DE3628572C2

DE3628572C2 -

Info

Publication number: DE3628572C2
Application number: DE19863628572
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Joseph Dr. Esper; Wolfgang Dipl.-Ing. Dr. 7250 Leonberg De Kraft
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1986-08-22
Filing date: 1986-08-22
Publication date: 1990-08-30
Also published as: DE3628572A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Lambdasonde nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind bereits heizbare Lambdasonden in Form ein seitig geschlossener Rohre, sogenannte Fingersonden, bekannt, bei denen sich im Inneren des Rohres ein Heizstab befindet. Durch die Tatsache, daß der Heizstab im allgemeinen keinen unmittelbaren Kon takt mit dem Festelektrolyten der Sonde hat, ist der Wärmeübergang von dem Heizer auf den Festelektrolyten verhältnismäßig schlecht. Es wäre daher besser, eine Heizung direkt auf den Festelektrolyten auf zubringen, doch scheitert dies daran, daß sich der Festelektrolyt infolge seiner elektrischen Leitfähigkeit nur bedingt als Unterlage für einen Heizleiter eignet.

Aus der DE-OS 27 00 807 ist ein Festelektrolytrohr für einen Meß fühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen bekannt, das aus zwei verschiedenen, zusammengesinterten ZrO₂-Werkstoffen besteht, indem die Kuppe aus mit Yttriumoxid oder Yterbiumoxid sta bilisiertem Zirkondioxid und der restliche Teil des Rohres aus mit Calciumoxid stabilisiertem Zirkondioxid besteht. Dieses Festelektro lytrohr weist daher über seine ganze Länge eine elektrische Leit fähigkeit auf, so daß auch dieses nicht als Unterlage für einen Heizleiter geeignet ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lambdasonde mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber solchen mit einem Heizstab im Inneren des Rohres den Vorteil, daß durch das Vorhandensein des Heizleiters unmittelbar auf der Außenseite des Rohrs dieses direkt geheizt wird, wobei infolge der Tatsache, daß das Rohr dort, wo der Heizleiter aufgebracht ist, einen Isolator darstellt, keine elek trische Störung des λ-Sonden-Signals verursacht wird. Entschei dend für den Gebrauch derartiger Lambdasonden unter den Bedingungen starker Temperaturwechsel war die Tatsache, daß man mindestens zwei verschiedene Keramikmaterialien verwendet, von denen eines eine aus reichende elektrische Leitfähigkeit aufweist und die andere prak tisch Isolatoren darstellen, die aber gleichzeitig in ihren Wärme ausdehnungskoeffizienten so dicht beieinander liegen, daß bei raschen Temperaturwechseln keine Risse oder Brüche an den Grenz flächen zwischen den verschiedenen Materialien auftreten. Dies wird dadurch erreicht, daß die Kuppe aus einem Material hergestellt wird, das aus 80 bis 90 Masse-% ZrO₂ und 10 bis 20 Masse-% Al₂O₃ besteht und der übrige Rohrteil aus einem Material aus 15 bis 25 Masse-% ZrO₂ und 75 bis 85 Masse-% Al₂O₃. Der thermische Aus dehnungskoeffizient für den Temperaturbereich 20 bis 800°C liegt für das ZrO₂-reiche Material bei etwa 10,4 · 10^-6 K^-1 und für das Al₂O₃-reiche Material bei etwa 9,0 · 10^-6 K^-1. Zeigen sich im Gebrauch einer derartigen Lambdasonde infolge extremer Temperatur wechselbedingungen Schwierigkeiten bezüglich Rissen und Brüchen an den Grenzflächen, so ist es möglich, zwischen den beiden genannten Massen eine dritte Masse vorzusehen, die aus 30 bis 40 Masse-% ZrO₂ und 60 bis 70 Masse-% Al₂O₃ besteht und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 9,7 · 10^-6 K^-1 hat. Es sei noch angefügt, daß das Zirkondioxid in Form von teilstabilisiertem oder vollstabilisiertem ZrO₂ eingesetzt werden kann, wobei als Stabili sierungsoxide vorzugsweise Y₂O₃ und Yb₂O₃ in Betracht kommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6 hat den Vorteil, daß das zusammengesetzte Rohr der Lambdasonde in einem Arbeitsgang hergestellt werden kann, obwohl er aus mindestens zwei unterschiedlichen keramischen Massen besteht. Gegenüber dem Fertigungsverfahren der unbeheizten Lambdasonde ist der Mehraufwand vergleichsweise gering. Anstelle eines Pulver granulates müssen deren zwei bzw. drei in das Preßwerkzeug einge füllt werden, und auf den Isolatorteil muß eine Heizwicklung aufge drückt werden. Vom Kostengesichtspunkt her ist eine Einsparung mög lich, da der Anteil an stabilisiertem ZrO₂ merklich kleiner ist. - Über der Elektrode wird eine poröse Deckschicht angebracht, die ent weder vor dem Sintern als Keramikschlicker aufgebracht werden kann oder aber nach dem Sintern durch Plasmaspritzen aufgebracht wird, wobei diese Schicht vorzugsweise als Aluminiumoxid oder Magnesium spinell besteht. Die Heizleiterbahnen und Leiterbahnen werden mit einer dichten Deckschicht versehen, die vor dem Sintern als Keramik schlicker aufgebracht werden kann.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Lambdasonde und

Fig. 2 eine Draufsicht auf dieselbe.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Lambdasonde besteht aus einem einseitig geschlossenen Rohr 1 und trägt an ihrem offenen Ende einen Bund 2. Die Kuppe 3 besteht aus einem Keramikmaterial aus 85 Masse-% ZrO₂, das mit 8 Mol-% Y₂O₃ vollstabilisiert ist, und 15 Masse-% Al₂O₃, während der restliche Körper 4 der Lambdasonde 1 aus einem Keramikmaterial aus 20 Masse-% desselben vollstabilisierten ZrO₂ und 80 Masse-% Al₂O₃ (Isola tormasse) besteht. Im Inneren des Rohres ist eine Innenelektrode 5 aus Platin in Form einer Leiterbahn eingebracht, die bis zu der Kuppe 3 reicht. Auf der äußeren Oberfläche der Kuppe 3 befindet sich eine Elektrode 6, die aus einem Cermet aus 60 Vol.-% Platin und 40 Vol.-% mit Y₂O₃ vollstabilisiertem ZrO₂ besteht. Zum Anschluß dieser Elek trode ist eine Leiterbahn 7 aus dem gleichen Material auf den Bund 2 gezogen. Auf dem Teil 4 der Lambdasonde, dem elektrisch isolierenden Teil, sind Heizleiterbahnen 8 aufgedruckt, die aus einem Cermet aus 60 Vol.-% Platin und 40 Vol.-% der obengenannten Isolatormasse be stehen. Leiterbahnen 9 und 10 zum elektrischen Anschluß des Heiz leiters sind ebenfalls bis auf den Bund gezogen und bestehen aus dem gleichen Material wie die Leiterbahn 8. Schließlich ist die Elek trode 6 noch mit einer nur in Fig. 1 dargestellten porösen Schutz schicht 11 und die Heizleiterbahnen 8 und die Leiterbahnen 7, 9 und 10 mit einer dichten Schutzschicht 12 überzogen.

Zur Herstellung einer solchen Lambdasonde wird in ein Preßwerkzeug mit der Kontur eines einseitig geschlossenen Rohres zunächst zur Ausfüllung der Kuppe eine Pulvermischung aus 85 Masse-% vollstabi lisiertem ZrO₂ und 15 Masse-% Al₂O₃ und darauf eine Pulvermischung aus 20 Masse-% ZrO₂ und 80 Masse-% Al₂O₃ (Isolatormasse) einge füllt. Das Ganze wird dann gepreßt und bei einer Temperatur von 1050°C vorgesintert und anschließend geschliffen. Nach dem Schleifen wird die äußere Oberfläche der Kuppe 3 zur Bildung der Elektrode 6 sowie der Leiterbahn 7 mit dem beschriebenen Cermet bedruckt. Schließlich werden auf das Rohrteil 4 die Leiterbahnen 9 und 10 gleichzeitig mit dem Heizleiter 8 aus 60 Vol.-% Platin und 40 Vol.-% Isolatormasse aufgedruckt. Für das Aufdrucken werden die angegebenen Cermet-Zusammensetzungen in Form von druckfähigen Pasten verwendet. Im Inneren des Rohres wird die Leiterbahn 5, die aus dem gleichen Material besteht wie die Elektrode 6, eingebracht, auf die äußere Oberfläche des Rohres im Bereich der Elektrode 6 ein Keramik schlicker, der als Feststoff Aluminiumoxid und einen Porenbildner enthält, zur Bildung der porösen Deckschicht 11 und auf der rest lichen Oberfläche ein Keramikschlicker ohne Porenbildner zur Bildung der dichten Deckschicht 12 aufgebracht und das Ganze dann bei 1530°C 6 Stunden gesintert. - Alternativ zu dem beschriebenen Ver fahren kann die poröse Deckschicht 11 auch nach dem Sintern auf gebracht werden, wozu sich dann insbesondere das Plasmaspritzver fahren eignet.

Sollte die Lambdasonde beim Gebrauch extremen Temperaturwechsel bedingungen unterworfen sein, so kann es zur besseren Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten notwendig sein, den Rohrteil 4 nicht aus einem einzigen Material herzustellen, sondern im Anschluß an die Kuppe zunächst ein Material aus 35 Masse-% vollstabilisiertem ZrO₂ und 65 Masse-% Al₂O₃ einzubringen und dann erst das oben für diesen Rohrteil beschriebene Material darüberzuschichten.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Möglichkeit des Zusammensinterns eines elektrisch leitfähigen keramischen Materials und eines elekrisch isolierenden keramischen Materials infolge der fast gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und sehr ähnlicher Sintercharakteristiken der verwendeten Materialien eine heizbare Lambdasonde hergestellt werden kann, die in der Herstellung recht einfach ist und weder beim Sintern noch im späteren Gebrauch bei den auftretenden Temperaturwechseln Risse oder Brüche aufweist.

Claims

1. Heizbare Lambdasonde in Form eines einseitig geschlossenen Rohres (Fingersonde), mit einer dem zu messenden Gas ausgesetzten ersten Elektrode auf der Außenseite und einer einem Vergleichsgas ausge setzten zweiten Elektrode im Innern des Rohres, wobei das Rohr an seiner Kuppe aus einem anderen Keramikmaterial besteht als der übrige Rohrteil und beide Teile miteinander versintert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kuppe (3) aus einem elektrisch leitenden Keramikmaterial besteht, an das als übriges Rohrteil (4) eines ange sintert ist, das aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.

2. Lambdasonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kuppe (3) aus 80 bis 90 Masse-% eines stabilisierten ZrO₂ und 10 bis 20 Masse-% Al₂O₃ und der übrige Rohrteil (4) aus 15 bis 25 Masse-% eines stabilisierten ZrO₂ und 75 bis 85 Masse-% Al₂O₃ (Iso latormasse) besteht.

3. Lambdasonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kuppe (3) eine Platin- oder eine Platin-Cermet-Schicht (6) trägt, während auf dem übrigen Rohr (4) eine Heizwicklung (8) mit Anschlußleiterbahnen (9) und (10) sowie eine Anschluß-Leiterbahn (7) für die Platinschicht (6) der Kuppe (3) aufgebracht sind.

4. Lambdasonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Zirkondioxid ein mit ca. 8 Mol-% Y₂O₃ oder Yb₂O₃ vollstabilisiertes oder ein mit 4 bis 5 Mol-% Y₂O₃ oder Yb₂O₃ teilstabilisiertes ZrO₂ ist.

5. Lambdasonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kuppe (3) und übrigem Rohrteil (4) ein drittes Rohrteil vorhanden ist, das aus 30 bis 40 Masse-% ZrO₂ und 60 bis 70 Masse-% Al₂O₃ besteht.

6. Verfahren zur Herstellung einer Lambdasonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Preßwerkzeug mit der Kontur eines einseitig geschlossenen Rohres zunächst zur Ausfüllung der Kuppe (3) eine Pulvermischung aus 80 bis 90 Masse-% ZrO₂ und 10 bis 20 Masse-% Al₂O₃ und darauf eine Pulvermischung aus 15 bis 25 Masse-% ZrO₂ und 75 bis 85 Masse-% Al₂O₃ (Isolatormasse) eingefüllt, gepreßt, bei 1000 bis 1100°C vorgesintert und an schließend geschliffen wird, daß dann die Kuppe (3) mit einer Platin- oder einer Platin-Cermet-Schicht (6) beschichtet wird und auf den übrigen Rohrteil (4) eine Platin-Leiterbahn (7) als Anschluß für die Platinschicht (6) auf der Kuppe (3) sowie ein Heizleiter (8) aus 60 Vol.-% Pt und 40 Vol.-% Isolatormasse und die aus gleichem Material bestehenden Anschlußleiterbahnen 9 und 10 aufgebracht werden, daß im Inneren des Rohres eine Leiterbahn (5) aus Platin oder Platin-Cermet eingebracht wird, daß auf die äußere Oberfläche des Rohres im Bereich der Platinschicht (6) ein Keramikschlicker mit einem Porenbildner zur Bildung einer porösen Deckschicht (11) und auf dem übrigen Teil ein Keramikschlicker zur Bildung einer dichten Deckschicht (12) aufgebracht und das Ganze bei 1450 bis 1550°C 4 bis 8 Stunden gesintert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kuppe (3) mit einer Mischung aus 60 Vol.-% Pt und 40 Vol.-% Y₂O₃- stabilisiertem ZrO₂ beschichtet wird und daß die Keramikschlicker als Feststoff Al₂O₃ enthalten und in einer solchen Dicke aufge bracht werden, daß Deckschichten von 15 bis 30 µm entstehen.

8. Verfahren zur Herstellung einer Lambdasonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Preßwerkzeug mit der Kontur eines einseitig geschlossenen Rohres zunächst zur Ausfüllung der Kuppe (3) eine Pulvermischung aus 80 bis 90 Masse-% ZrO₂ und 10 bis 20 Masse-% Al₂O₃und darauf eine Pulver mischung aus 15 bis 25 Masse-% ZrO₂ und 75 bis 85 Masse-% Al₂O₃ eingefüllt, gepreßt und bei 1000 bis 1100°C vorgesintert und an schließend geschliffen wird, daß dann die Kuppe (3) mit einer Platin- oder mit einer Platin-Cermet-Schicht (6) beschichtet wird und auf den übrigen Rohrteil (4) eine Platin-Leiterbahn (7) als Anschluß für die Platinschicht (6) auf der Kuppe (3) sowie ein Heiz leiter (8) aus 60 Vol.-% Pt und 40 Vol.-% Isolatormasse und die aus gleichem Material bestehenden Anschlußleiterbahnen (9) und (10) und darüber ein Keramikschlicker zur Bildung der Deckschicht (12) auf gebracht werden, daß im Innern des Rohres eine Leiterbahn (5) aus Platin oder Platin-Cermet eingebracht wird, daß das Ganze bei 1450 bis 1550°C 4 bis 8 Stunden gesintert und anschließend über der Platinschicht (6) eine poröse Deckschicht (11) aus einem keramischen Material durch Plasmaspritzen in einer Dicke von 15 bis 30 µm aufgebracht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Deck schichten (11) und (12) aus Al₂O₃ oder Mg-Al-Spinell aufgebracht werden, wobei die Deckschicht (12) beim Aufbringen noch einen Poren bildner enthält.

10. Verfahren zur Herstellung einer Lambdasonde nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 6 mit der Maßgabe, daß nach der Pulvermischung für die Kuppe, bestehend aus 80 bis 90 Masse-% ZrO₂ und 10 bis 20 Masse-% Al₂O₃, und vor der Pulver mischung aus 15 bis 25 Masse-% ZrO₂ und 75 bis 85 Masse-% Al₂O₃ eine Pulvermischung aus 30 bis 40 Masse-% ZrO₂ und 60 bis 70 Masse-% Al₂O₃ zum besseren Ausgleich der Wärmeausdehnungskoeffizienten ein gebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 7.