DE3314433A1

DE3314433A1 - Verfahren zum aufbringen einer elektrode und einer schutzschicht auf ein substrat

Info

Publication number: DE3314433A1
Application number: DE19833314433
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Ing Stahl; Bernhard Topp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-04-21
Filing date: 1983-04-21
Publication date: 1984-10-25

Description

Verfahren zum Aufbringen einer Elektrode und einer Schutz-
schicht auf ein Substrat Stand der Technik Es ist, beispielsweise bei elektrochemischen Meßfühlern zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Gasen, bekannt, auf den Festelektrolyten zunächst eine Elektrodenschicht, beispielsweise aus Platin, aufzudampfen und anschließend eine zum Schutz dieser Elektrode notwendige poröse Schutzschicht, die vorzugsweise aus Magnesiumsp nell besteht, im Plasmaspritzverfahren aufzubringen. Ein solches Vorgehen erfordert zwei Verfahrensschritte und die Anwendung der verhältnismäßig aufwendigen Plasmaspritztechnik. Darüber hinaus wird die Struktur der Elektrode beim Plasmaspritzverfahren verhältnismäßig stark beansprucht, so daß die Gefahr besteht, daß die Elektrode in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß Elektrode und poröse Schutzschicht in einem einzigen Verfahrensschritt ohne ein Umstecken des Substrates aufgebracht werden können und daß die verhältnismäßig aufwendige Plasmaspritztechnik entfallen kann. Außerdem wird die Struktur der Elektrode durch dieses Verfahren weniger beansprucht als beim Aufbringen der Schutzschicht mittels des Plasmaspritzverfahrens, so daß die FunktionsfähIgkeit der Elektrode in höherem Maße erhalten bleibt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft gestaltet sich dieses Verfahren, wenn die Elektrode in ihrem Endzustand außer Platin oder einer Platin-Metall-Legierung ein die Rekristallisation bei hohen Temperaturen hemmendes Metalloxid dispers verteilt enthält, da das diesem Oxid zugrundeliegende Metall durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung im Wechsel mit dem Platin oder der Platin-Metall-Legierung in einer sauerstoffhaltigen Restgasatmosphäre abgeschieden wird und das gleiche Metalloxid, wie es in der fertigen Elektrodenschicht enthalten ist, die poröse Schutzschicht bildet. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Meßelektrode und poröser Schutzschicht bei elektrochemischen Meßfühlern zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Die Erfindung soll am Beispiel eines elektrochemischen Meßfühlers zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen erläutert werden. Ein solcher Meßfühler besieht aus einem Festelekrolyt-Formkörer aus stabilisiertem virkonl-oxid, z. B. in Form eines einseitig geschlossenen Rohres. Dieser Formkörper wird in einer an sich bekannten Verdampfungsa?para-ur drehbar angebracht. In dem Falle, in dem die fertige Elektrode aus Platin oder einer Platin-Metall-Legierung und einem die Rekristallisation bei hohen Temperaturen hemmenden Metalloxid besteht, wie dies in der DE-OS 28 31 478 eingehend beschrieben ist, bietet diese Verdampfungsapparatur die Möglichkeit, abwechselnd zwei Metalle in zeitlich schneller Folge zu verdampfen. Die zeitliche Abfolge kann dabei zwischen etwa einer ehntel Sekunde und einigen Sekunden variiert werden. Die Atmosphäre in der Verdampfungsapparatur hat einen Sauerstoff--4 partialdruck von 10 5 - 10 4 mbar. Auf diese Weise entsteht eine Legierung, in der beispielsweise Zirkon und das sich im oxidierenden Restgas bildende Zirkonoxid dispers in dem Platin verteilt ist. Die Zusammensetzung der Legierung wird in an sich bekannter Weise gesteuert durch die Wahl des Verhältnisses der Aufdampfzeiten der einzelnen Metalle zu-einander, wobei dieses Verhältnis empirisch festgestellt werden muß, da die Aufdampfgeschwindigkeiten der einzelnen Metalle von mehreren Parametern wie Dampfdruck, spezifischer Warme und ähnlichen Eigenschaften abhängig sind. Wegen weiterer Einzelheiten der Aufbringung der Elektrode wird auf die obengenannte DE-OS 28 31 478 verwiesen. Nachdem nun die Elektrode eine ausreichende Dicke von 2 - 3 /um erreicht hat, wird nur noch Zirkon aufgedampft, und zwar solange, bis eine Schichtdicke des Zirkons von z. B. ca. 0,5 /um erreicht ist.
Da die Zeiten, die zur Abscheidung der notwendigen Schichtdicken notwendig sind, apparateabhängig sind, müssen diese empirisch ermittelt werden. Schließlich werden die Meßfühler 1 Stunde lang bei einer Temperatur zwischen 500 und 1000 OC, also z. B. bei 700 OC, an Luft nachbehandelt, um alles Zirkon sowohl in der Elektrodenschicht als auch in der porösen Schutzschicht in Zirkondioxid umzuwandeln.
Soll die Elektrodenschicht ausschließlich aus Platin oder einer Platin-Metall-Legierung bestehen, so wird zunächst ausschließlich dieses aufgedampft, bis die notwendige Schichtdicke erreicht ist, und dann ausschließlich Zirkon aufgedampft. Dabei kann entweder nach dem Springstrahlverfahren oder nach dem Mehrkanonen-Simultanverfahren gearbeitet werden. Beide Verfahren sind in der obengenannten Offenlegungsschrift näher erläutert.

Claims

Ansprüche < Verfahren zum Aufbringen einer Elektrode und einer porösen Schutzschicht auf einem Substrat, bei welchem das Elektrodenmaterial durch Aufdampfen oder Kathodenstrahlzerstäubung abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem Abscheiden des Elektrodenmaterials dasjenige Metall, dessen Oxid die Schutzschicht bilden soll, in der gleichen Weise wie das Elektrodenmaterial abgeschieden und das Ganze dann an Luft thermisch behandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall, dessen Oxid die Schutzschicht bilden soli, Zirkon, Aluminium, Silicium, Magnesium oder Yttrium oder Legierungen von zwei oder mehreren der genannten Metalle abgeschieden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodenmaterial Platin oder eine Platin-Metalllegierung eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodenmaterial Platin oder eine Platin-Metall-Legierung sowie ein weiteres Metall, dessen Oxid die Rekristallisation des Platins oder der Platin-Metall-Legierung bci hohen Temperaturen hemmt, auf dem Substrat abgeschieden wird, und daß anschließend nur das weitere Metall auf der Elektrodenschicht abgeschieden und das Ganze dann thermisch behandelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Elektrode in der Weise aufgebracht wird, daß auf das Substrat abwechselnd durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung Platin oder eine Platin-Metall-Legierung und das weitere Metall in schnellem Wechsel in einer sauerstoffhaltigen Restgasatmosphäre abgeschieden werden, wobei die Zusammensetzung der Elektrodenschicht durch das Verhältnis der jeweiligen Abscheidungszeiten zueinander gesteuert wird, daß dann ausschließlich das weitere Metall. solange in der gleichen Weise abgeschieden wird, bis die daraus entstehende Oxidschicht eine ausreichende Dicke aufweist, und daß schließlich das Ganze an Luft thermisch behandelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Metall Zirkon oder Aluminium oder eine Aluminium-Magnesium-Legierung ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur zwischen 500 und 1000 OC eine Stunde lang an Luft erfolgt.
8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von Meßelektrode und poröser Dchutzschicht bei elektrochemischen Meßfühlern zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen.