DE3026801A1 - DEVICE FOR DETERMINING THE OXYGEN CONCENTRATION AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents

DEVICE FOR DETERMINING THE OXYGEN CONCENTRATION AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

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DE3026801A1
DE3026801A1 DE19803026801 DE3026801A DE3026801A1 DE 3026801 A1 DE3026801 A1 DE 3026801A1 DE 19803026801 DE19803026801 DE 19803026801 DE 3026801 A DE3026801 A DE 3026801A DE 3026801 A1 DE3026801 A1 DE 3026801A1
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zirconium oxide
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Yoshio Akimune
Satoshi Ambe
Shinji Kimura
Hiroshi Takao
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Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. Sonde bzw.The invention relates to a device or probe or

ein Element zum Nachweis bzw. zur Bestimmung bzw. zur Messung der Sauerstoffkonzentration unter Verwendung eines Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolyten und ein Verfahren zu ihrer bzw. seiner Herstellung und insbesondere eine Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, die durch schichtweises Aufbringen des festen Elektrolyten und von Elektroden auf einem Substrat gebildet worden ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.an element for the detection or for the determination or for the measurement of Oxygen concentration using a solid that conducts oxygen ions Electrolytes and a method for their production and in particular a device for determining the oxygen concentration, which is determined by layer-by-layer Application of the solid electrolyte and formed by electrodes on a substrate and a process for their manufacture.

Es wurde bereits eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration vorgeschlagen, darunter eine, die durch schichtweises Aufeinanderlegen einer Vergleichselektrode, eines festen Elektrolyten und einer Meßelektrode auf einem plattenförmigen Substrat gebildet worden ist, und eine Vorrichtung, die durch Aufbringen eines festen Elektrolyten auf einem plattenförmigen Substrat, Aufbringen einer Vergleichselektrode und einer Meßelektrode auf den festen Elektrolyten und Bedecken der Vergleichselektrode mit einem dichten Material gebildet worden ist. In diesen Fällen besteht das plattenförmige Substrat im allgemeinen aus Aluminiumoxid, während der feste Elektrolyt aus Zirkoniumoxid besteht, das mit Calciumoxid, Yttriumoxid oder Magnesiumoxid stabilisiert worden ist.A variety of devices have been used to determine the Oxygen concentration suggested, including one that can be achieved by layering a reference electrode, a solid electrolyte and a measuring electrode a plate-shaped substrate, and a device made by Application of a solid electrolyte to a plate-shaped substrate, application a reference electrode and a measuring electrode on the solid electrolyte and Covering the reference electrode with a dense material has been formed. In these cases, the plate-shaped substrate generally consists of aluminum oxide, while the solid electrolyte consists of zirconia, that with calcium oxide, yttria or magnesia has been stabilized.

Das zur Bildung des oben angesprochenen festen Elektrolyten verwendete Zirkoniumoxid wandelt sich bei einer Temperatur von etwa 900 bis 12000C reversibel von einer monoklinen Form in eine tetragonale Form (quadratische Form) um, wobei sich eine Volumenänderung von 7 - 9 % ergibt.That used to form the solid electrolyte discussed above Zirconium oxide changes reversibly at a temperature of around 900 to 12000C from a monoclinic shape to a tetragonal shape (square shape) around, with a volume change of 7 - 9%.

Dies hat zur Folge, daß wenn der fest auf dem Aluminiumoxidsubstrat aufgebrachte feste Elektrolyt aus Zirkoniumoxid auf die oben erwähnte Temperatur erhitzt oder von der oben erwähnten Temperatur abgekühlt wird, das ihn bildende Zirkoniumoxid einer Volumenänderung unterliegt, was zu Brüchen des festen Elektrolyten führen kann, so daß der aus Zirkoniumoxid gebildete feste Elektrolyt nur eine geringe Wärmebeständigkeit besitzt. Zur Lösung dieses Problems wurde bereits vorgeschlagen, das Zirkoniumoxid mit einem Additiv oder Stabilisator zu vermischen um durch Reaktion mit dem Zirkoniumoxid eine thermisch stabile, feste Lösung mit kubischer Form des Zirkoniumoxids zu bilden, wodurch die Volumenänderung des festen Elektrolyten bei änderung der Temperatur vermindert wird. Solche Additive sind, wie es bereits erwähnt wurde, Calciumoxid, Yttriumoxid oder Magnesiumoxid.As a result, if the solid on the alumina substrate applied solid electrolyte of zirconia to the above-mentioned temperature heated or cooled from the above-mentioned temperature that constitutes it Zirconia is subject to a change in volume, causing breakage of the solid electrolyte can lead, so that the solid electrolyte formed from zirconium oxide is only a small one Has heat resistance. To solve this problem, it has already been suggested to mix the zirconia with an additive or stabilizer by reaction with the zirconium oxide a thermally stable, solid solution with the cubic shape of the Zirconia to form, thereby contributing to the volume change of the solid electrolyte change in temperature is reduced. Such additives are, as mentioned earlier was calcium oxide, yttrium oxide or magnesium oxide.

Es wurden viele Untersuchungen im Hinblick auf die Auswahl der Additive und der zuzusetzenden Additivmenge durchgeführt, aufgrund derer vorgeschlagen wurde, eine verminderte Menge des Additivs einzusetzen, um zu erreichen, daß etwa 30 % des Zirkoniumoxids in der monoklinen Form verbleibt, wozu 2 bis 6 Gew.-% Calciumoxid als Additiv verwendet werden.Much research has been carried out into the choice of additives and the amount of additive to be added, on the basis of which it was proposed to use a reduced amount of the additive in order to achieve that about 30% of the zirconia remains in the monoclinic form, including 2 to 6% by weight calcium oxide can be used as an additive.

Selbst wenn man jedoch die Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration mit dem in dieser Weise bereiteten festen Elektrolyten versieht und diese Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen einer Automobil-Brennkraftmaschine untersucht, so bilden sich Risse in dem festen Elektrolyten und der feste Elektrolyt löst sich bereits zu einem relativ frühen Zeitpunkt der Untersuchungsdauer von dem plattenförmigen Substrat. Bei dieser Untersuchung werden wiederholt thermische Schocks durchgeführt, bei denen die Temperatur während einer Zeitdauer von etwa 2 Minuten von Raumtemperatur auf etwa 8000C erhöht und anschließend während einer Zeitdauer von etwa 2 Minuten wieder auf Raumtemperatur abgesenkt wird.However, even if you have the device for determining the oxygen concentration provided with the solid electrolyte prepared in this way and this device for determining the oxygen concentration in the exhaust gases of an automobile internal combustion engine examined, cracks form in the solid electrolyte and the solid electrolyte already dissolves at a relatively early point in the examination period from the plate-shaped substrate. During this examination are repeated thermal Shocks carried out at which the temperature for a period of about 2 minutes increased from room temperature to about 8000C and then during one Time of about 2 minutes is lowered back to room temperature.

Diese Zerstörung und Ablösung des festen Elektrolyten scheint eine Folge zu sein, der erheblich unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des für die Bildung des plattenförmigen Substrats verwendeten Aluminiumoxids (etwa 7,8 x 10-6/OC in gesintertem Zustand) und des festen -6 Elektrolyten (etwa 9,54 x 10 /OC bei 10 Gew.-% CaO enthaltendem ZrO2 und etwa 9,00 x 10 /OC-bei 20 Gew.-% Y203 -enthaltendem ZrO2).This destruction and detachment of the solid electrolyte appears to be one To be a consequence of the significantly different thermal expansion coefficients of the alumina used to form the plate-shaped substrate (about 7.8 x 10-6 / OC in sintered state) and the solid -6 electrolyte (about 9.54 x 10 / OC for ZrO2 containing 10% by weight of CaO and about 9.00 x 10 / OC- for 20% by weight of Y203 -containing ZrO2).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung bzw. eine Sonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration anzugeben, die nicht an den Nachteilen der herkömmlichen Sauerstoffsonden leidet und die auch bei wiederholten thermischen Schocks keine Bildung von Rissen oder eine Ablösung des festen Elektrolyten von dem Aluminiumoxidsubstrat zeigt.The object of the present invention is now to provide a device or to specify a probe for determining the oxygen concentration, which is not suffers from the disadvantages of conventional oxygen probes and those also with repeated thermal shocks do not cause cracks or detachment of the solid electrolyte of the alumina substrate shows.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die Vorrichtung gemäß Hauptanspruch.This object is now achieved by the device according to the main claim.

Gegenstand der Erfindung ist daher die Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration gemäß Anspruch 1 und das Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß Anspruch 3.The subject of the invention is therefore the device for determination the oxygen concentration according to claim 1 and the process for its preparation according to claim 3.

Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw.The subclaims relate to particularly preferred embodiments the device according to the invention or

des Verfahrens zu ihrer Herstellung.the method of their manufacture.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration besteht aus einer Schicht aus einem Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolyten, die von einem Substrat aus Aluminiumoxid getragen wird. Die Schicht aus dem festen Elektrolyten besteht aus Zirkoniumoxid und enthält eines der Oxide Yttriumoxid und Erbiumoxid in einer Menge von 4,0 bis 7,0 Mol%, bezogen auf Zirkoniumoxid.The device according to the invention for determining the oxygen concentration consists of a layer of a solid electrolyte that conducts oxygen ions, supported by an alumina substrate. The layer from the solid Electrolyte consists of zirconium oxide and contains one of the oxides yttrium oxide and Erbium oxide in an amount of 4.0 to 7.0 mol% based on zirconium oxide.

Zur Herstellung der Vorrichtung wird die Schicht aus dem festen Elektrolyten vorzugsweise dadurch gebildet, daß man den in Form einer Paste auf das Substrat aufgedruckten festen Elektrolyten bei einer Temperatur von 1350 bis 15500C brennt.The solid electrolyte layer is used to manufacture the device preferably formed by the in the form of a paste on the substrate printed solid electrolyte burns at a temperature of 1350 to 15500C.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen die Schicht aus dem festen Elektrolyten und das Substrat sehr ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Demzufolge neigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration nicht zur Bildung von Rissen in dem und zur Ablösung des festen Elektrolyten von dem Substrat, so daß eine gute Haftung aufrechterhalten wird, selbst wenn die Vorrichtung bzw. Sonde wiederholten starken thermischen Schocks unterworfen wird, wie sie in den Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine anzutreffen sind.In the device according to the invention show the layer from the solid Electrolytes and the substrate have very similar coefficients of thermal expansion. As a result the device according to the invention tends to determine the oxygen concentration not to form cracks in and detach the solid electrolyte from the substrate so that good adhesion is maintained even when the device is or probe is subjected to repeated strong thermal shocks, as described in the exhaust gases of an internal combustion engine can be found.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und das Verfahren zu ihrer Herstellung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und Fig, 2 eine schematische Schnittansicht der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration.The device according to the invention for determining the oxygen concentration and the process for their preparation will now be described in greater detail with reference to FIG the accompanying drawings explained. In the drawings: FIG. 1 shows a schematic Top view of a preferred embodiment of the device according to the invention for determining the oxygen concentration and FIG. 2 is a schematic sectional view the device shown in FIG. 1 for determining the oxygen concentration.

Erfindungsgemäß wird bei einer Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, bei der ein Sauerstoffionen leitender, fester Elektrolyt und Elektroden schichtförmig auf einem plattenförmigen Substrat angeordnet sind, der feste Elektrolyt aus Zirkoniumoxid gebildet und enthält Yttriumoxid oder Erbiumoxid als Stabilisator in einer Menge von 4,0 bis 7,0 Mol%, bezogen auf Zirkoniumoxid, Weiterhin wird bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration der feste Elektrolyt bei einer Temperatur von 1350 bis 1550 gebrannt.According to the invention, in a device for determining the oxygen concentration, in which a solid electrolyte that conducts oxygen ions and electrodes in layers are arranged on a plate-shaped substrate, the solid electrolyte made of zirconium oxide and contains yttria or erbium oxide as a stabilizer in an amount from 4.0 to 7.0 mol%, based on zirconium oxide, is also used in the production the inventive device for determining the oxygen concentration of the solid electrolyte fired at a temperature of 1350-1550.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, umfaßt die erfindungsgertfäße Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration bzw. die Sauerstoffsonde ein plattenförmiges Substrat 1, eine auf das plattenförmige Substrat 1 aufgebrachte Vergleichselektrode 2, einen auf der Vergleichselektrode 2 angeordneten, Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten 3 und eine auf den festen Elektrolyten 3 aufgebrachte Meßelektrode 4. Die erfindungsgemäße Lehre ist jedoch auch auf andere Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration anwendbar, die in der Weise aufgebaut sind, daß der feste Elektrolyt direkt auf das plattenförmige Substrat aufgebracht und anschließend die Vergleichselektrode und die Meßelektrode auf dem festen Elektrolyt angeordnet werden, wonach die Vergleichselektrode mit einem dichten Material bedeckt wird.As shown in Figs. 1 and 2, the erfindungsgertfäß comprises Device for determining the oxygen concentration or the oxygen probe a plate-shaped substrate 1, one applied to the plate-shaped substrate 1 Comparison electrode 2, an oxygen ion arranged on the comparison electrode 2 conductive solid electrolyte 3 and one applied to the solid electrolyte 3 Measuring electrode 4. However, the teaching according to the invention is also applicable to other embodiments of devices for determining the oxygen concentration applicable in the Wise built up that the solid electrolyte directly onto the plate-shaped substrate applied and then the comparison electrode and the measuring electrode on the solid electrolyte are arranged, after which the reference electrode with a dense Material is covered.

Die nachstehend beschriebenen Experimente wurden unter Verwendung eines plattenförmigen Substrats 1 aus Aluminiumoxid und eines festen Elektrolyten aus Zirkoniumoxid (Zirkoniumdioxid), der Yttriumoxid (Y203) als Stabilisator enthält, durchgeführt. bei den Exnerirnten wurden 4 Arten von pulverförmigen festen Elektrolyten hergestellt durch Vermischen von Zirkoniumoxid mit Yttriumoxid unter Änderung des Mol-Prozentsatzes des Yttriumoxids in bezug auf Zirkoniumoxid, wie es in der nachstehenden Tabelle I angegeben ist. Diese pulverförmigen Elektrolyten wurden mit einem organischen Bindemittel (einer Mischung aus.The experiments described below were used a plate-shaped substrate 1 made of alumina and a solid electrolyte made of zirconium oxide (zirconium dioxide), which contains yttrium oxide (Y203) as a stabilizer, carried out. among the exempters there were 4 kinds of powdery ones firm Made by mixing zirconia with yttria under electrolytes Change in mole percentage of yttria with respect to zirconia, such as it is given in Table I below. These powdered electrolytes were with an organic binder (a mixture of.

Äthylzellulose und Terpineol) vermischt um vier Arten von pastenförmigen Elektrolyten zu bilden. Anschließend wurden die vier pastenförmigen Elektrolyten durch Siebdruck auf die Oberflächen der entsprechenden plattenförmigen Substrate aus Aluminiumoxid aufgedruckt. Anschließend wurden die mit dem pastenförmigen festen Elektrolyten bedruckten plattenförmigen Substrate unter Anwendung der in der nachstehenden Tabelle I angegebenen Bedingungen gebrannt, um eine Schicht oder einen Überzug aus einem festen Elektrolyten mit einer Dicke von 10 bis 20 ijm auf der Oberfläche des plattenförmigen Substrats auszubilden und in dieser Weise vier Proben herzustellen.Ethyl cellulose and terpineol) mixed around four types of pasty To form electrolytes. Then the four pasty electrolytes by screen printing on the surfaces of the corresponding plate-shaped substrates Printed in aluminum oxide. Then those with the pasty solid Electrolytes printed plate-like substrates using those in the following Table I specified conditions fired to form a layer or coating a solid electrolyte with a thickness of 10 to 20 µm on the surface of the Form plate-shaped substrate and produce four samples in this way.

Anschließend wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient eines Teils der Schicht aus dem festen Elektrolyten einer jeden Probe gemessen und die hierbei erhaltenen Meßwerte sind ebenfalls in der Tabelle I aufgeführt. Weiterhin wurde ein Teil einer jeden Probe einem thermischen Schocktest unterworfen, um die Haftung zwischen dem plattenförmigen Substrat und dem festen Elektrolyten zu bewerten, bei welchem Test die Temperatur wiederholt im Bereich von 3000C bis 8000C gesteigert und abgesenkt wurde. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle I zusammengestellt.Then the coefficient of thermal expansion was a part of the The solid electrolyte layer of each sample was measured and the resulting Measured values are also listed in Table I. Furthermore, part of a Each sample is subjected to a thermal shock test to determine the adhesion between the plate-shaped substrate and the solid electrolyte to evaluate which test the temperature is repeatedly increased and decreased in the range of 3000C to 8000C became. The results obtained here are also summarized in Table I.

TABELLE I Stabilsator- Brennbedingungen Teilchen- Wäremeaus- Bewertung Gesamt- gehalt (Temperatur °C) größe dehnungs- beim bewer- (Mol%) (x Zeit (h) (µm) koeffizient Thermoschock- tung (1/°C) test 2,0 1400 x 2 weniger unnormale schlecht schlecht als 10 Ausdehnung 4,0 1400 x 2 weniger 8,20 x 10-6 ausgezeich- ausge- als 10 net zeichnet 7,0 1400 x 2 weniger 7,65 x 10-6 ausgezeich- ausge- als 10 net zeichnet 10,0 1400 x 2 weniger 9,00 x 10-6 schlecht schlecht als 10 Aus der obigen Tabelle I ist zu erkennen, daß wenn der Stabilisatorgehalt 4,0 bzw. 7,0 Mol%, bezogen auf den festen Elektrolyten beträgt, die Wärmeausdehnungskoeffizienten der festen Elektrolyten 8,20 x 10 6/0C bzw. 7,65 x 106 /0C betragen. Diese Wärmeausdehnungskoeffizienten sind dem des Aluminiumoxids ähnlich (7,8 x 10 /"C). Bei dem Thermoschocktest wurde das Steigern und Absenken der Temperatur im Bereich von 3000C bis 8000C zweitausendmal wiederholt, wobei die Proben deren Stabilisatorgehalt 2,0 Mol% bzw. 10,0 Mol% betrugen Risse bildeten und eine Ablösung des festen Elektrolyten von dem plattenförmigen Substrat zeigten. Im Gegensatz dazu konnte bei den Proben deren Stabilisatorgehalte 4,0 Mol% bzw. 7,0 Mol% betrugen, keine Risse und keine Ablösung des festen Elektrolyten von dem plattenförmigen Substrat festgestellt werden.TABLE I. Stabilizer Burning Conditions Particle Heat Evaluation Overall content (temperature ° C) size expansion during competition (Mol%) (x time (h) (µm) coefficient of thermal shock (1 / ° C) test 2.0 1400 x 2 less abnormal bad bad than 10 expansion 4.0 1400 x 2 less 8.20 x 10-6 excellent excellent as 10 net records 7.0 1400 x 2 less 7.65 x 10-6 excellent excellent as 10 net records 10.0 1400 x 2 less 9.00 x 10-6 bad bad than 10 It can be seen from Table I above that when the stabilizer content is 4.0 or 7.0 mol%, based on the solid electrolyte, the coefficients of thermal expansion of the solid electrolytes are 8.20 × 10 6 / 0C and 7.65 ×, respectively 106 / 0C. These coefficients of thermal expansion are similar to that of aluminum oxide (7.8 x 10 / "C). In the thermal shock test, increasing and decreasing the temperature in the range of 3000C to 8000C was repeated two thousand times, the samples having their stabilizer content 2.0 mol% and 10, respectively , 0 mol% were cracked and showed peeling of the solid electrolyte from the plate-shaped substrate, in contrast to the samples whose stabilizer contents were 4.0 mol% and 7.0 mol%, respectively, no cracks and no peeling of the solid electrolyte can be detected from the plate-shaped substrate.

Wenn somit der feste Elektrolyt aus Zirkoniumoxid, der Yttriumoxid in einer Menge von 4,0 bis 7,0 Mol%, bezogen auf Zirkoniumoxid, als Stabilisator enthält, fest mit dem Substrat aus Aluminiumoxid verbunden wird, so ergeben sich sehr ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des festen Elektrolyten und des Substrats, so daß die erhaltene Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen thermische Schocks aufweist. Es hat sich gezeigt, daß sich erfindungsgemäß die Ausbildung von Rissen in dem festen Elektrolyten und die Ablösung des festen Elektrolyten von dem plattenförmigen Substrat in wirksamer Weise verhindern läßt, wenn man den Wärmeausdehungskoeffizienten des festen Elektrolyten derart einstellt, daß er das 0,9- bis 1,1-fache des Wärmeausdehnungskoeffizienten des plattenförmigen Substrates beträgt, auf das der feste Elektrolyt in Form einer festen Schicht aufgebracht wird. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die Teilchengröße des pulverförmigen festen Elektrolyten derart auszuwählen, daß sie maximal 5,0 jim und bevorzugter im Durchschnitt etwa 0,7 ijm oder weniger beträgt. Weiterhin wurden die oben erwähnten Untersuchungen unter Verwendung von Erbiumoxid anstelle von Yttriumoxid als Stabilisator wiederholt. In diesem Fall hat sich gezeigt, daß man sehr ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von festem Elektrolyten einerseits und plattenförmigem Substrat andererseits erhalten kann, wenn man Erbiumoxid in einer Menge im Bereich von 4,0 bis 7,0 Mol% zu dem festen Elektrolyten zusetzt.Thus, if the solid electrolyte is made of zirconia, the yttria in an amount of 4.0 to 7.0 mol%, based on zirconium oxide, as a stabilizer contains, is firmly bonded to the substrate made of aluminum oxide, so result very similar thermal expansion coefficients of the solid electrolyte and the substrate, so that the device obtained for determining the oxygen concentration a has excellent resistance to thermal shock. It has shown, that according to the invention the formation of cracks in the solid electrolyte and the detachment of the solid electrolyte from the plate-shaped substrate is more effective Way to prevent if one can reduce the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte is set to be 0.9 to 1.1 times the coefficient of thermal expansion of the plate-shaped substrate on which the solid electrolyte is applied in the form of a solid layer. It has continued to be beneficial proven to select the particle size of the powdery solid electrolyte in such a way that that they are 5.0 microns or less, and more preferably about 0.7 microns or less on average amounts to. Furthermore, the above-mentioned investigations were carried out using Repeatedly erbium oxide instead of yttrium oxide as a stabilizer. In this case it has been shown that one has very similar coefficients of thermal expansion of solid Can receive electrolytes on the one hand and plate-shaped substrate on the other hand, when adding erbium oxide in an amount ranging from 4.0 to 7.0 mol% to the solid Electrolyte clogs.

Es wurden weitere Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluß der Brenntemperatur bei konstant gehaltener Zugabemenge des Stabilisators zu untersuchen. Bei den Untersuchungen wurde das als pulverförmiger fester Elektrolyt verwendete Zirkoniumoxid mit 5,0 Mol% Yttriumoxid als Stabilisator vermischt und es wurde durch Vermischen mit dem oben beschriebenen organischen Bindemittel ein pastenförmiger fester Elektrolyt hergestellt. Der pastenförmige feste Elektrolyt wurde durch Siebdruck auf die Oberfläche des aus Aluminiumoxid gebildeten plattenförmigen Substrats aufgedruckt, um eine ungebrannte Schicht des festen Elektrqlyten mit der gewünschten Dicke zu bilden.Further research was carried out to determine the influence of the To investigate the firing temperature while the amount of stabilizer added is kept constant. In the investigations, this was used as a powdery solid electrolyte Zirconia mixed with 5.0 mole% yttria as a stabilizer and it was through Mix a pasty with the organic binder described above solid electrolyte produced. The pasty solid electrolyte was screen printed printed on the surface of the plate-shaped substrate formed from aluminum oxide, in order to produce an unfired layer of the solid electrolyte of the desired thickness form.

In dieser Weise wurden sieben plattenförmige Substrate mit dem pastenförmigen festen Elektrolyten hergestellt.In this way, seven plate-shaped substrates with the pasty solid electrolyte produced.

Die erhaltenen plattenförmigen Substrate wurden dann während zwei Stunden bei den in der nachstehenden Tabelle II angegebenen Temperaturen unter Bildung von sieben Proben gebrannt. Anschließend wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient des festen Elektrolyten einer jeden Probe gemessen.The obtained plate-shaped substrates were then for two Hours at the temperatures given in Table II below with formation of seven samples burned. The coefficient of thermal expansion was then determined solid electrolyte of each sample measured.

Weiterhin wurde jede Probe einem Thermoschocktest unterworfen, bei dem die Temperatur zweitausendmal im Bereich von 3000C bis 8000C erhöht und abgesenkt wurde. Die erhaltenen Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle II zusammengestellt.Furthermore, each sample was subjected to a thermal shock test, at which increases and decreases the temperature two thousand times in the range of 3000C to 8000C became. The results obtained are also shown in Table II.

TABELLE II Stabilisator- Brenntem- Teilchen- Wärmeaus- Bewertung gehalt peratur größe dehnungsko- bei dem Gesamt- (Mol%) (°C) (µm) effizinet Thermoschock- bewertung (1/°C) test 5,0 1300 weniger als 6,90 x 10-6 gut schlecht 10 5,0 1350 weniger als 7,20 x 10-6 ausgezeich- ausgezeich- 10 net net 5,0 1400 weniger als 7,32 x 10-6 ausgezeich- ausgezeich- 10 net net 5,0 1500 weniger als 7,42 x 10-6 ausgezeich- ausgezeich- 10 net net 5,0 1550 weniger als 7,20 x 10-6 ausgezeich- ausgezeich- 10 net net 5,0 1600 weniger als 6,88 x 10-6 gut schlecht 10 5,0 1650 weniger als unnormale schlecht schlecht 10 Ausdehnung Aus der obigen Tabelle II ist zu erkennen, daß bei einem Stabilisatorgehalt von 5,0 Mol%, bezogen auf den festen Elektrolyten, der Wärmeausdehnungskoeffizient des festen Elektrolyten dem des plattenförmigen Aluminiumoxidsubstrats bei jenen Proben ähnelt, die bei Temperaturen im Bereich von 1350 bis 15500C gebrannt worden sind. Es konnte weiterhin beobachtet werden, daß diese Proben keine Risse zeigten und daß sich die festen Elektrolyten nicht von dem plattenförmigen Substrat ablösten. Im Gegensatz dazu erzielt man keine zufriedenstellenden Ergebnisse bei dem Thermoschocktest mit jenen Proben, bei deren Herstellung der Brennvorgang bei einer Temperatur durchgeführt wurde, die außerhalb des oben angegebenen Brenntemperaturbereiches lag.TABLE II Stabilizer Burning Part Particle Heat Evaluation content temperature size expansion coefficient in the total (Mol%) (° C) (µm) effizinet thermal shock rating (1 / ° C) test 5.0 1300 less than 6.90 x 10-6 good bad 10 5.0 1350 less than 7.20 x 10-6 excellent excellent 10 net net 5.0 1400 less than 7.32 x 10-6 excellent excellent 10 net net 5.0 1500 less than 7.42 x 10-6 excellent excellent 10 net net 5.0 1550 less than 7.20 x 10-6 excellent excellent 10 net net 5.0 1600 less than 6.88 x 10-6 good bad 10 5.0 1650 less than abnormal bad bad 10 expansion From Table II above it can be seen that with a stabilizer content of 5.0 mol% based on the solid electrolyte, the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte is similar to that of the plate-shaped alumina substrate in those samples which were fired at temperatures in the range of 1350 to 1550C have been. It could also be observed that these samples showed no cracks and that the solid electrolytes did not peel off from the plate-shaped substrate. In contrast, no satisfactory results are obtained in the thermal shock test with those samples in the preparation of which the firing process was carried out at a temperature which was outside the above-specified firing temperature range.

Aus den in der Tabelle II angegebenen Ergebnissen ist weiterhin zu erkennen, daß die Teilchengröße des für die Herstellung der Schicht aus dem festen Elektrolyten verwendeten pulverförmigen festen Elektrolyten vorzugsweise 5,0 zm und im Durchschnitt 0,7 pm oder weniger beträgt.From the results given in Table II it is still to realize that the particle size of the solid material used to make the layer Electrolytes used powdered solid electrolytes preferably 5.0 cm and averages 0.7 pm or less.

Die gleichen Untersuchungen wurden unter Verwendung von Erbiumoxid anstelle von Yttriumoxid als Stabilisator durchgeführt, wobei die Brenntemperatur variiert und die Zugabemenge des Stabilisators zu dem festen Elektrolyten konstant gehalten wurde. Bei diesen Ergebnissen zeigten sich die gleichen Ergebnisse, wie die mit Yttriumoxid ermittelten, wobei sich also auch in diesem Fall zeigt, daß die Brenntemperatur vorzugsweise im Bereich von 1350 bis 15500C gehalten wird.The same studies were carried out using erbium oxide instead of yttrium oxide carried out as a stabilizer, the firing temperature varies and the addition amount of the stabilizer to the solid electrolyte is constant was held. These results showed the same results as those determined with yttrium oxide, which also shows in this case that the firing temperature is preferably kept in the range from 1350 to 1550C.

Weiterhin wurde eine Röntgenbeugungsuntersuchung der Proben durchgeführt, die unter Verwendung des Stabilisators in einer Menge im Bereich von 4,0 bis 7,0 Mol%, bezogen auf den festen Elektrolyten, durch Brennen bei einer Temperatur im Bereich von 1350 bis 15500C hergestellt worden sind. Hierbei zeigte sich, daß 40 bis 70 Volumenprozent des festen Elektrolyten aus dem in kubischer Form vorliegenden Material besteht, wodurch erreicht wird, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des festen Elektrolyten dem des plattenförmigen Substrats ähnelt, d.h. daß der Wärmekoeffizient des festen Elektrolyten das 0,9- bis 1,1-fache des Wärmeausdehnungskoeffizienten des plattenförmigen Substrats beträgt.Furthermore, an X-ray diffraction study was carried out on the samples, those using the stabilizer in an amount ranging from 4.0 to 7.0 Mol%, based on the solid electrolyte, by firing at a temperature in Range from 1350 to 15500C. It was found that 40 up to 70 percent by volume of the solid electrolyte from that present in cubic form Material consists, whereby it is achieved that the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte is similar to that of the plate-shaped substrate, that is, the thermal coefficient of the solid electrolyte 0.9 to 1.1 times the coefficient of thermal expansion of the plate-shaped substrate.

Erfindungsgemäß wird somit der Wärmeausdehnungskoeffizient des festen Elektrolyten einer Vorrichtung oder Sonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration derart eingestellt, daß er das 0,9- bis 1,1-fache des Wärmeausdehnungskoeffizienten des plattenförmigen Substrats beträgt, wobei man ein plattenförmiges Substrat aus Aluminiumoxid und einen festen Elektrolyten aus Zirkoniumoxid, der eines der Oxide Yttriumoxid und Erbiumoxid in einer Menge von 4,0 bis 7,0 Mol%, bezogen auf Zirkoniumoxid als Stabilisator enthält, verwendet und den festen Elektrolyten bei einer Brenntemperatur im Bereich von 1350 bis 15500C brennt. Hierdurch kann in wirksamer Weise die Bildung von Rissen in dem festen Elektrolyten und das Ablösen des festen Elektrolyten von dem plattenförmigen Substrat verhindert werden, selbst wenn man die Vorrichtung bzw. die Sonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine verwendet, wo die Vorrichtung bzw. die Sonde wiederholten starken thermischen Schocks ausgesetzt ist.According to the invention, the coefficient of thermal expansion of the solid Electrolytes of a device or probe for determining the oxygen concentration adjusted to be 0.9 to 1.1 times the coefficient of thermal expansion of the plate-shaped substrate, wherein a plate-shaped substrate is made Aluminum oxide and a solid electrolyte of zirconium oxide, which is one of the oxides Yttrium oxide and erbium oxide in an amount of 4.0 to 7.0 mol% based on zirconium oxide contains as a stabilizer, and the solid electrolyte at a firing temperature burns in the range from 1350 to 15500C. This can effectively promote the formation of cracks in the solid electrolyte and the peeling of the solid electrolyte from the plate-shaped substrate can be prevented even if the device or the probe for determining the oxygen concentration in the exhaust gases of a Internal combustion engine used where the device or probe repeated strengthen exposed to thermal shocks.

Somit zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration während sehr langer Zeitdauern eine gute Haftung zwischen dem plattenförmigen Substrat und dem festen Elektrolyten.The device according to the invention thus shows for determining the oxygen concentration good adhesion between the plate-shaped substrate for very long periods of time and the solid electrolyte.

ZUSAMMENFASSUNG Es werden eine Vorrichtung bzw. eine Sonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration mit einem Substrat (1) aus Aluminiumoxid und einem mit dem Substrat in Kontakt stehenden Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolyten (3), welcher feste Elektrolyt aus Zirkoniumoxid besteht und eines der Oxide Yttriumoxid und Erbiumoxid in einer Menge von 4,0 bis 7,0 Mol%, bezogen auf Zirkoniumoxid, enthält, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben. Bei der in dieser Weise aufgebauten Vorrichtung bzw. Sonde werden die Bildung von Rissen in dem festen Elektrolyten und die Ablösung des festen Elektrolyten von dem Substrat verhindert. SUMMARY A device or a probe for determination the oxygen concentration with a substrate (1) made of aluminum oxide and one with solid electrolytes that conduct oxygen ions in contact with the substrate (3) which solid electrolyte consists of zirconia and one of the oxides is yttria and erbium oxide in an amount of 4.0 to 7.0 mol%, based on zirconium oxide, and a process for their production are described. With the one constructed in this way The device or probe will prevent the formation of cracks in the solid electrolyte and prevents the solid electrolyte from becoming detached from the substrate.

Claims (8)

Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und Verfahren zu ihrer Herstellung Priorität: 16. Juli 1979, Japan, No. 54-89244 PATENTANSPRÜCHE Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration gekennzeichnet durch ein Substrat (1) aus Aluminiumoxid, eine mit dem Substrat in Kontakt stehende, Sauerstoffionen leitende Schicht (3) aus einem festen Elektrolyten, welcher feste Elektrolyt aus Zirkoniumoxid besteht und eines der Oxide Yttriumoxid und Erbiumoxid in einer Menge von 4,0 bis 7,0 Mol%, bezogen auf Zirkoniumoxid, enthält; und mit dem festen Elektrolyt in Kontakt stehende Elektroden (2,4). Device for determining oxygen concentration and method for their manufacture priority: July 16, 1979, Japan, No. 54-89244 CLAIMS Device for determining the oxygen concentration characterized by a Substrate (1) made of aluminum oxide, an oxygen ion in contact with the substrate conductive layer (3) made of a solid electrolyte, what fixed Electrolyte consists of zirconium oxide and one of the oxides yttrium oxide and erbium oxide in an amount of 4.0 to 7.0 mol% based on zirconium oxide; and with electrodes (2,4) in contact with the solid electrolyte. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z ei c h n e t , daß die Schicht (3) aus dem festen Elektrolyten eine Dicke im Bereich von 10 bis 20 ;im aufweist.2. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z ei c h n e t that the layer (3) of the solid electrolyte has a thickness in the range of 10 to 20; im having. 3. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration mit einem Substrat (1), einem mit dem Substrat in Kontakt stehenden, Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolyten (3) und mit dem festen Elektrolyten in Kontakt stehenden Elektroden (2,4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man das Substrat aus Aluminiumoxid bildet; den festen Elektrolyten aus Zirkoniumoxid, der eines der Oxide Yttriumoxid und Erbiumoxid in einer Menge von 4,0 bis 7,0 Mol%, bezogen auf Zirkoniumoxid enthält, bildet; und den festen Elektrolyten bei einer Temperatur von 1350 bis 15500C brennt.3. Method of making a device for determining the Oxygen concentration with a substrate (1), one with the substrate in contact standing solid electrolyte (3) which conducts oxygen ions and with the solid Electrolyte in contact electrodes (2,4), d u r c h e k e n n z e i n e t to form the substrate from alumina; the solid electrolyte of zirconium oxide, which is one of the oxides yttrium oxide and erbium oxide in an amount contains from 4.0 to 7.0 mol% based on zirconium oxide; and the fixed ones Electrolyte burns at a temperature of 1350 to 15500C. 4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man eine ungebrannte Schicht aus einem festen Elektrolyten auf dem Substrat ausbildet, bevor man den festen Elektrolyten brennt.4. The method according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that one can have an unfired layer of a solid electrolyte on the substrate before the solid electrolyte is burned. 5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man zur Bildung der ungebrannten Schicht pulverförmiges Zirkoniumoxid mit einem der Oxide Yttriumoxid und Erbiumoxid vermischt; ein organisches Bindemittel mit der Mischung aus dem pulverförmigen Zirkoniumoxid und einem der Oxide Yttriumoxid und Erbiumoxid unter Bildung einer Paste des festen Elektrolyten vermischt; und die Paste des festen Elektrolyten auf die Oberfläche des Substrats aufträgt.5. The method according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that powdered zirconium oxide is used to form the unfired layer mixed with one of the oxides yttrium oxide and erbium oxide; an organic binder with the mixture of the powdery zirconium oxide and one of the oxides yttrium oxide and erbium oxide mixed to form a paste of the solid electrolyte; and applying the solid electrolyte paste to the surface of the substrate. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man pulverförmiges Zirkoniumoxid mit einer Teilchengröße von weniger als 5,0 jim verwendet.6. The method according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that one can powdery zirconium oxide with a particle size of less used as 5.0 jim. 7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man pulverförmiges Zirkoniumoxid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,7 pm einsetzt.7. The method according to claim 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that one is powdered zirconia with an average particle size of 0.7 pm begins. 8. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man als organisches Bindemittel eine Mischung aus Äthylzellulose und Terpineol verwendet.8. The method according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the organic binder is a mixture of ethyl cellulose and Terpineol used.
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