JP4536836B2 - センサエレメント及びセンサエレメントの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定ガスにさらされる少なくとも１つの第１の電極、及び基準ガスにさらされる少なくとも１つの第２の電極を有する、ガスの酸素含有量を判定するとくに電気化学的測定検出器のためのセンサエレメント、及びセンサエレメントの個々の機能層を、固定可能なレイアウトに相応して互いに重ねて配置する、センサエレメントの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記概念による種類のセンサエレメントは周知である。これらは、例えばいわゆるプラナーセンサエレメントとして構成されており、これらのセンサエレメントは、支持体として構成された固体電解質上において測定ガスにさらされる第１の電極、及び基準ガスにさらされる第２の電極を有する。種々の用途においてセンサエレメントは、所定の温度に加熱しなければならない。そのために、センサエレメントに加熱装置を所属させ、この加熱装置が、通常基準ガスにさらされる電極の下に延びた加熱導体を有することは周知である。
【０００３】
基準ガス電極に基準ガスを近付けるために、層状に構成されたプラナーセンサエレメントの下に、基準ガス通路が設けられており、この基準ガス通路は、センサエレメントの長手方向に延びている。
【０００４】
このようなセンサエレメントを製造するために、センサエレメントを生じる個々の機能層が、いわゆるグリーンフィルムとして互いに重ねて配置されることは周知であり、その際、個々の機能層は、センサエレメントの構成に相応して所定のレイアウトを有する。続いて全センサエレメントは焼結される。その際、グリーンフィルムとして存在する機能層に基付いて、センサエレメントが比較的不安定であり、かつセンサエレメントの損傷を避けるために機能層の取付けの間及び焼結の間の取扱いが、最大限の注意を守ってしか行なうことができないことは、不利である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
それに対して特許請求の範囲第１項に記載の特徴を有する本発明によるセンサエレメントは、その製造及び取扱いが簡単化されているという利点を提供するようにする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
センサエレメントが、あらかじめ焼結された支持体上において組織化され、その際、支持体とセンサエレメントの間に、多孔性固着層が配置されていることによって、センサエレメントの個々の機能層のプリントの間、及び機能層の後続の焼結の間に、比較的硬い支持体が利用でき、この支持体は、容易に取扱うことができ、かつ同時にセンサエレメントの取付けられた機能層を機械的な損傷から保護する。
【０００７】
本発明の有利な構成において、支持体は、その一方の側にセンサ装置を有し、かつその他方の側に加熱装置を有する。それにより加熱装置の製造をセンサ装置の製造から結合解除することが、有利に可能になるので、これらは、切離されたプロセス列において達成することができる。支持体の対向する側における加熱装置の取付け及びセンサ装置の取付けのこれに関連した最適化の他に、歩留りの上昇が達成できる。なぜなら加熱装置とセンサ装置の順に連続する製造の際に、場合によっては欠陥を含んで製造された加熱装置は、もはやセンサ装置を備える必要がないからである。それにより材料の節約とともに、センサエレメントの製造の際の時間及びコストの節約が達成できる。
【０００８】
さらにセンサエレメントを製造する本発明による方法は、センサエレメントを焼結するための時間を短縮することができるという利点を提供する。支持体基板がすでにあらかじめ焼結されていることによって、なお取付けられた機能層の後焼結を行なうだけでよい。これらは、かなりわずかな厚さを有するので、焼結時間は、相応して短く維持することができる。
【０００９】
本発明のその他の有利な構成は、特許請求の範囲従属請求項に記載されたその他の特徴によって明らかである。
【００１０】
【実施例】
次に本発明を所属の図面により実施例について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、センサエレメント１０の断面図を示している。センサエレメント１０は、支持体１２を含み、この支持体は、一方の側１４−ここでは上−にセンサ装置１６を有し、かつその他方の側１８に加熱装置２０を有する。
【００１２】
センサエレメント１０は、プラナー層構造を有し、このプラナー層構造は、図１に示す測定ガス側の区間から図示しない基準ガス側の（測定ガスから離れた）区間に延びている。センサエレメント１０は、図示しない電気化学的測定検出器の構成部分であり、かつ測定検出器のハウジング内に密に固定されている。測定検出器は、測定すべきガス、例えば自動車の排気ガスにさらされている。ネルンストのエレメント(Nernstsches Element)によって基準ガスと測定すべきガスの間の分圧の相違を評価し、かつ相応する信号を準備する電気化学的測定検出器の構成と動作は、一般に周知なので、この明細書においては、発明にとって重要な特徴だけを引用する。
【００１３】
センサ装置１６は、第１の電極２２を有し、この電極は、測定ガス、例えば自動車の排気ガスにさらすことができる。電極２２は、固体電解質２４上に配置されており、この固体電解質の電極２２から離れた方の側に、第２の電極２６が配置されている。電極２６は、基準ガス、例えば空気酸素にさらすことができる。基準ガスに近付けるために、基準ガス通路２８が構成されており、この基準ガス通路は、センサエレメント１０の長手方向に延びており、かつセンサエレメント１０の測定ガスから離れた方の区間に口を開いている。電極２６は、測定ガス側の区間において分割して構成することができるので、２つのアーム３０になっている。アーム３０は、一部イオン導体３２によって覆われており、これらのイオン導体は、電極２６と固体電解質との間に支柱様に(pfeilerartig)配置されている。電極２２は、保護層３４によって囲まれており、この保護層は、最小多孔性を有するので、測定ガスは、電極２２に接触することができる。電極２２と２６の間に生じる分圧差に基付いて、イオン導体３２と固体電解質２４を介して電荷キャリヤの交換が行なわれ、この電荷キャリヤの交換は、その測定ガスから離れた方の図１に示されていない接続接点において電極２２及び２６から信号を取出すようになる。
【００１４】
支持体１２とセンサ装置１６の間に、多孔性固着層３６及びガス密な基礎層３８が配置されている。
【００１５】
加熱装置２０は、例えば蛇行状に配置された加熱導体４０を有し、この加熱導体は、密なヒータカバー層４２によって覆われている。
【００１６】
実施態様によれば、支持体１２は、アルミニウム酸化物−Ａｌ_２Ｏ_３／ＺｒＯ_２−基板からなり、固着層３６は、多孔性アルミニウム酸化物−Ａｌ_２Ｏ_３−層からなり、基礎層３８は、イットリウム安定化されたジルコニウム層−ＺｒＯ_２／Ｙ_２Ｏ_３−層からなり、固体電解質２４は、安定化されたジルコニウム酸化物からなり、イオン導体３２及び保護層３４は、多孔性ジルコニウム酸化物からなる。電極２２及び２６は、例えば白金−サーメット−導体路からなる。
【００１７】
加熱導体４０は、例えば同様に白金−導体路からなるが、一方カバー層４２は、密なアルミニウム酸化物Ａｌ_２Ｏ_３からなる。
【００１８】
次に図２を考慮して、図１に示されたセンサエレメント１０の製造を取扱う。
【００１９】
出発として、支持体１２は、すでに焼結されたアルミニウム酸化物−基板として存在する。支持体１２は、少なくともその側１４に、場合によっては側１８にも、同様にすでにあらかじめ焼結された固着層３６を備えている。したがって支持体１２は、センサ装置１６の後続の組織化のために比較的安定な土台を形成している。
【００２０】
なるべく加熱装置２０は、センサエレメント１０が加熱装置２０を有するようにするかぎり、センサ装置１６の組織化の前に装備されることが考慮されている。そのために加熱導体４０及びカバー層４２は、連続するプリントステップにおいて支持体１２の側１８にプリントされ、かつ支持体１２と一緒に焼結される。それにより加熱装置２０の製造は、完全にセンサ装置１６の製造から連結解除されていることが達成される。したがって加熱装置２０を製造する方法ステップは、場合によっては後から行なわれるセンサ装置１６の製造の方法ステップに無関係に行なうことができ、かつこれらの方法ステップを考慮することなく最適化することができる。
【００２１】
したがってあらかじめ焼結された支持体１２に至る２つの方法が存在する。第１の変法によれば、支持体１２を生じるフィルムは、多孔性の固着層３６を備え、かつフィルムは、固着層３６とともにほぼ１６００℃で焼結される。第２の可能性は、支持体１２を生じるフィルムに、多孔性固着層３６及び加熱導体４０及びカバー層４２を備え、かつこの複合体をほぼ１６００℃で焼結する点にあるので、あらかじめ焼結された支持体１２は、すでに組織化されかつ一緒に焼結された加熱装置２０とともにセンサ装置１６のその後の製造のために利用することができる。
【００２２】
図１から明らかなように、センサエレメント１０の製造は、いわゆる多面取りで行なうことができ、すなわち並列の方法ステップにおいて、個々の機能層の連続した組織化のため、同時に多数のセンサエレメント１０が製造され、その際、個々のセンサエレメント１０は、後続の個別化によって達成される。図１に、所定の格子状に、平面図で見て互いに並べてないしは互いに前後して同時に多数のセンサエレメント１０が組織化されることが、暗示的に示されている。個別化は、例えばなるべく支持体１２の組織化の際に一緒に製造される暗示的に示された割り縁４４において支持体１２の基板を割ることによって行なうことができる。
【００２３】
方法技術的にセンサ装置１６から結合解除された加熱装置２０の製造により、きわめて有利にまず加熱装置２０をチェックすることができるので、例えば欠陥を含んだ加熱装置２０を有する支持体１２上において、加熱装置２０と対向する側１４におけるセンサ装置１６の組織化は阻止される。それにより個々の機能層を製造するために利用される材料の歩留りの上昇が達成される。なぜならすでに欠陥を含むと認識されたセンサエレメント１０上に、もはやセンサ装置１６は取付けられないからである。多面取りでの製造の際に、センサエレメント１０の相応する認識及びマイクロプロセッサ制御された組織化によって、欠陥を含む加熱要素２０を有する支持体１２は、センサ装置の組織化から除外することができる。別の実施態様によれば、まずセンサ装置１６を組織化し、かつ続いて反対側１８に加熱装置２０を組織化することは、明らかに可能である。ここでは同様に欠陥を含むセンサ装置１６を有する支持体における加熱装置２０の組織化は、省略することができる。ここでは使用する材料の同様に高められた歩留りが生じる。支持体１２が、まずセンサ装置１６を備える場合、支持体１２のための初期材料として、高焼結活性アルミニウム酸化物Ａｌ_２Ｏ_３からなるフィルムが利用され、これは、例えばほぼ１４００℃の焼結温度において密に焼結される。そのためにこの高焼結活性アルミニウム酸化物は、センサ装置１６を生じる個々の層を備え、続いてほぼ１４００℃で焼結され、かつ次に場合によっては加熱装置２０が製造される。
【００２４】
センサ装置１６の組織化の際に、多孔性固着層３６及び場合によっては加熱装置２０を備えた支持体１２のあらかじめ焼結された複合体上に、まず基礎層３８が、例えばスクリーン印刷によりプリントされ、かつ続いてあらかじめ焼結された多孔性固着層３６内に押込まれる。それにより支持体１２と後で規定にしたがったセンサエレメント１０の使用にも耐えるセンサ装置１６との間の親密な結合が達成される。それから連続するプリントステップにおいて、まず第２の電極２６が、そのアーム３０を形成しながら、かつ次に基準ガス通路２８を生じる犠牲層４６がプリントされる。続いてイオン導体３２、固体電解質２４、第１の電極２２及び保護層３４がプリントされる。保護層３４は、部分ステップ(Teilschritten)においてプリントされるので、一方において本来の電極２２、及び電極２２の測定ガスから離れた方の接続接点５０を結合する導体路４８がカバーされている。
【００２５】
図２に示された個々の層の概略平面図において、左に、センサエレメント１０の測定ガス側の区間が、かつ右に、測定ガスから離れた方の区間が示されている。個々の機能層のレイアウトは、センサエレメント１０の測定ガス側の区間に、図１に断面で示した構成が生じるが、一方測定ガスから離れた方の区間に、図示しない評価回路のために電極２２の接続接点５０又は電極２６の接続接点５２が露出するように、装備されている。個々の機能層の、とくに固体電解質２４及び保護層３４の厚さは、電極２２及び２６の側方被覆が生じ、すなわちセンサエレメント１０の長手方向に延びたその外側の端面が覆われているように、構成されている。
【００２６】
支持体１２上にセンサ装置１６の機能層を取付けた後に、全センサエレメント１０が焼結され、その際、支持体１２及び固着層３６、及び場合によっては加熱装置２０は、すでにあらかじめ焼結されている。焼結は、例えば１３００〜１５００℃の温度で行なわれる。焼結を行なった後に、センサエレメント１０は、支持体１２が割り縁４４においてわずかな力を加えることによって個別化されることによって、多面取り全体から個別化される。焼結の間に、基準ガス通路２８を生じる犠牲層４６は、残り物なく溶解される。この犠牲層は、例えば炭素、すす、テオブロミン又はその他の適当な材料からなる。
【００２７】
すでにあらかじめ焼結された支持体１２上にセンサ装置１６を組織化することによって、一方において保持及び／又は運搬のためにそれ自体比較的安定な支持体１２が利用できるので、多面取り全体の取扱いが簡単になる。さらに支持体はすでに焼結されており、かつセンサ装置１６の機能層の通した焼結のために相応するわずかな時間しか必要ないので、焼結は、比較的短い時間内に行なうことができる。周知の製造方法に対して、プリント、プレス及び焼結のように、定評のあるかつ簡単に制御すべき方法ステップだけしか必要ない。利用される製造方法に対して比較的互換性のない、場合による押し抜き過程、貫通接続(Durchkontaktierungen)、センサエレメントを個別化する切断は、省略することができる。
【００２８】
図３は、センサエレメント１０の別の断面図を示しており、ここでは変更された構成にもかかわらず、図１におけるものと同じ部分は、同じ参照符号を備え、かつもう１度説明されていない。その点については、存在する相違点を取扱うだけである。図３は、図１に示した横断面とは相違して、センサエレメント１０の長手断面を示している。電極２２及び２６は、ここでは平面内にあるくし形電極として構成されており、すなわち基部から延びた電極２２又は２６の指は、−すき間に−センサエレメント１０の長手区間において交互に並べて配置されている。それにより電極２２及び２６を、共通のプリントステップにおいて装備することが可能である。図４に、図２と同様に、センサ装置１６を製造する個々のプリントステップが示されている。その多孔性固着層３６を有するここには図示されていない支持体１２上に、まず基礎層３８がプリントされ、かつ固着層３６内に押込まれる。次に電極２２及び２６、犠牲層４６、固体電解質２４及び保護層３４がプリントされる。残りのすべての方法ステップは、図１及び２について説明した実施態様と同様に構成されている。
【００２９】
図３における実施態様による電極２２と２６の間のイオン伝導は、基礎層３８を介して行なわれるので、接続接点５０及び５２から信号を取出すことができる。電極２６の指の上方に配置された固体電解質２４は、同時に基準ガス通路２０、及び外側測定ガスに対する基準通路及び電極２６のカバーを構成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施態様におけるセンサエレメントの断面図である。
【図２】図１によるセンサエレメントの個々の機能層の略図である。
【図３】第２の実施態様によるセンサエレメントの断面図である。
【図４】図３によるセンサエレメントの個々の機能層の略図である。
【符号の説明】
１０ センサエレメント、 １２ 支持体、 １４ 側、 １６ センサ装置、１８ 側、 ２０ 加熱装置、 ２２ 機能層、 ２４ 機能層、 ２６ 機能層、 ３４ 機能層、 ３６ 固着層、 ３８ 機能層、 ４６ 機能層

Claims (7)

1. 測定ガスにさらされる少なくとも１つの第１の電極、及び基準ガスにさらされる少なくとも１つの第２の電極を有する、ガスの酸素含有量を判定するセンサエレメントにおいて、センサ装置（１６）を収容するあらかじめ焼結された支持体（１２）が設けられており、その際、支持体（１２）とセンサ装置（１６）の間に、同様にあらかじめ焼結された多孔性固着層（３６）が配置されており、この多孔性固着層３６が、支持体を生じるフィルムと一緒にあらかじめ焼結されていることを特徴とする、センサエレメント。
2. センサエレメントの個々の機能層を、固定可能なレイアウトに相応して互いに重ねて配置する、センサエレメントの製造方法において、機能層（３８，２６，２４，２２，３４，４６）を取付ける前に、支持体（１２）上に固着層（３６）を取付け、この固着層を支持体（１２）を生じるフィルムと一緒にあらかじめ焼結し、その後、少なくとも１つのセンサエレメント（１０）の機能層（３８，２６，２４，２２，３４，４６）を燒結された支持体（１２）上に、連続するプリント及び／又はプレスステップによって取付け、かつ続いて支持体（１２）とともに焼結することを特徴とする、センサエレメントの製造方法。
3. センサエレメント（１０）の加熱装置（２０）を機能層（３８，２６，２４，２２，３４，４６）とは関係なく支持体（１２）上に取付ける、請求項２記載の方法。
4. 加熱装置（２０）を、支持体（１２）の機能層（３８、２６、２４、２２、３４、４６）から離れた方の側に取付ける、請求項３に記載の方法。
5. 加熱装置（２０）を支持体（１２）を生じるフィルムと一緒にあらかじめ焼結する、請求項２から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 複数のセンサエレメント（１０）を、同時に多面取りで製造する、請求項２から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 機能層（３８，２６，２４，２２，３４，４６）の焼結の後にセンサエレメント（１０）を個別化する、請求項６に記載の方法。

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