DE-102015218461-B4 - Gassensorelement, Gassensor und Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements

Abstract

Ein Gassensorelement (10, 310) mit einer ersten Keramikverbundschicht (111) mit einem plattenähnlichen ersten Elektrolytteil (121), der aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) aufweist, und einem plattenartigen ersten umgebenden Teil (112), der aus einer isolierenden Keramik oder einer Mischung aus einer isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) aufweist, die ein Durchgangsloch (112h) bildet, das sich in einer Dickenrichtung (DT) hindurch erstreckt, wobei der Elektrolytteil (121) in dem Durchgangsloch (112h) angeordnet ist und die Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des ersten Elektrolytteils (121) mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des ersten umgebenden Teils (112) in Kontakt ist, wobei einander zugewandte Kontaktflächen (115k, 125k) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des ersten Elektrolytteils (121) und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des ersten umgebenden Teils (112) entsprechend in Richtung des Äußeren des ersten Elektrolytteils (121) geneigt sind, während sie sich auf eine Seite (DT1) in Bezug auf die Dickenrichtung (DT) zu bewegen und vollständig in engem Kontakt miteinander sind, und in einem vertikalen Querschnitt entlang der Dickenrichtung (DT) des Elektrolytteils (121) eine Hauptfläche (124) des Elektrolytteils (121) und die Kontaktfläche (125k) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) einen Winkel (θ) bilden, der gleich oder größer als 45°, aber gleich oder kleiner als 80° ist (45° ≤ θ ≤ 80°).

Inventors

• Satoshi Okazaki
• Akinori Kojima
• Masaki Mizutani
• Nobuo Furuta
• Ai IGARASHI

Assignees

• NITERRA CO., LTD.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20150925

Priority Date

20140925

Claims (7)

1. Ein Gassensorelement (10, 310) mit einer ersten Keramikverbundschicht (111) mit einem plattenähnlichen ersten Elektrolytteil (121), der aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) aufweist, und einem plattenartigen ersten umgebenden Teil (112), der aus einer isolierenden Keramik oder einer Mischung aus einer isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) aufweist, die ein Durchgangsloch (112h) bildet, das sich in einer Dickenrichtung (DT) hindurch erstreckt, wobei der Elektrolytteil (121) in dem Durchgangsloch (112h) angeordnet ist und die Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des ersten Elektrolytteils (121) mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des ersten umgebenden Teils (112) in Kontakt ist, wobei einander zugewandte Kontaktflächen (115k, 125k) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des ersten Elektrolytteils (121) und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des ersten umgebenden Teils (112) entsprechend in Richtung des Äußeren des ersten Elektrolytteils (121) geneigt sind, während sie sich auf eine Seite (DT1) in Bezug auf die Dickenrichtung (DT) zu bewegen und vollständig in engem Kontakt miteinander sind, und in einem vertikalen Querschnitt entlang der Dickenrichtung (DT) des Elektrolytteils (121) eine Hauptfläche (124) des Elektrolytteils (121) und die Kontaktfläche (125k) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) einen Winkel (θ) bilden, der gleich oder größer als 45°, aber gleich oder kleiner als 80° ist (45° ≤ θ ≤ 80°).
2. Gassensorelement (10, 310) nach Anspruch 1 , wobei der Elektrolytteil (121) durch Wärmebeaufschlagung eines Elektrolytschichtelements (221) gebildet ist, das die feste Elektrolytkeramik enthält und dessen Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) in Richtung des Äußeren des Schichtelements geneigt ist, während sie sich auf die eine Seite (DZ1) in Bezug auf eine Schichtdickenrichtung (DZ) zu bewegt, und der erste umgebende Teil (112) durch Wärmebeaufschlagung einer Schicht aus Keramikpaste gebildet ist, die mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) des Elektrolytschichtelements (221) in Kontakt ist und die isolierende Keramik oder eine Mischung aus der isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik enthält.
3. Gassensorelement (10, 310) nach Anspruch 1 oder 2 , das ferner eine Heizeinheit (181) aufweist, die auf der einen Seite (DT1) in Bezug auf die Dickenrichtung (DT) in Relation zu der ersten Keramikverbundschicht (111) angeordnet und ausgebildet ist, den ersten Elektrolytteil (121) zu erwärmen.
4. Gassensorelement (310) nach Anspruch 3 , das ferner eine zweite Keramikverbundschicht aufweist, die zwischen der ersten Keramikverbundschicht (111) und der Heizeinheit (181) angeordnet ist, wobei die zweite Keramikverbundschicht einen plattenähnlichen zweiten Elektrolytteil (341), der aus der festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine zweite Elektrolyt-Außenumfangsfläche (345) enthält, und einen plattenartigen zweiten umgebenden Teil (332) hat, der aus der isolierenden Keramik oder einer Mischung aus der isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik gebildet ist, mit einer zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (335), die ein zweites Durchgangsloch (332h) bildet, das sich in der Dickenrichtung (DT) des Gassensorelements (310) hindurch erstreckt, und eine Wärmeleitfähigkeit hat, die größer ist als jene des zweiten Elektrolytteils (341), wobei der zweite Elektrolytteil (341) in dem zweiten Durchgangsloch (332h) angeordnet ist, und die zweite Elektrolyt-Außenumfangsfläche (345) des zweiten Elektrolytteils (341) in Kontakt mit der zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (335) des zweiten umgebenden Teils (332) ist; der zweite Elektrolytteil (341) von dem ersten Elektrolytteil (121) der ersten Keramikverbundschicht (111) zur Ausbildung einer Messkammer (SP) dazwischen mit Abstand angeordnet ist, in die zu messendes Gas einzuführen ist; und einander zugewandte zweite Kontaktflächen (335k, 345k) der zweiten Elektrolyt-Außenumfangsfläche (345) des zweiten Elektrolytteils (341) und der zweiten Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (335) des zweiten umgebenden Teils (332) entsprechend in Richtung des Inneren des zweiten Elektrolytteils (341) geneigt sind, während sie sich auf eine Seite (DT1) in Bezug auf die Dickenrichtung (DT) zu bewegen und vollständig miteinander in engem Kontakt sind.
5. Gassensor (1, 301) mit einem Gassensorelement (10, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 .
6. Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements (10, 310), das eine erste Keramikverbundschicht (111) mit einem plattenähnlichen ersten Elektrolytteil (121), der aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) enthält, und mit einem plattenartigen ersten umgebenden Teil (112), der aus isolierender Keramik oder einer Mischung aus einer isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) enthält, die ein Durchgangsloch (112h) bildet, das sich in einer Dickenrichtung (DT) des Gassensorelements hindurch erstreckt, umfasst, wobei der erste Elektrolytteil (121) in dem Durchgangsloch (112h) angeordnet wird, die Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des Elektrolytteils (121) mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des ersten umgebenden Teils (112) in Kontakt ist, und einander zugewandte Kontaktflächen (115k, 125k) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) des ersten Elektrolytteils (121) und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche (115) des umgebenden Teils (112) entsprechend in Richtung des Äußeren des ersten Elektrolytteils (121) geneigt sind, während sie sich in Richtung auf eine Seite (DT1) in Bezug auf die Dickenrichtung zu bewegen (DT) und vollständig miteinander in engem Kontakt sind, in einem vertikalen Querschnitt entlang der Dickenrichtung (DT) des Elektrolytteils (121) eine Hauptfläche (124) des Elektrolytteils (121) und die Kontaktfläche (125k) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche (125) einen Winkel (θ) bilden, der gleich oder größer als 45°, aber gleich oder kleiner als 80° ist (45° ≤ θ ≤ 80°) wobei das Verfahren umfasst: einen Verbundschicht-Herstellungsschritt zur Bildung einer vorläufigen Keramikverbundschicht (211) durch Anordnen einer Schicht (212) aus Keramikpaste, die die isolierende Keramik oder eine Mischung aus der isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik enthält, um ein Elektrolytschichtelement (221) herum, das aus einer vorläufigen Schicht (221B) gebildet wird, die die feste Elektrolytkeramik enthält und eine Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) aufweist, derart, dass die Schicht (212) aus Keramikpaste mit der Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) in Kontakt tritt, gefolgt von einem Trocknen, wobei die Schichtelement-Außenumfangsfläche (225) in Richtung des Äußeren eines Schichtelementes geneigt ist, während sie sich auf eine Seite (DZ1) in Bezug auf eine Schichtdickenrichtung (DZ) zu bewegt; und einen Wärmebeaufschlagungsschritt zur Beaufschlagung der vorläufigen Keramikverbundschicht (211) mit Wärme, um die erste Keramikverbundschicht (111) mit dem ersten Elektrolytteil (121) und dem ersten umgebenden Teil (112) zu bilden; und in einem vertikalen Querschnitt entlang der Dickenrichtung (DT) des Elektrolytteils (221) eine Hauptfläche (224) des Elektrolytteils (221) und die Kontaktfläche (225k) der Elektrolyt-Außenumfangsfläche (225) einen Winkel (θs) bilden, der gleich oder größer als 45°, aber gleich oder kleiner als 80° ist (45° ≤ 0 ≤ 80°).
7. Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements (10, 310) nach Anspruch 6 , das ferner einen Ausschneideschritt umfasst, um vor dem Verbundschicht- Herstellungsschritt das Elektrolytschichtelement (221) aus der vorläufigen Schicht (221B) auszuschneiden, indem ein kegelförmig gebündelter Laserstrahl (LB) aus einem CW-Laser auf die vorläufige Schicht (221B) gerichtet und der Laserstrahl (LB) in einer Ebenenrichtung (DX, DY) der vorläufigen Schicht (221B) bewegt wird.

Description

1. Gebiet der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement zur Erfassung von zu messendem Gas, einen Gassensor, der das Gassensorelement aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements. 2. Stand der Technik Patentdokument 1 offenbart beispielsweise ein Gassensorelement mit einer Schicht (eine Keramikverbundschicht, die später beschrieben ist), die so ausgebildet ist, dass ein fester Elektrolyt-Körper (ein Elektrolytteil, der nachfolgend beschrieben ist) in einem Durchgangsloch angeordnet ist, das in einem isolierenden Element gebildet ist (ein umgebender Teil, der nachfolgend beschrieben ist). [Patentdokument 1] JP 2007 - 278 941 A Weiterer relevanter Stand der Technik ist in folgenden Dokumenten diskutiert: DE 10 2012 213 690 A1, US 2005 / 0 189 222 A1 sowie der DE 10 2007 057 430 A1. 3. Probleme, die durch die Erfindung zu lösen sind In dem Gassensorelement aus Patentdokument 1 ist jedoch die äußere Umfangsfläche (eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche, die später beschrieben wird) des festen Elektrolyt-Körpers (Elektrolytteil) mit der inneren Umfangsfläche (eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche, die nachfolgend beschrieben ist) des Durchgangslochs in Kontakt, das im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des isolierenden Elements (umgebender Teile) ist. Da folglich die Kontaktlänge entlang der Dickenrichtung zwischen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des Elektrolytteils und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des umgebenden Teils klein ist, kann während der Herstellung des Gassensorelements eine ausreichende Kontaktlänge entlang der Dickenrichtung zwischen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des Elektrolytteils und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des umgebenden Teils nicht gewährleistet werden, woraus sich potenziell das Problem ergibt, dass die gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Elektrolytteils miteinander über einen Spalt in Verbindung stehen, der zwischen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche gebildet ist. ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das zuvor genannte Problem erdacht, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gassensorelement, das eine hohe Zuverlässigkeit durch Reduzierung einer Problematik erreicht, die sich aus der Bildung eines Spalt zwischen dem Elektrolytteil und dem umgebenden Teil ergibt, sowie einen Gassensor, der das Gassensorelement aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung des Gassensorelements bereitzustellen. Die vorhergehende Aufgabe ist in einem Aspekt gelöst worden durch ein Gassensorelement mit den Merkmalen von Anspruch 1. Zudem, wird ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 6 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. (1) Es wird ein Gassensorelement bereitgestellt, das eine erste zusammengesetzte Keramikschicht bzw. eine erste Keramikverbundschicht aufweist. Die erste Keramikverbundschicht hat einen plattenähnlichen ersten Elektrolytteil, der aus einer festen Elektrolytkeramik gebildet ist und eine Elektrolyt-Außenumfangsfläche aufweist, und einen plattenähnlichen ersten umgebenden Teil, der aus einer isolierenden Keramik oder einer Mischung einer isolierenden Keramik und der festen Elektrolytkeramik aufgebaut ist und eine Durchgangsloch-Innenumfangsfläche aufweist, die ein Durchgangsloch bildet, das sich in einer Dickenrichtung hindurch erstreckt. Der erste Elektrolytteil ist in dem Durchgangsloch angeordnet, und die Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils ist mit der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils in Kontakt. Einander zugewandte Kontaktflächen der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils und der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils sind entsprechend so geneigt bzw. angeschrägt, dass die Positionen der einander zugewandten Kontaktflächen bei Bewegung in Richtung auf eine Seite bezogen auf die Dickenrichtung nach außen wandern, und diese vollständig in engem Kontakt miteinander sind. Da in dem zuvor erwähnten Gassensorelement die Kontaktfläche der Elektrolyt-Außenumfangsfläche des ersten Elektrolytteils und die Kontaktfläche der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche des ersten umgebenden Teils so geneigt sind, dass die Positionen der Kontaktflächen sich nach außen ändern bzw. wandern, während man sich auf eine Seite in Bezug auf die Dickenrichtung bewegt, kann die Kontaktlänge entlang der Dickenrichtung zwischen der Kontaktfläche des ersten Elektrolytteils und der Kontaktfläche des ersten umgebenden Teils vergrößert werden. Ferner sind die Kontaktflächen der Durchgangsloch-Innenumfangsfläche und die Elektrolyt-Außenumfangsfläche vollständig in engem Kontakt miteinander. Somit kann die Ausbildung eines Spalt mit Verbindung zwischen gegenüberliegenden Hauptoberflächen des ersten Elektrolytteils zwischen dem Elektrolytteil und dem ersten umgebenden Teil vermieden werden, wodurch das Gassensorelement von einer