0,05 μm auf 0,0% gesetzt und ist der Anteil der Platinpartikeln mit einer Partikelgröße von mehr als 0,5 μm auf 11% gesetzt.
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Wenn der Anteil der Platinpartikeln mit einer Größe von mehr als 0,5 μm zu hoch ist, lassen sich die Platinpartikeln schwer in dem Lösungsmittel dispergieren, weil eine Sedimentation der Platinpartikeln auftritt. Und wenn der Anteil der Platinpartikeln mit einer Größe von weniger als 0,05 μm zu hoch ist, erfahren die Platinpartikeln eine übermäßige Sinterung bei einem Brennen mit einer hohen Temperatur, sodass die gedruckten Leitungsmuster Risse bekommen oder brechen.
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Wenn die Partikelgrößenverteilung der Platinpartikeln innerhalb des oben genannten spezifischen Bereichs gehalten wird, können eine Sedimentation der Platinpartikeln in der Drucktinte und eine übermäßige Sinterung während des Brennens verhindert werden. Eine derartige Drucktinte ist also gut für einen Tintenstrahldruckprozess geeignet. Und auch wenn die Viskosität einer derartigen Drucktinte auf einem relativen niedrigen Wert für die Verwendung in einem Tintenstrahldruckprozess gehalten wird, kann das Leitermuster unter Verwendung der Drucktinte gedruckt werden, ohne dass eine Verschlechterung in den Leitungseigenschaften des Leitungsmusters oder ein Brechen des Leitungsmusters verursacht werden.
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Die Drucktinte ist insbesondere für den Fall geeignet, dass das gedruckte Leitungsmuster und das Substrat gleichzeitig einem Brennen bei einer hohen Temperatur unterworfen werden. Wenn das Leitungsmuster bei niedrigen Temperaturen gebrannt oder getrocknet wird, ist es auch bei der Verwendung von kleinen Platinpartikeln unwahrscheinlich, dass das Leitungsmuster aufgrund des Sinterns der Platinpartikeln reißt und bricht. Wenn das Leitungsmuster gleichzeitig mit dem Substrat bei hohen Temperaturen gebrannt wird, ist die Wahrscheinlichkeit eines Reißens oder Brechens des Leitungsmusters aufgrund eines übermäßigen Sinterns der Platinpartikeln groß, wenn der Anteil der Platinpartikeln mit einer Größe von weniger als 0,05 μm groß ist. Durch die weiter oben genannte Kontrolle der Partikelgrößenverteilung kann jedoch verhindert werden, dass die Platinpartikeln während des Brennens mit einer hohen Temperatur übermäßig sintern, und können eine effektive Dispersion der Platinpartikeln sowie eine relativ geringe Viskosität der Drucktinte für einen Tintenstrahldruckprozess sichergestellt werden.
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Vorzugsweise ist die Spanne der Partikelgrößenverteilung der Platinpartikeln so klein wie möglich. Insbesondere sollte die Partikelgröße aller Platinpartikeln in der Drucktinte im Bereich zwischen 0,1 und 0,4 μm liegen.
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Weiterhin enthält die Drucktinte vorzugsweise ein Zirkonoxid oder ein Aluminiumoxid oder dasselbe Material wie das Basismaterial des Substrats. Das Zusetzen von Zirkonoxid, Aluminiumoxid oder des Basismaterials ist effektiv, um eine Agglomeration der Platinartikeln während des Brennens zu verhindern und das Schrumpfungsverhältnis des Leitungsmusters während des Brennens zu kontrollieren, sodass das Schrumpfungsverhältnis des Leitungsmusters näher an demjenigen des Substrats ist. Die Partikelgrößenverteilung des Zirkonoxids, Aluminiumoxids oder Basismaterials ist vorzugsweise ähnlich wie diejenige der Platinpartikeln.
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Zum Beispiel kann die Drucktinte aus Platinpartikeln, Zirkonoxid, Aluminiumoxid oder demselben Material wie das Basismaterial des Substrats, einem Lösungsmittel, einem Bindemittel und einem Dispersionsmittel derart vorbereitet werden, dass sie 28 Massenprozent Platinpartikeln, 4 Massenprozent Zirkonoxid, Aluminiumoxid oder desselben Materials wie das Basismaterial des Substrats, 66 Massenprozent Lösungsmittel, 1 Massenprozent Bindemittel und 1 Massenprozent Dispersionsmittel enthält. (In diesem Fall beträgt die Masse des Zirkonoxids, Aluminiumoxids oder desselben Materials wie das Basismaterial des Substrats 14% von 100% der Gesamtmasse der Platinpartikeln.)
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Vorzugsweise weist das Lösungsmittel der Drucktinte einen Siedepunkt von 200°C oder höher auf, wobei angenommen wird, dass das mit der Drucktinte bedruckte Substrat bei einer Temperatur von 1100°C oder höher gebrannt wird. Ein bevorzugtes Beispiel für das Lösungsmittel ist Butylcarbitolacetat. Angesichts des Zusammensetzungsverhältnisses der Drucktinte und der Tatsache, dass das Lösungsmittel aufgrund des Verdampfens während des Brennens mit einer hohen Temperatur verschwindet, kann gesagt werde, dass die Drucktinte (und damit das Leitungsmuster) Platin-basiert ist.
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Vorzugsweise wird die Drucktinte derart vorbereitet, dass die Drucktinte eine Viskosität von 20 mPa·s oder weniger aufweist, wenn die Temperatur der Drucktinte 70°C beträgt. Wenn die Drucktinte in einem Tintenstrahlprozess verwendet wird, muss die Viskosität der Drucktinte auf einem relativ niedrigen Wert gehalten werden, damit die Drucktinte vorteilhaft von einem Druckkopf (von Düsen) ausgestoßen werden kann. Allgemein erwärmt der Druckkopf die Drucktinte auf einen Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur (25°C) und z. B. 70°C. Die Viskosität der Drucktinte wird also bei 70°C, d. h. an der oberen Grenze der Tintenerwärmungstemperatur des Druckkopfs, auf 20 mPa·s oder weniger kontrolliert. Außerdem kann die Viskosität der Drucktinte gesteuert werden, indem eine entsprechende Menge des Bindemittels gewählt wird, eine bestimmte Art von Bindemittel gewählt wird und/oder eine bestimmte Art von Lösungsmittel gewählt wird, usw.
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Wie zuvor genannt, kann die Drucktinte verwendet werden, um das Leitungsmuster mittels eines Tintenstrahldruckens auf das Substrat zu drucken. Das derart erhaltene Leitungsmuster kann für verschiedene Zwecke verwendet werden.
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Zum Beispiel kann das Leitungsmuster auf ein Gassensorelement 20 wie in 3 gezeigt angewendet werden. Das Gassensorelement 20 weist einen Sensorkörper 22 und einen damit laminierten Heizer 21 auf.
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Der Heizer 21 umfasst ein Paar von ersten und zweiten rechteckigen Substratgliedern 27 und 25 sowie einen Heizwiderstand 26.
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Das erste und das zweite rechteckige Substratglied 27 und 25 bestehen vorwiegend aus einem gesinterten Keramikmaterial wie etwa Aluminiumoxid.
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Der Heizwiderstand 26 besteht vorwiegend aus Platin usw. und ist zwischen dem ersten und dem zweiten Substratglied 27 und 25 angeordnet. Wie in 3 gezeigt, umfasst der Heizwiderstand 26 einen gewundenen Heizteil 26b, der Wärme erzeugt, wenn er mit Strom versorgt wird, und ein Paar von Heizeranschlussteilen 26a, die an entsprechenden Enden mit dem Heizteil 26b verbunden sind und sich entlang der Längsrichtung des Substratglieds 25, 27 erstrecken.
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Ein Paar von Heizerstromversorgungsanschlüssen 25b sind auf dem zweiten Substratglied 25 angeordnet und mit externen Anschlüssen für die Verbindung mit einer externen Schaltung verbunden. Weiterhin sind zwei Durchgangslöcher 25a in dem zweiten Substratglied 25 jeweils für die Verbindung der anderen Enden der Heizeranschlussteile 26a mit den Heizerstromversorgungselementen 25b ausgebildet.
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Weiterhin umfasst der Sensorkörper 22 eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle (Zellenschicht) 24 und eine Schutzschicht 35.
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Die Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 24 umfasst ein rechteckiges Festelektrolytsubstrat 33 sowie ein erstes und ein zweites Elektrodenmuster 32 und 34.
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Das Festelektrolytsubstrat 33 ist aus einem Festelektrolytmaterial für eine Sauerstoffkonzentrationszelle ausgebildet. Beispiele für ein derartiges Festelektrolytmaterial sind ein gesintertes Zirkonoxid (ZrO2) und ein gesintertes LaGaO3, die jeweils Yttrium (Y2O3) oder Calciumoxid (CaO) als Stabilisator enthalten.
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Das erste und das zweite Elektrodenmuster 32 und 34 werden durch ein Tintenstrahldrucken der oben genannten Drucktinte auf gegenüberliegende Hauptflächen des Festelektrolytsubstrats 33 ausgebildet und anschließend gleichzeitig mit dem Festelektrolytsubstrat 33 bei einer hohen Temperatur von z. B. mehr als 1100°C gebrannt.
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Wie in 3 gezeigt, weisen das erste und das zweite Elektrodenmuster 32 und 34 jeweils einen ersten und einen zweiten Elektrodeninselteil 32b und 34b sowie einen ersten und einen zweiten Elektrodenanschlussteil 32a und 34a auf. Der erste und der zweite Elektrodeninselteil 32b und 34b sind einander mit dazwischen dem Festelektrolytsubstrat 33 zugewandt und bilden einen Erfassungsabschnitt in Kombination mit dem Festelektrolytsubstrat 33. Der erste Anschlussteil 32a erstreckt sich von dem ersten Elektrodeninselteil 32b in der Längsrichtung des Festelektrolytsubstrats 33, während sich der zweite Elektrodenanschlussteil 34a von dem zweiten Elektrodeninselteil 34b in der Längsrichtung des Festelektrolytsubstrats 33 erstreckt.
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Die Schutzschicht 35 ist auf eine Fläche des zweiten Elektrodenmusters 34 gegenüber dem Festelektrolytsubstrat laminiert, sodass das zweite Elektrodenmuster 34 zwischen dem Festelektrolytsubstrat 33 und die Schutzschicht 35 eingeschlossen ist. Wie in 3 gezeigt, weist die Schutzschicht 35 in dieser Ausführungsform eine poröse Elektrodenschutzschicht 35b zum Schützen des zweiten Elektrodeninselteils 34b vor einer Verunreinigung und eine Verstärkungsschutzschicht 35a zum Schützen des Festelektrolytsubstrats 33 auf. Durchgangslöcher 35d und 35e sind in der Schutzschicht 35 ausgebildet.
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Signalausgangsanschlüsse 35f sind auf dem Schutzfilm 35 vorgesehen. Einer der Signalausgangsanschlüsse 35f ist mit dem ersten Leiterteil 32c des ersten Elektrodenmusters 32 über das Durchgangsloch 33b des Festelektrolytsubstrats 33 und das Durchgangsloch 35d der Schutzschicht 35 verbunden. Der andere der Signalausgangsanschlüsse 35f ist mit dem zweiten Leiterteil 34c des zweiten Elektrodenmusters 34 über das Durchgangsloch 35e der Schutzschicht 35 verbunden.
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Das Gassensorelement 20 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird z. B. in einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration mittels der Konzentrationszellenaktion der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle 24 verwendet.
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Wie weiter oben genannt, wird in dieser Ausführungsform die Partikelgröße der Platinpartikeln in der Drucktinte derart kontrolliert, dass 70% oder mehr der Platinpartikeln eine Partikelgröße zwischen 0,05 und 0,5 μm aufweisen. Dadurch kann ein übermäßiges Sintern der Platinpartikeln während eines Brennens mit einer hohen Temperatur von z. B. mehr als 1100°C verhindert werden. Außerdem kann die Drucktinte bei einer ausreichend niedrige Viskosität für die Verwendung in einem Tintenstrahldruckprozess gehalten werden, wobei gleichzeitig eine Sedimentation der Platinpartikeln verhindert und eine verbesserte Dispersionsfähigkeit der Platinpartikeln vorgesehen werden kann. Also auch wenn die Elektrodenmuster 32, 34 durch ein Tintenstrahldrucken einer Drucktinte ausgebildet werden und gleichzeitig mit dem Substrat 33 bei einer hohen Temperatur gesintert werden, können die Elektrodenmuster 32, 34 vor einem übermäßigen Schrumpfen (Reißen, Brechen usw.) geschützt werden, können eine Verschlechterung der Leitungseigenschaften des Elektrodenmusters 32, 34 und ein Brechen des Elektrodenmusters 32, 34 verhindert werden und kann die Verbindungszuverlässigkeit des Gassensorelements 20 verbessert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf verschiedene Beispiele näher erläutert.
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In den Beispielen 1 und 2 sowie in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde jeweils eine Drucktinte durch das Mischen von Platinpartikeln mit einem Bindemittel, einem Dispersionsmittel, Butylcarbitolacetat als Lösungsmittel und optional Zirkonoxid vorbereitet. Dann wurde die Partikelgrößenverteilung der Platinpartikeln unter den folgenden Messbedingungen gemessen:
Gerät: Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysator „LA-750 (Mode 700)” von Horiba Ltd
Dispersionsmedium: Butylcarbitol
Dispersionsverfahren: 3 Minuten durch einen externen Homogenisierer und 2 Minuten durch einen eingebauten Ultraschalldisperser
Brechungsindex: keiner
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In den Beispielen 1 und 2 lag der Anteil der Platinpartikeln mit einer Partikelgröße zwischen 0,05 und 0,5 μm in der Drucktinte wie in 1 und 2 gezeigt bei 70% oder mehr. Dagegen lag die durchschnittliche Partikelgröße der Platinpartikeln in dem Vergleichsbeispiel 1 in der Größenordnung von 3 nm und in dem Vergleichsbeispiel 2 in der Größenordnung von 30 nm. Der Anteil der Platinpartikeln mit einer Partikelgröße zwischen 0,05 und 0,5 μm in der Drucktinte lag also bei beiden Vergleichsbeispielen 1 und 2 bei weniger als 70%.
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Ein Leitungsmuster wurde unter Verwendung der vorbereiteten Drucktinte durch einen Tintenstrahldruckprozess auf ein Substrat gedruckt und dann gleichzeitig mit dem Substrat gebrannt.
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Die Zusammensetzung der Drucktinte und die Brenntemperatur des Leitungsmusters sind in der folgenden Tabelle angegeben. Wie in der Tabelle angegeben, betrugen die Anteile der Platinpartikeln, des Dispersionsmittels und des Bindemittels in der Drucktinte jeweils ungefähr 30 Massenprozent, 1 Massenprozent und 1 Massenprozent auf der Basis der Gesamtmasse der Drucktinte, während der Anteil des Zirkonoxids relativ zu dem Anteil der Platinpartikel in der Drucktinte bei 14% lag. Tabelle
| Tintenzusammensetzung (Gewicht) | Brenntemperatur |
Platin | Zirkondoxid | Lösungsmittel | Dispersionsmittel | Bindemittel |
Beispiel 1 | 6 g | - | 14 g | 0,2 g | 0,2 g | 1525°C |
Beispiel 2 | 6 q | 0,84 g | 14 g | 0,2 g | 0,2 g | 1525°C |
Vergleichsbeispiel 1 | 6 g | 0,84 g | 14 g | 0,2 g | 0,2 g | 1525°C |
Vergleichsbeispiel 2 | 6 g | 0,84 g | 14 g | 0,2 g | 0,2 g | 800°C |
Lösungsmittel: Butylcarbitolacetat
Tintenviskosität: 5,7 mPa·s bei 40°C
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Das derart erhaltene Leitungsmuster wurde mit einem Elektronenmikroskop geprüft. Die Elektronenmikroskopbilder sind in 4 bis 7 gezeigt. In dem Vergleichsbeispiel 1 waren die Platinpartikeln wie in 6 gezeigt locker in dem Leitungsmuster gepackt. In dem Vergleichsbeispiel 2 traten wie in 7 gezeigt Risse in einer Oberfläche des Leitungsmusters aufgrund eines übermäßigen Sinterns der Platinpartikeln auf. In den Vergleichsbeispielen 1 und 2 bestand also die Gefahr einer Verschlechterung der Leitungseigenschaften des Leitungsmusters oder eines Brechens des Leitungsmusters. In dem Beispiel 1 waren die Platinpartikeln wie in 4 gezeigt eng in dem Leitungsmuster gepackt. Weiterhin traten in dem Beispiel 2 wie in 5 gezeigt keine Risse in der Oberfläche des Leitungsmusters auf. Es konnte also bestätigt werden, dass die Leitungsmuster in den Beispielen 1 und 2 auch nach dem Brennen zuverlässige elektrische Leitungseigenschaften boten.
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Wie vorstehend beschrieben kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Leitungsmuster aus einer Drucktinte ausgebildet werden, ohne eine Verschlechterung der Leitungseigenschaften des Leitungsmusters oder ein Brechen des Leitungsmusters zu verursachen.
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Der gesamte Inhalt der
japanischen Patentanmeldungen Nr. 2010-279802 (vom 15. Dezember 2010) und Nr.
2011-224259 (vom 11. Oktober 2011) sind hier unter Bezugnahme eingeschlossen.
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Die Erfindung wurde mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Es können verschiedene Modifikationen und Variationen an der beschriebenen Ausführungsform durch den Fachmann auf der Grundlage der vorstehend gegebenen Lehren vorgenommen werden.
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Die Drucktinte enthält in der beschriebenen Ausführungsform Platinpartikeln, wobei die Drucktinte aber auch Partikeln aus einem anderen Edelmetall usw. enthalten kann, das einen dem Schmelzpunkt von Platin entsprechenden Schmelzpunkt aufweist.
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Weiterhin ist die Verwendung der Drucktinte nicht auf das Drucken eines Leitungsmusters für die Verwendung in einem Gassensor beschränkt. Die Drucktinte kann auch verwendet werden, um Leitungsmuster nicht nur für andere Sensoren, sondern auch für verschiedene andere Geräteteile zu drucken.
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Der Erfindungsumfang wird durch die folgenden Ansprüche definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2008-283181 [0002]
- JP 2007-121173 [0002, 0003]
- JP 2010-279802 [0047]
- JP 2011-224259 [0047]