DE19815174A1 - Verfahren zur Herstellung eines plättchenförmigen keramischen Körpers sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines plättchenförmigen keramischen Körpers, insbesondere eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird der keramische Körper aus einem Verbund von wenigstens einer keramischen Folie mit wenigstens einer auf die Folie aufgebrachten Funktionsschicht durch Sintern eines Grünkörpers (19) hergestellt. Zur Erhöhung der Thermoschockfestigkeit des keramischen Körpers weisen die Längskanten (36) des keramischen Körpers jeweils eine Fase (38) auf. Die Fasen (38) werden vor dem Sintern des Grünkörpers (19) mit einem spanabhebenden Schneidwerkzeug (46) erzeugt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines plättchenförmigen keramischen Körpers, insbesondere eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskom­ ponenten in Gasgemischen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens.

Plättchenförmige keramische Körper, die durch Sintern minde­ stens einer mit Funktionsschichten versehenen keramischen Festelektolyt-Folie hergestellt werden, sind beispielsweise elektrochemische Sensorelemente zur Bestimmung der Gaskon­ zentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, die zum Bei­ spiel als Lambda-Sonden zur Bestimmung des Sauerstoffgehal­ tes in Abgasen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Die Festelektolyt-Folien dieser Sensorelemente sind sauer­ stoffionenleitend und werden als Verbund mit den in Sieb­ druck bedruckten Funktionsschichten (Elektroden, Leiterbah­ nen, Heizleiter u.ä.) im ungesinterten Zustand zu einem Grünkörper zusammenlaminiert und anschließend bei einer Tem­ peratur von beispielsweise 1400°C gesintert.

Anstelle eines Verbundes von übereinander liegenden kerami­ schen Folien können diese auch durch einzelne Druckschritte erhalten werden, wobei sowohl der Festelektrolyt als auch die Funktionsschichten auf einem tragenden Substrat überein­ ander gedruckt werden.

Die genannten Sensorelemente zur Bestimmung der Konzentrati­ on von Gaskomponenten werden dem, unterschiedliche Tempera­ turen aufweisenden heißen Abgasstrom von Brennkraftmaschinen ausgesetzt. Aufgrund der plötzlichen und mit unterschiedli­ cher Intensität auftretenden Temperaturänderungen im Abgass­ trom erfahren die Sensorelemente einen Thermoschock, der im Oberflächenbereich, insbesondere an den Kanten des Sensore­ lements, zum Auftreten von mechanischen Spannungen führt.

Um die Temperaturschockfestigkeit der Sensorelemente zu er­ höhen, ist aus der US-PS 5,144,249 bekannt, die Längskanten des Sensorelements zu brechen, d. h., mit jeweils einer Fase zu versehen. Das Anbringen der Fasen erfolgt durch einen Schleifvorgang am fertiggesinterten Sensorelement. Hierbei ist nachteilig, daß die bereits fertiggesinterten Sensorele­ mente einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden, die relativ aufwendig ist und es z. B. durch Verkrümmungen der Sensorelemente zu ungewollten Beschädigungen der Sensorele­ mente kommt. Außerdem müssen die Sensorelemente nach dem Schleifen von dem beim Schleifen auftretenden Schleifstaub und dem Abrieb der Schleifscheibe gereinigt werden.

Darüberhinaus wurde bereits in der DE-Patentanmeldung 197 13 904.1 vorgeschlagen, die Fasen vor dem Sintern, d. h. am Grünkörper durch Umformen, wie z. B. Prägen, oder durch Laserbearbeitung herzustellen. Diese Verfahren sind bei der Integration in einen Serienprozeß mit Schwierigkeiten bei der Handhabung und bei dem reproduzierbaren Einsatz behaf­ tet.

Vorteile der Erfindung

Das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 hat den Vorteil, daß es mit einfachen Mitteln in den Serienfertigungsprozeß integrierbar ist. Gegenüber dem Schleifprozeß sind außerdem weniger Prozeßschritte notwen­ dig, da nach dem Herstellen der Fase keine Reinigung des Körpers notwendig ist. Aufgrund der Tatsache, daß das spanabhebende Verfahren im grünen Zustand der Folie zur An­ wendung kommt, treten lediglich geringe Schnittkräfte auf. Ferner entsteht kein Abrieb, der beim Schleifprozeß zu Be­ schädigungen am fertiggesinterten Körper führen kann. Gegen­ über einem Umformverfahren, bei dem erhebliche Umformkräfte beim Anprägen der Fasen auftreten, ist die Gefahr der Mate­ rialverschiebung gering. Die damit verbundene Forminstabili­ tät durch Beeinträchtigung des Laminierverbundes ist weitge­ hend ausgeschlossen. Der Übergangsbereich zwischen der Fase und den Seiten- und Deckflächen des plättchenförmigen Kör­ pers, der qualitätsrelevant bezüglich der Thermoschockemp­ findlichkeit ist, bildet sich bei dem spanabhebenden Verfah­ ren an der grünen Folie optimal aus. Scharfe Kanten zwischen Fase und Seiten- und Deckflächen wirken sich ebenfalls nega­ tiv auf die Thermoschockempfindlichkeit aus. Es hat sich überraschend gezeigt, daß selbst bei Verwendung eines Schneidwerkzeugs mit einer geraden Schneide eine Verrundung der scharfen Kanten auftritt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist es, ein eine geradlinige Hauptbewegung ausführendes, spanab­ hebendes Schneidwerkzeug, wie beispielsweise Hobeln einzu­ setzen. Dabei ist es zweckmäßig, an zwei gegenüberliegenden Kanten jeweils zwei feststehende Schneidewerkzeuge anzuord­ nen und die Schnittbewegung durch eine Relativbewegung des keramischen Körpers zu erzeugen. Besonders vorteilhaft hin­ sichtlich dem Auftreten von geringstmöglichen Schnittkräften ist, den keramischen Körper je nach organischer Binderaus­ wahl bei Temperaturen von 50° bis 200°C, vorzugsweise 80°C spanabhebend zu bearbeiten. Als zweckmäßig bei der Bearbei­ tung von Sensorelementen hat sich ferner herausgestellt, die Bearbeitungsrichtung des spanabhebenden Verfahrens von der meßgasseitigen Stirnseite zur anschlußseitigen Stirnseite des Sensorelements durchzuführen. Weiterhin zweckmäßig ist, die Fasen über die Längskante sich stetig erweiternd bzw. verjüngend auszubilden. Günstige Schnittkräfte und eine op­ timale Bearbeitungsfläche der Fase wird mit einem Schnitt­ winkel von ca. 30° erreicht, wobei der Keilwinkel des Schneidwerkzeugs ca. 15° beträgt.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels und der dazugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein Sensorele­ ment, Fig. 2 ein Darstellung des Sensorelements in Fig. 1 in einer Ansicht der Längsseite, Fig. 3 eine Schnittdar­ stellung durch eine Vorrichtung zum Herstellen von Fasen an dem Sensorelement gemäß Fig. 1 und Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Schneidwerkzeugs der Vorrichtung in Fig. 3.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Sensorele­ ment 10, das als ein sogenannter Lambda-Sensor zur Bestim­ mung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Verbrennungsmoto­ ren in Kraftfahrzeugen oder von Feuerungsanlagen dienen kann. Das Sensorelement 10 weist im wesentlichen einen lang­ gestreckten, plättchenförmigen Körper 11 mit einem meß­ gasseitigen Endabschnitt 12 und einem anschlußseitigen En­ dabschnitt 13 auf (Fig. 2), der aus einem Verbund von ein­ zelnen Festelektrolytfolien und Funktionsschichten besteht. Wie die Schnittdarstellung in Fig. 1 verdeutlicht, ist das Sensorelement 10 mit einer Meßzelle 14 und einem Heizelement 15 ausgeführt. Die Meßzelle 14 besteht aus einer ersten Fe­ stelektrolytfolie 16 sowie einer zweiten Festelektrolytfolie 18, wobei in die zweite Festelektrolytfolie 18 ein Referenz­ gaskanal 20 integriert ist, der an dem meßgasseitigen Endab­ schnitt 12 geschlossen und am anschlußseitigen Endabschnitt 13 aus dem Körper 11 des Sensorelements 10 herausgeführt ist. An dem meßgasseitigen Endabschnitt 12 weist das Senso­ relement 10 eine Meßelektrode 22 und eine in den Referenz­ gaskanal 20 weisende Referenzelektrode 24 auf. Die Meßelek­ trode 22 ist mit einer porösen Deckschicht 26 abgedeckt.

Das Heizelement 14 weist einen in zwei elektrische Isolati­ onsschichten 28 und 30 eingebetteten Heizleiter 32 auf. An die Isolationsschicht 30 schließt sich eine weitere Feste­ lektrolytfolie 34 an, die als Deckschicht das Heizelement 15 abdeckt.

Der keramische Körper 11 weist an den vier Kanten der Längs­ seiten jeweils eine Fase 38 in einem Winkel von beispiels­ weise 45° auf. Über die Längserstreckung verjüngen sich die Fasen 38 stetig, so daß am anschlußseitigen Endabschnitt 13 beispielsweise die Fasen 38 zur jeweiligen Kante hin aus­ laufen. Die Fasen 38 besitzen am meßgasseitigen Ende des En­ dabschnitts 12 eine Breite von 0,1 bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 mm. Es ist aber genauso möglich, die Fasen 38 am meß­ gasseitigen Ende konisch auslaufen zu lassen. Die Fasen 38 können aber auch über die gesamte Längserstreckung mit einer gleichbleibenden Breite ausgeführt werden.

Die Herstellung der Fasen 38 nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren hat überraschend gezeigt, daß selbst mit einem Schneidwerkzeug mit gerader Schneide die Kanten an den Fasen 38 zu den seitlichen Begrenzungsflächen (Deckflächen und Seitenflächen) hin nicht scharfkantig, sondern leicht abge­ rundet sind. Diese Ausbildung verbessert die Thermoschock­ empfindlichkeit noch weiter.

Die Festelektrolytfolien 16, 18, 34 sind sauerstoffionenlei­ tend und bestehen beispielsweise aus stabilisiertem Zirkoni­ umoxid. Die Elektroden 22, 24 sowie der Heizleiter 32 beste­ hen beispielsweise aus einem Platin-Cermet. Die Isolations­ schichten 28, 30 sind beispielsweise aus Al₂O₃ ausgeführt. Das Platin-Cermet zur Bildung der Elektroden 22, 24 und des Heizleiters 32 wird in Pastenform auf die entsprechende Fe­ stelektrolytfolie 16 sowie auf eine der Isolationsschichten 28, 30 im Siebdruckverfahren aufgedruckt. Der gesamte Ver­ bund der einzelnen Festelektrolytfolien und Funktionsschich­ ten bildet nach dem Zusammenlaminieren der Festelektrolytfo­ lien 16, 18, 34 einen langgestreckten, plättchenförmigen Grünkörper 19 mit einem etwa quaderförmigen Querschnitt. Aufgrund des quaderförmigen Querschnitts sind am Grünkörper 19 vier in Längsrichtung sich erstreckende Kanten 36 ausge­ bildet, die am später gesinterten Körper 11 vier scharfe Kanten ergeben. Die am quaderförmigen Grünkörper 19 ausge­ bildeten Kanten werden gebrochen, indem am Grünkörper 19 die Fase 38 mit einem Schneidwerkwerkzeug 46 angebracht werden, wobei die Schnittbewegung des Schneidwerkzeugs 46 im wesent­ lichen geradlinig verläuft.

Aus Fig. 3 geht eine schematische Darstellung einer Vor­ richtung zur Herstellung der Fasen 38 hervor. Die Vorrich­ tung besitzt einen Träger 40 auf dem ein eine geradlinige Bewegung ausführender Schlitten 42 geführt wird. Am Schlit­ ten 42 ist eine Aufnahme 44 ausgebildet, in der der Grünkör­ per 19 des späteren Sensorelements 10 gehalten wird. Zur Herstellung der Fasen 38 sind zwei Schneidwerkzeuge 46 mit jeweils einer Schneidkante 47 fest bezüglich des Trägers 40 angeordnet. Die Schneidwerkzeuge 46 besitzen einen in Fig. 4 dargestellten Schneidenkeil 49, der einen Keilwinkel α von beispielsweise ca. 15° und einen Schnittwinkel β von unge­ fähr 30° besitzt. Die Schneidkanten 47 der beiden Schneid­ werkzeuge 46 greifen jeweils an den an der Deckfläche des Grünkörpers 19 sich gegenüberliegenden Längskanten 36 an, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Bearbeitung mit den Schneidwerkzeugen 46 am meßgasseitigen Endabschnitt 12 beginnt. Durch die vom Schlitten 42 realisierte geradli­ nige Bewegung wird der Grünkörper 19 gegen die Schnittfläche der Schneidwerkzeuge 46 gemäß der in Fig. 4 angegebenen Pfeilrichtung bewegt. Dabei schält jedes Schneidwerkzeug 46 einen Span 50 von der Längskante 36 ab, wodurch zunächst an der oberen Deckfläche des Grünkörpers 19 zwei Fasen 38 ent­ stehen. Durch eine in Richtung der Vorschubbewegung geneig­ ten Anordnung des Grünkörpers 19 in der Aufnahme 44 wird die in Fig. 2 dargestellte sich stetig verjüngende Breite der Fasen 38 erzeugt, wobei am meßgasseitigen Endabschnitt 12 die Fasen 38 breiter sind als am anschlußseitigen Endab­ schnitt 13. Zur Herstellung der beiden weiteren Fasen 38 an der gegenüberliegenden Deckfläche wird der Grünkörper 19 in der Aufnahme 44 um 180° um seine Längsachse gedreht. Die Herstellung der beiden weiteren Fasen 38 erfolgt nach der beschriebenen Vorgehensweise. Um den Grünkörper 19 auf die für die Herstellung der Fasen 38 notwendige Temperatur zu bringen, sind die Aufnahme 44 sowie die Schneidewerkzeuge 46 beheizbar.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Sensorelementen 10 zur Bestimmung der Konzentration von Gas­ komponenten in Gasgemischen beschränkt. Es sind beispiels­ weise Anwendungsfälle denkbar, bei denen keramische Körper erhöhten Temperaturwechseln ausgesetzt sind. Derartige kera­ mische Körper können beispielsweise plättchenförmige Heizer, plättchenförmige keramische Temperaturfühler oder keramische Substrate für integrierte Schaltungen (z. B. pin-grid ar­ rays) sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines plättchenförmigen kerami­ schen Körpers, insbesondere eines Sensorelements zur Bestim­ mung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, bei dem der keramische Körper aus einem Verbund von wenig­ stens einer keramischen Folie mit wenigstens einer auf die Folie aufgebrachten Funktionsschicht durch Sintern eines Grünkörpers hergestellt wird und bei dem die Längskanten des keramischen Körpers zur Erhöhung der Thermoschockfestigkeit des keramischen Körpers eine Fase aufweisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasen (38) vor dem Sintern am Grünkörper (19) mit einem spannabhebenden Schneidwerkzeug (46) erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasen (38) durch eine im wesentlichen geradlinige Schnittbewegung erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper (19) auf eine Temperatur von 50° bis 200°C, vorzugsweise auf 80°C erwärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasen (38) mit einem Winkel von etwa 45° bezogen auf die Seitenfläche oder Deckfläche des Grünkörpers (19) herge­ stellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Fase (38) an der breitesten Stelle 0,1 bis 0,3 mm beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasen (38) mit einer über die Länge des keramischen Kör­ pers sich stetig zunehmenden oder stetig abnehmenden Breite hergestellt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auf­ nahme (44) für den Grünkörper (19) vorgesehen ist, daß min­ destens ein Schneidwerkzeug (46) mit einer Schneidkante (47) angeordnet ist, daß der Verlauf der Schneidkante (47) dem Winkel der Fase (38) entspricht und daß zwischen Grünkörper (19) und Schneidwerkzeug (46) eine im wesentlichen geradli­ nige Relativbewegung derart stattfindet, daß die Schneidkan­ te (47) eine Fase (38) zumindest teilweise entlang minde­ stens einer Längskante (36) des Grünkörpers (19) erzeugt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (44) Teil eines geradlinig bewegbaren Schlit­ tens (42) ist und daß das Schneidwerkzeug (46) ortsfest be­ züglich des Schlitten (42) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidwerkzeug (46) einen Schneidenkeil (49) von etwa 15° aufweist und daß die vom Schneidenkeil (49) gebildete Schnittfläche einen Schnittwinkel β von etwa 30° bezogen auf die Ebene der Schnittbewegung aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (44) und/oder die Schneidewerkzeuge (46) be­ heizbar sind.