DE3014870A1 - METHOD FOR PRODUCING AN EXHAUST GAS ELECTRODE FOR AN EXHAUST GAS OXYGEN SENSOR - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING AN EXHAUST GAS ELECTRODE FOR AN EXHAUST GAS OXYGEN SENSOR

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DE3014870A1
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Description

"3 " 3Q14870" 3 " 3Q14870

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Abgas-Sauerstoffsensor vom Festelektrolyttyp. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Aufsprühverfahren zum Abscheiden einer Platin-Abgaselektrode auf einen aus verglastem Zirkonoxid bestehenden Napf zur Herstellung eines solchen Sensors.The invention relates to an electrochemical exhaust gas oxygen sensor of the solid electrolyte type. In particular, the invention relates to a spray-on method for depositing a platinum exhaust gas electrode on a bowl made of vitrified zirconium oxide for the production of such a sensor.

Ein typischer Festelektrolyt-Abgassensor für Verwendung in Kraftfahrzeugen ist in der US-PS 3 844 920 beschrieben. Er besitzt ein aus Zirkonoxid bestehendes Sensorelement, das als Napf mit schrägen Seitenwänden ausgebildet ist. Ein Ende des Napfes ist offen und besitzt einen in Umfangsrichtung abstehenden Flansch. Das andere Ende ist geschlossen und bildet den aktiven Teil des Elementes. Die Innenfläche und die Außenfläche des Napfes sind mit separaten porösen Elek— trodenbeschichtungen aus Platin versehen. Die Innenelektrode wird einer Sauerstoffquelle,ζ.B. Luft oder einem Metalloxidgemisch, ausgesetzt , um ein Referenzpotential zu bilden. Diese Elektrode wurde allgemein durch Aufpinseln einer Schicht aus Platin-"Tinte" oder Platinaufschlämmung auf den Zirkonoxidnapf, und durch Auftrocknen der Beschichtung und nachfolgendes Aus heizen des beschichteten Napfes bei angehobener Temperatur hergestellt.A typical solid electrolyte exhaust gas sensor for use in automobiles is described in U.S. Patent 3,844,920. He has a sensor element made of zirconium oxide, which is designed as a bowl with sloping side walls. An end of the cup is open and has a flange protruding in the circumferential direction. The other end is closed and forms the active part of the element. The inner surface and the outer surface of the bowl are covered with separate porous elec- electrode coatings made of platinum. The inner electrode is an oxygen source, ζ.B. Air or a metal oxide mixture, exposed to form a reference potential. This electrode was generally made by brushing on a layer of platinum "ink" or platinum slurry on the zirconium oxide cup, and by drying the coating and then heating the coated bowl at a raised temperature manufactured.

Die auch "Abgas-"Elektrode genannte Außenelektrode wird dem Abgas ausgesetzt, um ein Potential zu bilden, das durch den Sauerstoffgehalt des Abgases bestimmt wird. Die Außenelektrode kann, wie die Innenelektrode, aus einer porösen dicken Schicht aus Platin bestehen. Bevorzugterweise ist jedoch diese Außenelektrode eine durch Aufdampfen, durch Aufsprühen, durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase oder durch ein anderes Dünnschichtabscheideverfahren aufgebrachte Dünnfilmschicht. Andererseits hat es sich als schwierig erwiesen, zusammenhängend und wiederholbar erwünschte Eigenschaften, z.B. die Porosität und elektrische Parameter, bei den Dünn-The outer electrode, also known as the "exhaust gas" electrode, is exposed to the exhaust gas in order to create a potential that is generated by the Oxygen content of the exhaust gas is determined. The outer electrode can, like the inner electrode, consist of a porous thick layer of platinum. However, it is preferred this outer electrode by vapor deposition, by spraying, by chemical deposition from the vapor phase or by a another thin-film deposition process applied thin-film layer. On the other hand, it has proven difficult to coherently and repeatably create desirable properties, e.g. the porosity and electrical parameters, in the case of thin

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Schichtelektroden dauernd herzustellen. Damit war die Ausbeute an Elektroden mit zufriedenstellenden Elektrodeneigenschaften sehr begrenzt und es wurden verschiedene Hilfsverfahren entwickelt, um diese Ausbeute zu verbessern. Beispielsweise wird nach US-PS 3 987 006 ein Ausheizen des Festelektrolytkörpers nach der Elektrodenabscheidung vorgenommen, um in der Elektrodenbeschichtung Poren auszubilden, wenn sie beim Abscheiden nicht porös genug wird. Nach US-PS 4 136 000 wird eine chemische und eine elektrolytische Behandlung des Sensorelementes und der Elektroden vorgenommen, um bestimmte Sensoreigenschaften zu verbessern. Darüber hinaus ist es bekannt, daß Zirkonoxid-Abgassensoren, insbesondere solche Sensoren, die eine aufgesprühte Abgaselektrode enthalten, nach kurzer Betriebszeit oft ihre elektrischen Eigenschaften ändern. Im allgemeinen ergibt sich dabei sogar eine Verbesserung, z.B. eine Herabsetzung der Reaktionszeit nach dem Umschalten. Demzufolge wurde schon vorgeschlagen, solche Sensoren funktionsgemäß in einer tatsächlichen oder simulierten Abgasatmosphäre zu betreiben, bis sie ausreichend stabilisiert sind, bevor sie in ein Abgassystem eingebaut werden. Derartige Behandlungen vermehren jedoch selbstverständlich die Herstellungskosten. Darüber hinaus ist die Ausbeute an Sensoren mit besseren Eigenschaften immer noch durch die Qualität des ursprünglich abgeschiedenen Elektrodenfilms von vornherein begrenzt.Continuous manufacture of layer electrodes. This gave the yield of electrodes with satisfactory electrode properties very limited and various auxiliary methods have been developed to improve this yield. For example, according to US Pat. No. 3,987,006, the solid electrolyte body is baked out made after electrode deposition in order to form pores in the electrode coating if they are deposited during deposition does not become porous enough. According to US Pat. No. 4,136,000, a chemical and an electrolytic treatment of the sensor element is described and the electrodes are made to improve certain sensor properties. In addition, it is known that Zirconium oxide exhaust gas sensors, especially those sensors that contain a sprayed-on exhaust gas electrode, after a short operating time often change their electrical properties. In general there is even an improvement, e.g. a reduction in the response time after switching. Accordingly, it has already been proposed that such sensors functionally operate in an actual or simulated exhaust gas atmosphere until it stabilizes sufficiently before they are installed in an exhaust system. However, such treatments of course increase that Manufacturing costs. In addition, the yield of sensors with better properties is still due to the quality of the originally deposited electrode film from the start limited.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ermöglicht, Platinschichten auf die Zirkonoxidoberfläche so aufzusprühen, daß der Film im abgeschiedenen Zustand durch und durch porös ist und eine immer wieder herstellbar hohe Oberflächengröße im abgeschiedenen Zustand besitzt, wodurch sich eine größere Ausbeute von Sensoren mit hoher Qualität ergibt. Es werden auf diese Weise Sensoren mit geringerer Ansprechzeit beim Umschalten der Anzeige von Mager auf Fett erzeugt, ohne daß weitere chemische oder elektrolytische Behandlungen not-The method according to the invention makes it possible Spray platinum layers on the zirconium oxide surface in such a way that that the film in the deposited state is porous through and through and has a large surface area that can be reproduced again and again in the deposited state, which results in a greater yield of high quality sensors. It In this way, sensors with a lower response time when switching the display from lean to fat are generated without that further chemical or electrolytic treatments are necessary

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wendig sind. Die Ansprechzeiten des Umschaltvorganges Fett in Richtung Mager sind anfänglich auch nicht nahezu so klein wie die Ansprechzeiten in Richtung Mager zu Fett. Jedoch werden diese Ansprechzeiten leicht auf annehmbar geringe Werte vermindert nach auch nur kurzer tatsächlicher oder simulierter Alterung. Damit wird eine hohe Ausbeute von sehr schnell ansprechenden Sensoren nach minimaler tatsächlicher Alterungszeit der Sensoren erhalten. Tatsächlich sind Sensoren, deren Abgaselektroden in Übereinstimmung mit dieser Erfindung hergestellt werden, sehr gut für eine Alterung durch eine einfache Ofenbehandlung geeignet, wie sie in der am gleichen Tage eingereichten deutschen Patentanmeldung P (unser Zeichen G 3368) beschrieben ist. Zusätzlich bedarf ein ansehnlicher Anteil von Sensoren mit erfindungsgemäß hergestellten Abgaselektroden nicht einmal einer Alterungsbehandlung zur Aktivierung und Stabilisierung. Die elektrischen Eigenschaften im Herstellungszustand sind dann mehr als ausreichend und verbleiben im wesentlichen während des anfänglichen Einsatzes als Sensor stabil.are agile. The response times of the changeover process from fat to lean are initially not close either as short as the response times in the direction of lean to fat. However, these response times easily become acceptable low values decrease after even a short actual or simulated aging. This results in a high yield of very quickly responding sensors after a minimal actual aging time of the sensors. Indeed sensors whose exhaust electrodes are made in accordance with this invention are very good for one Aging by a simple furnace treatment, as described in the German patent application filed on the same day P (our reference G 3368) is described. In addition, a considerable number of sensors are required with exhaust gas electrodes produced according to the invention not even an aging treatment for activation and stabilization. The electrical properties in the production state are then more than sufficient and essentially remain stable during initial use as a sensor.

Damit ergibt sich also als Ziel der Erfindung, ein verbessertes Aufsprühverfahren zum Abscheiden einer Platin-Abgaselektrode auf einen aus Zirkonoxid bestehenden Festelektrolytkörper zur Herstellung eines elektrochemischen Abgas-Sauerstoff sensors zu schaffen.The aim of the invention is thus to provide an improved spray-on method for depositing a platinum exhaust gas electrode on a solid electrolyte body made of zirconium oxide for the production of an electrochemical exhaust gas oxygen sensors to create.

"Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Platin auf einen aus verglastem Zirkonoxid bestehenden Festelektrolytkörper aufgesprüht, der von dem Platintarget relativ weit entfernt ist. Das Target ist dabei mehr als 3,7 cm von dem Werkstück bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entfernt. Das Platin wird gleichspannungs-aufgesprüht (d.h. es wird aufgesprüht mit Hilfe eines gleichgerichteten Stromes) von dem Target, und dies geschieht unter einem relativ.hohen Druck von 1,333 bis 2,666 Pa (= 10 bis 20 mTorr), wobei eine Aufsprühle
findet.
"According to the method according to the invention, platinum is sprayed onto a solid electrolyte body made of vitrified zirconium oxide, which is relatively far away from the platinum target. The target is more than 3.7 cm from the workpiece in a preferred embodiment. The platinum is sprayed on with direct voltage (ie it is sprayed with the help of a rectified current) from the target, and this takes place under a relatively high pressure of 1.333 to 2.666 Pa (= 10 to 20 mTorr), with a spray
finds.

sprühleistung von 13 bis 22 Watt/cm Targetfläche VerwendungSpray output from 13 to 22 watts / cm target area use

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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Außenelektrodenschicht auf Näpfe aus verglastem Zirkonoxid mit einer vorabgeschiedenen Innenplatinschicht aufgebracht werden. Diese Näpfe sind 3-5 cm lang und bestehen aus Zirkonoxid, das teilweise oder vollständig in seiner kubischen Form durch Einschluß von ungefähr 4-8 Mol-% Yttrium-Oxid stabilisiert ist. Die Außenflächen der Näpfe sind mit einer Schrägung von 3° 38* versehen. Bei einem besonders angeführten Beispiel besitzt der Napf eine Axiallänge von 3,66 cm, ist an seinem breiteren Ende mit einer Umfangsschulter versehen und besitzt einen Durchmesser von 0,82 cm unmittelbar, unter der Schulter. Das schmälere Ende ist abgeschlossen und abgerundet und weist einen äußeren Krümmungsradius von 3 mm auf. Sein Durchmesser in der Nähe des abgerundeten Endes beträgt 0,4 cm. Man nimmt an, daß es wichtig ist, die Abscheidung an und in der Nähe des abgerundeten Endes zu beeinflussen und zu steuern. Dieser Bereich scheint der aktivste Teil des Sensorelementes zu sein. Die Innenelektrode wird vorzugsweise in Form eines aus einer Platinaufschlämmung (platinum ink) · auf die Zirkonoxidoberfläche aufgebrannten Platin-Dickschicht zuerst ausgebildet. Die Näpfe werden dann gereinigt, um die als Dünnfilmschicht ausgebildete äußere Abgaselektrode in erfindungsgemäßer Weise zu erhalten.With the method according to the invention, the outer electrode layer can can be applied to bowls made of vitrified zirconium oxide with a pre-deposited inner platinum layer. These Bowls are 3-5 cm long and are made of zirconium oxide that is partly or fully in its cubic shape Inclusion of about 4-8 mole percent yttrium oxide is stabilized. The outer surfaces of the bowls are bevelled of 3 ° 38 *. In a particularly cited example, the cup has an axial length of 3.66 cm provided with a circumferential shoulder at its wider end and has a diameter of 0.82 cm immediately below the shoulder. The narrower end is closed and rounded and has an outer radius of curvature of 3 mm on. Its diameter near the rounded end is 0.4 cm. It is believed that deposition is important to influence and control at and near the rounded end. This area seems to be the most active To be part of the sensor element. The inner electrode is preferably in the form of a platinum slurry (platinum ink) · burned onto the zirconium oxide surface Platinum thick film formed first. The wells are then cleaned around the outer exhaust gas electrode, which is formed as a thin-film layer to be obtained in the manner according to the invention.

Bei Dünnschicht-Abscheidungsverfahren ist es üblich, die Zirkonoxidoberfläche gut vor dem Abscheiden der Platinelektrode auf diese zu reinigen, und so geschieht es auch bei dieser Erfindung. Es ist anzunehmen, daß jeder anerkannte qualitativ hochstehende Reinigungsvorgang benutzt werden kann. Bei einem als gut befundenen Reinigungsverfahren wird ein Ultraschall-Entfetten des Zirkonoxids mit Freon vorgenommen, dann werden die entfetteten Näpfe bei etwa 600 C in Luft etwa eine Stunde ausgeheizt, worauf die Zirkonoxidnäpfe auf ein aus nichtrostendem Stahl bestehendes Tablett aufgesetzt werden, mit dem sie in eine Unter-In thin film deposition processes, it is common practice to clean the zirconia surface well prior to depositing the platinum electrode on it, and so is the case with this invention. It is assumed that any recognized high quality cleaning process can be used. In a cleaning process that has been found to be good, ultrasonic degreasing of the zirconium oxide with freon is carried out, then the degreased bowls are heated in air at about 600 C for about an hour , after which the zirconium oxide bowls are placed on a stainless steel tray with which they are in a sub

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druckkammer eingesetzt werden. Die Unterdruckkammer wird dann bis zu einem Restdruck von 13,33 Pa (= 100 inTorr)pressure chamber can be used. The vacuum chamber will then up to a residual pressure of 13.33 Pa (= 100 inTorr)

oder
abgepumpt und bei /unterhalb von diesem Unterdruck werden die Zirkonoxidnäpfe wieder auf eine Temperatur von etwa 200 C aufgeheizt und 10 bis 15 min gehalten. Wenn die Zirkonoxidnäpfe noch warm sind, wird die Unterdruckkammer mit trockenem Stickstoff bis zu einem Druck von mehr als 133,3 Pa (1 Torr) in etwa einer Sekunde wieder aufgefüllt. Die Kammer wird unmittelbar darauf wieder auf einen Druck von weniger als 266,6 χ 10 Pa (= 2 χ 10 Torr) abgepumpt. Dann läßt man einen Argonstrom von etwa 75 bis 1OO cm /min durch die Unterdruckkammer bei Weiterlaufen der Pumpe fließen. Der Argonstrom und das Abpumpen werden aufrechterhalten und die Unterdruckförderung wird so eingestellt, daß der Druck in der Unterdruckkammer sich auf 1,333 bis 2,666 Pa (= 10-20 mTorr) einstellt. Dieser Argondruck wird in gleicher Weise während des Aufsprühvorgangs dynamisch aufrechterhalten. Damit wird die Atmosphäre in der Unterdruckkammer fortwährend während des Aufsprühvorgangs aufgefrischt oder umgewälzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, gleichzeitig Elektrodenschichten auf große Gruppen von Zirkonoxidnäpfen, beispielsweise mehr als 200. Napfen gleichzeitig, aufzusprühen. Das Tablett mit den Näpfen wird direkt auf einen horizontalen ebenen Stahlpalettenträger aufgesetzt. Dabei sind die Napfachsen parallel zueinander angeordnet und vertikal ausgerichtet. Die offenen Enden der Näpfe ruhen auf dem Tablett. Der Palettenträger ist etwa 0,5 bis 1,5 cm über der Anode angeordnet. Es wurde dabei nicht erprobt, ob eine Trennung von der Anode überhaupt notwendig ist. Die geschlossenen Enden der Näpfe sind nach oben zu einer planaren Platin-Targetfläche einer Kathode gewendet, die etwa 3,8 cm über den geschlossenen Enden der Näpfe liegt. Das Aufsprühtarget ist eine Platinschicht, die auf eine aus Kupfer bestehende Stützplatte aufgebracht und mit dieser verbunden ist. Das Target ist mit einer Kathode zusammengebaut, die eine Wasserkühleinrichtung und eine Magnetan-
or
pumped out and at / below this negative pressure, the zirconium oxide bowls are reheated to a temperature of about 200 C and held for 10 to 15 minutes. If the zirconia cups are still warm, the vacuum chamber will be refilled with dry nitrogen to a pressure of more than 133.3 Pa (1 Torr) in about one second. The chamber is immediately pumped out again to a pressure of less than 266.6 χ 10 Pa (= 2 χ 10 Torr). A stream of argon at about 75 to 100 cm / min is then allowed to flow through the vacuum chamber while the pump continues to run. The argon flow and the pumping out are maintained and the vacuum delivery is adjusted so that the pressure in the vacuum chamber is set at 1.333 to 2.666 Pa (= 10-20 mTorr). This argon pressure is maintained dynamically in the same way during the spraying process. This means that the atmosphere in the vacuum chamber is continuously refreshed or circulated during the spraying process. With the method according to the invention it is possible to simultaneously spray electrode layers onto large groups of zirconium oxide cups, for example more than 200 cups at the same time. The tray with the wells is placed directly on a horizontal, flat steel pallet carrier. The cup axes are arranged parallel to one another and aligned vertically. The open ends of the bowls rest on the tray. The pallet carrier is placed about 0.5 to 1.5 cm above the anode. It was not tested whether a separation from the anode is necessary at all. The closed ends of the wells face upwardly toward a planar platinum target surface of a cathode which is approximately 3.8 cm above the closed ends of the wells. The spray target is a platinum layer that is applied to and connected to a support plate made of copper. The target is assembled with a cathode, which has a water cooling device and a magnet assembly

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Ordnung enthält. Ein Argondruck von 1,333 bis 2,666 Pa (= 10-20 inTorr) wird, wie bereits erwähnt, dynamisch in der Aufsprühkammer aufrechterhalten. Zwischen dem Target und der Anode wird eine Gleichspannung von annähernd 500 bis 800 V angelegt. Die Sprühleistung wird so eingestellt, daß sich eine Leistung zwischen Target undContains order. An argon pressure of 1.333 to 2.666 Pa (= 10-20 inTorr) is, as already mentioned, maintained dynamically in the spray chamber. Between the target and a DC voltage of approximately 500 to 800 volts is applied to the anode. The spray performance will be like this set that a power between target and

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Anode von annähernd 13-22 W/cm Targetfläche ergibt. Es werden keine speziellen Vorkehrungen an dem Tablett, dem Palettenträger oder der Anode getroffen, um die Näpfe während des Aufsprühvorgangs zu erwärmen oder zu kühlen.
2
Anode of approximately 13-22 W / cm target area. No special precautions are taken on the tray, pallet support or anode to heat or cool the bowls during the spraying process.

Das Aufsprühen wird unter den beschriebenen Bedingungen fortgesetzt, wobei auch der Argondruck von 1,333 - 2,666 Pa (10-20 mTorr) aufrechterhalten wird, bis ein Platingewicht von 10 mg auf jedem Element abgeschieden wurde. Dadurch wird eine poröse kristalline Platinschicht von 1,0- 1,5 um Stärke an dem abgerundeten Ende abgeschieden, eine Schicht von 0,65 - 1,0 um Stärke in einer Entfernung von etwa 0,5 cm von diesem Ende, und mit einer Stärke von 0,3 - 0,75 um in einer Entfernung von etwa 2 cm von dem abgerundeten Ende. Schichtstärken im genannten Bereich werden durch Aufsprühen mit einer Dauer von 3-5 min unter den genannten Bedingungen erzielt. Es wird angenommen, daß die Porosität der Elektrode und eventuell der Oberflächenbereich sowie die resultierenden elektrischen Eigenschaften des Sensors eine Funktion der Elektrodenstärke sind. Es ist jedoch auch die Temperatur, auf die sich die Keramik während der Abscheidung selbst aufheizt, wichtig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich eine anscheinende Elektrodenflächengröße, die mindestens den doppelten Wert der geometrischen Oberflächengröße besitzt.The spraying is continued under the conditions described, the argon pressure of 1.333-2.666 Pa (10-20 mTorr) is maintained until a weight of 10 mg platinum has been deposited on each element. Through this a porous crystalline platinum layer 1.0-1.5 µm thick is deposited at the rounded end, a layer 0.65-1.0 µm thick at a distance of about 0.5 cm from this end, and with a thickness of 0.3-0.75 µm at a distance of about 2 cm from the rounded end. Layer thicknesses in the range mentioned are achieved by spraying on achieved with a duration of 3-5 min under the stated conditions. It is believed that the porosity of the electrode and possibly the surface area as well as the resulting electrical properties of the sensor are a function of the Electrode thickness are. However, it is also the temperature at which the ceramic settles itself during deposition heats up, important. With the method according to the invention there is an apparent electrode area size that is at least has twice the value of the geometric surface size.

Mit "anscheinende Oberfläche" ist die Oberflächengröße in dem filmbedeckten Bereich des Elementes gemeint, wie sie durch konventionelle Gasadsorptionsverfahren bestimmt wird.With "apparent surface" the surface size is in meant the film-covered area of the element as determined by conventional gas adsorption methods.

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Mit "geometrische Oberflächengröße" ist die aus einer Zeichnung des Elementes bestimmte Oberflächengröße gemeint. In manchen oder vielen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich ein vierfacher Anstieg der anscheinenden Oberflächengröße in bezug auf die unterliegende Zirkonoxidoberflache, wenn diese nicht besonders rauh ist. Die Adhäsion der aufgesprühten Schicht auf die darunter liegende Zirkonoxidoberflache kann verbessert werden durch Ausheizen des mit Elektroden versehenen Elementes in Luft bei 800 C und einer Stunde Dauer. Ein solcher Ausheizvorgang scheint die anscheinende Oberflächengröße beträchtlich zu reduzieren und kann einige große Poren in dem Film in einer Stärke von 0,5 bis 5 um öffnen. Die Anzahl und Größe dieser Öffnungen scheint von der Zeit und der Temperatur des Ausheizens und von der Stärke des Films abzuhängen. Die Reduzierung der scheinbaren Oberflächengröße während des Ausheizvorganges scheint sich nicht übermäßig schädlich auf die Sensoreigenschaften auszuwirken. Andererseits scheint es wichtig, daß der Film im abgeschiedenen Zustand eine hohe Porosität und Oberflächengröße besitzt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Sensorwirksamkeit durch den Ausheizvorgang schädlich beeinflußt."Geometric surface size" is from a drawing of the element meant certain surface area. In In some or many exemplary embodiments of the method according to the invention, there is a four-fold increase in the apparent Surface size in relation to the underlying zirconium oxide surface, if it is not particularly rough. The adhesion of the sprayed-on layer to the underlying zirconium oxide surface can be improved by Bake out the element provided with electrodes in air at 800 C for one hour. Such a bakeout process appears to reduce the apparent surface area considerably and can create several large pores in the film in one Open thickness from 0.5 to 5 µm. The number and size of these openings seems to depend on the time and temperature of the Bakeout and depends on the thickness of the film. The reduction of the apparent surface area during the heating process does not appear to be unduly detrimental to the sensor properties. On the other hand it seems It is important that the film in the deposited state has a high porosity and surface area. If this isn't the If so, the effectiveness of the sensor is adversely affected by the heating process.

Der Elektrodenfilm wird dann vorzugsweise mit einer porösen Keramikbeschichtung in allen Teilen überdeckt, außer dort, wo elektrische Verbindungen hergestellt werden müssen. Die poröse Keramikbeschichtung kann katalytisch oder nichtkatalytisch sein, wie es erforderlich ist, ohne daß eine beträchtliche anfängliche Betriebsauswirkung auf den sich ergebenden Sensor bewirkt wird. Beispielsweise kann eine Gamma-Aluminiumoxid-Beschichtung verwendet werden, die nach den Angaben in US-PS 4 116 883 präpariert und aufgebracht wurde. Vorzugsweise wird jedoch durch Flammsprühen eine Magnesiumaluminat-Spinell-Beschichtung auf den Elektrodenfilm aufgebracht, nachdem dieser zur Erhöhung der Elektrodenadhäsion wärmebehandeltThe electrode film is then preferably with a porous Ceramic coating covered in all parts, except where electrical connections have to be made. the porous ceramic coating can be catalytic or non-catalytic as required without incurring substantial initial operational impact on the resulting sensor. For example, a gamma aluminum oxide coating prepared and applied as described in US Pat. No. 4,116,883. Preferably however, it becomes a magnesium aluminate spinel coating by flame spraying applied to the electrode film after it is heat-treated to increase the electrode adhesion

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wurde. Es ist anerkannt, daß das Aufbringen der porösen Überschicht durch Flammaufsprühen anscheinend eine beträchtliche physikalische Änderung des Elektrodenfilms bewirken kann. Es erscheint trotzdem so, daß die wichtigen funktioneilen Eigenschaften des Elektrodenfilms im wesentlichen durch das Flammaufsprühen ungeändert bleiben. Demzufolge sind die Eigenschaften des Elektrodenfilms im soeben abgeschiedenen Zustand von fundamentaler Wichtigkeit.became. It is recognized that flame spray application of the porous overlayer appears to be considerable can cause physical change in the electrode film. It still appears that the important functional properties of the electrode film essentially unchanged by the flame spraying stay. As a result, the properties of the electrode film in the just deposited state are more fundamental Importance.

Wie bereits vorher erwähnt, ist das Platintarget oder die Kathode mit einem Abstand von mindestens 3,5 - 4,O cm, vorzugsweise etwa 3,8 cm über den geschlossenen Enden der Zirkonoxidnäpfe und etwa 7,6 cm über der Anode angebracht. Man nimmt an, daß dieser größere als normal eingesetzte Abstand eine verbesserte Porosität der Elektroden und eine bessere Steuerbarkeit des Vorgangs ergibt. Der genannte Abstand scheint wichtig zu sein. Wenn ein Abstand von"weniger als 3,0 cm zwischen den geschlossenen Enden der Zirkonoxidnäpfe und dem Target besteht, ergeben sich anscheinend Filme mit geringerer Porosität. Dagegen erscheint-ein Abstand von mehr als 4,5 cm unnötig und schädlich. Es werden höhere Leistungswerte und höhere Argondrücke erforderlich, um eine zufriedenstellende Beschichtungsrate zu erzielen. Es ist auch wahrscheinlich, daß eine Platinabscheidung in unerwünschten Bereichen der Vorrichtung auftritt. Darüber hinaus werden die Eigenschaften des Elektrodenfilms weniger reproduzierbar. Die Art des Platintargets ist· für diese Erfindung nicht wichtiger als für andere Sprühvorgänge von Platin. Das Target kann handelsüblich sein und soll vorzugsweise eine hochreine Platinfläche zeigen. Es wird jedoch erkannt, daß es unter bestimmten Umständen wichtig sein kann, daß geringe Anteile von anderen Metallen in dem Platintarget vorhanden sind, beispielsweise einige ProzentAs previously mentioned, the platinum target or cathode is attached at a distance of at least 3.5-4.0 cm, preferably about 3.8 cm above the closed ends of the zirconium oxide cups and about 7.6 cm above the anode. This greater than normal spacing is believed to result in improved electrode porosity and process controllability. The mentioned distance seems to be important. If there is a distance of "less than 3.0 cm between the closed ends of the zirconia cups and the target, films with lower porosity appear to result. On the other hand, a distance of more than 4.5 cm appears unnecessary and harmful. Higher performance values are obtained and higher argon pressures are required to achieve a satisfactory plating rate. Platinum deposition is also likely to occur in undesired areas of the device. In addition, the properties of the electrode film become less reproducible. The nature of the platinum target is no more important to this invention than to other sprayings of platinum. the target may be commercially available and should preferably have a high purity platinum surface. However, it is recognized that it may be important in certain circumstances, that small amounts of other metals in the platinum target are present, for example, a few percent

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bis etwa 5 % Palladium und/oder Rhodium. Wegen der Kosten ist jedoch ein Platintarget bevorzugt, indem das Platin oder eine Platinlegierung die einzige Oberflächenbeschichtung bildet.up to about 5% palladium and / or rhodium. However, because of the cost, a platinum target is preferred in which the platinum or a platinum alloy is the only surface coating.

Eine Leistung von mindestens 13 W/cm Targetfläche ist notwendig. Geringere Leistungswerte ergeben anscheinend zu geringe Abscheidungsraten, so daß sich Schichten mit nicht bedeutender Porosität und zu geringem Oberflächenanteil ergeben. Umgekehrt ergeben Leistungswerte von mehr als 22 W/cm Targetfläche eine zu große Belastung für die Systembestandteile. Die höheren Leistungswerte können auch eine Platinabscheidung in unerwünschten Bereichen der Unterdruckkammer mit sich bringen. Auf jeden Fall ist die Sensorwirksamkeit weniger reproduzierbar, wenn Leistun-A power of at least 13 W / cm target area is necessary. Lower performance values apparently result in deposition rates that are too low, so that layers with do not form significant porosity and insufficient surface area result. Conversely, power values of more than 22 W / cm target area result in too great a load for the System components. The higher performance values can also cause platinum deposition in undesirable areas bring the vacuum chamber with it. In any case, the sensor effectiveness is less reproducible if performance

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gen von weniger als 13 W/cm Targetfläche vorliegen. Auch sind Druckwerte von 1,333 - 2,666 Pa (=10-20 mTorr) bevorzugt, wenn auch dieser höhere Druckbereich höhere Leistungswerte bedingt. Bei Druckwerten von weniger als 1,333 Pa (= weniger als 10 mTorr) erscheint die Beschichtung veniger porös, wahrscheinlich weil die Abscheiderate zu gering ist. Auch bei Drücken über 2,666 Pa (=20 mTorr) nimmt die Abscheiderate wieder ab. Dazu kann eine Abscheidung auch in unerwünschten Bereichen der Unterdruckkammer aufzutreten beginnen.
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genes of less than 13 W / cm target area are present. Pressure values of 1.333-2.666 Pa (= 10-20 mTorr) are also preferred, even if this higher pressure range requires higher performance values. At pressure values of less than 1.333 Pa (= less than 10 mTorr) the coating appears less porous, probably because the deposition rate is too low. The separation rate also decreases again at pressures above 2.666 Pa (= 20 mTorr). For this purpose, deposition can also begin to occur in undesired areas of the vacuum chamber.

Das Aufsprühverfahren nach der Erfindung ergibt Elektroden, die im soeben abgeschiedenen Zustand verbesserte Eigenschaften besitzen. Beispielsweise sind Reaktionszeiten des Umschaltens von Mager auf Fett von weniger als 600 ms reproduzierbar unter handelsüblichen Herstellungsbedingungen zu erreichen. Es werden auch im eben abgeschiedenen Zustand Ansprechzeitgen von weniger als 1200 ms für das Umschalten Fett auf Mager wiederholbar erzeugt. Nach einer relativ kurzen Alterung oder einer relativ kurzen Betriebszeit von etwa einer Stunde in Abgas fällt die Ansprechzeit für Fett auf Mager-Umschalten konsistent auf Werte unter 600 ms ab. Die Um-The spray-on method according to the invention results in electrodes which, in the just deposited state, have improved properties. For example, response times for switching from lean to fat of less than 600 ms can be achieved reproducibly under commercial production conditions. Even in the just separated state, response times of less than 1200 ms for switching from fat to lean are repeatedly generated. After a relatively short aging period or a relatively short operating time of around one hour in exhaust gas, the response time for a rich to lean switchover drops consistently to values below 600 ms. The Um-

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schaltung erfolgt dabei im Bereich von etwa 1 5 Teilen Luft auf ein Teil Treibstoff, d.h. an der mageren Seite und innerhalb von O,5 Werten von Luft/Treibstoffverhältnis. So kann der Sensor, wenn er im soeben hergestellten Zustand nicht genügend schnell anspricht, wiederholbar und sicher unter Betriebsbedingungen gealtert werden, so daß sich ein schnell reagierender Sensor ergibt. Außerdem sind die Sensoreigenschaften, die bei erfindungsgemäß hergestellten Elektroden erreicht werden, besser reproduzierbar. Es ergeben sich höhere Ausbeuten von schnell reagierenden Sensoren durch eine Funktionsalterung.Switching takes place in the range of about 1 5 parts air to one part fuel, i.e. on the lean side and within 0.5 values of air / fuel ratio. Thus, if the sensor does not respond quickly enough in the state it has just been manufactured, it can be repeated and can be safely aged under operating conditions, resulting in a quickly reacting sensor. aside from that the sensor properties that are achieved with electrodes produced according to the invention are more reproducible. There are higher yields of fast-reacting sensors due to functional aging.

Zusätzlich wurde festgestellt, daß eine einfache Ofenbehandlung in Stickstoffatmosphäre eine künstliche Alterung von Sensoren mit erfindungsgemäß hergestellten Elektroden erlaubt. Die Ofenbehandlung ist, wie bereits erwähnt, in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P (unser Az.: G 3368) beschrieben. Es ist die Rede von Gleichspannungs-Magnetronaufsprühen; es können die grundsätzlichen Verfahrensschritte jedoch auch auf normale Gleichspannungsaufsprühung und auf HF-Aufsprühung angewandt werden. Die erfindungsgemäße Elektrode kann dauerhafter werden, wenn zunächst ein Platin-Cermet-Streifen auf die Außenfläche des Zirkonoxidkörpers aufgebracht und ausgeheizt wird. Falls ein schmaler Streifen verwendet wird, braucht" dieser nicht porös zu sein und kann aus einer handelsüblichen Platin-Aufschlämmung (platinum ink) gefertigt werden, die an dem Zirkonoxid nach dem Ausheizen gut anhaftet und an der das aufgesprühte, darüber abgeschiedene Platin ebenfalls gut anhaftet.In addition, it was found that simple furnace treatment in a nitrogen atmosphere caused artificial aging allowed by sensors with electrodes produced according to the invention. The oven treatment is as already mentioned, described in the simultaneously filed patent application P (our reference number: G 3368). It is talk of DC magnetron spraying; it can however, the basic process steps also apply to normal DC voltage spraying and HF spraying can be applied. The electrode according to the invention can be more durable if a platinum cermet strip is first applied the outer surface of the zirconium oxide body is applied and baked will. If a narrow strip is used, it need not be porous and can be made from a commercially available Platinum slurry (platinum ink) are manufactured, the adheres well to the zirconium oxide after baking which also adheres well to the platinum that has been sprayed on and deposited over it.

Das Verfahren wurde anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem eine Argonatmosphäre als Umgebung des Aufsprühvorganges dient. Wie in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung P (unser Az.: G 3367)The method was described using an exemplary embodiment, in which an argon atmosphere is used as the environment for the spraying process. As in the simultaneously filed Patent application P (our ref .: G 3367)

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offenbart, kann jedoch auch eine Atmosphäre mit einem Gesamtdruck von 1,333 - 2,666 Pa (=10-20 mTorr) verwendet werden, die vorwiegend aus Stickstoff und/oder Sauerstoff besteht. In der genannten Patentanmeldung wird beschrieben, daß eine solche Atmosphäre erheblich verbesserte Ergebnisse gegenüber einer Argonatmosphäre ergibt, wenn Platin erfindungsgemäß aufgesprüht wird. Bevorzugterweise wird eine Atmosphäre von 67 - 75 % Stickstoff, Rest Argon, verwendet.disclosed, however, an atmosphere with a total pressure of 1.333-2.666 Pa (= 10-20 mTorr) can also be used which consists primarily of nitrogen and / or oxygen. In the said patent application it is described that such an atmosphere gives considerably better results than an argon atmosphere, when platinum is sprayed on according to the invention. Preferably an atmosphere of 67-75% nitrogen, Remainder argon, used.

Neuere Untersuchungen scheinen darauf hinzuweisen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der Herstellung von Elektroden verwendbar ist, die im wesentlichen aus Palladium bestehen. Es scheint jedoch dabei eine vorwiegend aus Stickstoff und/oder Sauerstoff gebildete Aufsprühatmosphäre keine verbesserten Ergebnisse oder sogar schlechtere Ergebnisse zu erbringen.Recent studies seem to indicate that the inventive method also in the production of Electrodes can be used, which consist essentially of palladium. However, there seems to be a predominantly one Nitrogen and / or oxygen formed spray atmosphere no improved results or even worse results to provide.

Damit ergibt sich ein Verfahren zum Aufsprühen einer Platin-Abgaselektrode auf einen Napf aus verglastem Zirkonoxid zur Herstellung eines elektrochemischen Abgas-Sauerstoffsensors. Poröse Platinfilme mit hoher spezifischer Oberfläche werden abgeschieden, die gleichmäßigere Eigenschaften zeigen. Es wird dabei ein Platintarget in einem Abstand von 3,0 - 4,5 cm vom Napf und mehr als 6 cm von der Sprühanode gehalten. Es wird ein Druck von 1,333 - 2,666 Pa (=10-20 mTorr) während des Aufsprühvorganges sowie eine Gleichspannungsleistung von 13-22 W/cm2 Targetfläche benutzt.This results in a method for spraying a platinum exhaust gas electrode onto a cup made of vitrified zirconium oxide for the production of an electrochemical exhaust gas oxygen sensor. Porous platinum films with a high specific surface area are deposited, which show more uniform properties. A platinum target is held at a distance of 3.0-4.5 cm from the bowl and more than 6 cm from the spray anode. A pressure of 1.333-2.666 Pa (= 10-20 mTorr) is used during the spraying process and a DC power output of 13-22 W / cm 2 target area.

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Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zum Aufsprühen einer Platin-Abgaselektrode auf einen aus verglastem Zirkonoxid bestehenden Festelektrolytkörper zur Herstellung eines elektrochemischen Abgas-Sauerstoffsensors, dadurch gekennzeichnet , daß beim Aufsprühen ein mindestens 3,0 cm vom Körper entfernt angeordnetes Platintarget verwendet wird, daß das Platin bei einem Druck von 1,33322 bis 2,66644 Pa (~ 10-20 mTorr) aufgesprüht wird und daß1. Method of spraying a platinum exhaust electrode onto a Solid electrolyte body made of vitrified zirconium oxide for the production of an electrochemical exhaust gas oxygen sensor, characterized in that a platinum target arranged at least 3.0 cm from the body during spraying that the platinum is used at a pressure of 1.33322 up to 2,66644 Pa (~ 10-20 mTorr) is sprayed on and that 2 eine Sprühleistung von 13 bis 22 W/cm Targetfläche benutzt wird, so daß die Platinelektrode als ein poröser Film abgeschieden wird, der eine scheinbare Flächengröße von mindestens der doppelten geometrischen Fläche der unterliegenden Zirkonoxidoberflache besitzt.2 a spray power of 13 to 22 W / cm target area is used so that the platinum electrode is deposited as a porous film having an apparent area of at least twice the geometric area of the underlying zirconium oxide surface owns. 0300A5/07U0300A5 / 07U 2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Aufsprühen einer Platin-Abgaselektrode auf einen aus verglastem Zirkonoxid bestehenden Festelektrolytkörper in Form eines Napfes zur Herstellung eines elektrochemischen Abgas-Sauerstoffsensors, dadurch gekennzeichnet , daß als Platintarget ein allgemein planares, senkrecht auf der Achse des Zirkonoxidnapfes stehendes und von einem geschlossenen Ende des Napfes 3,0 - 4,5 cm Abstand aufweisendes Platintarget verwendet wird, wodurch die Platinelektrode konsistent und wiederholbar porös abgeschieden wird und eine anscheinende Oberflächengröße im abgeschiedenen Zustand besitzt, die mindestens dem 4-fachen der geometrischen Oberflächengröße entspricht.2. The method according to claim 1 for spraying a platinum exhaust gas electrode on a solid electrolyte body made of vitrified zirconium oxide in the form of a cup for production an electrochemical exhaust gas oxygen sensor, thereby characterized in that the platinum target is a generally planar, perpendicular to the axis of the zirconium oxide upright platinum target 3.0-4.5 cm from one closed end of the cup was used becomes, whereby the platinum electrode is deposited consistently and repeatably porous and an apparent Has surface size in the deposited state, which corresponds to at least 4 times the geometric surface size. 3. Verfahren nach Anspruch 2 zum Aufsprühen einer Platin-Abgaselektrode auf einen aus verglastem Zirkonoxid bestehenden Napf zur Herstellung eines elektrochemischen Abgas-Sauerstoff sensors , dadurch gekennzeichnet , daß ein Napf mit einer Länge von 3 bis 5 cm verwendet wird, daß ein allgemein planares Platintarget verwendet wird, das senkrecht zum Napf orientiert und mit einem Abstand von 3,5 bis 4,0 cm vom geschlossenen Ende des Napfes entfernt ist und daß das Platin mit einem Gleichspannungs-Magnetronverfahren genügend lange aufgesprüht wird, um eine Elektrodenstärke von mehr als 0,65 um an dem Ende und von 0,3 bis 0,5 um an den Napfseitenwänden zu erzeugen, wobei die abgeschiedene Platinelektrode eine anscheinende Oberflächengröße im abgeschiedenen Zustand von mindestens der vierfachen geometrischen Oberflächengröße besitzt.3. The method according to claim 2 for spraying a platinum exhaust gas electrode on a bowl made of vitrified zirconium oxide for the production of an electrochemical exhaust gas oxygen sensors, characterized in that a well with a length of 3 to 5 cm is used that a generally planar platinum target is used which is oriented perpendicular to the well and spaced from 3.5 to 4.0 cm from the closed end of the cup and that the platinum is made with a DC magnetron process long enough to produce an electrode thickness greater than 0.65 µm at the end and 0.3-0.5 µm at the Create cup sidewalls, with the deposited platinum electrode an apparent surface area in the as-deposited state of at least four times the geometrical surface area owns. 0 30045/0 7U.0 30045/0 7U.
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