(57)【要約】電気的な構成素子のための絶縁材料が提案されていて、この絶縁材料は、焼結された酸化アルミニウムを有しており、この酸化アルミニウムに、酸化アルミニウムの粒界で析出される、イオンの可動性を阻む物質が添加されている。さらに、このような絶縁材料から成る絶縁層を備えたガスセンサが提案されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的な構成素子のための絶縁材料（２１）であって、焼結された酸化アルミニウムを有している形式のものにおいて、
酸化アルミニウムに、酸化アルミニウムの粒界で析出される、イオンの可動性を阻む物質が添加されていることを特徴とする絶縁材料。
【請求項２】
前記物質が少なくとも１つのアルカリ土類化合物から成っている、請求項１記載の絶縁材料。
【請求項３】
アルカリ土類化合物がバリウム及び／又はストロンチウム化合物である、請求項２記載の絶縁材料。
【請求項４】
アルカリ土類化合物が、硫酸バリウム、ＢａＡｌ２Ｏ４またはＢａＡｌ４Ｏ７のようなアルミン酸バリウム、ヘキサアルミン酸バリウム、アルカリ土類金属のストロンチウム及び／又はバリウムをベースとしたセルシアン、セルシアンガラス及び／又はスローソナイトガラスである、請求項２又は３記載の絶縁材料。
【請求項５】
絶縁層が５０重量％の、有利には１〜２０重量％の濃度の前記物質を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の絶縁材料。
【請求項６】
ガスセンサであって、セラミックの固体電解質から成る少なくとも１つの層（１１，１２，１３）と、少なくとも２つの測定電極（１８，１９，２０）と、電気的な構成素子のための少なくとも１つの絶縁層（２２，２３）とを有している形式のものにおいて、
絶縁層（２２，２３）が、請求項１から５までのいずれか１項記載の絶縁材料から成っていることを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載した形式の電気的な構成部分のための絶縁材料および、請求項６の上位概念に記載した形式のガスセンサから出発している。
【０００２】
セラミックの固体電解質から成る少なくとも１つの層と、少なくとも２つの測定電極と、電気的な構成素子のための少なくとも１つの絶縁層とを有したガスセンサは、実際に公知であって、例えば窒素酸化物センサとして、またはラムダセンサとして形成されている。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４１０５１号明細書により公知のガスセンサは、広帯ラムダセンサとして形成されていて、セラミックの固体電解質ベースと複数の電極とを有している。これらの電極は室内及び、固体電解質の外面に被着されている。電極はそれぞれ、接続コンタクトが設けられている導体に接続されている。固体電解質には、電気的に絶縁されていてガスセンサを例えば７５０℃の運転温度にまで加熱する加熱体が埋め込まれている。
【０００４】
電気的に稼動される加熱体を、電極と固体電解質とから電気化学的に分離するために、加熱体は両側で、それぞれ層として形成された、酸化アルミニウムから成る絶縁材料によって制限されている。加熱体自体は、例えば白金のような貴金属である。
【０００５】
電極電位の相互の導通を減じるために、電極のリードを絶縁することが実際に公知である。このことは例えば、多室原理に基づき、窒素酸化物センサでも必要である。導体の絶縁体もここでは通常、単数または複数の酸化アルミニウム層から成っている。
【０００６】
しかしながら、酸化アルミニウムから成る絶縁層は残留導電性を有していることが示されている。残留導電性は、加熱体による信号ノイズもしくは、電極の相互の導通による電位変化を引き起こす恐れがある。残留導電性は主として、酸化アルミニウム、固体電解質、加熱体の貴金属、電極導線の不純物により生じる。
【０００７】
セラミックの酸化アルミニウムにおけるイオン可動性の高い個所は、それぞれの層の粒界である。ここでは特に、アルカリメタルイオンのような可動イオンが運動し、それぞれの絶縁層の導電性に寄与する。特に、アルカリメタル不純物、特にナトリウムイオン及び／又はカリウムイオンは、電極材料、固体電解質材料、加熱材料から粒界において酸化アルミニウム層に進入し、導電性をもたらす。
【０００８】
発明の効果
酸化アルミニウムに、酸化アルミニウムの粒界で析出される、イオンの可動性を阻む物質が添加されていることを特徴とする本発明による絶縁材料は、酸化アルミニウムの残留導電性を最小にし、高い使用温度においても十分低い値を有しているという利点を有している。
【０００９】
本発明は、請求項６の特徴を有したガスセンサも対象としている。特に、個体電解質に対するガスセンサの電気的な構成部分のための絶縁層として、絶縁材料を使用する場合には、電気的な構成素子による信号ノイズもしくは電極の相互の導通による電位変化の危険は最小にされる。
【００１０】
例えば７００℃〜１０００℃のガスセンサの高い使用温度においても、酸化アルミニウムに加えられた物質は粒界に残っている。酸化アルミニウム層におけるさらなる分配は行われない。これにより、不純物、例えばＮａ＋またはＫ＋のようなアルカリイオンの可動性も効果的に阻止される。
【００１１】
電気的な構成素子は、例えば、ガスセンサの抵抗加熱体またはガスセンサの電極の導線であって良い。絶縁層は有利には、該当する電気的な構成部分と固体電解質との間に位置している。
【００１２】
イオンの可動性を阻止する物質は、絶縁層の焼結前に酸化アルミニウムに添加される。即ち有利には、微細な粉体またはコーティングとして、焼結すべき酸化アルミニウム粒子に添加される。しかしながらこの物質は、絶縁材料を制作するために使用されるスクリーン印刷ペーストとして溶解した状態でも添加することができる。
【００１３】
本発明による絶縁材料の有利な構成によれば、酸化アルミニウムの粒界で析出され、イオンの可動性を阻む物質は、アルカリ土類化合物から成っている。アルカリ土類化合物はこの場合、有利には、バリウム化合物及び／又はストロンチウム化合物である。
【００１４】
特に、絶縁層の製造の際に酸化アルミニウム出発材料に加えられるアルカリ土類化合物は、硫酸バリウム、ＢａＡｌ２Ｏ４またはＢａＡｌ４Ｏ７のようなアルミン酸バリウム、ヘキサアルミン酸バリウム、アルカリ土類金属、ストロンチウム及び／又はバリウムをベースとしたセルシアン、セルシアンガラス及び／又はスローソナイト（Slawsonit)ガラスから成っている。しかしながら、アルカリ土類化合物は別のアルミノケイ酸バリウムまたはアルミノケイ酸ストロンチウムであることも考えられる。
【００１５】
しかしながらアルカリ土類イオンは、酸化アルミニウム出発材料に、酸化物、炭酸塩または硝酸塩としても添加することができ、これらと一緒に焼結される。
【００１６】
アルカリ土類金属イオンが、余剰的に酸化アルミニウム出発材料に添加される物質に含まれていると有利である。何故ならばイオンの可動性を阻止する添加された物質の作用は実質的に、アルカリ土類イオンの大きさに基づくからである。Ba２＋イオンは約１４０ｐｍのサイズを有していて、Sr２＋イオンは約１２２ｐｍのサイズを有している。
【００１７】
従ってBa２＋イオンは比較的大きなイオンであるので、その絶縁材料の残留導電性に関する作用は、Sr２＋イオンに比べて大きい。しかしながら、プロセスにおいて酸化物または炭酸塩として使用される場合、酸に可溶性のバリウム化合物は毒性である。上述した化合物、硫酸バリウム、アルミン酸バリウム、ヘキサアルミン酸バリウム、セルシアン、または他の詳しく説明していないアルミノケイ酸バリウムは例外である。
【００１８】
絶縁材料に添加されている物質は、本発明の有利な構成では、５０重量％の濃度を有している。固体電解質基体を有したガスセンサでは、濃度が上昇すると、アルカリ土類成分の、例えば、酸化ジルコニウムから成る固体電解質内に拡散する傾向が増すことが注意されなければならない。さらに濃度が上昇すると、絶縁材料の熱水耐性が低下する。従って物質の濃度は有利には、必要と添加される成分とに応じて１重量％〜２０重量％に制限される。
【００１９】
本発明のさらなる利点および有利な構成は、明細書、図面、請求の範囲に記載されている。
【００２０】
図面
本発明の実施例が図面に概略的に示されており、これに基づき以下に詳しく説明されている。
【００２１】
唯一の図面には、本発明による絶縁材料から成る絶縁層を有した広帯ラムダセンサの横断面が示されている。
【００２２】
実施例の説明
唯一の図面にはガスセンサ１０の原則的な構成が示されている。扁平なものとして形成されたガスセンサ１０は、広帯ラムダセンサを成していて、３つのセラミックシート１１，１２，１３を有した層状の構成を有している。これらの層はそれぞれ、イットリウム安定化された酸化ジルコニウムのような固体電解質から成っている。
【００２３】
セラミックシート１２と１３の間には、多孔質の拡散バリア１６を有した、測定室として形成された測定ギャップ１４が配置されている。測定ギャップ１４はリング状であって、ラムダセンサ１０の平面に対して垂直に向けられたガス流入開口１５を介して排ガスにさらされている。この排ガスは自動車の排気系統（図示せず）に流れるものである。
【００２４】
さらに広帯ラムダセンサ１０は、周囲に接続されている空気基準通路を有している。周囲とは、図面では測定ギャップ１５の後方に配置されている。図示されていない基準通路は、ほぼ測定ギャップ１４の高さで位置している。
【００２５】
広帯ラムダセンサ１０は、さらに２つの電気化学的なセル、即ち、いわゆる酸素ポンプセルとネルンスト濃度セルとを有している。この酸素ポンプセルは、ガス流入開口１５を取り囲む環状の外側のポンプ電極１８と、環状の内側ポンプ電極１９とを有している。ネルンスト濃度セルは、環状の濃度電極２０と、基準通路に隣接する基準電極（図示せず）とを有している。
【００２６】
攻撃的な排ガス構成成分に対して保護するために、外側ポンプ電極１８には、環状の多孔質の保護層２１が設けられている。
【００２７】
イットリウム安定化された酸化ジルコニウムから成るシート層１１と１２との間には加熱体２１が配置されている。この加熱体２１によって、広帯ラムダセンサ１０の運転温度が調節可能である。運転温度は例えばほぼ７５０℃である。
【００２８】
抵抗加熱体を成す加熱体２１は、本発明では２つの絶縁層２２と２３との間に埋め込まれていて、従って固体電解質層１１，１２に対しては電気的に絶縁されている。
【００２９】
絶縁層２２と２３は、酸化アルミニウムから成る絶縁材料から成っている。この絶縁材料には、焼結の際に酸化アルミニウムの粒界で析出される、不純イオンの可動性を阻む物質が添加されている。
【００３０】
酸化アルミニウムの粒界で析出される物質は、この実施例ではアルカリ土類化合物、即ち、ＢａＡｌ２Ｏ４またはＢａＡｌ４Ｏ７のようなアルミン酸バリウムまたはセルシアンである。絶縁層中のアルカリ土類化合物の濃度は１０重量％である。絶縁層２２と２３は、アルカリ土類化合物の添加により残留導電性は僅かであるので、加熱体による信号ノイズの危険は小さい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例を概略的に示した図である
【図１】
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【国際調査報告】
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