KR20170087464A - 배기 가스 센서용 세라믹 센서 소자 - Google Patents

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KR20170087464A
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잉리트 게르너
한스-외르크 렌츠
우베 글란츠
하랄트 귄셸
페트라 쿠셸
옌스 슈나이더
미하엘 피본스키
니콜라스 마이어
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 배기 가스 센서용 세라믹 센서 소자(20)에 관한 것이며, 상기 세라믹 센서 소자(20)는 적어도 하나의 적어도 부분적으로 개방된 도체 트랙(43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503)을 포함한다. 본 발명에 따라, 적어도 부분적으로 개방된 도체 트랙(43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503)은 백금보다 낮은 내열성 및 내산화성을 갖는 재료를 포함하거나 그런 재료로 이루어진다.

Description

배기 가스 센서용 세라믹 센서 소자{CERAMIC SENSOR ELEMENT FOR A WASTE GAS SENSOR}
본 발명은 배기 가스 센서용 세라믹 센서 소자에 관한 것이다.
배기 가스 센서용 세라믹 센서 소자는 이미 공지되어 있으며, 상기 센서 소자는 안정화된 산화 지르코늄 또는 산화 알루미늄으로 이루어진 소결되지 않은("그린") 막에, 예를 들어 스크린 인쇄를 통해, 금속 층 및 세라믹 층이 제공되고, 예를 들어 드릴링 공정 또는 펀칭 공정에 의해 관통 연결 홀이 제공되고, 그 다음에 서로 적층되고 1000 ℃ 이상에서 전체적으로 소결되는 방식으로 제조된다. 세라믹 센서 소자는 공정 단계의 상기 순서에 의해, 공지된 종래 기술에 따라 형성되고 그들 내에 히터 구조 및 전극 구조가 형성된다.
이들 방법은 센서 소자의 구성 또는 코팅을 위해 낮은 내열성 및/또는 낮은 내산화성 재료가 사용될 수 없다는 단점을 갖는데, 그 이유는 상기 재료가 소결 공정 동안 충분히 안정하지 않기 때문이다. 따라서, 배기 가스 센서용 센서 소자의 도체 트랙, 접촉 패드 및 관통 연결부는 통상적으로 의도된 작동 중에 예를 들어 500 ℃ 이하의 온도와 같은 적당한 열 작용에 노출되는, 백금으로 이루어진 또는 주로 백금으로 이루어진 영역에 제조된다. 물론, 이것은 높은 비용을 수반한다.
본 발명의 과제는 상기 단점들을 갖지 않거나 적어도 줄일 수 있는 세라믹 센서 소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 세라믹 센서 소자는 적어도 하나의 적어도 부분적으로 개방된 도체 트랙을 포함하고, 상기 도체 트랙은 백금보다 낮은 내열성 및 내산화성을 갖는 재료를 포함하거나 또는 질량 분율과 관련해서 주로, 즉 50 % 이상의 그런 재료를 포함하거나 또는 그런 재료로 이루어진다.
상기 재료는 예를 들어 금속, 특히 Pd, Ag, Au, Fe, Al, Cr, Ni, 또는 금속 합금, 특히 Pt-Pd, Ag-Pd, Ag-Au, Ni 합금 또는 Fe- Cr-Al 합금일 수 있다. 이로 인해, 센서 소자의 기능이 떨어지지 않으면서 비용상 장점이 얻어진다.
상기 재료는 또한 적어도 주로 내산화성인, 백금 이외의 백금 그룹 금속, 특히 팔라듐, 또는 코인 금속, 특히 고전도성 코인 금속, 바람직하게는 Au, Ag 또는 Cu 일 수 있다.
추가의 대안은 상기 재료가 전이 금속, 특히 Fe, Co 또는 Ni이거나, 또는 콘 스탄탄 또는 초합금이거나, 또는 기본 금속, 특히 전이 그룹 또는 주그룹 금속, 바람직하게는 Sn, Al, In 또는 Ti 인 것이다. 후자의 재료들은 개선 예에서 산화물의 형태로, 예를 들면 알루마이트로서 존재할 수 있다. 이러한 층들은 특히 바람직한 기계적 특성, 특히 강도를 갖는다.
이 재료는 또한 서멧, 예를 들어 금속 성분 및 세라믹 성분을 포함하는 서멧일 수 있다. 상기 금속 성분에는 바람직하게 하나 이상의 상기 언급된 금속이 사용될 수 있고, 세라믹 성분은 예를 들어 산화 알루미늄일 수 있다. 서멧의 사용 시, 그 전도성, 가공성 및 유리한 비용의 장점이 얻어질 수 있다.
바람직한 개선 예에서, 세라믹 센서 소자는 긴 기본 형상을 가지며, 길이 방향으로 배기 가스 측 단부가 연결부 측 단부에 대향하고, 적어도 부분적으로 개방된 도체 트랙은 연결부 측 단부의 영역에서 개방되고, 거기서 상기 재료를 포함하며, 배기 가스 측 단부의 영역에서 더 높은 내열성 및/또는 더 높은 내산화성 재료를 포함하거나, 특히 백금을 포함하거나 또는 주로 또는 완전히 백금으로 또는 백금 성분 및 세라믹 성분으로 이루어진다. 이러한 방식으로, 센서 소자의 배기 가스 측 내열성 및 내산화성이 충분하면서도 전술한 비용상 장점이 달성될 수 있다.
특히, 의도된 작동 동안 특히 상이한 온도 범위에 있고 및/또는 특히 전류가 흐르는, 상이한 화학적 금속 조성물의 2개의 영역으로 구성된 도체 트랙들이 제공된다. 결과적인 열-전기 효과, 특히 이미 알려진 제벡(Seebeck) 효과 및 이미 알려진 펠티어(Peltier) 효과는 다양한 신규의 작동 방법, 예를 들어 세라믹 센서 소자의 국부적 가열 또는 냉각을 제공하는 작동 방법, 열 전압 또는 열 전류를 생성하는 작동 방법 및/또는 세라믹 센서 소자의 전기 화학 전지의 펌핑 및/또는 에너지 공급을 위해 사용될 수 있는 작동 방법의 가능성을 열어준다. 다양한 다른 응용 가능성도 있다.
세라믹 센서 소자의 제조 방법에 대한 독립 청구항에 따르면, 낮은 내열성 및/또는 내산화성 도체 트랙 성분이 세라믹 센서 소자의 미리 소결된 세라믹 바디 상에 제공된다. 이러한 방식으로, 소결 프로세스의 고온 요건, 예를 들어 1000 ℃ 이상의 고온 요건이 상기 도체 트랙 성분에 대해 효과적으로 회피되므로, 백금보다 낮은 내열성 및/또는 내산화성인 재료의 사용이 가능해진다.
세라믹 센서 소자의 미리 소결된 세라믹 바디 상에 낮은 내열성 및/또는 내산화성 도체 트랙 성분의 제공은 생성 프로세스로 수행 될 수 있다.
에디티브(additive) 프로세스 또는 3D 인쇄를 포함한 생성 프로세스(generative process)는 12/2009의 VDI 가이드 라인 VDI 3404의 의미에서 종래의 프로세스와 구분된다. 특히, 생성 프로세스의 경우, 금형 또는 반제품을 사용하지 않고, 특히 제조될 제품의, 전자 데이터 세트로서만 존재하는 모델(예를 들어 CAD 모델)을 직접 변환하는 제조 장치에 의해 제조가 수행된다.
세라믹 센서 소자의 미리 소결된 세라믹 바디 상에 낮은 내열성 및/또는 내산화성 도체 트랙 성분의 제공은 3D-MID 프로세스에 의해, 저온 활성 플라즈마에 의해, 상표 Plasmadust로 공지된 프로세스에 의해, 및/또는 600℃ 내지 1100℃의 온도에서 분배/베이킹에 의해 이루어진다.
생성 프로세스는 현재 급속한 기술 개발의 대상이며 상당한 기술적 잠재력을 갖고 있다. 이와 관련하여, 이미 공지된, 현재 개시된, 그리고 향후의 배기 가스 센서 및 그 구조 소자의 제조를 위해, 항상 이미 공지된 그리고 현재 개시된 제조 기술과 더불어, 향후 수년 내에 예상되는 생성 프로세스의 분야에 대한 추가의 기술적 진보가 상기에 언급한 장점의 실현을 위해 필요하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예가 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 센서 소자의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 본 발명에 따른 센서 소자의 단면도이다.
도 3은 제조 동안 도 1의 센서 소자의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제조 방법의 개요를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예로서, 내연기관(도시되지 않음)의 배기 가스 중의 산소 농도를 결정하기 위해 사용되는 가스 측정 센서(도시되지 않음)의 하우징 내에 배치될 수 있는 소결된 센서 소자(20) 전체를 도시한다.
센서 소자는 도 1에서 길이 방향으로 좌측으로부터 우측으로 연장된다. 센서 소자(20)의 제 1 단부 영역(201)은 우측에 도시되며, 센서 소자(20)의 제 2 단부 영역(202)은 좌측에 도시되어 있다. 의도한 설치 및 작동 상태에서, 센서 소자(20)의 제 1 단부 영역(201)은 배기 가스를 향하고, 센서 소자(20)의 제 2 단부 영역(202)은 배기 가스로부터 떨어져 있다.
또한, 도 1에서 센서 소자(20)는 가로 방향으로 전방으로부터 후방으로 그리고 높이 방향으로 하부로부터 상부로 연장된다.
센서 소자(20)는 인쇄된 세라믹 층들로 구성되고, 상기 세라믹 층들은 이 실시 예에서 제 1, 제 2 및 제 3 고체 전해질 막(21, 22, 23)으로서 형성되며 산화 이트륨 안정화된 산화 지르코늄(YSZ)을 함유한다. 본 실시 예에서, 소결된 고체 전해질 막(21, 22, 23)은 60 mm의 길이, 4 mm의 폭 및 450 μm의 높이를 갖는다.
제 1 고체 전해질 막(21)은 센서 소자(20)의 관점에서 외부로 향한 그 넓은 면 상에서, 도 1에서 하부에서, 센서 소자(20)의 제 2 단부 영역(202) 내에, 접촉 면(43) 및 추가 접촉 면(44)을 구비한다.
제 1 고체 전해질 막(21)은 센서 소자(20)의 관점에서 내부로 향한 그 넓은 면 상에서, 도 1에서 상부에서, 센서 소자(20)의 제 1 단부 영역(201) 내에, 구불구불한 가열 장치(311)를 구비한다. 구불구불한 가열 장치(311)의 연장에서, 그 단부에 각각 도체 트랙(321, 322)이 연결된다.
도체 트랙들(321, 322)은 배기 가스 측에 리드(323, 325)라고 하는 섹션을 포함하며, 상기 섹션은 본 경우에 일정한 폭을 갖는다. 또한, 도체 트랙들(321, 322)은 배기 가스로부터 떨어져서, 칼라(324, 326)라고 하는 섹션을 포함하며, 상기 섹션은 본 경우에 환형으로 형성된다.
제 1 고체 전해질 막(21)은 센서 소자(20)의 관점에서 내부로 향한 그 넓은 면에, 도 1에서 상부에, 또한 절연 층(330)과 밀봉 프레임(331) 및 막 결합제 층 (333)을 구비한다.
제 1 고체 전해질 막(21)은 제 2 단부 영역(202)에 2개의 관통 연결부(501, 502)를 포함하고, 상기 관통 연결부들(501, 502)은 수직 방향으로 제 1 고체 전해질 막(21)을 통해 연장하며 각각 접촉 면(43, 44)을 도체 트랙(321, 322)의 칼라(324, 326)에 전기 전도 방식으로 연결한다(도 2 참고).
제 2 고체 전해질 막(22)은 양면에 각각 하나의 막 결합제 층(333)을 포함하고, 상기 제 2 고체 전해질 막(22)은 또한 기준 가스 채널(35)을 포함하며, 상기 기준 가스 채널은 배기 가스로부터 떨어져 배치된 기준 가스 개구(351)를 따라 센서 소자(20)의 제 1 단부 영역(201)까지 연장되고 가로 방향으로 중앙에서 연장된다. 기준 가스 채널(35)은 채워지지 않은 상태로 형성된다.
제 3 고체 전해질 막(23)은 센서 소자(20)의 관점에서 내부로 향한 그 넓은 면 상에, 도 1에서 하부에, 기준 가스 채널(35)에 대향하여, 산소 농도를 측정하기 위한 기능 요소(31)로서 서멧 전극(312)을 구비한다. 서멧 전극(312)의 연장에서, 그 단부에 도체 트랙(328)이 연결되고, 서멧 전극(312)으로부터 도체 트랙(328)으로의 전이는 구조 폭의 감소로 특징 지워진다.
도체 트랙(328)은 배기 가스 측에서 리드(327)라고 하는 섹션을 포함하며, 상기 섹션은 본 경우에 일정한 폭을 갖는다.
제 3 고체 전해질 막(23)은 센서 소자(20)관점에서 외부로 향한 그 넓은 면 상에서, 도 1에서 상부에서, 센서 소자(20)의 제 2 단부 영역(202) 내에, 접촉 면(45) 및 추가 접촉 면(46)을 구비한다.
추가 접촉 면(46)에는 예를 들어 일정한 폭을 가진 도체 트랙(320)이 이어지고, 상기 도체 트랙(320)은 센서 소자(20)의 제 1 단부 영역(201)에 배치된 추가 서멧 전극(313)까지 연장된다.
제 3 고체 전해질 막(23)은 제 2 단부 영역(202)에 관통 연결부(503)를 포함하고, 상기 관통 연결부(503)는 수직 방향으로 제 3 고체 전해질 막(23)을 통해 연장하며 접촉 면(45)을 칼라(329)에 전기 전도 방식으로 연결한다(도 2 참고).
관통 연결부(501, 502, 503)를 통해 센서 소자(20)의 길이 방향에 대해 수직인 평면에서 도 1에 도시된 센서 소자(20)의 단면이 도 2에 개략적으로 도시되어 있다.
관통 연결부들(501, 502, 503)은 센서 소자(20)의 관통 연결 홀들(601, 602, 603)의 반경 방향 벽들의 도전 층들로서 형성된다. 관통 연결 홀들(601, 602, 603)의 직경은 예를 들어 0.48 mm이다.
도 1 및 도 2에 도시된 센서 소자(20)는 적어도 부분적으로 개방된 도체 트랙들, 즉 제 3 고체 전해질 막(23)의 외부로 향한 넓은 면 상에 배치되며 추가 접촉 면(46)을 갖는 도체 트랙(320), 및 관통 연결부(503)를 갖는 접촉 면(45)을 포함하고, 또한 제 1 고체 전해질 막(21)의 외부로 향한 넓은 면 상에 배치되며 관련 관통 연결부(501, 502)를 갖는 접촉 면들(43, 44)을 포함한다.
이 실시 예에서, 상기 도체 트랙의 특정 개방된 부분, 즉 도체 트랙(320)의 연결부 측 부분(320a), 접촉 면(45), 추가 접촉 면(46), 관통 연결부(503), 또한 접촉 면(43, 44) 및 관통 연결부(501, 502)는 예를 들어 Fe-Cr-Al 합금으로 이루어진 백금보다 낮은 내열성 및/또는 내산화성인 재료를 포함하거나 그런 재료로 이루어진다. 도체 트랙(320)의 배기 가스 측 부분(320b) 및 센서 소자(20)의 내부에 배치된 도체 트랙들, 예를 들어 도체 트랙들(321, 322, 328)은 종래 기술에서 통상적인 바와 같이 전적으로 또는 주로 백금 또는 백금 서멧으로 이루어진다.
도 1 및 도 2에 도시된 센서 소자의 제조를 위해, 제 1 방법 단계(101; 도 4 참고)에서 공지된 기술로, 세라믹 막을 1000℃ 이상의 온도에서 인쇄, 적층 및 소결함으로써, 세라믹 바디(120)가 제조된다. 상기 세라믹 바디(120)는, 백금보다 낮은 내열성 및/또는 내산화성인 재료를 포함하거나 또는 그런 재료로 이루어진 도체 트랙의 특정 개방된 부분, 더 정확하게는, 도체 트랙(320)의 연결부 측 부분(320a), 추가 접촉 면(46) 및 접촉 면(45), 관통 연결부(503), 접촉 면(43, 44) 및 관통 연결부(501, 502)가 아직 제공되지 않았다는 점에서 완성된 센서 소자(20)와는 다르다. 세라믹 바디(120)는 도 3에서 도 1에 상응하게 도시되어 있다.
제 2 방법 단계(102; 도 4 참조)에서, 백금보다 낮은 내열성 및/또는 내산화성인 재료를 포함하거나 또는 그런 재료로 이루어진 도체 트랙의 특정 개방된 부분, 더 정확하게는, 도체 트랙(320)의 연결부 측 부분(320a), 추가 접촉 면(46) 및 접촉 면(45), 관통 연결부(503), 접촉 면(43, 44) 및 관통 연결부(501, 502)가 세라믹 바디(102)에 제공된다. 상기 제공(102)은 예를 들어, 공지된 생성 프로세스에 의해 이루어진다. 상기 제공(102)은 예를 들어 3D-MID 프로세스에 의해, 저온 활성 플라즈마에 의해, 상표 Plasmadust로 공지된 프로세스에 의해, 및/또는 600℃ 내지 1100℃의 온도에서 분배/베이킹에 의해 이루어진다. 제 2 방법 단계(102) 후에, 도 1 및 도 2에 도시된 완성된 센서 소자(20)가 주어진다.
플라즈마 금속화에 의한 도체 트랙 부분들의 제공의 경우, 후자는 바람직하게는 단지 50 ㎛ 의 폭을 갖는 미세 도체 트랙 구조 및 기하학적으로 규정된 임계 범위를 재현 가능하게 제조할 수 있도록, 접착 방지 코팅된 금속 마스크, 유리 마스크 또는 PTFE 마스크를 통해 이루어진다. 마스크를 재사용하기 위해, 마스크 상에 도포된 재료가 후속하는 세정 공정(예를 들어, 고압 워터 제트; CO2 또는 에칭 프로세스)에 의해 제거된다.
선택적으로, 임의의 공간 방향으로 경사진 금속 층들을 제공하는 것이 가능하고, 상기 금속 층들에 의해 예를 들어 온도 균일화 또는 냉각을 위해 5 ~ 100W/(m*K) 범위의 전면 EMC 차폐 또는 열 방출이 달성될 수 있다.
평면 센서 소자가 예로서 사용되었지만, 도체 트랙은 고르지 않은 표면에도 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 하나의 단계에서 비용 효율적인, 특히 나선형의 가열 소자 및/또는 인덕터가 예를 들어, HF 필터 또는 변압기로서 응용으로 형성될 수 있다.
또한, 예를 들어 질화 붕소로 이루어진 추가 분산 층이 제공될 수 있어서, 내식성의 증가 및 수분 침투에 의한 전기 단락의 방지가 개선된다.
공지된 구성 기술 및 연결 기술의 구조 소자 및 제조 방법은 필요에 따라 보완적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다.
대안적 실시 예에서, 도체 트랙의 백금 함유 부분이 전술한 것에 비해 센서 소자(20)의 길이 방향으로 짧아지고, 도체 트랙의 백금 없는 부분은 센서 소자(20)의 길이 방향으로 커지므로, 백금보다 낮은 내열성 및/또는 내산화성인 재료를 포함하거나 또는 그런 재료로 이루어진 개방된 도체 트랙의 영역은 센서 소자(20)의 길이 방향으로 중간 3분의 1까지, 바람직하게는 센서 소자(20)의 길이 방향으로 배기 가스 측 절반까지 연장된다.
20 센서 소자
43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503 도체 트랙

Claims (10)

  1. 배기 가스 센서용 세라믹 센서 소자(20)로서, 상기 세라믹 센서 소자(20)는 적어도 하나의 적어도 부분적으로 개방된 도체 트랙(43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503)을 포함하는, 상기 세라믹 센서 소자에 있어서,
    상기 적어도 부분적으로 개방된 도체 트랙(43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503)은 백금보다 낮은 내열성 및/또는 내산화성을 갖는 재료를 포함하거나 그런 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 재료는 금속, 특히 Pd, Ag, Au, Fe, Al, Cr, Ni, 또는 금속 합금, 특히 Pt-Pd, Ag-Pd, Ag-Au, Ni 합금 또는 Fe- Cr-Al 합금, 또는 서멧인 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 재료는 적어도 주로 내산화성인, 백금 이외의 백금 그룹 금속, 특히 팔라듐, 또는 코인 금속, 특히 고전도성 코인 금속, 바람직하게는 Au, Ag 또는 Cu인 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 재료는 전이 금속, 특히 Fe, Co 또는 Ni이거나, 또는 콘 스탄탄 또는 초합금이거나, 또는 기본 금속, 특히 전이 그룹 또는 주그룹 금속, 바람직하게는 Sn, Al, In 또는 Ti인 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 부분적으로 개방된 도체 트랙(43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503)은 적어도 상기 개방된 영역의 부분 영역 내에 백금을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 센서 소자(20)는 긴 기본 형상을 가지며, 길이 방향으로 배기 가스 측 단부(201)가 연결부 측 단부(202)에 대향하고, 상기 적어도 부분적으로 개방된 도체 트랙(43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503)은 상기 연결부 측 단부(202)의 영역에서 개방되고, 거기서 상기 재료를 포함하며, 상기 배기 가스 측 단부(201)의 영역에서는 더 높은 내열성 및/또는 더 높은 내산화성 재료를 포함하거나, 특히 백금을 포함하거나 또는 주로 또는 완전히 백금으로 또는 백금 성분 및 세라믹 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자.
  7. 배기 가스 센서용 세라믹 센서 소자(20), 특히 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 세라믹 센서 소자(20)의 제조 방법에 있어서,
    상기 개방된 도체 트랙(43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503)은 적어도 부분적으로 미리 소결된 세라믹 바디(120) 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 제공 단계(102)는 생성 프로세스에 의해, 특히 다음 프로세스 중 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자의 제조 방법: 3D-MID 프로세스, 저온 활성 플라즈마 및/또는 600℃ 내지 1100℃의 온도에서 분배/베이킹.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제공 단계는 마스크를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자의 제조 방법.
  10. 제 4 항에 따른 세라믹 센서 소자(20)의 작동 방법에 있어서,
    개방된 도체 트랙(43, 44, 45, 46, 320, 320a, 501, 502, 503)을 통한 전류 흐름에 기초하여, 상기 세라믹 센서 소자(20)의 국부적 가열 또는 냉각이 이루어지거나, 또는 상기 세라믹 센서 소자(20)의 에너지 공급을 위해 및/또는 상기 세라믹 센서 소자(20)의 전기 화학 전지의 펌핑을 위해 사용될 수 있는 열 전압이 생성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 센서 소자의 작동 방법.
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