DE3538458A1 - Elektrische anschlussklemme fuer ein sensorelement unter verwendung von keramik - Google Patents
Elektrische anschlussklemme fuer ein sensorelement unter verwendung von keramikInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung einer elektrischen Anschlußklemme für ein Sensorelement unter
Verwendung von Keramik, wie z.B. für "einen Sauerstoffsensor oder
dergl., der zum Nachweis einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas eines Kraftfahrzeugmotors dienen kann.
Als Sauerstoffsensor zum Nachweis einer in einer Substanz
nachzuweisenden Sauerstoffkonzentration, z.B. in dem Abgas eines Kraftfahrzeugmotors oder dergl., wurde bisher ein Sensor einer
Bauart vorgeschlagen, bei der am distalen Ende einer hauptsächlich
aus Zirkonoxid bestehenden, länglichen, flachen Sensorsubstrat-Platte
beidseitig je eine Elektrodenschicht vorgesehen ist, wobei die eine Elektrode einer Standardsubstanz, z.B. Luft, und die andere
Elektrode einer zu prüfenden Substanz, z.B. einem Abgas, ausgesetzt ist, und eine zwischen den beiden Elektroden nach dem Prinzip
der Sauerstoffkonzentrationszelle erzeugte elektromotorische
Kraft als Nachweissignal dient.
Dieser Typ des Sauerstoffsensors hat am hinteren Ende des Sensorsubstrats im allgemeinen eine Anschlußklemme für den Anschluß mehrerer ummantelter Leitungsdrähte, wobei die mit der Anschlußklemme verbundenen, ummantelten Leitungsdrähte das erfaßte Signal
als Ausgang auf die äußere Schaltung übertragen.
Das Anlöten der nebeneinander befindlichen, ummantelten Leitungsdrähte an die Anschlußklemme des Sensorsubstrats ergibt
eine schlechte Leistungsfähigkeit. Selbst wenn die ummantelten Leitungsdrähte durch ein geeignetes Dichtungselement an von der
Anschlußklemme ausgehende Hilfsleitungsdrähte angeschlossen werden,
ergibt sich eine schlechte Leistungsfähigkeit, und die Dichtungsarbeit ist schwierig. Zur Lösung des Problems der elektrischen
Verbindung zwischen dem Sensorelement und den ummantelten Leitungsdrähten haben die·Erfinder in der Vergangenheit einen Sauerstoffsensor gemäß der Japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift
Nr. 150,449/85 (Japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 38,406/84, US-Patentanmeldung Nr. 709,802 und DE-A-3509197) vorgeschlagen.
Die Figur 5 der beigefügten Zeichnung zeigt einen Längsschnitt des gesamten Aufbaus des Sauerstoffsensors mit der Bezugszahl 40.
Im einzelnen ist nach Figur 5 ein aus einer Sauerstoffionleitfähigen Festelektrolyt-Platte und zwei Elektroden usw. bestehendes Sensorelement 41 in der Weise in einem zylindrischen, metallischen Schutzrohr 42 untergebracht, daß das mit den Elektroden versehene distale Ende 44 das Unterteil des Sensorelements 41 darstellt.
Das mittlere Teil des Sensorelements 41 wird durch einen Porzellanisol ator 43 gehalten. Das obere Ende des Sensorelements 41 wird
durch einen Porzellanstecker 45 gehalten. Das Sensorelement 41 ist
in dem Schutzrohr 42 durch Zement, Talkum, Glas oder einen ähnlichen Füllstoff 46 befestigt, der oberhalb und unterhalb des Porzellanisolators 43 eingefüllt ist.
Das Schutzrohr 42 hat an seinem unteren Ende viele
Durchbrechungslöcher 47, so daß die an der Außenfläche des unteren
Endes des Sensorelements 41 angeordnete Meßelektrode mit der zu prüfenden Gasatmosphäre in Berührung kommt. Das Schutzrohr 42 hat
an seinem oberen Ende einen mit der Innenwand des Schutzrohrs 42 in Kontakt befindlichen Erdleitungsdraht 50 und durch einen Gummistopfen
48 eingeführte Leitungsdrähte 51-53. Der Isolatorstecker 45
hat eine zylindrische Gestalt, in seinem Unterteil eine Einsatzbohrung
55 zum Einsetzen des oberen Endes des Sensorelements 41 und in seinem Oberteil Leitungsdraht-Einsatzbohrungen 56-59, die - wie in
den Figuren 7 und 8 gezeigt - mit der Einsatzbohrung 55 in Verbindung stehen und zum Einsetzen der Leitungsdrähte 50-53 dienen. Die in die
Leitungsdraht-Einsatzbohrungen 56-59 eingesetzten Leitungsdrähte 50-53 sind an ihren Enden mittels dichtender metallischer Paßstücke 62-66
befestigt, die an die gefalzten, federnden Kontaktelemente 61,65
integral angeformt sind, wie in der Figur 6 dargestellt ist.
Die Kontaktelemente 61,65 haben Druckkontakt mit dem
in die Einsatzbohrung 55 des Porzellansteckers 45 eingesteckten
Sensorelements 41, wobei sie die auf den Oberflächen des Endes des Sensorelements 41 angeordneten Anschlußklemmen 60,64 berühren.
Bei der dargestellten Bauart gibt es vier Leitungsdrähte, weil der Sauerstoffsensor 40 derart mit einem Heizkörper versehen
ist, daß dieser einen integralen Bestandteil des Sensorelements bildet, und zwei Leitungsdrähte für die elektrische Stromzuführung von
einer elektrischen Spannungsquelle zu dem Heizkörper nötig sind.
Auf diese Weise fungiert der Porzellanstecker 45 als Steckdose, so daß die Verbindung zwischen den Leitungsdrähten 50-53
und den Anschlußklemmen 60,64 des Sensorelements 41 erleichtert wird.
Die oben erwähnten, auf dem Sensorelement angeordneten
Anschlußklemmen 60,64 wurden bisher in der Weise auf dem Sensorelement
41 befestigt, daß man einen Film aus einem Metall, wie Nickel, Gold, Silber oder Platin usw. auf die Oberflächen der ebenen
Platte eines Festelektrolyten aufbrannte. Dabei ergibt sich der Nach-
teil, daß die Bindung zwischen den Klemmen und dem Sensorelement nicht stark ist. Wenn beispielsweise der Sauerstoffsensor 40 auf
einem Kraftfahrzeug montiert wird, ergibt sich der Nachteil, daß sich die Anschlußklemmen 60,64 durch die Reibung des Sensorelements
an den Kontaktelementen 61,65 infolge der Fahrzeugschwingung und die wiederholte Erhitzung· und Abkühlung des Sensorelements 41 von
dem letzteren ablösen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile der bekannten Anschlußklemmen des Sensorelements
zu beseitigen.
Weiterhin soll nach der Erfindung eine elektrische Anschlußklemme geschaffen werden, die an einem Ende eines hauptsächlich
aus Keramik bestehenden Sensorsubstrats angeordnet ist und zusammen mit dem Ende des Sensorsubstrats in eine separate
Steckfassung zur elektrischen Verbindung mit einem Kontaktelement in der Steckfassung einsteckbar ist, wobei auf das Sensorsubstrat
wenigstens zwei dicke oder dünne leitfähige Schichten aufgebracht sind, von denen wenigstens die mit dem Sensorsubstrat in Kontakt
befindliche, unterste Schicht aus einem Gemisch aus einem leitfähigen Metall und einem der Bestandteile Keramik und Glas besteht.
Da die unterste Schicht der elektrischen Anschlußklemme Keramik, Glas oder ein Gemisch aus diesen enthält, zeigt
sie eine stark verbesserte Bindungsfestigkeit, wenn sie durch Aufbrennen auf dem hauptsächlich aus Keramik bestehenden Sensorsubstrat
befestigt wird. Wenn die auf der untersten Schicht angeordnete obere Schicht einen größeren Gehalt an leitfähigem Metall als
die unterste Schicht hat oder wenn die auf der untersten Schicht angeordneten oberen Schichten bei Zunahme der oberen Schicht höhere
Gehalte des leitfähigen Metalls als die unterste Schicht haben, wird der Berührungswiderstand zwischen der obersten leitfähigen
Schicht und dem Kontaktelement der Steckfassung verringert. Die leitfähigen Schichten sind fest miteinander verbunden, wenn
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sie Keramik, Glas oder ein Gemisch aus diesen enthalten.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen.
Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die beiliegende
Zeichnung Bezug genommen.· Es zeigen
Figur 1 eine schematische auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Sensorelements, aus welcher der Aufbau
einer Ausführungsform der Erfindung ersichtlich ist;
Figur 2 deren schematische perspektivische Ansicht, aus
der ihr Anschlußklemmenteil ersichtlich ist;
Figur 3 eine schematische, auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines Sensorelements, aus welcher der Aufbau einer
anderen Ausführungsform der Erfindung ersichtlich ist;
Figur 4 deren schematische perspektivische Ansicht, aus der ihr Anschlußklemmenteil ersichtlich ist;
Figur 5 einen Längsschnitt eines Sauerstoffsensors, aus
dem der gesamte Aufbau des Sauerstoffsensors erkennbar ist;
Figur 6 einen Längsschnitt des Porzellansteckers des
Sauerstoffsensors der Figur 5, wobei der Schnitt längs der Linie VI-VI der Figur 7 gelegt ist;
Figur 7 einen Schnitt des Porzellansteckers der
Figur 6 nach der Linie VII-VII; und
Figur 8 einen Schnitt des Porzellansteckers der
Figur 6 nach der Linie VIII-VIII.
In den verschiedenen Ansichten der Zeichnung bezeichnen die Bezugszahlen die folgenden Positionen:
1 - Sensorelement; 2,3 und 4 - Festelektrolytplatten; 2a und 3a - Durchgangslöcher; 5 - Sensorsubstrat; 6 - Schutzschicht;
7 - Fenster; 8 - Schlitz; -10 - Sensorteil des Sensorelements 1; 11 - Meßelektrode; 12 - Standardelektrode; 13,14 und 15 - Elektrodenleitungen;
15' - gebogenes Endteil; 16 und 17 - Enden der Elektrodenleitungen;
18 und 19 - obere Schichten der Anschlußklemmen;
20 - Heizteil des Sensorelements 1; 21 und 22 - isolierende Keramikschichten; 23 - Heizkörper; 24 und 25 - Enden der Heizkörperleitungen;
26 und 27 - obere Schichten der Anschlußklemmen; 28 und 29 Heizkörperleitungen;
30 - isolierende Schicht; 31,32,33 und 34 untere Schichten der Anschlußklemmen; 40 - Sauerstoffsensor; 41 Sensorelement;
42- metallisches Schutzrohr; 43 - Porzellanisolator; 44 - unteres Ende des Sensorelements 41; 45 - Porzellanstecker;
46 - Füllstoff; 47 - Perforationsloch; 48 - Gummistopfen; 50 - Erdleitungsdraht;
51,52 und 53 - Leitungsdrähte; 55 - Einsatzbohrung zum Einstecken des einen Endes des Sensorelements 41; 56,57,58 und
59 - Einsatzbohrungen zum Einsetzen der Leitungsdrähte 50,51,52 und 53; 60 und 64 - Anschlußklemmen des Sensorelements 41; 61 und 65
- federnde Kontaktelemente; 62 und 66 - MetalIpaßstücke zu Befestigung
der Enden der Leitungsdrähte 51 und 53.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1 eines Sauerstoffsensors in einer auseinandergezogenen
Darstellung. Das Sensorelement 1 ist ähnlich wie das oben erwähnte Sensorelement 40 entsprechend der Darstellung in Figur 5
in dem Schutzrohr 42 untergebracht und bildet so einen Sauerstoffsensor 40.
Das Sensorelement 1 besteht im wesentlichen aus einem . Sensorteil 10 und einem Heizteil 20. Der Sensorteil 10 umfaßt ein
Sensorsubstrat 5, das durch übereinanderschichten und gegenseitige Bindung (die Bindung erfolgt durch Brennen) von drei länglichen,
hauptsächlich aus Zirkonoxid bestehenden, Sauerstoffion-leitfähigen
Festelektrolyt-Platten 2,3-und 4 gebildet ist, eine Meßelektrode 11
(die der zu untersuchenden Substanz ausgesetzt ist),, die durch Drucken auf dem oberen rechten Ende einer oberen Festelektrolyt-Platte
2 angeordnet ist, und eine Standardelektrode 12 (die einer Standardsubstanz ausgesetzt ist), die in ähnlicher Weise
durch Drucken auf dem oberen rechten Ende einer unteren Festelektrolyt-Platte
4 angeordnet ist.
Eine mittlere Festelektrolyt-Platte 3 hat einen Längsschlitz
8, der durch die Mittellinie ihrer Breite verläuft.
Auf der oberen Festelektrolyt-Platte 2 befindet sich eine dünne Schicht oder ein Film einer leitfähigen Elektrodenleitung
13, die sich streifenartig von dem Ende der Meßelektrode 11 zum linken Ende der Festelektrolyt-Platte 2 erstreckt. In ähnlicher
Weise befindet sich auf der Oberseite der Festelektrolyt-Platte 4 eine dünne Schicht oder ein Film einer leitfähigen Elektrodenleitung
14, die sich streifenförmig von dem Ende der Standardelektrode
12 zum linken Ende der Festelektrolyt-Platte 4 erstreckt.
Die Elektrodenleitung 14 ist über ein durch die Löcher 2a und 3a der oberen bzw. mittleren Festelektrolyt-Platte 2 bzw. 3 verlaufendes,
abgebogenes Leitungsstück 15' mit einer auf die obere Festelektrolyt-Platte
2 aufgebrachten, streifenförmigen Elektrodenleitung 15
verbunden.
Die Festelektrolyt-Platte 2 mit den Elektrodenleitungen
13 und 15 trägt auf seiner Oberseite eine Beschichtung aus einer Schutzschicht 6 aus einer porösen Keramik zum Schutz der Elektrode
11 und der Elektrodenleitungen 13,15.
Die linken Enden 16,17 der Elektrodenleitungen 13,15 haben auf ihren Oberflächen obere Anschlußklemmschichten oder Anschlußklemm-Deckschichten
18,19, die durch Aufbringen einer leitfähigen Beschichtung auf die linken Enden 16,17 gebildet sind,
wobei diese leitfähige Beschichtung einen höheren Metallgehalt als die Elektrodenleitungen 13,15 hat.
Der Heizteil 20 hat einen Heizkörper 23, der aus einem sandwichartig zwischen die rechten Enden zweier länglicher, ebener,
isolierender Keramikschichten 21,22 eingelegten Widerstandsheizkörper besteht, wobei zwischen die Schichten 21,22 in ähnlicher
Weise auch zwei leitfähige Heizleitungen 28,29 sandwichartig eingelegt sind, die sich streifenförmig von den beiden Enden des Heizkörpers
23 zum linken Ende der isolierenden Keramikschicht 21 erstrecken.
Die linken Enden 24,25 der Heizleitungen 28,29 haben unterseitig Anschlußklemmen-Oberschichten 26,27, die durch Aufbringen
einer leitfähigen Beschichtung auf die Unterseiten der linken Enden 24,25 gebildet sind, wobei die leitfähige Beschichtung einen
höheren Metallgehalt als die Heizleitungen 28,29 hat.
Der so gebildete Heizteil 20 bildet zusammen mit dem
Sensorteil 10 dadurch eine integrale Konstruktion, daß der Heizteil durch eine isolierende Schicht 30 mit der Unterseite des Sensorteils
10 integral verbunden ist, so daß die isolierenden Keramikschichten 21,22 und die isolierende Schicht 30 einen Teil des Sensorsubstrats
5 bilden.
Bezugnehmend auf Figur 2 ist das Sensorelement 41 der in Figur 1 gezeigten Bauart über die in den Figuren 5 bis 8 gezeigten
Kontaktelemente 61,65 mit einem Porzellanstecker 45 in Eingriff. Die
Kontaktelemente 61,65 (die anderen zwei Elemente sind aus Gründen der Vereinfachung in Figur 2 weggelassen, obgleich es praktisch
vier Kontaktelemente gibt) berühren unter Druck die Oberseiten der
Anschlußklemmen-Oberschichten 18,19 am Elektrodenteil bzw. die
Anschlußklemmen-Oberschichten 26,27 am Heizteil.
Wie oben beschrieben, haben die Anschlußklemmen-Oberschichten 18,19,26,27 höhere Metallgehalte als die linken Enden
16,17 der Elektrodenleitungen 13,15 und die linken Enden 24,25 der Heizleitungen 28,29, welche die Anschlußklemmen-Unterschichten bilden.
Anders betrachtet haben die Anschlußklemmen-Unterschichten 16, 17,24,25 höhere Keramikgehalte als die Anschlußklemmen-Oberschichten
18,19,26,27, so daß sie eine stärkere Bindung an die Festelektrolyt-Platte 2 oder die isolierende Keramikschicht 21 zeigen.
Zur eingehenderen Erläuterung der vorgenannten Beschreibung
wird nachfolgend ein Beispiel zur Herstellung der Anschlußklemmen-Oberschichten
18,19,26,27, der Elektrodenleitungen 13,14,15 und der Heizleitungen 28,29 beschrieben.
Zur Herstellung der Elektrodenleitungen 13-15 und der Heizleitungen 28,29 werden zunächst 60 Vol.-% eines Pulvers aus
im wesentlichen wenigstens einem Metall, das aus der aus den Metallen
der Platingruppe, Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Chrom, Wolfram, Molybdän und einem Gemisch oder einer Legierung dieser Metalle
bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und 40 Vol.-* stabilisiertes Zirkonoxid-Pulver, wie z.B. ZrO2, mit 6 MoI-? Y2O3 versetzt und
nach Zugabe von 4 Gew.-% Äthylzellulose und Butylcarbitolacetat
unter Bildung einer Paste verknetet und durch Drucken auf die Oberflächen der ungebrannten, Festelektrolyt-Platten 2,4 und der ungebrannten
isolierenden Keramikschicht 21 aufgetragen, um die Elektrodenleitungen
13-15 und die Heizleitungen 28,29 im ungebrannten Zustand zu bilden.
90 Vol.-% des oben erwähnten Metall pulvers und 10 Vol.-%
stabilisiertes Zirkonoxidpulver werden mit 4 Gew.-% Äthylzellulose
und mit n-Butylcarbitolacetat als Lösungsmittel versetzt, zu einer
Paste verknetet und durch Drucken auf die Oberseiten der linken Enden
der Pastenschichten, welche die Elektrodenleitungen 13,15 bilden
sollen, und die linken Enden der Pastenschichten, welche die Heizleitungen 28,29 bilden sollen, aufgetragen, um die Anschlußklemmen-Oberschichten 18,19,26,27 im ungebrannten Zustand zu bilden.
Die Festelektrolyt-Platten 2,4 und die isolierende Keramikschicht 21 mit den wie beschrieben aufgetragenen Pasten und
die anderen Teile werden alle übereinandergeschichtet und dann 3 Stunden bei 1400 0C gebrannt, um ein Sensorelement herzustellen,
dessen Ende in Figur 2 dargestellt ist.
Bei dieser Ausführungsform wird Gold, Silber oder
Kupfer hauptsächlich als Legierung mit einem anderen Metall von
hohem Schmelzpunkt oder als ein beim Brennen in eine Legierung übergehendes Gemisch mit einem solchen Metall eingesetzt, weil
ihre Schmelzpunkte niedrig sind. Nickel, Chrom, Wolfram, Molybdän, Kupfer usw. unterliegen in einer oxidierenden Atmosphäre
besonders bei einer hohen Temperatur von etwa 1400 0C der Oxidation,
so daß sie nötigenfalls in einer reduzierenden oder neutralen Atmosphäre oder nach Beschichtung mit einer nichtoxidierenden Paste
gebrannt werden.
Diese Methode der Vorbeschichtung mit pastenförmigen
Anschlußklemmen-Oberschichten und -Unterschichten und des gleichzeitigen Brennens der so auflaminierten Schichten wird hier als
"Methode 1" bezeichnet. Anders als bei der Methode 1 können die Anschlußklemmen-Oberschichten 18,19,26,27, die Elektrodenleitungen 13,i4,15 und die Heizleitungen 28,29 nach der folgenden "Methode 2" in der Weise hergestellt werden, daß man auf die Festelektrolyt-Platten 2,4 und die isolierende Keramikschicht 21 Pasten zur
Bildung der Anschlußklemmen-Unterschichten, d.h. der Elektrodenleitungen 16,17 und der Heizleitungen 28,29 aufbringt und dann
die Teile übereinanderschichtet und brennt; danach werden die Anschlußklemmen-Unterschichten zur Bildung der Anschlußklemmen-Oberschichten mit Pasten belegt bzw. beschichtet und 15 Minuten
bei einer Temperatur von z.B. 1000 0C gebrannt, die niedriger
ist als die Brenntemperatur für die Bildung der Anschlußklemmen-Unterschichten.
Bei der in den Figuren 3-4 gezeigten anderen Ausführungsform können die Elektrodenleitungen 13,15 und die Heizleitungen 28,29
an ihren linken Enden ein" kurzes Stück kürzer als die Festelektrolyt-Platte 2 und die isolierende Keramikschicht 21 sein, und Anschlußklemmen-Unterschichten
31,32,33 und 34, die in ihren Zusammensetzungen von denen der kurzen Leitungen 13,15,28 und 29 abweichen, können
in Berührung mit den letzteren oder einteilig mit diesen gebildet
werden; die Anschlußklemmen-Oberschichten 18,19,26,27 können auf die Oberseiten der Anschlußklemmen-Unterschichten 31,32,33 und
34 auflaminiert werden, wodurch eine andere Bauart des Sensorelements
entsteht. Wenn die Keramikgehalte der Anschlußklemmen-Unterschichten
31-34 größer als die der Leitungen 13,15,28,29 sind, kann die Bindungsfestigkeit am Anschlußklemmteil stark verbessert werden,
ohne daß sich die Widerstandswerte der Leitungen 13,14,15,28 und 29 ändern.
Die Anschlußklemmen-Oberschichten 18,19,26,27 und die
Anschlußklemmen-Unterschichten 31-34' können vor dem gleichzeitigen
Brennen der Festelektrolyt-Platten 2-4 in Pastenform auflaminiert werden, oder die Oberschichten 18,19,26 und 27 können auf die Unterschichten
31-34 aufgebracht werden, nachdem die Festelektrolyt-Platten und die Unterschichten 31-34 gebrannt sind.
Auf den Oberschichten kann durch Drucken und ein- oder
mehrmaliges Brennen wenigstens eine Pastenschicht von höherem Metallgehalt
als dem der Anschlußklemmen-Oberschichten 18,19,26 und 27
ausgebildet werden. Bei einer anderen Methode werden auf den Anschlußklemmen-Oberschichten
durch ein chemisches oder physikalisches
überzugsverfahren eine oder mehrere Beschichtungen wenigstens eines
Metalls ausgebildet, das aus der aus einem Metall der Platingruppe,
Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Chrom, Wolfram und Molybdän bestehen-
den Gruppe ausgewählt ist.
Zur überprüfung der Brauchbarkeit der vorliegenden Erfindung
wurden Sauerstoffsensoren nach der vorliegenden Erfindung
und herkömmliche Sauerstoffsensoren hergestellt. Der Aufbau der
Sauerstoffsensoren, die Werkstoffe und der Oberflächenwiderstand der Anschlußklemmen sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.
In Tabelle 1 ist der Aufbau durch eine Figur der vorliegenden
Anmeldung angegeben, und das Brennverfahren ist eine der beiden oben erläuterten Methoden.
Die Sauerstoffsensoren werden zu der in Figur 5 gezeigten Konstruktion zusammengebaut, dann in einer Abgasleitung eines
Sechszylinder-2 Liter-Benzin-Verbrennungsmotors installiert und in
dem Abgas des Motors getestet, der 800 Stunden mit 4000 UpM bei etwa 800 0C gefahren wurde.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben.
| Yr. | Aufbau | Brenn methode der Anschluß klemmen |
Anschlußklemmen-Unterschicht | Pt | Ni | Rh | Y2O3- ZrO2 |
Al2O3 | Glas | Oberflä chenwider stand (fl/sq) |
Anschlußklemmen-Obersehicht | Pt | Ni | Y2O3- ZrO2 |
Al2O3 | Glas | Oberflä chenwider stand (Q/sq) |
|
| Probe t | 1 | Fig. 1 | Methode 1 | Material (VoI*-*) | 60 | - | - | 40 | - | - | 0,25 | Material (Vol.-«) | 90 | - | 10 | - | - | 0,019 |
| 2 | Fig. 1 | Methode 1 | 60 | - | - | 40 | - | - | 0,40 | 97 | - | - | 3 | - | 0,010 | |||
| Vor lie gende Erfin dung Ver gleich |
3 | Fig. 1 | Methode 2 | 60 | - | - | 40 | - | 0,33 | 97 | - | - | - | 3 | 0,010 | |||
| 4 | Fig. 1 | Methode 2 | 60 | - | - | 40 | - | - | 0,25 · | - | 99 | - | -. | 1 | 0,03 | |||
| 5 | Fig. 3 | Methode 1 | 45 | - | - | 50 | 5 | - | 100 | 95 | - | - | 5 | - | 0,015 | |||
| 6 | Fig. 3 | Methode 1 | 40 | - | - | - | 60 | - | 700 | 95 | - | - | 5 | - | 0,015 | |||
| 7 | Fig. 3 | Methode 1 | W | - | - | - | 60 | - | 700 | 95 | - | - | 5 | - | 0,015* | |||
| 8 | Methode 2 | - | 99 | - | - | - | 1 | 0,010 | Keine Oberschicht | |||||||||
| 9 | Methode 2 | 97 | - | - | - | - | 3 | 0,020 | ||||||||||
| 10 | Methode 1 | 60 | - | - | 40. | - | - | 0,38 | ||||||||||
| 11 | Methode 1 | - | - | 100 | - | - | - | 0,015 |
* Ferner wurde Gold in einer Dicke von 1 pm auf die Oberschicht der Probe
Nr. 7 aufgebracht, um den Oberflächenwiderstand auf weniger als 0,01 Ω /sq
zu verringern.
Nr. 7 aufgebracht, um den Oberflächenwiderstand auf weniger als 0,01 Ω /sq
zu verringern.
co " oo
cn oo
| Probe Nr. | 1 | Oberflächen widerstand (fl/sq) |
• | 0,42 | Zustand des Anschlusses |
| Vorlie gende Erfindung |
2 | 0,025. | 0,10 | gut | |
| Vergleich | 3 | 0,05 | gut | ||
| 4 | 0,020 | gut | |||
| 5 | 0,095 | gut | |||
| 6 | 0,015 | gut | |||
| 7 | 0,020 | gut | |||
| 8 | 0,010 | gut | |||
| 9 | - | Unmeßbar (löste sich bei 300 Std. ab) |
|||
| 10 | Unmeßbar (löste Sich bei 530 Std. ab) |
||||
| 11 | Unstabiler Kontaktwiderstand, änderte sich durch Schwingung |
||||
| Es trat teilweise Ablösung ein |
Wie aus der obigen Tabelle 2 ersichtlich ist, haben die Sauerstoffsensoren der erfindungsgemäßen Bauart
eine sehr hohe Festigkeit an dem Anschlußklemmenteil. Aus den
obigen Ergebnissen und weiteren verschiedenen Studien ist ersichtlich, daß die Bindungskraft der Schichten so gesteigert werden
kann, daß das Abschälen der Unterschichten von dem Sensorsubstrat halb-dauerhaft verhindert wird, wenn der Keramikgehalt der untersten
Schicht nicht kleiner als etwa 20 Vol.-Ϊ, vorzugsweise nicht
kleiner als etwa 35 Vol.-% ist.
Wenn dagegen der Keramikgehalt der Anschlußklemmen-Oberschichten nicht größer als etwa 20 Vol.-%, vorzugsweise etwa
3 bis 15 Vol.-% beträgt und wenn insbesondere die Oberschichten
gemeinsam mit dem Sensorsubstrat gebrannt werden, kann das Ablösen der Oberschichten von dem Sensorsubstrat oder der Unterschicht
vermieden und der Kontaktwiderstand zwischen den Oberschichten und den federnden Kontaktelementen verringert werden.
Die Anschlußklemmen-Oberschichten und die Unterschichten haben bei Bildung durch gleichzeitiges Brennen eine höhere
Widerstandsfähigkeit als wenn die Bindung durch ein späteres Brennen erfolgt.
Wenn die Gesamtdicke des Anschlußklemmenteils nicht kleiner als etwa 10 Mm, vorzugsweise nicht kleiner als etwa 15 pm
ist, sind die Bindungsfestigkeit und der Oberflächenwiderstand der Anschlußklemme verbessert.
Das Anschlußklemmenteil ist nicht auf die zweischichtige Bauart der obigen Beispiele beschränkt. Es kann auch eine geschichtete
Struktur aus drei oder mehr als drei Schichten sein. In diesem Falle ist es von günstiger Wirkung, wenn der Keramikgehalt der
Schichten so gewählt wird, daß jede obere Schicht einen geringeren Keramikgehalt als die ihr anliegende untere Schicht hat, wobei
man die vorteilhafte Wirkung einer festen Bindungskraft und eines verbesserten Oberflächenwiderstandes erhält. Die anderen Bedingungen
sind die gleichen wie bei der zweischichtigen Struktur.
Die oberste Fläche des Anschlußklemmenteils ist nicht auf eine glatte Ebene beschränkt. Sie kann eine Vertiefung oder
einen Vorsprung haben, um so die Eingriffskraft der Kontaktelemente
in dem Porzellanstecker oder der Steckfassung zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur bei dem oben beschriebenen Sauerstoffsensor anwendbar, sondern auch bei anderen
Sensoren einer Bauart, bei der Keramiken als Basiskörper dienen, auf den Oberflächen des Keramikkörpers leitfähige Anschlußklemmen
angeordnet sind und eine Steckfassung über Anschlußelemente mit den Anschlußklemmen in Eingriff ist, wie z.B. einem Temperatursensor
für den Hochtemperatureinsatz, einem Sauerstoffsensor unter
Benutzung von Titandioxid TiO2 und ähnliche Sensoren.
Wie oben im einzelnen erläutert wurde, sind die elektrisch leitfähigen Anschlußklemmen erfindungsgemäß aus einer mehrschichtigen
Struktur hergestellt, und die unterste Schicht enthält Keramik oder Glas, so daß· die Bindungskraft zwischen den Anschlußklemmen
und dem hauptsächlich aus Keramik bestehenden Sensorsubstrat ebenso verbessert werden kann wie die Bindungskraft zwischen
den Schichten. Ferner kann das Abschälen bzw. Ablösen der Anschlußklemmen vom Sensorsubstrat infolge widerholter Erhitzung
und Abkühlung des Sensorelements und Reibung der Kontaktelemente der Steckfassung an den Anschlußklemmen vermieden werden.
Wenn die über der untersten Schicht befindlichen Oberschichten von der Zusammensetzung der untersten Schicht abweichende
Zusammensetzungen haben, beispielsweise jede Oberschicht einen höheren Gehalt an Teitfähigem Metall als die direkt darunter befindliche
Schicht oder jede Oberschicht ein leitfähiges Metall mit höherer elektrischer Leitfähigkeit als das leitfähige Metall der
direkt darunter befindlichen Schicht hat, wird der Kontaktwiderstand zwischen den Anschlußklemmen und dem Kontaktelement der
Steckfassung verringert.
Wenngleich die vorliegende Erfindung mit speziellen Beispielen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann ersichtlich,
daß verschiedene Änderungen und Abweichungen davon möglich sind, ohne von dem Gedanken der vorliegenden, nachfolgend beanspruchten
Erfindung abzuweichen.
- Leerseite -
Claims (6)
1. Elektrische Anschlußklemme eines Sensorelements unter Verwendung von Keramik, die an einem Ende eines hauptsächlich
aus Keramik bestehenden Sensorsubstrats angeordnet ist, das mit diesem Ende in eine separate Steckfassung zum elektrischen
Anschluß an ein in der Steckfassung befindliches Kontaktelement einsteckbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende des
Sensorsubstrats wenigstens zwei Schichten übereinandergeschichtet sind, von denen die unterste Schicht aus einem Gemisch aus einem
leitfähigen Metall und wenigstens einem der Bestandteile Keramik und Glas besteht.
2. Elektrische Anschlußklemme eines Sensorelements
unter Verwendung von Keramik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jede obere Schicht einen höheren oder im wesentlichen gleichen Gehalt an leitfähigem Metall enthält wie die direkt unter
der oberen Schicht befindliche Schicht und wenigstens die oberste Schicht elektrisch leitfähig ist.
Dresdner 8ank (Mönchen) Kto. 3939 SU
Deutsche Bank (Manchen) Kto. 2881060
Pcetsoeciiamt (München) Kto. 670·«-804
-2-" '" " * "35 384
3. Elektrische Anschlußklemme eines Sensorelements unter Verwendung von Keramik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Schichten der Anschlußklemme enthaltene leitfähige Metall im wesentlichen wenigstens ein Metall aus der Gruppe ist,
die aus den Elementen der Platingruppe, Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Chrom, Wolfram und Molybdän besteht.
4. Elektrische Anschlußklemme eines Sensorelements unter Verwendung von Keramik nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die unterste der Schichten einen Keramikgehalt von nicht weniger als etwa 20 Vol.-% und die über der untersten
Schicht befindlichen oberen Schichten Keramikgehalte von nicht mehr
als etwa 20 Vol.-% haben.
5. Elektrische Anschlußklemme eines Sensorelements unter Verwendung von Keramik nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Schicht als integraler Bestandteil in der Weise gebildet wird, daß man durch Drucken
eine Paste zur Bildung der untersten Schicht auf das ungebrannte Sensorsubstrat aufbringt und das ungebrannte Sensorsubstrat mit
der aufgebrachten Paste bei der Sintertemperatur des Sensorsubstrats brennt.
6. Elektrische Anschlußklemme eines Sensorelements unter Verwendung von Keramik nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Schicht und wenigstens eine auf der untersten
Schicht befindliche Schicht als integraler Teil in der Weise gebildet
werden, daß man auf das ungebrannte Sensorsubstrat durch Drucken
Pasten zur Bildung dieser Schichten aufbringt und aufschichtet und das ungebrannte Sensorsubstrat mit den aufgebrachten Pasten bei der
Sintertemperatur des Sensorsubstrats brennt.
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