DE3131927A1 - "verfahren zur herstellung eines festkoerperelektrolytsauerstofffuehlerelementes mit lamellenstruktur, dessen aeussere elektrode aus der dampfphase niedergeschlagen ist." - Google Patents

"verfahren zur herstellung eines festkoerperelektrolytsauerstofffuehlerelementes mit lamellenstruktur, dessen aeussere elektrode aus der dampfphase niedergeschlagen ist."

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DE3131927A1
DE3131927A1 DE19813131927 DE3131927A DE3131927A1 DE 3131927 A1 DE3131927 A1 DE 3131927A1 DE 19813131927 DE19813131927 DE 19813131927 DE 3131927 A DE3131927 A DE 3131927A DE 3131927 A1 DE3131927 A1 DE 3131927A1
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oxygen
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DE19813131927
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Shinji Kimura
Hiroshi Takao
Masayuki Toda
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Nissan Motor Co Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Description

  • B e s c h r e i b u.n g
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung, eines Sauerstoffühlerelementes vom Typ der Konzentrationszelle , das aus relativ dünnen Schichten besteht. Zu den Schichten gehören eine innere Elektrodenschicht, eine Sauerstoffionen leitende Festkörperelektrolytschicht und eine äußere Elektrodenschicht. Das Sauerstoffühlerelement ist insbesondere für ein Gerät zur Ermittlung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses einer Gasmischung geeignet, wie sie einer Verbrennungsmaschine, wie beispielsweise einer Maschine mit Innenverbrennung zugeführt wird. Die Ermittlung des Verhältnisses ist gestützt auf den Sauerstoffgehalt im Auspuffgas.
  • Der Nutzen der Sauerstoffühler vom Konzentrationsz'ellentyp, bei denen ein ionenleitender Festkörperelektrolyt, wie beispielsweise Zirkonoxid, welches ein stabilisierendes Oxid-, wie beispielsweise Ytrium- oder Calciumoxid, enthält, ist in zahlreichen Bereichen anerkannt.
  • In der Automobilindustrie ist es zurzeit- üblich geworden, das'Auspuffsystem des Motors mit einem Sauerstofffuhler dieser Art zu versehen, um Schwankungen des tatsächlichen Luft/Brennstoffverhältnisses eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das dem Motor zugeführt wird, zu ermitteln. Diese Ermittlung stützt sich auf den Sauerstoffgehalt im Auspuffgas. Der sauerstoffempfindliche Teil des Fühlers weist eine gesinterte Festkörperelektrolytschicht auf, eine Meßelektrodenschicht, die auf einer Seite der FestkörpereLektrolytschicht gebildet ist und so dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, sowie eine Referenzelektrodenschicht, die auf der gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, wo ein Referenzsauerstoffpartialdruck eingestellt werden muß. Im wesentlichen bilden diese drei Schichten eine Sauerstoffkonzentrationszellei die eine elcktromotorische Kraft zwischen den beiden Elektrodenschichten erzeugen kann, deren Größe von der Grö.ße des Sauerstoffpartialdruckes des Gases abhängt, dem die Meßelektrodenschicht ausgesetzt ist.
  • Neuerdings werden diese Konzentrationszellen in Form einer Laminierung von dünnen, filmähnlichen Schichten gebaut. Beispielsweise ist die Festkörperelektr8lytschicht nur etwa 30 Mikron dick, während jede der beiden Elektrodenschichten noch dünner ist. Die Konzentrationszelle mit der Lamellenstruktur ist auf einer dünnen Platte aus keramischem Material angeordnet, welche Platte als Substrat oder Schutzschicht bezeichnet wird.
  • Auf diese Weise ist die Referenzelektrodenschicht eng zwischen der Schutzschicht und der Festkörperelektrolytschicht beidseitig nach Art eines Sandwich eingeschlossen. Ublicherweise ist der Konzentrationszellenteil eines Sauerstòffthlerelementes dieser Art oder das Element als Ganzes mit einer porösen Schutzschicht aus keramischem Material überzogen.
  • Das Material der Referenzelektrodenschicht ist ein Metall, gewöhnlicherweise Platin oder eine Platinlegierung oder eine elektronisch leitende Mischung eines gewissen Metalls und seines Oxides, wie beispielsweise eine Ni-Ni0-Mischung, die ebenfalls als Quelle eines Referenxzsauerstoffpartialdruckes dienen kann. Ein typisches Material für die Meßelektrodenschicht ist Platin oder eine Platinleyierung, die als Katalysator wirkt. Es wurde auch schon vorgeschlagen', ein elektronisch leitendes Keramik-Metallgemisch zu Verwenden.
  • Jede der Elektrodenschichten wird so hergestellt, daß sie eine mikroskopisch poröse Struktur aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Paste, die pulverförm.iges Elektrodenmaterial enthält, auf die Oberfläche der Schutzschicht oder die Festkörperelektrolytschicht durch eine Siebdrucktechnik aufgebracht wird, die dabei entstehende Pastenschicht getrocknet und die unfertige Folie dem Feuer oder der Wärme ausgesetzt wird, so daß die in der Pastenschicht enthaltenen Elektrodenmaterialpartikel sintern. In den meisten' Fällen wird der Festkörperelektrolyt durch ein ähnliches Verfahren erzeugt.
  • Nach diesseitiger Auffassung sind die bis jetzt entwickelten Sauerstoffühlerelemente mit der oben beschriebenen Lamellenstruktur nicht voll zufriedenstellend) was ihr Ansprec'hverhalten betrifft. Das bedeutet, daß eine große Zeitverzögerung beim Ansprechen auf eine Änderung in der Sauerstoffkonzentration des, Gases, in dem das Element angeordnet ist, besteht,. insbesondere wenn das Element im Auspuffsystem eines Kraftfahrzeügs angeordnet ist. Es wurde festgestellt, daß die Unzulänglichkeiten bei der Schnelligkeit des Ansprechens weitgehend auf die physikalische Struktur der Meßelektrod,enschicht, die durch den obengenannten Einbrenn- oder Erwärmungsprozeß erzeugt wird, zurückzuführen sind Das Eürcnnen o,der Erwärmen muß bei einer ziemlich hohen Temp.eråtur beispielsweise bei 15000C durchgeführt werden, um eine ausreichende Sinterung des Elektrodenmateriales. zu erreichen, das auf die Festkörperelektrolytschicht ursprünglich in der Form von feuchten Partikeln aufgebracht worden ist.
  • Dabei erfolgt unvermeidbar ein wesentliches Anwachsen der kristallinen Partikel des Elektrodenmaterials, das dem Sintervorgang unterworfen wird,, so daß die hergestellte Meßelektrodenschicht aus relativ groben Körnern (im mikroskopischen Sinne) besteht und dabei die Kontaktfläche, die mit dem zu messenden Gas in Verbindung tritt, nicht so groß wie erwartet ist Die Anwendung der Siebdrucktechnik ist üblich, wenn eine dünne Elektrodenschicht mit einem gewünschten Muster erzeugt werden soll. Die Anwendung dieser Technik führt jedoch dazu; daß die Meßelektrodenschicht nach der Sinterung eine relativ grobe porige Struktur aufweist und folglich keine so große wirksame Oberfläche, gemessen an ihrer makroskopischen Oberfläche, aufweist Aus diesem Grunde ist die Anzahl und die Gesamtfläche der sogenannten Dreiphasenpunkte', das sind Punkte, um denen der Festkörperelektrolyt, die Meßelektrode und das zu messende Gas miteinander in Kontakt treten, in dem Sauerstoffühlerelement nicht so groß wie erwartet, in bezug auf die makroskopische Oberfläche der Meßelektrodenschicht. Aus diesem Grunde führt die Meßelektrodenschicht nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen hinsichtlich ihrer Fähigkeit,. katalytische Elektrodenreaktionen auszulösen' oder zu beschleunigen. Für ein Sauerstoffühlerelement, das eine solche Meßelektrodenschicht aufweist, braucht es ziemlich lange Zeit, bis ein Gleichgewichtsauerstoffpartialdruck an der Seite der Meßelektrode der Konzentrationszelle als Basis für die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft aufgebaut istr so daß das Element nicht in der Lage ist, schnell auf eine Änderung der Sauerstoffkonzentrationt beispielsweise im Auspuffgas einer Maschine, anzusprechen.
  • Solche änderungen der Sauerstoffkonzentration im Auspuffgas haben ihre Ursache im Verhältniswert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines dem Motor zugeführten Gasgemisches.
  • Es ist bereits bekannt geworden, eine dünne Meßelektrodenschicht auf der Oberfläche einer gesinterten Festkörperelektrolytschicht unter. Verwendung von Aufdampftechnik zu bilden, beispielsweise geht dies aus.
  • US-Pat No. 3,978,006 hervor. Ein nach diesem Verfahren hergestelltes Sauerstoffühlerelement ist hinsichtlich seiner Ansprechschnelligkeit verbessert. Dieses Sauerstoffühlerelement ist jedoch hinsichtlich seiner Haltbarkeit verschlechtert, da die aufgedampfte Meßelektrodenschicht nur sehr schlecht auf der gesinterten Festkörperelektrolytschicht haftet und sich leicht von der Festkörperschicht während des Gebrauchs des Sauerstofffühlerelementes unter harten Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise im Auspuffsystem eines Kraftfahrzeuges, abschält.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung eines Sauerstoffühlerelementes mit der oben beschriebenen Lamellenstruktur zu schaffen, das eine gesinterte Meßelektrodenschicht.
  • auf der Außenseite einer Festkörperelektrolytschicht aufweist. Das Verfahren soll sehr wirksam für die Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit auf Änderungen in der Sauerstoffkonzentration des mit der Meßelektrode in Kontakt gebrachten Gases sein.' Ebenso soll die Haltbarkeit des Sauerstoffühlereleiventes in heißer Gasatmosphäre verbessert sein.
  • Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung zur Tlerstelluny von Sauerstoffühlerelementen vom Konzentrationszellen-, typ besteht der erste Schritt darin, daß eine Folie vorbereitet wird, die aus einer Schutzschicht aus keramischem Material besteht. Des weiteren wird eine Referenzelektrodenschicht vorbereitet, die auf den größten Teil der Oberfläche der Schutzschicht auf ge-, legt wird Das Verfahren umfaßt ferner die Vorhereitung oder Herstellung Sauerstoffionen leitenden Festkörpere'lektrolytschicht, die auf der Referenzelektrodenschicht gebildet wird, so daß die Referenzelektrodenschicht fest und dicht zwischen der Schutzschicht und der Festkörperelektrolytschicht sandwichartig eingeschlossen ist. Des weiteren ist die Herstellung einer Meßelektrodenschicht vorgesehen, die eine mikroskopisch poröse und gasdurchlässige Struktur aufweist und auf sowie in direktem Kontakt mit der Festkörperelektrolytschicht gebildet wird. In der vorliegenden Erfindung wird diese Meßelektrodenschicht als erste Meßelektrodenschicht bezeichnet. Sie wird dadurch hergestellt, daB eine feuchte Zusammensetzung oder Komposition, die feine Partikel eines Elektrodenmaterials enthält1 auf die äußere Fläche der Festkörperelektrolytschicht aufgetragen wird., daß die aufgetragene Zusammensetzung-getrocknet und die unfertige Lamellenfolie beheizt oder befeuert wird, um die Elektrodenmaterialpartikel, die in der aufgetragenen Komposition enthalten sind, -zu sintern. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß danach eine zweite Meßelektrodenschicht gebildet wird, die eine mikroskopisch poröse und gasdurchlässige Struktur aufweist. Diese Schicht wird auf der ersten Elektrodenschicht durch Aufdampfen eines Metalles unter Verwendung einer Maske erzeugt. Die Maske weist eine Öff-nung auf, durch die nur die äußere Fläche der ersten Elektrodenschicht freiliegt.
  • Die physikalische Aufdampfung der zweiten Meßelektrodenschicht kann durch einen Sprühvorgang, durch einen Ionenplattierungsprozeß oder eine Vakuumverdampfung ergänzt sein. Vorzugsweise wird die zweite Meßelektrodenschicht bis zu einer Dicke von nicht mehr als 0,5 Mikron auf gedampft.
  • Zur Herstellung der zweiten Elektrodenschicht wird ein Metall.verwendet, das Oxidationsreaktionen von Kohlenmonoxid und KohIenwasserstoffe'n katalysieren kann.
  • Als typischer Vertreter sei genannt Platin oder seine Legierung mit einem anderen Metall der Platingruppe.
  • Die Hinzufügung der zweiten Meßelektrodenschicht zu der gesinterten ersten Meßelektrodenschicht durch physikalische Aufdampfung bewirkt eine Vergrößerung der effektiven Oberfläche der katalytischen Meßelektrode und eine Vergrößerung der zuvor genannten Tripelphasenpankte in dem Sauerstoffühlerelement Folglich werden auch die katalytischen Elektrodenreaktionen bei der Meßelektrode vorangetrieben. Bei einem Sauerstoffühl'erelement, das nach einem.Verfahren gemäß der ErEindung hergestellt ist, ist folglich die Ansprechgeschwindigkeit auf eine Änderung im Sauerstoffgehalt einer Gasatmosphäre, der das Element ausgesetzt ist, erhöht. Folglich ist dieses Sauerstofffühlerelement sehr geeignet für die Verwendung als Aüs--puffgasfühler in einem Rückkopplungsregelsystem für das Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Kra£tfahrzeugverbrennungsmotors. Beim Einsatz in einem solchen System kann die Zeitverzögerung zur Korrektur von Abweichungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses von dem gewünschten Wert und folglich die Genauigkeit der Regelung verbessert und die Abgasreinigung erleichtert werden. Neben dem verbesserten Ansprechen des Sauerstoffühlerelemen tes auch berelativ niedrigen Temperaturen wird ein Beitrag zur Verbesserung der Steuerbareit während der Startphase des Motors unter der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung des Regelsystems geleistet.
  • Die zweite Meßelektrodenschicht, die ausschließlich auf der gesinterten ersten Meßelektrodenschicht gebildet ist und deswegen in Kontakt mit der Festkörperelektrolytschicht nur durch die Poren in der ersten Meßelektrodenschicht steht, haftet an der ersten Meßelektrodenschicht mit ausreichender Adhäsionsstärke und weist somit eine gute Haltbarkeit auf, selbst dann, wenn das Saüerstoffühlerelement unter harten Bedingungn, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeugabgassystem eingesetzt wird. Darüber hinaus kann die Adhäsionskraft zwischen der ersten und zweiten Meßelektrodenschicht und die Haltbarkeit der zweiten Meßelektroden.-schicht und folglich die Haltbarkeit des gesamten Sauerstoffühlerelementes wesentlich durch Verwendung eines elektronisch leitenden Keramik-Metallgemisches als Material für die gesinterte erste Meßelektrodenschicht verbessert werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der-in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, Es zeigt: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Sauerstoffühlerelementes, das nach dem, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist; Fig. 2 die Anwendung des Sauerstoffühlereiementes der Fig. 1 in einem Gerät zur Ermittlung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses; Fig. 3, einen schematischen Schnitt durch ein Sauerstoffühlerelement t das dem Element der' Fig 1 ähnlich ist, jedoch nach einem Verfahren hergestellt ist, das nicht dem erfndungsgemäßen Verfahren entspricht; Fig. 4A-4G schematische Zeichnungen zur Erläuterung des Verfahrens zurlHerstellung des XSauerstoffühlerelementes der Fig. 1 durch ein Verfahren gemäß. der Erfindung, Fig. 5A ein zu Erläuterungszwecken vergrößerter Teilschnitt einer Elektrodenschicht; die durch einen Zwischenschritt eines Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung erzeugt wurde; Fig. 5B einen ähnlichen Schnitt einer anderen Elektrodenschicht, die auf der Elektrodenschicht der Fig. 5A durch den nächsten Schritt des gleichen He,rstellungsver-fahrens erzeugt worden ist; Fig. 6 eine Draufsicht einer Elektrodenschicht, die durch einen Zwischenschritt eines Herstellungsverfahrens erzeugt worden ist, die im allgemeinen in Übereinstimmung mit der Erfindung ist, jedoch etwas modifiziert; Fig. 7- eine Variation der Elektrodenschicht der Fig. 6 in einer ähnlichen Ansicht und Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Änderungen im Betrieb eines Kraftfahrzeugabgasreinigungssystems bei Verwendung verschiedener Arten Von Sauerstoffühlerelementen, von denen ein Teil nach dem Verfahren gemaß der Erfindung und ein anderer Teil durch andere Verfahren hergesteilt worden ist und diese ab.wechselnd im Reini-, gungssystem verwendet wurden.
  • Fig. 1 zeigt den fundamentalen Aufbau eines Sauerstofffühlerelementes 10, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Ein strukturelles Basi,s'-teil des Elementes 10 ist eine Basisplatte oder ein Substrat 12, das auf elektrochemisch inaktivem,keramischem Material hergestellt ist. Eine Referenzelektrodenschicht 16 ist auf dem größten Teil der Oberfläche des Substrats 12 ausgebildet Eine Schicht 18 eines Sauerstoffionen leitenden Festkörperelektrolyten ist auf derselben Seite des Substrates 12 gebildet, so daß diese Schicht dicht und im wesentlichen vollständig die Referenzelektrodenschicht 16 umschließt. Eine erste Meßelektrodenschicht 20 ist auf der äußeren Fläche der Fe.stkörperelektrolytschicht 18 gebildet. Eine zweite.
  • Meßelektrodenschicht 24 ist auf der äußeren Fläche der ersten Meßelektrodenschicht 20 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Meßelektrodenschicht 24 flächenmäßig etwas kleiner als die erste Meßelektrodenschicht 20'und weist eine solche Musterung auf r daß ein Randbereich 20a der ersten Meßelektrodenschicht 20 unbedeckt bleibt. Alternativ hiezu kann die zweite Meßelektrodenschichi 24 so ausgebildet sein, daß sie im weséntlichen die gesamte Fläche -der ersten Meßelektrodenschicht 20 überdeckt, wie dies anhand von Fig. 2 veranschaulicht ist. Es istjedoch erforderlich' daß die zweite Meßelektrodenschicht 24 nicht über den Rand der ersten Meßelektrodenschicht 20 hinausgeht.
  • Jede der Festkörperelektrolytschichten 18 und die beiden Elektrodenschichten 16 und 20 stellen eine dünne, filmähnliche Schicht dar (obwohl in der derzeitigen Elektroniktechnologie als "Dickfilm'i bezeichnet) so daß die Gesamtdicke dieser drei Schichten beispielsweise nur etwa 70 Mikron oder weniger beträgt. Die zweite.Meßelektrodenschicht 24 ist ein dünner Film, dessen Dicke vorzugsweise nicht mehr als 0,5 Mikron beträgt. Das Substrat 12 kann beispielsweise eine Dicke von 1 mm aufweisen. Gewünschtenfalls ist es möglich, die Festkörperelektrolytschicht 18 so dick und fest zu machen, daß sie als Basisglied der Struktur des Elementes die-.
  • nen kann. In diesem Fall kann das Substrat 12 durch eine dünne, filmähnliche Schicht eines keramischen Materials ersetzt sein. Im Hinblick auf dies Möglichkeit sowie im Hinblick auf die Tatsache, daß makroskopisch die Referenzelektrodenschicht 16 von der Umgebungsatmosphäre durch das Substrat 12 und die Festkörperelektrolytschicht 18 abgeschirmt ist, wird in vorlieyender Anmeldung das Substrat 12 oder' die diesem entsprechende dünne Schicht als Schutzschicht bezeichnet.
  • Vorzugsweise sind die Außenflächen des aus mehreren Schicht ten bestehenden Teils des Elements 10 mit einer Uberzugs-oder Schutzschicht 26 überzogen, die aus keramischem Material besteht und eine poröse Struktur aufweist, bamit das zu messende Gas durch sie hindurchtreten kann.
  • Wenn es vorgesehen ist, das Sauerstoffühlerelement 10 in Gasatmosphäre in relativ niedriger Temperatur zu verwenden, wie dies beispielsweise in dem Fall eines Geräts zur Ermittlung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in einer Verbrennungsmaschine beim Betrieb während der Startphase auftritt, während der die Temperatur des'Auspuffgases nicht ausreichend hoch ist, kann ein Heizelement 14 in Form entweder eines dünnen Drahtes oder einer dünnen Schicht eines elektrischen Widerstandsmetall in die Schutz- oder Abschirmschicht 12 eingebettet sein Dies ist aus dem Grund vorzusehen, da es eine Eigenschaft von Sauerstoffionen leitenden F'estkörperelektrolyLen soll.
  • daß bei relativ niedrigen Temperaturen die Leitfähigkeit der Sauerstoffionen in der FestkörperelektrOlytsChiCht 18 so gering ist, daß das Sauerstoffühlerelement 10 nicht ordnungsgemäß arbeiten kann. In diesem Fall kann die Abschi-rmschicht 72 durch Aufeinanderlegen zweier Filme 12a und 12b unter Zwischenschaltung eines Heizelementes 14 hergestellt sein.
  • Wenngleich in Fig 1 nicht dargestellt, sind elektrische Leitungen mit der ersten Referenzelektrodenschicht 16 und der ersten Meßelektrodenschicht 20 verbunden, um eine elektromotorsiche Kraft zu leiten, die durch die Sauerstoffkonzentrationszelle erzeugt wird, die aus den vier Schichten 16, 18, 20 und 24 besteht. Das Heizelement 14 weist ebenfalls Anschlußleitungen.zur Zuführung eines Heizstromes auf.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung unterliegen die Materialien und Verfahren für die Herstellung der Abschirmschicht 12, der Referenzelektrodenschicht 16 und der Festkörperelektrolytschicht 18 keinen besonderen Beschränkungen.
  • Für die Abschirmschicht 12 wird keramisches Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, Mullit, Spinell, Forsterit oder Steatit verwendet. Wenn die.Abschirmschicht 12 als Substrat des Elementes 10 dienen soll, wird diese beispielsweise durch Sinterung einer sogenannten Grünlingsschicht hergestellt, die durch Gießen oder Extrusion einer feuchten, ein Pulver eines keramischen Materials als-Hauptkomponente enthaltenden Mischung gewonnen Eine weitere Möglichkeit ist das Sintern.von preßgeformtem Pulvermateriai oder die Verarbeitung einer gesinterten Platte aus einem ausgewählten keramischen Material Typische Beispiele für die elektrischen Widerstandsmetalle, die als Heizung 14 verwendet werden, sind Platin, Wolfram und Molybdän. Beispielsweise kann die Heizung 14, in der Abschirmschicht 12 als eine Einheit aus zwei Blattfolien 12a und 12b dadurch eingebettet werden, daß eine ein Platinpulver enthaltende Paste auf eine der Schichten 12a oder 12b aufgebracht-wird, bevor diese beiden verbunden werden. Danach werden sowohl die aufgedruckte Pasten3chicht als auch die beiden Platten 12a und 12b gesintert.
  • Soweit das Material der Referenzelektrodenschicht 16 betroffen ist, kann dieses aus zwei Kategorien von Elektrodenmaterial ausgewählt werden, je nachdem, nach welchem Verfahren ein Referenzsauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen dieser Elektrode 16 und der Festkörperelektrolytschicht 18 erzeugt wird Sofern vorgesehen ist, den Referenzsauerstoffpartialdruck ohne Bezug auf-eine externe Maßnahme einzurichten, wird yon einem elektronisch leitenden Gemisch eines Metalls und seines Oxides wie beispielsweise Ni-NiO, Co-CoO oder Cr-Cr203, Gebrauch gemacht. Dieses Gemisch dient als Quelle einer geeigneten Menge Sauerstoffs innerhalb der genannten Konzentrationsguelle. Wenn es gewünscht ist, den Referenzsauerstoffpartialdruck durch Durchleiten eines Gleichstromes durch die Konzentrationszelle in diesem Element 10 einzustellen, wird die Referenzelektrodenschicht 16 aus einem Metall hergestellt, das vorzugsweise aus den Metallen der Platingruppe wie etwa Pt, Ru, Pd, Rh, Os und Ir ausgewählt ist Ebenso kommen Legierungen dieser Platingruppenmetalle und Legierungen der Platingrupperlmetalle mit einem Basismetall in Betracht, ln Falle daß -erwähnt - der Referenzsauerstoffpartialdruck durch Durchleiten eines Gleichstromes durch die Konzentrationszelle in dem Element 10 eingestellt wird, fließt ein Strom geeigneter Intensität durch die Festkörperelektrolytschicht 18, wodurch die Sauerstoffionen durch die Festkörperelektrolytschicht 18 hindurch in Bewegung zwischen der Referenzelektrodenschicht 16 und der Meßelektrodenschicht 20 in einer bestimmten gewählten Richtung und in einer geeigneten Rate gehalten werden wie dies in US-Pat No. 4 207 159 und 4 224 113 beschrieben ist. Die Referenzelektrodenschicht 16 ist so gestaltet, daß sie eine mikroskopisch porÖse Struktur aufweist, die für Gasmoleküle durchlässig ist.
  • Beispielsweise kann die Referenzelektrodenschicht 16 dadurch hergestellt sein, daß eine ein pulverformiges Elektrodenmaterial enthaltende Paste auf die äußere Fläche der Abschirmschicht 12 durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht wird, die dabei entstehende Pastenschicht getrocknet .und danach die getrocknete Schicht Feuer oder Hitze ausgesetzt wird Das- Material für die Festkörperelektrolytschicht 18 kann ausgewählt sein aus einer Gruppe von Sauerstoffionen leitenden Festkörpxerelektrolytmaterialien, die üblicherweise für Sauerstoffühler vom Konzentrationszellentyp verwendet werden. Einige Beispiele sind ZrO2, stabilisiert mit CaO, Y203, SrO, MgO, Th02, W03 oder Ta205; Bi2O3, stabilisiert mit Nb'2O5, SrO, WO3', : Ta205 oder Y203 und Y203, stabilisiert mit ThO2 oder CaO. Im Fall, daß die Referenzelektrodenschichte 16 aus einer Metall-Metalloxid-Mischung hergestellt ist, um als Quelle für die Erzeugung eines Sauerstoffpartialdruckes zu dienen, wird die Festkörperelektrolytschicht 18 so ausgebildetZ daß sie eine dichte, für Gase praktisch undurchlässige Struktur aufweist. In dem Fall, daß der Referenzsauerstoffpartialdruck in der oben beschriebenen Weise durch Beaufschlagung mit Strom eingestellt wird, wird die Festkörperelektrolytschicht 18 so ausgebildet, daß sie mikroskopisch porös und für Gasmoleküle durchlässg' ist. Im letzteren Fall wird die Festkörperelektrolytschicht 18 vorzugsweise so hergestellt, daß eine.ein pulverförmiges Festkörperelektrolytmaterial enthaltende Paste auf. die Abschirmschicht 12 aufgebracht wird, die mit der Referenzelektrodenschicht 16 belegt worden ist, daß danach die entstehende Pastenschicht getrocknet und die getrocknete Pastenschicht Feuer oder Hitze ausgesetzt wird.
  • Die erste Meßelektrodenschicht 20 wird so hergestellt, daß sie mikroskopisch porös und durchlässig für Gasmoleküle ist Für die Herstellung dieser Elektrodenschicht 20' wird ein elektronisch leitendes Material verwendet, das korrosionsbeständig ist und das in der Lage ist, die Oxidationsreaktionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen etc. zu katalysieren. Zur Herstellung dieser porösen Struktur wird diese Elektrodenschicht 20 dadurch aufgebaut,-daß eine feuchte Komposition oder Zusammensetzunyt wie eine Paste, die pulverförmiges Elektrodenmaterial enthält, auf die äußere Fläche der Festkörperelektrolytschicht 18 aufgetragen wird, die daraus hervorgehende Pastenschicht getrocknet und danach die getrocknete Schicht einer Befeuerung oder Hitze ausgesetzt wird, um die Elektroden materialpartikel zu sintern. Ublicherweise wird ein Siebdruckverfahren zum Auftragen der feuchten oder wäßrigen Mischung (Paste) eingesetzt.
  • üblicherweise werden Metalle der Platingruppe und ihre Legierungen .als Material der ersten Neßeiektrodenschicht.
  • 20 verwendet. Die Verwendung von Platin oder seiner Legierung mit -einem anderen Metall der Platingruppe, wie beispielsweis.e eine Legierung Pt-Rh6 ist vorzuziehen.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch vorzuziehen, als Material für die erste Meßelektrodenschicht 20 ein elektronisch leitendes Keramik-Metallgemisch im Hinblick auf die Adhäsionsfestigkeit und die Dauerhaftigkeit der zweiten Meßelektrodenschicht 24, die danach gebildet wird, zu verwenden. Für diesen Zweck ist als Metallkomponente für das Keramik-Metallgemisch die Verwendung von Platin oder seiner Legierung mit einem anderen Metall der Platingruppe geeignet. Die Keramikkomponente des Keramik-Metallgemisches kann aus verschiedenen.Ar-ten von Metalloxiden ausgewählt werden, die geeignet sind, eine feste Adhäsion an der Festkörperelektrolytschicht 18 nach der Sinterung herbeizuführen Einige Beispiele brauchbarer Metalloxide sind Fe2O3, NiO, Cr203, CuO, ZrO21 MgO, CaO, Y203, Ai2O3 und TiO2 und es ist möglich, Mischungen von mindestens zwei Arten von Metalloxiden zu verwenden. Die Keramikkomponente des Keramik-Metallgemisches ist vorzugsweise im wesentlichen ähnlich dem Material der Festkörperelektrolytschicht 18, wie beispielsweise Z r.O 2-CaO, ZrO2-Y2O3, ZrO2-MgO oderY2O3-CaO. Dadurch, daß bei der gleichzeitigen Sinterung der Festkörperelektrolytschicht und der Meßelektrodenschicht 20 eine gegenseitige Diffusion der Festkörperelektrolytschicht und der Elektrodenmaterialien durch die Grenzfläche zwischen den beiden-Schichten 18 und 20 stattfindet, ergibt sich eine sehr starke Adhäsion zwischen der Festkörperelektrolytschicht 18 und der ersten Meßelektrodenschicht 20 dadurch, daß die Oxide des Festkörperelektrolyten als keramische Komponenten der aus dem Keramik-Metallgemisch bestehenden Elektrode 20 verwendet werden Bei der Herstellung der ersten Meßelektrodenschicht 20 aus dem-Keramik-Metallgemisch durch das zuvor genannte Druck-Befeuerungs- oder Hitzeverfahren wird von einer Paste Gebrauch gemacht, die dadurch hergestellt wird, daß eine pulverförmige Mischung aus der Metallkomponente und der Keramikkomponente in einem organischen Träger, der sich aus einem organischen Bindemittel und einem Lösungsmittel zusammensetzt, gleichmäßig dispergiert wird. Vorzugsweise wird das Verhältnis zwischen der Keramikkomponente und der Metallkomponente so eingestellt, daß nach der Sinterung die Keramikkomponente 3 bis 30% des Gesamtvolumens der aus dem Keramik-Metallgemisch bestehenden ElektrodenscWicht 20 einnimmt.
  • bie Si.nterung der Abschirmschicht 12, der Referenzelektrodenschicht 16, der FestkörperelektrOlytsChicht 18 und der ersten Meßelektrodenschicht 20 sollte vor der Bildung der zweiten Meßelektrodenschicht 24 durchgeführt werden. Um diesem Erfordernis zu entsprechen, können diese vier Schichten 12, 16, 18 und 20 einzeln eingebrannt werden, d.h. jede in einem Zustand, in dem sie eine vollkommen freiliegende Außenfläche aufweist. Vor--zuziehen ist jedoch eine Alternative, bei der diese vier Schichten 12, 16, 18, 20 (und falls gewünscht das Heizelement 1,4 ebenfalls) oder die oberen drei Schichten 16, 18, 20 gleichzeitig gesintert werden, wobei zuerst der Aufbau aus diesen Schichten 12, 16, 18, 20 (nicht eingebrannte Schichten jeweils als Zwischenschichten dieser vier Schichten) durch übereinanderlegen hergestellt wird,.
  • Ohne eine dieser Schichten im Laufe des Laminierungsverfahrens einzubrennen, wonach der entstehende .Schichtenaufbau einem Einbrennprozeß unterzogen wird, der in atmosphärischer Luft durchgeführt wird.
  • Nach der Bildung der gesinterten ersten lKeßelektrodenschicht 20 wird das unvollständige Element einer Ultraschallreinigung in einem organischen Lösungsmittel unterzogen. Dies dient als Vorbereitungsschritt ,fb'r di:e Brzeugung der zweiten Meßelektrodenschicht 24.
  • Für die zweite Meßelektrodenschicht 24 kann ein elektrowisch leitendes Material aus der Gruppe der katalytischen und nicht-korrosiven Metalle und Legierungen,die in bezug auf die erste Meßelektrodenschicht 20 erwähnt wurden, ausgewählt werden. Vorzugsweise wird Platin oder eine Platin legierung mit einem anderen Metall der Platingruppe verwendet. Diese Elektrodenschicht 24 wìrd-mikroskopisch.
  • porös und für Gasmoleküle durchlässig ausgebildet und muß im Gegensatz zur ersten Meßelektrodenschicht 20 durch einen physikalischen Aufdampfprozeß, wie beispielsweise einen Versprühprozeß, Ionenplattierung oder Vakuumverdampfung hergestellt werden. Die Eigenschaften dieser Elektrodenschicht 24 werden weiter unten im Detail bescilrieben.
  • Die poröse Schutzschicht 26 wird aus keramischem Material wie beispielsteise Aluminiumoxid, Mullit, Spinell oder Calciumcirconat beispielsweise durch Anwendung eines Plasmasprühverfahrens erzeugt.
  • Vorzugsweise liegt die Dicke der gesinterten ersten Meßelektrodenschicht 20 in einem Bereich von 5 Mikron bis etwa 20.Mikron, während die zweite Meßelektrodenschicht 24, die durch Aufdampfung hergestellt worden ist, wesentlich dünner und vorzugsweise nicht dicker als 0,5 Mikron ist. Die Mindestdicke der zweiten Meßelektrodenschicht 24 ist unter praktischen Gesichtspunkten etwa 0,1.Mikron.
  • Figur 2 erläutert die Anwendung eines Sauerstoffühlerelementes, das nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist; bei einem Gerät zur Festlegung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses einer Ltlft/Brennstoff-Mischung, die einer' Verbrennungseinrichtung, wie, beispielsweise einem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Die Festlegung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfolgt durch Ermittlung der Konzentration des Sauerstoffs im Verbrennungs- oder Auspuffgas. De Grundprinzipien dieses Detektors zur Ermittlung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses sind in den US-Patentschriften 4 207 159 uqd 4 224 113 beschrieben. Die Sauerstoffühlerelemente'dieser bekannten Detektoren enthalten jedoch keine Elektrodenschicht, die der weiten Meßelektrodenschicht 24 bei der Erfindung entspricht Bei diesen bekannten Geräten zur Festlegung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses ist eine Gleichspannungs/Stromquelle, 28 mit der Referenzelektrode t6 und der ersten Meßelektrode 20 des Sauerstoffühlerelements 10 parallel mit einem Spannungsmeßgerät 30 zur Messung der Ausgangsspannung des Elementes 10-verbunden, um einen Gleichstrom einer geeigneten und gesteuerten Intensität (beispielsweise 10 Mikroampere) durch die Festkörperelektrolytschicht 18 zwischen den beiden Elektrodenschichten 16 und 20 zu leiten, um dabei eine geeignete Wanderungsrate von Sauerstoffionen, durch die Festkörperelektrolytschictlt 18 zu erzielen. Die Ionenwanderung erfolgt von einer der be.iden Elektrodenschichten 16, 20 jeweils zur anderen, wobei die Konversion von Sauerstoffmolekülen in Sauerstoffionen oder die Konversion von Sauerstoffionen in Sauerstoffmolekule an der katalytischen Meßelektrodenschicht 20, 24 stattfindet, die mit dem Auspuffgas in Kontakt steht Eine entgegengesetzte Umwandlung findet an der Referenzelektrodenschicht 16 statt, zu der das Auspuffgas durch die Mikroporen in der Festkörperelektrolytschicht 18 diffundiert. Als zusätzlicher Effekt zur Wanderung der Sauerstoff ionen und Diffusion der Sauerstoffmoleküe in der Festkörperelektrolytschicht 18 kann ein Refcrenzsauerstoffpartialdruck geeigneter Größe an der GrenzfläcIit-' zwischen der Referenzelektrodenschicht 16 und der Festkörperelektrolytschicht 18 eingestellt werden. Beispiels-' weise, wen der Motor mit einer mageren Mischung betrieben wird, die ein Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist, das größer als das stöchiometrische' Verhältnis ist, wird der Gleichstrom durch di.e Festkörperelektrolytschicht 18 von der Meßelektrodenschicht 20 in Richtung auf die Referenzelektrodenschicht 16 geschickt, wodurch ein Referenzsauerstoffpartialdruck, der verhältnismäßig klein ist, an der zuvor genannten Grenzfläche in dem Element 10.
  • erzeugt und aufrechterhalten wird.
  • Wenn das Sauerstoffühlerelement 10 so ausgelegt ist, daß ein Referenzsauerstoffpartialdruck unter Verwendung einer Metall-Metalloxid-Mischung als Material für die Referenzelektrodenschicht 16 erzeugt wird, wird ein Gerät analog dem Verwendungszweck dem Gerät der Figur 2 hergestellt, jedoch ohne die Gleichspannungsquelle 28. Die Vorrichtung der'Figur 2 ist jedoch sehr vorteilhaft, wenn es darum geht, exakt numerische Werte des Luft/Brennstoff-Verhältnisses entweder einer mageren Mischung oder einer fetten Brennstoffmischung zu ermitteln.
  • Zum Vergleich zeigt Figur 3 ein Sauerstoffühlerelement 40, das dem Element 10 der Figur 1 ähnelt und nach dem 'gleichen Prinzip arbeitet, jedoch nach einem Verfahren gemäß dem Stande der Technik hergestellt ist. Bei diesem Element 40 ist auf der äußeren Seite der Festkörperelektrolytschicht 18 nur eine einzige Schicht einer porösen gesinterten Elektrode 20 vorgesehen, die der ersten Meßelektrodenschicht 20 beim Element 10 der Figur 1 entspricht. Wie einleitend beschrieben, ist das Sauerstoffelement 40 der Figur 3 nicht vollkommen zufriedenstellend-was die Ansprechschnelligkeit auf eine Änderung in der Sauerstoffkonzentration des Gases-betrifft, mit dem es mit seiner gesinterten Meßelektrode 20 in Kontakt tritt.
  • Beispiel 1 Die Figuren 4A bis 4G dienen zur Erläuterung eines Verfahrens, das in diesem Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, um ein Sauerstoffühlerelement 10 gemäß Figur 1 zur Verwendung in einem Gerät für die Ermittlung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der in Figur 2 gezeigten Art herzustellen.
  • Unter Bezugnahme auf Figuren 4A bis 4B wird ein Blatt eines Aluminiumoxidgrünlings 12a.(5 mm x 9 mm in der Fläche und 0,7 mm dick) sowie ein Blatt eines weiteren Aluminiumoxidgrünlings 12b, der in Material und Abmessungen ähnlich dem Blatt 12a ist, jedoch drei Löcher 31, 33, 35 (0,6 mm ihm Durchmesser) aufweist, dazu verwendet eine uneingebrannte Abschirmschicht 121 herzustellen. Wie in Figur 4A dargestellt, sind drei Platindrähte 32, 34,'36 (0,2 mm im Durchmesser) teilweise auf dem Aluminiumoxidgrünlingblatt 12a in einer Weise angeordnet, dieser Anordnung der Löcher 31, 33, 35 des anderen Blattes 125 entspricht. Eine Paste, die durch Dispersion von 70 GewO-Teilen eines Platinpulvers in 30 Gew.-Teilen eines Lackes der einen Harzbinder und ein organisches Lösungsmltte.l enthält, hergestellt ist, wurde auf die Oberfläche des gleichen Blattes 12a durch eine Siebdrucktechnik auf getragen, um eine Pastenschicht 141 zu erzeugen, die ausgedehnt ist und in der Form ihrer Draufsicht meanderförmig verläuft und an den Spitzenteilen der Platindrähte 32 und 36 endet. Nach dem Trocknen dieser Pastenschicht 14' wurde das gebohrte Blatt 12b auf das andere Blatt 12a aufgelegt derart, daß die Spitzenteile der drei -Drähte 32, 34, 36 jeweils gerade unterhalb der drei Löcher 31, 33, 35 zu liegen kamen, wie dies aus Figur dB hervorgeht. Die beiden.Blätter 12a, 1 2b wurden in diesem Zustand durch Anwendung eines Druckes von 10 kg/cm² miteinander verbunden, um eine uneingebrannte Abschirmschicht 12' zu erzeugen, die mit Drähten 32, 34, 36 und der Platinschicht- 141 zur Herstellung eines Heizelementes 14 in Figur 1 durch einen nachfolgenden Einbrennprozeß versehen ist.
  • Danach wurde die zuvorgenannte Platinpaste auf die äußere Fläche der uneingebrannten Abschirmschicht 12' (die äußere Fläche des gebohrten Blattes 12b) mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens aufgetragen, so daß eine Pastenschicht 16', wie' in Figur 4C gezeigt, entstand. Diese Pastenschicht 16' erstreckt sich bei zu dem Loch 33 in der Abschirmschicht 12', um dieses Loch 33 mit Platinpaste, die vor dem nächsten Verfahrensschritt getrocknet wird, aufzufüllen.
  • Danach wurde eine Festkörperelektrolytpaste, die durch Dispersion von 70 Gew.-Teilen eines pulverförmigen ZrO2-y203 (Molverhältnis 95:5) in 30 Gew.'Teilen eines Lackes hergestellt wurde, auf die äußere Fläche der getrockneten Platinschicht 16 durch Siebdrucken aufgetragen, so daß eine Pastenschicht 18',die in Figur 4D entstand. Diese wurde anschließend getrocknet. Im Ergebnis war die Platinschicht 16' im wesentlichen vollständig (abgesehen von dem länglichen Teil, der sich bis zu dem Loch 33 erstreckte, welcher Teil als Teil des Drahtes aufgefaßt werden kann), durch die Festkörperelektrolytschicht 18 bedeckt, die.noch nicht gesintert war Eine Reramik-Metallgemisch-Paste wurde durch Mischung von 95 Gew.-Teilen eines Platinpulvers mit 5 Gew.-Teilen des zuvorgenannten ZrO2-?2O3-Pulyers (in Volumenteilen ist das Verhältnis' von Platinpulver zu ZrO2-?203-Pulver 89:11) und durch Dispersion von 70 Gew.-Teilen der Pulve.rmischung in 30 Gew.-Teilen Lack hergestellt. Diese Paste wurde auf die äußere Fläche der getrockneten, jedoch uneingebrannten Festkörperelektrolytschicht 18' durch Siebdrucken aufgetragen, so daß eine Schicht 20' aus einem Keramik-Metall-Gemisch, wie in Figur 4E'dargestellt, entstand, die sich bis zu, dem Loch 35 in der uneingebrannten Abschirmschicht 12' erstreckte,', um dieses Loch 35 mit Keramik-Metall-Gemischpaste aufzufüllen.
  • Nach dem Trocknen der Schicht 20' aus Reramik-Metall-Gemisch-Paste wurde der Schichtenaufbau im Zustand der Figur 4E einem Einbrennprozeß unterworfen, der-in atmosphärischer Luft bei einer Temperatur von 15000C während einer Zeit von 2 Stunden durchgeführt worden ist, um eine gIeichzeitige Sinterung aller der Schichten 12', 14', 16', 18' und 20' zu erreichen. Im Ergebnis wurden die Platinschicht 16', die Festkörperelektrolytschicht 18 und die Keramik-Metall-Gemischschicht 20' jeweils zur Referenzelektrodenschicht 16, zur Festkörperelektrolytschicht 18 und zur ersten Meßelektrodenschicht 20 gemäß Figur 1 Zur gleichen Zeit wurde die uneingebrannte Abschi,rmschicht 129 zur festen Keramikabschirmschicht 12 und die Platinschicht 14' in der Abschirimschicht wurde zur Heizung 140 Nach dem Einbrennprozeß hatte die Referenzelektrodenschicht 16 eine Dicke von 15 bis 20 Mikron und die Festkörperelektrolytschicht 18 wies eine Dicke von 30 Mikron auf, während die erste Meßelektrodenschicht 20 eine Dicke von 10 bis 15 Mikron hatte.
  • Unter Bezugnahmeauf Figur 4F wurde die zweite Meßeiektrodenschicht 24 gemäß Figur 1 durch Niederschlagen von Platin auf der Fläche der yesinterten ersten Meßelektrodenschicht 20 durch Sprühen gebildet, Diesem Sprühen ging eine Ultraschallreinigung des eingebrannten unvollständlgen Elementes in einem organischen Lösungsmittel voraus.
  • Das be.reits'eingebrannte und gereinigte Element wurde in eine konventionelle Sprühvorrichtung gebracht, wobei eine Maske verwendet wurde, die eine Öffnung aufwies, so daß der Platinfilin in einem Muster aufgebracht wurde, wie,dies durch die schraffierte Fläche, in Figur 4F dargestellt ist Das bedeutet, daß ein Randbereich 20a der ersten Meßelektrodenschicht 20 durch die Maske bedeckt war und die Öffnungsfläche der Maske etwa um 10% kleiner als die Oberfläche der ersten Meßelektrodenschicht 20 war Folglich kam das niedergeschlagene Platin in Kontakt mit der Festkörpereiektrolytschicht 18 nur durch die Poren in der gesinterten Meßelektrodenschicht 20. Anfänglich wurde die Vakuumkammer der Vorrichtung bis auf einen Druck unterhalb von 1 x 10 5 Torr ausgepumpt und danach mit Argongas gefüllt, bis der Druck in der Kammer in einem Bereich von 1 x 10 3 bis 5 x 10 2 Torr lag. Durch die Erzeugung des anfänglichen Hochvaküums wurde der Einfluß'von Verunreinigungen und insbesondere von Restgas auf 'die Qualität des niedergeschlagenen Films verringert, Der Vakuumbereich von 1 x 10 3 bis 5 x 10 Torr nach dem Einführen des Argongases wurde gewählt, weil ein größeres Vakuum Schwierigkeiten beim Auftreten von Glühentladung verursacht und weil ein geringeres Vakuum zu .versch'iedenen Problemen, wie beispielsweise die Veru'nreinigung des niedergeschlagenen Films mit Restgas und dem eingeleiteten Gas führt. Darüber hinaus führt ein höherer Druck zur Herabsetzung der Niederschlag'srate infolge der Streuung der versprühten Atome Der zuvor genannte Vakuums-.bereich ist der günstigste, wenn' die Reinheit und die Adhäsionskraft des niedergeschlagenen Films sowie die Produktivität gemeinsam in Betracht gezogen werden.
  • Nach dem Einführen des Argongases in d'er genannten Art und-Weise wurde der Versprühprozeß durch Anwendung einer elektrischen Leitung von 0,15 - 0,3 kW-dur.chgeführt. In diesem Fall wurde Platin als Targetmaterial im'Hinblick auf seine guten elektronischen Leiteigenschaften und seine- katalytische Aktivität verwendet. Ein vergleichbares Material ist eine Platinlegierung wie beispielsweise Pt-Rh. Das Versprühen wurde eingestellt, als die Dicke des niedergeschlagenen Filmes, d.h. die Dicke der zweiten Meßelektrodenschicht 24, den Wert von 0,4 - 0,5 Mikron erreicht hatte.
  • Unter Bezugnahme auf Figur 4G wurde die Herstellung des -Sauerstoffühlerelementes 10 durch ein Plasmasprühen eines Splnellpulvers auf die Frontseite der Außenflächen des Elementes im Zustand der Figur 4F vervollständigt, wodurch eine gasdurchläSsige poröse Schutzschicht 26 mit einer Dicke von 60 - 80 Mikron entstand. Bei diesem Sauerstofffühlerelement 10 wurden die Drähte.34 und 36-zur Zufuhr eines Gleichstromes in die Sauerstoffkonzentrationszelle dieses Elementes 10 verwendet. Die Drähte 32 und 36 wurden für die Zufuhr eines Heizstromes für den Heizer 14 herangezogen. Das bedeutet, daß der Leitungsdraht 36 als gemeinsame Masse für die Konzentrationszelle und die Heizung 14 eingesetzt wurde.
  • Beispiel 2 In Übereinstimmung mit Beispiel 1 wurden die anhand der Figuren 4A bis'aE erlauterten Schritte durchgeführt und der Schichtenaufbau im Zustand der Figur 4E wurde einem Einbrennprozeß, wie er im Beispiel 1 beschrieben wurde, unterzogen.
  • Nach einer Ultraschallreinigung in einem organischen Lösungsmittel und nach der Trocknung wurde. der eingebrannte Schichtenaufbau in eine konventionelle Ionenplattierungsvorrichtung eingesetzt, wobei eine Maske verwendet wurde, die eine Öffnung aufwies und ähnlich der im Beispiel 1 verwendeten Maske war Anfänglich.
  • wurde die VakuumRammer der Vorrichtung auf einen Druck -5 von 1 x 10 Torr ausgepumpt, um das Restgas möglichst gering zu halten. Danach wurde Sauerstoff in die Kammern eingeführt, bis der Druck in der Kammer im Bereich von 1 x 10-3 bis 5 x 10-2 Torr lag. Die Verwendung eines Sauerstoff-Argongas-Gemisches anstelle von reinem Sauerstoff ist, möglich. In beiden Fällen werden die äußere Fläche der gesìnterten ersten Meßelektrodenschicht 20, einschließlich der Flächen in den Mikroporen dieser Schicht 20, und die FesLkörperelektrolytfläche1 die über die Mikroporen der Elektrodenschicht 20 freilie3L, gereinigt und aktiviert durch Ionenhombardement mit Sauerstoffionen,.die aus dem eingeführten Gas kommen.
  • Zusätzlich erzeugt die Anwesenheit von Sauerstoff in der Kammer einen vorteilhaften Einfluß auf die Art und Weise des Anwachsens des niedergeschlagenen Metallfilms 24.
  • Vorzugsweise liegt das Vakuum nach Einführung-entweder des Sa'uerstoffgases oder des Sauerstoff-Argongases in einem Bereich von 1 x 10-3 bis 5 x 10-2 Torr, da ein höheres Vakuum Schwierigkeiten beim Auftreten der Glühentladung verursacht, während ein geringeres Vakuum verschiedene-Probleme erzeugt, wie beispielsweise Oxidationsverunreinigung der Kammer infolge der Anwesenheit einer größeren Menge von Sauerstoff in der Kammer, Intrusion des eingeführten Gases in den niedergeschlagenen Film und Herabsetzung der Produktivität infolge von Streuung des verdampften und ionisierten Elektrodenmaterials.
  • Nach dem-Einführen des Sauerstoffgases in die Kammer in der beschriebenen Art und Weise-wurde ein elektrisches Feld in'der Kammer zur Erzeugung einer GlEhentlådung angelegt, und danach das Verdampfungsfilament aus Platin beheizt, um den Niederschlag des Platinfilms auf der gesinterten Meßelektrodenschicht 20 einzuleiten. Der Ionenplattierungsvorgang wurde eingestellt,.als die Dicke der niedergeschlagenen z-weiten'Meßelektrodenschicht 24 einen Wert von 0,4 - 0,5 Mikron erreicht hat.
  • Die Herstellung des Sauerstoffühlerelementes 10 wurde durch Bildung einer porösen Schutzschicht 26 entsprechend dem in Beispiel 1 angewandten Verfahren vervo.llständigt.
  • Beispiel 3 Die anhand der Figuren 4A bis 4E erläuterten Verfahrensschritte -wurden wie in Beispiel 1 durchgeführt und der Schichtenaufbau im Zustand gemäß Figur 4E wurde dem Einbrennprozeß, wie er in Beispiel 1 beschrieben IStr unterworfen.
  • Nach Ultraschallreinigung in einem organischen Lösungsmittel wurde das eingebrannte, jedoch noch unvollstandige Element in eine konventionelle Vorrichtung für die.Vakuumaufdamp.fung gebracht Dabei wurde eine Maske verwendet, die eine Öffnung aufwies und ähnlich gemäß der in Beispiel 1 verwendeten Maske war Zur Vorbereitung wurde die VakuuStammer der Vorrichtung auf einen Druck unter-.
  • halb von 1 x 10 5 Torr ausgepumpt, um den .Restgas'anteil möglichst gering zu halten. Danach wurde Sauerstoff in die Kammer eingeführt bis der Druck in der Kammer im Bereich von 1 x 10-3 bis 5 x 10-2 Torr lag. Dieser Vakuumbereich ist vorteilhaft, da ein höheres Vakuum Schwierigkeiten beim Auftreten der Glühentladung, verursacht und weil ein geringeres Vakuum zu einer Herabsetzung der Wirksamkeit der Sprühätzung (weiter un@en beschrieben) infolge der Streuung der Moleküle des Restgases und des eingeführten Gases führt. Die Verwendung eines Sauerstoff-Argongas-Gemisches anstelle von reinen Sauerstoff gas ist möglich.
  • Vor dem Beginn der Vakuumverdampfung wurde ein elektrisches Feld in der Sauerstoff enthaltenden Kammer erzeugt, um eine Glühentladung zu verursachen und dadurch die Sprüherhitzung der äußeren Fläche der gesinterten ersten Meßelektrodenschicht 20 und der Festkörperelektrolytschicht, die in den Poren der ersten Meßelektrodenschicht 20 freiliegt, zu vervollkommnen. Diese Sprühätzbehandlung hat die Wirkung einer Verstärkung der Adhäsionskraft zwischen der zweiten Meßelektrodenschicht, die durch die nachfolgende Vakuumverdampfung erzeugt wird, und der ersten Meßesektrodenschicht 20.
  • Verschiedene Verunreinigungen, die an der ersten Meßelektrodenschicht 20 und der Festkörpe relektrolytf Iäche , die in den Poren der Elektrodenschicht 20 freiliegt, auch nach'der Ultraschallreinigung anhaften, können durch Erneuerung dieser Flächen durch'ein Sprghätzver'fahren oder Ionenbombardement beseitigt werden, wobei die Ionen durch Ionisierung der Sauerstoffmoleküle de's in die Vakuumkammer eingeführten Gases erzeugt werden. Dabei werden gleichzeitig diese Flächen hinsichtlich ihrer Oberflächenrauhigkeit verbessert.
  • Nach dem Sprühätzprozeß wurde die Kammer erneut auf einen Druck unterhalb von 1 x lo 5 Torr ausgepumpt, um die kontaminierenden Verunreinigungen zu entfernen, die durch das Sprühätzverfahren herausgeschlagen wurden, und um auf diese Weise die Intrusion, d.h. die Verwicklung dieser Verunreinigungsteile in die durch den nachfolgenden Vakuumverdampfungsvorgang zu erzeugende Elektrodenschicht' zu vermeiden. Danach wurde der Heizer für den Verdampfer (Platin in diesem Beispiel) angestellt, um den Niederschlag des Platins auf der'geätzten Ober-Fläche der ersten Meßelektrodenschicht 20 einzuleiten.
  • Das Verdampfen wurde beendet, als die Dicke der niedergeschlagenen Elektrodenschicht 24 einen Wert von 0,4, -0,5 Mikron erreicht hatte.
  • Als Endschritt wurde die poröse Schutzschicht 26 ebenso wie in Beispiel 1 erzeugt.
  • Beispiel 4 Dieses Beispiel ist im wesentlichen gleich dem Beispiel 3.
  • Ein einziger Unterschied besteht darin, daß die erste, Meßelektrodenschicht 20 durch Verwendung einer Platinpaste, die in Beispiel 1 beschrieben istt.anstelle einer Paste eines Keramik-Metall-Gemisches, wie es in den Beispielen 1 bis 3 verwendet wurde, hergestellt wurde.
  • Die entscheidenden Gründe für das Vorsehen der zweiten Meßelektrodenschicht 24 gemäß der Erfindung werden unter Bezug. auf die Erläuterungszeichnungen der Figuren 5A und 5B erklärt.
  • Die erste Meßelekgro-denschicht 20 wird mit Hilfe eines Einbrennprozesses erzeugt, der bei einer Temperatur von etwa 1500°C erreicht wird, um eine vollstän.dige Sinterung des Elektrodenmate'rials, das aus Platin oder einem Platin.enthaltenden Keramik-Metallgemisch besteht, und auf die, Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht 18 in Form von feinen Partikeln aufgebracht istr zu erreichen.
  • Durch dieses Einbrennen wird auch eine vollständige Sinterung der Keramikschichten 12 und 18 erzielt, wenn der Schichtenaufbau im Zustand gemäß Figur 4E vollkommen uneingebrannt ist Diese Elektrodenschicht 20 muß so ausgebildet sein, daß sie eine gasdurchlässige Struktur aufweist und die Poren in dieser Schicht 20 müssen sehr klein in ihren Querschnittsflächen sein.
  • Während des Hochtemperatursinterprozesses jedoch erfolgt eine Koagulation der Elektrodenmaterialpartikel und ein Anwachsen der kristallinen Körner unter Sinterung, mit dem Ergebnis, daß die erste Meßelektrodenschicht 20 aus relativ groben Körnern mit relativ weiten Lücken oder Poren 21 dazwischen, wie dies aus Figur 5A hervorgeht, besteht Folglich bleibt ein beträchtlich großer Teil der Oberfläche der FestkörpereZetrolytschicht 18 freiliegend in den Poren 21 der Elektrodenschicht 20.
  • Das bedeutet, daß die Oberfläche dieser Elektrodenschicht 20,die in Kontakt mit dem zu messenden Gas tritt, nicht so groß wie erwartet ist und daß die /jahl der sogenanat.en Triple-Phasenpunkte,an denen der Festkörperelektrolyt 18 die Meßelektrode 20 und das zu messende Gas gegenseitig in Kontakt treten, in unerwünschter Weise klein werden, gemessen an der makroskopischen Oberfläche dr Elektrodenschicht 20. Aus diesem Grunde entfaltet die Meßelektrodenschicht 20 ihre katalytische Fähigkeit nur zu einem begrenzten Umfang ,und ist folglich nicht in der Lage, Elektrodenreaktionen, die während der Anwendung des Sauerstoffühlerelementes stattfinden, zu begünstigen.
  • Infolgedessen~ist das Sauerstoffühlerelement nicht zufriedenstellend hinsichtlich seiner Ansprechgeschwindigkeit, mit der es auf eine Änderung in der Zusammensetzung der äußeren Gasatmosphäre ansprichto, Unter Bezugnahme auf Fig. 5B besteht die zweite Meßelektrodenschicht 24, die durch physikalis¢he,AuEdampfung hergestellt ist, aus sehr kleinen Partikeln eines ausgewählten Metalls, die in die Poren 21 der gesinterten Meßelektrodenschicht 20 hineingeraten-und einen großen Teil der freiliegenden Flächen der Festkorperelektrolytschicht. 18 bedecken Mit anderen Worten, es kommt nur durch die Poren 21 in der gesinterten: Elektrodenschicht 20 die Festkörperelektrolytschicht 18 i direkte Kontäkt mit der zweiten Meße lektrodenschich t 24. Ebenfalls ist die Fläche eines jeden Korns 20 der gesinterten Meßelektrodenschicht an den Zwischenplätzen mit diesen Partikeln 24 der zweiten Meßelektrodenschicht'bedeckt.
  • Durch Hinzufügung der zweiten Meßelektrodenschicht 24, die eine Struktur wie in Figur 5B dargestellt aufweist, zu der ersten Elektrodenschicht 20, wird eine starke Vergrößerung der effektiven Fläche der Elektrode, die aus diesen beiden Schichten 20 und 24 besteht, und ebenso eine starke Vergrößerung in der Zahl der Tripel-Phasenpunkte des entstehenden Sauerstoffühlereiementes, erreicht. Die doppelschichtige Meßelektrode 20, 24 ist daher sehr wirksam zur Einleitung der katalytischen Elektrodenreaktion'en, die während des Betriebs des Sauerstoffühlerelementes stattfinden sollen, was als natürlichte Konsequenz dazu führt, daß das Sauerstoffühlerelement sehr schnell auf Änderungen in der 'Zusammensetzung des der Messung unterzogene.n Gases anspricht.
  • .Wenn nur auf die Ansprechgeschwindigkeit Wert gelegt wird, ist es d'enkbar, eine einzige Meßelektrodenschicht durch Aufdampfen direkt auf der Flache der Festkörper-' elektrolytschicht zu erzeugen und die gesinterte Meßelektrodenschicht 20 auszulassen. Für einen Sauerstofffühler mit einer gesinterten Röhre aus Zirkonoxid als strukturelles Basisteil ist bereits ein solches Verfahren zur Erzeugung einer Meßelektrodenschicht auf der äußeren Seite vorgeschlagen worden D In der Tat weist ein Sauerstoffühlerelement, das auf diese Weise hergestellt ist, ein verbessertes Ansprechverhalten im Vergleich mit entsprechend konzipierten Elementen, die eine gesinterte Meßelektrodenschicht aufweisen, auf. Es besteht jedoch das ernste Problem, daß die durch Aufdampfung hergestellte Elektrodenschicht in einer heißen Gasatmosphäre und bei Temperaturschwankungen eine so geringe Haltbarkeit aufweist, daß das Sauerstoffühler-' element praktisch unbrauchbar ist. Das heißt, daß die Adhäsionskraft zwischen der Festkörperelektrolytsch-icht und der darauf niedergeschlagenen Meßelektrodenschicht nicht ausreichend ist, so daß die Elektrodenschich.t dazu neigt, sich von der Festkörperelektrolytschicht während des Gebrauchs des Elementes abzuschälen. Im.
  • alle, daß eine Schutzschicht 26 für das Sauerstoffühlerelement vorgesehen ist, das nicht mit einer gesinterten Meßelektrodenschicht zwischen der Festkörpe'relektrolytschicht und der durch Aufdampfung hergestellten Meßelektrodenschicht vorgesehen ist, ist es schwierig, eine ausreichend feste und dauerhafte Adhäsion zwischen der Schutzschicht und dem Fundamentalteil des Sauerstofffühlerelementes zu erzielen.
  • Unter Bezugnahme -auf die Figuren 6 und 7,ist es ebenfalls denkbar, eine gesinterte Meßelektrodenschicht 20A oder 20B zu erzeugen, die entweder eine relativ große öffnung 19A oder eine Mehrzahl von relativ kleinen Öffnungen 19B in ihrem zentralen Bereich aufweist um die Fläche der Festkörperelektrolytschicht 18 in der Öffnung 19A oder in den Öffnungen 19B freiliegen zu lassen und dann eine zweite Meßelektrodenschicht (in den Figuren 6 und 7 nicht dargestellt) durch Aufdampfen über die gesamte Fläche der gesinterten Elektrodenschichten 2OA und' 20B einschließlich der Öffnungen- 19A' und 19B zu erzeugen. Jedoch auch dieses Verfahren ist nicht empfehlenswert;. da während des Gebrauchs des auf diese Weise erzeugten Sauerstoffühlerelementes die zweite Meßelektrodenschicht dazu neigt, sich von der Festkörperelektrolytschicht 18 in der Öffnung bzw. in den öffnungen 19A und 19B sich abzuschälen und folglich auch eine Abschälung von der gesinterten Elektrodenschicht 20A und 20B und/oder eine Abschälung der äußeren Schutzschicht verursacht.
  • Aus diesem Grunde ist es bei der Erfindung erforderlich, daß zuerst eine gesinterte Meßelektrodenschicht 20 er-.
  • erzeugt wird, die makroskopisch keine öffnu.ngen-aufweist und daß dann die zweite Meßelektrodenschicht durch Aufdampfen ausschließlich auf die gesinterte Elektrodenschicht' 20 hergestellt wird. Das bedeutet, daß die'zweite Meßelektrodenschicht 24- in Kontakt mit dem Festkörperelektrolyten 18 nur über die mikroskopischen Poren 21-.in der gesinterten Meßelektrodenschicht 20 steht und daß makroskopisch die Oberfläche der zweiten Meßelektrodenschicht 24 kleiner oder gleich als die Oberfläche der gesinterten Elektrodenschicht 20 ist. In der Praxis .wird ein Aufdampfprozeß zur Erzeugung der zweiten Meßelektrodenschicht 24 unter Verwendung einer Maske durchgeführt, die eine solche öffnung aufweist und so positioniert wird, daß auf dem Randbereich der-Festkörperelektroden-.
  • schicht 18 außerhalb der Peripherie der gesinterten Meßelektrodenschicht 20 kein Dampfniederschlag erfolgt.
  • Bei der Bildung der zweiten Meßelektrodenschicht 24 be steht die Möglichkeit, eine Art von Zweistufenvakuumaufdampfung einzusetzen, wobei eine erste Vakuumaufdampfung beendet wird, bevor die niedergeschlagene Schicht eine gewünschte Dicke erhält und die zweite Stufe der Vakuumaufdampfung begonnen wird, nachdem eine Art -von Glühen oder Annealing der ursprünglich niedergeschlagenen Metallpartikel, üblicherweise eine Wärmebehandlung bei etwa 10000C, stattgefunden hat. Der Hauptzweck eines solchen zweistufigen Aufdampfprozesses.
  • besteht darin, daß die in der ersten Stufe aufgedampften Metallpartikel als Art eines Kernes für die zweite Aufdampfstufe dienen, um auf diese Weise eine zweite Meßelektrodenschicht mit einer in mikroskopischer Hinsicht: angestrebten .Strukt-ur und auch mit einer. sehr großen Adhäsionsfestigkeit zu der gesinterten MeßelekArodelaschicht zu erzeugen. Bei der vorliegenden Erfindung.ist es jedoch nich't erforderlichS ein Zweistufenaufdampfverfahren zur Bildung der zweiten Meßelektrodenschicht 24 durchzuführen. Wie erläuternd in Figur 5A und 5B angedeutet, ist die erste Meßelekttrodenschicht 20, die durch einen Druck- und Einbrennprozeß erzeugt wurde, eine relativ grobkörnige Schicht und weist eine relativ rauhe Oberfläche im mikroskopischen Sinne auf. Beim Auf dampfprozeß zur Bildung der zweiten Meßelektrodenschicllt 24 dient die mikroskopische Rauhigkeit der Fläche der gesinterten Elektrodenschicht 20 als eine Art Kern für das Wachsen des aufgedampften Filmes 24, was zur Folge hat, daß die niedergeschlagene Elektrodenschicht 24 ausreichend fest an der gesinterten Elektrodenschicht 20 anhaftet, auch dann, wenn die Aufdampfung oder Niederschlagung durch ein, einstufiges Verfahren stattgefunden hat. Wie oben beschrieben, wird eine feste Adhäsion zwischen der gesinterten Elektrodenschicht 20 und der auf gedampften Elektrodenschicht 24 des weiteren dadurch sichergestellt, daß ein leitendes Keramik-Metallgemisch als Material für die gesinterte Elektrodenschicht 20 verwendet wird.
  • Bei- der Erfindung ist die Dicke der zweiten Meßelektrodenschicht 24 vorzugsweise nicht dicker als 0,5 Mikron.
  • Wenn nämlich diese Elektrodenschicht 24 zu dick ausgebildet wird, ist ist rauhe äußere Fläche der gesinter'ten Meßelektrodenschicht 24 einschließlich der Flächen in den Poren 21 nahezu vollständig mit feinen Körnern der niedergeschlagenen Elektrodenschicht 24 belegt. In einem solchen Zustand ist ein Abfallen in der effektiven Oberfläche und in der Zahl der Tripe-Phasenpunkte zu beobachten, was dem Zweck der Bildung der zweiten Meßelektrodenschicht 24 zuwiderläuft, mit dem Ergebnis, daß die doppelschichtige Meßelektrode 20, 24 nicht wirksam die katalytlschen Elektrodenreaktionen'fördert. Eine tatsächliche Verbesserung des Ansprechverhaltens des Sauerstoffühlerelementes ist daher schwierig zu erzielen, wenn die zweite Meßelektrodenschicht 2'4 zu dick gerät.
  • Solange das Ziel der Verbesserung des Ansprechverhaltens des Sauerstoffühlerelementes und der Erzielung einer guten Haltbarkeit desselben Elementes erreichbar ist, ist es vorteilhaft, die zweite Meßelektrodenschicht 24 nur relativ dünn aufzutragen, um einerseits die Materialkosten zu senken und andererseits die Produktivität beim Aufdampfverfahren zu erhöhen.
  • Zur Durchfühsrung von Vergleichsversuchen zur Bestätigung der Wirkungen der Erfindung bei Verwendung von Sauerstoffühlerelementen, die nach den vorhergehenden Beispielen hergestellt worden sind, wurden etwas unter schiedliche Sauerstoffühlerelemente durch folgende Verfahren hergestellt, die nicht dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechen.
  • Vergleichstersuch A Das Sauerstoffühlerelement 40 der Figur 3 wurde unter Durchführung der in den Figuren 4A bis 4E in Uberein-Stimmung mit Beispiel 1 hergestellt. Der Schichtenaufbau wurde im Zustand der Figur 4E unter den selben Ein brennbedingungen wie in Beispiel 1 eingebrannt und danach wurde die poröse Schutzschicht 26 nach dem in Beispiel 1 angegebenen Verfahren aufgebracht, jedoch ohne daß eine zweite Meßelektrodenschicht 24 aufgedampft oder niedergeschlagen wurde. Das heißt, die Meßelektrodenschicht dieses Sauerstoffühlerelementes 40 bestand nur aus der gesinterten Elektrodenschicht 20, die aus einem Keramik-Metallgemisch bestand.
  • Vergleichsversuch B Das Sauerstoffühlerelement 40 der Figur 3 wurde im wesentlichen ähnlich zu Vergleichsversuch A hergestellt, mit der Ausnahme, daß die gesinterte Meßelektrodenschicht 20 unter Verwendung der in Beispiel 4 erwähnten Platinpaste erzeugt wurde.
  • Vergleichsversuch C Dieser Vergleichsversuch war im wesentlichen identisch mit dem Beispiel 3, jedoch wurde die erste Meßelektrodenschicht 20 aus dem Keramik-Metallgemisch in Form eines in Figur 6 dargestellten Musters und nicht im Muster der Figur 4E erzeugt. Die zweite Meßelektrodenschicht 24 wurde im selben Muster wie in Beispiel 3, d.h. im Muster der Figur 4F hergestellt. Demnach war die zw()iLc Meßelektrodenschicht 24 in diesem Vergleichsversuch direkt in Kontakt mit der äußeren Fläche der Festkörperelektrolotschicht 18 in ihrem rechteckigen zentralen Bereich.
  • Vergleichsversuch D Dieser Vergleichsversuch wurde ähnlich dem Vergleichsversuch C durchgeführt, mit der Ausnahme, daß die erste Meßelektrodenschicht aus Keramik-Metallgemisch in einem Muster wie in Figur 7 erzeugt wurde, so daß die zweite Meßelektrodenschicht 24 in direktem Kontakt mit der äußeren Fläche der Festkörperelektrolytschicht 18 in der Mehrzahl der rechteckigen Öffnungen 19B der gesinterten Elektrodenschicht 20B war Vergleichsversuch E Dieser Vergleichsversuch war im wesentlichen ähnlich dem Beispiel 3 mit der Ausnahme, daß der Vakuumverdampfungsvorgang unter Verwendung einer Maske durchgeführt wurde, die eine solche-große Öffnung aufwies, daß die niedergeschlagene zweite Elektrodenschicht die gesamte Oberfläche der gesinterten Meßelektrodenschicht 20 überdeckte und sich in den Randbereich 18a in Figur 4F der Festkörperelektrolytschicht 18 erstreckte.
  • Vergleichsversuch F Die anhand der Figuren 4A bis 4D erläuterten VerEahrensschritte wurden entsprechend Beispiel 1 durchgeführt und der-Schichtenaufbau wurde im Zustand der Figur 4D dem in Beispiel 1 beschriebenen Einbrennprozeß unterworfen.
  • Das heißt, die Festkörperelektrolytscliicht 18 wurde gesintert, ohne daß auf ihr eine Elektrodenschicht angeordnet-war. Dann wurde eine Platinelektrodenschicht entsprechend der zweiten Meflelektrodenschicht 2 in.
  • Figur 4F direkt auf der äußeren Fläche der gesinterten Festkörperelektrolytschicht 18 durch einen Vakuumverdampfungsprozeß, wie er in Beispiel 3 beschrieben ist, aufgebracht, dem die Erzeugung einer pordsen Schutzschicht 26 entsprechend Beispiel 3 folgte.
  • Vergleichsversuch G Unter Verwendung einer gesinterten Festkörperelektrölytröhre (ZrO2-Y203), die an einer Seite geschlossen war und eine Wandstärke von etwa 1 mm aufwies, wurde ein Sauerstoffühlerelement dadurch erzeugt, daß eine Referenzelektrodenschicht aus Platin auf der inneren Seite der Röhre durch Auftrag'ung der Paste und anschließendes Einbrennen und durch.Niederschlag einer Meßelektrodenschicht aus Platin auf der Außenfläche der Röhre durch eine Vakuumverdampfungsmethode gebildet wurde. Verschiedene Proben' für jedes der Sauerstoffühlerelemente der oben beschriebenen' Beispiele und Vergleicbsversuche wurden hergestellt'und sie wurden den folgenden Experimenten unterzogen.
  • Experiment 1 Die Proben der Sauerstoffühlerelemente wurden einzeln in einem Auspuff 'eines 1,8-Liter Kraftfahrzeugbenzihmotors als Komponente eines Gerätes zur Festlegung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses installiert und, die, Brennstoffzufuhr für den Motor wurde durch einen Rückkopplungsregelkreis, der ein Brennstoff zufuhrsteuersignal auf der Basis des Vergleichs zwischen der Ausgangsspannung des Sauerstoffühlerelementes (kennzeichnend für das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis im Motor) und einer Referenzspannung gesteuert, die dem .stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis, das als Sollwert der Regelung zur Korrektur der Abweichungen des tatsächlichen LuEt/Brennstoff-Verhältnisses von demstöchiometrischen Verhältnis diente. Ein-katalytischer Umsetzer mit einem üblichen Dreiwegkatalysator wurde dem Auspuff zugeordnet in einem Abschnitt, der stromabwärts von dem Sauerstoffühlerelement lag. Der Dreiwegkatalysator wes die Fähigkeit zur Katalyse sowohl der Oxidation von CO und HC und zur Reduktion von NOx auf und arbeitete wirksam in einem Auspuffgas, das bei der Verbrennung eines stöchiometrischen- Luft/Brennstoff-Gemische's- entstand.
  • Der Motor wurde unter Bedingungen betrieben, wie sie cbarakteristisch für den Stadtverkehr' sind Das Schaubild der Figur 8 zeigt die CO, HC und NOx Emissionswerte, die in dem Experiment für das Sauerstoffühlerele'ment der Beispiele und Vergleichsversuche gemessen wurden.
  • Jeder in diesem Schaubild dargestellte Wert ist ein Durchschnittswert aus fünf verschiedenen Sauerstoffühlerelementen der jeweiligen Art Es ist offensichtlich, daß die Sauerstoffühlerelemente der Beispiele 2, 3 und 4 und die Vergleichsversuche C, D, E und F die besten Ergebnisse liefern. Alle diese Sauerstoffühlerelemente wiesen eine,Meßelektrodenschicht auf, die durch das Aufdampfverfahren erzeugt wurde. Wenn, der Dreiwegkatalysator solche hohen Konversionsraten aufwies, mußte die Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses mit hoher Genauigkeit durchgeführt sein, d.h. das Sauerstofffühlerelement muß ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten gezeigt haben. Das Ergebnis dieses Experimentes kann folglich als Hinweis dafür aufgefaßt werden, daß die effektive Oberfläche der Meßelektrode sowie die Zahl der Tripel-Phasenpunkte durch die Anwendung einer Vakuumaufdampfmethode vergrößert werden kann und daß die daraus hervorgehende Meßelektrode eine ausgezeichnete Fähigkeit zur Förderung der katalytischen Elektrodenreaktionen aufweist.
  • Experiment.2 Dieses Experiment war ein Ausdauertest. Die Proben der Sauerstoffühlerelemente wurden dem Strom eines simulierten Auspufigeses au'sgesetzt. Die Gastemperatur wurde periodisch 'inner.halb eines Bereiches von 450°C biS 850°C variiert und die Konzentration von CO in dem Auspuffgas wurde periodisch in einem Bereich von 0,34 bis 5,08 geändert. Der Test wurde über 250 Stunden durchgeführt und die Proben der entsprechenden Sauerstoffühlerelement wurden aus dem.Gasstrom zu 50-Stundenintervallen entnommen, und der.»visuellen Beobachtung unter dem Vergrösserungsglas unterzogen.
  • Nach 50 Stunden zeigten die Proben des Vergleichsversuchcs F (Niederschlag der Platinelektrodenschicht direkt auf die Fest-körperelektrolytschicht, unter Auslassung der.
  • gesinterten Meßelektrodenschicht) ein Abschälen der porösen Schutzschicht und der niedergeschlagenen Meß elektrodenschicht in manchen Berelchen.Die Proben der Beispiele und der anderen Vergleichsversuche zeigten weder ein'Abschälen irgendeiner Schichtr noch andere defektartige Änderungen. Die Ergebnisse der nachfolgenden Beobachtungen waren'folgende: Proben des Beispieles 2 Weder ein Abschälen der Schutzschicht oder'der zweiten Meßelektrodenschicht noch eine andere defektartige Änderung wurde beobachtet, auch nach Ablauf von 250 Stunden des Testes.
  • Proben des Beispieles 3 Es wurden dieselben guten Ergebnisse wie in Beispiel 2, erzielt.
  • Proben des Beispiels 4 Keine Änderung wurde bis nach 100 Stunden von Beginn des Tests beoba'chtet. Nach Verlauf von weiteren 50 Stunden wurden in der Schutzschicht Sprünge gefunden und die Meßelektrodenschicht wig leichte Zerstörung auf., Nach weiteren 50 Stunden (also 200 Stunden nach Beginn des Tests) hatten sich sowohl die Schutzschicht als auch die zweite Meßelektrodenschicht von den darunterliegenden Schichten abgelöst.
  • Proben des Verglelchsversuchs A Es wurden'dieselben guten Resultate wie mit den Proben der Beispiele 2 und 3 erzielt.
  • Proben des Vergleichsversuchs B Keine Veränderung wurde nach Ablauf von 100 Stunden, gerechnet vom Beginn des Testst beobachtet. Nach Ablauf von weiteren 50 Stunden und weiteren 50 Stunden wiesen diese Proben dieselben Veränderungen wie die Proben des Beispieles 4 auf.
  • Proben der Vergleichsversuche C, D-und-E Nach Ablauf von 100 Stunden, gerechnet vom Beginn des Tests, wurde ein Abschälen der Schutzschich in Bereichen beobachtet, wo die niedergeschlagene Meßelektrodenschicht in direktem Kontakt mit der Pestkörperelektrolytfläche war. Nach Ablauf von weiteren 50 Stunden war die Schutzschicht vollkommen abgeschält und die gesinterte Meßelektrodenschicht wies einige Zerstörungen auf.
  • Nach Ablauf vontweiteren 50 Stunden nach Beginn des Tests'war die gesinterte Meßelektrodenschicht schwerwiegend zerstört und teilweise von dem Festkörperelektrolyt abgelöst.
  • Proben des Vergleichsversuchs F Nach Ablauf von 100 Stunden, gerechnet vom Beginn des Tests, waren sowohl die Schutzschicht als auch die aufgedampEte Meßelektrodenschicht von ihren Unterlagen abgeschält.
  • Proben des Verg.leichsversuchs G Nach Ablauf von 100 Stunden, gerechnet vom Beginn des Tests, wurde ein Abschälen der Schutzschicht in den Bereichen beobachtet', wo die aufgedampfte Meßelektrodenschicht direkt auf der Festkörperelektrolytschicht auflag. Nach Ablauf von weiteren 50 Stunden waren sowohl die Schutzschicht als auch die Meßelektrodenschicht' vollkommen von ihren Unterlagen abgeschält.
  • Die Ergebnisse dieses Tests demonstrieren die Uberlegenheit hinsichtlich der Beständigkeit der Sauerstof fühlerelemente der Bei'spiele2 und 3, d.h. der Sauerstofffühlerelemente, die eine niedergeschlagene zweite Meßelektrodenschichtnur auf der gesinterten Meßelektrodenschicht aus der Keramik-Metallmischung aufweisen. Die Proben des Vergleichsversuchs A, die eine' gesinterte MeßelektFrodenschicht aus Keramik-Metallmischung ohne.
  • Niederschlagung'einer zweiten Meßelektrodenschicht darauf aufwiesen, zeichneten sich ebenfalls durch gute Elaltbarkeit aus, ihr Ansprechverhalten war jedoch schlechter, wie aus den Daten in Figur 8 hervorgeht. Wenn Platin als Material für die gesinterte Meßelektrodenschicht anstelle der Keramik-Metallmischung verwendet wird, wie bei den Proben der Ausführungsbeispiele 4 und bei Vergleichsversuch B, war die Haltbarkeit tolerierbar, jedoch wesentlich niedriger als in dem Fall der Verwendung eines Keramik-Metallgemisches. Es ist ebenfalls gezeigt, daß die'Ni'ederschlagung einer Platinmeßelektrodenschicht ,direkt.auf der Oberfläche der gesinterten Festkörperelektroiytschi'cht (entweder ein Film oder eine Röhre) wie in den Proben der Vergleichsversuche C:, D,.E, F und G dargestellt, zu einer unbefriedigenden Adhäsion zwischen der niedergeschlagenen Elektrodenschicht und der Festkörperelektrolytschicht führt. Es wurde gefunden, daß das Abschälen der niedergeschlagenen Elektrodenschicht von dem Abschälen'der Schutzschicht begleitet wird.
  • Zusame'nfassend yesehen können die Ergebnisse der Experimenge 1 und 2 einen überzeugenden Beweis für die Überlegenheit der Sauerstoffühlerelemente liefern, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt worden sind Die Überlegenheit bezieht sich sowohl auf das Ansprechverhalten als auch auf die Haltbarkeit, insbesonderte, wenn eine leitende Keramik-Metallmischung als Material für die gesinterte erste Meßelektrodenschitht verwendet' wird.

Claims (18)

  1. VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES FESTKÖRPERELEKTROLYT-SAUERSToFF0HLERELEMENTES MIT LAMELLENSTRUKTUR, DESSEN ÄUSSERE ELEKTRODE AUS DER DAMPFPHASE NIEDERGESCHLAGEN IST PATENTANSPRUCHE 1. Verfähren zur Herstellung eines Sauerstofffühlerelementes vom Typ der Konzentrationszelle, d a d u r c h .g e k e n n z e i c h n'e t , daß es folgende Schritte umfaßt: - Herstellung einer Folie, bestehend aus einer Schutzschicht (12) aus keramischem Material, - Herstellung einer Referenzelektrodenschicht (16), die auf dem größten Teil der Oberfläche.der Schutzschicht (12) angeordnet wird, - Herstellung einer Sauerstoffionen leitenden Festkörperelektrolytschicht (18), die auf der Referenzelektrodenschicht (16) so angeordnet wird, daß die Referenzelektrodenschicht fest zwischen der Schutzschicht (12) und der Festkörperelektrolytschicht (18) beidseitig eingeschlossen ist, - Herstellung einer ersten Meßelektrodenschicht (20), die eine mikroskopisch poröse und gasdurchlässige Struktur aufweist und auf sowie in direktem Kontakt mit der Festkörperelektrolytschicht (18) dadurch hergestellt wird, daß eine flüssige, feine Partikel eines Elektrodenmaterials enthaltende Zusammensetzung auf der Außenfläche der Festkörperelektrodenschicht zur Anwendung-gebracht.wird, die angewandte Zusammensetzung getrocknet und die unfertige Folie befeuert wird, um die in der Zus'arnmensetzung enthaltenen"- Elektrodenmaterialpartikel zu sintern und - Erzeugung einer zweiten Meßelektrodenschicht (24) init. einer mikroskopisch porösen und gasdurchlässi'gen Struktur auf der ersten Meßelektrodenschicht (20), durch Aufdampfen eines Metalls unter Verwendung einer Maske mit einer Öffnung, durch die nur die äußere Fläche de-r ersten Meßelektrodenschicht dem Dampf aus-gesetzt wird.
  2. 2. Verfahren,nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnet, daß die zweite 'Meßeiektrodenschicht (24-) so gebildet wird, daß sie in der Dicke nicht größer aL 0,5 Mikron ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zweiten Meßelektrodenschicht (24).
    ein Metall mit Elektronenleitung ist und die Fähigkeit zum'Katalysieren der Oxidationsreaktion von Kohlenmonoxid und Kohlenwassestoffen aufweist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Metallen der Platingruppe und Legierungen der Metalle der Platingruppe, besteht.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial ein-Keramik-Metallgemisch ist, das aus einer Metallkomponente, die Platin enthält und einer Keramikkomponente, die mindestens ein Metalloxid enthält, besteht.
  6. 6. Verfahren nach-Anspruch 5,-dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikkomponente des Seramik-Metallgemisches im wesentlichen ähnlich dem Material der Festkörperelektrolytschichten (18) ist.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zweiten Meßelektrodenschicht (24) im wesentlichen ähnlich der Metallkomponente des,Keramik-Metallgemisches ist.
  8. .8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial ein Metall ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Metallen der Platingruppe und Legierungen, die mindestens ein Metall der Platingruppe enthalten, besteht.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßelektrodenschicht (24) durch-einen Zerstäubungsprozeß gebildet wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäubungsprozeß in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck im Bereich von 1 x lo 3 bis 5 x 10 2 Torr durchgeführt.wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßelektrodenschicht (24) durch einen Ionenplattierungsproze.ß gebildet wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenplattierungsprozeß in einer sauerstoffha.ltigen Gasatmosphäre bei einem Druck im Bereich von 1 x lo bis 5 x 10-2 Torr durchgeführt wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßelektrodenschicht (24) durch einen Vakuumverdampfungsprozeß gebildet wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumverdampfungsprozeß einen Vorbereitungsschritt enthält, bei dem die äußere Fläche der ersten Meßelektrodenschicht (20) durch Sprühätzen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einem Druck im Bereich von 1 x 10-3 bis 5 x 10-2 von 1 x 10-3 bis 5 x 10-2 Torr erneuert wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie. einem Ultraschallreinigungsschritt in einem organischen Lösungsmittel vor dem Erzeugen der zweiten Meßelektrodenschicht unterzogen wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine poröse Schutzschicht (26) mindestens auf der Außenfläche der zweiten Meßelektrodenschicht (24) gebildet.wird
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Referenzelektrodenschicht (1-6) ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt wirdr die aus Metallen der Platingruppe und Legierungen mit mindestens einem Metall aus der Platingruppe besteht.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Materia-l der Referenzelektrodenschicht eine elektronisch leitende Mischung eines Metalls und eines Oxids dieses Metalls ist.
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