JP5174991B2 - 層間接続孔を備えたセンサ素子 - Google Patents
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Description
本発明は、特定の固体の電解質特性、すなわち、この固体の、特定のイオンを伝導する能力に基づいた公知のセンサ素子から出発する。このような公知のセンサ素子は、特に自動車において、特に酸素センサとして使用される。しかし、本発明は、前述した固体電解質を有する別の種類のセンサ素子、たとえば排ガスの別のガス状の成分を検出するためのセンサおよびパティキュレートセンサにも使用可能である。本発明は、センサ素子ならびにセンサ素子、特に本発明に係るセンサ素子を製造するための方法に関する。
本発明に係るセンサ素子によれば、層間接続孔の壁が、面取り部を有している。
− 特に50質量%よりも多くの割合を備えたAl2O3、特にα−Al2O3、
− 特に50質量%よりも少ない割合を備えたガラス相、特にたとえばセルシアンガラスまたはBa−Si−Laガラスの高絶縁性のガラス相:
の少なくとも一方または両方を含有している。
− たとえばY、Caおよび/またはScで安定化させられたZrO2から成る焼成されていない固体電解質シートを製造し、
− 該固体電解質シートに打抜き、型押しまたは、特に機械的なドリルまたはレーザ放射による片側または両側からの穿孔によって層間接続孔を加工し、
− 該層間接続孔に印刷、スクリーン印刷、片側または両側からの吸引/押圧、噴霧および/または滴下によって絶縁ペーストおよび/または絶縁懸濁液を1回または複数回供給し、最後にかつ複数回の供給時には付加的に、特に供給の間にも乾燥を行い、
− 層間接続孔内に伝導ペーストを、層間接続孔を通した伝導ペーストの吸引および/または固体電解質シートの表面への伝導ペーストの印刷塗布によって1回または複数回供給し、
− センサ素子を焼結し、伝導ペーストおよび絶縁ペーストおよび/または前記絶縁懸濁液を同時焼結しかつ/または固体電解質シートおよび絶縁ペーストおよび/または前記絶縁懸濁液を同時焼結する:
を、特に記載した順序で行う。
− 絶縁ペーストおよび/または前記絶縁懸濁液を固体電解質シートの上面で層間接続孔の範囲に塗布し、
− 固体電解質シートの下面で層間接続孔の範囲に負圧を発生させることよって、該層間接続孔を通して絶縁ペーストおよび/または前記絶縁懸濁液を吸引し、
− 絶縁ペーストおよび/または前記絶縁懸濁液を固体電解質シートの下面で層間接続孔の範囲に塗布し、
− 固体電解質シートの上面で層間接続孔の範囲に負圧を発生させることよって、該層間接続孔を通して絶縁ペーストおよび/または前記絶縁懸濁液を吸引する:
を、特に記載した順序で行う。
− 前記絶縁材料の粒子のサイズ(d90)と、前記貴金属の粒子のサイズ(d90)と、前記固体電解質の粒子のサイズ(d90)とが、全て0.8μm〜2.5μmの範囲内にあり、
− 前記絶縁材料の粒子のサイズ(d90)と、前記貴金属の粒子のサイズ(d90)と、前記固体電解質の粒子のサイズ(d90)とが、これら3つの値のうちの最大の値の50%未満だけ互いに異なっており、
− 絶縁ペースト内のかつ/または前記絶縁懸濁液内の固形物含有量(質量%)が、伝導ペースト内の固形物含有量(質量%)と20質量%未満だけ異なっており、
− 絶縁ペーストおよび/または前記絶縁懸濁液において、前記有機成分の含有量(質量%)が、伝導ペースト内の前記有機成分の含有量(質量%)と20質量%未満だけ異なっており、
− 絶縁ペーストおよび/または前記絶縁懸濁液および伝導ペーストが、同一の有機成分を含有している:
の少なくとも1つが満たされている。
図1には、本発明の実施の形態として、たとえば内燃機関(図示せず)の排ガス中の酸素濃度または排ガスの温度を検出するために働く、ガス測定フィーラ(図示せず)のハウジング内に配置されたセンサ素子20の接続側の端区分が示してある。
− 絶縁ペースト42’および/または絶縁懸濁液が、絶縁材料、特に酸化アルミニウムの粒子を含有していて、さらに、有機成分、特に軟化剤、溶剤および結合剤を含有しており、伝導ペースト41’が、貴金属、特に白金の粒子を含有していて、固体電解質、特にYSZの粒子を含有していて、さらに、有機成分、特に軟化剤、溶剤および結合剤を含有している。
− 絶縁材料の粒子のサイズ(d90)と、貴金属の粒子のサイズ(d90)と、固体電解質の粒子のサイズ(d90)とが、全て0.8μm〜2.5μmの範囲内にある。
− 絶縁材料の粒子のサイズ(d90)と、貴金属の粒子のサイズ(d90)と、固体電解質の粒子のサイズ(d90)とが、これら3つの値のうちの最大の値の50%未満だけ互いに異なっている。
− 絶縁ペースト42’内のかつ/または絶縁懸濁液内の固形物含有量(質量%)が、伝導ペースト41’内の固形物含有量(質量%)と20質量%未満だけ異なっている。
− 絶縁ペースト42’および/または絶縁懸濁液において、有機成分の含有量(質量%)が、伝導ペースト41’内の有機成分の含有量(質量%)と20質量%未満だけ異なっている。
− 絶縁ペースト42’および/または絶縁懸濁液および伝導ペースト41’が、同一の有機成分を含有している。
21 第1の固体電解質層
21’ 固体電解質シート
22 第2の固体電解質層
25 層間接続孔
25’ 工具
28 外側の層
29a 内側の層
29b 内側の層
31 機能素子
41 伝導エレメント
41’ 伝導ペースト
42 絶縁エレメント
42’ 絶縁ペースト
43 接触面
51 面取り部
60 分割面取り角
61 角度
100 外面
131 給電線路
200 層間接続部
211 上面
212 下面
251 壁
511 一直線の範囲
512 湾曲させられた範囲
515 第1の分割面取り部
516 第2の分割面取り部
Claims (41)
- ガスの物理的な特性を検出するためのセンサ素子であって、該センサ素子(20)が、第1の固体電解質層(21)を有しており、該第1の固体電解質層(21)が、層間接続孔(25)を有しており、センサ素子(20)が、さらに、導電性エレメント(41)を有しており、該導電性エレメント(41)が、層間接続孔(25)を貫いて第1の固体電解質層(21)の上面(211)から第1の固体電解質層(21)の下面(212)への導電的な接続部を形成しており、第1の固体電解質層(21)が、層間接続孔(25)内で導電性エレメント(41)から絶縁エレメント(42)によって電気的に絶縁されているセンサ素子において、層間接続孔(25)の壁(251)が、面取り部(51)を有していることを特徴とする、ガスの物理的な特性を検出するためのセンサ素子。
- 面取り部(51)が、少なくとも1つの一直線の範囲(511)を有しており、該一直線の範囲(511)が、層間接続孔(25)の半径方向において一直線であり、面取り部(51)の一直線の範囲(511)が、面取り部(51)全体にわたって延びている、請求項1記載のセンサ素子。
- 面取り部(51)が、25μmよりも少なくない深さにまで層間接続孔(25)内に達しており、かつ/または面取り部(51)が、第1の固体電解質層(21)の厚さの5%よりも少なくない深さにまで層間接続孔(25)内に達している、請求項1または2記載のセンサ素子。
- 面取り部(51)が、75μmよりも少なくない深さにまで層間接続孔(25)内に達しており、かつ/または面取り部(51)が、第1の固体電解質層(21)の厚さの15%よりも少なくない深さにまで層間接続孔(25)内に達している、請求項3記載のセンサ素子。
- 面取り部(51)の一直線の範囲(511)が、第1の固体電解質層(21)の上面(211)および/または第1の固体電解質層(21)の下面(212)と共に15゜よりも少なくなくて75゜よりも多くない角度(61)を成している、請求項2記載のセンサ素子。
- 面取り部(51)の一直線の範囲(511)が、第1の固体電解質層(21)の上面(211)および/または第1の固体電解質層(21)の下面(212)と共に30゜よりも少なくなくて60゜よりも多くない角度(61)を成している、請求項5記載のセンサ素子。
- 面取り部(51)が、少なくとも1つの湾曲させられた範囲(512)を有しており、該湾曲させられた範囲(512)が、10μm〜200μmの曲率半径を備えて層間接続孔(25)の半径方向において丸み付けられており、面取り部(51)の湾曲させられた範囲(512)が、面取り部(51)全体にわたって延びている、請求項1記載のセンサ素子。
- 湾曲させられた範囲(512)が、25μm〜115μmの曲率半径を備えて半径方向において丸み付けられている、請求項7記載のセンサ素子。
- 面取り部(51)が、第1の分割面取り部(515)と第2の分割面取り部(516)とを有しており、該第2の分割面取り部(516)が、第1の固体電解質層(21)の上面(211)および下面(212)の少なくとも一方と第1の分割面取り部(515)との間に配置されており、第2の分割面取り部(516)において、層間接続孔(25)の半径方向での壁(251)の傾きが、第1の分割面取り部(515)における半径方向での壁(251)の傾きと、第1の固体電解質層(21)の上面(211)および下面(212)の少なくとも一方の傾きとの間に設定されている、請求項1から3までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 第2の分割面取り部(516)が、10μmよりも少なくない深さにまで層間接続孔(25)内に達していて、かつ/または第1の固体電解質層(21)の厚さの2.5%よりも少なくない深さにまで層間接続孔(25)内に達しており、かつ/または第2の分割面取り部(516)が、100μmよりも多くない深さにまで層間接続孔(25)内に達していて、かつ/または第1の固体電解質層(21)の厚さの20%よりも多くない深さにまで層間接続孔(25)内に達している、請求項9記載のセンサ素子。
- 第2の分割面取り部(516)が、30μmよりも少なくない深さにまで層間接続孔(25)内に達していて、かつ/または第1の固体電解質層(21)の厚さの7.5%よりも少なくない深さにまで層間接続孔(25)内に達しており、かつ/または第2の分割面取り部(516)が、50μmよりも多くない深さにまで層間接続孔(25)内に達していて、かつ/または第1の固体電解質層(21)の厚さの10%よりも多くない深さにまで層間接続孔(25)内に達している、請求項10記載のセンサ素子。
- 第1の分割面取り部(515)と第2の分割面取り部(516)とが、それぞれ半径方向において少なくとも部分的に一直線であり、層間接続孔(25)の半径方向において分割面取り角(60)を成して互いに接続されている、請求項9から11までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 第1の分割面取り部(515)と第2の分割面取り部(516)とが、半径方向において10゜よりも少なくなくて55゜よりも多くない分割面取り角(60)を成して互いに接続されている、請求項12記載のセンサ素子。
- 第1の分割面取り部(515)と第2の分割面取り部(516)とが、半径方向において25゜よりも少なくなくて45゜よりも多くない分割面取り角(60)を成して互いに接続されている、請求項12または13記載のセンサ素子。
- 第2の分割面取り部(516)が、第1の固体電解質層(21)の上面(211)および/または第1の固体電解質層(21)の下面(212)と共に3゜よりも少なくなくて25゜よりも多くない角度(61)を成している、請求項9から14までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 第2の分割面取り部(516)が、第1の固体電解質層(21)の上面(211)および/または第1の固体電解質層(21)の下面(212)と共に6゜よりも少なくなくて16゜よりも多くない角度(61)を成している、請求項15記載のセンサ素子。
- 第2の分割面取り部(516)が、半径方向において少なくとも部分的に一直線であり、第1の分割面取り部(515)が、半径方向において少なくとも部分的に10μm〜200μmの曲率半径を備えて丸み付けられており、第2の分割面取り部(516)と第1の分割面取り部(515)とが、半径方向において5゜よりも少ない分割面取り角(60)を成して互いに接続されている、請求項9から16までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 第1の分割面取り部(515)が、半径方向において少なくとも部分的に25μm〜115μmの曲率半径を備えて丸み付けられている、請求項17記載のセンサ素子。
- 第2の分割面取り部(516)と第1の分割面取り部(515)とが、半径方向において1゜よりも少ない分割面取り角(60)を成して互いに接続されている、請求項17記載のセンサ素子。
- 第2の分割面取り部(516)と第1の分割面取り部(515)とが、半径方向において平坦に互いに接続されている、請求項17記載のセンサ素子。
- 層間接続孔(25)の壁(251)が、層間接続孔(25)の下縁部および上縁部にそれぞれ1つの面取り部(51)を有している、請求項1から20までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 絶縁エレメント(42)が、層間接続孔(25)の壁(251)に層状に配置されていて、層間接続孔(25)の壁(251)の少なくとも90%に沿って、最小厚さと最大許容厚さとの間に設定された層厚さを有しており、前記最小厚さが、5μm〜14μmの範囲内に設定されており、前記最大許容厚さが、16μm〜30μmの範囲内に設定されている、請求項1から21までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 絶縁エレメント(42)が、層間接続孔(25)の壁(251)の少なくとも97%に沿って、前記最小厚さと前記最大許容厚さとの間に設定された層厚さを有している、請求項22記載のセンサ素子。
- 前記最小厚さが、10μmである、請求項22記載のセンサ素子。
- 前記最大許容厚さが、20μmである、請求項22記載のセンサ素子。
- 絶縁エレメント(42)が、以下の材料:すなわち、
− 50質量%よりも多くの割合を備えたAl2O3、
− 50質量%よりも少ない割合を備えたガラス相:
の少なくとも一方または両方を含有している、請求項1から25までのいずれか1項記載のセンサ素子。 - 前記Al2O3が、α−Al2O3である、請求項26記載のセンサ素子。
- 前記ガラス相が、セルシアンガラスまたはBa−Si−Laガラスの高絶縁性のガラス相である、請求項26記載のセンサ素子。
- 前記センサ素子が、内燃機関の排ガスのガス成分の濃度または排ガスの温度を検出するためのセンサ素子である、請求項1から28までのいずれか1項記載のセンサ素子。
- 請求項1から29までのいずれか1項記載のセンサ素子(20)を製造するための方法において、該方法が、以下のステップ:すなわち、
− Y、Caおよび/またはScで安定化させられたZrO2から成る焼成されていない固体電解質シート(21’)を製造し、
− 該固体電解質シート(21’)に打抜き、型押しまたは片側または両側からの穿孔によって層間接続孔(25)を加工し、
− 該層間接続孔(25)の壁(251)に面取り部(51)を製作し、
− 層間接続孔(25)に印刷、スクリーン印刷、片側または両側からの吸引/押圧、噴霧および/または滴下によって絶縁ペースト(42’)および/または絶縁懸濁液を1回または複数回供給し、最後にかつ複数回の供給時には付加的に供給の間にも乾燥を行い、
− 層間接続孔(25)内に伝導ペースト(41’)を、層間接続孔(25)を通した伝導ペースト(41)の吸引および/または固体電解質シート(21’)の表面への伝導ペースト(41)の印刷塗布によって1回または複数回供給し、
− センサ素子(20)を焼結し、伝導ペースト(41’)および絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液を同時焼結しかつ/または固体電解質シート(21’)および絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液を同時焼結する:
を記載した順序で行うことを特徴とする、センサ素子を製造するための方法。 - 層間接続孔(25)の加工を1つまたはそれ以上の工具(25’)によって行い、該工具(25’)の少なくとも一部範囲が、加工したい層間接続孔(25)の形状に対応しているかまたは加工したい層間接続孔(25)の少なくとも一部範囲の形状に対応している形状を有している、請求項30記載の方法。
- 層間接続孔(25)の加工を1つまたはそれ以上の機械的なドリルおよび/または打抜き工具またはレーザ放射によって行う、請求項30または31記載の方法。
- 層間接続孔(25)内への絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液の供給を両側からの吸引によって行い、以下の分割ステップ:すなわち、
− 絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液を固体電解質シート(21’)の上面(211)で層間接続孔(25)の範囲に塗布し、
− 固体電解質シート(21’)の下面(212)で層間接続孔(25)の範囲に負圧を発生させることよって、該層間接続孔(25)を通して絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液を吸引し、
− 絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液を固体電解質シート(21’)の下面(212)で層間接続孔(25)の範囲に塗布し、
− 固体電解質シート(21’)の上面(211)で層間接続孔(25)の範囲に負圧を発生させることよって、該層間接続孔(25)を通して絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液を吸引する:
を記載した順序で行う、請求項30から32までのいずれか1項記載の方法。 - 層間接続孔(25)の壁(251)全体に沿って、絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液の、5μm〜35μmの厚さを備えた層を形成するように、前記負圧、絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液の稠度ならびに吸引の回数および方向および層間接続孔(25)の形状を選択する、請求項33記載の方法。
- 層間接続孔(25)の壁(251)全体に沿って、絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液の、10μm〜25μmの厚さを備えた層を形成するように、前記負圧、絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液の稠度ならびに吸引の回数および方向および層間接続孔(25)の形状を選択する、請求項34記載の方法。
- 絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液が、絶縁材料の粒子を含有していて、さらに、有機成分を含有しており、伝導ペースト(41’)が、貴金属の粒子を含有していて、固体電解質の粒子を含有していて、さらに、有機成分を含有しており、以下の条件:すなわち、
− 前記絶縁材料の粒子のサイズ(d90)と、前記貴金属の粒子のサイズ(d90)と、前記固体電解質の粒子のサイズ(d90)とが、全て0.8μm〜2.5μmの範囲内にあり、
− 前記絶縁材料の粒子のサイズ(d90)と、前記貴金属の粒子のサイズ(d90)と、前記固体電解質の粒子のサイズ(d90)とが、これら3つの値のうちの最大の値の50%未満だけ互いに異なっており、
− 絶縁ペースト(42’)内のかつ/または前記絶縁懸濁液内の固形物含有量(質量%)が、伝導ペースト(41’)内の固形物含有量(質量%)と20質量%未満だけ異なっており、
− 絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液において、前記有機成分の含有量(質量%)が、伝導ペースト(41’)内の前記有機成分の含有量(質量%)と20質量%未満だけ異なっており、
− 絶縁ペースト(42’)および/または前記絶縁懸濁液および伝導ペースト(41’)が、同一の有機成分を含有している:
の少なくとも1つが満たされている、請求項30から35までのいずれか1項記載の方法。 - 前記絶縁材料が、酸化アルミニウムである、請求項36記載の方法。
- 前記有機成分が、軟化剤、溶剤および結合剤である、請求項36記載の方法。
- 前記貴金属が、白金である、請求項36記載の方法。
- 前記固体電解質が、YSZである、請求項36記載の方法。
- 前記条件が全て満たされている、請求項36から40までのいずれか1項記載の方法。
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