DE19827253B4

DE19827253B4 - Mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor

Info

Publication number: DE19827253B4
Application number: DE19827253A
Authority: DE
Inventors: Tomio Sugiyama; Hiromi Sano; Masahiro Shibata; Syuichi Nakano
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2018-06-19
Also published as: JPH1114594A; US7824531B2; US20010047937A1; JP3873381B2; DE19827253A1

Abstract

Mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit einer Mehrzahl von Substratschichten (11 bis 15, 22, 24, 25; 31 bis 33; 42, 43), die wenigstens eine feste elektrolytische Substratschicht (11 bis 15, 31 bis 33) aufweisen, wobei wenigstens zwei der in der Mehrzahl vorkommenden Substratschichten eine dazwischen befindliche heterogene Grenzschicht (10; 101, 102) besitzen, und die heterogene Grenzschicht eine Dicke in einem Bereich von 10 bis 100 μm besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die heterogene Grenzschicht eine Porositätsrate besitzt, die größer als diejenige benachbarter Substratschichten ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der zum Steuern eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses einer Gasmischung verwendet wird, die einer Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors zugeführt wird.
Um einen Energieverlust (d. h. einen Kraftstoffverlust zu unterdrücken) und eine ernsthafte Luftverschmutzung zu vermeiden, wird für Personenkraftfahrzeuge derzeit die Verwendung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors unvermeidlich verlangt.
13 und 14 stellen einen herkömmlichen mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor dar, der in dem japanischen Patent Nr. 2-62955 entsprechend dem US-Patent 5,288,389 offenbart wird.
Wie in 13 dargestellt enthält ein mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 9 mehrere Schichten bestehend aus einer festen elektrolytischen Substratschicht 91, einem isolierenden Abstandshalter 92, einer festen elektrolytischen Substratschicht 93 und einer Abschirmplatte 94.
Wie in 14 dargestellt enthält der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 9 eine Pumpzelle 919 und eine Sensorzelle 939. Eine Probengaskammer 920 ist zwischen den Pumpzellen 919 und 939 angeordnet. Eine Bezugsgaskammer 940 ist zwischen der Sensorzelle 939 und der Abschirmplatte 94 angeordnet. Jede der festen elektrolytischen Substratschichten 91 und 93 und die Abschirmplatte 94 sind aus Zirkoniumoxid bzw. Zirkondioxid hergestellt. Der isolierende Abstandshalter 92 ist aus Aluminiumoxid hergestellt.
Die Pumpzelle 919 besteht aus der festen elektrolytischen Substratschicht 91 und einem Paar poröser Elektroden 911 und 912, welche an gegenüberliegenden Seiten der festen elektrolytischen Substratschicht 91 angebracht sind. Die Sensorzelle 939 besteht aus der festen elektrolytischen Substratschicht 93 und einem Paar von Elektroden 931 und 932, welche an gegenüberliegenden Seiten der festen elektrolytischen Substratschicht 91 vorgesehen sind. Ein Probengasdiffusionseinlaßteil 921 führt ein Probengas in die Probengaskammer 920 ein. Eine Schutzschicht 900 ist an einer äußeren Seite bzw. Oberfläche der porösen Elektrode 911 vorgesehen.
Die Pumpzelle 919 hält die Konzentration eines in der Probengaskammer 920 befindlichen Sauerstoffgases durch Einstellen eines Betrags von Sauerstoffgas, welches in die Probengaskammer 920 eingeführt oder daraus ausgelassen wird, auf einem konstanten Wert.
Insbesondere vergleicht ein Komparator 950 ein Abtastsignal der Sensorzelle 939 mit einer Bezugsspannung. Eine auf einen Ausgang des Komparators 950 ansprechende Spannung wird der Pumpzelle 919 angelegt. Der Sauerstoffgasbetrag ändert sich entsprechend der angelegten Spannung. Somit wird Sauerstoffgas in die Probengaskammer 920 eingeführt oder daraus ausgelassen. Dadurch wird eine Rückkopplungssteuerung der Konzentration des Sauerstoffgases in der Probengaskammer 920 realisiert. Ein während dieser Rückkopplungssteuerung erzielter Strom verhält sich proportional zu einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Probengases. Somit ist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus dem gemessenen Stromwert erfaßbar.
Im allgemeinen arbeitet der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor lediglich dann geeignet, wenn er eine hohe Temperatur aufweist, die eine vorbestimmte aktive Temperatur übersteigt. Um daher eine genaue Operation sicherzustellen, wird der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 9 mit einer Heizvorrichtung versehen. Die Heizvorrichtung erzeugt einen hinreichenden Betrag von Wärme, um den mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 9 auf einer höheren Temperatur zu halten, welche dessen aktive Temperatur übersteigt.
Das von dem Jahre 2000 an im Staat Kalifornien wirksame ULEV-Gesetz zwingt die Kraftfahrzeughersteller dazu, die verlangten Pegel einer harten Emissionssteuerung zu erfüllen. Um dieses Ziel zu erreichen, besteht ein wesentlicher Faktor, der bezüglich des oben beschriebenen mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zu realisieren ist, in einem hervorragenden Aufwärmverhalten.
Die geplanten Sollpegel sind sehr hoch. Beispielsweise muß ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor innerhalb einer kurzen Periode von 5 Sekunden unmittelbar nach dem Start des Motors richtig arbeiten.
Diesbezüglich besitzt der oben beschriebene herkömmliche mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 9 den Nachteil, daß seine Heizvorrichtung als separate Komponente vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung muß die Heizvorrichtung seine Temperatur übermäßig erhöhen, um den harten Vorschriften zu genügen. Der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor wird ernsten thermischen Stößen bzw. Schocks unterworfen. Dadurch werden möglicherweise Risse bzw. Sprünge hervorgerufen.
Als mögliches praktisches Verfahren zum Verringern der thermischen Schocks ist es möglich, die Gesamtdicke des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zu verringern. Die Wärmekapazität des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors verringert sich proportional zu der Verringerung dessen Dicke. Jedoch verringert sich die mechanische Festigkeit des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors dementsprechend. Dies wird nicht erwünscht.
Der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor empfängt üblicherweise verschiedene äußere Kräfte und Vibrationen beispielsweise dann, wenn der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit der Heizvorrichtung zusammengebaut ist oder wenn der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in einem Auslaßdurchgang eines Verbrennungsmotors installiert ist. Dementsprechend wird ein mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, welcher eine verringerte mechanische Festigkeit besitzt, durch derartige äußere Kräfte und Vibrationen beschädigt.
15 zeigt eine vorgeschlagene Anordnung des oben beschriebenen herkömmlichen mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 9. Eine mehrschichtige Heizvorrichtung 99 ist mit dem mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 9 über einer isolierenden Substratschicht 990 integriert. Jedoch ist bei dieser Anordnung die Größe des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 9 durch das Erwärmungsverhalten der mehrschichtigen Heizvorrichtung 99 wesentlich beschränkt. Wie oben beschrieben wird ein Erhöhen der Heizvorrichtungstemperatur die Schwierigkeit hervorrufen, daß der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 9 ernsten thermischen Schocks unterworfen wird. Wenn die Dicke des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 9 zur Lösung dieser Schwierigkeit verringert wird, wird die mechanische Festigkeit verhängnisvoll verschlechtert.
Aus der DE 39 10 272 A1 ist ein mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bekannt, welcher aus einer Mehrzahl von Substratschichten besteht, die wenigstens eine feste elektrolytische Substratschicht aufweisen, wobei wenigstens zwei der in der Mehrzahl vorkommenden Substratschichten eine dazwischen befindliche heterogene Grenzschicht besitzen und die heterogene Grenzschicht eine Dicke von 60 bis 100 μm besitzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die beim Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bereitzustellen, welcher ein hervorragendes Aufwärmeerhalten besitzt und geeignet ist, infolge von thermischen Schocks auftretende Risse bzw. Sprünge wirksam zu verhindern.
Die Lösung der Aufgabe erfogt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dementsprechend wird ein mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor geschaffen, welcher eine Mehrzahl von Substratschichten aufweist, wobei wenigstens eine feste elektrolytische Substratschicht vorgesehen ist. Wenigstens eine heterogene Grenzschicht ist zwischen der Mehrzahl von Substratschichten angeordnet. Die heterogene Grenzschicht besitzt eine Dicke in einem Bereich von 10 bis 100 μm. Die heterogene Grenzschicht absorbiert thermische Schocks und andere Drücke, welche auf die Substratschichten einwirken, und stoppt das Wachstum der Sprünge.
Insbesondere besitzt die heterogene Grenzschicht eine Porositätsrate, die größer als diejenige benachbarter Substratschichten ist. Die heterogene Grenzschicht besitzt einen Sinterteilchendurchmesser, der größer als derjenige benachbarter Substratschichten ist. Die heterogene Grenzschicht weist eine Komponente auf, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Spinell und Steatit gewählt ist. Die heterogene Grenzschicht ist zwischen einer festen elektrolytischen Substratschicht und einer isolierenden Substratschicht angeordnet.
Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht, welche eine Gesamtanordnung eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 zeigt eine Querschnittsansicht, welche einen mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang Linie A-A von 1 darstellt;
3 zeigt eine Querschnittsansicht, welche den mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang Linie B-B von 1 darstellt;
4 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwischen der Dicke einer heterogenen Schicht und der Biegefestigkeit des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwischen dem Vorhandensein der heterogenen Schicht und der Biegefestigkeit des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwischen dem Vorhandensein der heterogenen Schicht und der Biegefestigkeit des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine wesentliche Anordnung eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit zwei isolierenden Substratschichten der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine wesentliche Anordnung eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit drei isolierenden Substratschichten der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine wesentliche Anordnung eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit drei festen elektrolytischen Substratschichten einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine wesentliche Anordnung eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit einer isolierenden Substratschicht der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine wesentliche Anordnung eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit zwei isolierenden Substratschichten der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 zeigt eine Querschnittsansicht, welche eine wesentliche Anordnung eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit zwei heterogenen Schichten einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
13 zeigt eine perspektivische Ansicht, welche eine Gesamtanordnung eines herkömmlichen mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors darstellt;
14 zeigt eine Querschnittsansicht, welche den in 13 dargestellten herkömmlichen mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor darstellt; und
15 zeigt eine perspektivische Ansicht, welche eine verbesserte Anordnung des in 13 dargestellten herkömmlichen mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors darstellt.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Identische Teile sind in den Ansichten durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
Erste Ausführungsform
1 bis 8 zeigen Ansichten, welche bevorzugte Anordnungen eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Bezüglich der folgenden Beschreibung wird eine von unten nach oben verlaufende Richtung auf der Grundlage des in 1 dargestellten Layouts definiert. Es versteht sich, daß eine tatsächliche von unten nach oben verlaufende Richtung des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 bei einer Installation auf einem Verbrennungsmotor geändert werden kann.
Der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 enthält eine Gesamtheit von fünf festen elektrolytischen Substratschichten 11 bis 15, welche von dem Boden bis zur Spitze entsprechend 1 aufgestapelt sind, wobei jede die Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt. Die Gesamtheit der vier heterogenen Schichten 10 ist mit den fünf festen elektrolytischen Substratschichten 11 bis 15 kombiniert. Diese heterogenen Schichten 10 dienen als Grenzschichten, welche jeweils zwischen zwei benachbarten festen elektrolytischen Substratschichten angeordnet sind. Jede heterogene Schicht 10 ist 50 μm dick. Jede der festen elektrolytischen Substratschichten 11 bis 15 ist 240 μm dick. Die Gesamtdicke des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 beträgt 1,4 mm.
Die festen elektrolytischen Substratschichten 11 bis 15 sind aus mit Yttriumoxid partiell stabilisiertem Zirkonoxid bzw. Zirkondioxid mit einem durchschnittlichen Sinterteilchendurchmesser von 2 bis 3 μm gebildet. Jede heterogene Schicht 10 ist aus einem Material gebildet, welches aus der Gruppe von Aluminiumoxid, Spinell und Steatit gewählt ist. Bei dieser Ausführungsform sind die heterogenen Schichten 10 aus α-Aluminiumoxid mit einem durchschnittlichen Sinterteilchendurchmesser von 3 bis 4 μm gebildet.
Der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 enthält eine Pumpzelle und eine Sensorzelle ebenso wie eine mehrschichtige Heizvorrichtung, die integriert mit dem mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 vorgesehen ist.
Wie in 1 bis 3 dargestellt dient die feste elektrolytische Substratschicht 11 als Pumpzellensubstrat mit gegenüberliegenden Seiten, auf welchen Pumpelektroden 111 und 112 Rückseite an Rückseite vorgesehen sind. Ein Sicherungs- bzw. Stiftloch 110, welches als Probengaseinführungsdurchgang dient, erstreckt sich über die feste elektrolytische Substratschicht 11 von der Mitte der oberen (d. h. der äußeren) Pumpelektrode 111 auf die Mitte der unteren (d. h. der inneren) Pumpelektrode 112.
Die feste elektrolytische Substratschicht 12 besitzt eine Öffnung, welche eine Probengaskammer 120 definiert. Eine untere Seite der festen elektrolytischen Substratschicht 11 definiert eine Decke der Probengaskammer 120. Die untere Pumpelektrode 112 erstreckt sich vollständig entlang der Decke der Probengaskammer 120. Die obere Pumpelektrode 111 erstreckt sich entlang der oberen Seite der festen elektrolytischen Substratschicht 11.
Eine obere Seite der festen elektrolytischen Substratschicht 13 definiert einen Boden der Probengaskammer 120. Das Stiftloch 110 kommuniziert mit der Probengaskammer 120.
Die feste elektrolytische Substratschicht 13 dient als Sensorzellensubstrat mit gegenüberliegenden Seiten, auf welchen Abtastelektroden 131 und 132 Rückseite an Rückseite vorgesehen sind. Die obere Abtastelektrode 131 erstreckt sich entlang dem Boden der Probengaskammer 120.
Die feste elektrolytische Substratschicht 14 besitzt einen Schlitz bzw. Spalt, welcher eine Bezugsgaskammer 140 definiert. Eine untere Seite der festen elektrolytischen Substratschicht 13 definiert eine Decke der Bezugsgaskammer 140. Die untere Abtastelektrode 132 erstreckt sich vollständig entlang der Decke der Bezugsgaskammer 140. Ein Boden der Bezugsgaskammer 140 wird durch die heterogene Schicht 10 definiert, welche an einer oberen Seite der festen elektrolytischen Substratschicht 15 vorgesehen ist.
Die feste elektrolytische Substratschicht 15 dient als Heizvorrichtungssubstrat. Ein Heizvorrichtungselement 150 ist auf der festen elektrolytischen Substratschicht 15 über einer Isolationspaste vorgesehen. Das Heizvorrichtungselement 150 besitzt eine vorbestimmte Struktur, welche sich entlang einer oberen Seite der festen elektrolytischen Substratschicht 15 erstreckt.
Entsprechend 3 bezeichnen Bezugszeichen 117, 118, 137 und 138 Leitungen, welche jeweilige Elektroden mit entsprechenden Ausgangsanschlüssen verbinden. 1 zeigt einen Ausgangsanschluß 119, welcher über die Leitung 118 an die obere Pumpelektrode 111 angeschlossen ist.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 beschrieben.
Zuerst wird ein Herstellungsverfahren einer rohen bzw. unbearbeiteten Zirkonschicht beschrieben. Die rohe Zirkonschicht wird verwendet, um die festen elektrolytischen Substratschichten 11 bis 15 zu bilden. Ein Hauptmaterial der rohen Zirkonschicht ist mit Yttrium partiell stabilisiertes Zirkonoxid bzw. Zirkondioxid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm. Dieses mit Yttrium partiell stabilisierte Zirkonoxid enthält 6 Mol% Yttriumoxid und 94 Mol% Zirkonoxid. Der Wiegeumfang (weighing capacity) des mit Yttriumoxid teilweise stabilisierten Zirkonoxids beträgt 100 Gewichtsteile. Als mitwirkende Materalien der rohen Zirkonschicht sind α-Aluminiumoxid in einem Gewichtsteil, PVB (Polyvinylbutyral) in 5 Gewichtsteilen, DBP (Dibutylphthalat) in 10 Gewichtsteilen, Ethanol in 10 Gewichtsteilen und Toluol in 10 Gewichtsteilen enthalten.
Das mit Yttrium partiell stabilisierte Zirkonoxid, α-Aluminiumoxid, PVB, DBP, Ethanol und Toluol werden in einer Kugelmühle gemischt, um einen Brei bzw. Schlamm davon zu erlangen. Der erlangte Schlamm wird unter Verwendung eines Doctor-Verfahrens (doctor blade method) in einen ebenen Schichtkörper geformt. Der hergestellte Schichtkörper besitzt in einem getrockneten Zustand eine Dicke von 0,3 mm. Eine Gesamtzahl von 5 rechteckigen Schichtkörpern, welche jeweils eine Größe von 5 mm × 70 mm besitzen, werden aus diesem Schichtkörper für die festen elektrolytischen Substratschichten 11 bis 15 abgetrennt.
Als nächstes wird eine elektrisch leitende Pt-Paste durch Siebdruck in der vorbestimmten Struktur auf die gegenüberliegenden Seiten eines ersten rechteckigen Schichtkörpers aufgebracht. Dadurch wird die feste elektrolytische Substratschicht (d. h. das Sensorzellensubstrat) 13 mit den abtastenden Elektroden 131 und 132 gebildet.
Auf dieselbe Weise wird die elektrisch leitende Pt-Paste auf gegenüberliegende Seiten eines zweiten rechteckigen Schichtkörpers durch Siebdruck aufgebracht. Dadurch wird die feste elektrolytische Substratschicht (d. h. das Zellensubstrat) 11 mit den Pumpelektroden 111 und 112 gebildet. Das Stiftloch 11 ist über der festen elektrolytischen Substratschicht 11 geöffnet. Der Durchmesser des geöffneten Stiftlochs 11 beträgt 0,5 mm.
Des weiteren sind die Leitungen und die Ausgangsanschlüsse an den vorbestimmten Teilen auf den ersten und zweiten rechteckigen Schichtkörpern des Sensorzellensubstrats 13 und des Pumpzellensubstrats 11 vorgesehen.
Des weiteren wird eine isolierende Paste aus Aluminiumoxid auf einen dritten rechtwinkligen Schichtkörper gedruckt. Danach wird eine elektrisch leitende Paste, welche 90 Gewichts% Pt und 10 Gewichts% Aluminiumoxid enthält, auf diesen dritten rechtwinkligen Schichtkörper gedruckt. Dadurch wird die feste elektrolytische Substratschicht (d. h. das Heizvorrichtungssubstrat) 15 mit dem Heizvorrichtungselement 150 gebildet. Der Widerstandswert des gebildeten Heizvorrichtungselements 150 beträgt 2,0 Ω bei 20°C.
Des weiteren ist ein vierter rechtwinkliger Schichtkörper mit einer Öffnung an einer vorbestimmten Position versehen. Dadurch wird die feste elektrolytische Substratschicht 12 gebildet, welche die Probengaskammer 120 definiert. Ein fünfter rechtwinkliger Schichtkörper ist mit einem Schlitz bzw. Spalt an einer vorbestimmten Position versehen. Dadurch wird die feste elektrolytische Substratschicht 14 gebildet, welche die Bezugsgaskammer 140 definiert.
Im folgenden wird ein Herstellungsverfahren einer rohen bzw. unbearbeiteten Aluminiumoxidschicht beschrieben. Die rohe Aluminiumoxidschicht wird dazu verwendet, die heterogenen Schichten 10 zu bilden. Das Hauptmaterial der rohen Aluminiumschicht ist α-Aluminiumoxid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,3 μm. Der Wiegeumfang dieses α-Aluminiumoxids beträgt 100 Gewichtsteile. Als mitwirkende Materialien (d. h. Binder) werden Akrylharz von 30 Gewichtsteilen und Toluol von 30 Gewichtsteilen vorgesehen.
Das bereitgestellte α-Aluminiumoxid, Akrylharz und Toluol werden in einer Kugelmühle durchgearbeitet bzw. durchgeknetet, um eine vorbestimmte Viskosität zu erhalten, und danach durch eine Druckwalze zu Platten gezogen. Der hergestellte Schichtkörper besitzt eine Dicke von 100 μm. Eine Gesamtzahl von vier rechteckigen Schichtkörpern, welche jeweils eine Größe von 5 mm × 70 mm besitzen, wird aus diesem ebenen Schichtkörper für die heterogenen Schichten 10 abgetrennt. Die rechteckigen Schichtkörper werden in der vorbestimmten Form entsprechend dem oben beschriebenen Stiftloch 110 und den Gaskammern 120 und 140 gestaltet.
Darauffolgend werden die rechteckigen Schichtkörper der festen elektrolytischen Substratschichten 11 bis 15 in der vorbestimmten Reihenfolge mit den abwechselnd dazwischen befindlichen rechtwinkligen Schichtkörpern der heterogenen Schichten 10 wie in 1 bis 3 dargestellt aufgestapelt oder aufgeschichtet. Danach wird die geformte mehrschichtige Anordnung in einer Umgebung von 1500 °C über eine Stunde gesintert. Am Ende dieser Sinteroperation wird der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor dieser Ausführungsform erlangt.
Als nächstes wird das Leistungsvermögen des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors dieser Ausführungsform beschrieben.
Um das Leistungsvermögen zu überprüfen, wurde der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform mit mehreren Testproben verglichen. Bei den durchgeführten vergleichenden Leistungsfähigkeitstest wurde eine Mehrzahl von rohen Schichten mit einer Dicke von 0,35, 0,33, 0,25 bzw. 0,21 mm für das feste elektrolytische Substrat vorgesehen. Ähnlich wurde eine Mehrzahl von rohen Schichten einer Dicke von 0 (d. h. keine Schicht), 40, 200 und 280 μm für die heterogenen Schichten vorgesehen. Durch geeignetes Anordnen bzw. Zusammenbauen der bereitgestellten rohen Schichten wurden verschiedene Testproben des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors erlangt. Jede Testprobe wurde gesintert. Jeder erlangte Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor besaß nach dem Ende der Sinteroperation eine Dicke von etwa 1,4 mm. Diese Dicke ist im wesentlichen dieselbe wie diejenige des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der oben beschriebenen Ausführungsform.
Die Dickestreuung jeder Testprobe wurde innerhalb 50 μm gehalten. Die Dicke jeder heterogenen Schicht wurde durch eine SEM-Beobachtung auf einer gebrochenen Oberfläche gemessen. Die gemessene Dicke der heterogenen Schichten betrug nach dem Ende der Sinteroperation 0, 20, 50, 100 und 140 μm. In jeder der fünf Arten von Testproben wurde eine 3-Punkt-Biegefestigkeit gemäß der Vorschrift JISB0601 gemessen. 4 und 5 zeigen das gemessene Ergebnis.
Entsprechend dem gemessenen Ergebnis von 4 ist die 3-Punkt-Biegefestigkeit größer als 250 MPa, wenn die Dicke der heterogenen Schicht in einem Bereich von 10 μm bis 100 μm liegt. Die mechanische Festigkeit ist praktisch hinreichend, wenn die 3-Punkt-Biegefestigkeit 250 MPa überschreitet.
Entsprechend dem gemessenen Ergebnis von 5 zeigt die getestete Luft/Kraftstoff-Probe mit einer heterogenen Schicht von 10 μm eine erhöhte 3-Punkt-Biegefestigkeit, welche etwa das 1,4-fache derjenigen der getesteten Luft/Kraftstoff-Probe ohne heterogene Schicht beträgt.
Wie in 4 dargestellt ist die 3-Punkt-Biegefestigkeit in der Nähe von 50 μm maximiert. Mit anderen Worten, die optimale Dicke der heterogenen Schicht liegt bei etwa 50 μm.
6 zeigt ein Ergebnis eines Absplitterungs- bzw. Abplatz- oder Spallingtests. Dadurch wird eine Beziehung zwischen dem Vorhandensein der heterogenen Schicht und der Bruchfestigkeit des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gezeigt. Um diese Bruchfestigkeit zu messen, werden die Testproben in einer getrockneten Umgebung einer vorbestimmten Temperatur über 30 Minuten gehalten und danach in Wasser eingeweicht.
Aus dem Graphen von 6 ist ersichtlich, daß eine hohe Beständigkeit gegenüber einem thermischen Schock (Temperaturdifferenz) durch Vorsehen der heterogenen Schicht in dem mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erzielt wird. Es wird somit bestätigt, daß die Bruchfestigkeit durch Vorsehen der heterogenen Schicht verbessert werden kann. Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor wird in einem Auslaßrohr eines Verbrennungsmotors installiert. Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor wird in einem Motorerwärmungszustand üblicherweise kondensiertem Wasser ausgesetzt, welches in dem Auslaßrohr verbleibt. In einem derartigen schwierigen Zustand kann die vorliegende Erfindung wirksam verhindern, daß bei dem mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor durch Vorsehen der heterogenen Schicht ein durch thermischen Druck veranlaßter Sprung bzw. Bruch hervorgerufen wird.
Im folgenden werden Funktionen und Wirkungen der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Bei der ersten Ausführungsform besitzt der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor heterogene Schichten 10, welche jeweils als Grenzschicht dienen, die zwischen zwei benachbarten festen elektrolytischen Substratschichten angeordnet sind. Wenn ein thermischer Druck oder irgendein anderer Druck auf die festen elektrolytischen Schichten 11 bis 15 einwirkt, kann ein kleiner Riß bzw. Sprung auftreten. Jedoch wirkt die heterogene Schicht als Puffer zum Absorbieren des Drucks. Das Wachsen des Sprungs wird durch die heterogene Schicht sicher verhindert. Somit ist der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 frei von dem verhängnisvollen Sprung.
Somit kann durch die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bereitgestellt werden, welcher robust gegenüber thermischen Schocks ist. Dadurch wird eine erhöhte Heizvorrichtungstemperatur ermöglicht. Es versteht sich, daß ein Erhöhen der Heizvorrichtungstemperatur wirksam ist, das Aufwärmververhalten zu verbessern. Dementsprechend wird durch die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Sensor mit einem hervorragenden Aufwärmverhalten bereitgestellt.
Bei der ersten Ausführungsform sind die festen elektrolytischen Substratschichten 11 bis 15 aus mit Yttriumoxid partiell stabilisiertem Zirkonoxid bzw. Zirkondioxid gebildet. Die heterogene Schicht 10 ist aus Aluminiumoxid gebildet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des mit Yttrium partiell stabilisierten Zirkonoxids ist im wesentlichen derselbe wie derjenige von Aluminiumoxid. Es tritt keine Zerstörung infolge einer thermischen Expansionskoeffizientendifferenz zwischen dem mit Yttrium partiell stabilisierten Zirkonoxid und dem Aluminiumoxid auf.
Wie oben beschrieben wird bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bereitgestellt, der ein hervorragendes Aufwärmverhalten besitzt und robust gegenüber thermischen Schocks ist.
7 stellt eine modifizierte Anordnung des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der ersten Ausführungsform dar, wobei die zwei festen elektrolytischen Substratschichten 14 und 15 durch isolierende Substratschichten 24 und 25 ersetzt sind. Insbesondere enthält der in 7 dargestellte mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 drei feste elektrolytische Substratschichten 11 bis 13 und zwei isolierende Substratschichten 24 und 25, die zur Bildung einer mehrschichtigen Struktur aufgestapelt sind. Die isolierenden Substratschichten 24 und 25 sind aus Aluminiumoxid gebildet. Die Gesamtheit von vier heterogenen Schichten 10 ist abwechselnd kombiniert mit den fünf Substratschichten 11 bis 13 und 24 bis 25. Diese heterogenen Schichten 10 dienen als Grenzschichten, welche jeweils zwischen zwei benachbarten Substratschichten zum Absorbieren der Drücke angeordnet sind.
8 stellt eine andere modifizierte Anordnung des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der ersten Ausführungsform dar, wobei drei feste elektrolytische Substratschichten 12, 14 und 15 durch die isolierenden Substratschichten 22, 24 und 25 ersetzt sind.
Die beiden in 7 und 8 dargestellten modifizierten Anordnungen zeigen im wesentlichen dieselben Funktionen und Effekte wie jene der oben beschriebenen Ausführungsform entsprechend 1 bis 3.
Es ist aus der obigen Beschreibung ersichtlich, daß durch die vorliegende Erfindung ein mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bereitgestellt wird, der eine Mehrzahl von Substratschichten enthält, welche wenigstens eine feste elektrolytische Substratschicht aufweisen. Wenigstens eine heterogene Schicht ist zwischen zwei Schichten der Mehrzahl von Substratschichten angeordnet. Die heterogene Schicht dient als Grenzschicht, welche thermische Schocks oder andere Drücke bzw. Spannungen absorbiert, die auf die Substratschichten einwirken, und das Wachstum von Rissen bzw. Sprüngen stoppt.
Die heterogene Schicht besitzt eine Dicke in einem Bereich von 10 bis 100 μm. Wenn die Dicke der heterogenen Schicht kleiner als 10 μm ist, können die Effekte der vorliegenden Erfindung nicht erzielt werden. Wenn die Dicke der heterogenen Schicht größer als 100 μm ist, kann sich die heterogene Schicht als Haupt- bzw. Massenkörper verhalten, welcher schwach gegenüber thermischen Schocks ist. Es können Sprünge gebildet werden. Des weiteren erhöht sich die Dicke des Sensors. Dadurch wird das Aufwärmverhalten verschlechtert.
Vorzugsweise werden die heterogenen Schichten an allen Grenzen der Substratschichten gebildet. Dadurch kann die Wirkung der vorliegenden Erfindung durch Bereitstellen wenigstens einer heterogenen Schicht erzielt werden.
Vorzugsweise besitzt die heterogene Schicht eine Porositätsrate, die größer als diejenige der benachbarten Substratschichten ist. Wenn die Porositätsrate größer ist, kann der Puffereffekt der heterogenen Schicht verbessert bzw. vergrößert werden.
Vorzugsweise besitzt die heterogene Schicht einen Sinterteilchendurchmesser, der größer als derjenige der benachbarten Substratschichten ist. Wenn der Sinterteilchendurchmesser groß ist, kann der Puffereffekt der heterogenen Schicht vergrößert bzw. verbessert werden.
Vorzugsweise besitzt die heterogene Schicht eine Komponente, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Spinell und Steatit gewählt ist. Diese Materialien sind isolierende Materialien, welche geeignet sind, als isolierende Substratschicht zu dienen. Die thermischen Expansionskoeffizienten dieser Materialien sind im wesentlichen dieselben wie derjenige der festen elektrolytischen Substratschicht. Infolge einer thermischen Expansionskoeffizientendifferenz zwischen der heterogenen Schicht und der geschlitzten elektrolytischen Substratschicht tritt keine Beschädigung auf.
Wenn die feste elektrolytische Substratschicht aus einem Zirkonmaterial hergestellt wird, wird es bevorzugt, eine aus Aluminiumoxid hergestellte heterogene Schicht im Hinblick auf das Isolationsvermögen und den thermischen Expansionskoeffizienten zu verwenden. Eine Sinteroperation erzeugt infolge einer thermischen Hysterese eine thermische Expansionskoeffizientendifferenz. Die Kombination des Zirkonmaterials und des Aluminiumoxidmaterials wird dafür bevorzugt, einen Druck bzw. eine Spannung zu unterdrücken, welche durch eine derartige thermische Expansionskoeffizientendifferenz hervorgerufen wird.
Vorzugsweise ist die heterogene Schicht zwischen einer festen elektrolytischen Substratschicht und einer isolierenden Substratschicht angeordnet.
Vorzugsweise enthält der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor eine mehrschichtige Heizvorrichtung.
Zweite Ausführungsform
9 bis 11 zeigen Ansichten, welche bevorzugte Anordnungen eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 3 einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 3 enthält eine Gesamtheit von 3 Substratschichten.
Bei der in 9 dargestellten Anordnung enthält der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 3 eine obere feste elektrolytische Substratschicht 31 mit oberen und unteren Elektroden 311 und 312, welche auf gegenüberliegenden Seiten davon Rückseite an Rückseite gebildet sind. Eine mittlere feste elektrolytische Substratschicht 32 ist mit einem Schlitz versehen, welcher eine Bezugsgaskammer 320 definiert. Eine untere Seite der oberen festen elektrolytischen Substratschicht 31 definiert die Decke der Bezugsgaskammer 320. Die untere Elektrode 312 erstreckt sich vollständig entlang der Decke der Bezugsgaskammer 320.
Der Boden der Bezugsgaskammer 320 wird durch eine obere Seite einer heterogenen Schicht 10 definiert, die auf einer unteren festen elektrolytischen Substratschicht 33 angebracht ist. Die untere feste elektrolytische Substratschicht 33 dient als Heizvorrichtungssubstrat auf einer oberen Seite, auf welcher ein Heizvorrichtungselement 330 über einer Isolierungspastenschicht gebildet ist. Eine andere heterogene Schicht 10 ist zwischen den oberen und mittleren festen elektrolytischen Substratschichten 31 und 32 angeordnet.
10 stellt eine andere Anordnung des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 3 der zweiten Ausführungsform dar, wobei die unteren festen elektrolytischen Substratschichten 33 durch eine isolierende Substratschicht 43 ersetzt sind.
11 stellt eine andere Anordnung des mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 3 der zweiten Ausführungsform dar, bei welcher sowohl die mittlere als auch die untere feste elektrolytische Substratschicht 32 und 33 durch die isolierenden Substratschichten 42 und 43 ersetzt sind.
Die beiden in 10 und 11 dargestellten modifizierten Anordnungen zeigen im wesentlichen dieselben Funktionen und Effekte wie diejenigen der oben entsprechend 9 beschriebenen Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
12 zeigt eine Ansicht, welche eine bevorzugte Ausführungsform eines mehrschichtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 5 einer dritten Ausführungsform darstellt. Der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 5 enthält 3 feste elektrolytische Substratschichten 11 bis 13 und zwei isolierende Substratschichten 24 bis 25. Eine heterogene Schicht 101 ist zwischen den festen elektrolytischen Substratschichten 11 und 12 angeordnet. Eine andere heterogene Schicht 102 ist zwischen der festen elektrolytischen Substratschicht 13 und der isolierenden Substratschicht 24 angeordnet. Die beiden heterogenen Schichten 101 und 102 sind aus Aluminiumoxid gebildete isolierende Schichten.
Bei der Anordnung der dritten Ausführungsform besitzt die heterogene Schicht 101 die Funktion der Isolierung der festen elektrolytischen Substratschicht 11 von der festen elektrolytischen Substratschicht 12 oder umgekehrt ebenso wie die Funktion des Absorbierens der thermischens Schocks.
Die in 12 dargestellte Ausführungsform besitzt im wesentlichen dieselben Funktionen und Effekte wie diejenigen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
Vorstehend wurde ein mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor offenbart. Der mehrschichtige Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor enthält eine Mehrzahl von Substratschichten. Wenigstens eine heterogene Grenzschicht ist zwischen den in der Mehrzahl vorkommenden Substratschichten angeordnet. Die heterogene Grenzschicht besitzt eine Dicke in einem Bereich von 10 bis 100 μm. Die heterogene Grenzschicht absorbiert thermische Schocks und andere Drücke bzw. Spannungen, welche auf die Substratschichten einwirken, und stoppt das Wachstum von Rissen bzw. Sprüngen.

Claims

Mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit einer Mehrzahl von Substratschichten (11 bis 15, 22, 24, 25; 31 bis 33; 42, 43), die wenigstens eine feste elektrolytische Substratschicht (11 bis 15, 31 bis 33) aufweisen, wobei wenigstens zwei der in der Mehrzahl vorkommenden Substratschichten eine dazwischen befindliche heterogene Grenzschicht (10; 101, 102) besitzen, und die heterogene Grenzschicht eine Dicke in einem Bereich von 10 bis 100 μm besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die heterogene Grenzschicht eine Porositätsrate besitzt, die größer als diejenige benachbarter Substratschichten ist.
Mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die heterogene Grenzschicht (10; 101, 102) einen Sinterteilchendurchmesser besitzt, der größer als derjenige benachbarter Substratschichten ist.
Mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die heterogene Grenzschicht (10; 101, 102) eine Komponente aufweist, die aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Spinell und Steatit gewählt ist.
Mehrschichtiger Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die heterogene Grenzschicht (10; 101, 102 zwischen einem festen elektrolytischen Substrat (11 bis 15; 31 bis 33) und einem isolierenden Substrat (22, 24 bis 25; 42, 43) angeordnet ist.