KR20180079335A - 센서 엘리먼트 및 센서 엘리먼트 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배기가스 센서용 센서 엘리먼트로서, 세라믹 베이스 바디(50)를 포함하고, 상기 베이스 바디의 표면(51)이 전기 절연성인 적어도 하나의 표면 영역을 구비하고, 상기 센서 엘리먼트(10)가 베이스 바디(50)의 표면 영역을 따라 편평하게 형성된, 전기 전도성인 적어도 하나의 가이드 구조(52)를 포함하는, 상기 센서 엘리먼트에 관한 것이고, 가이드 구조(52)가 표면에 대해 수직인 방향으로 베이스 바디(50) 내에 부분적으로 매립되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 독립 청구항 제 1 항 및 제 8 항에 따른 센서 엘리먼트 및 센서 엘리먼트 제조 방법에 관한 것이다.
배기가스 센서들용 센서 엘리먼트들은 종래 기술에 이미 공지되어 있다.
예컨대, DE 102006002111 A1에는 측정될 가스에 노출되는 적어도 하나의 측정 장치, 센서 엘리먼트 내로 통합된 적어도 하나의 가열 엘리먼트, 및 센서 엘리먼트 내로 통합된 적어도 하나의 온도 측정 엘리먼트를 포함한, 가스 혼합물 내 입자들의 농도를 결정하기 위한 가스 센서들용, 특히 카본 블랙 센서들용 센서 엘리먼트가 개시되어 있고, 센서 엘리먼트 내에서 가열 엘리먼트는 공간적으로 측정 장치와 온도 측정 엘리먼트 사이에 배치된다.
본 발명의 과제는 수명이 긴 센서 엘리먼트 및 이러한 센서 엘리먼트의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 독립 청구항들에 제시된 조치들이 제공된다. 가이드 구조가 세라믹 베이스 바디의 표면에 대해 수직인 방향으로 부분적으로 베이스 바디 내에 매립됨으로써, 가이드 구조와 베이스 바디 사이의 맞물림이 이루어지고 이로써 가이드 구조와 베이스 바디 사이의 지속적으로 강화된 결합이 나타난다. 센서 엘리먼트가 그 수명에 걸쳐 집중적인 열 부하, 수열 부하 및/또는 부식 부하를 받아도, 가이드 구조는 약화되지 않으며 베이스 바디와 결합된 상태로 유지된다.
가이드 구조가 세라믹 베이스 바디의 표면에 대해 수직인 방향으로 부분적으로 매립된다는 것은 여기서 특히 완전한 매립만이 배제되는 것, 그리고 가이드 구조가 베이스 바디의 비구조화된 표면 상에만 배치되는 것이 배제되는 것을 의미한다. 특히 이는 거시적으로 형성되는 세라믹 베이스 바디 표면 내에 마이크로 구조가 제공되고 상기 마이크로 구조 내에 가이드 구조가 세라믹 베이스 바디의 표면에 대해 수직인 방향으로 부분적으로 수용되는 것을 의미한다.
가이드 구조는 전기 전도성 구조이고, 특히 가이드 구조는 실온에서 0.5 Ohm ㎟/m 보다 작은 비저항을 갖는 물질로 이루어진다.
본 발명의 실시예들에서 가이드 구조가 세라믹 베이스 바디 내로 들어가는 최소 치수가 주어지고, 가이드 구조가 세라믹 베이스 바디로부터 돌출하는 최소 치수가 주어진다. 가이드 구조가 표면에 대해 수직인 방향으로 그 높이의 적어도 10%가 들어간다. 즉, 매립된다. 추가로 또는 대안으로 가이드 구조는 표면에 대해 수직인 방향으로 최대 90%가 들어간다. 즉, 매립된다.
가이드 구조는 예컨대 그 높이의 절반까지 베이스 바디 내로 매립될 수 있고, 이는 특히 그 높이의 30% 내지 70%가 들어가는 것을 의미할 수 있다.
센서 엘리먼트는 특히, 그 표면 상에 가이드 구조로서, 의도된 사용시 배기가스에 대체로 직접 노출되는, 2개의 빗 형태의, 서로 맞물린 인터디지털 전극들을 포함하는 입자 센서의 센서 엘리먼트일 수 있다.
본 발명은 또한 센서 엘리먼트, 특히 본 발명에 따른 센서 엘리먼트의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법에서는 귀금속 함유 예비 가이드 구조가 세라믹 예비 베이스 바디 상에 도포되고 부분적으로 예비 베이스 바디 내로 삽입된 후, 세라믹 예비 베이스 바디 및 귀금속 함유 예비 가이드 구조의 소결에 의해 상기 센서 엘리먼트가 제조된다.
인쇄에 의한 도포가 실시될 수 있다. 또한, 추가로 또는 대안으로서, 예컨대 인쇄 동안 압입에 의한 삽입도 가능하다. 대안으로 압입은 인쇄 후에도, 예컨대 압입 장치에 의해 실시될 수 있다.
세라믹 예비 베이스 바디는 소결되지 않은 세라믹 필름, 예컨대 산화알루미늄 또는 이트륨으로 안정화된 산화지르코늄(YSZ) 또는 코디에라이트 또는 포스테라이트 또는 다결정 실리콘을 함유하고 추가로 바인더 및 용매를 함유한 세라믹 필름으로 이루어진다.
추가로, 세라믹 예비 베이스 바디는 전술했듯이 소결되지 않은 세라믹 필름으로 이루어지고, 상기 필름 상에 추가로 적어도 하나의 절연 페이스트가 편평하게 도포될 수 있다. 귀금속 함유 예비 가이드 구조는 적어도 하나의 절연 페이스트 상에 도포되고 부분적으로 삽입된다.
이 경우, 특히 귀금속 함유 예비 가이드 구조는 적어도 하나의 절연 페이스트보다 더 높은 점도를 갖고, 즉 더 경성이다. 이는 귀금속 함유 예비 가이드 구조가 절연 페이스트 내로 적은 비용으로 그리고 에지-날카롭게 부분적으로 삽입될 수 있는 것을 보장한다.
세라믹 예비 베이스 바디는 전술했듯이 소결되지 않은 세라믹 필름으로 구성되고, 상기 예비 베이스 바디 상에 추가로 연속해서 제 2 절연 페이스트 및 후속해서 제 1 절연 페이스트가 편평하게 도포될 수 있다. 절연 페이스트들 상에 예비 가이드 구조가 도포된다. 이 경우 예비 가이드 구조는 바람직하게는 외부의 제 1 절연 페이스트 내로 압입되고, 특히 부분적으로 압입된다.
제 1 절연 페이스트 및 제 2 절연 페이스는 그 물리적 및 화학적 그리고 유동학적 특성의 관점에서 서로 상이할 수 있다. 바람직하게는 세라믹 필름과 제 1 절연 페이스트 사이에 놓이는 제 2 절연 페이스트가 접착 층의 기능을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제 2 절연 페이스트는 제 1 절연 페이스트보다 더 높은 함량의 용매를 함유하므로, 세라믹 필름의 부분적 용해가 이루어질 수 있다. 추가로 또는 대안으로 제 2 절연 페이스트는 제 1 절연 페이스트보다 더 높은 함량의, 미세하여 소결 활성인 산화지르코늄 및/또는 더 높은 함량의, 거친 입자의 산화알루미늄을 함유할 수 있고, 이는 접착 개선 효과를 갖는다.
또한, 바람직하게는 제 1 절연 페이스트가 제 2 절연 페이스트보다 더 연성이고, 즉 더 낮은 점도를 가질 수 있다. 이는 특히 예비 가이드 구조의 특히 에지-날카로운 압입을 더 용이하게 한다.
예비 베이스 바디 내로 예비 가이드 구조의 압입은 예비 베이스 바디가 예비 가이드 구조의 도포 전에 예비 가이드 구조가 후속해서 부분적으로 삽입되는 구조를 갖는 구조화를 겪음으로써 지원된다. 구조들은 마이크로 구조들일 수 있고, 즉 하나의 공간 방향, 또는 2개의 공간 방향들로 150㎛보다 작은 구조 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 추가 실시예들은 실시예들 및 종속 청구항들의 대상이다
본 명세서의 범주에서 점도라고 하면, 이는 20℃의 온도에서 30/s의 전단 속도에서 회전 점도계로 검출된 것이다.
본 명세서의 범주에서 탄젠트 델타 값이라고 하면, 이러한 손실 팩터는 500 Pa의 전단 응력에서 검출된 것이다.
본 발명은 하기에서 도면들을 참조로 더 자세히 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 입자 센서의 센서 엘리먼트의 분해도 및 확대된 종단면도들이고,
도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 도 1의 센서 엘리먼트의 변형예들이고,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예이고,
도 4 내지 도 6은 특히 본 발명에 따른 센서 엘리먼트의 제조 실시예들이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 도 1의 센서 엘리먼트의 변형예들이고,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예이고,
도 4 내지 도 6은 특히 본 발명에 따른 센서 엘리먼트의 제조 실시예들이다.
도 1a에는 입자 센서의 세라믹 센서 엘리먼트(10)의 기본 구조가 분해도로 도시된다. 세라믹 센서 엘리먼트(10)는 센서 엘리먼트(10)를 둘러싸는 가스 혼합물 내의 예컨대 카본 블랙 농도와 같은 입자 농도를 결정하기 위해 사용된다. 센서 엘리먼트(10)는 예컨대 다수의 산소 이온 전도성 고체 전해질 층들(11a, 11b 및 11c)을 포함한다. 고체 전해질 층들(11a 및 11c)은 세라믹 필름들로서 구현되고 평평한 세라믹 바디를 형성한다. 이들은 예컨대 Y2O3 또는 Ce 또는 Sc로 안정화되거나 또는 부분적으로 안정화된 ZrO2와 같은 산소 이온 전도성 고체 전해질 물질로 이루어진다.
이와 달리 고체 전해질 층(11b)은 페이스트 세라믹 물질의 스크린 인쇄에 의해 예컨대 고체 전해칠 층(11a) 상에 생성된다. 페이스트 물질의 세라믹 성분들로서는 고체 전해질 층들(11a, 11c)을 구성하는 것과 동일한 고체 전해질 물질이 바람직하게 사용된다.
또한 센서 엘리먼트는 예컨대 다수의 전기 절연 세라믹 층들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e 및 12f)을 포함한다. 층들(12a-12f)도 페이스트 세라믹 물질의 스크린 인쇄에 의해 예컨대 고체 전해질 층들(11a, 11, 11c) 상에 생성된다. 페이스트 물질의 세라믹 성분들로서는 예컨대 산화알루미늄이 사용되는데, 그 이유는 산화알루미늄이 장기간에 걸쳐 온도 변동의 부하를 받을 때도 대체로 일정하게 높은 전기 저항을 가지기 때문이다.
센서 엘리먼트(10)의 평평한 세라믹 바디의 집적된 형태는 고체 전해질 층(11b) 및 기능 층들 그리고 층들(12a-12f)로 인쇄된 세라믹 필름들의 통합 적층 및 적층된 구조의 후속하는 소결에 의해 공지된 방식으로 제조된다.
센서 엘리먼트(10)는 또한 세라믹 가열 엘리먼트(40)를 포함하고, 상기 가열 엘리먼트는 전기 저항 도체 트랙의 형태로 구현되고 센서 엘리먼트(10)를 특히 측정될 가스 혼합물의 온도로 가열하기 위해 또는 센서 엘리먼트(10)의 대부분의 면 상에 침착된 카본 블랙 입자들을 연소시키기 위해 사용된다. 저항 도체 트랙은 바람직하게는 서멧 물질로부터 구현되고, 바람직하게는 백금 또는 예컨대 산화 알루미늄과 같은 세라믹 성분을 가진 백금 금속의 혼합물로서 구현된다. 저항 도체 트랙은 또한 바람직하게는 곡류(meander)의 형태로 형성될 수 있고 2개의 단부 상에 쓰루 홀들(42, 44) 및 전기 연결부들(46, 48)을 포함한다. 저항 도체 트랙의 연결부들(46, 48)에 상응하는 가열 전압의 인가에 의해, 가열 엘리먼트(40)의 발열량이 조절될 수 있다.
센서 엘리먼트(10)의 대부분의 면 상에 예컨대 2개의 측정 전극들(14, 16)이 도포되고, 상기 2개의 측정 전극들은 바람직하게는 서로 맞물린 인터디지털 전극들로서 형성된다. 인터디지털 전극들을 측정 전극들(14, 16)로서 사용함으로써 바람직하게는 측정 전극들(14, 16) 사이에 놓인 표면 물질의 전기 저항 또는 전기 전도성의 특히 정확한 결정이 달성된다. 측정 전극들(14, 16)을 접촉시키기 위해 가스 혼합물로부터 먼 센서 엘리먼트의 단부의 영역 내에 접촉 면들(18, 20)이 제공된다. 전극들(14, 16)의 공급 영역들은 바람직하게는 다른 전기 절연 세라믹 층(12f)에 의해 센서 엘리먼트(10)를 둘러싸는 가스 혼합물의 영향에 대해 차폐된다.
측정 전극들(14, 16)이 제공된 센서 엘리먼트(10)의 대부분의 면 상에, 명확히 나타낼 목적으로 도시되지 않은 다공성 층이 추가로 제공될 수 있고, 상기 층은 측정 전극들(14, 16)을 서로 맞물린 영역에서 측정될 가스 혼합물과 직접 접촉에 대해 차폐한다. 다공성 층의 층 두께는 바람직하게는 측정 전극들(14, 16)의 층 두께보다 더 크다. 다공성 층은 바람직하게는 열린 다공으로 구현되고, 다공 크기는 가스 혼합물 내의 측정될 입자들이 다공성 층의 다공들 내로 확산될 수 있도록 선택된다. 다공성 층의 다공 크기는 바람직하게는 2 내지 10㎛의 범위 내에 있다. 다공성 층은 바람직하게는 층(12a)의 재료와 유사하거나 상기 재료에 상응하고 스크린 인쇄에 의해 제조될 수 있는 세라믹 물질로부터 구현된다. 다공성 층의 다공도는 다공 형성제를 스크린 인쇄 페이스트에 첨가함으로써 상응하게 조절될 수 있다.
센서 엘리먼트(10)의 작동 동안 측정 전극들(14, 16)에 전압이 인가된다. 측정 전극들(14, 16)이 전기 절연 층(12a)의 표면 상에 배치되기 때문에 처음에는 측정 전극들(14, 16) 사이의 전류 흐름이 실질적으로 발생하지 않는다.
센서 엘리먼트(10) 주위를 흐르는 가스 혼합물이 입자들, 특히 카본 블랙을 포함하면, 이들은 센서 엘리먼트(10)의 표면 상에 침착된다. 다공성 층의 열린 다공 구조에 의해 입자들은 다공성 층을 통해 측정 전극들(14, 16)의 완전 가까이에까지 확산된다. 카본 블랙이 특정 전기 전도성을 갖기 때문에, 센서 엘리먼트(10) 또는 다공성 층의 표면이 카본 블랙으로 충분히 채워지면 측정 전극들(14, 16) 사이의 전류 흐름이 증가하고, 전류 흐름 증가는 채워지는 정도와 상관 관계를 갖는다.
측정 전극들(14, 16)에 전압이 인가되고 측정 전극들(14, 16) 사이에 나타나는 전류가 검출되면, 침착된 입자 질량이 추정될 수 있다. 이러한 측정 방법에 의해 측정 전극들(14, 16) 사이에 있는 세라믹 물질의 전기 전도성에 영향을 주는 가스 혼합물 내의 모든 입자들의 농도가 검출된다.
도 1b에는 도 1a의 센서 엘리먼트(10)의 말단 단부 섹션의 상부 면들이 종단면도로 확대되어 도시된다. 이로부터, 종래기술에 공지된 센서 엘리먼트(10)의 경우 고체 전해질 층(11a) 상에 전기 절연 세라믹 층(12a)이 배치되고 상기 전기 절연 세라믹 층 상에 측정 전극들(14, 16)이 배치되는 것을 알 수 있다. 측정 전극들(14, 16)은 전기 절연 세라믹 층(12a) 상에 놓인다. 즉, 측정 전극들은 그들의 베이스 면들(14a, 16b)로만 접촉하고, 그들의 측면들(14b, 16b), 및 전기 절연 세라믹 층(12a)으로부터 먼 그들의 표면들(14c, 16c)은 전기 절연 세라믹 층(12a)과 접촉하지 않는다(도 1a에 센서 엘리먼트(10)의 말단 단부 섹션의 상부 면들이 더 확대되어 도시되는 도 1c 참조).
하기에는 본 발명에 따른 센서 엘리먼트(10)의 제 1 실시예가 제시된다. 도 2a 및 도 2b는 도 1에 비해 변형된 센서 엘리먼트(10)의 말단 단부 섹션의 구조를 개략적으로 도시한다. 상기 센서 엘리먼트(10)의 경우, 이트륨, 세륨 또는 스칸듐으로 안정화된 산화지르코늄(YSZ)으로 이루어진 고체 전해질 층(11a) 상에 산화알루미늄으로 이루어진 전기 절연 세라믹 층(12a)이 배치된다. 고체 전해질 층(11a) 및 전기 절연 세라믹 층(12a)은 센서 엘리먼트(10)의 베이스 바디(50)를 함께 형성한다. 베이스 바디의 표면(51)은 전기 절연 세라믹 층(12a)에 의해 형성된다. 센서 엘리먼트(10)는 2개의 측정 전극들(14, 16)을 포함하고, 상기 측정 전극들은 예컨대 주로 백금으로 이루어지고, 즉 전기 전도성이고, 가이드 구조(52)를 함께 형성한다. 측정 전극들(14, 16)은 센서 엘리먼트(10)의 표면(51)에 대해 수직으로, 즉 도 2에서 수직으로, 예컨대 15㎛인 높이(H)를 갖는다. 측정 전극들(14, 16)은 센서 엘리먼트(10)의 표면(51)에 대해 평행하게, 즉 도 2에서 좌측에서부터 우측으로, 예컨대 100㎛인 폭(B)을 갖는다.
측정 전극들(14, 16)은 베이스 바디(50)의 표면(51)에 대해 수직인 방향으로 부분적으로 베이스 바디(50) 내에, 여기서는 부분적으로 전기 절연 층(12a) 내로 매립되므로, 베이스 바디와, 즉 전기 절연 층(12a)과 맞물린다. 측정 전극들(14, 16)의 베이스 면들(14a, 16a)은 베이스 바디(50)와 접촉하나 측정 전극들(14, 16)의 측면(14b, 16b)은 부분적으로 (여기에서는 절반) 베이스 바디(50) 내로 수용되고 부분적으로 (여기에서는 절반) 베이스 바디(50)로부터 돌출된다. 세라믹 베이스 바디(50)로부터 먼 측정 전극들(14, 16)의 표면들(14c, 16c)은 베이스 바디(50)와 접촉하지 않는다.
측정 전극들(14, 16)이 제공된 센서 엘리먼트(10)의 대부분의 면 상에, 명확히 나타낼 목적으로 도시되지 않은 전기 비전도성, 다공성 층이 추가로 제공될 수 있고, 상기 층은 측정 전극들(14, 16)을 서로 맞물린 영역에서 측정될 가스 혼합물과의 직접 접촉에 대해 차폐한다. 다공성 층의 층 두께는 바람직하게는 측정 전극들(14, 16)의 층 두께보다 더 크다. 다공성 층은 바람직하게는 열린 다공으로 구현되고, 다공 크기는 가스 혼합물 내의 측정될 입자들이 다공성 층의 다공들 내로 확산될 수 있도록 선택된다. 다공성 층의 다공 크기는 바람직하게는 2 내지 10㎛의 범위에 있다.
가이드 구조(52)는 전술했듯이 인터디지털 전극들로서 형성된 입자 센서의 측정 전극들(14, 16)일 수 있다. 대안으로서, 가이드 구조(52)는 온도 측정 센서 및/또는 전기 히터의 저항 트랙일 수도 있다. 물론 가이드 구조(52)가 센서 엘리먼트(10)에 포함된 임의의 다른 도체 트랙일 수도 있다.
제 1 실시예의 제 1 변형에서 고체 전해질 층(11a) 대신 다른 물질, 예컨대 다결정 실리콘 또는 산화알루미늄 또는 포스테라이트 또는 코디에라이트로 이루어진 층(11a')이 사용된다.
제 1 실시예의 제 2 변형에서 (도 2c 참조) 고체 전해질 층(11a) 대신 다른 물질, 산화알루미늄 또는 포스테라이트 또는 코디에라이트와 같은 예컨대 전기 절연 물질로 이루어진 층(11a')도 사용된다. 또한 전기 절연 세라믹 층(12a)이 생략된다. 이로써 가이드 구조(52)는 물질, 산화알루미늄 또는 포스테라이트 또는 코디에라이트와 같은 예컨대 전기 절연 물질로 이루어진 층(11'a)과 직접 맞물린다. 즉, 상기 층 내로 부분적으로 매립된다.
제 2 실시예는 전기 절연 세라믹 층(12a)이 2 개의 중첩 배치된 층들, 즉 제 2 부분 층(12a2), 및 상기 제 2 부분 층(12a2) 상에 배치된 제 1 부분 층(12a1)으로 이루어지는 점에서 1 실시예와 상이하다. 가이드 구조(52)는 제 1 부분 층(12a1) 내에만 매립된다. 제 2 실시예는 도 3에 도시된다.
제 1 부분 층(12a1)은 그 화학적 및 물리적 특성의 관점에서 제 2 부분 층(12a2)과 상이하다. 제 2 부분 층(12a2)은 제 1 부분 층(12a1)보다 더 높은 다공 함유량을 갖고, 예컨대 제 2 부분 층(12a2)은 5 내지 15 부피 퍼센트의 다공 함유량을 갖고, 제 1 부분 층(12a1)은 2 내지 8 부피 퍼센트의 다공 함유량을 갖는다. 제 2 부분 층(12a2)의 다공 함유량은 제 1 부분 층(12a1)의 다공 함유량보다 예컨대 대략 2 배 높을 수 있다.
또한 제 2 부분 층(12a2)은 이트륨으로 안정화된 산화지르코늄(YSZ)의 함량을 예컨대 2 내지 10 중량 퍼센트로 갖고, 이는 제 1 부분 층(12a1)이 경우에 따라 가지는 이트륨 또는 Ce 또는 Sc로 안정화된 이산화지르코늄(YSZ)의 함량보다 더 크다. 제 1 부분 층(12a1)은 바람직하게는 순수 산화알루미늄으로 이루어진다.
또한, 제 2 부분 층(12a2) 내에 함유된 산화지르코늄은 1㎛보다 작은 입자 크기(d50)를 갖고, 이는 제 1 부분 층(12a1) 내에 선택적으로 함유되는 산화지르코늄의 입자 크기(d50)보다 작다.
또한, 제 2 부분 층(12a2) 내에 함유된 산화알루미늄은 α-산화알루미늄이다.
제 2 부분 층(12a2) 내에 함유된 산화알루미늄은 비교적 큰 입자 크기를 갖는다. 따라서, 제 2 부분 층(12a2) 내에 함유된 산화알루미늄의 2 내지 5 중량 퍼센트는 3㎛보다 큰 입자 크기(d50)를 가질 수 있다. 그러나, 제 1 부분 층(12a1) 내에서 이러한 거친 입자의 산화알루미늄의 함량, 특히 3㎛보다 큰 산화알루미늄 입자의 함량은 더 낮다.
실시예들에 도시된 가이드 구조들(52)은 센서 엘리먼트(10)의 다른 전기 전도성 구조 엘리먼트들, 예컨대 히터 및/또는 온도 측정 장치들에 비해 고절연성이다. 즉, 가이드 구조들(52)과 다른 전기 전도성 구조 엘리먼트들 사이에 형성된 전기 저항은 25℃에서 최소 1 메가옴 및/또는 850℃에서 최소 10 킬로옴이다.
하기에는 센서 엘리먼트(10)가 본 발명에 따라 어떻게 제조될 수 있는지가 예시적으로 제시된다.
도 4에 도시되듯이, 제 1 실시예에서는 제 1 단계(201)에서, 소결되지 않은 세라믹 필름(111a), 예컨대 산화알루미늄 세라믹 필름 또는 코디에라이트 또는 포스테라이트 또는 다결정 실리콘을 함유하는 필름으로 이루어진 예비 베이스 바디(150)가 제공된다.
제 2 단계(202)에서, 소결되지 않은 세라믹 필름(111a)이 스크린 인쇄 공정에 의해 2개의 예비 측정 전극들(114, 116)로 이루어진 예비 가이드 구조(152)로 인쇄된다. 예비 가이드 구조(152)는 백금 함유 스크린 인쇄 페이스트의 형태로 도포된다. 백금 함유 스크린 인쇄 페이스트는 비교적 높은 점도를 갖고, 인쇄시 소결되지 않은 세라믹 필름(111a) 내로 부분적으로, 예컨대 절반이 압입되는 높은 압력으로 인쇄된다.
인쇄 중에 직접 압입시키는 것에 대한 대안으로서, 압입이 시간상 인쇄에 후속하여, 예컨대 별도 압입 장치에 의해 이루어질 수 있다. 시간상 인쇄 이전에 세라믹 필름(111a) 내에 구조들, 바람직하게는 마이크로 구조들을 생성시키고 예비 가이드 구조(152)를 상기 구조들 내로 압입하는 것도 가능하다.
제 3 단계(203)에서 예비 가이드 구조(152) 및 예비 베이스 바디(150)가 완성된 센서 엘리먼트(10)로 변형되는 소결을 실시한다. 소결은 예컨대 1200℃ 이상에서 수 시간동안 이루어질 수 있다.
도 4의 우측 부분에는, 완성된 센서 엘리먼트(10) 중 말단 (배기가스를 향하는) 단부 섹션의 상부 층들, 즉 절연 물질, 예컨대 산화알루미늄 또는 포스테라이트 또는 코디에라이트로 이루어진 층(11a), 및 함께 가이드 구조(52)를 형성하는 측정 전극들(14, 16)만이 도시된다.
제 2 실시예에서(도 5 참조) 제 1 단계(201)의 제 1 부분 단계(201a)로서, 예컨대 산화알루미늄 또는 포스테라이트 또는 코디에라이트로 이루어지거나, 또는 고체 전해질 물질, 예컨대 이트륨으로 안정화된 이산화지르코늄(YSZ)으로 이루어지거나, 또는 다결정 실리콘으로 이루어진 소결되지 않은 세라믹 필름(111a)이 제공된다.
제 1 단계(201)의 제 2 부분 단계(201b)에서 소결되지 않은 세라믹 필름(111a)이 절연 페이스트(112a)로 예컨대 스크린 인쇄 방법에 의해 전체 면에 인쇄된다. 절연 페이스트(112a)는 예컨대 산화알루미늄 분말을 포함하고, 바인더 및 용매, 예컨대 폴리비닐부티랄 및 부틸카비톨의 첨가에 의해 취급 가능하게 된다.
제 2 단계(202)는 제 1 실시 예에서처럼 예비 가이드 구조(152)가 절연 페이스트(112a) 상으로 인쇄되고 상기 페이스트 내로 압입되도록 이루어진다. 이를 위해 예비 가이드 구조(152), 여기에서는 백금 함유 스크린 인쇄 페이스트가 절연 페이스트(112a)보다 높은 점도를 갖는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 예컨대 절연 페이스트(112a)의 점도는 30 내지 100 Pas의 범위에 놓일 수 있고, 예비 가이드 구조(152)의 점도는 100 내지 600 Pas의 범위에 놓일 수 있다.
제 3 단계(203)에서 전술했듯이 최종 소결이 실시된다.
도 6에 도시된 제 3 실시예는 제 1 단계(210)의 제 2 부분 단계(201b)에서 제 2 실시예의 변형으로, 2 개의 절연 페이스트들(112a2, 112a1)을 소결되지 않은 세라믹 필름(111a) 상에 연속적으로 그리고 중첩되게 도포하는 것을 제시한다.
우선, 제 2 절연 페이스트(112a2)를 소결되지 않은 세라믹 필름(111a) 상으로 인쇄한다. 그 후 제 1 절연 페이스트(112a1)를 제 2 절연 페이스트(112a2) 상으로 인쇄한다. 제 1 절연 페이스트(112a1) 및 제 2 절연 페이스트(112a2)는 그들의 조성 및 그 물리학적 및 화학적 특성의 관점에서 동일할 수 있으나, 이 실시예에서는 아래와 같이 서로 상이하다:
제 2 절연 페이스트(112a2)는 제 1 절연 페이스트(112a1)보다 더 낮은 함량의 세라믹 분말(여기에서는 산화알루미늄)을 함유한다. 따라서 제 2 절연 페이스트(112a2)는 제 1 절연 페이스트(112a1)보다 더 높은 함량의 바인더(여기에서는 폴리비닐부티랄) 및 용매(여기에서는 부틸카비톨)를 함유한다. 제 2 절연 페이스트(112a2)의 점도는 제 1 절연 페이스트(112a1)의 점도보다 더 높다.
이 실시예에서 제 1 절연 페이스트(112a1) 및 제 2 절연 페이스트(112a2)가 도포되는 층 두께들이 동일하다. 상기 2개의 절연 페이스트들(112a1, 112a2)의 탄젠트 델타 값도 이 실시예에서 동일하다.
제 2 절연 페이스트(112a2)는 30 내지 80 중량 퍼센트가 세라믹 분말(여기에서는 산화알루미늄)로 이루어진다. 그 점도는 30 내지 100 Pas이다. 그 탄젠트 델타 값은 1.2 내지 100 이다. 상기 제 2 절연 페이스트는 8 내지 25㎛의 두께로 도포된다.
제 1 절연 페이스트(112a1)는 50 내지 80 중량 퍼센트가 세라믹 분말(여기에서는 산화알루미늄)으로 이루어진다. 그 점도는 10 내지 60 Pas이다. 그 탄젠트 델타 값은 1.2 내지 100 이다. 상기 제 1 절연 페이스트는 8 내지 25㎛의 두께로 도포된다.
센서 엘리먼트(10)의 제 2 절연 층(11a2)은 제 1 절연 층(11a1) 및 가이드 구조(52)의 부착을 개선하는 접착층의 기능을 갖는다. 이를 위해 제 2 절연 페이스트(112a2)에, 이트륨 또는 세륨 또는 스칸듐으로 안정화된 2 내지 10 중량 퍼센트의 미세한(1㎛ 미만의 d50) 산화지르코늄이 소결 활성 접착 촉진제로서 혼합된다. 또한 이를 위해 제 2 절연 페이스트(112a2)에 2 내지 5 중량 퍼센트의 거친 입자의(3㎛보다 큰 d50) α-산화알루미늄이 혼합된다.
제 2 단계(202)는 제 2 실시예에서와 같이 예비 가이드 구조(152)가 제 1 절연 페이스트(112a1) 상으로 인쇄되고 상기 절연 페이스트 내로 압입되도록 이루어진다. 이를 위해, 예비 가이드 구조(152), 여기에서는 백금 함유 스크린 인쇄 페이스트가 제 1 절연 페이스트(112a1)보다 더 높은 점도를 갖는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 예컨대 예비 가이드 구조(152)의 점도는 100 내지 600 Pas의 범위에 있다. 귀금속(여기에서는 백금)에 대한 백금 함유 스크린 인쇄 페이스트의 함량은 60 내지 90 중량 퍼센트이다. 백금 함유 스크린 인쇄 페이스트에 바인더로서 에틸셀룰로스 및 용매로서 테르피네올이 첨가된다. 백금 함유 스크린 인쇄 페이스트의 탄젠트 델타 값은 0.7 내지 1.3 이고 제 1 절연 페이스트(112a1)의 탄젠트 델타 값보다 작다. 백금 함유 스크린 인쇄 페이스트는 5 내지 15㎛의 두께로 도포된다.
제 3 단계(203)에서 최종 소결이 전술했듯이 실시된다.
독일 특허 출원 DE 10 2015 206 995 A1에 상세히 기술되어 있듯이, 실시예들에 기술된 센서 엘리먼트들로 출원인은 견고성 조사를 실시했다. 종래의 센서 엘리먼트들(도 1 참조)이 높은 비율로 손상되었던 방식으로 테스트들이 실시되었고, 특히 이러한 방식으로 테스트들의 파라미터들이 선택되었다. 특히 이 경우 센서 엘리먼트(10)의 베이스 바디(50)로부터 가이드 구조(52)의 분리가 나타났다.
이와 달리, 본 발명에 따른 센서 엘리먼트들(10)에 의해, 본 발명에 따른 센서 엘리먼트들(10)의 손상 없이 동일한 테스트들이 수차례 연속적으로 실시될 수 있었다.
Claims (14)
- 배기가스 센서용 센서 엘리먼트로서, 세라믹 베이스 바디(50)를 포함하고, 상기 베이스 바디의 표면(51)이 전기 절연성인 적어도 하나의 표면 영역을 포함하며, 상기 센서 엘리먼트(10)가 상기 베이스 바디(50)의 표면 영역을 따라 편평하게 형성된, 전기 전도성인 적어도 하나의 가이드 구조(52)를 포함하는, 상기 센서 엘리먼트에 있어서,
상기 가이드 구조(52)가 상기 표면에 대해 수직인 방향으로 부분적으로 상기 베이스 바디(50) 내에 매립되는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트. - 제 1 항에 있어서, 상기 가이드 구조(52)는 상기 표면에 대해 수직인 방향으로 10% 내지 90%가 상기 베이스 바디(50) 내에 매립되는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 표면 영역이 전체적으로 산화알루미늄으로 이루어지거나 또는 전체적으로 주로 산화알루미늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면 영역이 전기 절연 층(12a)에 의해 형성되고, 상기 베이스 바디(50)는 고체 전해질 물질, 예컨대 이트륨으로 안정화된 이산화지르코늄(YSZ)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트.
- 제 4 항에 있어서, 상기 전기 절연 층(12a)이 제 2 부분 층(12a2), 및 상기 제 2 부분 층(12a2) 상에 배치된 제 1 부분 층(12a1)으로 이루어지고 상기 제 1 부분 층(12a1)은 상기 제 2 부분 층(12a2)보다 적은 다공 함유량을 가지는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가이드 구조(52)가 상기 표면(51)에 대해 국부적으로 수직인 방향으로 15㎛보다 크지 않는 높이(H)를 갖거나 및/또는 상기 표면(51)에 대해 국부적으로 평행한 방향으로 100㎛보다 크지 않는 폭(B)을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기가스 센서가 입자 센서이고, 상기 가이드 구조(52)가 적어도 하나의 인터디지털 전극(14, 16) 및/또는 온도 측정 센서의 저항 트랙인 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 센서 엘리먼트의 제조 방법에 있어서,
- 소결되지 않은 세라믹 예비 베이스 바디(150)를 제공하는 단계,
- 귀금속 함유 예비 가이드 구조(152)가 부분적으로 상기 세라믹 예비 베이스 바디(150) 내로 삽입되도록, 상기 세라믹 예비 베이스 바디(150) 상에 상기 예비 가이드 구조(152)를 도포하는 단계, 및
- 상기 세라믹 예비 베이스 바디(150) 및 상기 귀금속 함유 예비 가이드 구조(152)를 소결하여 상기 센서 엘리먼트(10)로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트의 제조 방법. - 제 8 항에 있어서, 상기 예비 가이드 구조(152)의 높이(H)의 10% 내지 90%가 상기 예비 베이스 바디(150) 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트의 제조 방법.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 소결되지 않은 세라믹 예비 베이스 바디(150)를 제공하는 단계가
- 적어도 하나의 소결되지 않은 세라믹 필름(111a)을 제공하는 단계 및
- 상기 세라믹 필름(111a) 상에 적어도 하나의 절연 페이스트(112a)를 편평하게 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서, 상기 세라믹 필름(111a) 상에 적어도 하나의 절연 페이스트(112a)를 편평하게 도포하는 단계는
- 상기 세라믹 필름(111a) 상에 제 2 절연 페이스트(112a2)를 편평하게 도포하는 단계 및
- 후속해서, 제 1 절연 페이스트(112a1)가 상기 제 2 절연 페이스트(112a2) 상에 도포되도록 상기 제 1 절연 페이스트(112a1)를 도포하는 단계로서, 상기 제 1 절연 페이스트(112a1)가 상기 제 2 절연 페이스트(112a2)보다 더 낮은 점도 및/또는 더 높은 고체 함량을 갖는, 상기 제 1 절연 페이스트(112a1)를 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 절연 페이스트(112a2)는 상기 제 1 절연 페이스트(112a1)보다 더 높은 함량의 미세한 산화지르코늄 및/또는 더 높은 함량의 거친 입자의 산화알루미늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트의 제조 방법.
- 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 귀금속 함유 예비 가이드 구조(152)의 도포가 귀금속 함유 페이스트의 인쇄에 의해 이루어지고, 상기 귀금속 함유 페이스트가 상기 예비 베이스 바디(150)보다 더 높은 점도를, 상기 귀금속 함유 페이스트가 도포되는 영역에서 갖는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트의 제조 방법.
- 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결이 1200℃ 이상에서 및/또는 한 시간보다 오래 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 엘리먼트의 제조 방법.
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