DE3538458C2

DE3538458C2 -

Info

Publication number: DE3538458C2
Application number: DE3538458A
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Aichi Jp Kato; Takao Konan Aichi Jp Murase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1984-11-01
Filing date: 1985-10-29
Publication date: 1990-05-23
Also published as: JPH0475460B2; JPS61108953A; DE3538458A1; US4668375A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Steckverbindung für ein Sauerstoffsensorelement und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Als Sauerstoffsensoren, die dazu dienen, die Sauerstoffkonzentration in einer Substanz wie z. B. im Abgas eines Kraftfahrzeugmotors zu ermitteln, sind Sensoren mit einem Sauerstoff sensorelement bekannt, die am entfernten Ende eines haupt sächlich aus Zirkoniumoxid bestehenden, länglichen, ebenen, plattenförmigen Sensorsubstrats beidseitig je eine schichtförmige Elektrode aufweisen, wobei die eine Elektrode (Standardelektrode) einer Standardsubstanz, z. B. Luft, und die andere Elektrode (Meßelektrode) einer zu prüfenden Substanz wie z. B. Abgas ausgesetzt ist. Eine zwischen den beiden Elektroden nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationszelle erzeugte elektromotorische Kraft liefert ein Signal, das zur Ermittlung der Sauerstoff konzentration in der Substanz dient.

Ein aus der DE-OS 29 28 496 bekannter Sauerstoffsensor der vor stehend erwähnten Bauart weist Kanäle für die Zuführung von Gasen zu mindestens einer der beiden Elektroden auf und enthält ferner ein schichtförmiges Heizelement. Zum Anschluß der Elek troden und des Heizelements dienende Leitungen werden z. B. aus einem Platinmetall gebildet und durch Aufdrucken auf das Sensor substrat aufgebracht.

Die bekannten Sauerstoffsensoren haben am hinteren Ende des Sensor substrats im allgemeinen Kontaktierungsschichten für den Anschluß an mehrere ummantelte Leitungsdrähte, wobei die mit den Kontaktierungsschichten verbundenen ummantelten Leitungsdrähte das erfaßte Signal als Ausgangssignal auf die äußere Schaltung übertragen bzw. zum Anschluß des Heizelements an eine Spannungs quelle dienen.

Das Anlöten der nebeneinander befindlichen ummantelten Leitungs drähte an die Kontaktierungsschichten des Sensorsubstrats ergibt ein schlechtes Betriebsverhalten. Selbst wenn die ummantelten Leitungsdrähte durch ein geeignetes Dichtungselement an von den Kontaktierungsschichten ausgehende Hilfs-Leitungsdrähte an geschlossen werden, ergibt sich ein schlechtes Betriebsverhalten, und das Abdichten ist schwierig. Die JP-Gbm-OS 150 449/85 (korrespondierend zu der US-PS 45 88 494 und der älteren Anmeldung DE-OS 35 09 197) betrifft einen Sauerstoffsensor, der das Problem der elektrischen Verbindung zwischen dem Sensorelement und den ummantelten Leitungsdrähten lösen soll.

Die beigefügte Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt des gesamten Aufbaus eines Sauerstoffsensors 40 gemäß DE-OS 35 09 197. Im einzelnen ist nach Fig. 5 ein Sensorelement 41, das eine sauer stoffsensitive (d. h. sauerstoffionenleitfähige) Festelektrolyt- Platte und zwei Elektroden aufweist, derart in einem zylindrischen metallischen Schutzrohr 42 untergebracht, daß das mit den Elektroden versehene Ende 44 das Unterteil des Sensor elements 41 darstellt. Das mittlere Teil des Sensorelements 41 wird durch einen Porzellanisolator 43 gehalten. Das obere Ende des Sensorelements 41 wird durch eine zylindrische Porzellan steckfassung 45 gehalten. Das Sensorelement 41 ist im Schutz rohr 42 durch Zement, Talk, Glas oder einen ähnlichen Füllstoff 46 befestigt, der oberhalb und unterhalb des Porzellanisolators 43 eingefüllt ist. Das Schutzrohr 42 hat an seinem unteren Ende viele Durchgangslöcher 47, so daß die an der Außenfläche des Unterteils des Sensorelements 41 angeordnete Meßelektrode mit der zu prüfenden Gasatmosphäre in Berührung kommt. Das Schutzrohr 42 hat an seinem oberen Ende einen mit der Innenwand des Schutzrohrs 42 in Kontakt befindlichen Erdleitungsdraht 50 und durch einen Gummi stopfen 48 eingeführte Leitungsdrähte 51-53. Die Steckfassung 45 hat in ihrem Unterteil eine Einsteckbohrung 55 zum Einstecken des oberen Endes des Sensorelements 41 und in ihrem Oberteil Leitungsdraht-Einführungsbohrungen 56-59, die - wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt - mit der Einsteckbohrung 55 in Verbindung stehen und zum Einführen der Leitungsdrähte 50-53 dienen. Die in die Leitungsdraht-Einführungsbohrungen 56-59 eingeführten Leitungsdrähte 50-53 sind an ihren Enden mittels dichtender metallischer Paßstücke 62-66 befestigt, die an die gefalzten, federnden Kontaktelemente 61, 65 integral angeformt sind, wie in der Fig. 6 dargestellt ist.

Die Kontaktelemente 61, 65 haben Druckkontakt mit dem in die Einsteckbohrung 55 der Steckfassung 45 eingesteckten Sensorelements 41, wobei sie die auf den Oberflächen des Endes des Sensorelements 41 angeordneten Kontaktierungsschichten 60, 64 berühren.

Bei der dargestellten Bauart gibt es vier Leitungsdrähte, weil der Sauerstoffsensor 40 derart mit einer Heizeinrichtung versehen ist, daß diese einen integralen Bestandteil des Sensorelements bildet, und zwei Leitungsdrähte für die Stromzuführung von einer Spannungsquelle zu der Heizeinrichtung nötig sind.

Durch die Steckfassung 45 wird die Verbindung zwischen den Leitungsdrähten 50-53 und den Kontaktierungsschichten 60, 64 des Sensorelements 41 erleichtert.

Die vorstehend erwähnten, auf dem Sensorelement 41 angeordneten Kontaktierungsschichten 60, 64 wurden bisher in der Weise auf dem Sensorelement befestigt, daß man eine dünne Schicht aus einem Metall wie Nickel, Gold, Silber oder Platin auf die Oberflächen eines ebenen, plattenförmigen Festelektrolyten aufbrannte. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß die Bindung zwischen den Kontaktierungsschichten und dem Sensorelement nicht stark ist.

Wenn z. B. der Sauerstoffsensor 40 gemäß DE-OS 35 09 197 in ein Kraftfahrzeug eingebaut wird, ergibt sich der Nachteil, daß die Kontaktierungsschichten 60, 64 durch Reibung des Sensorelements an den Kontaktelementen 61, 65 infolge der kontinuierlichen Vibrationen des Kraftfahrzeugs und durch wiederholte Erhitzung auf hohe Temperaturen (etwa 150 bis 250°C) und Abkühlung des Sensorelements von dem Sensorelement abgelöst werden.

Aus Solid State Technology: Recent Advances in Platinum Thick- Film Conductors, Vol. 18, H. 5, Mai 1975, S. 25-33, sind Platin- Silber-Leiterpasten und ihre Haftungseigenschaften an Substraten unter dem Einfluß der Brenntemperatur bekannt. Beispielsweise sollen Substratmaterial enthaltende Leiterpasten eine bessere Bindungsfestigkeit an Substraten aus Steatit, Forsterit und gegebenenfalls anderen Substraten als entsprechende substrat materialfreie Leiterpasten liefern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektrische Steck verbindung für ein Sauerstoffsensorelement gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 derart zu verbessern, daß einerseits eine gute Bindungsfestigkeit der Kontaktierungsschichten an dem Sensorsubstrat und andererseits ein guter elektrischer Kontakt zu den Kontaktelementen erzielt wird, wobei die Kontaktierungs schichten ihre Funktionsfähigkeit auch bei kontinuierlichen Vibrationen und beim Temperaturwechsel, d. h. beim wiederholten Erhitzen auf hohe Temperaturen, z. B. in Auspuffgasen, und nach folgendem Abkühlen, lange beibehalten sollen.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Steckverbindung mit den im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem Verfahren gemäß Patentanspruch 5 oder 6 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbindung für ein Sauer stoffsensorelement.

Da die unterste Schicht der Kontaktierungsschicht (d. h., die Schicht, die das Sensorsubstrat unmittelbar berührt) Keramik und/oder Glas enthält, zeigt sie eine stark verbesserte Bindungsfestigkeit, wenn sie durch Aufbrennen auf dem hauptsächlich aus Keramik bestehenden Sensor substrat befestigt wird. Wenn die auf der untersten Schicht angeordnete oberste Schicht (im Fall von zwei Schichten) einen größeren Gehalt an Metall als die unterste Schicht hat oder wenn (im Fall von wenigstens drei Schichten) die auf der untersten Schicht angeordneten Schichten einen größeren Gehalt an Metall als die unterste Schicht haben, wobei dieser Gehalt von Schicht zu Schicht bis zur obersten Schicht zunimmt, wird der Berührungswiderstand zwischen der obersten Schicht und dem Kontaktelement der Steckfassung verringert. Die Schichten, die die Kontaktierungsschicht bilden, sind fest miteinander verbunden, wenn sie Keramik und/oder Glas enthalten.

Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Sensorelements, aus der der Aufbau einer Ausführungsform der Erfindung ersichtlich ist;

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende schematische perspektivische Ansicht, aus der die Kontaktierungsschichten des Sensorelements ersichtlich sind;

Fig. 3 eine schematische, auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines Sensorelements, aus der der Aufbau einer anderen Ausführungsform der Erfindung ersichtlich ist;

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende schematische perspektivische Ansicht, aus der die Kontaktierungsschichten des Sensorelements ersichtlich sind;

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Sauerstoffsensors, aus dem der gesamte Aufbau des Sauerstoffsensors erkennbar ist;

Fig. 6 einen Längsschnitt der Porzellan-Steckfassung des Sauerstoffsensors der Fig. 5, wobei der Schnitt längs der Linie VI-VI der Fig. 7 verläuft;

Fig. 7 eine Schnitt der Steckfassung der Fig. 6 längs der Linie VII-VII; und

Fig. 8 einen Schnitt der Steckfassung der Fig. 6 längs der Linie VIII-VIII.

In den Zeichnungen haben die Bezugszahlen die folgenden Bedeutungen:

1 - Sensorelement;
2, 3 und 4 - Festelektrolyt-Platten;
2 a und 3 a - Durchgangslöcher;
5 - Sensorsubstrat;
6 - Schutzschicht;
7 - Fenster;
8 - Schlitz;
10 - Sensorteil des Sensorelements 1;
11 - Meßelektrode;
12 - Standardelektrode;
13, 14 und 15 - Elektrodenleitungen;
15′ - abgebogenes Leitungsstück;
16 und 17 - Enden der Elektroden leitungen (= unterste Schichten der Kontaktierungsschichten);
18 und 19 - oberste Schichten der Kontaktierungsschichten;
20 - Heizteil des Sensorelements 1;
21 und 22 - isolierende Keramikschichten;
23 - Heizeinrichtung;
24 und 25 - Enden der Heizleitungen (= unterste Schichten der Kontaktierungsschichten);
26 und 27 - oberste Schichten der Kontaktierungsschichten;
28 und 29 - Heizleitungen;
30 - isolierende Schicht;
31, 32, 33 und 34 - unterste Schichten der Kontaktierungsschichten;
40 - Sauerstoffsensor;
41 - Sensorelement;
42 - metallisches Schutzrohr;
43 - Porzellanisolator;
44 - hinteres Ende bzw. Unterteil des Sensorelements 41; 45 - Porzellan-Steckfassung;
46 - Füllstoff;
47 - Durchgangsloch;
48 - Gummistopfen;
50 - Erdleitungsdraht;
51, 52 und 53 - Leitungsdrähte;
55 - Einsteckbohrung zum Einstecken des einen Endes des Sensorelements 41;
56, 57, 58 und 59 - Einführungsbohrungen zum Einführen der Leitungsdrähte 50, 51, 52 und 53;
60 und 64 - Kontaktierungsschichten des Sensorelements 41;
61 und 65 - federnde Kontaktelemente;
62 und 66 - Metallpaßstücke zu Befestigung der Enden der Leitungsdrähte 51 und 53.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt die erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Steckverbindung für ein Sensorelement 1 eines Sauerstoffsensors in einer auseinander gezogenen Darstellung. Das Sensorelement 1 ist ähnlich wie das vorstehend erwähnte Sensorelement 40 entsprechend der Darstellung in Fig. 5 in dem Schutzrohr 42 untergebracht und bildet so einen Sauerstoff sensor 40.

Das Sensorelement 1 besteht im wesentlichen aus einem Sensorteil 10 und einem Heizteil 20. Der Sensorteil 10 umfaßt ein Sensorsubstrat 5, das durch Übereinanderschichten und gegenseitige Bindung (die Bindung erfolgt durch Brennen) von drei länglichen, hauptsächlich aus Zirkoniumoxid bestehenden, sauerstoffsensitiven Festelektrolyt-Platten 2, 3 und 4 gebildet ist, eine Meßelektrode 11 (die der zu untersuchenden Substanz ausgesetzt ist), die durch Drucken auf dem oberen rechten Ende einer oberen Festelektrolyt- Platte 2 angeordnet ist, und eine Standardelektrode 12 (die einer Standardsubstanz ausgesetzt ist), die in ähnlicher Weise durch Drucken auf dem oberen rechten Ende einer unteren Festelektrolyt- Platte 4 angeordnet ist.

Eine mittlere Festelektrolyt-Platte 3 hat einen Längs schlitz 8, der durch die Mittellinie ihrer Breite verläuft.

Auf der oberen Festelektrolyt-Platte 2 befindet sich eine dünne Schicht einer leitfähigen Elektrodenleitung 13, die sich streifenartig von dem Ende der Meßelektrode 11 zum linken Ende der Festelektrolyt-Platte 2 erstreckt. In ähnlicher Weise befindet sich auf der Oberseite der Festelektrolyt-Platte 4 eine dünne Schicht einer leitfähigen Elektrodenleitung 14, die sich streifenförmig von dem Ende der Standardelektrode 12 zum linken Ende der Festelektrolyt-Platte 4 erstreckt. Die Elektrodenleitung 14 ist über ein durch die Durchgangslöcher 2 a und 3 a der oberen bzw. mittleren Festelektrolyt-Platte 2 bzw. 3 verlaufendes, abgebogenes Leitungsstück 15′ mit einer auf die obere Festelektrolyt- Platte 2 aufgebrachten, streifenförmigen Elektrodenleitung 15 verbunden.

Die Festelektrolyt-Platte 2 mit den Elektrodenleitungen 13 und 15 trägt auf ihrer Oberseite eine Schutzschicht 6 aus einer porösen Keramik zum Schutz der Meßelektrode 11 und der Elektrodenleitungen 13, 15.

Die linken Enden 16, 17 der Elektrodenleitungen 13, 15 stellen die untersten Schichten von Kontaktierungsschichten dar und haben auf ihren Oberflächen oberste Schichten 18, 19, die durch Aufbringen einer leitfähigen Beschichtung auf die linken Enden 16, 17 gebildet sind, wobei diese leitfähige Beschichtung einen höheren Metallgehalt als die Elektrodenleitungen 13, 15 hat.

Der Heizteil 20 hat eine Heizeinrichtung 23, die aus einem sandwichartig zwischen die rechten Enden zweier länglicher, ebener, isolierender Keramikschichten 21, 22 eingelegten Widerstandsheiz körper besteht, wobei zwischen die Keramikschichten 21, 22 in ähnlicher Weise auch zwei leitfähige Heizleitungen 28, 29 sandwichartig ein gelegt sind, die sich streifenförmig von den beiden Enden der Heiz einrichtung 23 zum linken Ende der isolierenden Keramikschicht 21 erstrecken.

Die linken Enden 24, 25 der Heizleitungen 28, 29 stellen die untersten Schichten von Kontaktierungsschichten dar und haben unterseitig oberste Schichten 26, 27, die durch Aufbringen einer leitfähigen Beschichtung auf die Unterseiten der linken Enden 24, 25 gebildet sind, wobei die leitfähige Beschichtung einen höheren Metallgehalt als die Heizleitungen 28, 29 hat.

Der so gebildete Heizteil 20 bildet zusammen mit dem Sensorteil 10 dadurch einen integralen Aufbau, daß der Heiz teil durch eine isolierende Schicht 30 mit der Unterseite des Sensor teils 10 integral verbunden ist, so daß die isolierenden Keramik schichten 21, 22 und die isolierende Schicht 30 einen Teil des Sensorsubstrats 5 bilden.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist das Sensorelement 41 der in Fig. 1 gezeigten Bauart über die in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Kontaktelemente 61, 65 mit einer Porzellan-Steckfassung 45 in Eingriff. Die Kontaktelemente 61, 65 (die anderen zwei Kontaktelemente sind aus Gründen der Vereinfachung in Fig. 2 weggelassen, obgleich es praktisch vier Kontaktelemente gibt) berühren unter Druck die Oberseiten der odersten Schichten 18, 19 der Kontaktierungsschichten am Elektrodenteil bzw. die obersten Schichten 26, 27 der Kontaktierungsschichten am Heizteil.

Wie vorstehend beschrieben, haben die obersten Schichten 18, 19, 26, 27 höhere Metallgehalte als die linken Enden 16, 17 der Elektrodenleitungen 13, 15 und die linken Enden 24, 25 der Heizleitungen 28, 29, die die untersten Schichten der Kontaktierungsschichten bilden. Anders betrachtet haben die untersten Schichten 16, 17, 24, 25 höhere Gehalte an Glas und/oder Keramik als die obersten Schichten 18, 19, 26, 27, so daß sie eine stärkere Bindung an die Fest elektrolyt-Platte 2 oder die isolierende Keramikschicht 21 zeigen.

Zur eingehenderen Erläuterung der vorstehenden Beschreibung wird nachfolgend ein Beispiel zur Herstellung der obersten Schichten 18, 19, 26, 27, der Elektrodenleitungen 13, 14, 15 und der Heizleitungen 28, 29 beschrieben.

Zur Herstellung der Elektrodenleitungen 13-15 und der Heizleitungen 28, 29 werden zunächst 60 Vol.-% eines Pulvers aus im wesentlichen wenigstens einem Metall, das aus der Gruppe Platinmetalle, Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Chrom, Wolfram, Molybdän und einem Gemisch oder einer Legierung dieser Metalle ausgewählt ist, und 40 Vol.-% stabilisiertes Zirkoniumoxid-Pulver, wie z. B. ZrO₂, mit 6 Mol-% Y₂O₃ versetzt und nach Zugabe von 4 Masse-% Ethylcellulose und Butylcarbitolacetat unter Bildung einer Paste verknetet und durch Drucken auf die Ober flächen der ungebrannten Festelektrolyt-Platten 2, 4 und der unge brannten isolierenden Keramikschicht 21 aufgetragen, um die Elektroden leitungen 13-15 und die Heizleitungen 28, 29 im ungebrannten Zustand zu bilden.

90 Vol.-% des vorstehend erwähnten Metallpulvers und 10 Vol.-% stabilisiertes Zirkoniumoxid-Pulver werden mit 4 Masse-% Ethylcellulose und mit n-Butylcarbitolacetat als Lösungsmittel versetzt, zu einer Paste verknetet und durch Drucken auf die Oberseiten der linken Enden der Pastenschichten, die die Elektrodenleitungen 13, 15 bilden sollen, und die linken Enden der Pastenschichten, die die Heiz leitungen 28, 29 bilden sollen, aufgetragen, um die obersten Schichten 18, 19, 26, 27 der Kontaktierungsschichten im ungebrannten Zustand zu bilden.

Die Festelektrolyt-Platten 2, 4 und die isolierende Keramikschicht 21 mit den wie beschrieben aufgetragenen Pasten und die anderen Teile werden alle übereinandergeschichtet und dann 3 h lang bei 1400°C gebrannt, um ein Sensorelement herzustellen, dessen Ende in Fig. 2 dargestellt ist.

Bei dieser Ausführungsform wird Gold, Silber oder Kupfer hauptsächlich als Legierung mit einem anderen Metall von hohem Schmelzpunkt oder als ein beim Brennen in eine Legierung übergehendes Gemisch mit einem solchen Metall eingesetzt, weil ihre Schmelzpunkte niedrig sind. Metalle wie Nickel, Chrom, Wolfram, Molybdän und Kupfer werden in einer oxidierenden Atmosphäre besonders bei einer hohen Temperatur von etwa 1400°C oxidiert, so daß sie nötigenfalls in einer reduzierenden oder neutralen Atmosphäre oder nach Beschichtung mit einer nichtoxidierenden Paste gebrannt werden.

Diese Methode der Vorbeschichtung mit pastenförmigen Ausgangsmaterialien für die Bildung der untersten und obersten Schichten der Kontaktierungsschichten und des gleich zeitigen Brennens der so übereinandergeschichteten Schichten wird hier als "Methode 1" bezeichnet. Anders als bei der Methode 1 können die obersten Schichten 18, 19, 26, 27, die Elektrodenleitungen 13, 14, 15 und die Heizleitungen 28, 29 nach der folgenden "Methode 2" in der Weise hergestellt werden, daß man auf die Festelektrolyt- Platten 2, 4 und die isolierende Keramikschicht 21 Pasten zur Bildung der untersten Schichten der Kontaktierungsschichten, d. h. der Elektroden leitungen 16, 17 und der Heizleitungen 28, 29, aufbringt und dann die Teile übereinanderschichtet und brennt; danach werden die untersten Schichten zur Bildung der obersten Schichten mit Pasten beschichtet und 15 min lang bei einer Temperatur von z. B. 1000°C gebrannt, die niedriger ist als die Brenntemperatur für die Bildung der untersten Schichten.

Beispiel 2

Bei der in den Fig. 3-4 gezeigten anderen Ausführungsform können die Elektrolytleitungen 13, 15 und die Heizleitungen 28, 29 an ihren linken Enden ein kurzes Stück kürzer als die Festelektrolyt- Platte 2 und die isolierende Keramikschicht 21 sein, und unterste Schichten 31, 32, 33 und 34, die in ihren Zusammensetzungen von denen der kurzen Leitungen 13, 15, 28 und 29 abweichen, können in Berührung mit den letzteren oder einteilig mit diesen gebildet werden; die obersten Schichten 18, 19, 26, 27 können auf die Oberseiten der untersten Schichten 31, 32, 33 und 34 auflaminiert werden, wodurch eine andere Bauart des Sensorelements entsteht. Wenn die Gehalte an Keramik und/oder Glas der untersten Schichten 31-34 größer als die der Leitungen 13, 15, 28, 29 sind, kann die Bindungsfestigkeit der Kontaktierungsschichten stark verbessert werden, ohne daß sich die Widerstandswerte der Leitungen 13, 14, 15, 28 und 29 ändern.

Die obersten Schichten 18, 19, 26, 27 und die untersten Schichten 31-34 können vor dem gleichzeitigen Brennen der Festelektrolyt-Platten 2-4 in Pastenform auflaminiert werden, oder die obersten Schichten 18, 19, 26 und 27 können auf die untersten Schichten 31-34 aufgebracht werden, nachdem die Festelektrolyt- Platten und die untersten Schichten 31-34 gebrannt worden sind.

Auf den Schichten 18, 19, 26 und 27 kann durch Drucken und ein- oder mehrmaliges Brennen wenigstens eine Pastenschicht mit höherem Metall gehalt als dem der Schichten 18, 19, 26 und 27 ausgebildet werden. Bei einer anderen Methode wird auf den Schichten, die auf den untersten Schichten gebildet worden sind, durch ein chemisches oder physikalisches Überzugsverfahren eine oder als eine Schicht wenigstens eines Metalls ausgebildet, das aus der Gruppe Platinmetalle, Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Chrom, Wolfram und Molybdän ausgewählt ist.

Beispiel 3

Zur Überprüfung der Brauchbarkeit der Erfindung wurden Sauerstoffsensoren mit erfindungsgemäßen Steckverbindungen und herkömmliche Sauerstoffsensoren hergestellt. Der Aufbau der Sauerstoffsensoren, die Werkstoffe und der Oberflächenwiderstand der Kontaktierungsschichten sind in Tabelle 1 angegeben.

In Tabelle 1 ist der Aufbau gemäß Fig. 1 oder Fig. 3 angegeben, und das Brennverfahren wird durch eine der beiden vorstehend erläuterten Methoden durchgeführt.

Die Sauerstoffsensoren werden zu dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau zusammengebaut, dann in eine Abgasleitung eines Sechszylinder-Benzin-Verbrennungsmotor mit einem Hubraum von 2 l eingebaut und in dem Abgas des Motors geprüft, der 800 h lang mit 4000 min^-1 bei etwa 800°C gefahren wurde.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, haben die Sauerstoffsensoren mit Steckverbindungen der erfindungsgemäßen Bauart eine sehr hohe Festigkeit an den Kontaktierungsschichten. Aus den vorstehenden Ergebnissen und verschiedenen weiteren Untersuchungen ist ersichlich, daß die Bindungskraft der Schichten so gesteigert werden kann, daß das Abschälen der untersten Schichten von dem Sensorsubstrat weitgehend verhindert wird, wenn der Keramik- und/oder Glasgehalt der untersten Schicht nicht kleiner als 20 Vol.-%, vorzugsweise nicht kleiner als 35 Vol.-% ist.

Wenn dagegen der Keramik- und/oder Glasgehalt der obersten Schichten nicht größer als 20 Vol.-% ist und vorzugsweise 3 bis 15 Vol.-% beträgt und wenn insbesondere die obersten Schichten gemeinsam mit dem Sensorsubstrat gebrannt werden, kann das Ablösen der obersten Schichten von dem Sensorsubstrat oder den untersten Schichten vermieden und der Kontaktwiderstand zwischen den obersten Schichten und den federnden Kontaktelementen verringert werden.

Die obersten Schichten und die untersten Schichten der Kontaktierungsschichten haben bei Bildung durch gleichzeitiges Brennen eine höhere Widerstandsfähigkeit, als wenn die Bindung durch ein späteres Brennen erfolgt.

Wenn die Gesamtdicke der Kontaktierungsschichten nicht kleiner als etwa 10 µm, vorzugsweise nicht kleiner als etwa 15 µm ist, sind die Bindungsfestigkeit und der Oberflächenwiderstand der Kontaktierungsschicht verbessert.

Die Kontaktierungsschichten sind nicht auf die zweischichtige Bauart der vorstehenden Beispiele beschränkt, sondern können auch aus drei oder mehr als drei Schichten aufgebaut sein. In diesem Falle wird der Keramik- und/oder Glasgehalt der Schichten vorteilhafterweise so gewählt, daß jede Schicht einen geringeren Keramik- und/oder Glasgehalt als die unmittelbar darunterliegende Schicht hat, wobei man die vorteilhafte Wirkung einer festen Bindungskraft und eines verbesserten Oberflächenwiderstandes erhält. Die anderen Bedingungen sind die gleichen wie bei der zweischichtigen Struktur.

Die oberste Fläche der Kontaktierungsschicht ist nicht auf eine glatte Ebene beschränkt. Sie kann eine Vertiefung oder einen Vorsprung haben, um so die Eingriffskraft der Kontaktelemente in der Steckfassung zu verbessern.

Die Erfindung ist nicht nur auf den vorstehend beschriebenen Sauerstoffsensor anwendbar, sondern auch auf andere Sensoren einer Bauart, bei der Keramiken als Sensorsubstrat dienen, auf den Oberflächen des Sensorsubstrats leitfähige Kontaktierungsschichten angeordnet sind und eine Steckfassung über Kontaktelemente mit den Kontaktierungsschichten in Eingriff ist, wie z. B. einem Temperatur sensor für den Hochtemperatureinsatz, einem Sauerstoffsensor unter Verwendung von Titandioxid TiO₂ und ähnliche Sensoren.

Wie vorstehend im einzelnen erläutert wurde, halten die Kontaktierungsschichten im Rahmen der Erfindung einen mehr schichtigen Aufbau, und die unterste Schicht enthält Keramik und/oder Glas, so daß die Bindungskraft zwischen den Kontaktierungs schichten und dem hauptsächlich aus Keramik bestehenden Sensor substrat ebenso verbessert werden kann wie die Bindungskraft zwischen den Schichten. Ferner kann das Abschälen bzw. Ablösen der Kontaktierungsschichten vom Sensorsubstrat, das auf wiederholte Erhitzung und Abkühlung des Sensorelements und Reibung der Kontaktelemente der Steckfassung an den Kontaktierungsschichten zurückzuführen ist, vermieden werden.

Wenn die über der untersten Schicht befindlichen Schichten von der Zusammensetzung der untersten Schicht abweichende Zusammensetzungen haben, beispielsweise jede Schicht einen höheren Gehalt an Metall als die unmittelbar darunter befindliche Schicht oder jede Schicht ein Metall mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als das Metall der unmittelbar darunter befindlichen Schicht hat, wird der Kontaktwider stand zwischen den Kontaktierungsschichten und dem Kontaktelement der Steckfassung verringert.

Claims

1. Elektrische Steckverbindung für ein Sauerstoffsensorelement, wobei auf dem einen Ende eines hauptsächlich aus sauerstoff sensitiver Keramik bestehenden Sensorsubstrats leitende Kontaktierungs schichten angeordnet sind und dieses Sensorsubstrat in eine separate Steckfassung zum elektrischen Anschluß an in der Steckfassung befindliche Kontaktelemente einsteckbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsschichten aus wenigstens zwei übereinander angeordneten Schichten bestehen, wobei die unterste Schicht aus einem leitfähigen Gemisch aus Metall mit nicht weniger als 20 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtgemisch, wenigstens eines Materials aus der Gruppe Keramik und Glas besteht und die wenigstens eine darauf angeordnete Schicht aus einem leitfähigen Gemisch aus Metall und nicht mehr als 20 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtgemisch, wenigstens eines Materials aus der Gruppe Keramik und Glas besteht, wobei die Schichten eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die von der untersten zur obersten Schicht zunimmt.

2. Elektrische Steckverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Metall wenigstens ein Metall aus der Gruppe Platinmetalle, Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Chrom, Wolfram und Molybdän enthält.

3. Elektrische Steckverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Schicht nicht weniger als 35 Vol.-% des wenigstens eines Materials aus der Gruppe Keramik und Glas enthält.

4. Elektrische Steckverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Schicht 3 bis 15 Vol.-% des wenigstens eines Materials aus der Gruppe Keramik und Glas enthält.

5. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Steckverbindung für ein Sauerstoffsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Schicht in der Weise gebildet wird, daß man eine Paste zur Bildung der untersten Schicht durch Drucken auf das ungebrannte Sensorsubstrat aufbringt und das ungebrannte Sensorsubstrat mit der auf gebrachten Paste bei der Sintertemperatur des Sensorsubstrats brennt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Schicht und wenigstens eine darauf angeordnete Schicht in der Weise gebildet werden, daß man Pasten zur Bildung dieser Schichten durch Drucken auf das ungebrannte Sensorsubstrat auf bringt und übereinanderschichtet und das ungebrannte Sensorsubstrat mit den aufgebrachten Pasten bei der Sintertemperatur des Sensorsubstrats brennt.