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Die Erfindung betrifft einen Gassensor
oder Gasmessfühler
(nachstehend als „Gasmessfühler" bezeichnet) zur
Erfassung der Konzentration eines in einem zu messenden Gas enthaltenen
Gases wie NOx sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Gasmessfühlers.
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Ein Gasmessfühler ist eine Art Erfassungsbauteil,
das mit Hilfe mehrerer elektrochemischer Zellen, die jeweils durch
Aufbringen eines Paars Elektroden auf einer Festelektrolytlage gebildet
werden, in einem zu messenden Gas, etwa einem Abgas, eine Gaskonzentration
erfasst, etwa die von NOx. Genauer gesagt befindet sich zwischen
der Festelektrolytlage und einer weiteren, dieser Lage gegenüberliegenden
Lage ein Abstandshalter, durch den eine Gasmesskammer, in die das
zu messende Gas (Messgas) eingeleitet wird, oder eine Bezugsgaskammer
gebildet wird, in die Umgebungsluft als ein Bezugsgas für die Messung
eingelassen wird. Nachdem die Sauerstoffkonzentration des in die Gasmesskammer
eingeleiteten Messgases angepasst oder reguliert worden ist, wird
die darin enthaltene Konzentration an NOx oder dergleichen ermittelt.
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Ein für die obigen Zwecke geeigneter
Gasmessfühler
ist beispielsweise in 30 dargestellt. Wie
sich aus 30 ergibt,
umfasst dieser Gasmessfühler 9 herkömmlichen
Aufbaus eine poröse Lage 931,
eine Abschirmlage 932, ein Abstandshalter 933,
eine eine Überwachungszelle 3 und
eine Sensorzelle 4 bildende Festelektrolytlage 94,
einen Abstandshalter 95, eine eine Pumpzelle 2 bildende Festelektrolytlage 96,
einen Abstandshalter 97, eine Heizkörperabdecklage bzw. -überzugslage 996 und eine
Heizkörperlage 995 (beide
Heizkörperlagen können auch
einfach als „Heizkörperlage 99" bezeichnet werden).
Diese Lagen werden wie in 30 gezeigt
in einer vorbestimmten Abfolge übereinander geschichtet,
wobei dieser Schichtaufbau dann in der Aufschichtungsrichtung zusammengepresst
und so zusammengesintert wird, dass die jeweiligen Lagen 931, 932, 94, 96 und 99 (995, 996)
und die jeweiligen Abstandshalter 933, 95 und 97 in
dieser Abfolge zusammengebracht werden.
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In dem Gasmessfühler mit dem obigen Aufbau
sind zwischen den benachbarten Lagen und innerhalb der jeweiligen
mit einem hohlen Aufbau versehenen Abstandshalter 933, 95 und 97 Gaskammern 91, 92, 921 und 922 ausgebildet,
weswegen sich die Abschirmschicht 932 des Gasmessfühlers 9, die
am weitesten außen
gelegen ist, beim Aufbringen eines Drucks auf den Schichtaufbau
zur Gaskammer 921 hin wölben
kann. In diesem Fall kann sich, wie in den 31 und 32 gezeigt
ist, in Längsrichtung
des Gasmessfühlers 9 an
einem in Breitenrichtung der Abschirmlage 932 im Großen und
Ganzen mittleren Abschnitt ein Riss 901 bilden. Dieses
Problem der Rissbildung kann im übereinander
geschichteten Zustand auch bei den anderen Lagen 931, 94, 96 und 99 auftreten.
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Davon abgesehen werden auf einer
Oberfläche
der Festelektrolytlage 94 durch Siebdruck einer Metallpaste
die Elektroden 31 und 32 der Überwachungszelle 3 und
die Elektroden 41 und 42 der Sensorzelle 4 ausgebildet
sowie auf einer Oberfläche
der Festelektrolytlage 96 durch Siebdruck einer Metallpaste
die Elektroden 21 und 22 der Pumpzelle 2. Ebenso
wird auf der Oberfläche
der Heizkörperlage 995 durch
einen Siebdruckvorgang das Heizelement 991 der Heizkörperlage 99 ausgebildet.
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Wie in den 33 und 34 gezeigt
ist, hat das Heiz element 991 in dem Gasmessfühler 9,
das durch Siebdruck aufgebracht wird, eine vorstehende Oberfläche, d.h.
eine wie in 34 gezeigte
kreisförmige Oberfläche mit
einem vorderen Endabschnitt 992. Wenn der Schichtaufbau
des Gasmessfühlers 9 erstellt
wird, stößt das vorstehende
vordere Ende 992 daher in Längsrichtung L des Gasmessfühlers 9 linear
gegen die Heizkörperabdecklage 996.
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Wenn die jeweiligen Lagen 931, 932, 94, 96, 996, 995 und
die jeweiligen Abstandshalter 933, 95, 97 übereinander
geschichtet und in diesem übereinander
geschichteten Zustand zusammengepresst werden, kann daher an einem
Abschnitt, der dem das vorstehende vordere Ende bildenden Abschnitt 992 entspricht,
ein Riss 901 entstehen.
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Die Erfindung soll im Wesentlichen
die aus dem Stand der Technik bekannten, oben erwähnten Fehler
oder Nachteile beseitigen, weswegen es Hauptaufgabe der Erfindung
ist, einen Gasmessfühler
mit verbessertem Aufbau zur Verfügung
zu stellen, wobei sich während
der Herstellung des Gasmessfühlers
wirksam die Entstehung von Rissen in den den Messfühler bildenden
Lagen verhindern lässt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
eines Gasmessfühlers
zur Verfügung
zu stellen, mit dem sich während
dessen Herstellung wirksam die Entstehung von Rissen verhindern
lässt.
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Die obigen und weiteren Aufgaben
werden gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung durch einen Gasmessfühler gelöst, mit:
einer
mit einem Paar Elektroden versehenen und eine elektrochemische Zelle
bildenden Festelektrolytlage;
einer anderen, der Festelektrolytlage
gegenüberliegenden
Lage;
einem zwischen diesen Lagen gelegenen Abstands halter,
der eine Gaskammer definiert, in der Gas mit einer der Elektroden
in Kontakt kommt; und
einem in der Gaskammer gelegenen Stützbauteil, das
eine in Aufschichtungsrichtung der Festelektrolytlage und der anderen
Lage aufgebrachte Presskraft abstützt.
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Bei dieser Ausgestaltung ist es vorzuziehen, wenn
die Gaskammer in ihrer Längsrichtung
eine große
Abmessung hat und wenn sich das Stützbauteil an einer Stelle befindet,
an der es einen in ihrer zu ihrer Längsrichtung senkrechten Breitenrichtung
im Großen
und Ganzen mittleren Abschnitt der Gaskammer abstützt.
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Das Stützbauteil hat entlang einer
zur Längsrichtung
der Gaskammer senkrechten Linie eine Querschnittsfläche, die
5 bis 95% der Querschnittsfläche
der Gaskammer einnimmt.
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In einem spezielleren Ausführungsbeispiel ist
ein Gasmessfühler
vorgesehen, mit:
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einer Abschirmlage;
einer eine Überwachungszelle
und eine Sensorzelle bildenden ersten Festelektrolytlage;
einem
zwischen der Abschirmlage und der ersten Festelektrolytlage gelegenen
und zwischen diesen eine erste Bezugsgaskammer bildenden ersten
Abstandshalter;
einer eine Pumpzelle bildenden zweiten Festelektrolytlage;
einem
zwischen der ersten und zweiten Festelektrolytlage gelegenen und
zwischen diesen eine Gasmesskammer bildenden zweiten Abstandshalter;
einer
mit einem Heizelement versehenen Heizkörperlage;
einem zwischen
der zweiten Festelektrolytlage und der Heizkörperlage gelegenen und eine
zweite Bezugsgaskammer bildenden Abstandshalter, wobei die Abschirmlage, die
erste und zweite Festelektrolytlage und die Heizkörperlage
in einer vorbestimmten Abfolge übereinander
geschichtet sind; und
jeweils in der ersten und zweiten Bezugsgaskammer und
der Gasmesskammer gelegenen Stützbauteilen.
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Es kann auch ein Gasmessfühler vorgesehen
sein, mit
einer eine erste Pumpzelle bildenden ersten Festelektrolytlage;
einer
eine zweite Pumpzelle, eine Überwachungszelle
und eine Sensorzelle bildenden zweiten Festelektrolytlage;
einem
zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytlage gelegenen
und zwischen diesen eine Gasmesskammer bildenden ersten Abstandshalter;
einer
mit einem Heizelement versehenen Heizkörperlage;
einem zwischen
der zweiten Festelektrolytlage und der Heizkörperlage gelegenen und zwischen
diesen eine Bezugsgaskammer bildenden zweiten Abstandshalter, wobei
die erste und zweite Festelektrolytlage und die Heizkörperlage
in einer vorbestimmten Abfolge übereinander
geschichtet sind; und
jeweils in der Bezugsgaskammer und der
Gasmesskammer gelegenen Stützbauteilen.
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Wenn bei dem Gasmessfühler mit
dem oben genannten Aufbau und den oben genannten Eigenschaften auf
die Festelektrolytlage und die der Festelektrolytlage gegenüberliegende
andere Lage in Aufschichtungsrichtung eine Presskraft aufgebracht wird,
kann diese Presskraft von dem in der zwischen diesen Lagen ausgebildeten
Gasmesskammer gelegenen Stützbauteil
abgestützt
(gehalten) werden, was dem Gasmessfühler Festigkeit verleiht.
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Genauer gesagt werden die Festelektrolytlage,
die gegenüberliegende
Lage und der dazwischen gelegene Abstandshalter bei der Herstellung
des Gasmessfühlers
in ihrem übereinander
geschichteten Zustand unter Druck gesetzt. Dabei kann die entsprechende
Presskraft von dem in der zwischen diesen beiden Lagen definierten
Gasmesskammer gelegenen Stützbauteil
abgestützt
werden, was ein sich Biegen oder Wölben der Festelektrolytlage
und/oder der gegenüberliegenden
Lage zur Gasmesskammer verhindert wie auch die Entstehung von Rissen
in der Festelektrolytlage und der gegenüberliegenden Lage verhindert.
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Nach der Druckbeaufschlagung wird
eine Sinterbehandlung durchgeführt.
Wenn die gegenüberliegende
Lage und/oder der Abstandshalter aus anderen Materialien als das
Material der Festelektrolytlage bestehen, besteht dabei die Gefahr,
dass sich die Festelektrolytlage oder die gegenüberliegende Lage aufgrund des
unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der gegenüberliegenden
Lage oder dem Abstandshalter und der Festelektrolytlage zur Gasmesskammer
hin wölbt.
In diesem Fall kann die Erfindung das sich Biegen oder Wölben der
Festelektrolytlage und/oder der gegenüberliegenden Lage zur Gasmesskammer
und auch die Entstehung von Rissen in der Festelektrolytlage und
der gegenüberliegenden
Lage verhindern.
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Darüber hinaus können sich
in den Ausführungsbeispielen,
in denen mehrere Lagen wie die Abschirmlage, die erste und zweite
Festelektrolytlage und die Heizkörperlage übereinander
geschichtet sind und sich zwischen den jeweiligen Lagen die Abstandshalter
befinden und dazwischen die Gasmesskammer und die Bezugsgaskammer
definieren, in jeder Gaskammer Stützbauteile befinden, um so
zu verhindern, dass sich die Lagen wölben oder biegen und in ihnen
Risse entstehen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gasmessfühlers vorgesehen,
das folgende Schritte umfasst:
Anfertigen eines ungesinterten
Substrats;
Ausbilden einer leitfähigen Schicht auf einer Oberfläche des
ungesinterten Substrats und, während
die leitfähige
Schicht ausgebildet wird, Ausbilden eines flachen Abschnitts auf
der Oberfläche
der leitfähigen Schicht,
so dass der flache Abschnitt eine Breite von mehr als 3% der Breite
der leitfähigen
Schicht hat;
Aufschichten einer ungesinterten Schichtungslage auf
der Oberfläche
der leitfähigen
Schicht auf dem ungesinterten Substrat, so dass sich ein Zwischenprodukt
ergibt; und
Sintern des auf diese Weise übereinander geschichteten Zwischenprodukts.
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Bei diesem Verfahren wird der flache
Abschnitt an dem vorstehenden vorderen Endabschnitt der leitfähigen Schicht
ausgebildet und stößt dieser flache
Abschnitt während
der Herstellung des Zwischenprodukts gegen die ungesinterte Schichtungslage.
Dadurch wird verhindert, dass eine zu große lokale Belastung auf das
ungesinterte Substrat und die ungesinterte Schichtungslage aufgebracht
wird, so dass die Entstehung von Rissen in dem ungesinterten Substrat
und der ungesinterten Schichtungslage verhindert wird.
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Wenn das Breitenverhältnis des
flachen Abschnitts zur leitfähiger
Schicht weniger als 3% beträgt,
ist die Breite des flachen Abschnitts so gering, so dass die Rissverhinderungswirkung
geringer ist.
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Es mag günstig sein, dieses Breitenverhältnis so
groß wie
möglich
auszuführen,
doch lässt
es sich in Anbetracht dessen, dass die leitfähige Schicht wie später beschrieben
durch ein Druckverfahren ausgebildet wird, nur schwer auf 100% bringen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gasmessfühlers vorgesehen, das folgende
Schritte umfasst:
Anfertigen eines ungesinterten Substrats;
Aufdrucken
einer Metallpaste auf einer Oberfläche des ungesinterten Substrats,
um darauf eine leitfähige
Schicht zu bilden, wobei die Metallpaste bei einer Temperatur von
20°C eine
Viskosität
von 200 ± 50 [Pa·s] hat;
Ausbilden
eines flachen Abschnitts auf einer Oberfläche der aus der Metallpaste
gebildeten leitfähigen Schicht;
Aufschichten
einer ungesinterten Schichtungslage auf der Oberfläche der
leitfähigen
Schicht auf dem ungesinterten Substrat, so dass sich ein Zwischenprodukt
ergibt; und
Sintern des auf diese Weise aufgeschichteten Zwischenprodukts.
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Bei diesem Verfahren wird der flache
Abschnitt durch das Aufbringen der Metallpaste auch an dem vorstehenden
vorderen Endabschnitt der leitfähigen
Schicht ausgebildet und stößt dieser
flache Abschnitt während
der Herstellung des Zwischenprodukts gegen die ungesinterte Schichtungslage.
Dadurch kann verhindert werden, dass auf das ungesinterte Substrat
und die ungesinterte Schichtungslage eine zu große lokale Belastung aufgebracht
wird, so dass verhindert wird, dass in dem ungesinterten Substrat und
der ungesinterten Schichtungslage Risse auftreten.
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Falls die Viskosität der Metallpaste
bei 20°C geringer
als 200 ± 50
[Pa·s]
ist, besteht die Gefahr, dass sich aufgrund zu geringer Viskosität nicht
die beabsichtigte leitfähige
Schicht bildet, während
dann, wenn die Viskosität
der Metallpaste bei einer Temperatur von 20°C mehr als 200 ± 50 [Pa·s] beträgt, die Gefahr
besteht, dass der ausgebildete flache Abschnitt eine zu geringe
Breite hat und sich daher nicht die gewünschte Rissverhinderungswirkung
erzielen lässt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gasmessfühlers vorgesehen, das die Schritte
umfasst:
Anfertigen eines ungesinterten Substrats;
Aufdrucken
einer Metallpaste auf einer Oberfläche des ungesinterten Substrats
für eine
leitfähige Schicht;
Trocknen
der Metallpaste, um die leitfähige
Schicht auszubilden;
Ausbilden eines flachen Abschnitts durch
Druckbeaufschlagung der leitfähigen
Schicht, so dass der flache Abschnitt eine Breite von mehr als 3%
der Breite der leitfähigen
Schicht hat;
Aufschichten einer ungesinterten Schichtungslage auf
der Oberfläche
der leitfähigen
Schicht auf dem ungesinterten Substrat, so dass sich ein Zwischenprodukt
ergibt; und
Sintern des auf diese Weise aufgeschichteten Zwischenprodukts.
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Bei diesem Verfahren wird durch das
Aufbringen der Metallpaste der ein vorbestimmtes Breitenverhältnis aufweisende
flache Abschnitt auch an dem vorspringenden vorderen Endabschnitt
der leitfähigen
Schicht ausgebildet und stößt dieser
flache Abschnitt während
der Herstellung des Zwischenprodukts gegen die ungesinterte Schichtungslage.
Dadurch wird verhindert, dass auf das ungesinterte Substrat und
die ungesinterte Schichtungslage eine zu große lokale Belastung aufgebracht
wird, so dass verhindert wird, dass in dem ungesinterten Substrat und
der ungesinterten Schichtungslage Risse auftreten.
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Bei diesem Herstellungsverfahren
kann die leitfähige
Schicht einen Wärmeerzeugungsabschnitt und
einen Leitungsabschnitt umfassen, der zur Verbindung des Wärmeerzeugungsabschnitts
mit einem externen Bauteil des Gasmessfühlers dient, während das
Substrat eine mit einer leitfähigen
Schicht versehene Heizkörperlage
umfassen kann.
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Die leitfähige Schicht kann eine Elektrode und
einen Leitungsabschnitt umfassen, der zur Verbindung der Elektrode
mit einem externen Bauteil des Gasmessfühlers dient, während das
Substrat eine mit einem Paar leitfähiger Schichten versehene und
eine elektrochemische Zelle bildende Festelektrolytlage umfassen
kann.
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In den obigen Ausführungsbeispielen
für das Herstellungsverfahren
des Gasmessfühlers
entsprechen das ungesinterte Substrat und die ungesinterte Schichtungslage
dem Substrat und der Lage vor dem Sintern und wird die Breite des
flachen Abschnitts in der zur Längsrichtung
des Substrats, in der die leitfähige
Schicht verläuft,
senkrechten Richtung ausgebildet. Davon abgesehen ist die leitfähige Schicht
eine mit einer Metallschicht ausgebildete Schicht, die elektrisch
leiten kann. Die Metallpaste kann aus einem oder mehreren Edelmetallen
wie Au, Pt, Pd oder Rh, einem Harz und einem Lösungsmittel gebildet werden,
die miteinander vermischt werden. Die leitfähige Schicht kann durch Trocknen
des Lösungsmittels
in der Metallpaste ausgebildet werden.
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Die Erfindung wird nun genauer anhand
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
des Gasmessfühlers
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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1 in
Schnittansicht einen Gasmessfühler gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
auseinander gezogene Perspektivansicht des Gasmessfühlers von 1;
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie III-III in 1, in der ein Stützbauteil Elektroden bedeckt;
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4 eine
mit 3 vergleichbare
Ansicht, in der das Stützbauteil
jedoch die Elektroden nicht bedeckt;
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5 eine
mit 3 vergleichbare
Ansicht mit mehreren rechteckigen Stützbauteilen;
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6 eine
mit 3 vergleichbare
Ansicht mit mehreren elliptischen Stützbauteilen;
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7 eine
mit 3 vergleichbare
Ansicht mit mehreren kreisförmigen
Stützbauteilen;
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8 eine
mit 3 vergleichbare
Ansicht mit mehreren zickzackförmig
angeordneten Stützbauteilen;
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9 einen
Teilschnitt entlang der Linie I-I in 1,
die das Verhältnis
der Querschnittsflächen des
Stützbauteile
und einer Gasmesskammer zeigt;
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10 eine
grafische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen Zeitdauer
und NOx-Konzentration;
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11 in
einer 1 entsprechenden Schnittansicht
ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Gasmessfühlers;
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12 eine
Schnittansicht entlang der Linie XII-XII in 11, die den Ausbildungszustand eines Stützbauteils
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
darstellt;
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13 in
einer 1 entsprechenden Schnittansicht
ein erfindungsgemäßes drittes
Ausführungsbeispiel
eines Gasmessfühlers;
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14 eine
Schnittansicht entlang der Linie XIV-XIV in 13, die den Ausbildungszustand eines
Stützbauteils
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht;
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15 in
einer Schnittansicht einen gemäß einem
erfindungsgemäßen (ersten)
Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlerherstellungsverfahrens
hergestellten Gasmessfühler;
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16 eine
auseinander gezogene Perspektivansicht des Gasmessfühlers von 15 vor einer Sinterbehandlung;
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17 in
Draufsicht einen Zustand, in dem auf einer Oberfläche einer
ungesinterten Heizkörperlage
des Gasmessfühlers
von 15 (16) eine leitfähige Schicht ausgebildet ist;
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18 eine
Schnittansicht entlang der Linie XVIII-XVIII in 17, die in Vergrößerung die leitfähige Schicht als
Erwärmungsabschnitt
zeigt;
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19 eine
Schnittansicht, die in Vergrößerung die
leitfähige
Schicht von 15 (16) als Leitungsabschnitt
zeigt;
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20 eine
Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem auf der Oberfläche einer
leitfähigen
Schicht, die auf einer ungesinterten Heizkörperlage des in 15 (16) gezeigten Ausführungsbeispiels
ausgebildet ist, ein Bindemittel aufgebracht ist;
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21 eine
Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem auf der Oberfläche einer
leitfähigen
Schicht, die auf einer ungesinterten Festelektrolytlage des in 15 (16) gezeigten Ausführungsbeispiels ausgebildet
ist, ein Bindemittel aufgebracht ist;
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22 eine
Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem auf der Oberfläche einer
leitfähigen
Schicht, die auf einer ungesinterten Heizkörperlage des in 15 (16) gezeigten Ausführungsbeispiels ausgebildet
ist, eine ungesinterte Abdecklage aufgeschichtet ist;
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23 eine
Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem auf beiden Oberflächen einer
leitfähigen
Schicht, die auf einer ungesinterten Festelektrolytlage des in 15 (16) gezeigten Ausführungsbeispiels ausgebildet
ist, ungesinterte Abstandshalter aufgebracht ist;
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24 eine
Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem gemäß einem
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlerherstellungsverfahrens
eine Metallpaste durch Siebdruck auf einer Oberfläche einer
ungesinterten Heizkörperlage
aufgebracht wurde und dann getrocknet wird, um eine leitfähige Schicht
mit kreisförmigem
Querschnitt zu bilden;
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25 eine
Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem gemäß einem
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlerherstellungsverfahrens
eine Metallpaste durch Siebdruck auf eine Oberfläche einer ungesinterten Festelektrolytlage
aufgebracht wurde und dann getrocknet wird, um eine leitfähige Schicht
mit kreisförmigem
Querschnitt zu bilden;
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26 eine
Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem gemäß einem
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlerherstellungsverfahrens
eine Metallpaste durch Siebdruck auf eine Oberfläche einer ungesinterten Festelektrolytlage
aufgebracht wurde und dann getrocknet wird, um eine leitfähige Schicht
mit kreisförmigem
Querschnitt zu bilden;
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27 eine
Schnittdarstellung, die einen Zustand zeigt, in dem gemäß einem
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlerherstellungsverfahrens
eine leitfähige
Schicht der ungesinterten Festelektrolytlage durch Pressen mit Druck
beaufschlagt wird;
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28 in
Schnittansicht einen Gasmessfühler,
der gemäß einem
weiteren erfindungsgemäßen (zweiten)
Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlerherstellungsverfahrens
hergestellt wurde;
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29 in
Schnittansicht einen Gasmessfühler,
der gemäß einem
weiteren erfindungsgemäßen (dritten)
Ausführungs beispiel
des Gasmessfühlerherstellungsverfahrens
hergestellt wurde;
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30 in
einer mit 1 vergleichbaren Schnittansicht
einen herkömmlichen
Gasmessfühler;
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31 eine
Draufsicht auf den Gasmessfühler
von 30;
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32 eine
Schnittansicht des Gasmessfühlers
von 30 entlang der Linie
XXX-XXX;
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33 eine
Draufsicht auf einen Heizkörperabschnitt
des Gasmessfühlers
von 30, in dem Risse
entstanden sind; und
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34 eine
Schnittansicht entlang der Linie XXXIV-XXXIV in 33.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlers
beschrieben.
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In diesem Ausführungsbeispiel stellt der Gasmessfühler (oder
einfach nur Messfühler) 1 einen Sensor
zur Erfassung der NOx-Konzentration im Abgas eines Kraftfahrzeugmotors
als dem zu messenden Gas dar.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt
ist, ist der Gasmessfühler 1 mit
Gasmesskammern 11 und 12, mit einer Pumpzelle 2,
mit einer Überwachungszelle 3,
mit einer Sensorzelle 4 und mit einem Heizkörper 19 versehen.
Die Gasmesskammern 11 und 12 haben jeweils einen
Aufbau, in dem das zu messende Gas (das zur Erleichterung des Verständnisses
auch einfach nur Messgas genannt werden kann) unter einem vorbestimmten
Diffusionswiderstand eingeleitet werden kann.
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Die Pumpzelle 2 umfasst
eine Sauerstoffionen leitende Festelektrolytlage 16 und
ein Paar auf der Oberfläche
der Lage 16 ausgebildeter Elektroden 21 und 22.
Die eine Elektrode 21 befindet sich in der Gasmesskammer 11 und
die andere Elektrode 22 in einer Bezugsgaskammer 121.
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In die Gasmesskammer 11 wird über eine poröse Lage 131 und
einen Gaseinlass 101 ein Abgas von einem Motor eingeleitet.
Die Pumpzelle 2 dient dazu, die Sauerstoffkonzentration
in dem in die Gasmesskammer 11 eingeleiteten Abgas durch
Aufbringen einer Spannung auf die beiden Elektroden 21 und 22 zu
regulieren bzw. zu steuern. Das Abgas, das der Sauerstoffkonzentrationssteuerung
unterzogen wurde, wird danach von der Gasmesskammer 11 über einen
Diffusionswiderstandsdurchlass 102 in die andere Gasmesskammer 112 eingeleitet.
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Ferner umfasst die Überwachungszelle 3 eine
Sauerstoffionen leitende Festelektrolytlage 14 und ein
Paar auf der Oberfläche
der Lage 14 ausgebildeter Elektroden 31 und 32.
Die eine Elektrode 31 befindet sich innerhalb einer Bezugsgaskammer 122, in
die Außenluft
eingeleitet wird, und die andere Elektrode 32 innerhalb
der Gasmesskammer 12.
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Die Überwachungszelle 3 dient
dazu, einen durch die beiden Elektroden 31 und 32 hindurchgehenden
Sauerstoffionenstrom zu messen, der aufgrund der unterschiedlichen
Sauerstoffkonzentration in der Gasmesskammer 12 und der
Bezugsgaskammer 122 hervorgerufen wird, um dadurch die Sauerstoffkonzentration
in der Gasmesskammer 12 zu erfassen. Dann wird entsprechend
dem erfassten Sauerstoffionenstrom die auf die Pumpzelle 2 aufzubringende
Spannung reguliert.
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Die Sensorzelle 4 umfasst
die Sauerstoffionen leitende Festelektrolytlage 14 und
ein Paar auf der Oberfläche
der Lage 14 ausgebildeter Elektroden 41 und 42.
Die eine Elektrode 41 befindet sich innerhalb der Bezugsgaskammer 122,
in die Außenluft eingeleitet
wird, und die andere Elektrode 42 innerhalb der Gasmesskammer 12.
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Die Sensorzelle 4 dient
dazu, mit Hilfe der Elektrode 42 das NOx in dem Abgas zu
zerlegen und dann die Änderung
der Sauerstoffkonzentration, die sich entsprechend der zerlegten
NOx-Menge ergibt, als den durch die beiden Elektroden 41 und 42 hindurchgehenden
Sauerstoffionenstrom zu messen, um so die NOx-Konzentration zu ermitteln.
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Darüber hinaus dient der Heizkörper 19 dazu,
die Pumpzelle 2, die Überwachungszelle 3 und die
Sensorzelle 4 auf ihre vorbestimmten Aktivierungstemperaturen
zu erwärmen,
weswegen er eine isolierende Heizkörperlage 195, eine
isolierende Heizkörperüberzugslage 196 und
ein zwischen diesen Heizkörperlagen
befindliches Heizelement 191 umfasst. Das Heizelement 191 erzeugt
durch Stromleitung zwischen den Heizkörperlagen 195 und 196 Wärme.
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Der Gasmessfühler 1 dieses Ausführungsbeispiels
enthält
eine poröse
Lage 131, eine Abschirmlage 132, einen die Bezugsgaskammer 122 bildenden
Abstandshalter 133, die die Überwachungszelle und die Sensorzelle 4 bildende
Festelektrolytlage 14, einen die Gasmesskammern 11 und 12 bildenden
Abstandshalter 15, die die Pumpzelle 2 bildende Festelektrolytlage 16,
einen die andere Bezugsgaskammer 121 bildenden Abstandshalter 17 und
die Heizkörperlage 195,
auf der sich die Heizkörperüberzugslage 196 und
das Heizelement 191 befinden. Der Gasmessfühler 1 wird
durch Übereinanderschichten
dieser Lagen und Bauteile in der dargestellten bzw. vorbestimmten
Abfolge ausgebildet.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt
ist, ist der Abstandshalter 133 so zwischen der die Überwachungszelle 3 und
die Sensorzelle 4 bildenden Festelektrolytlage 14 und
der der Festelektrolytlage 14 gegenüberliegenden Abschirmlage 132 ausgebildet, dass
er die Bezugsgaskammer 122 bildet, in der die Außenluft
mit den Elektroden 41 und 42 in Kontakt kommt.
Die Abschirmlage 132 und der Abstandshalter 133 sind
auf der Seite ausgebildet, auf der die Elektroden 31 und 32 der
Festelektrolytlage 14 ausgebildet sind.
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Wie sich aus 3 ergibt, befindet sich in der Bezugsgaskammer 122 außerdem ein
Stützbauteil 51,
um in Aufschichtungsrichtung der Festelektrolytlage 14 und
der Abschirmlage 132 eine Presskraft abzustützen bzw.
zu tragen.
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Das Stützbauteil 51 stützt einen
Abschnitt zwischen der Festelektrolytlage 14 und der Abschirmlage 132 und
zwischen den Elektroden 31, 41 und der Abschirmlage 132,
um zu verhindern, dass sich diese Abschnitte bzw. Zwischenräume verkleinern.
Die Bezugsgaskammer 122 hat in ihrer in 3 gezeigten Längsrichtung L eine lange Abmessung, wobei
die Bezugsgaskammer 122 von dem Stützbauteil 51 an ihrem
in ihrer zu ihrer Längsrichtung
L senkrechten Breitenrichtung W mittleren Abschnitt abgestützt wird.
Dementsprechend kann das Stützbauteil 51 den
Abschnitt der Abschirmlage 132 abstützen, der sich am ehesten wölbt, d.h.
den in Breitenrichtung mittleren Abschnitt.
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Der Gasmessfühler 1 selbst ist
so ausgebildet, dass er eine lange Abmessung hat, wobei die Längsrichtung
der Bezugsgaskammer 122 mit der Längsrichtung des Gasmessfühlers 1 übereinstimmt.
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Wie sich darüber hinaus aus 9 ergibt, beträgt in diesem Ausführungsbeispiel
die Querschnittsfläche
A des Stützbauteils
(Bereich der fetten Strichellinie) in einem zu der Längsrichtung
L senkrechten Schnitt etwa 35% der Querschnittsfläche B der
Bezugsgaskammer 122 (Bereich der fetten durchgezogenen
Linie) in dem zur Längsrichtung
L senkrechten Schnitt. Durch diesen Aufbau lässt sich verhindern, dass die
Querschnittsfläche
des Außenlufteinlasses
der Bezugsgaskammer 122 kleiner wird und dass es bei der
Messung durch den Gasmessfühler 1 zu
einer Verschlechterung der Ansprechzeit für die Erfassung der NOx-Konzentration
kommt.
-
Eine solche Verschlechterung des
Ansprechverhaltens würde
sich als eine Verzögerung
bei der Erfassung und als ein Fehler der erfassten Konzentration äußeren. 10 zeigt eine grafische
Darstellung mit dem Zusammenhang zwischen der tatsächlichen
NOx-Konzentration und der erfassten NOx-Konzentration, in der die
Abszissenachse der Zeitdauer und die Ordinatenachse der NOx-Konzentration
entspricht.
-
Bei einer Verzögerung der Erfassung zeigt sich
die Änderung
der erfassten Konzentration, wie in 10 gezeigt
ist, bezogen auf die Änderung
der tatsächlichen
NOx-Konzentration verzögert,
wodurch sich das Ansprechverhalten verschlechtert. Andererseits
zeigt sich ein Fehler bei der erfassten Konzentration in Form eines
Darüberhinausschießens X1 oder
Darunterhinausschießens
X2, wobei sich das Darüberhinausschießen X1 zu
dem Zeitpunkt, an dem sich die tatsächliche NOx-Konzentration ändert, als
ein Fall darstellt, bei dem die erfasste NOx-Konzentration einen höheren Wert
als die tatsächliche NOx-Konzentration
hat, und sich das Darunterhinausschießen X2 als ein Fall darstellt,
bei dem die erfasste NOx-Konzentration einen geringeren Wert als die
tatsächliche
NOx-Konzentration hat. Dadurch wird das Ansprechverhalten schlechter.
-
Wie darüber hinaus in 3 gezeigt ist, befindet sich das Stützbauteil 51 in
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
auch zwischen den Elektroden 31, 41 und der Abschirmlage 132,
und zwar so, dass es die Elektroden 31, 41 bedeckt.
Das Stützbauteil 51 kann
sich andererseits aber auch zwischen der Festelektrolytlage 14 und
der Abschirmlage 132 befinden.
-
Darüber hinaus kann das Stützbauteil 51 in mehrere
Abschnitte gegliedert werden, so dass es verschiedene Querschnittsformen
hat, etwa eine Rechteckform, eine Ellipsenform oder eine Kreisform,
wie jeweils in den 5 bis 7 gezeigt ist. Darüber hinaus
sollten die sich auf diese Weise gliedernden Stützabschnitte 51 die
Abstützung
an den in der Breitenrichtung W mittleren Abschnitten vornehmen.
-
Wie in 8 gezeigt
ist, können
die Stützabschnitte
auch in Zickzackform angeordnet sein. In diesem Beispiel sollten
sie, wie in 8 gezeigt
ist, die Abstützung
an den in der Breitenrichtung W mittleren Abschnitten vornehmen.
-
Wie wiederum 1 zeigt, ist der Abstandshalter 15,
der die Gasmesskammer 12 bildet, in der das Abgas nach
der Regulierung der Sauerstoffkonzentration mit den Elektroden 32 und 42 in
Kontakt kommt, zwischen der die Überwachungszelle 3 und die
Sensorzelle 4 bildenden Festelektrolytlage 14 und
der Festelektrolytlage 16 ausgebildet, die bezogen auf
die Lage 14 an einer zur Abschirmlage 132 entgegengesetzten
Stelle gelegen ist. In dieser Gasmesskammer 12 befindet
sich ein weiteres Stützbauteil 52,
das zum Abstützen
(Tragen) der Presskraft in der Aufschichtungsrichtung der Festelektrolytlagen 14 und 16 dient.
Dieses Stützbauteil 52 stützt einen Abschnitt
zwischen den Festelektrolytlagen 14 und 16 und
einen Abschnitt zwischen den Elektroden 32, 42 und
der Festelektrolytlage 16, um dadurch zu verhindern, dass
sich die Größe bzw.
der Abstand zwischen den Festelektrolytlagen 14 und 16 verringert.
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Wie in 1 gezeigt
ist, wird durch den Abstandshalter 15 zwischen den Festelektrolytlagen 14 und 16 auch
die Gasmesskammer 11 gebildet, in der das Abgas mit den
Elektroden 21 in Kontakt kommt, und befindet sich in dieser
Gasmesskammer 11 ein weiteres Stützbauteil 53, um einen
Abschnitt zwischen den Festelektrolytlagen 14 und 16 und
einen Abschnitt zwischen der Elektrode 21 und der Festelektrolytlage 14 abzustützen. Bei
dem auf diese Weise aufgebauten Ausführungsbeispiel wird also auch durch
dieses Stützbauteil 53 verhindert,
dass sich die Größe zwischen
den Festelektrolytlagen 14 und 16 verringert.
-
Darüber hinaus befindet sich zwischen
der die Pumpzelle 2 bildenden Festelektrolytlage 16 und der
Heizkörperüberzugslage 196,
die sich bezogen auf die Lage 16 an einer zur Festelektrolytlage 14 entgegengesetzten
Stelle befindet, der Abstandshalter 17, der die Bezugsgaskammer 121 bildet,
in der die Außenluft
mit den Elektroden 22 in Kontakt kommt. In dieser Bezugsgaskammer 121 befindet sich
ein weiteres Stützbauteil 54,
um eine Presskraft in der Aufschichtungsrichtung der Festelektrolytlage 16 und
der Heizkörperüberzugslage 196 abzustützen. Dieses
Stützbauteil 54 stützt einen
Abschnitt zwischen der Festelektrolytlage 16 und der Heizkörperüberzugslage 196 und
einen Abschnitt zwischen der Elektrode 22 und der Heizkörperüberzugslage 196.
-
Es sollte außerdem erwähnt werden, dass die angesprochenen
Stützbauteile 52, 53 und 54 im Wesentlichen
die gleiche oder die identische Größe, Form, Querschnittsfläche, Anordnung
usw, wie das Stützbauteil 51 haben
und dass die Stützbauteile 51 bis 54 dieses
Ausführungsbeispiels
vorzugsweise aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid bestehen.
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Im Übrigen zeigen die beiden Elektroden 21, 22 der
Pumpzelle 2, die beiden Elektroden 31, 32 der Überwachungszelle 3 und
die Elektrode 41 der Sensorzelle 4 im Wesentlichen
keine Zerlegungsaktivität in
Bezug auf NOx. Genauer gesagt bestehen diese Elektroden 21, 22, 31, 32 und 41 aus
porösen
Cermetelektroden, die als Hauptbestandteile Pt und Au enthalten.
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Die Elektrode 42 der Sensorzelle 4 hat
dagegen in Bezug auf NOx Zerlegungsaktivität. Genauer gesagt besteht diese
Elektrode 42 aus einer porösen Cermetelektrode, die als
Hauptbestandteile Pt und Rh enthält.
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Die Festelektrolytlagen 14 und 16 bestehen jeweils
aus einer Festelektrolytsubstanz wie Zirconiumoxid oder Ceroxid,
die Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt.
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Darüber hinaus sind die Abschirmlage 132 und
die jeweiligen Abstandshalter 133, 15, 17,
die Heizkörperlage 195 und
die Heizkörperüberzugslage 196 aus
einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid gebildet.
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Bei dem Gasmessfühler 1 des oben beschriebenen
Ausführungsbeispiels
befinden sich die Stützbauteile 51 bis 54 in
den jeweiligen Gaskammern 122, 12, 11, 121,
um die Presskraft in Aufschichtungsrichtung der jeweiligen Lagen 131, 132, 14, 16, 195, 196 und
der Abstandshalter 133, 15, 17 abzustützen bzw.
zu tragen. Aufgrund dieser Anordnung der Stützbauteile 51 bis 54 können die
jeweiligen Lagen 132, 14, 16, 196 bei
Aufbringung einer Presskraft in der Aufschichtungsrichtung des Gasmessfühlers 1 daran
gehindert werden, sich zu den jeweiligen Gaskammern 122, 12, 11, 121 hin
zu wölben
oder zu biegen, was eine bessere Festigkeit des Gasmessfühlers ergibt.
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Während
der Herstellung des Gasmessfühlers 1 mit
dem oben beschriebenen Aufbau werden die jeweiligen Lagen 131, 132, 14, 16, 195, 196 und die
Abstandshalter 133, 15, 17 im aufgeschichteten Zustand
mit Druck beaufschlagt und wird gleichzeitig die Presskraft zwischen
den jeweiligen Lagen 132, 14, 16, 196 aufgebracht.
Dabei kann die Presskraft von den in den jeweiligen Gaskammern 122, 12, 11, 121 gelegenen
Stützbauteilen 51 bis 54 abgestützt und
die Wölbung
der jeweiligen Lagen 132, 14, 16, 196 zu
den Gaskammern 122, 12, 11, 121 hin
wirksam unterdrückt
werden, wodurch das Auftreten von Rissen in diesen Lagen verhindert
wird.
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Darüber hinaus wird nach der oben
erwähnten
Druckbeaufschlagung die Sinterung durchgeführt, um dadurch den Gasmessfühler 1 herzustellen. Da
die jeweiligen Lagen 131, 132, 14, 16, 195, 196 und
die jeweiligen Abstands halter 133, 15, 17 in
diesem Ausführungsbeispiel
aus verschiedenen Materialien oder Substanzen gebildet sind, besteht
die Gefahr, dass sich die jeweiligen Lagen 132, 14, 16, 196 während des
Sinterns aufgrund einer prozentual unterschiedlichen Wärmeschrumpfung
(Kontraktionskoeffizient) zu den Gaskammern 122, 12, 11, 121 hin wölben. Doch
auch in diesem Fall kann entsprechend dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels
die Wölbung
der Lagen durch die Stützbauteile 51 bis 54 unterdrückt werden,
was wirksam verhindert, dass sich in den jeweiligen Lagen 132, 14, 16, 196 Risse
bilden.
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Wahlweise können die Abstandshalter 133, 15, 17 auch
durch Aufbringen eines Bindemittels oder dergleichen ausgebildet
werden, um die Abstandshalter auf den Oberflächen der jeweiligen Lagen 196, 16, 14 auszubilden.
Des Weiteren können auch
die jeweiligen Stützbauteile 51 bis 54 durch
Aufbringen des Bindemittels oder dergleichen ausgebildet werden,
um die Stützbauteile
auf den Oberflächen
der jeweiligen Lagen 196, 16, 14 auszubilden. Bei
dieser Abwandlung wird für
die zur Ausbildung der Abstandshalter und zur Ausbildung der Stützbauteile
dienenden Bindemittel eine Aluminiumoxidpaste verwendet, die durch
Verkneten feinen Aluminiumoxidpulvers und eines Lösungsmittels,
in der ein Binder gelöst
ist, erzielt wird. Als Binder kann beispielsweise Polyvinylalkohol
und als Lösungsmittel
Terpineol verwendet werden. Das Bindemittel kann auch ein Haftvermittler
sein.
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Als eine Abwandlung können darüber hinaus auch
mit den Gaskammern 122, 12, 11, 121 ausgebildete
Abstandshalter 133, 15, 17 verwendet
werden, die zuvor in die Form der jeweiligen Gaskammern geschnitten
wurden. Es können
auch Stützbauteile 51 bis 54 verwendet
werden, die zuvor in ihre jeweilige Form gebracht wurden. In diesem
Fall würden die
jeweiligen Lagen 131, 132, 14, 16, 195, 196 und die
Abstandshalter 133, 15, 17 mittels eines
Haftvermittlers oder dergleichen miteinander verbunden werden.
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Bei dieser Abwandlung wird für die zur
Ausbildung der Abstandshalter und zur Ausbildung der Stützbauteile
dienenden Haftvermittler ebenfalls eine Aluminiumoxidpaste verwendet,
die durch Verkneten feinen Aluminiumoxidpulvers und eines Lösungsmittels,
in dem ein Binder gelöst
ist, erzielt wird. Als Binder kann beispielsweise Polyvinylalkohol
und als Lösungsmittel
Terpineol verwendet werden.
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In dem obigen Fall können die
jeweiligen Lagen 131, 132, 14, 16, 195, 196 und
die Abstandshalter 133, 15, 17 miteinander
auch ohne Verwendung eines Bindemittels, also durch das Sintern
selbst verbunden werden.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Unter Bezugnahme auf die 11 und 12 wird nun ein erfindungsgemäßes zweites
Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlers
beschrieben.
-
Dieses zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel in erster Linie
im Hinblick auf die Anordnung der Stützbauteile 71 bis 74.
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Der Gasmessfühler 10 dieses zweiten
Ausführungsbeispiels
ist, wie in den 11 und 12 gezeigt ist, mit Gasmesskammern 61, 610 und 62,
einer ersten Pumpzelle 2 und einer zweiten Pumpzelle 200,
einer Überwachungszelle 3,
einer Sensorzelle 4 und einem Heizkörper 19 versehen.
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Der Gasmessfühler 10 dieses Ausführungsbeispiels
ergibt sich durch Aufeinanderschichten einer die erste Pumpzelle 2 bildenden
Festelektrolytlage 64, eines die Gasmesskammern 61, 610, 62 bildenden
Abstandshalters 65, einer die zweite Pumpzelle 200,
die Überwachungszelle 3 und
die Sensorzelle 4 bildenden Festelektrolytlage 66,
eines eine Bezugsgaskammer 63 bildenden Abstandshalters 67 und
eines eine Heizkörperabdecklage 196 und
eine Heizkörperlage 195 enthaltenden
Heizkörperabschnitts 19.
-
Die erste Pumpzelle 2 umfasst
eine Sauerstoffionen leitende Festelektrolytlage 64 und
ein Paar auf der Oberfläche
der Lage 64 ausgebildeter Elektroden 21 und 22.
Die eine Elektrode 21 ist der Außenluft ausgesetzt, während sich
die andere Elektrode 22 innerhalb einer Bezugsgaskammer 61 befindet.
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In die Gasmesskammer 61 wird über einen Gaseinlass 611 ein
Abgas von einem Motor eingeleitet. Die erste Pumpzelle 2 dient
dazu, die Sauerstoffkonzentration in dem in die Gasmesskammer 61 eingeleiteten
Abgas durch Aufbringen einer Spannung auf die beiden Elektroden 21 und 22 zu
regulieren bzw, zu steuern. Das der Sauerstoffkonzentrationssteuerung
unterzogene Abgas wird danach über
einen Diffusionswiderstandsdurchlass 612 von der Gasmesskammer 61 in
die andere Gasmesskammer 610 eingeleitet.
-
Ferner umfasst die Überwachungszelle 3 dieses
zweiten Ausführungsbeispiels
eine Sauerstoffionen leitende Festelektrolytlage 66 und
ein Paar auf der Oberfläche
der Lage 66 ausgebildeter Elektroden 31 und 32.
Die eine Elektrode 31 befindet sich in der Gasmesskammer 61 und
die andere Elektrode 32 in der Bezugsgaskammer 63,
in die die Außenluft
eingeleitet wird.
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Die Überwachungszelle 3 dient
dazu, eine elektromotorische Kraft zu messen, die zwischen den beiden
Elektroden 31 und 32 aufgrund der unterschiedlichen
Sauerstoffkonzentration in der Gasmesskammer 61 und der
Bezugsgaskammer 63 hervorgerufen wird, um dadurch die Sauerstoffkonzentration
in der Gasmesskammer 61 zu erfassen. Dann wird entsprechend
der erfassten elektromotorischen Kraft die auf die Pumpzelle 2 aufgebrachte
Spannung reguliert.
-
Die zweite Pumpzelle 200 setzt
sich aus einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytschicht 66 und
einem Paar auf der Oberfläche
der Lage 66 ausgebildeter Elektroden 251 und 252 zusammen. Die
eine Elektrode 251 befindet sich in einer Gasmesskammer 610 und
die andere Elektrode 252 in einer Bezugsgaskammer 63.
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Die zweite Pumpzelle 200 dieses
Ausführungsbeispiels
dient dazu, die Sauerstoffkonzentration in dem in die Gasmesskammer 610 eingeleiteten Abgas
durch Aufbringen einer Spannung auf die beiden Elektroden 251 und 252 zu
regulieren bzw. zu steuern. Das der Sauerstoffkonzentrationssteuerung unterzogene
Abgas wird dann über
einen Diffusionswiderstandsdurchlass 613 von der Gasmesskammer 610 in
die andere Gasmesskammer 62 eingeleitet.
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Die Überwachungszelle 3 dieses
Ausführungsbeispiels
umfasst die Sauerstoffionen leitende Festelektrolytlage 66 und
ein Paar auf der Oberfläche der
Lage 66 ausgebildeter Elektroden 41 und 42.
Die eine Elektrode 41 befindet sich in der Gasmesskammer 62 und
die andere Elektrode in der Bezugsgaskammer 63, in die
die Außenluft
eingeleitet wird.
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Die Sensorzelle 4 dient
dazu, mit Hilfe der Elektrode 41 das NOx in dem Abgas zu
zerlegen und dann die Änderung
der Sauerstoffkonzentration, die sich entsprechend der zerlegten
NOx-Menge ergibt, als einen durch die beiden Elektroden 41 und 42 hindurchgehenden
Sauerstoffionenstrom zu messen, um so die NOx-Konzentration zu ermitteln.
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Der Heizkörper 19 stimmt mit
dem des ersten Ausführungsbeispiels überein.
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In den Gasmesskammern 61, 610, 62 befinden
sich Stützbauteile 71 bis 73,
die Abschnitte zwischen den jeweiligen Festelektrolytlagen 64 und 66 abstützen. Entsprechend
der Stellung dieser Stützbauteile 71 bis 73 können die
jeweiligen Festelektrolytlagen 64 und 66 daran
gehindert werden, sich zu den Gasmesskammern 61, 610 bzw.
62 hin zu wölben,
wodurch die Entstehung von Rissen in den jeweiligen Lagen 64 und 66 wirksam
verhindert werden kann.
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Darüber hinaus kann in der Bezugsgaskammer 63 ein
weiteres Stützbauteil 74 angeordnet
sein, um einen Abschnitt zwischen der Festelektrolytlage 66 und
der Heizkörperabdecklage 196 abzustützen. Entsprechend
der Anordnung dieses Stützbauteils 74 können die
jeweiligen Festelektrolytlagen 66 und 196 daran
gehindert werden, sich zu der Bezugsgaskammer 63 hin zu
wölben,
weswegen die Entstehung von Rissen in den jeweiligen Lagen 66 und 196 wirksam
verhindert werden kann.
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Der Aufbau oder die Anordnung dieses
zweiten Ausführungsbeispiels
und die dadurch erzielten Vorteile sind ansonsten im Wesentlichen
die gleichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel oder sind mit
ihnen identisch.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Unter Bezugnahme auf die 13 und 14 wird nun ein erfindungsgemäßes drittes
Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlers
beschrieben.
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Dieses dritte Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich im
Hinblick auf die Anordnung der Stützbauteile 75 bis 77.
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Der Gasmessfühler 100 dieses dritten
Ausführungsbeispiels
ist, wie in den 13 und 14 gezeigt ist, mit Gasmesskammern 81 und 82,
einer ersten Pumpzelle 2 und einer zweiten Pumpzelle 200, einer Überwachungszelle 3,
einer Sensorzelle 4 und einem Heizkörper 19 versehen.
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Der Gasmessfühler 100 dieses Ausführungsbeispiels
ergibt sich durch Aufeinanderschichten einer die erste Pumpzelle 2 bildenden
Festelektrolytlage 84, eines die Gasmesskammern 81, 82 bildenden
Abstandshalters 85, einer die zweite Pumpzelle 200,
die Überwachungszelle 3 und
die Sensorzelle 4 bildenden Festelektrolytlage 86,
eines eine Bezugsgaskammer 83 bildenden Abstandshalters 87 und
eines eine Heizkörperabdecklage 196 und
eine Heizkörperlage 195 enthaltenden
Heizkörperabschnitts 19.
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Die erste Pumpzelle 2 dieses
Ausführungsbeispiels
umfasst die Sauerstoffionen leitende Festelektrolytlage 84 und
ein Paar auf der Oberfläche
der Lage 84 ausgebildeter Elektroden 21 und 22.
Die eine Elektrode 21 ist der Außenluft ausgesetzt und die
andere Elektrode 22 befindet sich in der Gasmesskammer 81.
-
In die Gasmesskammer 81 wird über einen Gaseinlass 811 ein
Abgas von einem Motor eingeleitet. Die erste Pumpzelle 2 dient
dazu, die Sauerstoffkonzentration in dem in die Gasmesskammer 81 eingeleiteten
Abgas durch Anlegen einer Spannung auf die beiden Elektroden 21 und 22 zu
regulieren bzw. zu steuern. Das der Sauerstoffkonzentrationssteuerung
unterzogene Abgas wird dann über
einen Diffusionswiderstandsdurchlass 812 von der Gasmesskammer 81 in
die andere Gasmesskammer 82 eingeleitet.
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Ferner umfasst die Überwachungszelle 3 dieses
dritten Ausführungsbeispiels
eine Sauerstoffionen leitende Festelektrolytlage 86 und
ein Paar auf der Oberfläche
der Lage 86 ausgebildeter Elektroden 31 und 32.
Die eine Elektrode 31 befindet sich in der Gasmesskammer 81 und
die andere Elektrode 32 in der Bezugsgaskammer 83,
in die die Außenluft
eingeleitet wird. Die Elektrode 32 wird wie nachstehend erwähnt als
Elektrode für
die zweite Pumpzelle 200 und die Sensorzelle 4 genutzt.
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Die Überwachungszelle 3 dieses
Ausführungsbeispiels
dient dazu, eine elektromotorische Kraft zu messen, die zwischen
den beiden Elektroden 31 und 32 aufgrund der unterschiedlichen
Sauerstoffkonzentrationen in der Gasmesskammer 81 und der
Bezugsgaskammer 83 hervorgerufen wird, um dadurch die Sauerstoffkonzentration
in der Gasmesskammer 81 zu erfassen. Dann wird entsprechend
der erfassten elektromotorischen Kraft die auf die Pumpzelle 2 aufgebrachte
Spannung reguliert.
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Die zweite Pumpzelle 200 setzt
sich aus einer Elektrode 251, die sich auf der Oberfläche der Sauerstoffionen
leitenden Festelektrolytlage 84 befindet, einem Sauerstoffionen
leitenden Abstandshalter 85, der Festelektrolytlage 86,
einer sich auf der Oberfläche
der Lage 86 befindenden Elektrode 253 und der
Elektrode 32 zusammen. Die Elektroden 251 und 253 befinden
sich innerhalb der Gasmesskammer 81.
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Die zweite Pumpzelle 200 reguliert
die Sauerstoffkonzentration in dem in die Gasmesskammer 82 eingeleiteten
Abgas, indem sie auf die beiden Elektroden 251 und 32 eine
Spannung aufbringt.
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Die Sensorzelle 4 dieses
Ausführungsbeispiels
umfasst die Sauerstoffionen leitende Festelektrolytlage 86 und
ein Paar auf der Oberfläche
der Lage 86 ausgebildeter Elektroden 41 und 32.
Die eine Elektrode 41 befindet sich in der Gasmesskammer 82.
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Die Sensorzelle 4 dieses
Ausführungsbeispiels
dient dazu, mit Hilfe der Elektrode 41 das NOx in dem Abgas
zu zerlegen und dann die Änderung der
Sauerstoffkonzentration, die sich entsprechend der zerlegten NOx-Menge ergibt, als
einen durch die beiden Elektroden 41 und 42 hindurchgehenden Sauerstoffionenstrom
zu messen, um so die NOx-Konzentration zu ermitteln.
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Der Heizkörper 19 stimmt mit
dem des ersten Ausführungsbeispiels überein.
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In den Gasmesskammern 81, 82 befinden sich
Stützbauteile 75 und 76,
die Abschnitte zwischen den jeweiligen Festelektrolytlagen 84 und 86 abstützen. Entsprechend
der Anordnung dieser Stützbauteile 75 und 76 können die
jeweiligen Festelektrolytlagen 84 und 86 daran
gehindert werden, sich zu der Gasmesskammer 81 bzw. 82 hin
zu wölben,
wodurch die Entstehung von Rissen in den jeweiligen Lagen 84 und 86 wirksam
verhindert werden kann.
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Darüber hinaus kann ein weiteres
Stützbauteil 77 in
der Bezugsgaskammer 83 angeordnet ein, um einen Abschnitt
zwischen der Festelektrolytlage 86 und der Heizkörperabdecklage 196 abzustützen. Entsprechend
der Anordnung dieses Stützbauteils können die
jeweiligen Festelektrolytlagen 86 und 196 daran
gehindert werden, sich zu der Bezugsgaskammer 83 hin zu
wölben,
wodurch die Entstehung von Rissen in den jeweiligen Lagen 86 und 196 wirksam verhindert
werden kann.
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Der Aufbau und die Anordnung dieses
dritten Ausführungsbeispiels
und die dadurch erzielten Vorteile sind im Wesentlichen die gleichen
wie bei dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel oder sind mit
diesen identisch.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme
auf den Gasmessfühler 1A in
den 15 und 16 ein Verfahren zur Herstellung
eines (Gas-)Messfühlers
mit dem oben genannten Aufbau beschrieben, der mit dem in den 1 und 2 vergleichbar ist. Dementsprechend tragen
die gleichen oder entsprechende Bauteile oder Abschnitte in den 15 und 16 die gleichen Bezugszahlen wie in den 1 und 2 und wurde der sich wiederholende Teil
der Erläuterungen weggelassen.
-
Wie sich aus den 15 und 16 ergibt,
wird die Pumpzelle 2 gebildet, indem auf beide Oberflächen der
Festelektrolytlage 16 leitfähige Schichten 20 aufgedruckt
werden. Die leitfähigen
Schichten 20 setzen sich aus einem Paar Elektroden 21, 22 als Elektrodenabschnitt,
einem Paar Anschlüsse 212, 222 als
ein zur Verbindung der Elektroden 21 und 22 mit
externen Bauteilen des Gasmessfühlers 1A dienender
Anschlussabschnitt und einem Paar Leitungen 211, 221 als
ein zur Verbindung des Elektrodenabschnitts und des Anschlussabschnitts dienender Leitungsabschnitt
zusammen.
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Die Überwachungszelle 3 wird
ausgebildet, indem auf beide Oberflächen der Festelektrolytlage 14 leitfähige Schichten 30 aufgedruckt
werden. Die leitfähigen
Schichten 30 setzen sich aus einem Paar Elektroden 31, 32 als
Elektrodenabschnitt und einem Paar Leitungen 311, 321 als
ein zur Verbindung des Elektrodenabschnitts mit einem externen Bauteil
des Gasmessfühlers 1A dienender
Leitungsabschnitt zusammen.
-
Die Sensorzelle 4 wird gebildet,
indem auf beide Oberflächen
der Festelektrolytlage 14 leitfähige Schichten 40 aufgedruckt
werden. Die leitfähige Schicht 40 setzt
sich aus einem Paar Elektroden 41, 32 als Elektrodenabschnitt
und einem Paar Leitungen 411, 421 als ein zur
Verbindung des Elektrodenabschnitts mit einem externen Bauteil des
Gasmessfühlers 1A dienender
Leitungsabschnitt zusammen.
-
Auf einer Oberfläche der Heizkörperlage 195 wird
durch Aufdrucken eine leitfähige
Schicht 190 ausgebildet, die sich aus einem dem Heizelement 191 entsprechenden
Heizabschnitt 192 und einem zur Verbindung des Heizabschnitts 192 mit
einem externen Bauteil des Gasmessfühlers 1A dienenden Leitungsabschnitt 193 zusammensetzt.
Der Heizabschnitt 192 (Heizelement 191) erzeugt
Wärme,
da seine Querschnittsfläche
kleiner als die Querschnittsfläche
des Leitungsabschnitts 193 ausgeführt ist.
-
Die leitfähige Schicht kann dabei einen
Anschlussabschnitt als einen Verbindungspunkt in der Verbindung
des Leitungsabschnitts mit dem externen Bauteil des Gasmessfühlers 1A enthalten.
Genauer gesagt enthalten die leitfähigen Schichten 30 in
der ungesinterten Festelektrolytlage 140 in 16 Anschlüsse 310 und 410,
um die Leitungen 321 und 421 mit den externen
Bauteilen des Gasmessfühlers 1A zu
verbinden.
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Darüber hinaus haben die beiden
Elektroden 21, 22 der Pumpzelle 2, die
beiden Elektroden 31, 32 der Überwachungszelle 3 und
die Elektrode 41 der Sensorzelle 4 im Wesentlichen
keine Zerlegungsaktivität
in Bezug auf NOx. Und zwar bestehen diese Elektroden 21, 22, 31, 32 und 41 aus
porösen
Cermetelektroden, die als Hauptbestandteile Pt und Au enthalten.
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Im Gegensatz dazu zeigt die Elektrode 42 der
Sensorzelle 4 in Bezug auf NOx Zerlegungsaktivität. Und zwar
besteht diese Elektrode 42 aus einer porösen Cermetelektrode,
die als Hauptbestandteile Pt und Rh enthält.
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Die Festelektrolytlagen 14 und 16 bestehen jeweils
aus einer Festelektrolytsubstanz wie Zirconiumoxid oder Ceroxid,
die Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt.
Darüber
hinaus sind die Abschirmlage 132, die jeweiligen Abstandshalter 133, 15, 17,
die Heizkörperlage 195 und
die Heizkörperabdecklage
(Überzugslage 196)
aus einem isolierenden Material wie Aluminiumoxid gebildet.
-
Das erfindungsgemäße Gasmessfühlerherstellungsverfahren wird
nun genauer anhand der folgenden bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben.
-
Ausführungsbeispiel 1
-
Bei diesem anhand von Versuchen ermittelten
Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlerherstellungsverfahrens
wird eine leitfähige
Schicht durch die Schritte Drucken und Ausbilden eines flachen Abschnitts
gebildet.
-
Und zwar wird, wie in 17 gezeigt ist, in den Schritten
Drucken und Ausbilden des flachen Abschnitts die leitfähige Schicht 190 vor
dem Sintern durch Siebdruck auf einer Oberfläche der Heizkörperlage 195 ausgebildet,
die hier als ungesinterte Heizkörperlage 1950 bezeichnet
ist. Beim Siebdruck wird eine Metallpaste benutzt, um die leitfähige Schicht 190 auszubilden,
wobei für
diese Metallpaste eine Paste verwendet werden sollte, die bei einer Temperatur
von 20°C
eine Viskosität
von 200 ± 50 [Pa·s] hat.
-
Als Beispiele für eine solche Metallpaste lassen
sich Pt, organisches Bindemittel, eine durch Verkneten von Aluminiumoxidpulver
und Terpineol als Lösungsmittel
erzielte Paste nennen. Das Aluminiumoxidpulver kann durch Zirconiumoxidpulver
ersetzt werden, während
das Pt durch eine Pt und Rh enthaltende oder eine Pt und Au enthaltende
Paste ersetzt werden kann.
-
Wenn unter Verwendung einer der oben
genannten Pasten der Siebdruck durchgeführt wird, breitet sich die
Metallpaste aufgrund ihrer geringen Viskosität flach auf der Oberfläche der
ungesinterten Heizkörperlage 1950 aus.
Die Metallpaste wird danach getrocknet, um dadurch die leitfähige Schicht 190 zu
bilden. Bei diesem Vorgang wird auf der leitfähigen Lage 190, wie
in 18 gezeigt ist, ein
flacher Abschnitt 199 ausgebildet.
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18,
die einer vergrößerten Schnittansicht
entlang der Linie XVIII-XVIII in 17 entspricht,
zeigt einen Abschnitt mit fertig ausgebildeter leitfähiger Schicht
in der zur Längsrichtung
L der ungesinterten Heizkörperlage 1950 senkrechten
Breitenrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlerherstellungsverfahrens
findet eine Metallpaste Anwendung, die bei einer Temperatur von 20°C eine Viskosität von 190
[Pa·s]
hat und beträgt
die Breite des flachen Abschnitts 199 der leitfähigen Schicht 190 dadurch
bedingt etwa 65% der Breite B der leitfähigen Schicht 190 (A/B × 100 = 65(%)).
Dabei steht die Breite B für
die Breite der leitfähigen
Schicht 190 in der zu der Richtung, in der leitfähige Schicht
auf der ungesinterten Heizkörperlage 1950 verläuft, senkrechten
Richtung. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die leitfähige
Schicht 190 so ausgebildet, dass sie in Längsrichtung
L der ungesinterten Heizkörperlage 1950 verläuft.
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Darüber hinaus werden bei dem unter
Bezug auf die leitfähige
Schicht 190 erwähnten
Schritt Siebdruck und Ausbilden des flachen Abschnitt leitfähige Schichten 30 und 40 auf
beiden Oberflächen
einer ungesinterten Festelektrolytlage 140 ausgebildet,
die der Festelektrolytlage vor der Sinterung zu der Festelektrolytlage 14 entspricht.
Danach werden auf diesen leitfähigen
Schichten 30 und 40 flache Abschnitte 301 und 401 ausgebildet.
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Auf im Wesentlichen die gleiche Weise
werden auf beiden Oberflächen
einer ungesinterten Festelektrolytlage 160, die der Festelektrolytlage
vor der Sinterung zu der Festelektrolytlage 16 entspricht,
die leitfähigen
Schichten 20 ausgebildet. Danach werden auf den leitfähigen Lagen 20 flache
Abschnitte 201 ausgebildet.
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Die obigen Schritte werden näher anhand von 19 erläutert, die in einem vergrößerten Schnitt
einen Abschnitt mit ausgebildeter leitfähiger Schicht in der zur Längsrichtung
L der ungesinterten Festelektrolytlagen 140 und 160 senkrechten
Breitenrichtung zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Breite
A der flachen Abschnitte 201, 301 und 401 der
leitfähigen
Schichten 20,
30 und 40 jeweils etwa
50% der Breite B der leitfähigen
Schichten (A/B × 100
= 50(%)).
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Durch den Siebdruckschritt werden
also auf der ungesinterten Heizkörperlage 1950 die
leitfähige Schicht 190 und
auf den ungesinterten Festelektrolytlagen 140 und 160 die
leitfähigen
Schichten 30, 40, 20 ausgebildet.
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Danach wird, wie in 16 gezeigt ist, in einem Aufschichtungsschritt
auf die leitfähige
Schicht 190 der ungesinterten Heizkörperlage 1960 eine
ungesinterte Heizkörperabdecklage
(Überzugslage) 1960 aufgebracht.
Dann wird auf die Oberfläche
der ungesinterten Heizkörperlage 1960 ein
ungesinterter Abstandshalter 170 aufgebracht, der dem Abstandshalter
vor dem Sintern zu dem Abstandshalter 17 entspricht, während dann
auf den ungesinterten Abstandshalter 170 als ungesintertes
Substrat eine ungesinterte Festelektrolytlage 160 aufgebracht
wird.
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Darüber hinaus wird, wie in 16 gezeigt ist, auf die
Oberfläche
der ungesinterten Festelektrolytlage 160 ein ungesinterter
Abstandshalter 150 als ungesinterte Schichtungslage aufgebracht
und wird dann auf der Oberfläche
dieses ungesinterten Abstandshalters 150 die ungesinterte
Festelektrolytlage 140 als ungesintertes Substrat zum Überlappen
gebracht. Des Weiteren werden auf die Oberfläche der ungesinterten Festelektrolytlage 140 eine
ungesinterte poröse
Lage 1310 und ein ungesinterter Abstandshalter 1330 als
ungesinterte Schichtungslagen aufgebracht und wird auf der Oberfläche des
ungesinterten Abstandshalters 1330 eine ungesinterte Abschirmlage 1320 zum Überlappen
gebracht.
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Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht,
entsprechen die ungesinterten Abstandshalter 1310, 150 und 170 den Abstandshaltern
vor der Sinterung zu den Abstandshaltern 131, 15 und 17,
während
die ungesinterte poröse
Lage 1310 und die ungesinterte Abschirmlage 1320 den
Lagen vor der Sinterung zu der porösen Lage 131 und der
Abschirmlage 132 entsprechen.
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Wie in den 20 und 21 gezeigt
ist, wird bei dem oben angesprochenen Vorgang, bei dem die jeweiligen
ungesinterten Lagen 310, 1320, 140, 160, 1950 und 1960 und
die ungesinterten Abstandshalter 1330, 150 und 170 in Überlappung
gebracht werden, jeweils ein Haftvermittler 5 aufgebracht.
Dieser Haftvermittler 5 wird durch Verkneten von Aluminiumoxid mit
vorzugsweise feiner Teilchengröße, organischem Binder
und Lösungsmittel
erzielt. Als Haftvermittler 5 kann auch ein Haftvermittler
verwendet werden, der durch Verkneten von Zirconiumoxid, organischem Binder
und Lösungsmittel
erzielt wird. In den Bindern kann als Lösungsmittel Terpineol verwendet
werden.
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Wie in 20 gezeigt
ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel
der Haftvermittler 5 auf die Oberfläche der ungesinterten Heizkörperlage 1950 seitlich
von der leitfähigen
Schicht 190 aufgebracht, so dass er mit dem flachen Abschnitt 199 der
leitfähigen
Schicht 190 im Großen
und Ganzen bündig
ist. Wie in 21 gezeigt
ist, wird der Haftvermittler 5 außerdem auf die Oberflächen der
ungesinterten Festelektrolytlagen 140 und 160 auf
beiden Seiten der leitfähigen
Schichten 30 und 40 aufgebracht, so dass er mit
den flachen Abschnitten 301, 401 und 201 der
leitfähigen
Schichten 30, 40 und 20 im Großen und
Ganzen bündig
ist.
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Wie in den 22 und 23 gezeigt
ist, werden die jeweiligen ungesinterten Lagen 1310, 1320, 140, 160, 1950 und
1960 und die jeweiligen ungesinterten Abstandshalter 1330, 150, 170 danach
als Stapel mit Druck beaufschlagt, so dass sich ein Schichtaufbau und
somit ein Zwischenprodukt für
den Gasmessfühler 1A ergibt.
Wie in 20 gezeigt ist,
stößt bei diesem
Vorgang die ungesinterte Heizkörperabdecklage 1960 gegen
den flachen Oberflächenabschnitt 199 der
leitfähigen
Schicht 20 und den Haftvermittler 5, die flach
auf der Oberfläche
der ungesinterten Heizkörperlage 1950 ausgebildet
sind.
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Wie in 23 gezeigt
ist, stoßen
auch die ungesinterten Abstandshalter 1330 und 150 gegen die
flachen Oberflächenabschnitte 301 und 401 der Leitungsabschnitte 311, 321, 411 und 421 und
den Haftvermittler 5, die flach auf beiden Seitenflächen der
ungesinterten Festelektrolytlage 140 ausgebildet sind,
während
die Elektroden 31, 32, 41 und 42 der ungesinterten
Festelektrolytlage 140 nicht gegen die ungesinterten Abstandshalter 1330 stoßen, da
sie innerhalb der Gasmesskammern 11 und 12 angeordnet
sind.
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Die ungesinterten Abstandshalter 150 und 170 stoßen wiederum
gegen den flachen Oberflächenabschnitt 201 der
Leitungsabschnitte 211 und 221, die wie der Haftvermittler 5 flach
auf beiden Seitenflächen
der ungesinterten Festelektrolytlage 160 ausgebildet sind,
während
die Elektroden 21 und 22 der ungesinterten Festelektrolytlage 160 nicht
gegen die ungesinterten Abstandshalter 150 und 170 stoßen, da
sie innerhalb der Bezugsgaskammer 121 angeordnet sind.
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Aus den oben genannten Gründen lässt sich zwischen
den jeweiligen ungesinterten Lagen 140, 160, 1950 und 1960 und
den jeweiligen ungesinterten Abstandshaltern 1330, 150 und 170 eine
lokale Belastung vermeiden, so dass die Entstehung von Rissen in
diesen ungesinterten Lagen 140, 160, 1950 und 1960 und
den ungesinterten Abstandshaltern 1330, 150 und 170 verhindern
lässt.
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Um den Gasmessfühler 1A fertig zu
stellen, wird beim Sintervorgang dann als der Schichtaufbau, in
dem die oben genannten jeweiligen Lagen und Abstandshalter in der
vorgeschriebenen Abfolge übereinander
geschichtet sind, das Zwischenprodukt gesintert.
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Gemäß einer Abwandlung kann der
ungesinterte Abstandshalter 1330 im Übrigen auch dadurch gebildet
werden, dass auf der Oberfläche
der ungesinterten Abschirmlage 1320 oder der ungesinterten Festelektrolytlage 140 ein
den Abstandshalter bildender Haftvermittler aufgebracht wird. Auch
der ungesinterte Abstandshalter 150 kann gebildet werden,
indem auf der Oberfläche
der ungesinterten Festelektrolytlage 140 oder 160 ein
den Abstandshalter bildender Haftvermittler aufgebracht wird. Darüber hinaus kann
auch der ungesinterte Abstandshalter 170 gebildet werden,
indem auf der Oberfläche
der ungesinterten Festelektrolytlage 160 oder der ungesinterten Heizkörperabdecklage 1160 ein
den Abstandshalter bildender Haftvermittler aufgebracht wird. Bei
dieser Abwandlung kann als Haftvermittler für den Abstandshalter ein Haftvermittler
eingesetzt werden, der die gleiche Zusammensetzung oder die gleichen Bestandteile
wie der Haftvermittler 5 hat, oder er kann bei dem zuvor
unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel
des Gasmessfühlers
angesprochenen Stützbauteil
Anwendung finden.
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Ausführungsbeispiel 2
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Im Folgenden wird nun ein anhand
von Versuchen ermitteltes erfindungsgemäßes zweites Ausführungsbeispiel des
Herstellungsverfahren für
den Gasmessfühler 1A beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
wurde eine Messung bezüglich
des Zusammenhangs zwischen der Viskosität [Pa·s] der in dem obigen Ausführungsbeispiel
1 besprochenen Metallpaste bei einer Temperatur von 20°C und dem Verhältnis A/B × 100 (%)
(Verhältnis
der Breite A des flachen Abschnitts 199, 201, 301, 401 zur
Breite B der leitfähigen
Schicht 190, 20, 30, 40) vorgenommen.
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Während
die Viskosität
der Metallpaste bei einer Temperatur von 20°C zwischen 120 und 280 [Pa·s] geändert wurde,
wurde auf den Oberflächen der
ungesinterten Heizkörperlage 1950 bzw.
der ungesinterten Festelektrolytlagen 140, 160 der
Siebdruck durchgeführt
und dann das Verhältnis
A/B (%)gemessen. Aus dieser Messung ergab sich, dass dann, wenn
die Viskosität
der Metallpaste bei der Temperatur von 20°C 150 bis 250 [Pa·s] betrug,
das Verhältnis
A/B × 100
(%) mehr als 3% betrug, wodurch die Entstehung von Rissen verhindert
wurde. Als die Viskosität
der Metallpaste bei einer Temperatur von 20°C weniger als 150 [Pa·s] betrug,
stellte sich dagegen heraus, dass es wegen der zu geringen Viskosität unmöglich war,
die leitfähigen
Schichten 190, 20, 30, 40 in
die gewünschte
Form zu bringen. Als die Viskosität der Metallpaste bei einer
Temperatur von 20°C
mehr als 250 [Pa·s]
betrug, ließ sich
zudem aufgrund der zu geringen Breite der auf den leitfähigen Schichten
ausgebildeten flachen Abschnitte 199, 201, 301, 401 kein
wirksamer Rissverhinderungseffekt erzielen.
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Ausführungsbeispiel 3
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Dieses durch Versuche ermittelte
Ausführungsbeispiel
entspricht einem Verfahren, bei dem die flachen Abschnitte 199, 201, 301 und 401 nicht mit
Hilfe einer Metallpaste geringer Viskosität ausgebildet werden, sondern
bei dem die mit Hilfe der Metallpaste durch den Druckvorgang ausgebildeten
leitfähigen
Schichten 190, 20, 30 und 40 mit
Druck beaufschlagt werden. Dabei umfasst der Vorgang zur Ausbildung
der leitfähigen
Schicht in diesem Ausführungsbeispiel
die Schritte Drucken, Trocknen und Ausbilden eines flachen Abschnitts.
In dem Druckschritt wird auf der Oberfläche der ungesinterten Heizkörperlage 1950 die
Metallpaste aufgedruckt, um die leitfähige Schicht 190 auszubilden.
Entsprechend werden auf die Oberflächen der ungesinterten Festelektrolytlagen 140, 160 die
Metallpasten zum Ausbilden der leitfähigen Schichten 20, 30, 40 aufgedruckt.
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In dem Trocknungsschritt werden die
oben genannten jeweiligen Metallpasten getrocknet, um dadurch die
leitfähigen
Schichten 190, 20, 30 und 40 auszubilden.
Wie in den 24 und 25 gezeigt ist, haben die
ausgebildeten leitfähigen
Schichten 190, 20, 30 und 40 in
ihrer Breitenrichtung jeweils eine kreisförmige oder kreisbogenförmige Querschnittsform.
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In dem Schritt Ausbilden des flachen
Abschnitts wird dann, wie in 26 gezeigt
ist, die leitfähige
Schicht 190 mit Druck beaufschlagt, indem die ungesinterte
Heizkörperlage 1950 zwischen
ein Paar Pressbauteile P1 und P2 einer Presse eingespannt wird.
In diesem Schritt wird der vorragende vordere Endabschnitt 198 der
kreisbogenförmigen
leitfähigen Schicht 190 mit
Druck beaufschlagt und dann gequetscht, damit sich der flache Endabschnitt 199 ergibt.
Dieser flache Endabschnitt 199 hat eine Breite A, die bezogen
auf die Breite B der leitfähigen Schicht 190 mehr
als 3% beträgt
(A/B × 100
= 3 (%)). In diesem Ausführungsbeispiel
wurde der Druck solange aufgebracht, bis das Verhältnis A/B
etwa 70 (%) betrug.
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Wie in 27 gezeigt
ist, wurden in dem Schritt Ausbilden des flachen Abschnitts außerdem die
leitfähigen
Schichten 30, 40 und 20 mit Druck beaufschlagt,
indem die ungesinterten Festelektrolytlagen 140 und 160 zwischen
einem Paar Pressbauteile P1 und P2 einer Presse eingespannt wurden.
In diesem Schritt wurden die vorstehenden vorderen Endabschnitte 202, 302 und 402 der
kreisbogenförmigen
leitfähigen
Schichten 20, 30 und 40 mit Druck beaufschlagt
und dann gequetscht, damit sich der flache Endabschnitt 201, 301 bzw. 401 ergab.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
wurde der Druck so lange aufgebracht, bis das Verhältnis A/B
etwa 80 (%) betrug.
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Danach wurden wie bei dem ersten
Ausführungsbeispiel
des Verfahrens die Schritte Aufschichten und Sintern durchgeführt, um
den Gasmessfühler 1A herzustellen,
in dem die jeweiligen Lagen 131, 132, 14, 16, 195 und 196 (nach
dem Sinterschritt) und die Abstandshalter 133, 15 und 17 (nach
dem Sinterschritt) übereinander
geschichtet sind.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel waren die anderen
Schritte im Wesentlichen die gleichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel
oder identisch mit diesen und konnten im Wesentlichen die gleichen Vorteile
erzielt werden.
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Darüber hinaus sollte angemerkt
werden, dass die obigen Ausführungsbeispiele
für das
Herstellungsverfahren zur Herstellung des Gasmessfühlers 1A zwar
im Einzelnen unter Bezugnahme auf die 15 und 16 beschrieben wurden, dieses
Verfahren aber auch bei den Gasmessfühlern 10A und 100A der 28 und 29 Anwendung finden kann, die im Großen und
Ganzen den Gasmessfühlern 10 und 100 der
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11 und 13 entsprechen.
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Der Gasmessfühler 10A gemäß 28 enthält eine auf der Festelektrolytlage 14 ausgebildete Pumpzelle 2 und
eine auf der Festelektrolytlage 16 ausgebildete Überwachungszelle 3 und
Sensorzelle 4. Außerdem
gibt es eine Hilfspumpzelle 7 mit einem Paar Elektroden 171, 172,
die die Sauerstoffkonzentration reguliert.
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Der Gasmessfühler 100A gemäß 29 enthält eine auf der Festelektrolytlage 14 ausgebildete
Pumpzelle 2 und eine auf der Festelektrolytlage 16 ausgebildete Überwachungszelle 3 und
Sensorzelle 4. Außerdem
gibt es Hilfspumpzellen 7 mit jeweils einem Paar Elektroden 171 und 172,
die die Sauerstoffkonzentration regulieren.
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Im Übrigen ist die Erfindung nicht
auf die einzelnen oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und
können
weitere Änderungen
und Abwandlungen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang abzuweichen.