DE102006005839A1

DE102006005839A1 - Gassensor und Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE102006005839A1
Application number: DE102006005839A
Authority: DE
Inventors: Yukinobu Nagao; Masaki Nakagawa; Takeshi Kawai; Ryohei Aoki; Satoshi Teramoto
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2006-09-21
Also published as: US7951277B2; US20060185978A1

Abstract

Ein prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement und ein Verfahren zur Herstellung desselben, wobei das prismatische Mehrschicht-Gassensorelement (1) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist und einen an einem distalen Endteil des prismatischen Gassensorelements (1) ausgebildeten Gas erfassenden Zellenteil (2) und einen an den Gas erfassenden Zellenteil (2) angrenzenden hinteren Zuleitungsteil (3) umfasst. Die Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungsteils (3) sind mit einer nicht porösen Aluminiumoxidschicht (11) beschichtet, wobei die nicht poröse Aluminiumoxidschicht (11) einen mehrschichtigen Aufbau aufweist, der mindestens eine Verbindungsschicht (11a) und eine Oberflächenschicht (11b) enthält. Die Längsseitenfläche des Gas erfassenden Teils (2) ist nicht mit einer nicht porösen Aluminiumoxidschicht beschichtet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, beispielsweise einen Sauerstoffsensor, einen Kraftstoff/Luftsensor (Kraftstoff/Luftverhältnissensor), einen NOx-Sensor oder einen HC-Sensor zur Verwendung zum Beispiel beim Regeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein prismatisches Mehrschichtkeramik-Gassensorelement mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, das eine Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht und eine Aluminiumoxidschicht umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen des Gassensors.

Das japanische Patent 1219 662 offenbart ein Sauerstoffdetektionselement mit einem recheckigen Querschnitt, das ein Laminat aus einer Festelektrolytplatte aus ZrO₂, Elektroden, einer an der Festelektrolytplatte ausgebildeten Elektrodenzuleitung, einer auf die Festelektrolytschicht und die Zuleitung aufgebrachten Schutzschicht sowie einem U-förmigen Rahmenkörper umfasst. Die Seitenflächen des Laminats sind mit einer gasundurchlässigen Schicht aus Aluminiumoxid bedeckt, um zwischen der Elektrode und einem Metallgehäusekörper Isolierwiderstand aufrechtzuerhalten, selbst wenn sich darauf ein leitendes Material ablagert.

Die U.S. Patentanmeldungsschrift US 2003/0159928A1 offenbart ein prismatisches Mehrschichtkeramik-Gassensorelement mit einem rechteckigen Querschnitt, das eine Festelektrolytschicht aufweist, die mit einem keramischen Heizelement gemeinsam gebrannt ist. Um einen Gas erfassenden Zellenteil, der an einem distalen Ende des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements ausgebildet ist, ist eine poröse Aluminiumoxidschicht aufgebracht, um eine Rissbildung des Gassensorelements zu verhindern, die durch Kontakt mit Wassertröpfchen induziert wird.

Durch die Erfindung zu lösende Probleme:

Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass aus einer Brennkraftmaschine ausgestoßener und sich an der Seitenfläche eines prismatischen Mehrschichtkeramik-Gassensorelements absetzender Kohlenstoff oder Ruß eine „Schwärzung" bzw. Desoxidation der Festelektrolytschicht verursachen kann, die in einem an einem Gas erfassenden Zellenteil des Gassensorelements angrenzenden hinteren Zuleitungsteil laminiert ist.

Die desoxidierte Festelektrolytschicht kann schwerwiegende Probleme verursachen, darunter verringerter Isolierwiderstand zwischen der Metallzuleitung, die an einer an einem distalen Endteil des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements ausgebildeten Gas erfassenden Zellenelektrode angeschlossen ist, und einem das Gassensorelement an seinem an den Gas erfassenden Zellenteil angrenzenden hinteren Zuleitungsteil tragenden Metallgehäuse, eine Fehlfunktion des Gas erfassenden Mechanismus sowie verminderte mechanische Festigkeit aufgrund von Brüchigkeit der desoxidierten Festelektrolytschicht.

Üblicherweise wird ein prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement durch Schneiden eines plattenartigen Laminats bestehend aus einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytschicht und isolierenden Keramikschichten, die die Festelektrolytschicht sandwichartig einschließen, sowie durch Beschichten der Schnittflächen (die den Seitenflächen des prismatischen Mehrschichtkeramik-Gassensorelements entsprechen) mit einer isolierenden Schutzschicht, um zu verhindern, dass die Sauerstoffionen leitende Festelektrolytschicht direkt einer Umgebungsgasatmosphäre ausgesetzt wird, hergestellt.

Eine durch die vorliegenden Erfinder vorgenommene Analyse zeigte, dass diese „Schwärzung" oder Desoxidation der Festelektrolytschicht insbesondere an den Schnittflächen einzutreten beginnt, die den Seitenflächen des an den Gas erfassenden Teil angrenzenden hinteren Zuleitungsteils entsprechen. Diesbezüglich lagert sich kohlenstoffartiger Ruß auf der auf den Seitenflächen ausgebildeten Schutzschicht ab, wenn über den Zuleitungen, die die Festelektrolytschicht und ein den hinteren Zuleitungsteil des prismatischen Gassensors tragendes Metallgehäuse sandwichartig einschließen, elektrische Spannung angelegt wird.

Insbesondere tritt die Desoxidation der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht nicht an dem Gas erfassenden Zellenteil des prismatischen Mehrschicht-Gassensors ein, kann dagegen an dem hinteren Zuleitungsteil, der an dem Gas erfassenden Zellenteil angrenzt, eintreten. Als Grund dafür wird folgendes angenommen. Da der hintere Zuleitungsteil, in dem eine Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht durch Metallzuleitungen sandwichartig eingeschlossen ist, die von den Gas erfassenden Zellenelektroden, die an einem distalen Endteil des prismatischen Sensorelements ausgebildet sind, zu einem hinteren Endteil davon verlaufen, durch ein Gehäuseelement zum Halten des Gassensorelements gelagert wird, kann die Temperatur des hinteren Zuleitungsteils nicht angehoben werden, um sich darauf absetzenden kohlenstoffartigen Ruß abzubrennen. Der Gas erfassende Zellenteil wird dagegen auf eine Temperatur angehoben, die hoch genug für das Abbrennen des kohlenstoffartigen Rußes ist.

Daher besteht im Hinblick auf Beständigkeit gegenüber Kohlenstoff- oder Rußablagerung Bedarf an einer verbesserten schützenden Isolierschicht zum Aufbringen auf die Seitenflächen des Zuleitungsteils eines prismatischen Gassensors sowie im Hinblick auf eine effektive Thermooxidation bzw. Abbrennen von kohlstoffartigem Ruß, der sich auf dem prismatischen Mehrschichtkeramik-Gassensorelement ablagert, Bedarf an einem verbesserten Thermopositionsverhältnis zwischen dem Gas erfassenden Zellenteil und dem hinteren Zuleitungsteil.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde verwirklicht, um die oben erwähnten Probleme bezüglich Verrußung oder Desoxidation der ein prismatisches Mehrschichtkeramik-Gassensorelement bildenden Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht zu lösen, die durch Ablagerung von Kohlenstoff oder kohlenstoffartigem Ruß auf der schützenden Isolierschicht verursacht wird, die an Schnittflächen oder Seitenflächen eines an einen Gas erfassenden Teil des Gassensorelements angrenzenden hinteren Zuleitungsteils ausgebildet ist.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement an die Hand zu geben, das eine Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht und eine schützende Isolierschicht umfasst, insbesondere eine verbesserte schützende Isolierschicht, die an Seitenflächen eines an eine Gas erfassende Zelle des prismatischen Mehrschicht-Gassensors angrenzenden hinteren Zuleitungsteils ausgebildet ist, und ein verbessertes Thermopositionsverhältnis zwischen dem Gas erfassenden Zellenteil und dem hinteren Zuleitungsteil gegen Verrußung oder Desoxidation der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht aufweist.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements mit verbesserter Beständigkeit gegen Verrußung oder Desoxidation der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht an die Hand zu geben.

Die obige erste Aufgabe der Erfindung wird durch Vorsehen eines prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements (1) mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt verwirklicht, welches umfasst: einen an einem distalen Endteil des prismatischen Gassensorelements (1) ausgebildeten Gas erfassenden Zellenteil (2), der eine Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4) und eine Gas detektierende Elektrode (5) sowie eine auf der oberen bzw. unteren ebenen Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4) ausgebildete Bezugselektrode (6) umfasst;
einen an den Gas erfassenden Zellenteil (2) angrenzenden und sich zu einem hinteren Endteil des prismatischen Gassensorelements (1) erstreckenden hinteren Zuleitungsteil (3), der die sich in Längsrichtung von dem Gas erfassenden Teil (2) erstreckende Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4), eine erste Metallzuleitung (5a) und eine zweite Metallzuleitung (6a), die mit der Gas detektierenden Elektrode (5) bzw. der Bezugselektrode (6) verbunden sind, wobei die erste und die zweite Metallzuleitung auf der oberen bzw. der unteren ebenen Oberfläche der Festelektrolytschicht (4) ausgebildet sind und sich von dem hinteren Zuleitungsteil (3) erstrecken, eine erste nicht poröse Aluminiumoxidschicht (8), die die obere ebene Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4) und die darauf ausgebildete erste Metallzuleitung (5a) bedeckt, und eine zweite nicht poröse Aluminiumoxidschicht (7), die die untere ebene Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4) und die darauf ausgebildete zweite Metallzuleitung (6a) bedeckt, umfasst;
sowie einen Heizwiderstand (12a), der durch Isolierschichten (7, 10) sandwichartig eingeschlossen und in der Nähe des Gas erfassenden Teils (2) angeordnet ist, um den Gas erfassenden Teil (2) auf eine Temperatur von über 600°C zu erhitzen;
wobei die Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungsteils (3), die im Wesentlichen senkrecht zur oberen und unteren ebenen Oberfläche des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements (1) sind und durch den Heizwiderstand (12a) auf eine Temperatur von nicht über 600°C erhitzt werden, jeweils mit einer dritten nicht porösen Aluminiumoxidschicht (11) beschichtet sind.

Ein wichtiges Merkmal des obigen erfindungsgemäßen prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements ist, dass die dritte und die vierte nicht poröse Aluminiumoxidschicht auf den Längsseitenflächen (oder Schnittflächen) des hinteren Zuleitungsteils aufgebracht sind, der an die an einem distalen Endteil des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements ausgebildete Gas erfassende Zelle angrenzt, doch die Seitenflächen des Gas erfassenden Teils nicht mit den nicht porösen Aluminiumoxidschichten beschichtet sind.

Vorzugsweise nimmt die auf der Seitenfläche des an den Gas erfassenden Zellenteil angrenzenden Zuleitungsteils ausgebildete nicht poröse Aluminiumoxidbeschichtungsschicht einen Mehrschichtaufbau an, der mindestens eine Verbindungsschicht und eine Oberflächenschicht umfasst. Der Begriff „nicht porös" bedeutet hier, dass Poren der Aluminiumoxidbeschichtungsschicht klein genug sind, um zu verhindern, dass Partikel des kohlenstoffartigen Rußes durch die Aluminiumbeschichtungsschicht dringen und eine darunter liegende Festelektrolytschicht erreichen. Der Mehrschichtaufbau der auf der Seitenfläche des Zuleitungsteils ausgebildeten Aluminiumoxidbeschichtungsschicht verhindert verglichen mit einer auf der Seitenfläche ausgebildeten einzelnen Aluminiumoxidbeschichtungsschicht erfindungsgemäß effektiver das Eindringen von Partikeln kohlenstoffartigen Rußes.

Wenn der Mehrschichtaufbau der auf der Seitenfläche des hinteren Zuleitungsteils des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements ausgebildeten Aluminiumoxidbeschichtungsschicht „nicht porös" oder gegen kohlenstoffartigen Ruß undurchlässig ausgeführt wird, um dadurch die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht vor dem kohlenstoffartigen Ruß zu schützen, kann eine gesamte gebrannte Dicke der nicht porösen Aluminiumoxidschicht einschließlich der Verbindungsfläche und der Oberflächenschicht erfindungsgemäß vorteilhafterweise nur etwa 2 μm-30 μm dünn ausgeführt werden, wobei jede Schicht eine gebrannte Dicke von etwa 2 μm-25 μm aufweist.

Eine aus einer Einzelschicht bestehende Aluminiumoxidbeschichtung der gleichen Dicke von 2 μm-30 μm, die auf der Seitenfläche der Festelektrolytschicht ausgebildet wird, neigt dazu, „porös" zu sein, und kann nicht vollständig verhindern, dass Kohlenstoffpartikel durch die auf der Schnittfläche des prismatischen Mehrschicht-Gassensors ausgebildete einzelne Aluminiumoxidschicht die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht erreichen. Eine auf der Seite des prismatischen Gassensors ausgebildete herkömmliche Einzelschicht-Aluminiumoxidbeschichtung ist typischerweise über 30 μm dick.

Ein Grund, warum ein auf der Seitenfläche des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements aufgebrachter mehrschichtiger Aluminiumoxidbeschichtungsschicht-Aufbau vorteilhaft ist, ist, dass auf die Schnittfläche eines ungebrannten prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements während eines Aluminiumoxidaufbringungsprozesses kein hoher Beschichtungsdruck ausgeübt werden kann, um Poren oder Mikroluftbläschen aus einer auf der Schnittfläche ausgebildeten ungebrannten Aluminiumoxidbeschichtungsschicht zu entfernen, wohingegen während eines Folienlaminierprozesses, bei dem eine ungebrannte Zirconiumoxid-Festelektrolytfolie und ungebrannte Aluminiumoxidfolien laminiert werden, mühelos ausreichend Druck ausgeübt werden kann, um Poren oder Mikroluftbläschen zu entfernen. Eine mehrschichtig aufgebaute Aluminiumoxidbeschichtungsschicht mit mindestens einer Verbindungsschicht und einer Oberflächenschicht mindert anders ausgedrückt die Porosität der Aluminiumoxidbeschichtungsschicht, so dass diese, selbst wenn sie dünn ist, gegenüber Eindringen von Kohlenstoff „nicht porös" wird.

Der hintere Zuleitungsteil des erfindungsgemäßen prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements umfasst vorzugsweise eine Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht und erste sowie zweite Metallzuleitungen, die die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht sandwichartig einschließen und jeweils an eine metallene Messelektrode und eine Bezugselektrode anschließen, um eine Gas erfassende Zelle zu bilden, die an einem distalen Endteil des prismatischen Gassensorelements ausgebildet ist; wobei erste und zweite nicht poröse Aluminiumoxidbeschichtungsschichten jeweils auf der unteren und oberen Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht ausgebildet sind und eine dritte nicht poröse Aluminiumoxidschicht mindestens auf Seitenflächen der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht aufgebracht ist; wobei die dritte nicht poröse Aluminiumoxidschicht einen Mehrschichtaufbau mit einer an der Seitenfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht angebrachten Verbindungsschicht und mit einer die Verbindungsschicht bedeckenden Oberflächenschicht aufweist.

Ein an einem distalen Ende des prismatischen Gassensorelements ausgebildeter und an den hinteren Zuleitungsteil angrenzender Gas erfassender Zellenteil umfasst eine sich von dem hinteren Zuleitungsteil erstreckende Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht sowie Metallzellenelektroden, die die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht sandwichartig einschließen, wobei die Metallzellenelektrode an die Zuleitungen in dem hinteren Zuleitungsteil anschließen und in einer Längsrichtung des prismatischen Gassensorelements verlaufen.

Bei dem erfindungsgemäßen prismatischen Mehrschicht-Gassensorelement wird die in dem an den Gas erfassenden Teil angrenzenden hinteren Teil laminierte Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht nicht durch einen Heizwiderstand eines in der Nähe der Gas erfassenden Zelle angeordneten Keramikheizelements auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt, um kohlenstoffartige Rußablagerungen abzubrennen. Die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht, die eine Gas erfassende Zelle bildet, die an einem distalen Endteil des prismatischen Sensorelements ausgebildet ist, ist andererseits dafür ausgelegt, durch ein poröses Material wie zum Beispiel eine nahe der oder auf der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht ausgebildete poröse Aluminiumoxidschicht einer Umgebungsgasatmosphäre ausgesetzt zu werden und auf eine hohe Temperatur von über 600°C erhitzt zu werden, um kohlenstoffartigen Ruß mittels des nahe der Gas erfassenden Zelle angeordneten Keramikheizelements abzubrennen.

Um zu verhindern, dass die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht durch sich auf dem hinteren Zuleitungsteil, der nicht auf eine Temperatur von über 600°C angehoben wird, ablagernden kohlenstoffartigen Ruß desoxidiert oder „geschwärzt" wird, sind erfindungsgemäß auf den Schnittflächen der den hinteren Teil bildenden Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht nicht poröse Aluminiumoxidschichten ausgebildet. Da dagegen die den Gas erfassenden Zellenteil bildende Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht durch ein nahe daran angeordnetes Heizelement auf eine Temperatur von über 600°C erhitzt wird, können die Schnittflächen der den Gas erfassenden Zellenteil bildenden Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht direkt Abgas ausgesetzt werden, das kohlenstoffartigen Ruß enthält.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements ist, dass aufgrund des Aufbringens der nicht porösen Aluminiumoxidschicht mit einem Mehrschichtaufbau auf Schnittflächen (die senkrecht zu oberen und unteren Oberflächen ausgebildeten Seitenflächen entsprechen) des hinteren Zuleitungsteils des prismatischen Mehrschicht-Gassensors, einschließlich einer Seitenfläche (d.h. einer Schnittfläche) der Festelektrolytschicht, von einer Brennkraftmaschine ausgestoßener kohlenstoffartiger Ruß sich nicht auf der Schnittfläche ablagert und nicht die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht desoxidiert. Dadurch wird Desoxidation der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht durch kohlenstoffartigen Ruß verhindert. Demzufolge kann eine präzise Messung eines Gases, beispielsweise einer Sauerstoffkonzentration, während eines Gas erfassenden Betriebs vorteilhafterweise über einen langen Zeitraum sichergestellt werden.

Vorzugsweise weist die nicht poröse Aluminiumoxidschicht mit einem Mehrschichtaufbau, die auf der Seitenfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht ausgebildet ist, die den hinteren Teil des prismatischen Gassensorelements bildet, eine gebrannte Gesamtdicke von 2 μm-30 μm, bevorzugter von 5 μm-25 μm, am bevorzugsteten von 10 μm-20 μm auf, wobei die Stärke einer Verbindungsschicht und die Stärke einer Oberflächenschicht des Mehrschichtaufbaus eingeschlossen sind. Wenn die gebrannte Gesamtdicke unter 2 μm liegt, kann ein erwünschter Isolierwiderstand von mindestens 1 M Ohm zwischen der in dem prismatischen Gassensor eingebetteten Zuleitung und dem den prismatischen Gassensor lagernden Metallgehäuse nicht gewahrt werden, wenn sich während eines Gasdetektionsbetriebs des aus einer Brennkraftmaschine austretenden Abgases kohlenstoffartiger Ruß auf der nicht porösen Aluminiumoxidschicht ablagert. Wenn die gebrannte Gesamtdicke der nicht porösen Aluminiumoxidschicht zu dick ist, z.B. 100 μm, kann die Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht und der darauf aufgebrachten nicht porösen Aluminiumoxidbeschichtungsschicht während des Gasdetektionsbetriebs eine Rissbildung der das prismatische Mehrschicht-Gassensorelement bildenden Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht bewirken.

Die auf der Seitenfläche des hinteren Zuleitungsteils des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements aufgebrachte nicht poröse Aluminiumoxidschicht wird durch gemeinsames Brennen des ungebrannten prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements und der darauf aufgebrachten ungebrannten Aluminiumoxidbeschichtungsschicht bei einer Temperatur von etwa 1.350°C-1.550°C gebildet. Die nicht poröse Aluminiumoxidschicht kann 90-99,9 Gew.% Al₂O₃ und 0,01 –10 Gew.% anorganische Bindemittel, zum Beispiel MgO, SiO₂ und CaO, umfassen. Ein bevorzugterer Bereich für den Anteil an Al₂O₃ ist 99 bis 99,9 Gew.%.

Der an einem distalen Endteil des prismatischen Mehrschicht-Gassensors ausgebildete Gas erfassende Zellenteil, der einer Umgebungsatmosphäre ausgesetzt ist, ist vorzugsweise bei einem Abstand von etwa 0,5 mm-6,5 mm von dem distalen Ende des prismatischen Gassensors angeordnet. Auf diese Weise kann das nahe dem Gas erfassenden Zellenteil positionierte Heizelement schnell den Gas erfassenden Teil auf eine Temperatur von mindestens 600°C erhitzen, um kohlenstoffartigen Ruß abzubrennen, wenn sich dieser darauf abgelagert hat.

Der an den Gas erfassenden Zellenteil angrenzende hintere Zuleitungsteil, der eine darauf aufgebrachte nicht poröse Aluminiumoxidschicht benötigt, da seine Temperatur nicht so weit angehoben wird, dass sie 600°C übersteigt, ist daher bei einem Abstand von etwa 6,5 mm weg von dem distalen Ende des prismatischen Mehrschicht-Gassensors an einem hinteren Endteil desselben angeordnet. Die Temperatur des hinteren Zuleitungsteils wird verhältnismäßig niedrig gehalten, und der größte Teil des hinteren Teils mit Ausnahme seines an den Gas erfassenden Teil angrenzenden Teils wird während des Gasdetektionsbetriebs nicht auf über 600°C erhitzt. Auf einem solchen Teil des hinteren Zuleitungsteils mit verhältnismäßig niedriger Temperatur des hinteren Zuleitungsteils, der der Abgasatmosphäre ausgesetzt wird, lagert sich kohlenstoffartiger Ruß ab.

Normalerweise wird die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht, die den an dem distalen Endteil des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements ausgebildeten Gas erfassenden Teil bildet, nicht verrußt oder desoxidiert. Dies liegt daran, dass ein nahe der Gas erfassenden Zelle vorgesehenes Heizelement so ausgelegt ist, dass es die Temperatur des Gas erfassenden Zellenteils auf eine Temperatur anhebt, die hoch genug ist, um kohlenstoffartigen Ruß bei Ablagerung auf dem Gas erfassenden Zellenteil abzubrennen. Zu beachten ist, dass der kohlenstoffartige Ruß nicht abgebrannt wird, wenn die Temperatur des Gas erfassenden Teils oder des hinteren Zuleitungsteils unter 600°C liegt.

Die Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungsteils einschließlich der Seitenfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht(en), die nicht auf eine Temperatur von 600°C oder höher erhitzt werden, werden erfindungsgemäß mit der nicht porösen Aluminiumoxidschicht beschichtet.

Die zweite Aufgabe der Erfindung wird durch Bereitstellen eines Verfahrens zur Herstellung eines prismatischen Mehrschicht-Gassensors mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt verwirklicht, welches umfasst:
Ausbilden mehrerer ungebrannter Metallelektroden auf einer oberen Oberfläche einer grünen Zirconiumoxid-Festelektrolytfolie;
Ausbilden mehrer ungebrannter Metallbezugselektroden auf der unteren Oberfläche der grünen Festelektrolytfolie (so dass mehrere Gas erfassende Zellen gebildet werden);
Ausbilden mehrerer ungebrannter erster und zweiter Metallzuleitungen auf der oberen bzw. der unteren Oberfläche der grünen Festelektrolytschicht, wobei die ersten Metallzuleitungen an jeweilige Bezugselektroden anschließen und die zweiten Metallelektroden mit jeweiligen Messelektroden verbunden sind, um mehrere hintere Zuleitungsteile zu bilden, die jeweils an einen Gas erfassenden Teil angrenzen;
Ausbilden einer ungebrannten Laminatfolie durch Laminieren einer ersten grünen Aluminiumoxidfolie auf die untere Oberfläche der grünen Festelektrolytschicht und die ersten Metallzuleitungen und durch Laminieren einer zweiten grünen Aluminiumoxidfolie auf die obere Oberfläche der grünen Festelektrolytschicht und die zweiten Metallzuleitungen;
Schneiden der ungebrannten Laminatfolie zu mehreren ungebrannten prismatischen Mehrschicht-Gassensorelementen;
auf den Schnittflächen der ungebrannte prismatische Gassensorelemente bildenden hinteren Zuleitungsteile Ausbilden einer ersten Pastenschicht, die Aluminiumoxidpartikel und ein Lösungsmittel umfasst, und sodann Trocknen der ersten Pastenschicht, um eine Verbindungsschicht zu bilden;
auf der ersten getrockneten Pastenschicht Ausbilden einer zweiten Pastenschicht, die Aluminiumoxidpartikel und ein Lösungsmittel umfasst, und sodann Trocknen der zweiten Pastenschicht, um eine Oberflächenschicht zu bilden; und
Brennen der ungebrannten prismatischen Mehrschicht-Gassensorelemente bei einer Temperatur von 1.350°C-1.550°C, um mehrere gebrannte prismatische Gassensorelemente zu erhalten.

Bei dem obigen Verfahren sind die ungebrannte erste und zweite Pastenschicht jeweils vorzugsweise etwa 3 μm bis 20 μm dick, so dass eine Gesamtdicke der nicht porösen Aluminiumoxidschicht einschließlich einer Verbindungsschicht und einer Oberflächenschicht nach dem Brennen etwa 2 μm-30 μm beträgt.

Die vorliegende Erfindung kann nicht nur bei einem prismatischen Mehrschicht-Gassensorelement angewendet werden, das eine durch Aluminiumoxidschichten sandwichartig eingeschlossene einzelne Festelektrolytschicht umfasst, sondern auch bei einem prismatischen Mehrschicht-Gassensorelement, das zwei oder mehr jeweils von Aluminiumoxidschichten sandwichartig eingeschlossene Festelektrolytschichten umfasst und/oder ein auf dem prismatischen Gassensor laminiertes Keramikheizelementsubstrat umfasst, solange die den hinteren Zuleitungsteil, der an den Gas erfassenden Teil des prismatischen Mehrschicht-Gassensors angrenzt, bildende Festelektrolytschicht Schnittflächen senkrecht zu der oberen und unteren Oberfläche des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements aufweist und die Temperatur der Schnittflächen während eines Gasdetektionsbetriebs des prismatischen Gassensors, der in von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenem Abgas angeordnet ist, unter 600°C liegt.

Da für gewöhnlich über den Metallzuleitungen der Elektroden einer Pumpzelle, die ein prismatisches Mehrzellen-Gassensorelement bildet, das mehrere Festelektrolytschichten umfasst (Bezug nehmend auf die nachstehend beschriebene 5) eine höhere Spannung angelegt wird als über Metallzuleitungen der Elektroden einer EMK-Zelle (elektromotorische Kraft-Zelle), die ein prismatisches Einzellen-Gassensorelement unter Verwendung einer einzigen Festelektrolytschicht (Bezug nehmend auf die nachstehend beschriebene 1) bildet, zeigt sich bei einem prismatischen Mehrzellen-Gassensorelement mit einer auf seiner Längsseitenfläche ausgebildeten nicht porösen Aluminiumoxidschicht eine ausgeprägtere Wirkung der vorliegenden Erfindung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements;

2 ist eine schematische Querschnittansicht bei Schnitt entlang der Linie A-A' von 1, die den Innenaufbau eines hinteren Zuleitungsteils des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements von 1 zeigt;

3 ist eine schematische Querschnittansicht bei Schnitt entlang der Linie B-B' von 1, die den Innenaufbau eines Gas erfassenden Teils des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements von 1 zeigt;

4 ist eine auseinander gezogen dargestellte perspektivische Ansicht, die den Innenaufbau des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements von 1 zeigt;

5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein anderes erfindungsgemäßes prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement zeigt;

6 ist eine schematische Querschnittansicht bei Schnitt entlang der Linie C-C' von 5, die den Innenaufbau eines hinteren Zuleitungsteils des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements von 5 zeigt;

7 ist eine schematische Querschnittansicht bei Schnitt entlang der Linie D-D' von 5, die den Innenaufbau eines Gas erfassenden Teils des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements von 5 zeigt;

8 ist eine auseinander gezogen dargestellte perspektivische Ansicht, die den Innenaufbau des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements von 5 zeigt;

9 ist eine Schnittansicht, die den Innenaufbau eines Gassensors zeigt, der ein erfindungsgemäßes prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement aufweist, das fest in einem Sensorgehäuse aufgenommen ist; und

10 ist ein Schaubild, das die Temperatur als Funktion eines Abstands von einem distalen Ende des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements zeigt.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Als Nächstes wird die vorliegende Erfindung eingehender beschrieben. Die vorliegende Erfindung sollte aber nicht darauf beschränkt ausgelegt werden.

Die vorliegende Erfindung gibt ein prismatisches Gassensorelement mit einem mehrschichtigen Aufbau, der ein darauf laminiertes Keramikheizelement aufweist, zur Verwendung in einem ein Sensorgehäuse umfassenden Gassensor an die Hand.

Wie in 1 oder 5 gezeigt wird, umfasst das erfindungsgemäße prismatische Mehrschicht-Gassensorelement (1, 200) einen Gas detektierenden Zellenteil oder vielmehr einen Gas erfassenden Zellenteil (2, 401), der an einem distalen Ende desselben ausgebildet ist; sowie einen an den Gas erfassenden Teil (2, 401) angrenzenden hinteren Zuleitungsteil (3, 402), der sich in Längsrichtung von einem distalen Ende zu einem hinteren Ende des prismatischen Gassensorelements (1, 200) erstreckt. Ein Aluminiumoxidkeramikschichten (7, 10), (111, 112) und einen Heizwiderstand (12a, 116a – siehe 3 und 7)umfassendes Keramikheizelement ist an dem prismatischen Gassensor (1, 200) so laminiert, dass es den Gas erfassenden Teil (2, 401) erhitzt.

Das in 1 gezeigte prismatische Mehrschicht-Gassensorelement 1 umfasst eine aus stabilisierter oder teilweise stabilisierter Zirconiumoxidkeramik hergestellte, Sauerstoffionen leitende Festelektrolytschicht 4, die sich in Längsrichtung von einem distalen Ende zu einem hinteren Ende des prismatischen Gassensorelements 1 erstreckt. Das prismatische Gassensorelement 1 umfasst weiterhin nicht poröse Isolierschichten (7, 8) aus Aluminiumoxidkeramik, die die Festelektrolytschicht 4 sandwichartig einschließen. Auf der Festelektrolytschicht 4 ist eine poröse Aluminiumoxidschicht 9 nur an dem Gas erfassenden Zellenteil 2 aufgebracht, so dass Abgas, das verschiedene Gase enthält und von einer Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, die die Gas erfassende Zelle bildende Festelektrolytschicht 4 erreichen kann.

2 ist eine schematische Querschnittansicht des an den Gas erfassenden Teil 2 angrenzenden hinteren Zuleitungsteils 3, im Querschnitt entlang Linie A-A' von 1, die den Innenaufbau des hinteren Zuleitungsteils 3 des prismatischen Gassensors 1 von 1 zeigt. Wie in 2 dargestellt wird, sind eine erste Metallzuleitung (5a) und eine zweite Metallzuleitung (6a) (die wie in 3 dargestellt jeweils an die Gas detektierende Elektrode 5 und die Bezugselektrode 6 anschließen) jeweils auf der oberen und unteren ebenen Oberfläche der Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die sich von dem hinteren Zuleitungsteil 3 erstreckt. Eine erste nicht poröse Aluminiumoxidschicht 8 ist auf einer oberen ebenen Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 4 so laminiert, dass sie die obere Oberfläche derselben und die darauf ausgebildete erste Metallzuleitung (5a) bedeckt. Eine zweite nicht poröse Aluminiumoxidschicht 7 ist auf einer unteren ebenen Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 4 so laminiert, dass sie die unteren Oberfläche derselben und die darauf ausgebildete zweite Metallzuleitung (6a) bedeckt.

Die erste und die zweite Zuleitung (5a, 6a) sind jeweils mit einer Messelektrode 5 und einer Bezugselektrode 6 an dem Gas erfassenden Teil 2 verbunden, wie in 4 gezeigt wird. Diese Zuleitungen verlaufen in Längsrichtung in dem hinteren Zuleitungsteil, um jeweils mit Anschlusskissen (13a, 13b), die auf der oberen Oberfläche der ersten nicht porösen Aluminiumoxidschicht 8 ausgebildet und sich nahe dem hinteren Ende des prismatischen Gassensors 1 befinden, verbunden zu sein. Die erste Zuleitung (5a) ist mit dem ersten Anschlusskissen (13a) mittels eines durch die erste Aluminiumoxidschicht 8 ausgebildeten Lochs (16a) verbunden und die zweite Zuleitung (6a) ist mit dem zweiten Anschluss (16b) mittels eines die Festelektrolytschicht 4 durchsetzenden Lochs 15 und mittels eines durch die erste Aluminiumoxidschicht 8 ausgebildeten Lochs 16b verbunden, wie in 4 gezeigt wird.

Ein Heizwiderstand (12a) wird durch nicht poröse Aluminiumoxidschichten (7, 10) sandwichartig eingeschlossen und ist nahe den Elektroden (5, 6), die einen Gas erfassenden Teil 2 bilden, laminiert, um den Gas erfassenden Teil 2 auf eine Temperatur von 600°C oder darüber zu erhitzen und diesen zu aktivieren, um sich auf dem Gas erfassenden Teil 2 ablagernden kohlenstoffartigen Ruß abzubrennen. Die Zuleitungen (12b) des Heizwiderstands (12a), die von den Aluminiumoxidschichten (7, 8) sandwichartig eingeschlossen sind, verlaufen in Längsrichtung, um Anschlussklemmen verbindende Teile (14a, 14b) zu bilden, die jeweils mit auf einem hinteren Endteil der Aluminiumoxidschicht 10 ausgebildeten äußeren Anschlusskissen (17a, 17b) und durch diese ausgebildete Kontaktlöcher (18a, 18b) verbunden sind. Ein bevorzugtes Material für den Heizwiderstand (12a) und für dessen Zuleitungen 12b ist Platin.

Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungsteils 3 sind erfindungsgemäß mit einer dritten nicht porösen Aluminiumoxidschicht beschichtet, wie in 1 und 2 gezeigt wird. Diese Längsseitenflächen entsprechen Schnittflächen, die durch Schneiden eines aus der Festelektrolytschicht 4 und den Aluminiumoxidschichten (7, 8, 10) bestehenden Schichtaufbaus in Laminierrichtung erzeugt werden, und sind daher im Wesentlichen senkrecht zu oberen und unteren ebenen Oberflächen des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements 1.

Die auf die Längsseitenflächen des prismatischen Gassensors 1 aufgebrachte dritte nicht poröse Aluminiumoxidschicht 11 wird mit der mindestens mit der ersten und der zweiten nicht porösen Aluminiumoxidschicht (8, 7) laminierten Festelektrolytschicht 4 bei einer Temperatur von 1.350°C-1.550°C gemeinsam gebrannt, um eine gute Verbindungsfestigkeit zu erzeugen.

3 ist eine schematische Querschnittansicht des Gas erfassenden Zellenteils 2 mit Querschnitt entlang der Linie B-B' von 1. Wie in 3 gezeigt wird, umfasst der an einem distalen Endteil des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements 1 ausgebildete Gas erfassende Teil 2 eine Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 4; eine Gas detektierende oder Gas erfassende Elektrode 5, die an einer oberen ebenen Oberfläche der festen Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist; und eine Bezugselektrode 6, die an einer unteren ebenen Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist. Die untere ebene Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 4 und die darauf ausgebildete Bezugselektrode 6 sind von einer nicht porösen Aluminiumoxidschicht 7, die auf die untere Oberfläche derselben laminiert ist, vollständig bedeckt. Ein Heizwiderstand 12a zum Erhitzen des Gas erfassenden Zellenteils 2, der die Festelektrolytschicht 4 und die darauf angeordneten Elektroden (5, 6) umfasst, ist auf der unteren Oberfläche der nicht porösen Aluminiumoxidschicht 7 ausgebildet und von einer anderen nicht porösen Aluminiumoxidschicht 10 bedeckt. Eine poröse Aluminiumoxidschicht 9 ist auf der Gas erfassenden Elektrode 5 ausgebildet, und die feste Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 4, die den Gas erfassenden Zellenteil 2 bildet, ist dafür ausgelegt, durch den Heizwiderstand 12a auf eine Temperatur von über 600°C erhitzt zu werden.

Die die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 4 sandwichartig einschließenden Elektroden (5, 6) und die damit verbundenen Zuleitungen 5a und 6a sind vorzugsweise aus Platin gefertigt. Insbesondere sind die Bezugselektrode 6 und die damit verbundene Zuleitung 6a aus porösem Plant gefertigt, um Luft als Bezugsgas durch die Zuleitung 6a mit der Bezugselektrode 6 in Verbindung treten zu lassen.

Da die Temperatur der Längsseitenflächen abnimmt, wenn der Abstand von dem Gas erfassenden Teil 2 hin zum hinteren Ende des prismatischen Gassensorelements 2 zunimmt, und nicht über 600°C angehoben wird, wird die auf die Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungssteil aufgebrachte dritte nicht poröse Aluminiumoxidschicht (11) einem Ablagern von Kohlenstoff oder kohlenstoffartigem Ruß auf dieser ausgesetzt.

Bei der Ausbildung der auf die Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungsteils 3 des prismatischen Gassensorelements 2 aufgebrachten dritten nicht porösen Aluminiumoxidschicht 11 wird eine Paste oder ein Schlicker verwendet, der ein Wasserlösungsmittel, ein feines Aluminiumoxidpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,2 μm-0,6 μm und einer Aluminiumoxidreinheit von über 99%, vorzugsweise von über 99,5% enthält. Ein solch feines Aluminiumoxidpulvers wird verwendet, damit das Pulver die feinen Löcher von unebenen Seitenflächen füllen kann, die durch Schneiden eines die Festelektrolytschicht und Aluminiumoxidschichten umfassenden grünen Laminats entstehen. Dadurch wird eine dünne und gleichmäßige nicht poröse Aluminiumoxidbeschichtungsschicht zusammen mit den Seitenflächen des prismatischen Gassensorelements 1 gebrannt. Die Verwendung von Aluminiumoxidpartikeln hoher Reinheit verhindert effektiv die Migration von Metallionen, die in anderen in der nicht porösen Aluminiumoxidschicht 11 enthaltenen anorganischen Substanzen als Aluminiumoxid, wie zum Beispiel MgO und SiO₂, enthalten sind.

Eine nicht poröse Aluminiumoxidschicht 11 mit verbesserter Beständigkeit gegen ein Kohlenstofffiltrieren durch diese hindurch und mit verbesserter Isolierbeständigkeit wird durch doppeltes Aufbringen der Paste auf die Längsseitenflächen des grünen hinteren Zuleitungsteils 3 erhalten. Wenn mit anderen Worten die nicht poröse Aluminiumoxidschicht (11) einen Mehrschichtaufbau hat, der mindestens eine mit der Seitenfläche der Festelektrolytschicht (4) verbundene Verbindungsschicht (11a) und eine mit der Verbindungsschicht (11a) verbundene Oberflächenschicht (11b) aufweist, wird eine Kohlenstofffiltration effektiver verhindert, so dass verglichen mit einer herkömmlichen Einzelschicht-Aluminiumoxidbeschichtung mit der gleichen Dicke ein höherer Isolierwiderstand zwischen der Festelektrolytschicht 4 und einem Sensorgehäuse erreicht wird. Die Verbindungsschicht wird einfach durch Aufbringen einer Schicht auf die obige Paste mit einer Dicke von 3 μm-20 μm auf den Seitenflächen des grünen hinteren Zuleitungsteils 11 und Trocknen bei einer Temperatur von über etwa 100°C, um Wasserlösungsmittel aus der Paste zu entfernen, gebildet. Sodann wird eine weitere Schicht auf die getrocknete Pastenschicht aufgebracht, die aus der gleichen Paste bestehen kann, und diese zweite Pastenschicht wird sodann bei einer Temperatur von über etwa 100°C getrocknet. Mehrere zusätzliche (z.B. 3 oder mehr) Aluminiumoxidbeschichtungsschichten können die Beständigkeit gegen Kohlenstofffiltration weiter verbessern und können den Isolierwiderstand erhöhen, vorausgesetzt, dass die gebrannte Gesamtdicke gleich bleibt (d.h. bis zu einer gebrannten Gesamtdicke von etwa 30 μm). Denn eine auf einer darunter liegenden Aluminiumoxidschicht ausgebildete Aluminiumoxidschicht füllt feine Aluminiumoxidpartikel in Poren oder Leerräume, die in der dünnen darunter liegenden Aluminiumoxidschicht ausgebildet sind, wodurch eine mehrschichtig aufgebaute Aluminiumoxidschicht hoher Dichte und mit einer im Wesentlichen „nicht porösen" Eigenschaft gegen kohlenstoffartigen Ruß gebildet wird.

5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein anderes erfindungsgemäßes prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement 200 zeigt, das mehrere Festelektrolytschichten (103, 107) umfasst.

Das prismatische Mehrschicht-Gassensorelement 200 umfasst eine Gas erfassende Zelle bzw. einen Gas messenden Zellenteil 401 und einen an den Gas erfassenden Zellenteil 401 angrenzenden hinteren Zuleitungsteil 402.

Der Gas erfassenden Zellenteil 401 ist an einem distalen Endteil des prismatischen Gassensorelements (200) ausgebildet. Der Gas erfassende Zellenteil 401 umfasst erste und zweite Zirconiumoxid-Festelektrolytschichten (103, 107), die jeweils darauf ausgebildete Metallelektroden (102a, 104a) (106c, 108a) aufweisen, wie in 7 gezeigt wird. Die erste Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 103 bildet eine elektromotorische Zelle, die eine Sauerstoffpartialdruckdifferenz zwischen einer Bezugselektrode (102a) und einer Gas messenden Elektrode (104a) detektiert. 7 ist eine schematische Querschnittansicht entlang Linie D-D' von 5, die den Innenaufbau eines Gas erfassenden Zellenteils 401 des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements 200 von 5 zeigt. Die in 7 gezeigte zweite Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 107 bildet eine Pumpzelle, die Sauerstoff in die oder aus der Kammer 105d pumpt, die zwischen der Gas messenden Elektrode (104a) und einer an der zweiten Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 107 ausgebildeten inneren Pumpelektrode (106c) gebildet ist. Sauerstoff wird durch die Sauerstoffionen leitende Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 107, eine auf der zweiten Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 107 gebildete äußere Pumpelektrode (108a) und eine die äußere Pumpelektrode (108a) bedeckende poröse Aluminiumoxidschicht (109b) aus dem prismatischen Gassensorelement 200 heraus gepumpt. Ein zum Beispiel aus einer Brennkraftmaschine ausgestoßenes Abgas dringt durch eine poröse Aluminiumoxidschicht 105b, die die Diffusion des Abgases in die Kammer 105d regelt, in die Kammer 105d ein. Durch Messen der Sauerstoffmenge, die in die Kammer 105d hinein oder aus ihr herausgepumpt wird, wird somit der Sauerstoffgehalt des Abgases durch dieses prismatische Mehrschicht-Gassensorelement 200 des Zweizellentyps detektiert.

Ein Keramikheizelement, das einen durch obere und untere Aluminiumoxid-Keramikschichten (112, 111) sandwichartig eingeschlossenen Heizwiderstand (116a) umfasst, wird durch Zementieren der unteren Aluminiumoxidschicht 111 auf die nicht poröse Aluminiumoxidschicht 109 durch eine Zementschicht 110 nahe dem erfassenden Zellenteil 401 angeordnet, wie in 7 und 8 dargestellt wird. Ein sich nahe der porösen Aluminiumoxidschicht 109b befindlicher Teil (109a) der nicht porösen Aluminiumoxidschicht 109 wird nicht mit der unteren Aluminiumoxidschicht 111 zementiert, um so einen Spalt zwischen dem Keramikheizelement und der porösen Aluminiumoxidschicht 109b zu behalten. Die unteren und oberen Aluminiumoxidschichten 112 und 111 sind aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt, die etwa 97 Gewichtsprozent Al₂O₃ und anorganische Bindemittel wie MgO, SiO₂ und CaO enthält. Die Zuleitungen (116b, 116c) des Heizwiderstands sind durch die nicht porösen Aluminiumoxidschichten 111 und 112 sandwichartig eingeschlossen und verlaufen zu einem hinteren Endteil des hinteren Zuleitungsteils 402, um so durch Durchsetzen von Durchgangsbohrungen (117a, 117b) jeweils mit Außenanschlüssen (304, 305) verbunden zu werden.

Der hintere Zuleitungsteil 402 grenzt an den Gas erfassenden Zellenteil 401 an und erstreckt sich zu einem hinteren Endteil des prismatischen Gassensorelements 200, wie in 5 gezeigt wird. Der hintere Zuleitungsteil 402 umfasst die erste und zweite Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (103, 107), die sich jeweils von dem Gas erfassenden Zellenteil 401 zu dem hinteren Endteil des prismatischen Gassensorelements 200 erstrecken, wobei erste obere und untere Metallzuleitungen (104b, 102b) die sich erstreckende erste Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 103 sandwichartig einschließen, zweite obere und untere Metallzuleitungen (108b, 106d) die sich erstreckende zweite Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 107 sandwichartig einschließen, eine erste nicht poröse Aluminiumoxidschicht (101) die untere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 103 und die erste untere Zuleitung 102b bedeckt, ein isolierender Aluminiumoxidabstandshalter 105 zwischen der ersten und der zweiten Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (103, 107) und zwischen der ersten unteren Metallzuleitung (104b) und der zweiten unteren Metallzuleitung (106d) gesetzt ist, eine zweite nicht poröse Aluminiumoxidschicht 109a die obere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 107 und die obere Metallzuleitung (108b) bedeckt und eine dritte nicht poröse Aluminiumoxidschicht (die Schichten 114a und 114b umfasst) mit den Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungsteils 401 gemeinsam gebrannt ist, wobei die Seitenflächen im Wesentlichen senkrecht zu oberen und unteren ebenen Oberflächen des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements 200 sind.

Die ersten oberen und unteren Metallzuleitungen (104b, 102b), die mit den Metallelektroden (104a, 102a) verbinden und die Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 103 sandwichartig einschließen, erstrecken sich in Längsrichtung zu einem hinteren Endteil des prismatischen Gassensors 200, wobei sie jeweils Anschlusskissen (104c, 102c) auf der oberen und unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 103 bilden, wie in 8 gezeigt wird. Das Anschlusskissen (102c) ist mit einer äußeren Zuleitung 301 verbunden, und das Anschlusskissen (104c) ist mit einer äußeren Zuleitung 302 verbunden.

Die zweiten oberen und unteren Metallzuleitungen (108b, 106d), die die sich erstreckende zweite Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht 107 sandwichartig einschließen und mit den Metallelektroden (108a, 106c) verbinden, verlaufen in Längsrichtung zu einem hinteren Endteil des prismatischen Gassensors 200, wobei sie jeweils Anschlusskissen (108a, 106a) an der oberen und unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 107 bilden. Das Anschlusskissen 106a ist mit der äußeren Zuleitung 302 verbunden. Das Anschlusskissen 108c ist mit einem anderen auf der unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 107 ausgebildeten Anschlusskissen (106b) mittels eines diese durchsetzenden Lochs (107a) verbunden. Das Anschlusskissen (106b) ist mit einer äußeren Zuleitung 303 verbunden.

Die erste nicht poröse Aluminiumoxidschicht (101) ist mit der Festelektrolytschicht 103 laminiert, um die untere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht (103), die Metallelektrode (102a) als Bezugselektrode und die erste untere Zuleitung (102b) abzudecken.

Eine zweite nicht poröse Aluminiumoxidschicht 109 ist mit der zweiten Festelektrolytschicht 107 laminiert, um so die obere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 107 und die obere Metallzuleitung (108b) abzudecken.

Ein zwischen der ersten und der zweiten Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (103, 107) und zwischen der ersten unteren Metallzuleitung (104b) und der zweiten unteren Metallzuleitung (106d) gesetzter isolierender Aluminiumoxidabstandshalter 105 wird mit der ersten und der zweiten Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (103, 107) gemeinsam gebrannt, wie in 5 und 8 gezeigt wird.

Die Temperatur der Seitenflächen des hinteren Zuleitungsteils 401 des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements 200 wird nicht auf über 600°C angehoben, so dass sich darauf ablagernder kohlenstoffartiger Ruß nicht abgebrannt wird. Daher werden die Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungsteils 401, die dem Abgas ausgesetzt sind, mit einer dritten nicht porösen Aluminiumoxidschicht (114) beschichtet.

Um zu verhindern, dass Metallionen wie Mg-, Si- und Ca-Ionen von den anorganischen Bindemitteln der Aluminiumoxidschichten (111, 112) zu dem Heizwiderstand (116a) wandern, ist eine Ionenmigration verhindernde Elektrode 115 an eine erdungsseitige Zuleitung (116b) des Heizwiderstands 116a angeschlossen. Ein schützendes Isoliersubstrat 113 aus Aluminiumoxidkeramik ist mit der Isolierschicht 112 laminiert, um die Ionenmigration verhindernde Elektrode 115 zu schützen.

Als Nächstes werden Beispiele des durch die Erfindung verkörperten prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements erläutert, das eine Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht umfasst. An den Beispielen sowie an Vergleichsbeispielen wurde ein Beurteilungstest bezüglich der Haltbarkeit bzw. der Beständigkeit gegenüber einer „Schwärzung" aufgrund Kohlenstoffablagerung durchgeführt. Diese Beurteilungsproben betreffen einen Sauerstoffsensor mit einem prismatischen Mehrschichtaufbau.
Um die prismatischen Mehrschicht-Gassensorelemente zur Beurteilung zu erzeugen, wurde ein Sensor von der Art mit mehreren Zellen mit einem Mehrschichtaufbau, der mehrere Zirconiumoxid-Festelektrolytschichten umfasste, verwendet, wie er in 8 gezeigt wird.
Durch ein Schaberklingenverfahren kann eine grüne isolierende Keramikschicht mit 0,1 mm-0,4 mm Dicke zum Erzeugen der ersten und zweiten nicht porösen Aluminiumoxidschichten (101, 109) und für den isolierenden Aluminiumoxid-Abstandshalter (105, 105a) aus einem Schlicker hergestellt werden, der durch Nassmischen eines anorganischen Pulvers, das 97 Gewichtsprozent Aluminiumoxidpulver und 3 Gewichtsprozent Silika umfasst, und eines Weichmachers gebildet wird.
Eine gründe Elektrolytkeramikschicht mit einer Dicke von etwa 0,4 mm zum Erzeugen der Zirconiumoxid-Festelektrolytschichten (103, 107) kann durch ein Schaberklingenverfahren aus einem Schlickergemisch hergestellt werden, das durch Nassmischen eines anorganischen Pulvers, das 97 Gewichtsprozent Zirconiumoxidpulver und 3 Gewichtsprozent Aluminiumoxid umfasst, und eines Weichmachers gebildet wird. Wenn zwischen der ersten nicht porösen Aluminiumoxidschicht 101 und der ersten Festelektrolytschicht 103 eine weitere dünne grüne Elektrolytkeramikschicht benötigt wird, um die Bezugselektrode 102a und die Zuleitung 102b im Hinblick auf ein gemeinsames Brennen eines Laminats wirksam zu schützen, kann eine kleine Menge Silika für diesen Zweck zugegeben werden.
Der Schlicker kann durch Mischen von 11 Gewichtsteilen Butyralharz und 5 Teilen Dibutylphthalat (DBP) und 100 Gewichtsteilen eines anorganischen Pulvers hergestellt werden.
Eine grüne Metallschicht für die Metallelektroden (102a, 104a, 106c, 108a), die Metallzuleitungen (102b, 104b, 106d, 108b) und die Metallanschlusskissen (102c, 104c, 106a, 106b, 108c), die auf der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht durch Siebdruck zu bilden sind, können 90 Gewichtsprozent Platin und 10 Gewichtsprozent Zirconiumoxid umfassen.
Eine auf der äußeren Pumpelektrode (108a) einer Pumpenzelle ausgebildete poröse Aluminiumoxidschicht (105b) und eine andere poröse Aluminiumoxidschicht (105b) zur Gasdiffusionsregelung, die in einem seitlichen Einlass zu einer Diffusionskammer (105d) ausgebildet ist, können durch Siebdrucken einer Paste hergestellt werden, die z.B. 83 Gewichtsprozent Aluminiumoxidpulver, 3 Gewichtsprozent Silika und 5-20 Gewichtsprozent Kohlenstoffpulver umfasst.
Nach Bilden bzw. Drucken der Sensorbestandteile auf jede Schicht, werden die Schichten durch Ausüben eines Drucks von 150 MPa darauf laminiert und miteinander verbunden, um ein 150 mm großes quadratisches Laminat zu bilden. Acht (8) Stücke grüner prismatischer Mehrschicht-Sensorelemente wurden aus dem Laminat geschnitten.
An den Längsseitenschnittflächen des hinteren Zuleitungsteils 402 wurde ein Schlickergemisch aufgebracht, das durch Nassmischen eines anorganischen Pulvers, das 97 Gewichtsprozent Aluminiumoxidpulver und 3 Gewichtsprozent Silika umfasste, mit Wasser gebildet wurde.
Vier Arten von Proben wurden durch Verändern der Anzahl an Aluminiumoxidbeschichtungsschichten, die auf die Längsseitenflächen aufgebracht wurden, während eine Gesamtdicke derselben bei bis zu etwa 20 μm gehalten wurde, zur Beurteilung hergestellt. Die Beschichtung erfolgte so, dass nach Aufbringen einer grünen Schicht die aufgebrachte Schicht durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 100°C getrocknet wird, bevor die nächste Beschichtung aufgebracht wird. Ein erstes Beispiel des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements wurde für den Test mit zwei Schichten beschichtet. Ein zweites Beispiel wurde mit vier Schichten beschichtet. Ein drittes Vergleichsbeispiel wurde mit einer einzigen Schicht beschichtet, und ein viertes Vergleichsbeispiel wurde nicht beschichtet.
Sodann wurden die grünen prismatischen Mehrschicht-Gassensorproben bei einer Temperatur von 1.520°C gebrannt. Die Länge eines unbeschichteten Teils, der dem Gas erfassenden Teil 401 in 5 entsprach, betrug etwa 6,5 mm.
Ein Keramikheizelement, das zwei Aluminiumoxidschichten (111, 112) umfasste, die einen Heizwiderstand (116a) und die Zuleitungen (116b, 116c) sandwichartig einschlossen, das eine Ionenmigration verhindernde Elektrode 115 aufwies, die von der Aluminiumoxidschicht 112 und einer schützenden Aluminiumoxidschicht 113 sandwichartig eingeschlossen war, wurde mit der oberen Oberfläche des hinteren Zuleitungsteils 402 jeder der vier Proben zementiert, um ein prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement 200 zu bilden, wie es in 5 gezeigt wird.
Sodann wurden die vier Probe-Gassensorelemente jeweils in ein Sensorgehäuse 203 eingebaut, wie in 9 gezeigt wird, und einer Beurteilung hinsichtlich einer durch Kohlenstoffablagerung auf den Seitenflächen der prismatischen Gassensorelemente verursachten „Schwärzung" der Zirconiumoxid-Festelektrolytschichten unterzogen.
Zunächst wurde die Temperaturverteilung als Funktion des Abstands vom distalen Ende des prismatischen Gassensorelements gemessen, wenn dieses in ein in 9 gezeigtes typisches Sensorgehäuse eingebaut war, wobei es als Kraftstoff/Luftsensor mit dem das Element heizenden Keramikheizelement betrieben wurde. Die Temperaturverteilung des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements in dessen Längsrichtung ist während des tatsächlichen Einsatzes wie in 10 gezeigt, was eine Thermopositionsbeziehung zwischen dem Gas erfassenden Zellenteil und dem hinteren Zuleitungsteil im Hinblick auf die wirksame Thermooxidation bzw. das Abbrennen von kohlenstoffartigem Ruß liefert, der sich auf dem prismatischen Mehrschichtkeramik-Gassensorelement ablagert.
Um die Beurteilung der eine „Schwärzung" der Festelektrolytschichten verursachenden Kohlenstoffablagerung zu erleichtern, wurde Kohlenstoff vorab auf jedes in das Sensorgehäuse 203 eingebaute und in einen Metallschutz 241 desselben ragende Proben-Gassensorelement gesprüht, wobei der Gas erfassende Teil durch ein Abdeckband abgedeckt wurde, und zwar in dem Umfang, dass der Oberflächenwiderstand über der Aluminiumoxidschicht 114 des hinteren Zuleitungsteils 402 und den isolierenden Elementen (206, 262, 263), die das Sensorelement 200 in dem Metallgehäuse 203 lagerten, auf unter 1 k Ohm gesenkt wurde. Der zwischen dem Metallgehäuse 203 und jedem der mit den Heizelementanschlüssen (304, 305) verbundenen äußeren Zuleitungsdrähte (211, 212) gemessene Widerstand und der zwischen dem Metallgehäuse 203 und jeder der mit den Sensoranschlüssen (303, 302, 301) verbundenen Metallzuleitungen (213, 214, 215) lag überall bei über 1 M Ohm.
Nach dem Freilegen der Gas erfassenden Teile wurden die Gassensoren, die jeweils das Probensensorelement enthielten, 14 Stunden lang in einer kraftstoffreichen Atmosphäre mit Luft/Kraftstoff = 11,5 und bei einer Temperatur von 450°C betrieben.
Nach diesem Betriebstest wurden die oben erwähnten Widerstände gemessen. Der zwischen dem Metallgehäuse 203 und jedem der äußeren Zuleitungsdrähte (211, 212), die mit den Heizelementanschlüssen (304, 305) verbunden waren, gemessene Widerstand lag bei über 1 M Ohm. Der zwischen dem Metallgehäuse 203 und jeder der Metallzuleitungen (213, 214, 215), die mit den Sensoranschlüssen (303, 302, 301) des ersten und zweiten Beispiel-Sensorelements verbunden waren, gemessene Widerstand lag überall bei über 1 M Ohm. Der zwischen dem Metallgehäuse 203 und jeder der Metallzuleitungen (213, 214, 215), die mit den Sensoranschlüssen (303, 302, 301) des dritten und des vierten Vergleichsbeispiels verbunden waren, gemessene Widerstand lag aber bei unter 500 K Ohm bzw. unter 300 K Ohm.
Sodann wurde der an den Oberflächen der Proben-Gassensorelemente 200 anhaftende Kohlenstoff durch Ultraschallreinigung entfernt. Sodann wurden die Seitenflächen der Beispiel-Elemente mit Hilfe eines metallographischen Mikroskops geprüft, um zu sehen, ob eine Schwärzung oder Desoxidation der Festelektrolytschichten eingetreten war.
Die erfindungsgemäßen ersten und zweiten Beispiel-Sensorelemente wiesen keinerlei Schwärzung auf. Die dritten und vierten Vergleichsbeispiel-Sensorelemente wiesen dagegen deutliche Schwärzung der Festelektrolytschichten auf. Der „geschwärzte" Zustand der Zirconiumoxid-Festelektrolytschichten des vierten Vergleichsbeispiel-Sensorelements war nahezu pechschwarz und viel dunkler als beim dritten Vergleichsbeispielsensor. Die geprüften Oberflächen der dritten und vierten Beispielsensoren zeigten, dass die „Schwärzung" aus kleinen schwarzen Flecken entstanden war und sich dann von dort ausgebreitet hatte.
Die erfindungsgemäßen ersten und zweiten Beispielsensorelemente weisen vorteilhafterweise eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffrußablagerung oder Desoxidation der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht auf und waren hinsichtlich einer Thermopositionsbeziehung zwischen dem Gas erfassenden Zellenteil und dem hinteren Zuleitungsteil im Hinblick auf die wirksame Thermooxidation bzw. das Abbrennen von sich auf dem prismatischen Mehrschichtkeramik-Gassensorelement ablagerndem kohlenstoffartigen Ruß besser.
Für den Fachmann ist ferner offensichtlich, dass verschiedene Änderungen der vorstehend gezeigten und beschriebenen Erfindung in Form und Detail vorgenommen werden können. Diese Änderungen sollen in das Wesen und den Schutzumfang der hier beigefügten Ansprüche fallen.
Diese Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-32241, die am 8. Februar 2005 eingereicht wurde und deren Offenlegung durch Erwähnung in ihrer Gesamtheit Teil dieser Anmeldung wird.

Claims

Prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement (1) mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, welches umfasst: einen an einem distalen Endteil des prismatischen Gassensorelements (1) ausgebildeten Gas erfassenden Zellenteil (2), der eine Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4) und eine Gas detektierende Elektrode (5) sowie eine Bezugselektrode (6), die auf oberen bzw. unteren ebenen Oberflächen der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4) ausgebildet sind, umfasst; einen an den Gas erfassenden Zellenteil (2) angrenzenden und sich zu einem hinteren Endteil des prismatischen Gassensorelements (1) erstreckenden hinteren Zuleitungsteil (3), der umfasst: die sich in Längsrichtung von dem Gas erfassenden Teil (2) erstreckende Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4), eine erste Metallzuleitung (5a) und eine zweite Metallzuleitung (6), die jeweils mit der Gas detektierenden Elektrode (5) und der Bezugselektrode (6) verbunden sind, wobei die erste und die zweite Metallzuleitung auf der oberen bzw. der unteren ebenen Oberfläche der Festelektrolytschicht (4) ausgebildet sind und sich von dem hinteren Zuleitungsteil (3) erstrecken, eine erste nicht poröse Aluminiumoxidschicht (8), die die obere ebene Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4) und die darauf ausgebildete erste Metallzuleitung (5a) bedeckt, sowie eine zweite nicht poröse Aluminiumoxidschicht (7), die die untere ebene Oberfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4) und die darauf ausgebildete zweite Metallzuleitung (6a) bedeckt; und einen Heizwiderstand (12a), der von Isolierschichten (7, 10) sandwichartig eingeschlossen und in der Nähe des Gas erfassenden Teils (2) angeordnet ist, um den Gas erfassenden Teil (2) auf eine Temperatur von über 600°C zu erhitzen; wobei die Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungsteils (3), die im Wesentlichen senkrecht zu oberen und unteren ebenen Oberflächen des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements (1) sind und durch den Heizwiderstand (12a) auf eine nicht 600°C übersteigende Temperatur erhitzt werden, mit einer dritten nicht porösen Aluminiumoxidschicht (11) beschichtet sind.
Prismatischer Mehrschicht-Gassensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas erfassende Teil (2) innerhalb einer Strecke von etwa 8 mm oder weniger von dem distalen Ende des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements (1) angeordnet ist.
Prismatischer Mehrschicht-Gassensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (4), die den Gas erfassenden Teil (2) bildet, nicht mit einer nicht porösen isolierenden Schicht beschichtet ist.
Prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte nicht poröse Aluminiumoxidschicht (11) gemeinsam mit dem hinteren Zuleitungsteil (2) gebrannt wird und eine gebrannte Dicke von 2 μm-30 μm aufweist.
Prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte nicht poröse Aluminiumoxidschicht (11) eine mit einer Seitenfläche der Festelektrolytschicht (4) verbundene Verbindungsschicht (11a) und eine mit der Verbindungsschicht (11a) verbundene Oberflächenschicht (11b) umfasst.
Prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement (200) mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, welches umfasst: einen an einem distalen Endteil des prismatischen Gassensorelements (200) ausgebildeten Gas erfassenden Zellenteil (401), der erste und zweite Zirconiumoxid-Festelektrolytschichten (103, 107) umfasst, die jeweils darauf ausgebildete Metallelektroden (102a, 104a), (106c, 108a) aufweisen; einen an den Gas erfassenden Zellenteil (401) angrenzenden und sich zu einem hinteren Endteil des prismatischen Gassensorelements (200) erstreckenden hinteren Zuleitungsteil (402), der umfasst: erste und zweite sich jeweils von dem Gas erfassenden Teil (402) zu einem hinteren Endteil des prismatischen Gassensorelements (200) erstreckende Zirconiumoxid-Festelektrolytschichten (103, 107), erste obere und untere Metallzuleitungen (104b, 102b), die die sich erstreckende erste Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (103) sandwichartig einschließen, zweite obere und untere Metallzuleitungen (108b, 106b), die die sich erstreckende zweite Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (107) sandwichartig einschließen, eine erste nicht poröse Aluminiumoxidschicht (101), die die untere Oberfläche der ersten Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (103) und die erste untere Zuleitung (102b) bedeckt, einen isolierenden Aluminiumoxidabstandshalter (105), der zwischen der ersten und der zweiten Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (103, 107) und zwischen der ersten unteren Metallzuleitung (104b) und der zweiten unteren Metallzuleitung (106d) angeordnet ist, sowie eine zweite nicht poröse Aluminiumoxidschicht (109a), die die obere Oberfläche der zweiten Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (107) und die obere Metallzuleitung (108b) bedeckt; und einen Heizwiderstand (116a), der von Isolierschichten (111, 112) sandwichartig eingeschlossen und in der Nähe der Metallelektroden (102a, 104a) (106c, 108a) angeordnet ist, um den Gas erfassenden Zellenteil (401) auf eine Temperatur von über 600°C zu erhitzen; wobei die Längsseitenflächen des hinteren Zuleitungsteils (401), die im Wesentlichen senkrecht zu oberen und unteren ebenen Oberflächen des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements (200) sind und durch den Heizwiderstand (116a) auf eine nicht 600°C übersteigende Temperatur erhitzt werden, mit einer dritten nicht porösen Aluminiumoxidschicht (114) beschichtet sind.
Prismatischer Mehrschicht-Gassensor (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas erfassende Teil (401) innerhalb einer Strecke von etwa 8 mm oder weniger von dem distalen Ende des prismatischen Mehrschicht-Gassensorelements (200) angeordnet ist.
Prismatischer Mehrschicht-Gassensor (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenfläche der Zirconiumoxid-Festelektrolytschicht (103), die den Gas erfassenden Teil (401) bildet, nicht mit einer nicht porösen isolierenden Schicht beschichtet ist.
Prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte nicht poröse Aluminiumoxidschicht (114) gemeinsam mit dem hinteren Zuleitungsteil (401) gebrannt wird und eine gebrannte Dicke von 2 μm-30 μm aufweist.
Prismatisches Mehrschicht-Gassensorelement (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte nicht poröse Aluminiumoxidschicht (114) eine mit einer Seitenfläche der ersten Festelektrolytschicht (103) verbundene und mit einer Seitenfläche der Festelektrolytschicht (107) verbundene Verbindungsschicht (114a) und eine mit der Verbindungsschicht (114a) verbundene Oberflächenschicht (114b) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines prismatischen Mehrschicht-Gassensors mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, welches umfasst: Ausbilden mehrerer ungebrannter Metallelektroden auf einer oberen Oberfläche einer grünen Zirconiumoxid-Festelektrolytfolie; Ausbilden mehrerer ungebrannter Metallbezugselektroden auf der unteren Oberfläche der grünen Festelektrolytfolie, um mehrere Gas erfassende Zellen zu erhalten; Ausbilden mehrerer ungebrannter erster und zweiter Metallzuleitungen auf der unteren bzw. oberen Oberfläche der grünen Festelektrolytschicht, wobei die ersten Metallzuleitungen an jeweilige Bezugselektroden anschließen und die zweiten Metallelektroden mit jeweiligen Messelektroden verbunden sind, um mehrere jeweils an einen Gas erfassenden Teil angrenzende hintere Zuleitungsteile zu bilden; Bilden einer ungebrannten Laminatfolie durch Laminieren einer ersten grünen Aluminiumoxidfolie auf die untere Oberfläche der grünen Festelektrolytschicht und die ersten Metallzuleitungen sowie Laminieren einer zweiten grünen Aluminiumoxidfolie auf die obere Oberfläche der grünen Festelektrolytschicht und die zweiten Metallzuleitungen; Schneiden der ungebrannten Laminatfolie zu mehreren ungebrannten prismatischen Mehrschicht-Gassensorelementen; auf Schnittflächen der hinteren Zuleitungsteile, die ungebrannte prismatische Gassensorelemente bilden, Ausbilden einer ersten Pastenschicht, die Aluminiumoxidpartikel und ein Lösungsmittel umfasst, und sodann Trocknen der ersten Pastenschicht zur Bildung einer Verbindungsschicht; Ausbilden einer zweiten Pastenschicht, die Aluminiumoxidpartikel und ein Lösungsmittel umfasst, auf der ersten getrockneten Pastenschicht und sodann Trocknen der zweiten Pastenschicht zur Bildung einer Oberflächenschicht; und Brennen der ungebrannten prismatischen Mehrschicht-Gassensorelemente bei einer Temperatur von 1.350°C-1.550°C, um mehrere gebrannte prismatische Gassensorelemente zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede von erster und zweiter Pastenschicht eine ungebrannte Dicke von etwa 3 μm-25 μm aufweist, so dass die die Verbindungsschicht und die Oberflächenschicht umfassende nicht poröse Aluminiumoxidschicht nach dem Brennen eine Gesamtdicke von etwa 2 μm-30 μm aufweist.