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DE10129258A1 - Vielschichtiger Gasmessfühler, verwendbar in einem Abgassystem einer internen Verbrennungsmaschine, und dessen Herstellungsverfahren - Google Patents

Vielschichtiger Gasmessfühler, verwendbar in einem Abgassystem einer internen Verbrennungsmaschine, und dessen Herstellungsverfahren

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Publication number
DE10129258A1
DE10129258A1 DE10129258A DE10129258A DE10129258A1 DE 10129258 A1 DE10129258 A1 DE 10129258A1 DE 10129258 A DE10129258 A DE 10129258A DE 10129258 A DE10129258 A DE 10129258A DE 10129258 A1 DE10129258 A1 DE 10129258A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sheet
series
alumina
gas sensor
solid electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10129258A
Other languages
English (en)
Inventor
Tomio Sugiyama
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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 Denso Corp filed Critical Denso Corp
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Eine Bindungsgrenze (100) liegt zwischen einem festen Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserien und einem Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserien. Die Bindungsgrenze (100) schließt wenigstens teilweise eine Kristallphase (101) ein, die SiO¶2¶ enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen vielschichtigen Gasmessfühler, welcher bei der Steuerung des Luft-Treibstoffverhältnisses einer internen Verbrennungsmaschine eines Automobils verwendet wird.
Die Gasmessfühler, die in Luft-Treibstoffsensoren eingebaut sind, müssen sich schnell aufwärmen, um die Aktivierungszeit zu verkürzen und um kompakt zu sein, so dass die Luft-Treibstoffsensoren an verschiedenen Teilabschnitten eingebaut werden können.
In letzter Zeit haben die Anmelder die vielschichtigen Gasmessfühler verwendet. Gemäß derartigen vielschichtigen Gasmessfühlern werden ein Gaskonzentrationsmessteilabschnitt und ein Heizgerät als eine Einheit gebildet.
Diese Arten von vielschichtigen Gasmessfühlern werden hergestellt, indem folgendes laminiert wird:
ein Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie, auf welchen ein elektrisches wärmeerzeugendes Element angeordnet ist,
ein Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie mit einer darin definierten Referenzgaskammer und
ein festes Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie mit Sauerstoffionenleitfähigkeit,
welche als ein integrierter Körper gesintert werden (Verweis auf die nichtgeprüfte, veröffentlichte Japanische Patentanmeldung Nr. 61-172054 oder die nichtgeprüfte, veröffentlichte Japanische Patentanmeldung Nr. 8-114571).
Im allgemeinen besitzen jedoch die herkömmlichen vielschichtigen Gasmessfühler wegen den unterschiedlichen Eigenschaften zwischen zwei zu verbindenden Blättern eine unzureichende Festigkeit bzw. Zähigkeit an der Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie. Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der herkömmlichen vielschichtigen Gasmessfühler sind nicht zufriedenstellend.
Gemäß dem in der ungeprüften, veröffentlichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 61-172054 offenbarten vielschichtigen Gasmessfühler wird eine spannungsabbauende Schicht zur Verfügung gestellt. Diese spannungsabbauende Schicht enthält Aluminiumoxid mit Zusatz von 25 bis 50 Gew.-% Zirkoniumoxid, so dass eine Schicht der Aluminiumoxidserie und eine Schicht der Zirkoniumoxidserie über diese spannungsabbauende Schicht während eines Sinterungsverfahrens diffusionsverbunden werden können.
Wenn an ein in diesem Gasmessfühler eingebautes wärmeerzeugendes Element elektrische Spannung angelegt wird, steigt jedoch die Temperatur des Gasmessfühlers auf ein höheres Niveau. Die spannungsabbauende Schicht kann aufgrund des in dieser Schicht mit verminderten Gehalt enthaltenem Zirkoniumoxid teilweise schwarz werden. Der Gasmessfühler wird zerbrechlich und wird möglicherweise Risse verursachen.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler, der in der ungeprüften, veröffentlichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 8-114571 offenbart ist, wird keine spannungsabbauende Schicht bereitgestellt. Eine Schicht der Aluminiumoxidserie und eine Schicht der Zirkoniumoxidserie werden direkt durch Diffusionsbinden verbunden. Diese Bindung ist nicht perfekt. Die Zuverlässigkeit der Bindungsgrenze ist unzureichend.
Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vielschichtigen Gasmessfühler bereitzustellen, welcher eine ausreichende Bindungsfestigkeit an der Bindungsgrenze zwischen einem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und einem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie sicherstellt. Darüberhinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein diesbezügliches Verfahren zur Herstellung dieser Art von vielschichtigen Gasmessfühlern bereitzustellen.
Um die vorstehenden Aufgaben zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen vielschichtigen Gasmessfühler bereit, der laminierte Schichten umfasst, die folgendes umfassen:
ein festes Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und
ein Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie,
eine Bindungsgrenze, die zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie liegt, und
die Bindungsgrenze beinhaltet wenigstens teilweise eine Kristallphase, die Siliziumdioxid (SiO2) enthält.
Der vielschichtige Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallphase, die SiO2 enthält, wenigstens teilweise in der Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie eingeschlossen ist.
Wenn die Kristallphase 100 Gew.-% beträgt, beträgt die Menge an SiO2 vorzugsweise gleich oder mehr als 10 Gew.-%.
Der vielschichtige Gasmessfühler dieser Erfindung funktioniert auf die folgende Weise.
Die SiO2 enthaltende Kristallphase tritt zwischen das feste Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und das Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie. Die Kristallphase verursacht eine Eigenreaktion oder wechselwirkt mit anderen Komponenten während des Sinterungsverfahrens des vielschichtigen Gasmessfühlers. Die Kristallphase wird verflüssigt. Daher tritt der Materialtransfer zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie über die verflüssigte Phase während des Sinterungsverfahrens auf.
Demzufolge gewährleistet die vorliegende Erfindung einen vielschichtigen Gasmessfühler, welcher eine ausreichende Bindung zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie sicherstellen kann.
Während SiO2 zur Bindungsfestigkeit der Kristallphase beiträgt, verschlechtert die SiO2 enthaltende Kristallphase darüber hinaus nicht die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie. Es wird keine Schwarzfärbung oder Wanderung verursacht, sogar wenn die Kristallphase durch das in dem vielschichtigen Gasmessfühler eingebaute Heizgerät erwärmt wird. Demzufolge funktioniert der vielschichtige Gasmessfühler ordentlich.
Daher stellt die vorliegende Erfindung einen vielschichtigen Gasmessfühler mit herausragender Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie bereit.
Der vielschichtige Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Arten von Gaskonzentrationsensoren verwendet werden, wie etwa einem Sauerstoffsensor, einem Luft-Treibstoffverhältnissensor, einem NOx-Sensor, einem HC-Sensor, einem CO-Sensor.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung, enthält die SiO2 enthaltende Kristallphase vorzugsweise wenigstens eine Komponente, die aus der aus Calciumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO), Bariumoxid (BaO) und Strontiumoxid (SrO) bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die aus der aus CaO, MgO, BaO und SrO bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente wechselwirkt mit SiO2, um so die Verflüssigung der Kristallphase während dem Sinterungsverfahren zu fördern. Der Materialtransfer an der Bindungsgrenze schreitet so gleichmäßig fort, dass eine zuverlässige Bindung zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie sichergestellt werden kann.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie wellenförmig ist.
Diese Anordnung gewährleistet einen Ankereffekt, welcher eine zuverlässige Bindung zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie sicherstellt.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass ein Kristallgitter des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie an ein Kristallgitter der Isolierungsschicht der Aluminiumoxidserie an der Bindungsgrenze gebunden ist.
Diese Anordnung verstärkt die Bindungskraft zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie gleich oder weniger als 2 × 10-6 beträgt.
Dies ist zur Verminderung der Spannung effektiv, die zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie aufgrund der Differenz der thermischen Ausdehnung wirkt, wodurch eine thermisch haltbare Bindungsstruktur verwirklicht wird. Es muss nicht besonders betont werden, dass es insbesondere bevorzugt ist, dass keine Differenz in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie besteht.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass eine Differenz eines Sinterkontraktionskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie gleich oder weniger als 3% beträgt.
Bei dieser Anordnung wird es möglich, eine Beschädigung des vielschichtigen Gasmessfühlers während des Sinterverfahrens zu verhindern. Es muss nicht besonders betont werden, dass es insbesondere bevorzugt ist, dass keine Differenz in dem Sinterkontraktionskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie besteht.
Darüberhinaus stellt die vorliegende Erfindung ein erstes Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers bereit, das folgende Stufen umfasst:
Herstellen eines SiO2 und Aluminiumoxid (Al2O3) enthaltenden ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie zur Bildung eines festen Elektrolytblattes,
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie zur Bildung eines Isolierungsblattes,
Binden des ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie und des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, um einen nicht gebrannten laminierten Körper aufzubauen und
Sintern des ungebrannten laminierten Körpers.
Gemäß dem ersten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erscheint die verflüssigte Phase während des Sinterverfahrens in einem Bereich, in dem ein Zirkoniumoxidkorn und ein Aluminiumoxidkorn miteinander in Kontakt stehen. Die verflüssigte Phase enthält hauptsächlich SiO2, welches in dieser verflüssigten Phase aus dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie während dem Sinterverfahren der laminierten ungesinterten Blätter geschmolzen wurde.
Dies ist effektiv, um den Materialtransfer in die Bindungsgrenze während des Sinterverfahrens zu fördern. Die die verflüssigte Phase aufbauenden Komponenten können als ein Binder funktionieren, da sie sich selbst bei einem dem Sinterverfahren nachfolgenden Abkühlungsprozess härten. Daher ermöglicht das erste Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige und herausragende Bindungsstruktur für den vielschichtigen Gasmessfühler bereitzustellen.
Ein Al2O3-Korn, der in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie enthalten ist, ist gut an das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxid (d. h. Al2O3)-Serie gebunden. Die Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie ist adäquat wellenförmig. Die wellenförmige Bindungsgrenze besitzt den Ankereffekt, welcher eine zuverlässige Bindung zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie sicherstellt.
Daher besitzt der vielschichtige Gasmessfühler, der gemäß dem ersten Herstellungsverfahren hergestellt wurde, eine herausragende Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie.
Gemäß dem ersten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie folgendes beinhaltet: SiO2 mit 0,05 bis 4 Gew.-Teilen und Al2O3 mit 0,5 bis 4 Gew.-Teilen, wenn das Zirkoniumoxidmaterial 100 Gew.-Teile ausmacht, wobei die Summe aus SiO2 und Al2O3 nicht mehr als 4 Gew.-Teile beträgt.
Bei dieser Zusammensetzung wird es möglich die Bindungsfestigkeit weiter zu verstärken und die Bindefähigkeit zu verbessern.
Wenn das in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie enthaltende SiO2 weniger als 0,05 Gew.-Teile beträgt, wird die Bindefähigkeit verschlechtert. Wenn das SiO2 4 Gew.-Teile übersteigt, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie verschlechtert.
Wenn darüberhinaus das in dem ungesinterten Blatt der Zirkonoxid-Serie enthaltene Al2O3 weniger als 0,5 Gewichtsteile beträgt, wird die Bindefähigkeit verschlechtert. Wenn Al2O3 4 Gewichtsteile übersteigt, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Elektrolytblattes der Zirkonoxidserie verschlechtert.
Wenn darüberhinaus die Summe aus SiO2 und Al2O3 4 Gewichtsteile übersteigt, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkonoxid-Serie verschlechtert.
Darüberhinaus stellt die vorliegende Erfindung ein zweites Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers bereit, das folgende Stufen umfasst:
Bereitstellen eines ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie zur Bildung eines festen Elektrolytblattes,
Bereitstellen eines ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, das SiO2 enthält, zur Bildung eines Isolierungsblattes,
Binden des ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie und des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, um einen ungebrannten laminierten Körper aufzubauen, und
Sintern des ungebrannten laminierten Körpers.
Gemäß dem zweiten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erscheint die verflüssigte Phase während des Sinterverfahrens in einem Bereich, in dem ein Zirkoniumoxidkorn und ein Aluminiumoxidkorn miteinander in Kontakt stehen. Die verflüssigte Phase enthält hauptsächlich SiO2, welches in der verflüssigten Phase aus dem ungesinterten Blatt der Aluminiumoxidserie während dem Sinterverfahren der laminierten ungesinterten Blätter geschmolzen wurde.
Dies ist effektiv, um den Materialtransfer an der Bindungsgrenze während dem Sinterverfahren zu fördern. Die Komponenten, die die verflüssigte Phase aufbauen, können als Bindemittel funktionieren, da sie sich selbst bei einem dem Sinterverfahren nachfolgenden Abkühlungsprozess härten. Daher ermöglicht das zweite Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige und herausragende Bindungsstruktur für den vielschichtigen Gasmessfühler bereitzustellen.
Daher besitzt der vielschichtige Gasmessfühler, der gemäß dem zweiten Herstellungsverfahren hergestellt wurde, eine herausragende Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie.
Gemäß dem zweiten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxidserie folgendes enthält: SiO2 mit 0,05 bis 10 Gew.-Teilen, wenn das Aluminiumoxidmaterial 100 Gew.-Teile ausmacht.
Mit dieser Zusammensetzung wird es möglich die Bindungsfestigkeit weiter zu verstärken und die Bindefähigkeit zu verbessern.
Wenn das in dem ungesinterten Blatt der Aluminiumoxidserie enthaltene SiO2 weniger als 0,05 Gew.-Teile beträgt, wird die Bindefähigkeit verschlechtert. Wenn das SiO2 10 Gew.-Teile übersteigt, wird die Zähigkeit bzw. Festigkeit der gesinterten Materialien verschlechtert. Als ein Ergebnis wird die Festigkeit des Gasmessfühlers vermindert. Der Gasmessfühler kann Risse verursachen.
Darüberhinaus stellt die vorliegende Erfindung ein drittes Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers bereit, das folgende Stufen umfasst:
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie, das SiO2 und Al2O3 enthält, zur Bildung eines festen Elektrolytblattes,
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, das SiO2 enthält, zur Bildung eines Isolierungsblattes,
Binden des ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie und des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, um einen ungebrannten laminierten Körper aufzubauen und
Sintern des ungebrannten laminierten Körpers.
Gemäß dem dritten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erscheint die verflüssigte Phase während dem Sinterverfahren bei einem Bereich, in dem ein Zirkoniumoxidkorn und ein Aluminiumoxidkorn miteinander in Kontakt stehen. Die verflüssigte Phase besteht hauptsächlich aus SiO2, welches sowohl aus dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie als auch aus dem ungesinterten Blatt der Aluminiumoxidserie während dem Sinterverfahren der laminierten ungesinterten Blätter in die verflüssigte Phase geschmolzen ist.
Dies ist effektiv, um den Materialtransfer in die Bindungsgrenze während dem Sinterverfahren zu fördern. Die Komponenten, die die verflüssigte Phase aufbauen, können als Bindemittel funktionieren, da sie sich selbst bei einem dem Sinterverfahren nachfolgenden Abkühlungsprozess härten. Daher ermöglicht das dritte Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige und herausragende Bindungsstruktur für den vielschichtigen Gasmessfühler bereitzustellen.
Daher besitzt der vielschichtige Gasmessfühler, der gemäß dem dritten Herstellungsverfahren hergestellt wurde, eine herausragende Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie.
Gemäß dem dritten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie folgendes enthält: SiO2 mit 0,05 bis 4 Gew.-Teilen und Al2O3 mit 0,5 bis 4 Gew.-Teilen, wenn das Zirkoniumoxidmaterial 100 Gew.-Teile beträgt, bei einer Summe von SiO2 und Al2O3 von nicht mehr als 4 Gew.-Teilen.
Darüberhinaus ist es bevorzugt, dass das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxidserie folgendes enthält: SiO2 mit 0,05 bis 10 Gew.-Teilen, wenn das Aluminiumoxidmaterial 100 Gew.-Teile beträgt.
Bei dieser Zusammensetzung wird es möglich, die Bindungsfestigkeit weiter zu verstärken und die Bindefähigkeit zu verbessern.
Wenn das in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie enthaltene SiO2 weniger als 0,05 Gew.-Teile beträgt, wird die Bindefähigkeit verschlechtert. Wenn das SiO2 4 Gew.-Teile übersteigt, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie verschlechtert.
Wenn das in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie enthaltene Al2O3 weniger als 0,5 Gew.-Teile beträgt, wird darüber hinaus die Bindefähigkeit verschlechtert. Wenn das Al2O3 4 Gew.-Teile übersteigt, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie verschlechtert. Wenn die Summe von SiO2 und Al2O3 4 Gew.-Teile übersteigt, wird darüber hinaus die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie verschlechtert.
Wenn das in dem ungesinterten Blatt der Aluminiumoxidserie enthaltene SiO2 weniger als 0,05 Gew.-Teile beträgt, wird die Bindefähigkeit verschlechtert. Wenn das SiO2 10 Gew.-Teile übersteigt, wird die Festigkeit der gesinterten Materialien verschlechtert. Als eine Folge wird die Festigkeit des Gasmessfühlers vermindert. Der Gasmessfühler kann Risse verursachen.
In der vorliegenden Erfindung ist das Material der Zirkoniumoxidserie als ein Material definiert, das hauptsächlich ZrO2 zusammen mit verschiedenen Zusatzstoffen (Sinterhilfsmittel etc.) enthält. Das Zirkoniumoxid dient als ein festes Elektrolytelement mit Sauerstoffionenleitfähigkeit. Bindemittel und Lösungsmittel sind ausgeschlossen.
Das Material der Aluminiumoxidserie ist als ein Material definiert, das hauptsächlich Al2O3 zusammen mit verschiedenen Zusatzstoffen (Sinterhilfsmittel etc.) enthält. Bindemittel ist ausgeschlossen.
Das Material der Aluminiumoxidserie der vorliegenden Erfindung kann Aluminiumsilikat (Mullit: SiO2-Al2O3, etc.) oder Steatit einschließen.
Hinsichtlich der Herstellungsmethode des vielschichtigen Gasmessfühlers der folgenden Erfindung ist es möglich, eine SiO2 enthaltende Paste auf jedes ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie und ungesinterte Blatt der Aluminiumoxidserie aufzutragen oder zu beschichten. In diesem Fall werden zwei ungesinterte Blätter auf deren Oberflächen die Paste aufgetragen ist, aneinander gebunden, und dann zusammen gesintert.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung weiter ersichtlich, welche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist, in welchen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht ist, die einen vielschichtigen Gasmessfühler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die den in Fig. 1 gezeigten vielschichtigen Gasmessfühler zeigt;
Fig. 3A ist eine Ansicht, die eine Bindungsgrenze zeigt, die zwischen einem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und einem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie liegt, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Bereich A in Fig. 3A zeigt,
Fig. 3C ist eine vergrößerte Ansicht, die einen in Fig. 3A gezeigten Bereich B zeigt;
Fig. 4 ist eine Ansicht, die die Wellenform der Bindungsgrenze, die zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie liegt, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5A ist eine Ansicht, die ein in einem Zugfestigkeitstest gezeigtes Teststück zeigt, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5B ist eine Ansicht, die einen Zugfestigkeitstest gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, die einen anderen vielschichtigen Gasmessfühler gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die den in Fig. 6 gezeigten vielschichtigen Gasmessfühler zeigt;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die einen anderen vielschichtigen Gasmessfühler, in dem kein Heizgerät eingebaut ist, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die den in Fig. 8 gezeigten vielschichtigen Gasmessfühler zeigt;
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht, die einen anderen vielschichtigen Gasmessfühler zeigt, in dem kein Heizgerät eingebaut ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 11 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die den in Fig. 10 gezeigten vielschichtigen Gasmessfühler zeigt.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Verweis auf die angefügten Zeichnungen erläutert werden. Identische Teile werden mit den gleichen Bezugszeichen in allen Zeichnungen bezeichnet.
Ein vielschichtiger Gasmessfühler einer bevorzugten Ausführungsform wird mit Verweis auf Fig. 1 bis 5B erläutert werden.
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, umfasst ein vielschichtiger Gasmessfühler (1) der bevorzugten Ausführungsform ein festes Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie und ein Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserie.
Wie in Fig. 3A gezeigt, liegt eine Bindungsgrenze (100) zwischen dem festen Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserie. Die Bindungsgrenze (100) schließt wenigstens teilweise eine Kristallphase (101) ein, welche Siliziumdioxid (SiO2) enthält.
Der vielschichtige Gasmessfühler (1) der bevorzugten Ausführungsform ist in einem Gassensor eingebaut, welcher zum Beispiel in ein Abgassystem einer internen Verbrennungsmaschine eines Automobils eingebaut ist. Der Gassensor dient als ein Sensor für das Luft- Treibstoffverhältnis, das bei der Verbrennungssteuerung einer internen Verbrennungsmaschine verwendet wird.
Im einzelnen umfasst der vielschichtige Gasmessfühler (1), wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, laminierte Schichten des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie (nachstehend einfach als festes Elektrolytblatt bezeichnet) (11), das Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie (nachstehend einfach als Isolierungsblatt bezeichnet) (13) mit einer hierin definierten Referenzgaskammer (17) und einem Heizgerät (2). Das Heizgerät (2) umfasst ein wärmeerzeugendes Element (25), das zwischen einem Paar von Isolierungsblättern (16) und (22) der Aluminiumoxidserie eingebettet ist. Das wärmeerzeugende Element (25) erzeugt Wärme, in Reaktion auf die hieran angelegte elektrische Spannung.
Das feste Elektrolytblatt (11) besitzt eine äußere Stirnoberfläche und eine innere Oberfläche. Eine äußere Elektrode (12), die einem Messgas ausgesetzt ist, wird auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) vorgesehen. Eine innere Elektrode (15), die einem Referenzgas ausgesetzt ist, wird auf der inneren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) vorgesehen.
Ein Schutzfilm (50) wird auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) bereitgestellt, um so die äußere Elektrode (12) zu bedecken.
Darüberhinaus wird die äußere Elektrode (12) als eine Einheit mit einem Kontakt (18) und einem Anschluss (181) zum Ausgeben eines Sensorsignals des vielschichtigen Gasmessfühlers (1) gebildet. Ähnlich wird die innere Elektrode (15) als eine Einheit mit einem Kontakt (19) gebildet. Der Kontakt (19) ist über ein Nadelloch (nicht gezeigt) mit einem Anschluss (191) gebunden, der auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) vorgesehen ist.
Das Isolierungsblatt (13), das unterhalb oder hinter dem festen Elektrolytblatt (11) angeordnet ist, besitzt einen rechteckig ausgeschnittenen Raum, der die Referenzgaskammer (17) definiert, in welche ein Referenzgas (z. B. Luft) eingeführt wird. Das Heizgerät (2) das unterhalb oder hinter dem Isolierungsblatt (13) angeordnet ist, umfasst das Wärmeerzeugungselement (25) und dessen Kontakte (26) und (27), die zwischen den Isolierungsblättern (16) und (22) liegen.
Fig. 3A erläutert eine detaillierte Bedingung der Bindungsgrenze (100), die zwischen dem festen Elektrolytblatt (11) und dem Isolierungsblatt (13) des vielschichtigen Gasmessfühlers (1) liegt.
An der Bindungsgrenze (100) liegt ein Kristallkorn (102) der Zirkoniumoxidserie des festen Elektrolytblattes (11) einem Kristallkorn (103) der Aluminiumoxidserie des Isolierungsblattes (13) gegenüber. Wie in Fig. 3B gezeigt, liegt an manchem Teil der Bindungsgrenze (100) eine Kristallphase (101), die SiO2 enthält, zwischen dem Kristallkorn (102) der Zirkoniumoxidserie und dem Kristallkorn (103) der Aluminiumserie. Wie in Fig. 3C gezeigt, ist darüber hinaus an manchen Teilen der Bindungsgrenze (100) das Kristallkorn (102) der Zirkoniumoxidserie direkt an das Kristallkorn (103) der Aluminiumoxidserie gebunden.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist darüber hinaus gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler (1) dieser Ausführungsform die Bindungsgrenze (102) vollständig wellenförmig. Daher steht jedes feste Elektrolytblatt (11) und Isolierungsblatt (13) teilweise hinsichtlich des anderen mittels der Bindungsgrenze vor bzw. zieht sich teilweise zurück.
Wie in Fig. 3C gezeigt, ist eine spezifische Fläche eines Aluminiumoxidkristallgitters in dem Kristallkorn der Aluminiumoxidserie (103) direkt an eine spezifische Fläche eines Zirkoniumoxidkristallgitters in dem Kristallkorn der Zirkoniumoxidserie (102) gebunden. Der Miller-Index (d. h. Kristallindex) der spezifischen Fläche ist in Fig. 3C gezeigt.
Ein Herstellungsverfahren für den vielschichtigen Gasmessfühler (1) der bevorzugten Ausführungsform wird nachstehend erläutert werden.
Die für die Herstellung des vielschichtigen Gasmessfühlers (1) verwendeten Basismaterialien sind das Material der Zirkoniumoxidserie und das Material der Aluminiumoxidserie. Das Material der Zirkoniumoxidserie enthält Zirkoniumoxid (d. h. Zirkoniumoxid: ZrO2)-Körner und Yttriumoxid (d. h. Yttriumoxid: Y2O3)-Körner. Das Material der Aluminiumoxidserie enthält Aluminiumoxid (d. h. Aluminiumoxid: Al2O3)-Körner.
Zunächst wird ein ungesintertes Blatt der Zirkoniumoxidserie für das feste Elektrolytblatt (11) auf die folgende Weise hergestellt.
Sowohl Zirkoniumoxid (ZrO2) als auch Yttriumoxid (Y2O3) wird hergestellt, um eine vorherbestimmte Kristallkorngröße zu besitzen.
Als nächstes werden Zirkoniumoxid (ZrO2) und Yttriumoxid (Y2O3) miteinander vermischt, um ein Mischpulver zu bilden, das aus 94,0 mol% Zirkoniumoxid und 6,0 mol% Yttriumoxid besteht. Dann wird das erhaltene Mischpulver weiter mit Zusatzstoffen aus Siliziumdioxid (d. h. SiO2) und Aluminiumoxid (d. h. Al2O3) vermischt. Der Inhaltsstoff aus Siliziumdioxid (SiO2) beträgt 0,15 Gew.-Teile und der Inhaltsstoff Aluminiumoxid (Al2O3) beträgt 2,0 Gew.-Teile, wenn das Mischpulver aus Zirkoniumoxid (ZrO2) und Yttriumoxid (Y2O3) 100 Gew.-Teile beträgt. Die Mischung aus Zirkoniumoxid, Yttriumoxid, Siliziumdioxid und Aluminiumoxid wird gemahlen und weiter in einer Tiegelmühle für eine vorherbestimmte Zeit vermischt.
Als nächstes wird die so erhaltene gemahlene Mischung mit einer Mischlösung aus Ethanol und Toluol, die als organisches Lösungsmittel dienen, Polyvinylbutyral, das als Bindemittel dient, und Dibutylphthalat, das als Weichmacher dient, geknetet, wodurch eine Aufschlämmung erhalten wird.
Als nächstes wird die erhaltene Aufschlämmung als ein flacher Blattkörper unter Verwendung eines Abstreifverfahrens aufgebaut. Der hergestellte Blattkörper ist 0,2 mm dick. Es wird ein rechteckiger Blattkörper mit den Abmessungen 5 mm × 70 mm aus diesem Blattkörper für das feste Elektrolytblatt (11)geschnitten. Dann wird ein Nadelloch an einem adäquaten Teilabschnitt des Blattkörpers geöffnet, um den Kontakt (19) der inneren Elektrode (15), die auf der inneren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) gebildet wird, mit dem Anschluss (191), der auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) gebildet wird, zu verbinden.
Als nächstes wird eine Platin enthaltende Zirkoniumoxidpaste auf entgegengesetzten Oberflächen des rechtförmigen Blattkörpers in dem vorherbestimmten Muster siebgedruckt, um die äußere Elektrode (12), die innere Elektrode (15), die Kontakte (18) und die Anschlüsse (181) und (191) zu bilden. So wird das ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie für das feste Elektrolytblatt (11) erhalten.
Als nächstes wird das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxidserie für die Isolierungsblätter (13), (14) und (22) auf die folgende Weise hergestellt.
In einer heißen Mühle wird Aluminiumoxid mit einer vorherbestimmten Korngröße mit einer gemischten Lösung aus Ethanol und Toluol, die als organisches Lösungsmittel dienen, Polyvinylbutyral, das als Bindemittel dient und Dibutylphthalat, das als Weichmacher dient, geknetet, wodurch eine Aufschlämmung erhalten wird.
Als nächstes wird die erhaltene Aufschlämmung in einen flachen Blattkörper gebracht, in dem ein Abstreifverfahren verwendet wird. Der hergestellte Blattkörper ist 0,44 mm dick. Eine Gesamtheit von drei rechteckigen Blattkörpern, wobei jedes 5 mm × 70 mm mißt, wird aus diesem Blattkörper geschnitten. Zwei von drei rechteckigen Blattkörpern werden direkt für die Isolierungsblätter (16) und (22) verwendet. Das verbleibende der drei rechteckigen Blattkörper, für das Isolierungsblatt (13) wird weiter geschnitten, um die Referenzgaskammer (17) zu bilden.
Hinsichtlich des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie für das Isolierungsblatt (22) werden Nadellöcher in geeigneter Weise an dem Ende davon geöffnet, um elektrische Spannung dem wärmeerzeugenden Element (25) zuzuführen. Dann wird eine Platin enthaltende Aluminiumoxidpaste auf einer inneren Oberfläche des rechteckigen Blattkörpers für das Isolierungsblatt (22) in dem vorherbestimmten Muster siebgedruckt, um das wärmeerzeugende Element (25) die Kontakte (26) und (27) und Anschlüsse (nicht gezeigt) zu bilden.
Als nächstes wird ein ungesintertes Blatt der Aluminiumoxidserie für den Schutzfilm (50) auf die folgende Weise hergestellt.
In einer heißen Mühle wird Aluminiumoxid mit einer vorherbestimmten Korngröße mit einer gemischten Lösung aus Ethanol und Toluol, die als organisches Lösungsmittel dienen, Polyvinylbutyral, das als Bindemittel dient und Dibutylphthalat, das als Weichmacher dient, geknetet, wodurch eine Aufschlämmung erhalten wird. Die Korngröße des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie für den Schutzfilm (50) ist größer als diejenige des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie für die Isolierungsblätter (13), (16) und (22).
Als nächstes wird die erhaltene Aufschlämmung als ein flacher Blattkörper aufgebaut, indem ein Abstreifverfahren verwendet wird. Der hergestellte Blattkörper ist 0,2 mm dick. Ein rechteckiger Blattkörper, der 5 mm × 30 mm misst, wird aus diesem Blattkörper geschnitten, um den Schutzfilm (50) zu bilden.
Das so hergestellte ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie und die ungesinterten Blätter der Aluminiumoxidserie werden gestapelt oder auf eine vorherbestimmte Weise laminiert (Bezugnahme auf Fig. 1 und 2) und es wird ein vereinigter Vielschichtenkörper durch Thermokompressionsbindung als Einheit gebildet.
Danach wird der vereinigte vielschichtige Körper gesintert oder für eine Stunde bei einer Temperatur von 1500°C gebacken, wodurch schließlich der vielschichtige Gasmessfühler (1) erhalten wird.
Der Einfluss von SiO2 und Al2O3, die in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie enthalten sind, wurde für den Zweck der Bewertung der Bindungsfestigkeit an der Bindungsgrenze genauso wie der Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie getestet. Für den Bewertungstest wurden Proben Nr. 1 bis Nr. 32 des vielschichtigen Gasmessfühlers (1) hergestellt.
Bei den Bewertungstests wurden die drei Gegenstände der Bindefähigkeit, Bindungsfestigkeit bzw. Zähigkeit, und Sauerstoffionenleitfähigkeit bewertet.
Hinsichtlich der Bindefähigkeit wurde jede getestete Elementprobe, die gemäß dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt wurde, entlang einer Ebene senkrecht zu der longitudinalen Richtung der Elementprobe geschnitten. Die Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt (11) und dem Isolierungsblatt (13) wurde durch ein Elektronenabtastmikroskop (d. h. SEM) beobachtet, welches eine Vergrößerungsleistung von 4000 besaß.
In der Tabelle 1 wird die Bewertung der Bindefähigkeit durch gut (o) oder schlecht (x) angegeben. Wenn irgendein Bindungsdefekt beobachtet wurde, wurde die Bindefähigkeit durch x angegeben. Die Testprobe ohne Bindungsdefekt wurde durch o angegeben.
Hinsichtlich, der Bindungsfestigkeit wurde ein Zugfestigkeitsteststück (8) separat hergestellt, wie in Fig. 5A gezeigt. Das Zugfestigkeitsteststück (8) besteht aus einem festen Elektrolytblatt (81) und einem Isolierungsblatt (82), die mit deren Enden mit einem vorher bestimmten Überlappung gebunden waren. Das Zugfestigkeitsteststück (8) wurde hergestellt, indem ein ungesintertes Blatt für das feste Elektrolytblatt (11) (Größe: 5 mm × 70 mm, Dicke: 0,2 mm) und ein ungesintertes Blatt für das Isolierungsblatt (13) (Größe: 5 mm × 70 mm, Dicke: 0,4 mm) auf die überlappte Weise durch eine Thermokompressionsbindung gebunden wurde. Dann wurde das Zugfestigkeitsteststück (8) für eine Stunde bei der Temperatur von 1500°C gesintert oder gebacken.
Wie in Fig. 5B gezeigt, wurden beide Enden des Zugfestigkeitsteststücks (8) fest durch Halteteilabschnitte (80) einer Zugfestigkeitstestmaschine gehalten. Dann wurde das Zugfestigkeitsteststück (8) einer Zugkraft unterworfen, die in der Pfeilrichtung, die in der Zeichnung 1 angegeben ist, angelegt wurde.
Das Ergebnis des Zugfestigkeitstestes wird in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Die Testprobe Nr. 1 enthält keine SiO2- und Al2O3-Zusatzstoffe. Das Bruchgewicht der Testprobe Nr. 1, die als ein Referenzwert angegeben ist, wird durch 1 ausgedrückt. Die Bruchgewichtswerte der anderen Testproben werden durch relative Werte in Bezug auf den Referenzwert angegeben.
Tabelle 1 zeigt den gebrochenen Zustand des Basismaterials in jeder Testprobe, in welcher "---" angibt, dass keine Abnormalität der Testprobe gefunden wurde, während "gebrochen" angibt, dass ein Bruch der Testprobe selbst erfolgte.
Hinsichtlich der Sauerstoffionenleitfähigkeit, wurde jede Elementprobe einer Gasumgebung von A/F = 13 ausgesetzt und auf die Elementtemperatur von 700°C erwärmt, um eine elektromotorische Kraft zu messen, die aus jeder Elementprobe erzeugt wurde. So wurde die Sauerstoffionenleitfähigkeit von jeder Elementprobe durch die elektromotorische Kraft, die aus dieser Elementprobe erzeugt wurde, bewertet.
Tabelle 1 zeigt die folgenden Ergebnisse:
  • 1. Zugeben von SiO2 ist effektiv, um die Bindefähigkeit zu verbessern und um die Bindungsfestigkeit zu verstärken. Jedoch wird, wie sich aus dem Bewertungsergebnis von Testprobe Nr. 8 ergibt, die Sauerstoffionenleitfähigkeit verschlechtert, wenn die zugegebene Menge SiO2 5 Gew.-Teile beträgt.
  • 2. Zugeben von Al2O3 ist effektiv, um die Bindungsstärke zu verstärken, aber ineffektiv, um die Bindefähigkeit zu verbessern. Darüberhinaus wird, wie sich aus dem Bewertungsergebnis von Testprobe Nr. 14 ergibt, die Sauerstoffionenleitfähigkeit verschlechtert, wenn die zugegebene Menge Al2O3 5 Gew.-Teile beträgt.
  • 3. Zugeben sowohl von SiO2 und Al2O3 ist effektiv, um die Bindefähigkeit zu verbessern und um die Bindungsstärke zu verstärken. Jedoch wird, wie sich aus dem Bewertungsergebnis von Testproben Nr. 17, 18, 23, 27, 29 bis 32 ergibt, die Sauerstoffionenleitfähigkeit verschlechtert, wenn die gesamte zugegebene Menge an SiO2 und Al2O3 4 Gew.-Teile übersteigt.
Der vielschichtige Gasmessfühler (1) dieser Ausführungsform funktioniert auf die folgende Weise:
Der vielschichtige Gasmessfühler (1) wird hergestellt, indem ein ungesintertes Blatt der Zirkoniumoxidserie verwendet wird, das SiO2 enthält. Demzufolge liegt die Kristallphase (101), die SiO2 enthält, zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie (11) und dem Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserie.
Die Kristallphase (101) wird während dem Sinterungsverfahren des vielschichtigen Gasmessfühlerelements (1) zu einer verflüssigten Phase. Deshalb tritt der Materialtransfer zwischen dem festen Elektrolytblatt (11) und dem Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserie über die verflüssigte Phase während dem Sinterverfahren auf.
Demzufolge stellt diese Ausführungsform einen vielschichtigen Gasmessfühler (1) zur Verfügung, welcher eine ausreichende Bindefähigkeit zwischen dem Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserie sicherstellt.
Während SiO2 zur Bindungsfestigkeit der Kristallphase (101) beiträgt, verschlechtert darüberhinaus die SiO2 enthaltende Kristallphase (101) die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes (11) der Zirkoniumoxidserie nicht. Es wird keine Schwarzfärbung oder Wanderung verursacht, sogar wenn die Kristallphase der Wärme unterworfen wird, die aus dem Heizgerät (2) erzeugt wird, das in dem vielschichtigen Gasmessfühler (1) eingebettet ist.
Demzufolge funktioniert der vielschichtige Gasmessfühler (1) ordentlich.
Daher stellt diese Ausführungsform einen vielschichtigen Gasmessfühler mit herausragender Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie zur Verfügung. Darüberhinaus gewährleistet diese Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung dieses vielschichtigen Gasmessfühlers.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform begrenzt, und kann auf verschiedene Typen von vielschichtigen Gasmessfühlern angewendet werden.
Fig. 6 bis 11 zeigen weitere vielschichtige Gasmessfühler gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie hinsichtlich Fig. 3A bis 3C und 4 erläutert wurde, sind diese vielschichtigen Gasmessfühler dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallphase, die SiO2 enthält, wenigstens teilweise in der Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie eingeschlossen ist.
Fig. 6 und 7 zeigen einen vielschichtigen Gasmessfühler (1), der ein festes Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie, ein Isolierungsblatt (161) der Aluminiumoxidserie mit einer Referenzgaskammer (17), die hierin zur Einführung eines Referenzgases (z. B. Luft) definiert ist, und ein Heizgerät (2) umfasst. Das Heizgerät (2) umfasst ein wärmeerzeugendes Element (25), das zwischen einem Paar aus Isolierungsblättern (16) und (22) der Aluminiumoxidserie eingebettet ist. Das wärmeerzeugende Element (25) erzeugt Wärme als Reaktion auf hieran angelegte elektrische Spannung.
Das feste Elektrolytblatt (11) besitzt eine äußere Oberfläche und eine innere Oberfläche. Eine äußere Elektrode (12), die einem Messgas ausgesetzt ist, wird auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) bereitgestellt. Eine innere Elektrode (15), die dem Referenzgas ausgesetzt ist, wird auf der inneren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) bereitgestellt. Ein Schutzfilm (50) wird auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) bereitgestellt, um so die äußere Elektrode (12) zu bedecken.
Darüberhinaus wird die äußere Elektrode (12) als Einheit mit einem Kontakt (18) und einem Anschluss (181) zum Ausgeben eines Sensorsignals des vielschichtigen Gasmessfühlers (1a) gebildet. Ähnlich wird die innere Elektrode (15) als Einheit mit einem Kontakt (19) gebildet. Der Kontakt (19) wird über ein Nadelloch (nicht gezeigt) mit einem Anschluß (191) verbunden, der auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) vorgesehen ist.
Fig. 8 und 9 zeigen einen vielschichtigen Gasmessfühler (1b), der ein festes Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie und ein Isolierungsblatt (161) mit einer Referenzgaskammer (17), das hierin zur Einführung als Referenzgas (zum Beispiel Luft) definiert ist, umfasst. Das feste Elektrolytblatt (11) besitzt eine äußere Oberfläche und eine innere Oberfläche. Eine äußere Elektrode (12), die einem Messgas ausgesetzt ist, wird auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) vorgesehen. Eine innere Elektrode (15), die einem Referenzgas ausgesetzt ist, wird auf der inneren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) vorgesehen. Ein Schutzfilm (50) wird auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) vorgesehen, um so die äußere Elektrode (12) zu bedecken.
Darüberhinaus wird die äußere Elektrode (12) als eine Einheit mit einem Kontakt (18) und einem Anschluss (181) zum Ausgeben eines Sensorsignals des vielschichtigen Gasmessfühlers (1a) gebildet. Ähnlich wird die innere Elektrode (15) als eine Einheit mit einem Kontakt (19) gebildet. Der Kontakt (19) wird mit einem Nadelloch (nicht gezeigt) mit einem Anschluß (191) verbunden, der auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) vorgesehen ist.
Fig. 10 und 11 zeigen einen vielschichtigen Gasmessfühler (1c), der ein festes Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie, und ein Isolierungsblatt(13) der Aluminiumoxidserie mit einer Referenzgaskammer (17), die hierin zur Einführung eines Referenzgases (z. B. Luft) und ein Isolierungsblatt (16) der Aluminiumoxidserie umfasst. Das feste Elektrolytblatt (11) besitzt eine äußere Oberfläche und eine innere Oberfläche. Eine äußere Elektrode (12), die einem Messgas ausgesetzt ist, wird auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) bereitgestellt. Eine innere Elektrode (15), die einem Referenzgas ausgesetzt ist, wird auf der Innenoberfläche des festen Elektrolytblattes (1) bereitgestellt. Ein Schutzfilm (50) wird auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) bereitgestellt, um so die äußere Elektrode (12) zu bedecken.
Darüberhinaus wird die äußere Elektrode (12) als eine Einheit mit einem Kontakt (18) und einem Anschluss (181) gebildet, um ein Sensorsignal des vielschichtigen Gasmessfühlers (1a) auszugeben. Ähnlich wird die innere Elektrode (15) mit einem Kontakt (19) als eine Einheit gebildet. Der Kontakt (19) wird über ein Nadelloch (nicht gezeigt) mit einem Anschluß (191) verbunden, der auf der äußeren Oberfläche des festen Elektrolytblattes (11) vorgesehen ist.
Wie vorstehend erläutert, stellt die vorliegende Erfindung einen vielschichtigen Gasmessfühler bereit, der laminierte Schichten umfasst, die ein festes Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und ein Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie umfasst, wobei eine Bindungsgrenze zwischen dem Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie liegt, und eine Kristallphase SiO2 enthält und wenigstens teilweise in die Bindungsgrenze eingeschlossen ist.
Wenn die Kristallphase vorzugsweise 100 Gew.-Prozent beträgt, ist die SiO2-Menge vorzugsweise gleich oder größer als 10 Gew.-%.
Die Kristallphase, die SiO2 enthält, liegt zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie. Die Kristallphase verursacht eine Eigenreaktion oder wechselwirkt mit den anderen Komponenten während dem Sinterverfahren des vielschichtigen Gasmessfühlers. Die Kristallphase wird verflüssigt. Daher tritt der Materialtransfer zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie über die verflüssigte Phase während dem Sinterverfahren auf.
Demzufolge stellt die folgende Erfindung einen vielschichtigen Gasmessfühler zur Verfügung, welcher eine ausreichende Bindung zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie sicherstellt.
Während SiO2 zu der Bindungsfestigkeit der Kristallphase beiträgt, verschlechtert darüber hinaus die SiO2 enthaltende Kristallphase die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie nicht. Keine Schwarzfärbung oder Wanderung wird verursacht, sogar wenn die Kristallphase einer Wärme unterworfen wird, die aus dem Heizgerät, das in dem vielschichtigen Gasmessfühler eingebettet ist, erzeugt wurde. Demzufolge funktioniert der vielschichtige Gasmessfühler ordentlich.
Daher gewährleistet die vorliegende Erfindung einen vielschichtigen Gasmessfühler mit herausragender Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie.
Der vielschichtige Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Arten von Gaskonzentrationssensoren verwendet werden, wie etwa einem Sauerstoffsensor, einem Luft- Treibstoffverhältnissensor, einem NOx-Sensor, einem HC-Sensor, einem CO-Sensor.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt ist, dass die Kristallphase, die Siliziumdioxid enthält, weiter wenigstens eine Komponente enthält, die aus der aus Calciumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO), Bariumoxid (BaO) und Strontiumoxid (SrO) bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die aus der aus CaO, MgO, BaO und SrO bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente wechselwirkt mit SiO2, um so die Verflüssigung der Kristallphase während dem Sinterverfahren zu fördern. Der Materialtransfer an der Bindungsgrenze schreitet so glatt voran, dass eine zuverlässige Bindung zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie sichergestellt werden kann.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, dass die Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie wellenförmig ist.
Diese Anordnung stellt einen Ankereffekt bereit, welcher eine zuverlässige Bindung zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie sicherstellt.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass ein Kristallgitter des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie mit einem Kristallgitter des Isolierungsblattes der Aluminiumoxidserie an der Bindungsgrenze verbunden ist.
Diese Anordnung verstärkt die Bindungskraft zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt, dass die Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie gleich oder weniger als 2 × 10-6 beträgt.
Dies ist zur Verminderung der Spannung, die zwischen dem Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie aufgrund der thermischen Expansionsdifferenz wirkt, zu vermindern, wodurch eine thermisch haltbare Verbindungsstruktur verwirklicht wird. Es muss nicht besonders betont werden, dass es höchst bevorzugt ist, dass keine Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie besteht.
Gemäß dem vielschichtigen Gasmessfühler der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Differenz der Sinterkontraktionskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie gleich oder weniger als 3% beträgt.
Bei dieser Anordnung wird es möglich, zu verhindern, dass der vielschichtige Gasmessfühler während dem Sinterverfahren beschädigt wird. Es muss nicht besonders betont werden, dass es höchst bevorzugt ist, dass keine Differenz der Sinterkontraktionskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie besteht.
Hinsichtlich dem Herstellungsverfahren stellt die vorliegende Erfindung ein erstes Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers bereit, das folgende Stufen umfasst:
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie, das SiO2 und Al2O3 enthält, zur Bildung eines festen Elektrolytblattes,
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie zur Bildung eines Isolierungsblattes,
Binden des ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie und des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, um einen ungebrannten laminierten Körper aufzubauen und
Sintern des ungebrannten laminierten Körpers.
Gemäß dem ersten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erscheint die verflüssigte Phase während dem Sinterverfahren in einem Bereich, in dem ein Zirkoniumoxidkorn und ein Aluminiumoxidkorn miteinander in Kontakt treten. Die verflüssigte Phase enthält hauptsächlich SiO2, welches in diese verflüssigte Phase aus dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie während dem Sinterverfahren der laminierten ungesinterten Blätter geschmolzen ist.
Dies ist effektiv, um dem Materialtransfer an der Bindungsgrenze während dem Sinterverfahren zu fördern. Die Komponenten, die die verflüssigte Phase aufbauen, können als Bindemittel funktionieren, da sie sich selbst in einem dem Sinterverfahren nachfolgenden Abkühlungsprozess härten. Daher ermöglicht das erste Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung eine zuverlässige und herausragende Bindungsstruktur für den vielschichtigen Gasmessfühler bereitzustellen.
Ein Al2O3-Korn, das in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie enthalten ist, ist gut an das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxid (d. h. Al2O3)-Serie gebunden. Deshalb ist die Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie, wie in Fig. 4 gezeigt, adäquat wellenförmig. Die wellenförmige Bindungsgrenze besitzt den Ankereffekt, welcher eine zuverlässige Bindung zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie sicherstellt.
Deshalb besitzt der vielschichtige Gasmessfühler gemäß dem ersten Herstellungsverfahren eine herausragende Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie.
Gemäß dem ersten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie folgendes enthält: SiO2 mit 0,05 bis 4 Gew.-Teilen und Al2O3 mit 0,5 bis 4 Gew.-Teilen, wenn das Zirkoniumoxidmaterial 100 Gew.-Teile beträgt, wobei eine Summe aus SiO2 und Al2O3 nicht mehr als 4 Gew.-Teile beträgt.
Bei dieser Zusammensetzung wird es möglich die Bindungsfestigkeit weiter zu verstärken und die Bindefähigkeit zu verbessern.
Wenn SiO2 in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie weniger als 0,05 Gew.-Teile enthalten ist, wird die Bindefähigkeit verschlechtert. Wenn SiO2 4 Gew.-Teile übersteigt, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblatts der Zirkoniumoxidserie verschlechtert.
Wenn Al2O3 in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie mit weniger als 0,5 Gew.-Teilen enthalten ist, wird die Bindefähigkeit verschlechtert. Wenn Al2O3 4 Gew.-Teile überschreitet, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie verschlechtert.
Wenn darüberhinaus die Summe aus SiO2 und Al2O3 4 Gewichtsteile übersteigt, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Blattes der Zirkoniumoxidserie verschlechtert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich ein ungesintertes Blatt der Aluminiumoxidserie herzustellen, das SiO2 enthält, statt das ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie zu verwenden. Ähnliche Effekte werden erhalten.
In dieser Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung ein zweites Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers bereit, das folgende Stufen umfasst:
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie zur Bildung eines festen Elektrolytblattes,
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, das SiO2 enthält, zur Bildung eines Isolierungsblattes,
Binden des ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie und des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, um einen ungebrannten laminierten Körper aufzubauen, und
Sintern des ungebrannten laminierten Körpers.
Gemäß dem zweiten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung, erscheint die verflüssigte Phase während des Sinterverfahrens bei einem Bereich, in dem ein Zirkoniumoxidkorn und ein Aluminiumoxidkorn miteinander in Kontakt stehen. Die verflüssigte Phase besteht hauptsächlich aus SiO2, welches in diese verflüssigte Phase aus dem ungesinterten Blatt der Aluminiumoxidserie während dem Sinterverfahren der laminierten ungesinterten Blätter geschmolzen ist.
Dies ist effektiv, um den Materialtransfer in die Bindungsgrenze während dem Sinterverfahren zu fördern. Die Komponenten, die die verflüssigte Phase aufbauen, können als Bindemittel funktionieren, da sie sich selbst in einen dem Sinterverfahren nachfolgenden Abkühlungsprozess härten.
Gemäß dem zweiten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxidserie folgendes enthält: SiO2 mit 0,05 bis 10 Gew.-Teilen, wenn das Aluminiumoxidmaterial 100 Gew.-Teile ausmacht.
Bei dieser Zusammensetzung wird es möglich, die Bindungsfestigkeit weiter zu verstärken und die Bindefähigkeit zu verbessern.
Wenn das in dem ungesinterten Blatt der Aluminiumoxidserie enthaltene SiO2 weniger als 0,05 Gew.-Teile beträgt, wird die Bindefähigkeit veschlechtert. Wenn das SiO2 10 Gew.-Teile übersteigt, wird die Festigkeit der gesinterten Materialien veschlechtert. Folglich wird die Festigkeit des Gasmessfühlers vermindert. Der Gasmessfühler kann Risse verursachen.
Darüberhinaus wird es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, sowohl das ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie, das SiO2 enthält, als auch das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxidserie, das SiO2 enthält, zu verwenden. Ähnliche Effekte werden erhalten.
In dieser Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung ein drittes Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers bereit, das folgende Stufen umfasst:
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie, das SiO2 und Al2O3 enthält, zur Bildung eines festen Elektrolytblattes,
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, das SiO2 enthält, zur Bildung eines Isolierungsblattes,
Binden des ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie und des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, um einen ungebrannten laminierten Körper aufzubauen, und
Sintern des ungebrannten laminierten Körpers.
Gemäß dem dritten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erscheint die verflüssigte Phase während des Sinterverfahrens bei einem Bereich, in dem ein Zirkoniumoxidkorn und ein Aluminiumoxidkorn miteinander in Kontakt stehen. Die verflüssigte Phase besteht hauptsächlich aus SiO2, welches in diese verflüssigte Phase sowohl aus dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie als auch aus dem ungesinterten Blatt der Aluminiumoxidserie während dem Sinterverfahren der laminierten ungesinterten Blätter geschmolzen ist.
Dies ist effektiv, um den Materialtransfer in die Bindungsgrenze während dem Sinterverfahren zu fördern. Die Komponenten, die die verflüssigte Phase aufbauen, können als ein Bindemittel funktionieren, da sie sich selbst bei einen dem Sinterverfahren nachfolgenden Abkühlungsprozess härten.
Deshalb besitzt der vielschichtige Gasmessfühler, der gemäß dem dritten Herstellungsverfahren hergestellt wurde, eine herausragende Bindungsgrenze zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie.
Gemäß dem dritten Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie folgendes enthält: SiO2 mit 0,05 bis 4 Gew.-Teilen und Al2O3 mit 0,5 bis 4 Gew.-Teilen, wenn das Zirkoniumoxidmaterial 100 Gew.-Teile ausmacht, wobei die Summe aus SiO2 und Al2O3 nicht weniger als 4 Gew.-Teile ausmacht.
Darüberhinaus ist es bevorzugt, dass das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxidserie folgendes enthält: SiO2 mit 0,05 bis 10 Gew.-Teilen, wenn das Aluminiumoxidmaterial 100 Gew.-Teile beträgt.
Bei dieser Zusammensetzung wird es möglich, die Bindungsfestigkeit weiter zu verstärken und die Bindefähigkeit zu verbessern.
Wenn das in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie enthaltene SiO2 weniger als 0,05 Gew.-Teile beträgt, wird die Bindefähigkeit veschlechtert. Wenn das SiO2 4 Gew.-Teile überschreitet, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie verschlechtert.
Wenn darüber hinaus das in dem ungesinterten Blatt der Zirkoniumoxidserie enthaltene Al2O3 weniger als 0,5 Gew.-Teile beträgt, wird die Bindefähigkeit veschlechtert. Wenn das Al2O3 4 Gew.-Teile überschreitet, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie verschlechtert. Wenn darüber hinaus die Summe aus SiO2 und Al2O3 4 Gew.-Teile überschreitet, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des festen Elektrolytblattes der Zirkoniumoxidserie verschlechtert.
Wenn das in dem ungesinterten Blatt der Aluminiumoxidserie enthaltenen SiO2 weniger als 0,05 Gew.-Teile beträgt, wird die Bindefähigkeit verschlechtert. Wenn das SiO2 10 Gew.-Teile überschreitet, wird die Festigkeit der gesinterten Materialien verschlechtert. Als ein Ergebnis wird die Festigkeit des Gasmessfühlers vermindert. Der Gasmessfühler kann Risse verursachen.
In der vorliegenden Erfindung ist das Material der Zirkoniumoxidserie als ein Material definiert, das hauptsächlich ZrO2 zusammen mit verschiedenen Zusatzstoffen (Sinterhilfsmittel etc.) enthält. Das Zirkoniumoxid dient als ein Festelektrolytelement, das Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt. Bindemittel und Lösungsmittel sind ausgeschlossen.
Das Material der Aluminiumoxidserie ist als ein Material definiert, das hauptsächlich aus Al2O3 zusammen mit verschiedenen Zusatzstoffen (Sinterhilfsmittel etc.) besteht. Bindemittel ist ausgeschlossen.
Das Material der Aluminiumoxidserie der vorliegenden Erfindung kann Aluminiumsilikat (Mullit: SiO2-Al2O3, etc.) oder Steatit einschließen.
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens des vielschichtigen Gasmessfühlerelements der vorliegenden Erfindung, ist es möglich, eine Paste, die SiO2 enthält, auf jedes oder wenigstens entweder ein ungesintertes Blatt der Zirkoniumoxidserie und/oder ein ungesintertes Blatt der Aluminiumoxidserie aufzutragen oder zu beschichten. In diesem Fall werden zwei ungesinterte Blätter an deren Oberflächen die Paste aufgetragen ist, gebunden, und dann zusammen gesintert.
Diese Erfindung kann in mehreren Formen ausgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen, wie sie beschrieben wurden, sind daher nur zur Veranschaulichung gedacht und sollen den Umfang der Erfindung nicht begrenzen, da der Umfang der Erfindung durch die angefügten Ansprüche definiert ist und nicht durch die vorhergehende Beschreibung. Alle Änderungen, die in den Umfang der Ansprüche fallen oder Äquivalente hiervon sind deshalb durch diese Erfindung geschützt.
Eine Bindungsgrenze (100) liegt zwischen einem festen Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie und einem Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserie. Die Bindungsgrenze (100) schließt wenigstens teilweise eine Kristallphase (101) ein, die SiO2 enthält.

Claims (12)

1. Vielschichtiger Gasmessfühler der folgendes umfasst:
laminierte Schichten, die ein festes Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie und ein Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserie umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Bindungsgrenze (100) zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie liegt, und
eine Kristallphase (101), die Siliziumdioxid enthält, wenigstens teilweise in der Bindungsgrenze (100) eingeschlossen ist.
2. Vielschichtiger Gasmessfühler gemäß Anspruch 1, wobei die Kristallphase (101) weiter wenigstens eine Komponente enthält, die aus der aus Calciumoxid, Magnesiumoxid, Bariumoxid und Strontiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
3. Vielschichtiger Gasmessfühler gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Bindungsgrenze (100) zwischen dem festen Elektrolytblatt der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt der Aluminiumoxidserie wellenförmig ist.
4. Vielschichtiger Gasmessfühler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Kristallgitter des festen Elektrolytblattes (11) der Zirkoniumoxidserie mit einem Kristallgitter des Isolierungsblattes (13) der Aluminiumoxidserie in der Bindungsgrenze verbunden ist.
5. Vielschichtiger Gasmessfühler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserie gleich oder weniger als 2 × 10-6 beträgt.
6. Vielschichtige Gasmessfühler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Differenz der Sinterkontraktionskoeffizienten zwischen dem festen Elektrolytblatt (11) der Zirkoniumoxidserie und dem Isolierungsblatt (13) der Aluminiumoxidserie gleich oder weniger als 3% beträgt.
7. Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers, das die folgenden Stufen umfasst:
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie, das Siliziumdioxid und Aluminiumoxid enthält, zur Bildung eines festen Elektrolytblattes (11);
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie zur Bildung eines Isolierblattes (13);
Binden des ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie und des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, um einen ungebrannten laminierten Körper aufzubauen; und
Sintern des ungebrannten laminierten Körpers.
8. Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers gemäß Anspruch 7, wobei das ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie folgendes enthält:
Siliziumdioxid mit 0,05 bis 4 Gew.-Teilen und Aluminiumoxid mit 0,5 bis 4 Gew.-Teilen, wenn das Zirkoniumoxidmaterial 100 Gew.-Teile ausmacht, wobei die Summe aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid nicht mehr als 4 Gew.-Teile ausmacht.
9. Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers, das die folgenden Stufen umfasst:
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie zur Bildung eines festen Elektrolytblattes (11);
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, das Siliziumdioxid enthält, zur Bildung eines Isolierblattes (13);
Binden des ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie und des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, um einen ungebrannten laminierten Körper aufzubauen;
Sintern des ungebrannten laminierten Körpers;
10. Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers gemäß Anspruch 9, wobei das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxidserie folgendes enthält:
Siliziumdioxid mit 0,05 bis 10 Gew.-Teilen, wenn das Aluminiumoxidmaterial 100 Gew.-Teile beträgt.
11. Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers, das folgende Stufen umfasst:
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie, das Siliziumdioxid und Aluminiumoxid enthält, zur Bildung eines festen Elektrolytblattes (11);
Herstellen eines ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, das Siliziumdioxid enthält, zur Bildung eines Isolierblattes (13);
Binden des ungesinterten Blattes der Zirkoniumoxidserie und des ungesinterten Blattes der Aluminiumoxidserie, um einen ungebrannten laminierten Körper aufzubauen; und
Sintern des ungebrannten laminierten Körpers.
12. Verfahren zur Herstellung eines vielschichtigen Gasmessfühlers gemäß Anspruch 11, wobei
das ungesinterte Blatt der Zirkoniumoxidserie folgendes enthält: Siliziumdioxid in 0,05 bis 4 Gew.-Teilen und Aluminiumoxid mit 0,5 bis 4 Gew.-Teilen, wenn das Zirkoniumoxidmaterial 100 Gew.-Teile ausmacht, wobei die Summe aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid nicht mehr als 4 Gew.-Teile beträgt, und
das ungesinterte Blatt der Aluminiumoxidserie folgendes enthält: Siliziumdioxid mit 0,05 bis 10 Gew.-Teilen, wenn das Aluminiumoxidmaterial 100 Gew.-Teile ausmacht.
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