KR100322981B1 - 회로전기절연용절연층시스템 - Google Patents

회로전기절연용절연층시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR100322981B1
KR100322981B1 KR1019950703369A KR19950703369A KR100322981B1 KR 100322981 B1 KR100322981 B1 KR 100322981B1 KR 1019950703369 A KR1019950703369 A KR 1019950703369A KR 19950703369 A KR19950703369 A KR 19950703369A KR 100322981 B1 KR100322981 B1 KR 100322981B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
solid electrolyte
insulation
insulating
layers
Prior art date
Application number
KR1019950703369A
Other languages
English (en)
Other versions
KR960701361A (ko
Inventor
칼-헤르만프리이제
하인츠가이어
베르너그륀발트
클라우디오데라프리에타
Original Assignee
로베르트 보쉬 게엠베하
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 로베르트 보쉬 게엠베하 filed Critical 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority claimed from PCT/DE1994/001397 external-priority patent/WO1995016199A1/de
Publication of KR960701361A publication Critical patent/KR960701361A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100322981B1 publication Critical patent/KR100322981B1/ko

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B18/00—Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/001—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating directly with other burned ceramic articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/021—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles in a direct manner, e.g. direct copper bonding [DCB]
    • 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
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
    • 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
    • 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
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/02—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances
    • H01B3/12—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04—Ceramic interlayers
    • C04B2237/06—Oxidic interlayers
    • C04B2237/064—Oxidic interlayers based on alumina or aluminates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04—Ceramic interlayers
    • C04B2237/06—Oxidic interlayers
    • C04B2237/068—Oxidic interlayers based on refractory oxides, e.g. zirconia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/34—Oxidic
    • C04B2237/341—Silica or silicates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/34—Oxidic
    • C04B2237/343—Alumina or aluminates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/34—Oxidic
    • C04B2237/345—Refractory metal oxides
    • C04B2237/348—Zirconia, hafnia, zirconates or hafnates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/401—Cermets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/68—Forming laminates or joining articles wherein at least one substrate contains at least two different parts of macro-size, e.g. one ceramic substrate layer containing an embedded conductor or electrode
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/704—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the ceramic layers or articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/708—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the interlayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/72—Forming laminates or joined articles comprising at least two interlayers directly next to each other
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/76—Forming laminates or joined articles comprising at least one member in the form other than a sheet or disc, e.g. two tubes or a tube and a sheet or disc
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/86—Joining of two substrates at their largest surfaces, one surface being complete joined and covered, the other surface not, e.g. a small plate joined at it's largest surface on top of a larger plate

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

적어도 하나의 전기 전도성 고체 전해질 층(10)과 전기 전도층(20)및, 상기 고체 전해질 층(10)과 전기 전도층(20) 사이의 적어도 하나의 전기 절연층(13)을 갖는 가스 센서용 절연층 시스템이 제안되었다. 절연층(13)의 재료는 소결이전에 첨가물로서 니오브나 탄탈의 5 가 금속 산화물을 함유하며, 첨가물은 소결중에 인접하는 고체 전해질 층(10)으로 확산될 수 있다.

Description

회로 전기절연용 절연층 시스템
종래 기술
본 발명은 제 1 항의 전제부에 따른 절연층 시스템에 관한 것이다. 이 형태의 층 시스템은 가열 장치에 연결되는 고체 전해질(solid electrolytes)에 기초한 가스 센서에 사용된다. 가스 센서용 절연층 시스템은 EP-A3 189 038 에 개시되어 있다. ZrO2재질의 세라믹 고체 전해질 기판을 전기 전도성 가열 소자로부터 전기 절연시키기 위해 예로서 매칭 층이 배치된다. 이런 형태의 층 시스템의 매칭층은 ZrO2및 Al2O3의 혼합물을 포함한다. 전기 절연 효과는 여전히 불만족스립게 남는다.
본 발명의 목적은 절연 상태 및 고체 전해질로의 열전달이 양호한 개선된 절연층을 제공하는 것이다.
발명의 장점
본 발명의 독립항에 따른 절연층 시스템은 절연층의 층두께를 증가시키지 않으면서 고체 전해질 층과 전기 전도층 사이의 전기 절연이 증가되는 것이다. 이와 동시에, 소결 과정중에 첨가물의 5 가 양이온이 고체 전해질 층의 호스트 격자내로 확산되는 사실에 의해 절연 효과가 달성되는 것이다.
제 1 항에 정의된 층 시스템의 유리한 발전을 종속항들에 열거된 수단에 의해 가능하다.
한편으로는 고체 전해질층에서 절연 효과가 얻어지지만 다른 한편으로는 고체 전해질의 이온 전도성이 지나치게 손상되지 않는 첨가물의 양적비율을 선택하는 것이 특히 유리하다. Nb2O5는 ZrO2고체 전해질과 연관하여 특히 적합한 첨가물인 것으로 밝혀졌다. 고체 전해질 층과 절연층의 열팽창 계수가 서로 매치되면 양호한 열충격 저항(a good thermal shock resistance)에 특히 유리하다. 이는 한편으로는 고체-전해질층과 절연층 사이에 매칭층을 삽입하므로써 이루어질 수 있으며, 상기 매칭 층은 고체 전해질층과 절연층의 재료성분을 함유한다. 다른 가능성은 상기 절연층의 열팽창 계수가 고체-전해질 층의 열팽창 계수에 접근하는 방식으로 절연층의 재료를 선택하는 것이다. 이 형태의 재료는 예로서 포스테라이트(forsterite: 고토감람석) 또는 포스테라이트/페러클레이스(periclase: 천연마그네시아)이다. 그러나, 고체-전해질층의 재료보다 열팽창계수가 높은 재료를 절연층으로 선정하는 것이 완벽하게 고려될 수 있다. 이는 고체 전해질이 인장 응력보다 압축 입력을 잘 견디는 사실에 대한 설명이 된다.
두 절연층, 즉 감지 영역(sensitive region)과 외면하는 절연층과 이 영역보다 열 전도성이 우수하고 상기 감지 영역과 면하는(facing) 절연층 사이에 가열 소자가 끼워지면 열전달이 상당히 우수한 실시예가 얻어진다. 이 결과는 가스 센서의 감지 영역 방향 열전도로 확인된다.
절연층과 고체 전해질층의 소결 수축 및 열팽창 계수를 매치시키므로써, 열충적 저항이 커지고 절연층 및 고체 전해질층내의 크랙 생성이 방지된다.
하나이상의 매칭 층을 가지므로써 다른 실시예가 형성된다. 각각의 매칭 층의 재료 성분의 혼합물이 적절히 선택되면 소결중에 매칭층의 각각의 재료 성분의 농도 프로파일이 보다 신속히 개선된 방식으로 형성된다.
도 면
본 발명의 양호한 실시예가 도면에 도시되고 하기 설명에서 보다 상세히 설명된다. 제 1 도는 제 1 실시예의 층 시스템을 도시하고 제 2 도는 두개의 매칭되는 층을 갖는 제 2 실시예의 층 시스템을 도시하며, 제 3 도는 기판에 가열 소자를 갖는 제 3 실시예의 층 시스템을 도시하고, 제 4 도는 가스센서의 개략 단면도이며, 제 5 도는 MgO-SiO2상태도이다.
실시예
제 1 도의 절연층 시스템은 고체-전해질층(10), 전기 전도성 층(20) 및, 이들 사이의 절연층(13)을 포함한다. 이 평면층 시스템은 예로서 평면 가스 센서의 기본구조를 형성하며, 여기서 고체-전해질 층(10)은 Y2O3-안정화된(stabilized) ZrO2고체 전해질이다. 절연층(13)은 예로서 Al2O3를 포함하며, 여기에는 5 체적 % 의 Nb2O5또는 Ta2O5가 소결 이전에 첨가된다. 전기 전도성 층(20)은 예로서 금속, 금속 합금 또는 전기 전도성 세라믹을 포함하는 저항성 트랙이다. 가스 센서의 부가의 기능 요소들은 제 1 도에 도시하지 않았다.
제 1 도의 층들은 적층되어 있으며 1200 내지 1500 ℃에서 소결된다. 공정중에, 절연층(13)에 함유된 Nb2O5또는 Ta2O5의 Nb5+ 또는 Ta5+ 양이온은 인접한 고체 전해질 층(10)내로 확산되고, 고체 전해질 층(10)의 경계 영역에 도핑영역(a doping region)을 형성하며, 그 결과 이 영역에서는 고체 전해질 재료의 전기 저항이 증가한다.
따라서 층 두께를 증가시키지 않고서도 절연층(13)의 절연 효과를 증대시킬 수 있다. 절연층(13)의 층 두께의 증대는 실제로 절연층(13)과 고체 전해질 층(10) 사이의 접착 강도 및 전기 전도성 층(20)과 고체 전해질 층(10) 사이의 열전도를 손상시킬 것이다.
상기 전기 전도성 층(20)은 안정화된 ZrO2세라믹이나 HfO2세라믹으로 제조된 고체 전해질 층(10)에 비해 상이한 열챙창 계수를 갖는다. 열챙창 계수를 보다 유사하게 만들기 위해, 제 2 도에서 고체 전해질 층(10)과 전기 전도성 층(20)사이에는 절연층(18)과 매칭 층(14)으로 이루어진 절연층(13)이 형성된다.
절연층(13)의 층들의 화학적 조성은 아래의 표 1 에 나타나 있으며 조제를 위한 체적비는 소결 이전에 세팅되어 있다. 표 1 에서 Y2O3주위의 괄호는 치환물로서의 5 체적 퍼센트까지의 소량의 Y2O3가 기본 구성물 ZrO2을 안정적으로 대체함을 의미한다. Nb2O5주위의 괄호는 5 체적 퍼센트까지의 Nb2O5가 절연층(13)의 ZrO2/Al2O3혼합물을 대체하고(시료 1), 매칭층(14, 15) 및 절연층(18)의 ZrO2/Al2O3혼합물을 대체(시료 2, 3)함을 의미한다. 모든 도면들은 조제될 혼합물의 체적을언급한다.
표 1
절연층 시스템의 다른 양호한 실시예가 제 3 도에 나타나 있으며, 이 경우에는 전기 전도성 층(20)으로서 가열 소자(19)가 제공된다. 또한 층 시스템은 ZrO2와 Al2O3의 농도 프로파일을 세팅하기 위한 두 매칭층(14, 15)과 절연층(18)을 갖는다. 절연층(13)은 층(14, 15, 18)을 포함한다. 가열소자(19)는 예로서 Al2O3같은 절연재료로 만들어진 기계적 보호층(21)로 커버된다.
열 팽창 계수를 매치시키기 위해, 매칭 층(14)은 주성분인 고체-전해질층(10) 재료와 부성분인 절연층(18) 재료의 혼합물, 즉 Nb2O5또는 Ta2O5가 첨가된 ZrO2와 Al2O3의 혼합물을 포함한다.
매칭 층(14, 15)은, 편평 층 시스템에 있어서 고체 전해질 층(10)과 전기 전도성 가열 전도체(19) 사이에 10 마이크로미터의 층 분리가 일어나도록 설계되며, 상기 층 분리는 적어도 매칭 층(14, 15)과 절연층(18)에 의해 형성된다. 제 3 도에 따른 시료 3 의 양호한 실시예의 경우에는, Nb2O5첨가물을 제 2 매칭 층(15)에만 혼합하는 것을 똑같이 생각해 볼 수 있으나 매칭층(15)내의 Nb2O5는 소결 이후에 기판(10)의 저항성에 아무런 영향을 끼치지 않는다. 마찬가지가 시료 3 과 시료 2 의 절연층(18)에 적용된다.
예로서 손가락 형태 탐침의 경우에 발생하는 만곡된 층과 같이 임의의 소정 기하하적 형태를 사용하여 층 시스템을 설계하는 것을 고려해 볼수 있다. 또한 ZrO2층과 전극 보호층 사이에 매칭층을 배치하는 것을 생각해 볼 수 있다.
본 발명에 따른 층 시스템의 제조는 제 3 실시예를 사용하여 설명한다(제 3 도, 시료 3). 제 1 단계에서는, 70 체적부의 이산화 지르코늄과 30 체적부의 산화 알루미늄으로 제조되고 제 1 매칭 층(14)의 재료가 95 체적 퍼센트이고 Nb2O5가 5 체적 퍼센트이며 두께가 5 마이크로미터인 제 1 매칭 층(14)이, 예로서 ZrO2기판(그린 시이트 또는 프레스 가공체)과 같은 고체 전해질 층(10)상에 프린트 된다. 제 2 단계에서는, 30 체적부의 이산화 지르코늄과 70 체적부의 산화 알루미늄으로 제조되고 매칭층(15)의 재료가 95 체적 퍼센트이고 Nb2O5가 5 체적 퍼센트이며 두께가 5 마이크로미터인 제 2 매칭 층(15)이, 두 층으로 구성되는 층 시스템(10, 14)상으로 프린팅된다. 제 3 단계에서는, 예로서 순수 산화 알루미늄으로 제조되는 절연층(18)이 세개의 층(10, 14, 15)으로 구성되는 층 시스템에 적용된다. 최종적으로, 서밋(cermet)(내열성 합금)이나 탄성 전도성 세라믹 및 절연성 Al2O3피복층(21)으로 제조된 전기 전도성 가열 전도체(19)역시 추가된다. 이와 달리, 히터는 또한 층에 위를 향해 끼워질 수 있다. 결론적인 제 5 단계에서는 통상의 노중 하나의 노에서 층 시스템(10, 14, 15, 18, 19, 21)이 섭씨 1000 도에서 완성되도록 소결된다.
표 1 은 상기 목적을 달성하는데 가장 효과적인 다양한 절연층 시스템의 예를 담고 있다. 제 2 도와 제 3 도 각각의 네겹 층 시스템과 다섯겹층 시스템의 양호한 접착과 열응력의 최적 균등화를 위해서는(피복층(21) 없이), 절연층(13)은 10 마이크로미터 가열소자(19)로부터 고체 전해질 층(10)으로의 적절한 가열 유동을 보장하기 위해 10 마이크로미터 이상 두꺼워서는 안된다. 석영 모래와 알칼리성 산화 접지 금속이 플럭스로 사용되었다.
제 4 도에 도시된 고체 전해질 센서는 가스, 특히 내연기관의 배기가스내의 산소 함량을 결정하는데 사용되는 가스센서이다. 상기 센서는 DE-A-38 11 713 에 이미 개시된 제한-전류 원리에 따라 작용한다.
가스 센서는 산소 이온 전도성 고체 전해질(11)을 가지며 외부 펌핑 전극(12)과 내부 펌핑 전극(17)을 갖는다. 본 예에서 이트륨-안정화된 이산화 지르코늄을 포함하는 고체-전해질체(11)는 예로서 여러장의 적층체 또는 시트로 구조된다. 편평한 원통형의 확산 갭(25)을 형성하는 공동은 고체 전해질체(11)에 형성되며, 측정될 가스는 확산 채널(35)을 통해 확산 갭(25)으로 전도된다. 펌핑 전극(12, 17)은 편리하게 확산채널(35) 주위의 링에 형성되며, 예로서 백금이나 백금 서밋과 같이 측정될 가스에 촉매 작용을 미치게 하는 다공성 재료를 포함한다. 외부의 펌핑 전극(12)은 통상 다공성의 보호층(22)으로 피복된다.
펌핑 전극(12, 17)과 면하는 절연층(13)과, 상기 펌핑전극(12, 17)과 외면하는 절연층(21)사이에는 가열 소자(30)가 위치한다. 절연층(13) 부근에는 예로서 고체-전해질 시트와 같은 세라믹 캐리어(23)가 인접한다.
가스 센서의 제조를 위한 DE-A-38 11 713 호를 참조하면, 여기에는 각각의 층과 전극을 제조하는데 사용된 고체-전해질 시트와 스크린 인쇄 공정이 개시되어 있다.
마찬가지로 네튼스트 원리에 따라 작동하는 셀을 전기화학적으로 측정 하는데 상기 실시예를 사용하는 것을 생각해 볼 수 있다. 펌핑 셀과의 차이는 단지 확산 갭(25)이 기준 채널을 통해 공기와 기준 가스(a reference gas)로 이송된다는 것이다. 이런 형태의 셀을 측정하는 경우에는 하나의 전극이 측정될 가스에 노출되고 다른 전극이 기준 가스에 노출된다. 이들 측정 셀은 또한 가열 소자와 함께 사용되며 그 결과 절연층과 고체 전해질 층 사이에서의 상기 문제는 여기에도 존재한다. 이와 마찬가지가 네른스트 셀 및 펌핑 셀을 갖는 소위 광대역 센서에 적용된다.
제 5 도는 보웬과 앤더슨의 아메리칸 저널 사이언스 [4], 37,488(1914)에 따른 MSO-SiO2상태도로서 포스테라이트 상(phase)인 2MgO · SiO2의 상태도이다. 고체 형태의 포스테라이트는 상 영역 A 와 B 에서 생성된다. 포스테라이트 및 상 영역 A 에 존재하는 페러클레이스/소스테라이트 공정 혼합물(eutectic)은 이트륨 안정화된 ZrO2고체 전해질(11)과 관련하여 절연층(13, 21)에 적합한 열 팽창 계수를 갖는다. 70 중량 퍼센트의 포스테라이트와 30 중량 퍼센트 페러클레이스의 화합물이 특히 적합하다. 상태도의 왼편에서 MgO, SiO2상의 열팽창 계수는 SiO2를 향해 감소한다. 이점에서 포스테라이트와 SiO2사이의 영역은 본 발명에 있어서 두번째로 중요하다. 따라서, 상태도는 파선으로 표시된다.
다른 실시예로서, 감지 영역과 면하는 절연층(13)의 재료보다 열전도성이 낮은 재료로 감지 영역과 외면하는 절연층(21)을 실행할 수 있다. 이는 펌핑 전극(12, 17)에 의해 단지 영역의 방향으로의 비열 유동을 형성한다. 70 중량 퍼센트의 포스테라이트와 30 중량 퍼센트의 페러클레이스와 함께 포스테라이트/페러클레이스 공정 혼합물로 만들어진 절연층(13)과 조합의 절연층(21)은 예로서 페러클레이스를 비교적 소량(예로서 5 중량 퍼센트 미만)갖는 순수 포스테라이트 층 또는 포스테라이트 층이다.
대개의 소요 순도는 극소량의 전자 전도성 재료 및 이온 전도성 재료와 같은 절연층(13)의 재료로 만들어진다. 또한, 절연층(13, 21)의 소결 활동은 적절한 플럭스 첨가물에 의해 매칭 될수 있다. 절연층의 소결 활성은 예로서, 적절한 혼합비및 입자 크기의 MgO, SiO2및, Mg 실리케이트의 혼합물에 의해 원료를 선택하므로써 제어될 수 있다. 절연층(13)과 고체 전해질(11)사이의 바람직하지 않게 강한 소결 반응을 방지하기 위하여, 고체 전해질(11)은 공동 침전되거나(coprecipatated) 적어도 미리가소된(precalcined) 이트륨 안정화된 세라믹을 사용하므로써 그리고 Zr4+이온 반경과 상이한 양이온 반경을 갖는 절연층(13)에 대해 재료를 선택하므로써 생성될 수 있다.
아래의 표 2 는 이트륨-안정화된 이산화 지르코늄에 비교하여 절연층에 대한 열팽창 계수, 열전도성, 양이온 반경을 도시한다.
표 2
전술했듯이, 포스테라이트/페러클레이스 공정 혼합물이 유리한 실시예로서 선정되었다. 열팽창 계수는 이트륨 안정화된 ZrO2의 열팽창 계수에 대응한다. 이트륨 안정화된 이산화 지르코늄과 절연층들의 대응 조합은 표 2 에서 선정될 수 있으며, 선택에 있어서는 절연층(13)의 열팽장 계수가 안정화된 이산화 지르코늄의 열팽창계수와 적어도 동일하거나 그 보다 클 것이 중요하다. 선택시에는 상응하여 양호한 열전도성을 고려하는 것이 또한 유리하다. 인용된 재료의 열전도성은 예의 업시 Al2O3이하이더라도 안정화된 이산화 지르코늄 보다 여전히 크다. 절연층의 재료 선정시의 부가의 파라미터는 사용된 재료의 양이온 반경이다, Zr4+이온 반경과 적정한 정도 상이한 양이온 반경을 선정하므로써, 절연층(13)과 고체 전해질체(10) 사이에서 바람직하지 않게 강한 소결 반응이 발생하지 않도록 보장된다.

Claims (14)

  1. 전기 전도성 고체 전해질 층(10, 11)과, 전기 전도성층과 상기 고체 전해질 층(10, 11)과 전기 전도성층(19, 20, 30) 사이에 하나 이상의 전기 절연성 세라믹 층(13)을 가지는 전기회로 전기 절연용 절연층 시스템에 있어서,
    상기 절연층(13, 14, 15, 18)중 하나 이상의 재료는 소결 이전에 첨가물로서 니오븀 또는 탄탈륨의 5가 금속 산화물을 함유하는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가물은 절연층(13, 14, 15, 18)의 체적에 대하여 10 체적 퍼센트까지의 양적 비율로 존재하는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(13, 14, 15, 18)은 산화 알루미늄, 포스테라이트, 포스테라이트/페러클레이스 공융 혼합물, MgO, CaO, SrO, BaO, 2MgO · SiO2, La2O3, Nd2O3, Gd2O3또는 Dy2O3, 또는 이들 재료의 혼합물을 포함하는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연층(13, 14, 15, 18)은 열팽창계수가 고체 전해질층(10, 11)의 열팽창 계수의 90% 이상인 재료를 포함하는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연층(13, 14, 15, 18)은 열팽창계수가 고체 전해질층(10, 11)의 열팽창계수와 동일하거나 그보다 큰 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(13, 14, 15, 18)은 하나 이상의 절연층과 하나 이상의 매칭층을 포함하고,
    상기 매칭층은 고체 전해질 층(10, 11)과 인접하여 배치되며,
    상기 첨가물은 고체 전해질 층(10, 11) 부근의 매칭 층에 함유되는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 매칭층은 고체 전해질 층(10, 11)과 절연층의 재료 성분을 함유하는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 매칭층은 고체 전해질층(10, 11)과 절연층의 재료 성분은 균등한 체적비로 함유하는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    재료 조성이 상이한 복수개의 매칭층이 제공되며, 고체 전해질 층(10, 11) 재료 성분의 농도는 고체 전해질층 측을 향해 증가되는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 첨가물의 농도는 고체 전해질 층(10, 11) 측을 향해 증가되는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    절연층(13, 14, 15, 18)에 더하여 추가 절연층이 제공되며,
    상기 절연층과 추가 절연층 사이에는 가열 소자(19, 30)가 배치되는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    가스 센서의 감지 영역과 대면하는 절연층(13, 14, 15, 18)은 감지 영역으로부터 멀어지는 방향을 향하는 절연층 보다 우수한 열전도성을 갖는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층(13, 14, 15, 18) 또는 절연층들의 재료에 소결 보조물 또는 미소구멍 형성체가 추가되는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 전해질 층(10, 11)은 안정화된 이산화 지르코늄 또는 안정화된 이산화 하프늄을 포함하며,
    안정화를 위해 삼산화 디이트륨 및 삼산화 디이테르븀이 존재하는 회로 전기절연용 절연층 시스템.
KR1019950703369A 1993-12-09 1994-11-26 회로전기절연용절연층시스템 KR100322981B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DEP4342033.8 1993-12-09
DE4342033 1993-12-09
DEP4439883.2 1994-11-08
DE4439883A DE4439883A1 (de) 1993-12-09 1994-11-08 Isolationsschichtsystem zur galvanischen Trennung von Stromkreisen
PCT/DE1994/001397 WO1995016199A1 (de) 1993-12-09 1994-11-26 Isolationsschichtsystem zur galvanischen trennung von stromkreisen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR960701361A KR960701361A (ko) 1996-02-24
KR100322981B1 true KR100322981B1 (ko) 2002-09-26

Family

ID=6504595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019950703369A KR100322981B1 (ko) 1993-12-09 1994-11-26 회로전기절연용절연층시스템

Country Status (3)

Country Link
US (1) US5773894A (ko)
KR (1) KR100322981B1 (ko)
DE (2) DE4439883A1 (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19834276A1 (de) * 1998-07-30 2000-02-10 Bosch Gmbh Robert Abgassonde
JP4453166B2 (ja) * 2000-06-19 2010-04-21 株式会社デンソー 積層型ガスセンサ素子及びその製造方法
US6630062B1 (en) * 2000-08-04 2003-10-07 Delphi Technologies, Inc. Poison resistant sensor
DE10222791B4 (de) * 2002-05-23 2004-07-01 Robert Bosch Gmbh Heizeinrichtung
US8906214B2 (en) * 2003-02-10 2014-12-09 Robert Bosch Gmbh Contamination-resistant gas sensor element
US7211180B2 (en) * 2003-02-10 2007-05-01 Robert Bosch Corporation Contamination-resistant gas sensor element
US20090101502A1 (en) * 2003-02-10 2009-04-23 Robert Bosch Gmbh Thermal Shock Resistant Gas Sensor Element
DE102004016008A1 (de) 2004-04-01 2005-10-20 Bosch Gmbh Robert Keramisches Heizelement für Gassensoren
DE102007053427A1 (de) 2007-11-09 2009-05-14 Robert Bosch Gmbh Sensorelement mit Festelektrolyt und isoliertem leitenden Element
DE102008042427A1 (de) 2008-09-29 2010-04-01 Robert Bosch Gmbh Keramisches Sensorelement mit isoliertem leitenden Element
US9297791B2 (en) 2012-12-20 2016-03-29 Robert Bosch Gmbh Gas sensor with thermal shock protection

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5348594A (en) * 1976-10-14 1978-05-02 Nissan Motor Oxygen sensor
DE2852647C2 (de) * 1978-12-06 1986-04-30 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems auf Festelektrolyten für elektrochemische Anwendungen
JPS57137850A (en) * 1981-02-20 1982-08-25 Nissan Motor Co Ltd Oxygen concentration measuring element
US4507394A (en) * 1982-12-24 1985-03-26 Ngk Insulators, Ltd. High electric resistant zirconia and/or hafnia ceramics
JPS6036948A (ja) * 1983-08-09 1985-02-26 Ngk Insulators Ltd 電気化学的装置
JP2502961B2 (ja) * 1984-04-26 1996-05-29 日本碍子株式会社 電気化学的装置の製造方法
US5169513A (en) * 1984-06-06 1992-12-08 Ngk Insulators, Ltd. Electrochemical element and method of making
JPH0646189B2 (ja) * 1985-01-25 1994-06-15 株式会社日立製作所 酸素濃度センサ
DE3673563D1 (de) * 1985-04-19 1990-09-27 Hitachi Ltd Sauerstoffuehlerelement und verfahren zum herstellen desselben.
DE3811713A1 (de) * 1988-04-08 1989-10-19 Bosch Gmbh Robert Planare polarographische sonde zur bestimmung des (lambda)-wertes von gasgemischen
DE4303633A1 (de) * 1993-02-09 1994-08-11 Bosch Gmbh Robert Festelektrolytsensor mit integriertem Heizer
US5670032A (en) * 1993-07-27 1997-09-23 Robert Bosch Gmbh Electro-chemical measuring sensor with a potential-free sensor element and method for producing it

Also Published As

Publication number Publication date
DE4439883A1 (de) 1995-06-14
KR960701361A (ko) 1996-02-24
US5773894A (en) 1998-06-30
DE59409124D1 (de) 2000-03-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR970003282B1 (ko) Ptc 온도 감지기 및 그에 대한 ptc 온도 감지 소자 제조 공정
US5334350A (en) Resistance probe for determining gas compositions and method of producing it
EP0134709A1 (en) An oxygen sensor element
US6350357B1 (en) Sensor element
US6936148B2 (en) Gas sensor element having at least two cells
KR100322981B1 (ko) 회로전기절연용절연층시스템
JP4884103B2 (ja) セラミックヒータおよびガスセンサ素子
US5421984A (en) Oxygen concentration sensor
JPH106324A (ja) セラミック構造体の製造方法
JP2003279528A (ja) 酸素センサ素子
EP0166445B1 (en) Reinforced zirconia-base sintered body, process for producing the same, and plate-like zirconia-base electrolyte function element
JP3678747B2 (ja) 電流回路の電気的分離のための絶縁層系
JP2003344348A (ja) 酸素センサ素子
US8921738B2 (en) Gas sensor heating device insulation
EP1319944A2 (en) Solid electrolyte gas-sensing device
US20020175076A1 (en) Layered composite with an insulation layer
JP2001041922A (ja) ヒータ一体型酸素センサ素子
JP3748408B2 (ja) 酸素センサおよびその製造方法
JP2003279531A (ja) 酸素センサ素子
JP4007892B2 (ja) ガスセンサ素子及びこれを用いたガスセンサ
JPS61241658A (ja) 酸素センサ素子
JP2003075397A (ja) 酸素センサ
JP2005005057A (ja) セラミックヒータ、並びにセラミックヒータ構造体
JP2003089576A (ja) ジルコニア質焼結体及び酸素センサ
JP2003014690A (ja) ガスセンサ素子及びガスセンサ

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120109

Year of fee payment: 11

LAPS Lapse due to unpaid annual fee