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DE19937163A1 - Screen-printing paste used to make flat ceramic components for lambda sensors used especially in vehicles, includes magnesium titanate or its mixture with spinel, forsterite or magnesia - Google Patents

Screen-printing paste used to make flat ceramic components for lambda sensors used especially in vehicles, includes magnesium titanate or its mixture with spinel, forsterite or magnesia

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Publication number
DE19937163A1
DE19937163A1 DE1999137163 DE19937163A DE19937163A1 DE 19937163 A1 DE19937163 A1 DE 19937163A1 DE 1999137163 DE1999137163 DE 1999137163 DE 19937163 A DE19937163 A DE 19937163A DE 19937163 A1 DE19937163 A1 DE 19937163A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
mgtio
sensor element
zro
heating device
spinel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE1999137163
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German (de)
Inventor
Karl-Heinz Heussner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of DE19937163A1 publication Critical patent/DE19937163A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

The mineral content is MgTiO3 or its mixture with spinel, forsterite or magnesia. An Independent claim is included for the method of making the sensor element. A heater (3) on a carrier sheet (1) based on ZrO2 is embedded in an insulating mass (4). The green assembly is sintered, the novel feature being that the insulating masses (2, 4) contain a mineral proportion based on a magnesium-containing oxide.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Siebdruckpaste für die Fertigung von planaren keramischen Elementen, ein keramisches Sensorelement und ein Verfahren zu des­ sen Herstellung.The invention relates to a screen printing paste for the Manufacture of planar ceramic elements, a ceramic sensor element and a method for the production.

Keramische Sensorelemente mit einem Träger auf Grundlage von Zirkoniumoxid und einer gegen den Träger elektrisch isolierten und luftdicht einge­ schlossenen Heizeinrichtung, insbesondere für planare Lambdasonden, werden im Dickschichtverfah­ ren durch Siebdruck von Funktionsschichten auf un­ gesinterte ZrO2-Folien und anschließendes Sintern hergestellt. Da das Zirkoniumoxid bei den Einsatz­ temperaturen derartiger Sensoren eine nicht ver­ nachlässigbare elektrische Leitfähigkeit aufweist, werden als Isolationsschichten zwischen der Heiz­ einrichtung und den benachbarten ZrO2-Folien porös sinternde Siebdruckpasten auf Al2O3-Basis einge­ setzt, in die die Heizeinrichtung eingebettet wird. Ceramic sensor elements with a carrier based on zirconium oxide and a heating device that is electrically insulated and airtight against the carrier, in particular for planar lambda sensors, are produced in the thick-film process by screen printing functional layers onto unsintered ZrO 2 foils and subsequent sintering. Since the zirconium oxide has a non-negligible electrical conductivity when using such sensors, porous sintering Al 2 O 3 -based screen printing pastes are used as insulation layers between the heating device and the neighboring ZrO 2 foils, in which the heating device is embedded .

Aufgrund der offenporigen Struktur der gesinterten Isolationsschichten ist ein seitlicher Dichtrahmen aus ZrO2 um die Heizeinrichtung und ihre Einbettung erforderlich, um eine ringsum gasdichte Oberfläche des Sensorelements zu erhalten. Nur dadurch können Verfälschungen der Referenzluft und ein korrosiver Angriff auf die Heizeinrichtung durch Abgasbestand­ teile vermieden werden.Due to the open-pore structure of the sintered insulation layers, a side sealing frame made of ZrO 2 around the heating device and its embedding is required in order to obtain an all-round gas-tight surface of the sensor element. This is the only way to avoid falsification of the reference air and a corrosive attack on the heating system caused by exhaust gas components.

Das Sinterverhalten der aktuell zur Einbettung der Heizeinrichtung verwendeten Materialien unterschei­ det sich deutlich von dem der benachbarten ZrO2- Folien. Da die Sinterschwindung dieser Materialien bei höheren Temperaturen einsetzt als die der ZrO2- Folien, treten im Sensorelement Biegespannungen auf. Eine Verkrümmung des Sensorelements kann nur durch eine ausreichende Beschwerung vermieden wer­ den. Zudem führt der geringere thermische Ausdeh­ nungskoeffizient von Al2O3 von 8,3 × 10-6 K-1 gegen­ über 10,0 × 10-6 K-1 bei ZrO2 beim Abkühlen von der Sintertemperatur auf Raumtemperatur zu bleibenden Zugspannungen im ZrO2. Um zu verhindern, daß diese Zugspannungen im Laufe des Einsatzes des Sensors zur Rißbildung führen, werden als Einbettungsmate­ rial Zusammensetzungen verwendet, die zu einem po­ rösen Gefüge mit geringem E-Modul sintern, das nur eine geringe Zugbelastung auf umgebende ZrO2- Schichten ausübt.The sintering behavior of the materials currently used to embed the heating device differs significantly from that of the neighboring ZrO 2 foils. Since the sintering shrinkage of these materials begins at higher temperatures than that of the ZrO 2 foils, bending stresses occur in the sensor element. A curvature of the sensor element can only be avoided by a sufficient weight. In addition, the lower coefficient of thermal expansion of Al 2 O 3 of 8.3 × 10 -6 K -1 versus over 10.0 × 10 -6 K -1 with ZrO 2 leads to permanent tensile stresses in the ZrO when cooling from the sintering temperature to room temperature 2nd In order to prevent these tensile stresses from cracking in the course of the use of the sensor, compositions are used as embedding material which sinter to a po porous structure with a low modulus of elasticity, which exerts only a small tensile load on the surrounding ZrO 2 layers.

In DE 44 39 883 wurde Forsterit als Material für die elektrische Isolierung der Heizeinrichtung vor­ geschlagen. In DE 44 39 883 forsterite was used as a material for the electrical insulation of the heater beaten.  

Das gegenwärtig zur Einbettung der Heizeinrichtung verwendete Material (ASB) wird in einem aufwendigen Verfahren aus den Komponenten Al2O3, SiO2 und BaO beziehungsweise BaCO3 hergestellt. Die Eigenschaf­ ten der daraus erhaltenen Pasten schwanken stark. Qualitätsprobleme in der Sensorelementfertigung liegen zum Teil in der schlechten Reproduzierbar­ keit der Pasteneigenschaften begründet.The material (ASB) currently used for embedding the heating device is produced in a complex process from the components Al 2 O 3 , SiO 2 and BaO or BaCO 3 . The properties of the pastes obtained therefrom fluctuate greatly. Quality problems in sensor element production are partly due to the poor reproducibility of the paste properties.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die vorliegende Erfindung wird zum einen eine Siebdruckpaste für die Fertigung von planaren kera­ mischen Elementen vorgeschlagen, die bei den zum Sintern von ZrO2 gebräuchlichen Temperaturen zu ei­ nem gasdichten Körper mit einem an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ZrO2 angepaßten Aus­ dehnungskoeffizienten sintert. Dies wird dadurch erreicht, daß der mineralische Anteil der Paste im wesentlichen MgTiO3 oder ein Gemisch von MgTiO3 mit ein oder mehreren anderen magnesiumhaltigen Oxiden, insbesondere MgO, Spinell oder Forsterit ist.The present invention firstly proposes a screen printing paste for the production of planar ceramic elements which sinters at the temperatures customary for sintering ZrO 2 to a gas-tight body with an expansion coefficient adapted to the thermal expansion coefficient of ZrO 2 . This is achieved in that the mineral portion of the paste is essentially MgTiO 3 or a mixture of MgTiO 3 with one or more other magnesium-containing oxides, in particular MgO, spinel or forsterite.

Es wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements vorgeschlagen, das die Herstellung von Sensorelementen mit einer Trägerfolie auf Grundlage von ZrO2 mit einer einfacheren Struktur erlaubt. Wenn nämlich bei einem Verfahren, bei dem zunächst ein Rohling des Sensorelements hergestellt wird, indem eine Heizeinrichtung auf einer Träger­ folie auf Grundlage von ZrO2 in eine Isoliermasse eingebettet wird und dann der Rohling gesintert wird, eine Isoliermasse mit einem mineralischen An­ teil auf Grundlage von MgTiO3 oder einem Gemisch von MgTiO3 mit einem oder mehreren anderen magnesi­ umhaltigen Oxiden verwendet wird, kann durch Sin­ tern bei den für die Sinterung von ZrO2 üblichen Temperaturen aus der Isoliermasse ein gasdichter Sinterkörper erhalten werden, so daß die herkömmli­ chen seitlichen Dichtrahmen entfallen können, die bei Verwendung von Isoliermassen auf Grundlage von Al2O3 aufgrund von deren Porosität nach dem Sintern erforderlich sind.A method for producing a sensor element is also proposed, which allows the production of sensor elements with a carrier film based on ZrO 2 with a simpler structure. Namely, in a method in which a blank of the sensor element is first produced by embedding a heating device on a carrier film based on ZrO 2 in an insulating mass and then sintering the blank, an insulating mass with a mineral part based on MgTiO 3 or a mixture of MgTiO 3 with one or more other magnesi-containing oxides is used, a gas-tight sintered body can be obtained by sintering at the temperatures customary for the sintering of ZrO 2 from the insulating material, so that the conventional side sealing frame is not required can, which are required when using insulating materials based on Al 2 O 3 due to their porosity after sintering.

Ein Sinterverhalten, das dem von ZrO2 sehr ähnlich ist, kann insbesondere mit einem mineralischen An­ teil in Form von Magnesiumtitanatpulver mit einer mittleren Korngröße von 1,5-2,5 µm erreicht wer­ den.A sintering behavior that is very similar to that of ZrO 2 can be achieved with a mineral portion in the form of magnesium titanate powder with an average grain size of 1.5-2.5 µm.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Isoliermasse um die oben beschriebene Siebdruckpaste.It is preferably the insulating compound around the screen printing paste described above.

Für die Herstellung eines Sensors wird vorzugsweise eine erste Schicht dieser Paste auf die Trägerfolie auf Grundlage von ZrO2 gedruckt, darauf die Hei­ zeinrichtung gedruckt und schließlich eine zweite Schicht der Paste auf die Heizeinrichtung gedruckt, um letztere einzubetten. Eine Überdeckung der Paste mit einer weiteren Folie aus ZrO2-Material ist nicht unbedingt erforderlich, da die Paste gasdicht sintert und so die darin eingebettete Heizeinrich­ tung vor Oxidation schützt.For the production of a sensor, a first layer of this paste is preferably printed on the carrier film based on ZrO 2 , the heating device is printed on it and finally a second layer of the paste is printed on the heating device in order to embed the latter. Covering the paste with another film made of ZrO 2 material is not absolutely necessary, since the paste sinters gas-tight and thus protects the heating device embedded in it against oxidation.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Sensorelement mit einem Träger auf Grundlage von ZrO2 und einer gegen den Träger isolierten und luftdicht eingeschlossenen Heizeinrichtung vorge­ schlagen, bei der die Heizeinrichtung in einem Kör­ per aus Magnesiumtitanat oder aus einem Gemisch von MgTiO3 mit Mg-haltigen Oxiden wie MgO, Spinell oder Forsterit eingebettet ist, der im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das ZrO2 des Trägers hat.According to a further aspect of the invention, a sensor element with a carrier based on ZrO 2 and a heating device which is insulated and hermetically sealed against the carrier is proposed, in which the heating device in a body made of magnesium titanate or of a mixture of MgTiO 3 with Mg containing oxides such as MgO, spinel or forsterite is embedded, which has essentially the same coefficient of thermal expansion as the ZrO 2 of the carrier.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sensorelement um ein Lambda-Sensorelement.It is preferably the sensor element around a lambda sensor element.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figu­ ren.Further features and advantages of the invention result from the following description of Ausfüh tion examples with reference to the accompanying Figu ren.

Figurencharacters

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Explo­ sionsdarstellung den Aufbau eines Lambda-Sensorelements; Fig. 1 shows a schematic Explo sionsdarstellung the structure of a lambda sensor element;

Fig. 2 veranschaulicht das Schrumpfungs­ verhalten beim Sintern von Magnesi­ umtitanat und ZrO2 in Abhängigkeit von der Temperatur; Fig. 2 illustrates the shrinkage behavior during sintering of magnesium titanate and ZrO 2 as a function of temperature;

Fig. 3 zeigt die Temperaturabhängigkeit der thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten von Magnesiumtitanat und ZrO2; und Fig. 3 shows the temperature dependence of the coefficient of thermal expansion of magnesium titanate and ZrO 2 ; and

Fig. 4 zeigt die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Magnesiumtitanat, Aluminiumoxid und ZrO2. Fig. 4 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of magnesium titanate, alumina, and ZrO 2.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

Fig. 1 zeigt in einer Explosionsdarstellung den Aufbau und die Herstellung eines Lambda-Sensors mit einem Sensorelement mit dichtsinternder Heizein­ richtung ohne Dichtrahmen. Auf einer als Heizerfo­ lie 1 bezeichneten unteren Folie auf Grundlage von ZrO2 ist durch Siebdruck eine untere Isolations­ schicht aufgebracht, die einen mineralischen Anteil in Form von Magnesiumtitanatpulver mit einer mitt­ leren Korngröße von 1,5-2,0 µm besitzt. Die Sieb­ druckpaste hat folgende Zusammensetzung:
Fig. 1 shows an exploded view of the structure and manufacture of a lambda sensor with a sensor element with a sealing heater without a sealing frame. On a lower foil called Heizerfo lie 1 based on ZrO 2 , a lower insulation layer is applied by screen printing, which has a mineral content in the form of magnesium titanate powder with a mean grain size of 1.5-2.0 µm. The screen printing paste has the following composition:

  • - Magnesiumtitanatpulver: 20 bis 70 Gew.-%,Magnesium titanate powder: 20 to 70% by weight,
  • - Lösemittel: 20 bis 70 Gew.-%,Solvent: 20 to 70% by weight,
  • - Binder: 1 bis 15 Gew.-%,Binder: 1 to 15% by weight,
  • - Weichmacher: 1 bis 15 Gew.-%.Plasticizer: 1 to 15% by weight.

Eine typische Zusammensetzung ist:
A typical composition is:

  • - 40 Gew.-% Magnesiumtitanatpulver,40% by weight of magnesium titanate powder,
  • - 50 Gew.-% organische Lösemittel,50% by weight of organic solvents,
  • - 70 Gew.-% organischer Binder,70% by weight of organic binder,
  • - 3 Gew.-% organischer Weichmacher.- 3% by weight of organic plasticizer.

Als Lösemittel kommen beispielsweise Butylcarbitol oder Ethylhexanol in Frage, als Binder wurde Po­ lyvinylbutyral verwendet; typische Weichmacher sind Dibutylphthalat oder Dioctylphthalat.Examples of solvents are butyl carbitol or ethylhexanol in question, as a binder was Po lyvinylbutyral used; are typical plasticizers Dibutyl phthalate or dioctyl phthalate.

Eine Siebdruckpaste mit der oben angegebenen Zusam­ mensetzung wird zum Beispiel hergestellt durch Ho­ mogenisieren in geeigneten Mischaggregaten wie zum Beispiel einer Kugelmühle, Mörsermühle, einem Drei­ walzwerk, einem Attritor oder Dissolver. Anschlie­ ßend wird die Paste auf die ungesinterte keramische Heizerfolie 1 aufgedruckt.A screen printing paste with the above-mentioned composition is produced, for example, by homogenizing in suitable mixing units such as, for example, a ball mill, mortar mill, a three-roll mill, an attritor or dissolver. The paste is then printed onto the unsintered ceramic heater sheet 1 .

Auf diese Schicht werden ebenfalls durch Siebdruck die elektrische Heizeinrichtung 3 in Form einer mä­ andernden Leiterbahn sowie Zuleitungen 14 für die Stromversorgung der Heizeinrichtung 3 aufgebracht. Darüber wird eine zweite Isolationsschicht 4 mit der gleichen Zusammensetzung wie die Isolations­ schicht 1 gedruckt. Die Heizeinrichtung 3 ist somit ringsum in die Isolationsschichten 2 und 4 einge­ bettet. Die Zuleitungen 14 sind über Durchkontak­ tierungen 12 in der unteren Isolationsschicht 2 und der Heizerfolie 1 mit an der Außenfläche der Hei­ zerfolie 1 angebrachten Anschlußkontakten 11 ver­ bunden. Da diese Anschlußkontakte 11 an dem von der Heizeinrichtung 3 abgewandten und deshalb relativ kühlen Ende der Heizerfolie 1 angebracht sind, be­ steht bei ihnen keine Gefahr, daß sie in der Umge­ bungsluft des Sensors oxidieren. Alternativ könnten die Zuleitungen 14 direkt aus der Einbettung zwi­ schen den zwei Isolationsschichten 2, 4 herausge­ führt sein, um die Heizeinrichtung 3 mit Strom zu versorgen. Eine weitere Alternative ist eine Aus­ führung mit einer durchgehenden außenliegenden Hei­ zeinrichtung, die nur durch eine dichtsinternde Isolationsschicht abgedeckt ist, wobei die An­ schlußkontakte frei bleiben.The electrical heating device 3 in the form of a meandering conductor track and supply lines 14 for the power supply of the heating device 3 are also applied to this layer by screen printing. A second insulation layer 4 with the same composition as the insulation layer 1 is printed over it. The heater 3 is thus embedded all around in the insulation layers 2 and 4 . The leads 14 are through contacts 12 in the lower insulation layer 2 and the heater foil 1 with zer foil 1 attached to the outer surface of the heater 1 connected contacts 11 connected. Since these contacts 11 are attached to the opposite of the heater 3 and therefore relatively cool end of the heater sheet 1 , there is no danger that they will oxidize ambient air of the sensor in the environment. Alternatively, the feed lines 14 could be led directly from the embedding between the two insulation layers 2 , 4 in order to supply the heating device 3 with current. Another alternative is a version with a continuous external heating device, which is only covered by a sealing-sintered insulation layer, the connection contacts remaining free.

Auf der zweiten Isolationsschicht 4 wird eine zwei­ te Folie aus Zirkoniumoxid, als Referenzluftkanal­ folie 5 bezeichnet, angeordnet. Ein Referenzluftka­ nal 6 erstreckt sich über fast die gesamte Länge der Folie 5 von dem die Anschlußkontakte 11 tragen­ den "kalten" Ende des Sensors bis in den "heißen" Bereich oberhalb der Heizeinrichtung 3.On the second insulation layer 4 , a second foil made of zirconium oxide, referred to as the reference air duct foil 5 , is arranged. A reference Luftka channel 6 extends over almost the entire length of the film 5 from which the contacts 11 carry the "cold" end of the sensor into the "hot" area above the heater 3rd

Auf dem Referenzluftkanal 5 wiederum ist eine Sen­ sorfolie 8 angeordnet, die an ihren zwei Oberflä­ chen eine innere beziehungsweise eine äußere Elek­ trode 7 beziehungsweise 9 in dem Bereich oberhalb der Heizeinrichtung 3 trägt. Die äußere Elektrode 9 ist durch eine poröse Schutzschicht 10 gegen die den Sensor umgebende Atmosphäre abgeschirmt.On the reference air duct 5, in turn, a sensor film 8 is arranged, which carries an inner or an outer electrode 7 or 9 in the area above the heating device 3 on its two surfaces. The outer electrode 9 is shielded from the atmosphere surrounding the sensor by a porous protective layer 10 .

Das Sinterverhalten des Magnesiumtitanatpulvers der Isolationsschichten 2 und 4 ist in Fig. 2 gemein­ sam mit dem der ZrO2-Folien 1 beziehungsweise 5 ge­ zeigt. Dabei ist an der Ordinate des Diagramms die Temperatur in °C und an der Abszisse die Schwindung in Prozent aufgetragen. Für die Messung des Schrumpfungsverhaltens von Magnesiumtitanatpulver wurden aus dem reinen Pulver unter 500 bar axial gepreßte Proben verwendet, die mit einer Aufheizra­ te von 100 K pro Stunde erhitzt wurden. Der Sinter­ beginn des Magnesiumtitanats liegt mit ca. 1000°C auf dem gleichen Niveau wie bei den zur Herstellung von planaren Sensorelementen herkömmlicherweise verwendeten ZrO2-Folien mit Zusatz von SiO2 und Al2O3.The sintering behavior of the magnesium titanate powder of the insulation layers 2 and 4 is shown in FIG. 2 together with that of the ZrO 2 films 1 and 5, respectively. The temperature in ° C is plotted on the ordinate of the diagram and the shrinkage in percent on the abscissa. For the measurement of the shrinkage behavior of magnesium titanate powder axially pressed samples were used from the pure powder under 500 bar, which were heated with a heating rate of 100 K per hour. The sintering of the magnesium titanate at about 1000 ° C is on the same level as that of the ZrO 2 films with the addition of SiO 2 and Al 2 O 3 conventionally used for the production of planar sensor elements.

Oberhalb von 1000°C nimmt die Schrumpfung zu und erreicht einen Wert von ca. 12% bei 1300°C, wie der Kurve 20 zu entnehmen ist. The shrinkage increases above 1000 ° C and reaches a value of approx. 12% at 1300 ° C, as can be seen in curve 20 .

Bei einer ersten Probe wurde der Aufheizprozeß bei 1300°C abgebrochen, und die Temperatur wurde zwei Stunden lang aufrechterhalten. Kurve 20A zeigt das weitere Sinterverhalten dieser Probe: Die Schrump­ fung setzte sich fort bis zu einer Endrate von ca. 15%, die erhaltene Dichte des Sinterkörpers betrug 3,71 g/cm3. Bei zwei weiteren Proben wurde die Auf­ heizung bei 1350°C beziehungsweise 1375°C abgebro­ chen, und die daraufhin erreichte Temperatur zwei Stunden lang aufrechterhalten. Wie die zugehörigen Kurven 20B beziehungsweise 20C zeigen, ist das Sin­ terverhalten dieser Proben der erstgenannten sehr ähnlich. In beiden Fällen wurden Sinterkörper mit einer Dichte von 3,72 g/cm3 erhalten.For a first sample, the heating process was stopped at 1300 ° C and the temperature was maintained for two hours. Curve 20 A shows the further sintering behavior of this sample: the shrinkage continued to a final rate of approx. 15%, the density of the sintered body obtained was 3.71 g / cm 3 . In two further samples, the heating was discontinued at 1350 ° C. and 1375 ° C., and the temperature then reached was maintained for two hours. As the associated curves 20 B and 20 C show, the sintering behavior of these samples is very similar to the former. In both cases, sintered bodies with a density of 3.72 g / cm 3 were obtained.

Die theoretische Dichte von Magnesiumtitanat be­ trägt 3,88 g/cm3. Die Sinterkörper erreichten somit 95,9% dieser theoretischen Dichte. Das gesinterte Material weist daher eine geschlossene Porosität auf und ist somit gasdicht.The theoretical density of magnesium titanate is 3.88 g / cm 3 . The sintered bodies thus reached 95.9% of this theoretical density. The sintered material therefore has a closed porosity and is therefore gas-tight.

Kurve 21 zeigt zum Vergleich das Schrumpfungsver­ halten einer in herkömmlicher Weise zur Herstellung eines Sensorelements verwendeten ZrO2-Folie. Diese Folie enthält neben den erwähnten Zusätzen von Al2O3 und SiO2 und einer Yttrium-Stabilisierung in un­ gesintertem Zustand einen organischen Anteil, der die mineralischen Anteile bindet und die Folie handhabbar macht. Um diesem organischen Anteil Zeit zum Verbrennen und Ausgasen zu lassen, wurde die ZrO2-Folie zunächst bis auf ca. 800°C mit einer Aufheizrate von 30 K pro Stunde erhitzt. Eine Schrumpfung von ca. 2% der ZrO2-Folie im Tempera­ turbereich unterhalb 1000°C geht auf die Verbren­ nung dieses organischen Anteils zurück. Oberhalb 800°C wurde die Folie mit einer Aufheizrate von 90 K pro Stunde auf eine Endtemperatur von 1380°C er­ hitzt und auf dieser Temperatur fünf Stunden lang gehalten. Es wurde eine Enddichte der ZrO2-Folie von 5,86 g/cm3 erreicht.For comparison, curve 21 shows the shrinkage behavior of a ZrO 2 film used in the conventional manner for producing a sensor element. In addition to the above-mentioned additions of Al 2 O 3 and SiO 2 and yttrium stabilization in the unsintered state, this film contains an organic part which binds the mineral parts and makes the film manageable. In order to give this organic fraction time to burn and outgas, the ZrO 2 film was first heated to approximately 800 ° C. at a heating rate of 30 K per hour. A shrinkage of approx. 2% of the ZrO 2 film in the temperature range below 1000 ° C is due to the combustion of this organic component. Above 800 ° C, the film was heated to a final temperature of 1380 ° C at a heating rate of 90 K per hour and held at this temperature for five hours. A final density of the ZrO 2 film of 5.86 g / cm 3 was achieved.

Der Sintervorgang setzt wie bei Magnesiumtitanat bei ca. 1000°C ein und ist bei knapp 1400°C im we­ sentlichen abgeschlossen. Das Sinterverhalten von ZrO2 und Magnesiumtitanat stimmt somit nicht nur hinsichtlich der Schrumpfungsraten, sondern auch hinsichtlich der Temperaturen des Sintervorgangs überein. Würde man anstelle einer Probe aus reinem Magnesiumtitanat das Schrumpfungsverhalten einer dieses Material als mineralischen Anteil enthalten­ den Siebdruckpaste messen, so wäre eine noch stär­ kere Ähnlichkeit der Schrumpfungskurven zu erwar­ ten, als bei den Kurven 20, 21 gezeigt, denn in ei­ nem solchen Fall würde auch bei der Magnesiumtita­ nat-Paste die Verbrennung des organischen Anteils zu einer Schrumpfung unterhalb von 1000°C in ähnli­ cher Größenordnung wie bei der ZrO2-Folie führen.As with magnesium titanate, the sintering process begins at approx. 1000 ° C and is essentially completed at just under 1400 ° C. The sintering behavior of ZrO 2 and magnesium titanate is not only the same in terms of shrinkage rates, but also in terms of the temperatures of the sintering process. If one were to measure the shrinkage behavior of a screen printing paste containing this material as a mineral component instead of a sample of pure magnesium titanate, an even greater similarity of the shrinkage curves would be expected than shown in curves 20 , 21 , because in such a case would Even with the magnesium titanate paste, the combustion of the organic portion leads to a shrinkage below 1000 ° C in a similar order of magnitude as with the ZrO 2 film.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten von gesintertem Magnesiumtitanat und gesinterter ZrO2-Folie in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Temperatur in °C ist an der Ordina­ te, der thermische Ausdehnungskoeffizient in 10-6 K-1 an der Abszisse des Diagramms aufgetragen. Die Kur­ ve 30 zeigt das Verhalten von Magnesiumtitanat, die Kurve 31 das der ZrO2-Folie. Der Ausdehnungskoeffi­ zient des gesinterten Magnesiumtitanatkörpers be­ trägt bei 1100°C 10,4 × 10,6 K-1 und entspricht da­ mit dem von ZrO2. Im unteren Temperaturbereich tre­ ten nur geringe Abweichungen auf. Daher ergeben sich beim Abkühlen von Verbundmaterialien aus ZrO2 und MgTiO3, wie eben einem Sensorelement der oben beschriebenen Art, nur geringe bleibende Spannungen aufgrund von thermischer Fehlpassung. Fig. 3 shows the course of the thermal expansion coefficient of sintered magnesium titanate and sintered ZrO 2 film depending on the temperature. The temperature in ° C is plotted on the ordina te, the thermal expansion coefficient in 10 -6 K -1 on the abscissa of the diagram. Curve 30 shows the behavior of magnesium titanate, curve 31 that of ZrO 2 film. The coefficient of expansion of the sintered magnesium titanate body is 10.4 × 10.6 K -1 at 1100 ° C and corresponds to that of ZrO 2 . Only slight deviations occur in the lower temperature range. Therefore, when cooling composite materials made of ZrO 2 and MgTiO 3 , just like a sensor element of the type described above, there are only low permanent tensions due to thermal mismatch.

Aufgrund der mit Bezug auf Fig. 2 und 3 darge­ stellten thermischen Eigenschaften von ZrO2 und MgTiO3 führt die Verwendung von Magnesiumtitanat zu einer erheblich geringeren Wahrscheinlichkeit von Ausschuß bei der Herstellung von Sensorelementen. Da die fertigen Sensorelemente arm an inneren Span­ nungen sind, ist auch die Wahrscheinlichkeit ge­ ring, daß Temperaturwechsel während des Betriebs der Sensorelemente zur Bildung von makroskopischen Rissen und zur Zerstörung der Sensorelemente füh­ ren. Die Empfindlichkeit gegen Temperaturschocks ist somit verringert.Due to the thermal properties of ZrO 2 and MgTiO 3 shown with reference to FIGS . 2 and 3, the use of magnesium titanate leads to a considerably lower probability of rejects in the production of sensor elements. Since the finished sensor elements are poor in internal voltages, there is also the likelihood that temperature changes during the operation of the sensor elements lead to the formation of macroscopic cracks and to the destruction of the sensor elements. The sensitivity to temperature shocks is thus reduced.

Fig. 4 zeigt die Temperaturabhängigkeit der elek­ trischen Leitfähigkeit eines Sinterkörpers aus Ma­ gnesiumtitanat sowie, im Vergleich, die von gesin­ tertem Al2O3 und ZrO2. An der Ordinate des Diagramms ist unten der Kehrwert der Temperatur in 1000 K-1 und oben die Temperatur in K aufgetragen; an der Abszisse ist die Leitfähigkeit in S/cm angegeben. Gemessen wurde jeweils die Leitfähigkeit während des Aufheizens und Abkühlens einer Probe. Kurve 40 zeigt das Verhalten einer ZrO2-Folie. Ab einer Tem­ peratur von ca. 400 K ist eine Zunahme der Leitfä­ higkeit erkennbar. Im für die Anwendung eines kera­ mischen Sensorelements als Lambda-Sensor interes­ sierenden Temperaturbereich ab 1000 K beträgt die Leitfähigkeit des ZrO2 über 1 mS/cm. Deshalb ist es notwendig, die Heizeinrichtung eines solchen Senso­ relements gegen eine ZrO2-Trägerfolie elektrisch zu isolieren. Kurve 41 zeigt die Leitfähigkeit eines in herkömmlicher Weise hierfür verwendeten Alumini­ umoxids. Sie steigt erst bei ca. 650 K kontinuier­ lich an und erreicht im Temperaturbereich 1000 bis 1200 K eine Leitfähigkeit von ca. 10-6 bis 10-5 S/cm. Fig. 4 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of a sintered body made of magnesium titanate and, in comparison, that of sintered Al 2 O 3 and ZrO 2 . The reciprocal of the temperature in 1000 K -1 and the temperature in K are plotted on the ordinate of the diagram below; on the abscissa the conductivity is given in S / cm. The conductivity was measured during the heating and cooling of a sample. Curve 40 shows the behavior of a ZrO 2 film. Above a temperature of approx. 400 K, an increase in conductivity can be seen. In the temperature range above 1000 K that is of interest for the use of a ceramic sensor element as a lambda sensor, the conductivity of the ZrO 2 is over 1 mS / cm. It is therefore necessary to electrically insulate the heating device of such a sensor element against a ZrO 2 carrier film. Curve 41 shows the conductivity of an aluminum oxide conventionally used therefor. It only rises continuously at approx. 650 K and reaches a conductivity of approx. 10 -6 to 10 -5 S / cm in the temperature range 1000 to 1200 K.

Die Kurve 42 zeigt die Leitfähigkeit von Magnesium­ titanat. Sie beginnt wie die von Aluminiumoxid, ab einer Temperatur von ca. 650 K kontinuierlich zuzu­ nehmen. Die Zunahme verläuft etwas steiler äls bei Aluminiumoxid und erreicht bei 1200 K eine Leitfä­ higkeit von ca. 1 × 10-4 S/cm. Im interessierenden Temperaturbereich liegt die Leitfähigkeit ungefähr zwei Größenordnungen unter dem Wert von ZrO2. Ma­ gnesiumtitanat hat also auch bei hoher Temperatur eine ausreichende Isolationsfähigkeit.Curve 42 shows the conductivity of magnesium titanate. Like aluminum oxide, it begins to increase continuously from a temperature of approx. 650 K. The increase is somewhat steeper than with aluminum oxide and reaches a conductivity of approx. 1 × 10 -4 S / cm at 1200 K. In the temperature range of interest, the conductivity is approximately two orders of magnitude below the value of ZrO 2 . Magnesium titanate therefore has sufficient insulation properties even at high temperatures.

Die Erfindung ist oben zwar schwerpunktmäßig mit Hinblick auf die Verwendung von Magnesiumtitanat als mineralischem Anteil der Siebdruckpaste, bezie­ hungsweise der Isolationsschicht eines unter Ver­ wendung der Siebdruckpaste hergestellten Sensorele­ ments beschrieben worden, es wird jedoch erwartet, daß andere magnesiumhaltige Oxide, insbesondere Mi­ schungen aus MgTiO3 mit Forsterit, Spinell oder MgO ähnlich vorteilhafte Eigenschaften aufweisen.Although the invention has been described above with regard to the use of magnesium titanate as a mineral component of the screen printing paste, or the insulation layer of a sensor element produced using the screen printing paste, it is expected, however, that other magnesium-containing oxides, in particular mixtures of MgTiO 3 have similar advantageous properties with forsterite, spinel or MgO.

Claims (13)

1. Siebdruckpaste für die Fertigung von planaren keramischen Elementen, einen mineralischen Anteil, Lösungs- und Hilfsmittel enthaltend, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mineralische Anteil im we­ sentlichen MgTiO3 oder ein Gemisch von MgTiO3 mit Spinell, Forsterit oder MgO ist.1. Screen printing paste for the production of planar ceramic elements, containing a mineral component, solvents and auxiliaries, characterized in that the mineral component is essentially MgTiO 3 or a mixture of MgTiO 3 with spinel, forsterite or MgO. 2. Paste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 20 und 70 Gew.-% mineralischen An­ teil, zwischen 20 und 70% Lösungsmittel, zwischen 1 und 15 Gew.-% Binder und zwischen 1 und 15 Gew.-% Weichmacher umfaßt.2. Paste according to claim 1, characterized in that they have between 20 and 70 wt .-% mineral part, between 20 and 70% solvent, between 1 and 15% by weight of binder and between 1 and 15% by weight Plasticizer includes. 3. Paste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ca. 40 Gew.-% mineralischen Anteil, ca. 50 Gew.-% Lösungsmittel, ca. 7 Gew.-% Binder und ca. 3 Gew.-% Weichmacher umfaßt.3. Paste according to claim 2, characterized in that they have about 40 wt .-% mineral content, about 50 % By weight of solvent, approx. 7% by weight of binder and approx. 3 % By weight plasticizer. 4. Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements, bei dem ein Rohling des Sensorelements hergestellt wird, indem eine Heizeinrichtung (3) auf einer Trä­ gerfolie (1) auf Grundlage von ZrO2 in eine Iso­ liermasse (4) eingebettet wird, und der Rohling gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermasse (2, 4) einen mineralischen Anteil auf Grundlage eines magnesiumhaltigen Oxids aufweist.4. A method for producing a sensor element in which a blank of the sensor element is produced by a heating device ( 3 ) on a carrier foil ( 1 ) based on ZrO 2 is embedded in an insulating mass ( 4 ), and the blank is sintered , characterized in that the insulating compound ( 2 , 4 ) has a mineral content based on a magnesium-containing oxide. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das magnesiumhaltige Oxid MgTiO3 oder ein Gemisch von MgTiO3 mit MgO, Spinell oder Forsterit ist.5. The method according to claim 4, characterized in that the magnesium-containing oxide is MgTiO 3 or a mixture of MgTiO 3 with MgO, spinel or forsterite. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der mineralische Anteil MgTiO3-Pulver mit einer mittleren Korngröße von ca. 1,5-2,5 µm ist.6. The method according to claim 5, characterized in that the mineral content is MgTiO 3 powder with an average grain size of about 1.5-2.5 microns. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sinterung bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1400°C, insbesondere bei einer Maximaltemperatur von 1385°C durchgeführt wird.7. The method according to any one of claims 4 to 6, there characterized in that the sintering at a Temperature between 1000 and 1400 ° C, in particular carried out at a maximum temperature of 1385 ° C becomes. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Isoliermasse eine Pa­ ste nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.8. The method according to any one of claims 4 to 7, there characterized in that the insulating compound has a Pa is according to one of claims 1 to 4. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß eine erste Schicht (2) der Paste auf die Trägerfolie (1) gedruckt ist, die Heizeinrichtung (3) auf die erste Schicht (2) gedruckt wird und ei­ ne zweite Schicht (4) der Paste auf die Heiz­ einrichtung (3) gedruckt wird, um letztere einzu­ betten.9. The method according to claim 8, characterized in that a first layer ( 2 ) of the paste is printed on the carrier film ( 1 ), the heating device ( 3 ) is printed on the first layer ( 2 ) and a second layer ( 4th ) the paste is printed on the heating device ( 3 ) to embed the latter. 10. Sensorelement mit einem Träger (1) auf Grundla­ ge von ZrO2 und einer gegen den Träger isolierten und luftdicht eingeschlossenen Heizeinrichtung (3) dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (3) in einen Körper (2, 4) auf Grundlage eines magnesi­ umhaltigen Oxids eingebettet ist.10. Sensor element with a support ( 1 ) on the basis of ZrO 2 and an isolated and airtight enclosed heating device ( 3 ) characterized in that the heating device ( 3 ) in a body ( 2 , 4 ) based on a magnesi containing Oxide is embedded. 11. Sensorelement nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das magnesiumhaltige Oxid MgTiO3 oder ein Gemisch von MgTiO3 mit MgO, Spinell oder For­ sterit ist.11. Sensor element according to claim 10, characterized in that the magnesium-containing oxide is MgTiO 3 or a mixture of MgTiO 3 with MgO, spinel or For sterite. 12. Sensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Körper (2, 4) aus MgTiO3-Pulver mit einer mittleren Korngröße von ca. 1,5-2,5 µm gesintert ist.12. Sensor element according to claim 11, characterized in that the body ( 2 , 4 ) is sintered from MgTiO 3 powder with an average grain size of about 1.5-2.5 microns. 13. Sensorelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Lambda- Sensorelement ist.13. Sensor element according to one of claims 10 to 12, characterized in that it is a lambda Sensor element is.
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