EP1313681A2 - Schichtverbund mit einer isolationsschicht - Google Patents

Schichtverbund mit einer isolationsschicht

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Publication number
EP1313681A2
EP1313681A2 EP01969630A EP01969630A EP1313681A2 EP 1313681 A2 EP1313681 A2 EP 1313681A2 EP 01969630 A EP01969630 A EP 01969630A EP 01969630 A EP01969630 A EP 01969630A EP 1313681 A2 EP1313681 A2 EP 1313681A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
powder
insulation layer
insulation
laminate according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01969630A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frieder Gora
Stefan Malkmus
Christina Modes
Annette Kipka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WC Heraus GmbH and Co KG
Original Assignee
Epiq Sensor Nite NV
WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epiq Sensor Nite NV, WC Heraus GmbH and Co KG filed Critical Epiq Sensor Nite NV
Publication of EP1313681A2 publication Critical patent/EP1313681A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • the invention relates to a layer composite with at least one insulation layer for the electrical insulation of a first layer from a second layer, the first layer being designed as a first solid electrolyte layer that conducts oxygen ions or a first electrically conductive layer, and wherein the second layer is designed as a second oxygen ion layer.
  • conductive solid electrolyte layer or a second electrically conductive layer is formed, the insulation layer being formed from a ceramic powder and / or from a glass powder by means of a paste or a suspension on a carrier, the carrier being at least partially the first layer or at least partially the second layer serves, and wherein the sintered insulation layer has a layer thickness ⁇ 10 microns.
  • the invention further relates to a method for producing such a layer composite, the insulation layer being formed from a ceramic powder and / or from a glass powder by means of a paste or a suspension on the carrier, the carrier being a first layer formed as a film or one on a Substrate applied first layer is used.
  • Layer composites of this type are known.
  • a wide variety of systems have already been proposed in the field of high-temperature and gas sensors, in particular for the formation of electrical insulation between a solid electrolyte layer, for example made of yttrium or scandium-doped ZrO 2 , HfO 3 , CeO 2 or ThO 2 , and an electrically conductive, current-carrying layer .
  • a solid electrolyte layer for example made of yttrium or scandium-doped ZrO 2 , HfO 3 , CeO 2 or ThO 2
  • an electrically conductive, current-carrying layer for conductive layers, in particular heating layers or heating structures, oxidation-resistant noble metals such as platinum are usually used in exhaust gas sensors.
  • oxidation-resistant noble metals such as platinum are usually used in exhaust gas sensors.
  • it can contain other components such as inorganic binders or materials adapted to the substrate such as ZrO 2 or Al 2 O 3 in a low concentration in addition
  • BESTATIGUNGSKOPIE conditions such as Al 2 O 3 used for electrical insulation between the solid electrolyte and the current-carrying layer.
  • the insulation layer should guarantee functioning even over longer periods.
  • a sufficiently high electrical resistance of the layer material must be guaranteed.
  • the sintering or firing behavior of the insulation layer is also of crucial importance. For example, during the production of the layered composite, there should be no warping of the composite, nor detachment or cracking in the insulating layer due to different thermal expansion of the materials, which could impair the insulating ability.
  • High layer thicknesses of the insulating layer can also make it necessary to use a screen-printed, interlaminar binder layer - a so-called “sealing frame”.
  • a possible insulation arrangement is described in EP 0 394272 B1 with a PCT temperature sensor using ceramic film technology and a method for its production.
  • the PCT resistance used and the conductor tracks are hermetically sealed from the sample gas and the ambient air.
  • Ceramic foils based on Al 2 O 3 with thicknesses in the range of 0.1 to 0.6 mm are used for the electrical insulation of individual foils.
  • Adhesion-enhancing additives such as ZrO 2 or silicates can be used in the insulating film.
  • the connection between the foils is realized with the help of a screen-printed, interlaminar binder layer based on Al 2 O 3 , which functions as a sealing frame.
  • the incorporation of pentavalent metal ions such as Nb 5+ ions or Ta 5+ ions into the solid electrolyte host grid is also presented instead of an additional insulation layer.
  • an insulation layer is created between a solid electrolyte material and an electrically conductive layer.
  • the insulation layer the layer thickness of which is not chosen to be significantly thicker than 10 ⁇ m, can be formed on an Al 2 O 3 basis, with pentavalent metal ions being contained. These ions diffuse into the solid electrolyte material during sintering and increase its electrical resistance.
  • the problem here is that the diffusion process takes place while the sensor is in use slowly continues and the electrical resistance of the solid electrolyte material is not only increased in the long term in the surface areas. This leads to a negative influence on the sensor properties, in particular the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte material. This makes the process difficult to control.
  • DE 44 00 370 A1 describes a further possibility for electrically insulating protective or covering layers for an electrochemical exhaust gas sensor based on a mixture of crystalline, non-metallic material such as Al 2 O 3 , magnesium spinel, forsterite, partially or non-stabilized ZrO 2 or HfO 2 , and a glass-forming material such as alkaline earth silicate.
  • the layer application is recommended by plasma spraying or in the form of an engobe.
  • DE OS 195 26 074 A1 describes such a powder mixture for producing a sintered, electrically insulating ceramic layer for a gas sensor.
  • a crystalline, non-metallic powder with a particle size distribution of d 50 ⁇ 0.40 ⁇ m and d go ⁇ 0.50 ⁇ m is preferably used.
  • a layer composition which contains at least 80% ⁇ -Al 2 O 3 with an average particle size of approximately 0.3 ⁇ m and in which finely divided carbon with an average particle size of 1 to 10 ⁇ m is used as the pore former.
  • EP 834487 A1 describes a method for connecting already sintered Al 2 O 3 bodies for a pressure sensor.
  • a base body and a ceramic membrane are connected by a joining material made of a nano-scale, high-purity Al 2 O 3 , which has a particle size of at most 100 nm.
  • Sintering aids are added to such an extent that they are present after sintering with a maximum of 5% by weight in the joining material. No attention is paid to the high electrical insulation effect of the joining layer.
  • the problem is solved for the layer composite in that the powder used for the insulation layer is a nano powder with a specific surface area according to BET of> 50 m 2 / g and that the maximum powder particle size of the nano powder is 100 nm.
  • An insulation layer in such a layer composite has a high sintering density due to the high sintering activity of the nano powder.
  • the low porosity of the insulation layer and a low content of impurities in the powder enable low layer thicknesses with high electrical insulation. Despite different thermal expansions of the materials used for a layered composite, there are no or hardly any warps.
  • a so-called "asymmetrical" layer composite can thus also be produced, in which an insulation layer is arranged asymmetrically in the layer composite (for example only on one side of a solid electrolyte material).
  • the total thickness of the layer composite can thus be reduced in comparison to conventional layer systems. Nevertheless, the mechanical resistance of the The thermal shock resistance of the laminated composite is even increased. There is no risk of delamination in the laminated composite according to the invention. The use of additional sealing frames is also unnecessary.
  • a ratio of the thicknesses of the insulation layer to a carrier is at least 1: 100, in particular at least 1: 200.
  • a specific electrical resistance of the insulation layer at 700 ° C should be at least 100 times greater than the specific electrical resistance of ZrO 2 stabilized with 8 mol% Y 2 O 3 .
  • a specific electrical resistance of the insulation layer at 600 ° C should be at least 1000 times greater than the specific electrical resistance of ZrO 2 stabilized with 8 mol% Y 2 O 3 .
  • the nano powder has a BET specific surface area in the range from 90-110 m 2 / g and if the average powder particle size (d 50 ) of the nano powder is 5-20 nm, in particular 10-15 nm is.
  • the layer thickness of the sintered insulation layer has proven itself in a range from 3 to 7 ⁇ m.
  • the insulation layer can be formed by a screen or stencil printing process or a spray process.
  • the first and / or the second solid electrolyte layer can be designed as a film, wherein the film can serve as a carrier for the insulation layer.
  • a ceramic powder made of Al 2 O 3 with a purity of> 99% is preferred.
  • the ceramic powder can also be formed from non-stabilized ZrO 2 or a mixture of Al 2 O 3 and fully, partially stabilized or non-stabilized ZrO 2 . With these materials, there is no risk of impairing the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte material.
  • SiO 2 for example, is particularly suitable as glass powder with a high electrical insulation capacity.
  • the use of a layer composite with at least one insulation layer made of a nano powder described above for a sensor that is used in hot gases is ideal.
  • the sensor can be a temperature sensor and / or a gas sensor that is used, for example, in the exhaust gas routing of a motor vehicle.
  • the problem is solved for the method in that the first layer formed as a film or the substrate is used in the green state, that at least the first layer is provided with the insulating layer, that the insulating layer is provided with the second layer and that this layer composite is used a temperature in the range of 1300 - 1500 ° C is sintered. This procedure is useful when a second layer is to be applied using a thick layer technique.
  • the problem is also solved for the method in that at least the first layer is provided with the insulating layer, the first layer is sintered with the insulating layer at a temperature in the range from 1300 to 1500 ° C., and the insulating layer is subsequently coated with the second Layer. This method is useful if a second layer is to be applied using a thin-film technique.
  • the insulation layer is applied to the first layer in a thick or thin layer method. It has proven particularly useful if the insulation layer is screen-printed.
  • the electrically conductive layers can also be produced in a thick or thin layer process, screen printing being particularly suitable as a thick layer technique and sputtering or thermal spraying being particularly suitable as a thin layer technique.
  • the substrate is formed from Al 2 O 3 , preferably an Al 2 O 3 film.
  • FIG. 1 are intended to show, by way of example, a production process for layer composites according to the invention and the test of the electrical insulation capacity of an insulation layer.
  • the paste is printed on an oxygen ion-conductive, green solid electrolyte film made of Y 2 O 3 -doped ZrO 2 by means of screen printing, and an insulating layer is thus produced.
  • the green film has a thickness of 0.6mm.
  • the layer thickness of the printed insulating layer is chosen so that a thickness of ⁇ 10 ⁇ m results after sintering.
  • a platinum paste is applied to the dried insulating layer in order to form a conductive layer or a heating layer and then dried.
  • the layer composite is sintered in a single step at 1400 ° C. The electrical insulation capacity of the insulating layer with respect to the solid electrolyte film was determined with a measuring arrangement according to FIG.
  • FIG. 1 shows a sintered layer composite with a film made of solid electrolyte material 1 which conducts oxygen ions and two conductive layers 2a, 2b of the same size arranged thereon.
  • An insulation layer 3 is arranged between one of the two conductive layers 2b and the solid electrolyte material 1.
  • the resistance R between the conductive layer 2a arranged directly on the solid electrolyte material 1 and the conductive layer 2b arranged on the insulation layer 3 is measured.
  • the resistance R can be converted into a specific resistance with the help of the geometric dimensions of the measuring arrangement and can be compared and compared with the literature values for the electrical resistance of stabilized ZrO 2 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schichtverbund mit mindestens einer Isolationsschicht zur elektrischen Isolation einer ersten Schicht von einer zweiten Schicht, wobei die erste Schicht als eine erste Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht oder eine erste elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist, und wobei die zweite Schicht als eine zweite Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht oder eine zweite elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist, wobei die Isolationsschicht aus einem keramischen Pulver und/oder aus einem Glaspulver mittels einer Paste oder einer Suspension auf einem Träger gebildet ist, wobei als Träger zumindest teilweise die erste Schicht oder zumindest teilweise die zweite Schicht dient, und wobei die gesinterte Isolationsschicht eine Schichtdicke ≤ 10 mu m aufweist. Es stellt sich das Problem, einen weiteren Schichtverbund mit einer Isolationsschicht, insbesondere für einen Abgassensor, bereitzustellen. Das Problem wird für den Schichtverbund dadurch gelöst, dass das für die Isolationsschicht verwendete Pulver ein Nano-Pulver mit einer spezifischen Oberfläche nach BET von > 50m<2>/g ist und dass die maximale Pulverpartikelgrösse des Nano-Pulvers 100nm beträgt.

Description

Schichtverbund mit einer Isolationsschicht
Die Erfindung betrifft einen Schichtverbund mit mindestens einer Isolationsschicht zur elektrischen Isolation einer ersten Schicht von einer zweiten Schicht, wobei die erste Schicht als eine erste Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht oder eine erste elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist, und wobei die zweite Schicht als eine zweite Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht oder eine zweite elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist, wobei die Isolationsschicht aus einem keramischen Pulver und/oder aus einem Glaspulver mittels einer Paste oder einer Suspension auf einem Träger gebildet ist, wobei als Träger zumindest teilweise die erste Schicht oder zumindest teilweise die zweite Schicht dient, und wobei die gesinterte Isolationsschicht eine Schichtdicke < 10μm aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtverbundes, wobei die Isolationsschicht aus einem keramischen Pulver und/oder aus einem Glaspulver mittels einer Paste oder einer Suspension auf dem Träger gebildet wird, wobei als Träger eine als Folie ausgebildete erste Schicht oder eine auf einem Substrat aufgebrachte erste Schicht dient.
Derartige Schichtverbunde sind bekannt. Insbesondere für die Ausbildung einer elektrischen Isolation zwischen einer Festelektrolytschicht, beispielsweise aus Yttrium- oder Scandium- dotiertem ZrO2, HfO3, CeO2 oder ThO2, und einer elektrisch leitenden, stromführenden Schicht wurden im Bereich der Hochtemperatur- und Gassensorik bereits unterschiedlichste Systeme vorgeschlagen. Für leitende Schichten, insbesondere Heizschichten beziehungsweise Heizstrukturen, werden in der Abgassensorik üblicherweise oxidationsbeständige Edelmetalle wie beispielsweise Platin eingesetzt. Zur besseren Haftung einer leitenden Schicht am Untergrund kann diese neben dem Edelmetall noch in geringer Konzentration weitere Bestandteile wie anorganische Bindemittel oder dem Untergrund angepasste Materialen wie ZrO2 oder AI2O3 aufweisen. Um eine elektrolytische Zersetzung des Festelektrolyten infolge einer zu hohen Strombelastung zu vermeiden, wurden vor allem hochtemperaturstabile, keramische Oxidverbindun-
BESTATIGUNGSKOPIE gen wie beispielsweise AI2O3 für die elektrische Isolation zwischen Festelektrolyt und stromführender Schicht eingesetzt.
Dabei müssen allerdings einige Forderungen an die Isolationsschicht gestellt werden, die ein Funktionieren auch über längere Zeiträume garantieren sollen. So muss für den Einsatz bei hohen Temperaturen im Bereich > 300°C zur Ausbildung einer geeigneten Isolationsschicht ein ausreichend hoher elektrischer Widerstand des Schichtmaterials gewährleistet sein. Aber auch das Sinter- bzw. Einbrandverhalten der Isolationsschicht ist von entscheidender Bedeutung. So darf es bei der Herstellung des Schichtverbundes weder zu einem Verzug des Verbundes, noch zu Ablösungen oder zu Rissbildung in der Isolierschicht durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Materialen kommen, wodurch die Isolationsfähigkeit beeinträchtigt werden könnte. Hohe Schichtdicken der Isolierschicht können zudem einen Einsatz einer siebgedruckten, interlaminaren Binderschicht - eines sogenannten „Dichtrahmens" - notwendig machen.
Eine mögliche Isolationsanordnung beschreibt die EP 0 394272 B1 mit einem PCT-Tempe- raturfühler in Keramikfolientechnik und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der verwendete PCT-Widerstand und die Leiterbahnen werden dabei hermetisch vom Messgas und der Umgebungsluft abgekapselt. Zur elektrischen Isolation einzelner Folien werden Keramikfolien auf AI2O3 -Basis mit Dicken im Bereich von 0,1 bis 0,6 mm eingesetzt. Dabei können haftverbes- semde Zusätze wir ZrO2 oder Silikate in der Isolierfolie verwendet werden. Die Verbindung zwischen den Folien wird mit Hilfe einer siebgedruckten, interlaminaren Binderschicht auf AI2O3 - Basis realisiert, die die Funktion eines Dichtrahmens aufweist. Um den elektrischen Widerstand der Festelektrolytfolie in Oberflächenbereichen zu erhöhen, wird anstelle einer zusätzlichen Isolationsschicht auch der Einbau von fünfwertigen Metallionen wir Nb5+ - Ionen oder Ta5+ - Ionen in das Festelektrolyt-Wirtsgitter vorgestellt.
Dieses Verfahren wird in der DE 3726479 C2 oder auch der EP 0683895 B1 genauer dargestellt. Zur galvanischen Trennung von Stromkreisen wird eine Isolationsschicht zwischen einem Festelektrolytmaterial und einer elektrisch leitenden Schicht erzeugt. Die Isolationsschicht, deren Schichtdicke nicht wesentlich dicker als 10 μm gewählt wird, kann dabei auf AI2O3 - Basis gebildet werden, wobei fünfwertige Metallionen enthalten sind. Diese Ionen diffundieren beim Sintern in das Festelektrolytmaterial ein und erhöhen dessen elektrischen Widerstand. Problematisch ist hier allerdings, dass sich der Diffusionsvorgang während des Einsatzes des Sensors langsam fortsetzt und der elektrische Widerstand des Festelektrolytmaterials langfristig nicht nur in den Oberflächenbereichen erhöht wird. Dies führt zu einer negativen Beeinflussung der Sensoreigenschaften, insbesondere der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolytmaterials. Das Verfahren ist dadurch schwer steuerbar.
Die DE 44 00 370 A1 beschreibt eine weitere Möglichkeit für elektrisch isolierende Schutz- beziehungsweise Abdeckschichten für einem elektrochemischen Abgasfühler auf Basis einer Mischung von kristallinem, nichtmetallischem Material wie AI2O3, Magnesium-Spinell, Forsterit, teil- oder nicht-stabilisiertem ZrO2 oder HfO2, und einem glasbildenden Material wie Erdalkalisilikat. Der Schichtauftrag wird durch Plasmaspritzen oder in Form einer Engobe empfohlen.
Die DE OS 195 26 074 A1 beschreibt ein solches Pulvergemisch zur Herstellung einer gesinterten, elektrisch isolierenden keramischen Schicht für einen Gassensor. Dabei wird neben dem glasbildenden Material vorzugsweise ein kristallines, nichtmetallisches Pulver mit einer Kornverteilung von d50 < 0,40 μm und dgo < 0,50μm eingesetzt.
Die DE 198 34 276 A1 beschreibt eine Abgassonde mit Isolationsschichten auf AI2O3 -Basis, wobei in der Schicht vor dem Sintern ein Porenbildner enthalten ist. Dabei wird eine Zusammensetzung der Schicht bevorzugt, bei der mindestens 80%α-AI2O3 mit einer mittleren Teilchengröße von ca. 0,3μm enthalten ist und bei der als Porenbildner fein zerteilter Kohlenstoff mit einer mittleren Teilchengröße von 1 bis 10μm eingesetzt wird.
Die EP 834487 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von bereits gesinterten AI2O3- Körpern für einen Drucksensor. Dabei wird ein Grundkörper und eine keramische Membran durch ein Fügematerial aus einem nano-skaligen, hochreinen AI2O3 verbunden, das eine Partikelgröße von höchstens 100nm aufweist. Sinterhilfsmittel werden in einer Höhe zugesetzt, dass diese nach dem Sintern mit maximal 5 Gew.-% im Fügematerial vorliegen. Auf eine hohe elektrische Isolationswirkung der Fügeschicht wird hier nicht geachtet.
Die DE 198 25 094 C1 beschreibt eine keramische, diffusionslimitierende Schicht für Sensoren, bei welcher ein zumindest teilweise thermisch vorbehandeltes oxidkeramisches Pulver mit einer spezifischen Oberfläche nach BET ( Brunauer, Emmett und Teller ) im Bereich von 5 bis 50 m2/g und einer mittleren Primärteilchengröße von 20 bis 450 nm verwendet wird. Auf eine hohe elektrische Isolationswirkung der Schicht wird allerdings auch hier nicht geachtet.
Es stellt sich damit das Problem, einen weiteren Schichtverbund mit einer Isolationsschicht, insbesondere für einen Abgassensor, und ein Herstellungsverfahren für den Schichtverbund zur Verfügung zu stellen, wobei die Isolationsschicht möglichst inert und dicht sein sowie ein hohes elektrisches Isolationsvermögen besitzen soll.
Das Problem wird für den Schichtverbund dadurch gelöst, dass das für die Isolationsschicht verwendete Pulver ein Nano-Pulver mit einer spezifischen Oberfläche nach BET von > 50m2/g ist und dass die maximale Pulverpartikelgröße des Nano-Pulvers 100nm beträgt. Eine Isolationsschicht in einem solchen Schichtverbund weist aufgrund der hohen Sinteraktivität des Nano-Pulvers eine hohe Sinterdichte auf. Die niedrige Porosität der Isolationsschicht und ein geringer Gehalt an Verunreinigungen im Pulver ermöglichen geringe Schichtdicken bei gleichzeitig hohem elektrischem Isolationsvermögen. Trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnungen der für einen Schichtverbund verwendeten Materialien treten keine oder kaum Verwöl- bungen auf. Somit kann auch ein sogenannter „unsymmetrischer" Schichtverbund erzeugt werden, bei welchem eine Isolationsschicht unsymmetrisch im Schichtverbund angeordnet ist ( beispielsweise nur auf einer Seite eines Festelektrolytmaterials ). So ist die Gesamtdicke des Schichtverbundes im Vergleich zu herkömmlichen Schichtsystemen reduzierbar. Dennoch ist die mechanische Beständigkeit des Schichtverbundes nicht beeinträchtigt. Die Thermoschock- beständigkeit des Schichtverbundes ist sogar noch erhöht. Die Gefahr eines Delaminierens besteht beim erfindungsgemäßen Schichtverbund nicht. Auch die Verwendung zusätzlicher Dichtrahmen erübrigt sich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Verhältnis der Dicken von Isolationsschicht zu einem Träger mindestens 1 :100, insbesondere mindestens 1:200 beträgt.
Ein spezifischer elektrischer Widerstand der Isolationsschicht bei 700°C sollte dabei mindestens um den Faktor 100 größer sein als der spezifische elektrische Widerstand von mit 8 Mol-% Y2O3 stabilisiertem ZrO2. Ein spezifischer elektrischer Widerstand der Isolationsschicht bei 600°C sollte mindestens um den Faktor 1000 größer sein als der spezifische elektrische Widerstand von mit 8 Mol-% Y2O3 stabilisiertem ZrO2.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Nano-Pulver eine spezifische Oberfläche nach BET im Bereich von 90 - 110 m2/g aufweist sowie wenn die mittlere Pulverpartikelgröße ( d50 ) des Nano-Pulvers 5 - 20nm, insbesondere 10 - 15nm beträgt.
Die Schichtdicke der gesinterten Isolationsschicht hat sich in einem Bereich von 3 - 7μm bewährt.
Die Isolationsschicht kann durch ein Sieb- oder Schablonendruckverfahren oder ein Sprühverfahren gebildet sein.
Die erste und/oder die zweite Festelektrolytschicht kann als Folie ausgebildet sein, wobei die Folie als Träger für die Isolationsschicht dienen kann.
Für die Isolationsschicht wird ein keramisches Pulver aus AI2O3 mit einer Reinheit von > 99% bevorzugt. Das keramische Pulver kann aber auch aus nicht stabilisiertem ZrO2 oder einer Mischung aus AI2O3 und voll-, teilstabilisiertem oder nicht stabilisiertem ZrO2 gebildet sein. Bei diesen Materialien besteht die Gefahr einer Beeinträchtigung der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolytmaterials nicht.
Als Glaspulver mit einem hohen elektrischen Isolationsvermögen ist beispielsweise SiO2 besonders geeignet.
Eine Verwendung eines Schichtverbundes mit mindestens einer Isolationsschicht aus einem oben beschriebenen Nano-Pulver für einen Sensor, der in heißen Gasen eingesetzt wird, ist ideal. Der Sensor kann dabei ein Temperatursensor und/oder ein Gassensor sein, der beispielsweise in der Abgasführung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird.
Das Problem wird für das Verfahren dadurch gelöst, dass die als Folie ausgebildete erste Schicht oder das Substrat in grünem Zustand verwendet wird, dass mindestens die erste Schicht mit der Isolierschicht versehen wird, dass die Isolierschicht mit der zweiten Schicht versehen wird und dass dieser Schichtverbund bei einer Temperatur im Bereich von 1300 - 1500°C gesintert wird. Dieses Verfahren bietet sich an, wenn eine zweite Schicht in einer Dickschichttechnik aufgetragen werden soll. Das Problem wird aber auch für das Verfahren dadurch gelöst, dass mindestens die erste Schicht mit der Isolierschicht versehen wird, dass die erste Schicht mit der Isolierschicht bei einer Temperatur im Bereich von 1300 - 1500°C gesintert wird und dass die Isolierschicht anschließend mit der zweiten Schicht versehen. Dieses Verfahren bietet sich an, wenn eine zweite Schicht in einer Dünnschichttechnik aufgetragen werden soll.
Die Isolationsschicht wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens auf der ersten Schicht in einem Dick- oder Dünnschichtverfahren aufgetragen. Besonders bewährt hat es sich, wenn die Isolationsschicht siebgedruckt wird.
Aber auch die elektrisch leitenden Schichten können in einem Dick- oder Dünnschichtverfahren hergestellt werden, wobei sich als Dickschichttechnik der Siebdruck und als Dünnschichttechnik das Sputtern oder thermische Spritzen besonders eignen.
Bewährt hat sich auch, wenn das Substrat aus AI2O3 , bevorzugt einer AI2O3 -Folie, gebildet wird.
Folgendes Beispiel 1 sowie die Figur 1 sollen beispielhaft ein Herstellungsverfahren erfindungsgemäßer Schichtverbunde und den Test des elektrischen Isolationsvermögens einer Isolationsschicht aufzeigen.
Beispiel 1:
Ein handelsübliches Nano-Pulver aus > 99% AI2O3 ( z.B. Aluminiumoxid C, Firma Degussa ) mit einer mittleren Teilchengröße d50 von 13nm und einer spezifischen Oberfläche nach BET von 100+15 m2/g wird zu einer siebdruckfähigen Paste mit einem Feststoffgehalt im Bereich von 8 bis 20 Gew.-% verarbeitet. Die Paste wird mittels Siebdruck auf eine Sauerstoffionen-leitende, grüne Festelektrolytfolie aus Y2O3 -dotiertem ZrO2 gedruckt und so eine Isolierschicht erzeugt. Die grüne Folie weist eine Dicke von 0,6mm auf. Die Schichtdicke der gedruckten Isolierschicht wird so gewählt, dass sich nach dem Sintern eine Dicke von < 10μm ergibt. Auf die getrocknete Isolierschicht wird zur Ausbildung einer leitenden Schicht beziehungsweise einer Heizschicht in einem weiteren Schritt eine Platin-Paste mittels Siebdruck aufgebracht und anschließend getrocknet. Der Schichtverbund wird in einem einzigen Schritt bei 1400°C gesintert. Mit einer Messanordnung gemäß Figur 1 wurde das elektrische Isolationsvermögen der Isolierschicht gegenüber der Festelektrolytfolie bestimmt.
Figur 1 zeigt einen gesinterten Schichtverbund mit einer Folie aus Sauerstoffionen-Ieitendem Festelektrolytmaterial 1 und zwei darauf angeordneten leitenden Schichten 2a, 2b gleicher Größe. Zwischen einer der zwei leitenden Schichten 2b und dem Festelektrolytmaterial 1 ist eine Isolationsschicht 3 angeordnet. Um das Isolationsvermögem der Isolationsschicht 3 beurteilen zu können, wird der Widerstand R zwischen der direkt auf dem Festelektrolytmaterial 1 angeordneten leitenden Schicht 2a und der auf der Isolationsschicht 3 angeordneten leitenden Schicht 2b gemessen. Der Widerstand R kann mit Hilfe der geometrischen Abmessungen der Messanordnung in einen spezifischen Widerstand umgerechnet werden und mit den Literaturwerten für den elektrischen Widerstand von stabilisiertem ZrO2 ins Verhältnis gesetzt und verglichen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtverbund mit mindestens einer Isolationsschicht zur elektrischen Isolation einer ersten Schicht von einer zweiten Schicht, wobei die erste Schicht als eine erste sauerstoffionen- leitende Festelektrolytschicht oder eine erste elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist, und wobei die zweite Schicht als eine zweite sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht oder eine zweite elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist, wobei die Isolationsschicht aus einem keramischen Pulver und/oder aus einem Glaspulver mittels einer Paste oder einer Suspension auf einem Träger gebildet ist, wobei als Träger zumindest teilweise die erste Schicht o- der zumindest teilweise die zweite Schicht dient, und wobei die gesinterte Isolationsschicht eine Schichtdicke < 10μm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver ein Nano- Pulver mit einer spezifischen Oberfläche nach BET von > 50m2/g ist und dass die maximale Pulverpartikelgröße des Nano-Pulvers 100nm beträgt.
2. Schichtverbund nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Dicken von Isolationsschicht zu Träger mindestens 1:100 beträgt.
3. Schichtverbund nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicken von Isolationsschicht zu Träger mindestens 1 :200 beträgt.
4. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein spezifischer elektrischer Widerstand der Isolationsschicht bei 700°C mindestens um den Faktor 100 größer ist als der spezifische elektrische Widerstand von mit 8 Mol-% Y2O3 stabilisiertem ZrO2.
5. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein spezifischer elektrischer Widerstand der Isolationsschicht bei 600°C mindestens um den Faktor 1000 größer ist als der spezifische elektrische Widerstand von mit 8 Mol-% Y2O3 stabilisiertem ZrO2.
6. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Nano-Pulver eine spezifische Oberfläche nach BET im Bereich von 90 - 110 m2/g aufweist.
7. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Pulverpartikelgröße ( d50 ) des Nano-Pulvers 5 - 20nm beträgt.
8. Schichtverbund nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Pulverpartikelgröße ( d50 ) des Nano-Pulvers im Bereich von 10 - 15nm gewählt ist.
9. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der gesinterten Isolationsschicht 3 - 7μm beträgt.
10. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht durch ein Sieb- oder Schablonendruckverfahren oder ein Sprühverfahren gebildet ist.
11. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Festelektrolytschicht als Folie ausgebildet ist.
12. Schichtverbund nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie der Träger für die Isolationsschicht ist.
13. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Pulver aus AI2O3 mit einer Reinheit von > 99% gebildet ist.
14. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Pulver aus nicht stabilisiertem ZrO2 oder einer Mischung aus AI2O3 und voll-, teilstabilisiertem oder nicht stabilisiertem ZrO2 ist.
15. Schichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaspulver aus SiO2 gebildet ist.
16. Verwendung eines Schichtverbundes mit mindestens einer Isolationsschicht aus einem Nano-Pulver nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für einen Sensor, der in heißen Gasen eingesetzt wird.
17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Temperatursensor und/oder ein Gassensor ist.
18. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in der Abgasführung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird.
19. Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbundes nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Isolationsschicht aus einem keramischen Pulver und/oder aus einem Glaspulver mittels einer Paste oder einer Suspension auf dem Träger gebildet wird, wobei als Träger eine als Folie ausgebildete erste Schicht oder eine auf einem Substrat aufgebrachte erste Schicht dient, dadurch gekennzeichnet, dass die als Folie ausgebildete erste Schicht oder das Substrat in grünem Zustand verwendet wird, dass mindestens die erste Schicht mit der Isolierschicht versehen wird, dass die Isolierschicht mit der zweiten Schicht versehen wird und dass dieser Schichtverbund bei einer Temperatur im Bereich von 1300 - 1500°C gesintert wird.
20. Verfahren zur Herstellung eines Schichtverbundes nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Isolationsschicht aus einem keramischen Pulver und/oder aus einem Glaspulver mittels einer Paste oder einer Suspension auf dem Träger gebildet wird, wobei als Träger eine als Folie ausgebildete erste Schicht oder eine auf einem Substrat aufgebrachte erste Schicht dient, dadurch gekennzeichnet, dass die als Folie ausgebildete erste Schicht oder das Substrat in grünem Zustand verwendet wird, dass mindestens die erste Schicht mit der Isolierschicht versehen wird, dass die erste Schicht mit der Isolierschicht bei einer Temperatur im Bereich von 1300 - 1500°C gesintert wird und dass die Isolierschicht anschließend mit der zweiten Schicht versehen wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht auf der ersten Schicht in einem Dick- oder Dünnschichtverfahren aufgetragen wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht siebgedruckt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Schichten in einem Dickschichtverfahren hergestellt werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Schichten in einem Dünnschichtverfahren hergestellt werden.
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Schichten durch Siebdruck erzeugt werden.
26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Schichten durch Sputtern oder thermisches Spritzen erzeugt werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus AI2O3, bevorzugt einer AI O3 -Folie, gebildet wird.
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