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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem keramischen Schichtverbund nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
solcher Schichtverbund wird als Heizeinrichtung in Sensorelementen
für elektrochemische Messfühler, z.B.
für Lambdasonden
zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen,
verwendet. Der Schichtaufbau wird beispielsweise durch Foliengießen, Siebdrucken,
Laminieren und Sintern erhalten.
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Bei
einem bekannten Sensorelement für eine
Lambdasonde (
DE 198
34 276 A1 ) sind insgesamt drei Festelektrolytschichten
vorhanden und die in den beiden Isolationsschichten eingebettete
Widerstandsbahn zwischen zwei Festelektrolytschichten angeordnet,
wobei rings um die beiden Isolationsschichten ein Dichtrahmen angebracht
ist, der aus dem gleichen Material wie die Festelektrolytschichten
besteht. Während
die untere Festelektrolytschicht als Trägerschicht dient, auf der die
unteren Isolationsschicht aufliegt, ist in der die obere Isolationsschicht überdeckenden
Festelektrolytschicht ein Referenzgaskanal ausgespart. Auf diese
Festelektrolytschicht ist die dritte Festelektrolytschicht aufgesetzt,
die auf ihrer Oberseite eine von einer Schutzschicht bedeckte, äußere Mess-
oder Nernstelektrode und auf ihrer unteren Seite im Bereich des
Referenzgaskanals eine innere Mess- oder Referenzelektruode trägt. Die
Festelektrolytschichten enthalten im wesentlichen Zirkoniumoxid
(ZrO
2) und die Isolationsschichten Aluminiumoxid
(Al
2O
3). Nach Aufbringen
der Schichten, z.B. im Siebdruckverfahren oder durch Laminieren
von gegossenen Folien, wird das Sensorelement bei einer Temperatur
von z.B. 1300 – 1600° gesintert.
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Infolge
unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
der für
die Festelektrolytschichten und die Isolationsschichten verwendeten
Materialien entstehen, nachdem sich bei der Sinterung ein spannungsfreier
Zustand eingestellt hat, beim Abkühlen des Sensorelements im
Innern der Isolationsschichten Druckspannungen. Auch die in den
Isolationsschichten eingebettete Widerstandsbahn liegt frei in einem
in den Isolationsschichten sich ausbildenden Isolationskanal ein,
da der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Materials der Widerstandsbahn, ebenso wie der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Materials der Festelektrolytschichten, größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Materials der Isolationsschichten. Der bei Sintertemperatur
herrschende spannungsfreie Zustand wird bei genügend langsamen Abkühlen auch
noch bis zu einer weit unterhalb der Sintertemperatur liegenden
Temperatur, der sog. Inversionstemperatur, beibehalten. Bei weiterer
Abkühlung
stellen sich dann die Druckspannungen ein. Wird im Betrieb des Sensorelements
die Inversionstemperatur überschritten,
so kehren sich die Spannungsverhältnisse
um, und die Isolationsschichten erfahren jetzt durch die sich stärker ausdehnenden
Festelektrolytschicht und Widerstandsbahn eine Zugspannung. Durch
diese Druck- und Zugspannungen entstehen in den Isolationsschichten
Risse, die sich quer zur Längsrichtung
der Isolationsschichten ausbreiten und zur Zerstörung des Sensorelements führen, sobald
sie die Isolationsschichten durchtrennen und Abgas in den Referenzgaskanal
eintritt. Aufgrund der niedrigen kritischen Zugspannung des Materials
der Isolationsschichten können
schon kleine Zugspannungen rissauslösend wirken.
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Um
die Lebensdauer des Sensorelements zu erhöhen, werden bei dem bekannten
Sensorelement dem aluminiumoxidhaltigen Material der Isolationsschichten
vor dem Sintern Porenbildner zugesetzt. Durch dieses gezielte Einbringen
einer Porosität
in das Material der Isolationsschichten wird die Elastizität der Isolationsschichten
erhöht
und damit die Materialspannungen reduziert. Die Reduktion der Materialspannungen
tritt aber im wesentlichen im Innern der Isolationsschichten auf
und nimmt mit Annäherung
an Grenzflächen
der Isolationsschichten ab, da hier eine offene Oberfläche vorliegt,
in die die Risse gut eintreten können.
Solche Grenzflächen
treten insbesondere zur Widerstandsbahn hin auf, wo das Material
der Isolationsschichten den von der Widerstandsbahn ausgefüllten Isolationskanal
ausgeformt hat.
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Der
erfindungsgemäße keramische
Schichtverbund mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass durch Aufteilung der Widerstandsbahn in mehrere, parallelgeschaltete
Bahnäste
der Querschnitt der Isolationskanäle pro Bahnast klein wird und
dadurch die Zugspannungen in den Isolationsschichten an der Grenzfläche zu den
Isolationskanälen
soweit verkleinert werden, dass sie unterhalb der für die Rissbildung
kritischen Zugspannung bleiben. Die Widerstandsbahn bleibt dabei
niederohmig, so dass bei Verwendung des Schichtverbunds als elektrischer
Heizer in einem Sensorelement zum Messen der Sauerstoffkonzentration
im Abgas von Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen auch eine niedrige Bordnetzspannung
des Fahrzeugs zum Betrieb des Sensorelements ausreichend ist.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Schichtverbunds möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind die Bahnäste
in Mäanderlinien verlegt,
wobei die Mäanderlinien
im Parallelabstand voneinander verlaufen. Hierzu wird im Layout
für das Aufdrucken
der Widerstandsbahn beispielsweise eine Doppelung vorgesehen, wobei
die Breite der einzelnen Bahnäste
kleiner gemacht wird als die Breite der herkömmlich gedruckten Widerstandsbahn.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind die Bahnäste
durch Querstege miteinander verbunden. Die Querstege sind vorzugsweise äquidistant
angeordnet. Dadurch entsteht in den Heizerfolien kein durchgehender
Isolationskanal, sondern entstehen getrennte Inselbereiche, durch die
eine bessere Rissstabilität
gegeben ist und die Gesamtstabilität insgesamt erhöht wird.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt eines
Sensorelements für
eine Lambda=1-Sonde längs
der Linie I-I in 2,
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2 einen Längsschnitt
des Sensorelements gemäß Linie
II-II in 1 bei entferntem
Dichtrahmen,
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3 jeweils eine gleiche Darstellung
wie in 1 und 4 gemäß zweier weiterer Ausführungsbeispiele
des Sensorelements.
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Das
in 1 im Querschnitt
dargestellte Sensorelement für
eine Sprung- oder Lambda=1-Sonde zur Messung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas von Brennkraftmaschinen weist einen Schichtverbund 10 auf,
dessen einzelne, aufeinanderliegende Schichten durch Foliengießen und/oder durch
Siebdruck hergestellt werden. Eine untere erste Festelektrolytschicht 11 dient
als Träger
für den Aufbau
des Schichtverbunds 10, während eine obere zweite Festelektrolytschicht 12 auf
ihrer Oberseite eine äußere Messelektrode
oder Nernstelektrode 14 und auf ihrer Unterseite eine innere
Messelektrode oder Referenzelektrode 15 trägt. Auf
der ersten Festelektrolytschicht 11 ist ein elektrischer
Heizer 16 angeordnet, und zwischen elektrischem Heizer 16 und der
zweiten Festelektrolytschicht 12 liegt eine dritte Festelektrolytschicht 13,
in der im Bereich der Referenzelektrode 15 ein Referenzgaskanal 17 ausgespart
ist, der mit einem Referenzgas, vorzugsweise Luft, in Verbindung
steht. Die Nernstelektrode 14 ist von einer die Oberfläche der
ersten Festelektrolytschicht 11 überziehenden, porösen Schutzschicht 18 abgedeckt.
Alle Festelektrolytschichten 11-13 sind aus yttriumstabilisiertem
Zirkoniumoxid (ZrO2) hergestellt.
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Der
elektrische Heizer 16 umfasst eine untere Isolationsschicht 21,
die auf der ersten Festelektrolytschicht 11 aufliegt und
eine obere Isolationsschicht 22, die an der dritten Festelektrolytschicht 13 anliegt.
Die Isolationsschichten 21, 22 sind im wesentlichen
aus Aluminiumoxid (Al2O3)
hergestellt und können
noch Zusätze
enthalten. Beide Isolationsschichten 21, 22 sind
jeweils auf der zugeordneten Festelektrolytschicht 11 bzw. 4 befestigt,
z.B. durch einen Folienkleber oder durch Aufdrucken. Zwischen den
beiden Isolationsschichten 21, 22 ist eine elektrische
Widerstandsbahn 20 eingebettet, und die beiden Isolationsschichten 21, 22 sind
von einem Dichtrahmen 23 umgeben, der ebenso wie die Festelektrolytschichten 11 – 13 aus
Zirkoniumoxid besteht. Wie aus der Schnittdarstellung gemäß 2 zu erkennen ist, ist die
Widerstandsbahn 20 an zwei parallel zueinander verlaufenden
Leiterbahnen 24, 25 angeschlossen, die ebenfalls
in den beiden Isolationsschichten 21, 22 eingebettet
sind. Jeder Leiterbahn 24, 25 ist an ihrem von
der elektrischen Widerstandsbahn 20 abgekehrten Ende durch
die erste Festelektrolytschicht 11 hindurch auf eine auf
die freie Oberfläche
der ersten Festelektrolytschicht 11 aufgedruckte Kontaktfläche kontaktiert. Über die
beiden Kontaktflächen
ist die elektrische Widerstandsbahn 20 an eine Stromquelle,
z.B. an die Bordnetzspannung des Fahrzeugs, anschließbar. Die
elektrische Widerstandsbahn 20 ist, ebenso wie die Leiterbahnen 24, 25 und
die Kontaktflächen
mit Durchkontaktierung, aus Platin oder einem Platincermet hergestellt.
Nach Herstellung des Schichtverbunds 10 wird dieser bei
einer Temperatur von ca. 1300 – 1600°C gesintert
und anschließend
abgekühlt.
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Das
Aluminiumoxid der Isolationsschichten 21, 22,
das die Isolationsschichten 21, 22 umgebenden
Zirkoniumoxid der Festelektrolytschichten 11, 13 und
des Dichtrahmens 23 sowie das Platin der elektrischen Widerstandsbahn 20 weisen
recht unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Zirkoniumoxids und des Platins größer sind als der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Aluminiumoxids. Beim Sintern stellt sich ein spannungsfreier
Zustand ein, der bei genügend
langsamem Abkühlen
auch noch bis zu einer bestimmten Temperatur unterhalb der Sintertemperatur
vorliegt. Bei weiterem Abkühlen unter
die sog. Inversionstemperatur entstehen im Innern der Isolationsschichten 21, 22 Druckspannungen.
Wird das Sensorelement im Betrieb schnell über die Inversionstemperatur
hinaus erwärmt,
kehren sich die Spannungsverhältnisse
im Schichtverbund 10 um, so dass das Aluminiumoxid der
Isolationsschichten 21, 22 jetzt vom Zirkoniumoxid
und dem Platin einer Zugspannung unterworfen wird. Die maximale
Zugspannungskomponente ist dabei entlang der Längserstreckung des Schichtverbunds 10 am größten. Durch
die Zugspannungen bilden sich im Aluminiumoxid Risse, die sich senkrecht
zur größten Zugspannung,
also in der Querebene des Schichtverbunds 10, ausbreiten
und zur Zerstörung
der Funktion des Sensorelements führen können. Diese Rissausbildung
tritt vorzugsweise an den Grenzflächen der Isolationsschichten 21, 22 mit
der elektrischen Widerstandbahn 20 auf, da hier zu dem
die Widerstandsbahn 20 einschließenden Isolationskanal eine
offene Fläche
vorliegt, in die Risse gut eintreten können, während im Innern der Isolationsschichten 21, 22 die
Spannungen mit zunehmendem Abstand von den Grenzflächen infolge
der elastischen Verformbarkeit des Aluminiumoxids abklingen.
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Um
die Zugspannungen an der Grenzfläche zur
elektrischen Widerstandsbahn 20 unter die kritische Zugspannung
für Risse
zu drücken,
ist die elektrische Widerstandsbahn 20 in mehrere Bahnäste 201, 202 mit
kleinem Querschnitt unterteilt, die parallel an den Leiterbahnen 24, 25 angeschlossen
sind. Im Ausführungsbeispiel
der 2 ist eine Aufteilung der
Widerstandsbahn 20 in nur zwei Bahnäste 201, 202 vorgenommen,
die in Mäanderlinien
parallel zueinander verlaufen. Die Breite der Leiterbahnen 24, 25 wird
kleiner als 300μm
bemessen und liegt vorzugsweise bei 150μm. Die schmalen Leiterbahnen 24, 25 werden
durch Photostrukturierung hergestellt. Durch diese Maßnahme wird
der sich jeweils in den Isolationsschichten 21, 22 ausbildende,
den jeweiligen Bahnast 201 bzw. 202 aufnehmende
Isolationskanal entsprechend kleiner, wodurch die Rissbildung erschwert
wird.
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Im
Ausführungsbeispiel
des elektrischen Heizers 16 gemäß 3 ist nicht die gesamte Widerstandsbahn 20 in
parallele Bahnäste 201, 202 aufgeteilt,
sondern nur ein mittlerer Abschnitt der Widerstandsbahn 20.
Hier weist die Widerstandsbahn 20 zwei außenliegende
L-förmige
Bahnschenkel 203, 204 auf, die an den Leiterbahnen 24, 25 angeschlossen
sind. Zwischen den Bahnschenkeln 203, 204 verläuft eine
(oder mehrere) Mäanderwindung 205,
die in zwei parallel zueinander verlaufende Bahnäste 201' und 202' aufgeteilt ist. Die beiden Bahnäste 201' und 202' sind an den
beiden L-förmigen
Bahnschenkel 203, 204 parallel angeschlossen.
Die Breite der L-förmige
Bahnschenkeln 203 und 204 ist wesentlich größer als
die wie vorstehend angegebene Breite der Bahnäste 201' und 202', beispielsweise doppelt so groß.
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In
dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
des elektrischen Heizers 16 ist die elektrische Widerstandsbahn 20 wie
bei dem elektrischen Heizer 16 gemäß 2 auf zwei im Parallelabstand voneinander
verlaufende Bahnäste 201, 202 aufgeteilt,
die in Mäanderlinien
verlaufen und parallel an den Leiterbahnen 24, 25 angeschlossen
sind. Die beiden Bahnäste 201, 202 sind
durch äquidistante Querstege 206 miteinander
verbunden. Dadurch ergeben sich kleine Isolationsinseln, die wegen
ihres geringen Querschnitts eine größere Rissstabilität bieten.