JP2006190675A - Ceramic heating element, method of manufacturing heating element and method of using heating element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に混合ガス内のガス成分の濃度を測定するためのセンサエレメントを加熱するための、セラミックの加熱エレメントであって、少なくとも1つの抵抗導体路が設けられており、該抵抗導体路が、セラミックの電気的に絶縁性の材料により少なくとも広範囲に取り囲まれている形式のもの、及びこのような加熱エレメントを製造する方法並びに加熱エレメントの使用法に関する。 The invention relates to a ceramic heating element, in particular for heating a sensor element for measuring the concentration of a gas component in a mixed gas, provided with at least one resistance conductor path, said resistance conductor path Relates to a type which is at least extensively surrounded by an electrically insulating material of ceramic, and to a method of manufacturing such a heating element and to the use of the heating element.
内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのセラミックのセンサエレメントが公知であり、これらのセンサエレメントは平面的な固体電解質体より成っており、電気機械式のポンプ-及び/又はネルンストセルを有していてよい。 Ceramic sensor elements for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine are known, these sensor elements are composed of a planar solid electrolyte body and are equipped with electromechanical pumps and / or Nernst cells. You may have.
セラミックの固体電解質材料は高い温度ではじめて十分なイオン伝導性を有するので、センサエレメントは、さらにセラミックの絶縁層の間に形成された抵抗導体路の形のセラミックの加熱エレメントを有している。この加熱エレメントはセンサエレメントを750〜800℃の運転温度まで加熱するために用いられる。 Since the ceramic solid electrolyte material has sufficient ionic conductivity only at high temperatures, the sensor element further comprises a ceramic heating element in the form of a resistive conductor path formed between the ceramic insulating layers. This heating element is used to heat the sensor element to an operating temperature of 750 to 800 ° C.
例えばコールドスタート時にセンサエレメントの急速な運転準備状態を得るためには、短い加熱時間を達成することが求められる。しかしながら、このことには抵抗導体路を貫流する大きい加熱器電流が結びついている。抵抗導体路が製造に基づき狭隘箇所を有している場合には、抵抗導体路のそこで高められた電気的な抵抗に基づきそこに局部的な過熱がもたらされる。抵抗導体路に用いられる材料は通常は正の温度係数を有しているので、この領域の温度は極度に上昇する。このことは、抵抗導体路を取り囲むセラミックの絶縁部に亀裂につながりかねない。しかしながら、セラミックの絶縁部は空気の約50倍高い電気的な耐絶縁破壊性を有しているので、亀裂形成に基づきセンサエレメントの故障がもたらされる恐れがある。抵抗導体路が局部的な突出部又は尖端を有している場合には類似の作用が生じうる。なぜならば、高い電界の領域が同様に極度に過熱されるからである。 For example, in order to obtain a rapid operational readiness of the sensor element during a cold start, it is required to achieve a short heating time. However, this is associated with a large heater current flowing through the resistive conductor track. If the resistive conductor track has a constriction due to manufacture, local overheating is caused there due to the increased electrical resistance of the resistive conductor track. Since the material used for the resistive conductor track usually has a positive temperature coefficient, the temperature in this region rises extremely. This can lead to cracks in the ceramic insulation surrounding the resistive conductor track. However, the ceramic insulation has an electrical breakdown resistance that is approximately 50 times higher than air, which can lead to sensor element failure due to crack formation. A similar effect can occur if the resistive conductor track has a local protrusion or tip. This is because the high electric field region is similarly overheated.
この問題を解決するためには、既にドイツ連邦共和国特許公開第19946343号明細書では、セラミックの酸素センサの加熱エレメントを製造する場合に、抵抗導体路を形成する導体層を絶縁性の材料の層に被着したのちに圧延ステップを施し、この圧延ステップにより、導体層が絶縁層の材料内に押し込まれる。このような形式で、抵抗導体路の電気的な抵抗に関して分散が阻止され、酸素センサの内部の漏れ電流が抑制される。 In order to solve this problem, German Patent Publication No. 199446343 already discloses that when a heating element of a ceramic oxygen sensor is manufactured, a conductor layer forming a resistance conductor path is a layer of an insulating material. After the deposition, a rolling step is performed, and the rolling step pushes the conductor layer into the material of the insulating layer. In this manner, dispersion is prevented with respect to the electrical resistance of the resistance conductor path, and leakage current inside the oxygen sensor is suppressed.
さらにドイツ連邦共和国特許第19716173号明細書に見られるように、加熱エレメントの機能適性を点検するために、加熱エレメントを有するセンサエレメントにおいて漏れ電流試験が行われ、これにより、欠陥のある加熱エレメントが取り除かれる。
そこで本発明の課題は、高い耐用寿命を示し、しかも簡単で安価に製造することのできる加熱エレメントを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a heating element that exhibits a high service life and can be manufactured simply and inexpensively.
抵抗導体路が、少なくとも部分的に四角形とは異なる横断面を有している本発明による加熱エレメント、若しくは抵抗導体路を形成するために、基板に、抵抗導体路の前駆材料の、面広がりに関して複数の種々異なった層を被着し、生じた層複合体に熱処理を施す本発明による方法が、有利な形式で本発明の根底にある課題を解決する。 In order to form a heating element according to the invention, or a resistive conductor track, in which the resistive conductor track has a cross section that differs at least partly from a square, on the substrate, with respect to the surface spread of the precursor material of the resistive conductor track The method according to the invention in which a plurality of different layers are deposited and the resulting layer composite is heat treated solves the problem underlying the invention in an advantageous manner.
この場合に加熱エレメントは、できるだけ鋭いエッジ、角隅又は尖端を有していない抵抗導体路を有している。なぜならば、これらの箇所ではそこに生じる大きい電界により、局部的な過熱の危険が生じ、これにより周囲の絶縁部に破損が生じかねないからである。抵抗導体路が少なくとも部分的に通常の四角形の横断面とは異なる横断面を有している場合には特に有利である。このような形式で鋭いエッジの形成が効果的に阻止される。 In this case, the heating element has a resistive conductor path with as few edges, corners or tips as possible. This is because the large electric field generated at these locations creates a risk of local overheating, which can damage the surrounding insulation. It is particularly advantageous if the resistive conductor track has a cross section that differs at least partially from the normal quadrangular cross section. In this manner, the formation of sharp edges is effectively prevented.
従属請求項に記載の手段により、独立請求項に記載のセンサエレメント若しくは方法の有利な発展形及び改良形が可能である。 By means of the dependent claims, advantageous developments and improvements of the sensor elements or methods according to the independent claims are possible.
これによれば、抵抗導体路が少なくとも部分領域、例えば加熱領域内で広範囲に円形又は楕円形の横断面を有しているか、又は少なくとも部分的に面取り部を有している場合には有利である。なぜならば、このような横断面は簡単に実施可能であり、鋭いエッジを有していないからである。 According to this, it is advantageous if the resistance conductor track has a circular or elliptical cross section over a wide area at least in a partial region, for example in the heating region, or at least partially chamfered. is there. This is because such a cross section is simple to implement and does not have sharp edges.
本発明の特に有利な構成では、加熱エレメントの絶縁部の、少なくとも抵抗導体路の領域に、白金以外のいずれかの白金族金属、例えばロジウムが添加される。この場合に、有利には2〜10重量パーセントの濃度が選択されるので、これにより、絶縁性の材料の電気伝導性の著しい上昇は認められない。加熱エレメントの製造の枠内で熱処理時に、添加された白金族金属は、特に抵抗導体路の、場合によって生じる尖った突出部の組織内に拡散し、そこで共融点降下により前記突出部が溶け、ひいては平坦化される。 In a particularly advantageous configuration of the invention, any platinum group metal other than platinum, for example rhodium, is added at least in the region of the resistance conductor track of the insulating part of the heating element. In this case, a concentration of 2 to 10 percent by weight is advantageously chosen, so that no significant increase in the electrical conductivity of the insulating material is observed. During heat treatment within the framework of the production of the heating element, the added platinum group metal diffuses into the structure of the pointed protrusions that occur, especially in the resistive conductor path, where the protrusions melt due to the eutectic point drop, As a result, it is flattened.
加熱エレメントの製造は、有利には、基板に、抵抗導体路の前駆材料の、面広がりに関して種々異なった複数の層が被着され、生じた層複合体が熱処理を受ける。この場合に、前駆材料の層が、形成しようとする抵抗導体路の延びに対して垂直方向の幅広がりに関して種々異なって形成されている場合には有利である。この製造方法では、既存の装置コンセプトを用いることができる。 In the production of the heating element, the substrate is advantageously coated with a plurality of layers of the precursor material of the resistance conductor track, which differ in terms of surface spread, and the resulting layer composite is subjected to a heat treatment. In this case, it is advantageous if the precursor material layer is formed differently with respect to the width extension in the direction perpendicular to the extension of the resistance conductor track to be formed. In this manufacturing method, an existing apparatus concept can be used.
製造方法の択一的な形式では、抵抗導体路を形成するためには基板に抵抗導体路の前駆材料の層が被着され、この層が光構造化され、塗布された層の、光構造化されていない領域がエッチング除去され、この場合に残された層のエッジはサイドエッジされ、破壊され、次いで生じた層複合体は熱処理を受ける。 In an alternative form of manufacturing method, a resistive conductor track precursor material layer is deposited on a substrate to form a resistive conductor track, this layer is photostructured, and the optical structure of the applied layer The unstructured areas are etched away, in which case the remaining layer edges are side-edged and destroyed, and the resulting layer composite is then subjected to a heat treatment.
次に本発明の2つの実施の形態を図面につき詳しく説明する。 Two embodiments of the invention will now be described in detail with reference to the drawings.
図1は、例えばドイツ連邦共和国特許第19901956号明細書につき公知のセンサエレメント内に組み込まれているような、加熱エレメントの原理的な構成を示している。このセンサエレメント10は、例えば、酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層11a,11b,11cを有している。この場合に固体電解質層11a,11cはセラミックのシートの形で構成されており、平面的なセラミック体を形成している。前記セラミックのシートは、酸素イオン伝導性の固体電解質材料、例えばY2O3により安定化された、又は部分安定化されたZrO2より成っている。
FIG. 1 shows the basic configuration of a heating element, for example as incorporated in a sensor element known from DE 199019556. The
固体電解質層11bは、有利には、ペースト状のセラミック材料のスクリーン印刷により、例えば固体電解質層11aに形成される。この場合にペースト状の材料のセラミックの成分としては、有利には、固体電解質層11a,11cをも構成しているものと同じ固体電解質材料が使用される。
The
セラミックの加熱エレメント10の組み込まれた形態が、固体電解質層11b及び機能層を印刷されたセラミックのシートを積層し、次いで公知の形式で、積層された構造体を焼結することにより製造される。
An embedded form of the
さらに加熱エレメント10は抵抗導体路24を有しており、この抵抗導体路24は固体電解質層11b内に組み込まれており、Al2O3より成る電気的な絶縁部26により取り囲まれている。
Furthermore, the
加熱エレメント10の製造時には、製造に基づき突出部、尖端28、狭隘箇所又はその他の幾何学的な逸脱が生じ得る。抵抗導体路24を介して電流が流れた場合には、狭隘箇所で高められた電気的な抵抗に基づき、若しくは尖端及び突出部で生じる高い電界により、局部的な過熱がもたらされる。抵抗導体路24に使用される材料が通常は正の温度係数を有しているので、この領域の温度は極度に上昇する。このことは、抵抗導体路24を取り囲むセラミックの絶縁部26内の亀裂、及び冒頭で述べたネガティブな結果をもたらしかねない。
During manufacture of the
この問題を阻止するためには、本発明では、抵抗導体路24はできるだけ鋭いエッジ、角隅又は尖端を有していない。このことは、抵抗導体路24が少なくとも部分的に、特に加熱エレメントの高い加熱出力の領域では、通常の四角形の横断面とは異なる横断面を有していることを意味する。このような形式で鋭いエッジの形成が効果的に回避される。
In order to prevent this problem, in the present invention, the
この形式の抵抗導体路を有する加熱エレメントの第1実施例が図2に示されている。この場合に等しい符号は図1と等しい構成部分を示している。図2に示した加熱エレメントは抵抗導体路24を有しており、この抵抗導体路24は、例えば加熱エレメントの加熱領域内に丸みをつけられた、円形又は楕円形の横断面を有している。この場合に抵抗導体路24の横断面は特に次のように選択される、すなわち、水平方向の縁部領域では抵抗導体路24の全ての表面領域が、隣接する固体電解質層11a,11b,11cに対してできるだけ大きい間隔を有しているように選択される。
A first embodiment of a heating element having this type of resistive conductor track is shown in FIG. In this case, the same reference numerals denote the same components as in FIG. The heating element shown in FIG. 2 has a
一般化していえば、抵抗導体路24の横断面は次のように選択される、すなわち、10μmよりもわずかな間隔をおいて横断面周に位置する2つの点における仮想接線が、点の選択とは無関係にいずれの場合にも90°よりも大きい角度をなすように、選択される。
Generally speaking, the cross section of the
加熱エレメント内の抵抗導体路の延びは、通常は次のように選択される、すなわち、抵抗導体路が加熱エレメントの加熱領域内でメアンダ状に延びているように選択される。この場合に、メアンダ状ではあるが、しかしながら角隅又は屈曲箇所を有していない延びが選択される。 The extension of the resistance conductor track in the heating element is usually selected as follows, i.e. the resistance conductor track is selected in a meandering manner in the heating region of the heating element. In this case, an extension that is meandered but does not have corners or bends is selected.
上に述べた加熱エレメントの安定性及び耐用寿命は、図3aに概略的に示したように、電気的な絶縁部26aが少なくとも抵抗導体路24の領域に白金以外の白金族金属、例えばロジウムを添加されている場合にはさらに向上させることができる。この場合には、有利には2〜10重量パーセントの濃度が選択されるので、絶縁性の材料の電気伝導性の著しい上昇は認められない。加熱エレメントの製造時にはこの加熱エレメントは熱処理を受けるので、添加された白金族金属は、抵抗導体路24の、場合によっては生じる鋭い突出部の組織内へ拡散し、共融点降下により前記突出部がそこで溶ける。絶縁部26aへの白金族金属の添加は、加熱エレメントの製造時に例えば印刷ペーストに添加することにより行われ、このペーストから絶縁部26aは複数の印刷ステップにより形成される。この場合に、白金族金属の添加は、有利には、絶縁部26aの抵抗導体路近傍の領域を形成するものと同じペーストに対して行われる。択一的には白金族金属を含有する懸濁液が、固体電解質層11a,11c若しくは絶縁部26aに印刷されるか、又は絶縁部26aがこのような懸濁液によりしみ込まれるか、若しくは含浸される。
The stability and service life of the heating element described above is as follows. As shown schematically in FIG. When it is added, it can be further improved. In this case, a concentration of 2 to 10 percent by weight is preferably selected, so that no significant increase in the electrical conductivity of the insulating material is observed. Since this heating element is subjected to a heat treatment during the manufacture of the heating element, the added platinum group metal diffuses into the structure of the
図3b、図3c、図3d及び図3eには、図3aに示した加熱エレメントの変化形態が横断面図で示されている。この場合に図3b,図3cは、丸みをつけられた抵抗導体路24横断面を示しており、図3d,図3eは、少なくとも1つの面取り部を有する抵抗導体路24を示している。
3b, 3c, 3d and 3e show a variation of the heating element shown in FIG. 3a in a cross-sectional view. In this case, FIGS. 3b and 3c show a cross section of the rounded
加熱エレメントの製造が、有利には固体電解質層11c若しくは11aに、抵抗導体路24の前駆材料の、面広がりに関して種々異なった層が互いに上下に被着され、生じた層複合体が熱処理を受けることにより行われる。この処理手順が図3eに明確化されている。この場合にまず固体電解質層11aには抵抗導体路24の前駆化合物の第1の層24aが被着され、次いで第2の層24bが被着され、この場合に第2の層24bは、抵抗導体路24の延在方向に対して水平方向の垂直方向に、第1の層24aよりも大きい面広がりを有している。次いで第2の層24bには第3の層24が設けられ、この第3の層24cは再び第2の層24bよりも大きい面広がりを示している。最大の面広がりの1つ又は複数の層(ここでは11c,11d)が被着されるとすぐに、さらなる層24e,24fの層構造はカバー層24fに至るまで先細りしている。この製造方法の場合には既存の装置コンセプトを用いることができる。
In the manufacture of the heating element, the
この場合に、被着される最初の層24a若しくは最後の層24fと、より大きい面広がりの層24c,24dとの間の互いに対して相対的な、層24a、24b、24c、24d,24e,24fの面広がりの差は、25〜75μmの範囲で選択される。
In this case, the
製造方法の択一的な形式によれば、固体電解質層11a又は11cにまず少なくとも1つの絶縁層26が印刷され、次いでこの絶縁層26内に押し型により抵抗導体路24の延び及び形状があらかじめ型押しされ、絶縁層26内に形成された凹部が抵抗導体路24の材料により充填される。
According to an alternative form of the manufacturing method, at least one insulating
別の製造択一肢によれば、抵抗導体路を形成するために、固体電解質層11c若しくは11aに抵抗導体路の前駆材料の層が被着され、この層は光構造化され、塗布された層の光構造化されていない領域はエッチング除去され、この場合に残された層のエッジはサイドエッチされ、破壊され、次いで生じた層複合体は熱処理を受ける。
According to another manufacturing option, in order to form a resistive conductor track, a
上に述べた製造方法は、本発明の枠内で互いに任意に組合せ可能である。 The manufacturing methods described above can be arbitrarily combined with each other within the framework of the present invention.
本発明による加熱エレメント及びこの加熱エレメントを製造する方法は、ガス、例えば酸素、酸化窒素、硫黄酸化物、アンモニア、炭化水素を測定するために用いられる電気化学的なセンサエレメントにおいて使用可能であるが、しかしながら、セラミックの形式のそのほかの加熱可能な装置、例えば、グロープラグ又は微粒子フィルタにも使用することができる。このためには、図2及び図3aに示した層構造が、別の固体電界質層、絶縁層又は機能層を有していてよい。 While the heating element according to the invention and the method of manufacturing the heating element can be used in electrochemical sensor elements used for measuring gases, for example oxygen, nitric oxide, sulfur oxides, ammonia, hydrocarbons. However, it can also be used in other heatable devices of the ceramic type, for example glow plugs or particulate filters. For this purpose, the layer structure shown in FIGS. 2 and 3a may have another solid electrolyte layer, insulating layer or functional layer.
10 加熱エレメント、 11a,11b,11c 固体電解質層、 24 抵抗導体路、 24a,24b,24c,24d,24e,24f 層、 26,26a 絶縁部、 28 尖端 10 heating element, 11a, 11b, 11c solid electrolyte layer, 24 resistance conductor path, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f layer, 26, 26a insulation, 28 point
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