DE60115153T2

DE60115153T2 - Abdichtung für Gassensor

Info

Publication number: DE60115153T2
Application number: DE60115153T
Authority: DE
Inventors: Makoto Kariya-city SHIRAI
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: US20020014411A1; EP1167959A1; EP1167959B1; US6673224B2; DE60115153D1

Description

1. Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Gassensor, welcher in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine für die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses installiert werden kann, und betrifft weiter bevorzugt eine verbesserte Struktur einer mechanischen Versiegelung, welche eine Bezugsgaskammer und eine Gaskammer in einem Gassensor luftdicht abschließt.
2. Verwandter Stand der Technik
Es sind Gassensoren bekannt, welche durch Einbauen eines Sensorelements in ein Isolationsporzellan, durch Montieren des Isolationsporzellans in ein Gehäuse, durch Installieren einer Gasabdeckung und einer Luftabdeckung auf einem Vorderende bzw. einem Basisende des Gehäuses und durch Versiegeln eines Zwischenraums zwischen dem Isolationsporzellan und dem Gehäuse und eines Zwischenraums zwischen dem Sensorelement und des Isolationsporzellans in einer hermetischen Weise hergestellt werden. Diese Versiegelungen definieren eine Messgaskammer und eine Luftkammer innerhalb des Gassensors in einer luftdichten Art und Weise.
Das Sensorelement hat eine Messelektrode, die einem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und eine Bezugselektrode, die einem Bezugsgas oder Luft ausgesetzt ist, und erzeugt ein Signal in der Form eines Ionenflusses, der durch die Mess- und Bezugselektroden hindurchfließt, oder einer Potentialdifferenz zwischen den Mess- und Bezugselektroden, um die Konzentration des Gases zu bestimmen. Die Leckage des Gases von der Messgaskammer zu der Luftkammer oder andersherum wird somit zu einer Absenkung der Genauigkeit der Messung der Gaskonzentration führen. Um dieses Problem zu vermeiden, wird in typischen Gassensoren Glaspulver in das Isolationsporzellan gepackt, geschmolzen und zur Erzeugung eines hochdichten festen Versiegelungselements innerhalb des Zwischenraums zwischen dem Sensorelement und dem Isolationsporzellan abgekühlt.
Typischerweise sind das Sensorelement und das Isolationsporzellan aus Zirkoniumoxid bzw. Aluminiumoxid hergestellt. Diese Materialien sind in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich, wodurch sich das Sensorelement und das Isolationsporzellan stark mit unterschiedlichen Raten ausdehnen oder schrumpfen, und zwar insbesondere wenn der Gassensor in einer extremen Umgebung wie etwa einem Abgassystem eines Automobilantriebs installiert ist, in welchem der Gassensor eine große Temperaturänderung von einem hohen Temperaturniveau der Abgase zu einem niedrigen Temperaturniveau nach dem Stoppen des Motors erfährt, was zu Sprüngen in dem Versiegelungselement in dem Isolationsporzellan führen kann, und somit zu einem Absenken des Grads an Luftdichtigkeit zwischen dem Sensorelement und dem Isolationsporzellan führt.
Um ein solches Problem zu vermeiden, lehrt die erste japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 3-167461 (Äquivalent zu USP Nr. 5,228,975), dass die Differenz der Wärmeausdehnung zwischen einer Glasversiegelung und einem Gehäuse auf einen speziellen Bereich beschränkt werden sollte. Es ist jedoch für die Glasversiegelung schwierig, deren Ausdehnung und Schrumpfung vollständig zu absorbieren. Um ein solches Problem zu lindern bzw. zu vermindern, werden zusätzliche Teile wie etwa ein Spacer (bzw. ein Abstandshalter) und ein keramischer Isolator benötigt, was zu einem Anstieg der Herstellungskosten führt. Die Struktur gemäß der vorstehenden Veröffentlichung besitzt ebenso das Problem, dass die Ausdehnung und die Schrumpfung der Glasversiegelung zu einer Ablösung der Oberfläche des Sensorelements führen kann und das Sensorelement brechen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Struktur eines Gassensors vorzusehen, welche eine mechanische Versiegelung vorsieht, die erforderlich ist, eine Bezugsgaskammer und eine Gaskammer in dem Gassensor in einer Umgebung wie etwa einem Automobilabgassystem, das einer großen Temperaturänderung unterzogen wird, luftdicht abzuschließen.
Gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Gassensor vorgesehen, welcher eine mechanische Versiegelung vorsieht und welcher in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine für die Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses installiert werden kann. Der Gassensor umfasst folgendes: (a) ein hohles Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten Endbereich; (b) ein Sensorelement mit einer Länge, welche einen ersten und einen zweiten Bereich mit einschließt; (c) ein hohles Isolierelement, das in dem Gehäuse eingerichtet ist, wobei das Sensorelement darin gehalten wird; (d) eine erste Abdeckung, die auf dem ersten Endbereich des Gehäuses installiert ist, so dass eine erste Kammer definiert wird, in welcher der erste Bereich des Sensorelements einem Bezugsgas ausgesetzt ist; (e) eine zweite Abdeckung, die auf dem zweiten Endbereich des Gehäuses installiert ist, so dass eine zweite Kammer definiert wird, in welcher der zweite Bereich des Sensorelements einem zu messenden Gas ausgesetzt ist; und (f) ein Glasversiegelungselement, das zwischen einer inneren Wand des hohlen Isolierelements und einer äußeren Wand des Sensorelements angeordnet ist, um eine hermetische Versiegelung zwischen der ersten und der zweiten Kammer zu erreichen. Die Differenzen der Wärmeausdehnung zwischen dem Glasversiegelungselement und dem Sensorelement und zwischen dem Versiegelungselement und dem Isolierelement liegen innerhalb eines Bereiches von ± 1 × 10^–6/°C.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält eine Zusammensetzung des Glasversiegelungselements, ausgedrückt nach der Umwandlung in das Oxid, die folgenden Komponenten:
21,0 ± 5 Gewichts-% B₂O₃,
34,6 ± 5 Gewichts-% ZnO,
12,6 ± 5 Gewichts-% SiO₂,
4,9 ± 3 Gewichts-% Al₂O₃,
14,2 ± 5 Gewichts-% BaO und
12,7 ± 5 Gewichts-% MgO.
Es ist anzumerken, dass die Umwandlung in die Oxide z.B. durch Trennen des Glasversiegelungselements in die metallischen Elemente und typische Elemente in irgendeiner bekannten Art und Weise und durch Oxidation von diesen unter hohen Temperaturen durchgeführt wird.
Das Glasversiegelungselement kann durch Schmelzen von Glaspulver unter hohen Temperaturen und Verfestigen von diesen innerhalb des Isolierelements hergestellt werden. Der Einsatz von Materialien des Versiegelungselements mit B₂O₃ und ZnO in den vorstehenden Gewichtsprozentbereichen schafft Differenzen in der Wärmeausdehnung zwischen dem Glasversiegelungselement und dem Sensorelement und zwischen dem Glasversiegelungselement und dem Isolierelement, welche innerhalb des Bereichs von ± 1 × 10^–6/°C liegen.
Falls die Menge an ZnO geringer als der vorstehende Gewichtsprozentbereich ist, wird die Kristallisation des Glasversiegelungselements verschlechtert und somit führt es zu einem Anstieg der Nachteile der mechanischen Eigenschaften der nichtkristallinen Glaskomponenten, die in dem Glasversiegelungselement enthalten sind. Dies erfordert die Verwendung des Gassensors in einer Umgebungsbedingung niedrigerer Temperatur. Falls die Menge an ZnO größer als der vorstehende Gewichtsprozentbereich ist, wird alternativ dazu die Kristallisation des Glasversiegelungselements gefördert und somit wird es zu einer Absenkung der Menge der nichtkristallisierten Glaskomponenten kommen. Dies senkt die Adhäsion (Haftung) des Glasversiegelungselements zu dem Sensorelement und dem Isolierelement, hergestellt aus Aluminiumoxid, und dadurch führt es zu einem Absinken des Grades der Luftdichtigkeit zwischen der ersten und der zweiten Kammer.
Falls die Menge an BaO und MgO innerhalb der vorstehenden Gewichtsprozentbereichen liegen, können die gewünschten Kristalle mit linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die unterschiedlich voneinander sind, stark miteinander ausgeglichen werden, was es ermöglicht, dass der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Glasversiegelungselements nahe an den des Isolierelements, hergestellt aus Aluminiumoxid, gebracht wird.
Falls die Menge an Al₂O₃ geringer als der vorstehende Gewichtsprozentbereich ist, wird die Kristallisationstemperatur des Glasversiegelungselements näher bei der Erweichungstemperatur und dem Glasübergangspunkt liegen, so dass das Material des Glasversiegelungselements, kurz nach seiner Erweichung kristallisiert. Dies führt zu einem Anstieg der Viskosität des Materials des Glasversiegelungselements, was dazu führt, dass das zu verfestigende Material vor dem Auffüllen des Zwischenraums zwischen dem Sensorelement und dem Isolierelement sich verfestigt, so dass einige Leckagewege ausgebildet werden.
Falls alternativ dazu die Menge an Al₂O₃ größer als der vorstehende Gewichtsprozentbereich ist, verhindert es die Kristallisation des Materials des Glasversiegelungselements, und führt somit zu einem Anstieg der Nachteile der mechanischen Eigenschaften der nichtkristallisierten Glaskomponenten, die in dem Glasversiegelungselement enthalten sind. Dies ermöglicht den Einsatz des Gassensors in einer Umgebungsbedingung niedrigerer Temperatur.
Die Zusammensetzung des Versiegelungselements kann alternativ die folgenden Gruppen von Komponenten enthalten, und zwar ausgedrückt nach der Umwandlung in das Oxid:

(a) 21,0 ± 5 Gewichts-% B₂O₃, 32,0 ± 5 Gewichts-% ZnO, 19,0 ± 5 Gewichts-% SiO₂, 12,0 ± 5 Gewichts-% BaO und 17,0 ± 5 Gewichts-% MgO.
(b) 26,0 ± 3 Gewichts-% B₂O₃, 45,0 ± 5 Gewichts-% ZnO, 14,0 ± 3 Gewichts-% SiO₂, 7,5 ± 3 Gewichts-% BaO und 7,5 ± 3 Gewichts-% MgO.
(c) 24,0 ± 5 Gewichts-% B₂O₃, 57,5 ± 8 Gewichts-% ZnO, 11,0 ± 5 Gewichts-% SiO₂ and 7,5 ± 5 Gewichts-% BaO.
(d) 22,6 ± 5 Gewichts-% B₂O₃, 34,5 ± 8 Gewichts-% ZnO, 12,8 ± 5 Gewichts-% SiO₂, 11,5 ± 5 Gewichts-% BaO und 18,0 ± 5 Gewichts-% MgO.
(e) 19,0 ± 5 Gewichts-% B₂O₃, 30,4 ± 8 Gewichts-% ZnO, 16,0 ± 5 Gewichts-% SiO₂, 5,0 ± 3 Gewichts-% Al₂O₃, 20,0 ± 5 Gewichts-% BaO und 9,6 ± 5 Gewichts-% CaO.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird durch die hierin nachstehend angegebene detaillierte Beschreibung und durch die angehängten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verständlicher, wobei diese jedoch nicht zur Beschränkung der Erfindung auf die speziellen Ausführungsformen heranzuziehen sind, sondern lediglich zum Zwecke der Klärung und des Verständnisses eingefügt sind.
1 ist eine Ansicht eines Längsschnitts, welche einen Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
2 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Gasversiegelungselements und der Festigkeit eines Isolationsporzellans und eines Sensorelements zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bei der Bezugnahme auf die Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile in verschiedenen Ansichten. Bezugnehmend auf 1 ist dort ein Gassensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, welcher in einem Steuerungssystem für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für ein Automobil zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente wie etwa NOx, CO, HC oder O₂, die in den Abgasen des Motors enthalten sind, verwendet werden kann.
Der Gassensor 1 schließt im Allgemeinen ein Sensorelement 15, ein erstes Isolationsporzellan 21, ein zweites Isolationsporzellan 22, ein hohles zylindrisches Gehäuse 10 und eine Luftabdeckung 12 mit ein. Das Sensorelement 15 ist aus einer laminierten Platte hergestellt. Das US Patent Nr. 5,573,650, erteilt am 12. November 1996 an Fukaya et al., lehrt ein typisches laminiertes Sensorelement. Das erste Isolationsporzellan 21 wird innerhalb des Gehäuses 10 befestigt und hält darin das Sensorelement 15 über ein Glasversiegelungselement 25. Das Glasversiegelungselement 25 wird durch Schmelzen eines Glaspulvers unter hohen Temperaturen und durch Abkühlen oder Verfestigen von diesem in einer zylindrischen Kammer des ersten Isolationsporzellans 21 zur Ausbildung einer hermetischen Versiegelung zwischen einer äußeren Oberfläche 150 des Sensorelements 15 und einer inneren Oberfläche 210 der zylindrischen Kammer des ersten Isolationsporzellans 21 hergestellt. Das Glasversiegelungselement 25 sollte bevorzugt einen hohen Grad an Haftung an das Sensorelement 15 und das erste Isolationsporzellan 21 aufweisen. Um diese Anforderung zu erfüllen, ist es ratsam, dass das Glasversiegelungselement 25 aus einem Glasmaterial hergestellt ist, welches in einem Flusstest eine Fließfähigkeit von 15 mm oder mehr zeigt. Die Fließfähigkeit drückt den Grad des Flusses eines Glaspellets aus, welches 3 g wiegt, und zwar wenn es auf einer Aluminiumoxidplatte unter den gleichen Bedingungen wie zur Herstellung des Glasversiegelungselements 25 in dem ersten Isolationsporzellan 21 geschmolzen wird.
Im Falle eines kristallisierten Glases, welches keinen Startpunkt für die Deformationstemperatur hat, an welchem das Glas beginnt, in der Form deformiert werden, falls es wieder erwärmt und geschmolzen wird, wird eine Differenz zwischen der Erweichungstemperatur und der Kristallisationstemperatur dessen Fließfähigkeit verschlechtern. Gewöhnlich tritt die Fließfähigkeit eines Glasmaterials nahe bei der Erweichungstemperatur auf und sinkt beim Start der Kristallisation stark ab. Der Einsatz eines Glasmaterials, dessen Differenz zwischen der Erweichungstemperatur und der Kristallisationstemperatur groß ist, ermöglicht die Ausbildung einer hochdichten hermetischen Versiegelung zwischen dem ersten Isolationsporzellan 21 und dem Sensorelement 25, ohne dass irgendeine Lücke für eine Gasleckage zwischen diesen auftritt. Wenn z.B. der Gassensor 1 in einem Abgassystem für Automobile installiert ist, muss das Glasversiegelungselement 25 eine Wärmebeständigkeit von 500 bis 600°C aufweisen. Ein Sensorelement, hergestellt aus Zirkoniumoxid, besitzt typischerweise eine Wärmebeständigkeit von ungefähr 1000°C. Es ist somit ratsam, dass das Glasversiegelungselement 25 aus einem Material hergestellt wird, welches in einem Bereich von 800 bis 1000°C schmilzt und fest wird. Ein solches Glasmaterial hat gewöhnlicherweise eine Kristallisationstemperatur von 700°C oder mehr. Das Material des Glasversiegelungselements 25 hat somit eine Erweichungstemperatur, die von der Kristallisationstemperatur um 100°C oder mehr unterschiedlich ist.
Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten (d.h., den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten) zwischen dem Glasversiegelungselement 25 und dem ersten Isolationsporzellan 21 und zwischen dem Glasversiegelungselement 25 und dem Sensorelement 15 liegen innerhalb eines Bereichs von ± 1 × 10^–6/°C, was detaillierter später unter Bezugnahme auf Tabelle 1 erläutert wird.
Das zweite Isolationsporzellan 22 ist auf das erste Isolationsporzellan 21 montiert und umgibt einen Basisbereich des Sensorelements 15. Die Luftabdeckung 12 ist an einem Ende davon auf dem Gehäuse 10 installiert und umgibt das zweite Isolationsporzellan 22, um eine Luftkammer 142 zu definieren. Das zweite Isolationsporzellan 22 wird durch ein hohles zylindrisches Isolationselement ausgebildet und hat darin angeordnet vier Leitungen 16 (nur zwei sind zum Vereinfachen der Veranschaulichung gezeigt), von denen jede aus einem elastisch gefalteten Draht hergestellt ist, um einen elektrischen Kontakt an einem Ende mit einem Elektrodenende (nicht gezeigt) das auf dem Sensorelement 15 ausgebildet ist, herzustellen. Die Leitungen 16 erstrecken sich am anderen Ende durch ein in einem Ende des zweiten Isolationsporzellans 22 ausgebildetes Loch und sind mit vier Leitungen 18 jeweils über Verbindungen 17 verbunden, und zwar zur Übertragung von Sensorsignalen zwischen dem Sensorelement 15 und einer externen Vorrichtung und zur Zuführung der elektrischen Energie zu einer auf dem Sensorelement 15 installierten Heizvorrichtung.
Der Gassensor 1 schließt ebenso eine Schutzhüllenbaugruppe 13 mit ein, die aus einer äußeren Hülle 131 und einer inneren Hülle 132 besteht. Die Schutzhüllenbaugruppe 13 ist am Kopf des Gehäuses 10 installiert, um eine Gaskammer 141 zu definieren, in welcher ein zu messendes Gas durch in den äußeren und inneren Hüllen 131 und 132 ausgebildeten Gaslöcher 130 eintritt.
Das erste Isolationsporzellan 21 hat eine ringförmige Schulter 211. Die Schulter 211 hat eine sich verjüngende Oberfläche und ist durch den Metalldichtring auf einer Befestigungsoberfläche 103 einer ringförmigen, auf der inneren Wand des Gehäuses 10 ausgebildeten Schulter 101 platziert. Genauergesagt wird eine Lücke zwischen dem Gehäuse 10 und dem ersten Isolationsporzellan 21 hermetisch durch den Metalldichtring 11 abgeschlossen bzw. versiegelt, um die Luftkammer 142 und die Gaskammer 141 luftdicht abzuschließen. Der Metalldichtring 11 ist aus reinem Nickel mit einer Reinheit von 99% hergestellt. Das erste Isolationsporzellan 21 ist aus einer Aluminiumoxidkeramik mit einer Reinheit von 98% hergestellt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient bei 7,8 × 10^–6/°C in einem Bereich von Raumtemperatur bis 550°C liegt.
Die Luftabdeckung 12 ist, wie vorstehend beschrieben, auf dem Basisende des Gehäuses 10 befestigt. Eine äußere Abdeckung 121 ist rund um die Lufthülle 12 angeordnet und gesteckt oder gepresst, um einen wasserabweisenden Filter 122 auf der Periphere der Luftabdeckung 12 zu halten. Die Luftabdeckung 12 und die äußere Abdeckung 122 haben darin ausgebildete Luftlöcher 120, durch welche Luft in die Luftkammer 142 gelangt. Die Luftabdeckung 12 hat eine Schulter 129, um einen Bereich mit kleinem Durchmesser und einen Bereich mit großem Durchmesser zu definieren. Eine Blattfeder 220 ist zwischen der Schulter 129 und einem Ende des zweiten Isolationsporzellans 22 angeordnet, um elastisch das zweite Isolationsporzellan 22 in eine konstante Verbindung mit dem ersten Isolationsporzellan 21 zu zwingen, um den Grad an Luftdichtigkeit zu steigern, der durch den Metalldichtring 11 geleistet wird. Ein Isolationshalter 23, hergestellt aus Kautschuk, ist innerhalb des Bereichs mit kleinem Durchmesser der Luftabdeckung 12 angeordnet.
Das Sensorelement 15, wie es vorstehend beschrieben ist, hat eine darin eingebaute Heizvorrichtung, welche das Sensorelement 15 bis zu einer Temperatur aufheizt, die für die Empfindlichkeit des Sensorelements 15 für die korrekte Messung des Gases erforderlich ist. Das Sensorelement 15 hat darauf ausgebildet vier Elektrodenanschlüsse, von denen zwei für die Ausgabe der Sensorsignale und die anderen für die Zuführung von elektrischer Energie zur Heizvorrichtung verwendet werden. Die Elektrodenanschlüsse sind jeweils elektrisch mit den Enden der Leitungen 16 in der veranschaulichten Weise verbunden. Die Leitungen 16 gehen über die in der Endwand des zweiten Isolationsporzellans 22 ausgebildeten Löcher hindurch und sind in die Verbindungen 17 entsprechend eingeführt. Die Verbindungen 17 sind an die Leitungen 18 angeschlossen, die in den in dem Isolationshalter 23 ausgebildeten Löchern gehalten sind. Diese Struktur ist kein wesentlicher Teil der vorliegenden Erfindung und ist im Stand der Technik bekannt, und eine detaillierte Erklärung hiervon wird hier ausgelassen.
Das Sensorelement 15 ist, wie vorstehend beschrieben, aus einem Laminat einer Zirkoniumoxidkeramik (z.B. einem Sauerstoff-Eisen-leitenden Zirkoniumoxid) und einer Aluminiumoxidkeramik insgesamt hergestellt und hat an der äußeren Oberfläche 150 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 7,8 × 10^–6/°C in einem Bereich von Raumtemperatur bis 550°C, welcher identisch zu dem des ersten Isolationsporzellans 21 ist.
Das Glasversiegelungselement 25 ist, wie vorstehend beschrieben, innerhalb des ersten Isolationsporzellans 21 angeordnet, um die Lücke zwischen der äußeren Oberfläche 159 des Sensorelements 15 und der inneren Oberfläche 210 des ersten Isolationsporzellans 21 zu versiegeln.
Ausgedrückt nach der Umwandlung in die Oxide, besteht eine Zusammensetzung des Glasversiegelungselements 25 aus 21,0 ± 5 Gewichtsprozent B₂O₃, 34,6 ± 5 Gewichtsprozent ZnO, 12,6 ± 5 Gewichtsprozent SiO₂, 4,9 ± 3 Gewichtsprozent Al₂O₃, 14,2 ± 5 Gewichtsprozent BaO und 12,7 ± 5 Gewichtsprozent MgO. Es ist anzumerken, dass die Umwandlung in Oxide z.B. durch Trennen des Glasversiegelungselements 25 in metallische Elemente und typische Elemente in irgendeiner bekannten Art und Weise und durch Oxidation von diesen unter hohen Temperaturen durchgeführt wird.
Im Besonderen enthält eine Zusammensetzung aus kristallisiertem Glas des Glasversiegelungselements 25 die folgenden Komponente:
Nr. 1 2ZnO·SiO₂
Nr. 2 ZnO·B₂O₃
Nr. 3 2MgO·B₂O₃
Nr. 4 BaO·2MgO·2SiO₂
Nr. 5 BaO·Al₂O₃·2SiO₂
Die vorstehenden Komponenten beanspruchen 80% des gesamten Glasversiegelungselements 25. Der Rest besteht im Wesentlichen aus nichtkristallinen Komponenten und nimmt ungefähr 20% des gesamten Glasversiegelungselements 25 ein. Die nichtkristallinen Komponenten sind Komplexe mit einem oder einigen der vorstehenden Komponenten Nr. 1 bis Nr. 5, welche schwierig zu identifizieren sind.
Die vorstehende Zusammensetzung des Glasversiegelungselements 25 sieht Differenzen der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glasversiegelungselement 25 und dem ersten Isolationsporzellan 21 und zwischen dem Glasversiegelungselement 25 und dem Sensorelement 15 innerhalb eines Bereichs von ± 1 × 10^–6/°C vor und verbessert ebenso die Benetzbarkeit und Fließfähigkeit des Glasversiegelungselements 25 hinsichtlich des ersten Isolationsporzellans 21 und des Sensorelements 15, und resultiert somit in einem Anstieg im Grad der Luftdichtigkeit, der durch das Glasversiegelungselement 25 erzeugt wird.
Das Glasversiegelungselement 25 hat die folgenden Eigenschaften: Der Glasübergangspunkt liegt bei 560 bis 580°C. Der Erweichungspunkt liegt bei 635 bis 655°C. Die Kristallisationstemperatur liegt bei 735 bis 765°C. Die Versiegelungstemperatur, bei welcher das Glaspulver schmilzt, um das Glasversiegelungselement 25 zu erzeugen, liegt bei 830 bis 950°C. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient kann von 7,0 bis 8,2 × 10^–6/°C in einem Bereich von Raumtemperatur bis 550°C ausgewählt werden, und zwar in Abhängigkeit der Bedingungen für die Herstellung des Glasversiegelungselements 25 in dem ersten Isolationsporzellan 21.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten eine Vielzahl von Sensoren her, in welchen Äquivalente des Sensorelements 15 in Äquivalente des Isolationsporzellans 21 installiert wurden und die Zwischenräume darin wurde hermetisch durch Äquivalente des Glasversiegelungselements 25 mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten versiegelt und pressten die Äquivalente des Isolationsporzellans 21 durch Äquivalente des Isolationsporzellans 22, um die angelegten Drücke zu messen, die Sprungausbildungen in den Äquivalenten des Isolationsporzellans 21 oder des Glasversiegelungselements 25 hervorriefen. Die Ergebnisse der Tests sind in einem Graph der 2 gezeigt.
„Festigkeit", die auf der Ordinate angegeben ist, drückt einen Wert (angelegter Druck, der in dem Sensor mit Glasversiegelungselement Sprünge hervorrief/angelegter Druck, der Sprünge in dem Sensor ohne Glasversiegelungselement hervorrief) × 100% aus. Wenn das Glasversiegelungselement 25 einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Isolationsporzellan 21 hat, steht das aus Aluminiumoxid hergestellte Isolationsporzellan 21 unter einer Zugspannung, nachdem das Glasversiegelungselement 25 ausgebildet worden ist, wodurch dadurch die Festigkeit des Isolationsporzellans 21 verglichen mit dem Fall sinkt, dass das Glasversiegelungselement 25 nicht installiert ist.
Der Graph der 2 zeigt, dass es bei einer Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glasversiegelungselement 25 und dem Isolationsporzellan 21 oder zwischen dem Glasversiegelungselement 25 und dem Sensorelement 15 von mehr als 3 × 10^–6/°C und bei einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glasversiegelungselements 25 unter 5,2 × 10^–6/°C zu einem großen Absinken der Festigkeit kommt. Wenn insbesondere der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glasversiegelungselements 25 um 3 × 10^–6/°C kleiner als der des ersten Isolationsporzellans 21 und des Sensorelements 15 ist, führt es zu einer Restspannung in dem ersten Isolationsporzellan 21, die von dem Schmelzen und dem Verfestigen des Glaspulvers herrührt, um das Glasversiegelungselement 25 auszudehnen. Und somit führt es zu einer Steigerung des Drucks, so dass die innere Kammer des ersten Isolationsporzellans 21 geweitet wird, was zu Sprüngen in dem ersten Isolationsporzellan 21 führen kann, um so Leckagewege zu erzeugen, wenn das erste Isolationsporzellan 21 einen großen Wärmeimpuls in einer Umgebung wie etwa einem Automobilabgassystem ausgesetzt ist. Das gleiche gilt für das Sensorelement 15, wobei es zu einem Bruch der auf dem Sensorelement 15 ausgebildeten Elektroden führen kann.
Obwohl es nicht in 2 veranschaulicht ist, wurde ebenso gefunden, dass, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glasversiegelungselements 25 um 3 × 10^–6/°C größer als der des Isolationsporzellans 21 und des Sensorelements 15 ist, die Festigkeit des Isolationsporzellans 25 nicht sinkt, jedoch die Kontaktflächen zwischen dem Glasversiegelungselement 25 und dem Isolationsporzellan 21 und zwischen dem Glasversiegelungselement 25 und dem Sensorelement 15 sich aufgrund einer Differenz im Schrumpfungsgrad zwischen diesen beim Schmelzen und Kristallisieren des Glaspulvers für die Herstellung des Glasversiegelungselements 25 ablösen, und somit zwischen diesen kommunizierende Leckagewege führt.
Schnelle Wärmestoßtests wurden durch Erwärmen von den Gassensoren, ausgestattet mit Äquivalenten des Sensorelements 15, Äquivalenten des Isolationsporzellans 21 und Äquivalenten des Glasversiegelungselements 25 mit den in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigten Wärmeausdehnungskoeffizienten und durch Wasserabkühlung von diesen in Raten von 100°C/Sek., 150°C/Sek. und 200°C/Sek. durchgeführt, um die Sprungausbildung in den Sensorelementen, den Isolationsporzellanen und den Glasversiegelungselementen zu untersuchen.
TABELLE 1
"O" gibt an, dass keine Sprünge vorhanden waren. "∆" gibt an, dass Sprünge in irgendeinem der Isolationsporzellane, den Glasversiegelungselementen und den Sensorelementen vorhanden waren.
Tabelle 1 zeigt, dass die Glasversiegelungselemente mit den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Glasversiegelungselement 25 keine Ausbildung von Sprüngen zeigt, selbst wenn sie bei Raten von 150°C/Sek. abgekühlt werden, und dass bei Differenzen in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Glasversiegelungselementen und den Sensorelementen und zwischen den Glasversiegelungselementen und den Isolationsporzellanen innerhalb von 1,0 × 10^–6/°C das Glasversiegelungselement 25 keine Ausbildung von Sprüngen zeigt, selbst wenn sie bei Raten von 200°C/Sek. abgekühlt werden.
Die Zusammensetzung des Glasversiegelungselements 25 kann alternativ eine der folgenden Gruppen (a) bis (f) enthalten:

(a) 21,0 ± 5 Gewichtsprozent B₂O₃, 32,0 ± 5 Gewichtsprozent ZnO, 19,0 ± 5 Gewichtsprozent SiO₂, 12,0 ± 5 Gewichtsprozent BaO und 17,0 ± 5 Gewichtsprozent MgO,
(b) 26,0 ± 3 Gewichtsprozent B₂O₃, 45,0 ± 5 Gewichtsprozent ZnO, 14,0 ± 3 Gewichtsprozent SiO₂, 7,5 ± 3 Gewichtsprozent BaO und 7,5 ± 3 Gewichtsprozent MgO,
(c) 21,0 ± 5 Gewichtsprozent B₂O₃, 34,6 ± 5 Gewichtsprozent ZnO, 12,6 ± 5 Gewichtsprozent SiO₂, 4,9 ± 3 Gewichtsprozent Al₂O₃, 14,2 ± 5 Gewichtsprozent BaO und 12,7 ± 5 Gewichtsprozent MgO,
(d) 24, 0 ± 5 Gewichtsprozent B₂O₃, 57, 5 ± 8 Gewichtsprozent ZnO, 11,0 ± 5 Gewichtsprozent SiO₂ und 7,5 ± 5 Gewichtsprozent BaO,
(e) 22, 6 ± 5 Gewichtsprozent B₂O₃, 34, 5 ± 8 Gewichtsprozent ZnO, 12,8 ± 5 Gewichtsprozent SiO₂, 11,5 ± 5 Gewichtsprozent BaO und 18,0 ± 5 Gewichtsprozent MgO, und
(f) 19, 0 ± 5 Gewichtsprozent B₂O₃; 30, 4 ± 8 Gewichtsprozent ZnO, 16,0 ± 5 Gewichtsprozent SiO₂, 5,0 ± 3 Gewichtsprozent Al₂O₃, 20,0 ± 5 Gewichtsprozent BaO und 9,6 ± 5 Gewichtsprozent CaO.

Während die vorliegende Erfindung durch bevorzugte Ausführungsformen erläutert wurde, um ein besseres Verständnis von diesen zu erzielen, soll betont werden, dass die Erfindung auf verschiedene Art und Weise, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen, ausgeführt werden kann. Deshalb sollte die Erfindung so verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen zu den gezeigten Ausführungsformen mit einschließt, welche ohne vom Prinzip der Erfindung, wie es in den angehängten Ansprüchen vorgebracht wird, abzuweichen. Z.B. kann das Sensorelement 15 aus einem bekannten becherförmigen festen Elektrolytkörper hergestellt werden.

Claims

Gassensor (1), umfassend: ein hohles Gehäuse (10) mit einem ersten und einem zweiten Endbereich; ein Sensorelement (15) mit einer Länge, welche einen ersten und einen zweiten Bereich mit einschließt; ein hohles Isolierelement (21), das in dem Gehäuse (10) eingerichtet ist, wobei das Sensorelement (15) darin gehalten wird; eine erste Abdeckung (12) die auf dem ersten Endbereich des Gehäuses (10) installiert ist, so dass eine erste Kammer (142) definiert wird, in welcher der erste Bereich des Sensorelements (15) einem Bezugsgas ausgesetzt ist; eine zweite Abdeckung (13), die auf dem zweiten Endbereich des Gehäuses (10) installiert ist, so dass eine Kammer (141) definiert wird, in welcher der zweite Bereich des Sensorelements (15) einem zu messenden Gas ausgesetzt ist; und ein Glasversiegelungselement (25), das zwischen einer inneren Wand des hohlen Isolierelements (21) und einer äußeren Wand des Sensorelements (15) angeordnet ist, um eine hermetische Versiegelung zwischen der ersten und der zweiten Kammer (142, 141) zu erreichen, wobei die Differenzen der Wärmeausdehnung zwischen dem Glasversiegelungselement (25) und dem Sensorelement (15) und zwischen dem Glasversiegelungselement (25) und dem Isolierelements (21) innerhalb eines Bereichs von ± 1 × 10^–6/°C liegen.
Der Gassensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Zusammensetzung des Glasversiegelungselements (25) die folgenden Komponenten enthält, und zwar ausgedrückt nach der Umwandlung in das Oxid: 21,0 ± 5 Gewichts-% B₂O₃, 34,6 ± 5 Gewichts-% ZnO, 12,6 ± 5 Gewichts-% SiO₂, 4,9 ± 3 Gewichts-% Al₂O₃, 14,2 ± 5 Gewichts-% BaO und 12,7 ± 5 Gewichts-% MgO.
Der Gassensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Zusammensetzung des Glasversiegelungselements (25) die folgenden Komponenten enthält, und zwar ausgedrückt nach der Umwandlung in das Oxid: 21,0 ± 5 Gewichts-% B₂O₃, 32,0 ± 5 Gewichts-% ZnO, 19,0 ± 5 Gewichts-% SiO₂, 12,0 ± 5 Gewichts-% BaO und 17,0 ± 5 Gewichts-% MgO.
Der Gassensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Zusammensetzung des Glasversiegelungselements (25) die folgenden Komponenten enthält, und zwar ausgedrückt nach der Umwandlung in das Oxid: 26,0 ± 3 Gewichts-% B₂O₃, 45,0 ± 5 Gewichts-% ZnO, 14,0 ± 3 Gewichts-% SiO₂, 7,5 ± 3 Gewichts-% BaO und 7,5 ± 3 Gewichts-% MgO.
Der Gassensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Zusammensetzung des Glasversiegelungselements (25) die folgenden Komponenten enthält, und zwar ausgedrückt nach der Umwandlung in das Oxid: 24,0 ± 5 Gewichts-% B₂O₃, 57,5 ± 8 Gewichts-% ZnO, 11,0 ± 5 Gewichts-% SiO₂ and 7,5 ± 5 Gewichts-% BaO.
Der Gassensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Zusammensetzung des Glasversiegelungselements (25) die folgenden Komponenten enthält, und zwar ausgedrückt nach der Umwandlung in das Oxid: 22,6 ± 5 Gewichts-% B₂O₃, 34,5 ± 8 Gewichts-% ZnO, 12,8 ± 5 Gewichts-% SiO₂, 11,5 ± 5 Gewichts-% BaO und 18,0 ± 5 Gewichts-% MgO.
Der Gassensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Zusammensetzung des Glasversiegelungselements (25) die folgenden Komponenten enthält, und zwar ausgedrückt nach der Umwandlung in das Oxid: 19,0 ± 5 Gewichts-% B₂O₃, 30,4 ± 8 Gewichts-% ZnO, 16,0 ± 5 Gewichts-% SiO₂, 5,0 ± 3 Gewichts-% Al₂O₃, 20,0 ± 5 Gewichts-% BaO und 9,6 ± 5 Gewichts-% CaO.
Der Gassensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Isolierelement (21) und dem Sensorelement (15) hermetisch nur durch das Glasversiegelungselement (25) versiegelt ist.