DE19946343A1 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schichtsystems - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schichtsystems

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems aus einer keramischen Folie und keramischen Schichten vorgeschlagen, wobei auf die keramische Folie mindestens eine elektrische Isolationsschicht (32) und auf die elektrische Isolationsschicht (32) eine elektrische Leitschicht (33) aufgebracht wird. Die elektrische Leitschicht (33) wird durch Walzen in die darunter liegende elektrische Isolationsschicht (32) eingedrückt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schichtsystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Keramische Schichtsysteme zur Herstellung von beispielsweis e Gassensoren, bestehend aus mehreren keramischen Folien, die mit Druckschichten bedruckt sind und die unter Aufbringung eines Drucks zusammenlaminiert und anschließend gesintert werden, sind allgemein bekannt. Bei den genannten Gassensoren bestehen die keramische Folien beispielsweise aus mit Y2O3-stabilisiertem ZrO2. In das Schichtsystem des Gassensors ist dabei, neben den Elektroden, ein Widerstandsheizer integriert, der zur elektrischen Isolation zwischen zwei elektrischen Isolationsschichten, aus beispielsweise Al2O3, eingebettet ist. Die eine der beiden Isolationsschichten wird zunächst auf die ZrO2-Folie aufgedruckt. Auf die aufgedruckte Folie wird der Widerstandsheizer mit dem Heizmäander und den Heizerzuleitungen ebenfalls in Drucktechnik aufgebracht. Schließlich wird über den Widerstandsheizer eine weitere Isolationsschicht, ebenfalls durch Aufdrucken, aufgetragen.
Bei den derart in die Isolationsschichten eingebetteten Widerstandsheizern kommt es zu Streuungen des elektrischen Widerstandes, was Einfluß auf die geforderte Heizleistung hat. Darüber hinaus treten teilweise Leckströme zwischen dem Widerstandsheizer und der angrenzenden Elektrode auf.
Aus der DE-OS 41 00 108 ist ein Verfahren zum Verbinden von ungesinterten Keramikfolien bekannt, bei dem auf die eine Keramikfolie eine Hilfsschicht und auf die andere Keramikfolie ein Kleber aufgebracht wird. Die derart behandelten Flächen der beiden Folien werden unter Druck verklebt, wobei der Druck dabei durch Walzen aufgebracht wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch das Einwalzen des Widerstandsheizers in die Isolationsschicht die Streuung des elektrischen Widerstands des Widerstandsheizers verringert wird. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, daß dadurch bei Gassensoren mit einem integrierten Widerstandsheizer das Auftreten von Leckströmen reduziert werden konnte. Außerdem bedeutet das Walzen des Widerstandsheizers einen Fertigungsschritt, der nur eine geringe Prozeßzeit fordert.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn beim Walzen das Walz-Werkzeug und/oder die mit der Isolationsschicht und der Leitschicht versehene Folie erwärmt wird. Durch die Verwendung polierter Walzen werden besonders glatte Oberflächen erzielt. Es hat sich gezeigt, daß bei einer besonders glatt gewalzten Oberfläche die Neigung zu Leckströmen am geringsten ist. Das gleiche gilt für die Streuung des Widerstandswertes, die bei einer glatten Oberfläche ebenfalls geringer ist.
Zeichnung
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung eines planaren Gassensors,
Fig. 2 eine schematische Vorrichtung zum Walzen von keramischen Folien und
Fig. 3 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum beidseitigen Walzen von keramischen Folien.
Ausführungsbeispiele
Die Fig. 1 zeigt einen Schichtaufbau eines planaren Sensorelements eines Gassensors zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmaschinen.
Der Schichtaufbau weist eine erste Festelektrolyt-Folie 11, eine zweite Festelektrolyt-Folie 21 und eine dritte Festelektrolytfolie 31 auf, wobei die Festelektrolyt-Folien 11, 21, 31 jeweils aus einem sauerstoffionenleitenden Material, wie beipielsweise mit Y2O3-stabilisiertem ZrO2 bestehen. Auf die Folie 11 wird eine äußere Elektrode 12 mit einer Leiterbahn 13 und einem Anschlußkontakt 14 aufgedruckt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Folie 11 befindet sich eine innere Elektrode 15 mit einer weiteren Leiterbahn 16 und einer nicht näher dargestellten Durchkontaktierung, die durch die Folie 11 zu einem weiteren Anschlußkontakt 17 führt. Die innere Elektrode 15 wird ebenfalls durch Aufdrucken auf die Folie 11 aufgebracht.
Die zweite Festelektrolyt-Folie 21 weist einen Referenzgaskanal 22 auf, der an einem Ende mit der Umgebungsluft in Verbindung steht. Die innere Elektrode 15 dient als Referenzelektrode und zeigt in den Referenzgaskanal 22 hinein.
Auf die dritte Festelektrolyt-Folie 31, die auch als Heizerfolie bezeichnet wird, wird eine erste Isolationsschicht 32 aus beispielsweise Al2O3 aufgedruckt. Auf der ersten Isolationsschicht 32 ist der Widerstandsheizer 33 ausgebildet, der einen mäanderförmigen Heizleiter 34 und Zuleitungen 35 aufweist. Der Widerstandheizer 33 wird ebenfalls durch Aufdrucken auf die erste Isolationsschicht 32 aufgetragen. Die Zuleitungen 35 sind über nicht näher dargestellte Durchkontaktierungen nach außen zu auf der dritten Folie 31 angeordneten Kontaktanschlüssen 36 geführt.
Auf den Widerstandsheizer 33 wird eine zweite Isolationsschicht 37 ebenfalls durch Aufdrucke von beispielsweise Al2O3 aufgebracht. Die Isolationsschichten 32, 37 können auch aus mehreren Schichten bestehen, die dann durch mehrere Druckschritte erzeugt werden. Das gleiche gilt auch für den Widerstandsheizer 33, der durch einen oder mehrere Druckschritte, je nach Schichtdicke, hergestellt werden kann.
Vor dem Auftragen der zweiten Isolationsschicht 37 wird die mit der ersten Isolationsschicht 32 und dem Widerstandsheizer 33 bedruckte dritte Festelektrolyt-Folie 31 einem Verfahrensschritt unterzogen, bei dem der Widerstandsheizer 33 in die Isolationsschicht 32 eingewalzt wird. Das Einwalzen des Widerstandsheizer 33 in die darunter liegende Isolationsschicht 32 erfolgt beispielsweise bei Temperaturen von ca. 80°C. Dazu ist eine nicht dargestellte Heizvorrichtung vorgesehen, die die Walzen und/oder die Folie 31 auf die gewünschte Temperatur vorwärmt.
Zum Einwalzen des Widerstandsheizers 33 ist gemäß Fig. 2 eine Vorrichtung vorgesehen, bei der ein Schichtsystem 30, das nicht näher dargestellt die mit der Isolationsschicht 32 und dem Widerstandsheizer 33 bedruckte dritte Festelektrolyt-Folie 31 aufweist, auf einen eine Längsbewegung ausführbaren Tisch aufgelegt wird. Diese Anordnung wird dann unter einem Walz-Werkzeug aus beispielsweise drei Walzen 42 hindurchbewegt. Aufgrund der Andruckkraft F der drei Walzen 42 wird der Widerstandsheizer 33 in die Isolationsschicht 32 eingewalzt, so daß der Widerstandsheizer 33 zumindest teilweise in der Isolationsschicht 32 vergraben wird.
Das Einwalzen kann derart geschehen, daß der Tisch in Richtung der Längsausdehnung der Festelektrolyt-Folie 31 eine Hin- und Herbewegung gemäß den angegebenen Pfeilrichtungen ausführt, wobei dann die Walzen 42 beispielsweise entsprechend der Bewegung des Tisches ihre Drehrichtung ändern. Zweckmäßig ist dabei, daß die Drehrichtung der Walzen 42 in die jeweilige Richtung der Vorschubbewegung v des Tisches 41 weist.
Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Walzen der Festelektrolyt-Folie 31 geht aus Fig. 3 hervor, dort wird die mit der Isolationsschicht 32 und dem Widerstandsheizer 33 bedruckte Festelektrolyt-Folie 30 durch zwei in gleiche Richtung drehende Walzen 42 mit der angegebenen Vorschubrichtung v' geführt. Die Walzen 42 können dabei auch gekreuzt sein.
Das aus der dritten Folie 31 sowie den Isolationsschichten 32, 37 und dem zwischen den Isolationsschichten 32, 37 eingebetteten Widerstandsheizer 33 gebildete Schichtsystem 30 wird dann mit den beiden weiteren Folien 11 und 21 zusammenlaminiert und anschließend gesintert.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems, bei dem auf eine keramische Folie eine elektrische Isolationsschicht und auf die elektrische Isolationsschicht eine elektrische Leitschicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitschicht (33) durch Walzen in die elektrische Isolationsschicht (32) eingedrückt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Leitschicht (33) eine elektrische Widerstandsschicht eines Widerstandsheizers (34, 35) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der elektrischen Leitschicht (33) und der elektrischen Isolationsschicht (32) versehene Folie und/oder das Walz-Werkzeug beim Walzen erwärmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zur Erwärmung ca. 80°C beträgt.
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