DE10212018A1 - Isolationsmaterial und Gassensor - Google Patents

Isolationsmaterial und Gassensor

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Abstract

Es wird ein Isolationsmaterial für ein elektrisches Bauelement vorgeschlagen, umfassend gesintertes Aluminiumoxid, dem ein Stoff zugegeben ist, der an Korngrenzen des Aluminiumoxids abgeschieden ist und die Beweglichkeit von Ionen hemmt. Des weiteren wird ein Gassensor mit einer Isolationsschicht aus einem solchen Isolationsmaterial vorgeschlagen.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einem Isolationsmaterial für ein elektrisches Bauteil der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art und von einem Gassensor der im Oberbegriff des Patentanspruches 7 näher definierten Art aus.
  • Ein Gassensor mit mindestens einer Schicht aus einem keramischen Feststoffelektrolyten, mindestens zwei Meßelektroden und mindestens eine Isolationsschicht für ein elektrisches Bauelement ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise als Stickoxid-Sensor oder als Lamdasonde ausgebildet.
  • Ein aus der DE 199 41 051 A1 bekannter Gassensor, der als Breitbandlambdasonde ausgebildet ist, umfaßt eine keramische Feststoffelektrolytbasis und mehrere Elektroden, welche in Kammern und an der Außenseite des Festkörperelektrolyten aufgebracht sind. Die Elektroden sind jeweils mit einer Zuleitung verbunden, welche mit einem Anschlußkontakt versehen ist. In dem Feststoffelektrolyten ist ein Heizer eingebettet, welcher elektrisch isoliert ist und den Gassensor auf eine Betriebstemperatur von beispielsweise 750°C heizt.
  • Zur galvanischen Entkopplung des elektrisch betriebenen Heizers von den Elektroden und dem Feststoffelektrolyten ist der Heizer beidseitig von einem jeweils als Schicht ausgebildeten Isolationsmaterial begrenzt, das aus Aluminiumoxid besteht. Der Heizer selbst besteht beispielsweise aus einem Edelmetall, wie Platin.
  • Um eine wechselseitige Verkopplung der Elektrodenpotentiale zu minimieren, ist es aus der Praxis auch bekannt, die Zuleitungen der Elektroden zu isolieren. Dies ist beispielsweise bei einem Stickoxidsensor nach dem Mehrkammerprinzip erforderlich. Auch die Isolation der Zuleitungen besteht hier üblicherweise aus einer oder mehreren Aluminiumoxidschichten.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Isolationsschichten aus Aluminiumoxid eine Restleitfähigkeit aufweisen, die zu Signalstörungen durch den Heizer bzw. zu Potentialveränderungen durch eine wechselseitige Verkopplung der Elektroden führen kann. Die Restleitfähigkeit ergibt sich im wesentlichen durch Verunreinigungen des Aluminiumoxids, des Feststoffelektrolyten, des Edelmetalls des Heizers und der Elektrodenzuleitungen.
  • Die Stellen hoher Ionenbeweglichkeit im keramischen Aluminiumoxid sind die Korngrenzen in der jeweiligen Schicht. An diesen können sich insbesondere bewegliche Ionen, wie Alkalimetall-Ionen, bewegen und so zur elektrischen Leitfähigkeit der jeweiligen Isolationsschicht beitragen. Insbesondere können auch Alkalimetall-Verunreinigungen, insbesondere Natrium- und/oder Kalium-Ionen, aus dem Elektroden-, Festkörperelektrolyt- und/oder Heizermaterial an den Korngrenzen in die Aluminiumoxidschicht eintreten und so zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das Isolationsmaterial nach der Erfindung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem dem Aluminiumoxid ein Stoff beigegeben ist, der an den Korngrenzen des Aluminiumoxids abgeschieden ist und die Beweglichkeit von Ionen hemmt, hat den Vorteil, daß die Restleitfähigkeit des Aluminiumoxids minimiert ist und auch bei hohen Einsatztemperaturen einen hinreichend niedrigen Wert beibehält.
  • Die Erfindung hat auch einen Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zum Gegenstand. Insbesondere beim Einsatz des Isolationsmaterials als Isolationsschicht für ein elektrisches Bauteil des Gassensors gegenüber dem Feststoffelektrolyten ist die Gefahr von Signalstörungen durch das elektrische Bauelement bzw. von Potentialveränderungen durch eine wechselseitige Verkopplung der Elektroden minimiert.
  • Auch bei den hohen Einsatztemperaturen des Gassensors, die beispielsweise zwischen 700°C und 1000°C liegen, verbleibt der dem Aluminiumoxid zugegebene Stoff an den Korngrenzen. Es erfolgt keine weitere Verteilung in der Aluminiumoxidschicht. Mithin ist auch dann die Beweglichkeit von Verunreinigungen, z. B. von Alkaliionen wie Na+ oder K+, wirkungsvoll gehemmt.
  • Bei dem elektrischen Bauelement kann es sich beispielsweise um einen Widerstandsheizer eines Gassensors oder um eine Zuleitung einer Elektrode eines Gassensors handeln. Die Isolationsschicht liegt dann zweckmäßigerweise zwischen dem betreffenden elektrischen Bauteil und dem Feststoffelektrolyten.
  • Der Stoff, der die Beweglichkeit von Ionen hemmt, wird vor dem Sintern der Isolationsschicht dem Aluminiumoxid beigegeben, und zwar vorzugsweise in Form eines feinen Pulvers oder einer Beschichtung auf den zu sinternden Aluminiumoxidkörnern. Der Stoff kann aber auch in gelöster Form Siebdruckpasten zugegeben werden, die zur Herstellung des Isolationsmaterials eingesetzt werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Isolationsmaterials nach der Erfindung besteht der Stoff, der an den Korngrenzen des Aluminiumoxids abgeschieden wird und die Beweglichkeit von Ionen hemmt, aus einer Erdalkaliverbindung. Die Erdalkaliverbindung stellt dabei bevorzugt eine Barium- und/oder Strontium-Verbindung dar.
  • Insbesondere kann die Erdalkaliverbindung, die bei der Herstellung der Isolationsschicht dem Aluminiumoxidausgangsmaterial zugegeben wird, aus einem Bariumsulfat, einem Bariumaluminat, wie BaAl2O4 oder BaAl4O7, Bariumhexaaluminat, Celsian, einem Celsian-Glas und/oder einem Slawsonit- Glas auf Basis der Erdalkalimetalle Strontium und Barium bestehen. Es ist aber auch denkbar, daß die Erdalkaliverbindung ein anderes Bariumalumosilikat oder Strontiumalumosilikat darstellt.
  • Die Erdalkali-Ionen können dem Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial aber auch als Oxid, Carbonat oder Nitrat zugegeben werden und dann mit diesem zusammen gesintert werden.
  • Es kann sich als vorteilhaft erweisen, daß das Erdalkalimetallion im Überschuß in dem dem Aluminiumoxidausgangsmaterial zugegebenen Stoff enthalten ist, da die die Ionenbeweglichkeit hemmende Wirkung des zugesetzten Stoffes im wesentlichen auf der Größe der Erdalkali-Ionen beruht. Das Ba2+-Ion hat eine Größe von etwa 140 µm und das Sr2+-Ion hat eine Größe von etwa 122 µm.
  • Da das Ba2+-Ion mithin das größere Ion darstellt, ist dessen Wirkung hinsichtlich der Restleitfähigkeit des Isolationsmaterials im Vergleich zum Sr2+-Ion größer. Jedoch sind die meisten säurelöslichen Barium-Verbindungen giftig, wenn sie im Prozeß in Form eines Oxids oder Karbonats eingesetzt werden. Ausnahmen bilden die oben bereits angeführten Verbindungen Bariumsulfat, Bariumaluminate, Bariumhexaaluminat, Celsian und auch andere hier nicht näher ausgeführte Bariumalumosilikate.
  • Der Stoff, der dem Isolationsmaterial zugegeben ist, kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Konzentration von bis zu 50 Gew.-% aufweisen. Es ist bei einem Gassensor mit einem Feststoffelektrolytgrundkörper zu beachten, daß mit zunehmender Konzentration das Bestreben der Erdalkalikomponente steigt, in den beispielsweise aus Zirkoniumdioxid bestehenden Feststoffelektrolyten einzudiffundieren. Ferner sinkt mit steigender Konzentration die hydrothermale Beständigkeit des Isolationsmaterials. Die Konzentration des Stoffes ist daher vorzugsweise je nach Anforderung und zugegebener Komponente auf 1 Gew.-% bis 20 Gew.-% beschränkt.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch eine Breitbandlambdasonde mit Isolationsschichten aus einem Isolationsmaterial nach der Erfindung.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In der einzigen Figur ist der prinzipielle Aufbau eines Gassensors 10 dargestellt. Der als planarer Körper ausgeführte Gassensor 10 stellt eine Breitbandlambdasonde dar mit einem schichtweisen Aufbau, der drei keramische Folien 11, 12 und 13 umfaßt, die jeweils aus einem Feststoffelektrolyten, wie Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, gebildet sind.
  • Zwischen den keramischen Folien 12 und 13 ist ein mit einer porösen Diffusionsbarriere 16 versehener, als Meßraum ausgebildeter Meßspalt 14 angeordnet, der ringförmig ist und über eine senkrecht zur Ebene der Sonde 10 ausgerichtete Gaseinlaßöffnung 15 einem Abgas ausgesetzt ist, das in einem hier nicht näher dargestellten Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges strömt.
  • Des weiteren umfaßt die Breitbandlambdasonde 10 einen Luftreferenzkanal, der mit der Umgebung verbunden ist, in der in der Figur gewählten Darstellung jedoch hinter dem Meßspalt 15 angeordnet ist. Der mithin in der Zeichnung nicht sichtbare Referenzkanal liegt im wesentlichen in einer Höhe mit dem Meßspalt 14.
  • Die Breitbandlambdasonde 10 umfaßt des weiteren zwei elektrochemische Zellen, und zwar eine sogenannte Sauerstoff- Pumpzelle, welche eine ringförmige Außenpumpelektrode 18, welche die Gaseinlaßöffnung 15 umgibt, und eine ringförmige Innenpumpelektrode 19 aufweist, sowie eine Nernstkonzentrationszelle. Die Nernstkonzentrationszelle weist ihrerseits eine ringförmige Konzentrationselektrode 20 und eine den Referenzkanal begrenzende, hier ebenfalls nicht dargestellte Referenzelektrode auf.
  • Zum Schutz gegen aggressive Abgasbestandteile ist die Außenpumpelektrode 18 mit einer ringförmigen, porösen Schutzschicht 21 versehen.
  • Zwischen den Folienschichten 11 und 12 aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid ist ein Heizer 21 angeordnet, mittels dessen die Betriebstemperatur der Breitbandlambdasonde 10 einstellbar ist. Die Betriebstemperatur liegt beispielsweise bei etwa 750°C.
  • Der Heizer 21, der eine Widerstandsheizung darstellt, ist vorliegend zwischen zwei Isolationsschichten 22 und 23 eingebettet und somit gegenüber den Festkörperelektrolytschichten 11 und 12 elektrisch isoliert.
  • Die Isolationsschichten 22 und 23 bestehen aus einem Isolationsmaterial aus Aluminiumoxid, dem ein Stoff zugegeben ist, der beim Sintern an den Korngrenzen des Aluminiumoxids abgeschieden wird und die Beweglichkeit von Verunreinigungsionen hemmt.
  • Der an den Korngrenzen des Aluminiumoxids abgeschiedene Stoff ist im vorliegenden Fall eine Erdalkaliverbindung, und zwar ein Bariumaluminat, wie BaAl2O4 oder BaAl4O7 oder Celsian. Die Konzentration der Erdalkaliverbindung in der Isolationsschicht beträgt 10 Gew.-%. Die Isolationsschichten 22 und 23 haben durch die Zugabe der Erdalkaliverbindung eine geringe Restleitfähigkeit, so daß die Gefahr von Signalstörungen durch den Heizer gering ist.

Claims (6)

1. Isolationsmaterial für ein elektrisches Bauelement (21), umfassend gesintertes Aluminiumoxid, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aluminiumoxid ein Stoff zugegeben ist, der an Korngrenzen des Aluminiumoxids abgeschieden ist und die Beweglichkeit von Ionen hemmt.
2. Isolationsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff aus mindestens einer Erdalkaliverbindung besteht.
3. Isolationsmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdalkaliverbindung eine Barium- und/oder Strontiumverbindung ist.
4. Isolationsmaterial nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdalkaliverbindung ein Bariumsulfat, ein Bariumaluminat, wie BaAl2O4 oder BaAl4O7, ein Bariumhexaaluminat, Celsian, ein Celsian-Glas und/oder ein Slawsonit-Glas auf Basis der Erdalkalimetalle Strontium und/oder Barium darstellt.
5. Isolationsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht den Stoff in einer Konzentration von bis zu 50 Gew.-%, vorzugsweise von 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, umfaßt.
6. Gassensor, mit mindestens einer Schicht (11, 12, 13) aus einem keramischen Feststoffelektrolyten, mindestens zwei Meßelektroden (18, 19, 20) und mindestens eine Isolationsschicht (22, 23) für ein elektrisches Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (22, 23) aus dem Isolationsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6 besteht.
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