CN108351320A - 传感器元件和用于制造传感器元件的方法 - Google Patents
传感器元件和用于制造传感器元件的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108351320A CN108351320A CN201680065653.5A CN201680065653A CN108351320A CN 108351320 A CN108351320 A CN 108351320A CN 201680065653 A CN201680065653 A CN 201680065653A CN 108351320 A CN108351320 A CN 108351320A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sensor element
- matrix
- insulating paste
- conducting structure
- ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 27
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 66
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 49
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 10
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 71
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 19
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 15
- 239000006071 cream Substances 0.000 claims description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 11
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 claims description 9
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 7
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 59
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 9
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052878 cordierite Inorganic materials 0.000 description 7
- JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N dimagnesium dioxido-bis[(1-oxido-3-oxo-2,4,6,8,9-pentaoxa-1,3-disila-5,7-dialuminabicyclo[3.3.1]nonan-7-yl)oxy]silane Chemical compound [Mg++].[Mg++].[O-][Si]([O-])(O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2)O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2 JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052839 forsterite Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N magnesium orthosilicate Chemical compound [Mg+2].[Mg+2].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 6
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 5
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 5
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 description 3
- 238000007634 remodeling Methods 0.000 description 3
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 3
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 125000000484 butyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 2
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- 230000002101 lytic effect Effects 0.000 description 2
- -1 oxonium ions Chemical class 0.000 description 2
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 description 1
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical compound CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- UQTIEKKDWSQUGX-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-) scandium(3+) zirconium(4+) Chemical class [O-2].[Zr+4].[O-2].[Sc+3] UQTIEKKDWSQUGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NYWITVDHYCKDAU-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-) yttrium(3+) zirconium(4+) Chemical compound [O--].[O--].[Y+3].[Zr+4] NYWITVDHYCKDAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- RBNWAMSGVWEHFP-UHFFFAOYSA-N trans-p-Menthane-1,8-diol Chemical compound CC(C)(O)C1CCC(C)(O)CC1 RBNWAMSGVWEHFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
- G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
本发明提出一种用于废气传感器的传感器元件，该传感器元件具有陶瓷基体(50)，该陶瓷基体的表面(51)具有至少一个电绝缘的表面区域，其中，传感器元件(10)具有至少一个沿着基体(50)的表面区域面式地构造的导电的传导结构(52)，其特征在于，传导结构(52)沿垂直于该表面的方向部分地嵌入在基体(50)中。
Description
背景技术
由现有技术已知用于废气传感器的传感器元件。
DE-102006002111 A1例如公开一种用于以确定气体混合物中的颗粒浓度的气体传感器、尤其是炭黑传感器的传感器元件，所述传感器元件具有至少一个暴露于待确定的气体的测量组件、至少一个集成到传感器元件中的加热元件和至少一个集成到传感器元件中的温度测量元件，其中，加热元件在传感器元件内部在空间上在测量组件与温度测量元件之间布置。
发明内容
本发明涉及一种具有延长的使用寿命的传感器元件和一种用于制造这样的传感器元件的方法。
为了该目的，设置有在独立权利要求中说明的措施。使传导结构沿垂直于陶瓷基体表面的方向部分地嵌入基体中，由此产生传导结构与基体之间的啮合并且因此产生传导结构与基体之间的持久强化的连接。如果传感器元件在它的使用寿命期间受到强烈地热、热液和/或腐蚀负载，传导结构仍不减弱地保持与基体连接。
“传导结构沿垂直于陶瓷基体表面的方向部分地嵌入”此处尤其理解为：仅排除完全的嵌入以及排除传导结构仅布置在基体的就此而言未结构化的表面上。此处这尤其如下地理解：就此而言，在陶瓷基体的否则宏观构造的表面中设置有微结构，传导结构沿垂直于陶瓷基体的表面的方向部分地被接收在该微结构中。
传导结构是导电的结构，也就是说尤其是：传导结构由这样的材料组成，该材料的比电阻在室温下小于0.5欧mm2/m。
本发明的扩展方案设置为：存在这样的最小尺寸，传导结构以该最小尺寸挤入到陶瓷基体中，并且存在这样的最小尺寸，传导结构以该最小尺寸从陶瓷基体中伸出。就此而言可以设置为，该传导结构的高度的至少10％沿垂直于表面的方向挤入、即嵌入。附加地或替代地，就此而言可以设置为，传导结构沿垂直于表面的方向挤入、即嵌入最高90％。
传导结构可以例如直至它高度的一半地嵌入到基体中，这尤其可以理解为它的高度的30％与70％之间挤入。
传感器元件尤其可以是颗粒传感器的如下传感器元件，该传感器元件在它的表面上具有两个梳状的、彼此接合的交叉指型电极作为传导结构，所述交叉指型电极在根据规定的使用中在很大程度上直接暴露于废气。
此外，本发明涉及一种用于制造传感器元件、尤其是根据本发明的传感器元件的方法。
根据本发明的方法设置为：在将含贵金属的预传导结构施加到陶瓷预基体上且在此部分地引入到预基体中之后，通过烧结陶瓷预基体和含贵金属的预传导结构来制造这样的传感器元件。
可行的是：通过加印进行施加。附加地或替代地可行的是：通过压入、例如在加印期间进行引入。替代地，压入也可以紧接着加印(例如借助于压入装置)进行。
可行的是：陶瓷预基体由未烧结的陶瓷薄膜组成，例如由包含氧化铝或以钇稳定的二氧化锆(YSZ)或堇青石或镁橄榄石或多晶硅并且附加地包含结合剂和溶解剂的陶瓷薄膜组成。
附加地可以设置为：陶瓷预基体由如上所述的未烧结的陶瓷薄膜组成，在该陶瓷薄膜上附加地面式地施加至少一个绝缘膏。在此，含贵金属的预传导结构被施加到至少一个绝缘膏上并且被部分地引入。
在此尤其设置为：含贵金属的预传导结构具有比至少一个绝缘膏更高的粘度，即更硬。这确保：含贵金属的预传导结构能够以小的耗费并且棱边分明地部分引入到绝缘膏中。
可以设置为：陶瓷预基体由如上所述的未烧结的陶瓷薄膜组成，在该陶瓷薄膜上附加地相继面式地施加第二绝缘膏和随后施加第一绝缘膏。在绝缘膏上又施加预传导结构。在此，预传导结构优选被压入、尤其被部分地压入到外部的第一绝缘膏中。
可以设置为：第一绝缘膏和第二绝缘膏关于它们的物理和化学以及流变特性方面有区别。由此，可以有利的是，处于陶瓷薄膜和第一绝缘膏之间的第二绝缘膏满足粘附层的功能。为此可以设置为：第二绝缘膏具有比第一绝缘膏更高的溶解剂含量，从而实现陶瓷薄膜的部分溶解。附加地或替代地可以设置为：第二绝缘膏具有比第一绝缘膏含量更高的细粒的并且由此烧结活性的二氧化锆和/或含量更高的粗晶粒的氧化铝，这又具有改善粘附的作用。
此外，有利地可以设置为：第一绝缘膏比第二绝缘膏更软，即具有更小的粘度。这在提高的程度上简化预传导结构的尤其棱边分明的压入。
预传导结构到预基体中的压入可以总是通过如下方式来促进：预基体在施加预传导结构之前经历具有结构的结构化，预传导结构随后部分地引入到所述结构中。所述结构可以是微结构，即具有在一个空间方向上或在两个空间方向上小于150μm的结构大小。
本发明的附加的扩展方案是实施例和从属权利要求的主题。
只要在本申请的范畴内说明粘度，那么这些粘度通过旋转粘度计在30/s的剪切率的情况下在20℃的温度下测定。
只要在本申请的范畴内说明损耗角正切值，那么这些损耗系数在500Pa的剪切应力下测定。
附图说明
下面根据附图详细阐释本发明。
图1以爆炸示图和以纵剖面图放大地示出根据现有技术的颗粒传感器的传感器元件。
图2以细节视图示出图1的根据本发明的不同实施方式的传感器元件的改型方案。
图3示出根据本发明的装置的另一实施方式。
图4-6示出尤其根据本发明的传感器元件的制造的示例。
具体实施方式
在图1a中以爆炸示图示出颗粒传感器的陶瓷传感器元件10的基本构造。陶瓷传感器元件10用于确定包围传感器元件10的气体混合物中的颗粒浓度、例如炭黑浓度。传感器元件10例如包括多个传导氧离子的固体电解质层11a、11b和11c。在此，固体电解质层11a和11c实施为陶瓷薄膜并且形成平面式陶瓷体。所述固体电解质层由传导氧离子的固体电解质材料、例如以Y2O3或以Ce或以Sc稳定的或部分稳定的ZrO2组成。
与此相对，固体电解质层11b借助于膏状陶瓷材料的丝网印刷例如在固体电解质层11a上产生。在此，优选使用相同的固体电解质材料作为膏状材料的陶瓷成分，固体电解质层11a、11c也由该固体电解质材料组成。
此外，传感器元件例如具有多个电绝缘的陶瓷层12a、12b、12c、12d、12e和12f。在此，层12a-12f同样借助于膏状陶瓷材料的丝网印刷例如在固体电解质层11a、11b、11c上产生。在此，例如使用氧化铝作为膏状材料的陶瓷成分，因为氧化铝即使在长时间段上有温度交变应力的情况下也具有在很大程度上恒定的高电阻。
传感器元件10的平面式陶瓷体的集成形式通过将印刷有固体电解质层11b并且印刷有功能层以及层12a-12f的陶瓷薄膜层压在一起并且随后对层压结构进行烧结而以自身已知的方式制造。
传感器元件10还具有陶瓷加热元件40，该加热元件以电阻导体轨的形式实施并且用于将传感器元件10尤其加热到待确定的气体混合物的温度或用于烧掉在传感器元件10的大面积上沉积的炭黑颗粒。电阻导体轨优选由金属陶瓷材料实施；优选实施为铂或铂金属与陶瓷成分、例如氧化铝的混合物。电阻导体轨还优选以回曲形的形式构造，并且在两个端部上具有贯穿通孔42、44以及电接头46、48。通过将相应的加热电压施加到电阻导体轨的接头46、48上可以相应地调节加热元件40的加热功率。
在传感器元件10的大面上例如施加两个测量电极14、16，所述测量电极优选构造为彼此啮合的交叉指型电极。交叉指型电极作为测量电极14、16的使用能够有利地实现处于测量电极14、16之间的表面材料的电阻或导电能力的特别准确的确定。为了接触测量电极14、16，在传感器元件的背离气体混合物的端部区域中设置有接触面18、20。在此，电极14、16的输入导线区域优选通过另外的、电绝缘的陶瓷层12f遮闭而不受包围传感器元件10的气体混合物的影响。
在传感器元件10的设有测量电极14、16的大面上可以附加地设置出于清楚的原因未示出的多孔层，该多孔层对测量电极14、16在其彼此啮合的区域中进行遮闭以防与待确定的气体混合物直接接触。在此，多孔层的层厚优选大于测量电极14、16的层厚。多孔层优选开孔式地实施，其中，孔隙大小这样选择，使得气体混合物中的待确定的颗粒可以扩散到多孔层的孔隙中。在此，多孔层的孔隙大小优选处于2至10μm的范围内。多孔层由陶瓷材料实施，该陶瓷材料优选类似于层12a的材料或相当于该材料并且可以借助于丝网印刷制造。多孔层的孔隙率可以通过将孔隙形成物添加至丝网印刷膏而相应地调整。
在传感器元件10运行期间，将电压施加到测量电极14、16上。因为测量电极14、16布置在电绝缘层12a的表面上，所以在测量电极14、16之间首先基本上不产生电流。
如果绕流传感器元件10的气体混合物包含颗粒、尤其是炭黑，那么该颗粒沉积在传感器元件10的表面上。通过多孔层的开孔式结构，颗粒扩散穿过多孔层直至测量电极14、16的紧挨着的附近。因为炭黑具有确定的导电能力，所以在传感器元件10的表面或者说多孔层充分地装载以炭黑的情况下在测量电极14、16之间产生提升的电流，该电流与装载的程度相关联。
如果现在将电压施加到测量电极14、16上并且测定在测量电极14、16之间出现的电流，那么可以推断出沉积的颗粒质量。以这种测量方法感测气体混合物中所有这样的颗粒的浓度，所述颗粒影响处于测量电极14、16之间的陶瓷材料的导电能力。
在图1b中以纵剖面图放大地示出图1a的传感器元件10的远侧端部区段的上平面。从中可以看到，在由现有技术已知的传感器元件10中，在固体电解质层11a上布置有电绝缘的陶瓷层12a，并且在该陶瓷层上布置有测量电极14、16。在此，测量电极14、16平放在电绝缘的陶瓷层12a上，也就是说，所述测量电极仅以它们的基面14a、16a触碰后者，而它们侧向的侧面14b、16b和它们的远离电绝缘的陶瓷层12a指向的表面14c、16c与电绝缘的陶瓷层12a不接触，参见图1c，该图以更加强的放大图示出图1a的传感器元件10的远侧端部区段的上平面。
随后示出根据本发明的传感器元件10的第一实施例。在此，图2a和2b示意性示出传感器元件10的就此而言相比于图1改型的远侧端部区段的构造。在该传感器元件10中，在由以钇或以铈或以鈧稳定的二氧化锆(YSZ)组成的固体电解质层11a上布置有由氧化铝组成的电绝缘的陶瓷层12a。就此而言，固体电解质层11a和电绝缘的陶瓷层12a一起形成传感器元件10的基体50。基体的表面51由电绝缘的陶瓷层12a形成。传感器元件10又具有两个测量电极14、16，所述测量电极在本示例中主要由铂组成，即是导电的，并且共同形成传导结构52。测量电极14、16具有垂直于传感器元件10的表面51的高度H，在图2中即竖立地，该高度在本示例中为15μm。测量电极14、16具有平行于传感器元件10的表面51的宽度B，在图2中即从左向右，该宽度在本示例中为100μm。
测量电极14、16沿垂直于基体50的表面51的方向部分地嵌入在基体50中，在这里部分地嵌入到电绝缘层12a中，并且因此在一定程度上与基体啮合，在这里即与电绝缘层12a啮合。那么测量电极14、16的基面14a、16a与基体50接触，而测量电极14、16的侧向的侧面14b、16b部分地(这里一半地)被接收到基体50中，并且部分地(这里一半地)从基体50中伸出。测量电极14、16的远离陶瓷基体50指向的表面14c、16c与基体50不接触。
在传感器元件10的设有测量电极14、16的大面上可以附加地设置有出于清楚的原因未示出的、不导电的多孔层，该多孔层对测量电极14、16在它们彼此啮合的区域中进行遮闭以防与待确定的气体混合物直接接触。在此，多孔层的层厚优选大于测量电极14、16的层厚。多孔层优选开孔式地实施，其中，孔隙大小这样选择，使得气体混合物中的待确定的颗粒可以扩散到多孔层的孔隙中。在此，多孔层的孔隙大小优选处于2至10μm的范围内。
传导结构52可以如上所述的那样是颗粒传感器的构造为交叉指型电极的测量电极14、16。替代地，传导结构52也可以是温度探测器和/或电加热器的电阻轨。传导结构52当然也可以是任意其他被传感器元件10包围的导体轨。
在第一实施例的第一改型方案中，替代固体电解质层11a而采用由其他材料、例如多晶硅或氧化铝或镁橄榄石或堇青石组成的层11a'。
在第一实施例的第二改型方案中(参见图2c)，同样替代固体电解质层11a而采用由其他材料、例如电绝缘的材料如氧化铝或镁橄榄石或堇青石组成的层11a'。此外，省去电绝缘的陶瓷层12a。因此，传导结构52直接与由材料、例如电绝缘材料如氧化铝或镁橄榄石或堇青石组成的层11a'啮合，即部分地嵌入到该层中。
第二实施例与第一实施例的区别在于：电绝缘的陶瓷层12a由两个相叠地布置的层组成，即由第二子层12a2和在第二子层12a2上布置的第一子层12a1组成。传导结构52仅嵌入在第一子层12a1中。第二实施例在图3中示出。
第一子层12a1与第二子层12a2关于它们的化学和物理特性方面有区别。由此，第二子层12a2具有比第一子层12a1更高的孔隙含量，例如第二子层12a2具有5％至15％体积百分比的孔隙含量，而第一子层12a1具有孔隙含量2％至8％体积百分比。第二子层12a2的孔隙含量例如可以约为第一子层12a1的孔隙含量的两倍高。
此外，第二子层12a2具有一定含量的以钇稳定的二氧化锆(YSZ)，例如2％-10％重量百分比，该含量大于第一子层12a1可能具有的以钇或Ce或Sc稳定的二氧化锆(YSZ)的含量。然而第一子层12a1优选由纯氧化铝组成。
此外设置为：在第二子层12a2中包含的二氧化锆具有这样的晶粒尺寸(d50)，该晶粒尺寸小于1μm，并且该晶粒尺寸小于可选地包含在第一子层12a1中的二氧化锆的晶粒尺寸(d50)。
此外设置为：包含在第二子层12a2中的氧化铝是α氧化铝。
包含在第二子层12a2中的氧化铝具有相对较大的晶粒尺寸。由此，2％-5％重量百分比的包含在第二子层12a2中的氧化铝可以具有超过3μm的晶粒尺寸(d50)。与此相对，这类粗晶粒的氧化铝的份额、尤其是大于3μm的氧化铝晶粒的份额在第一子层12a1中更小。
在实施例中示出的传导结构52相对于传感器元件10的其他导电的结构元件、例如加热器和/或温度测量装置是高度绝缘的，这意味着：在传导结构52与其他导电的结构元件之间构造的电阻在25℃的情况下为至少1兆欧和/或在850℃的情况下为至少10千欧。
下面示例性地示出，如何能够根据本发明制造传感器元件10。
在第一示例中(如在图4中可以看到的那样)，在第一方法步骤201中提供预基体150，该预基体仅由未烧结的陶瓷薄膜111a、例如氧化铝陶瓷薄膜或包含堇青石或镁橄榄石或多晶硅的薄膜组成。
在第二方法步骤202中，在丝网印刷工艺中将未烧结的陶瓷薄膜111a用由两个预测量电极114、116组成的预传导结构152来印刷。预传导结构152以含铂的丝网印刷膏的形式来施加。含铂的丝网印刷膏具有相对较高的粘度，并且以这样高的压力加印，使得该丝网印刷膏在加印时部分地(在本示例中一半地)压入到未烧结的陶瓷薄膜111a中。
替代于在加印期间直接引起压入，也可以使压入在时间上在加印之后进行，例如借助于单独的压入装置。也可行的是：在时间上在加印之前在陶瓷薄膜111a中产生这样的结构、优选微结构，并且将预传导结构152压入到这个结构中。
在第三方法步骤203中进行烧结，该烧结将预传导结构152和预基体150转变成完成的传感器元件10。所述烧结例如可以在超过1200℃数小时长的情况下进行。
在图4的右边部分中，从完成的传感器元件10中仅示出远侧(面向废气的)端部区段的上层，即由绝缘材料、例如由氧化铝或镁橄榄石或堇青石组成的层11a，并且示出测量电极14、16，所述测量电极一起形成传导结构52。
在第二示例中(参见图5)，作为第一方法步骤201的第一子步骤201a，从未烧结的陶瓷薄膜111a出发，而该薄膜例如由氧化铝或镁橄榄石或堇青石组成，但或者也由固体电解质材料、例如以钇稳定的二氧化锆(YSZ)组成，或者由多晶硅组成。
该未烧结的陶瓷薄膜111a在第一方法步骤201的第二子步骤201b中用绝缘膏112a(例如在丝网印刷方法中)全面地印刷。绝缘膏112a例如具有氧化铝粉末，并且通过添加结合剂和溶解剂、例如聚乙烯丁醛和二乙二醇丁醚变得可操作。
第二方法步骤202如在第一示例中那样进行，附有以下说明：将预传导结构152加印到绝缘膏112a上并且压入到这个绝缘膏中。为此，合乎目的地强调的是，预传导结构152(此处含铂的丝网印刷膏)具有比绝缘膏112a更高的粘度。绝缘膏112a的粘度例如可以处于30和100Pas之间的范围内，而预传导结构152的粘度可以处于100和600Pas之间的范围内。
随后的烧结在第三方法步骤203中如上面那样进行。
在图6中示出的第三示例设置为：在第二示例的变型方案中，在第一方法步骤201的第二子步骤201b中将两个绝缘膏112a2、112a1相继并且相叠地施加到未烧结的陶瓷薄膜111a上。
在此，首先将第二绝缘膏112a2加印到未烧结的陶瓷薄膜111a上。随后将第一绝缘膏112a1加印到第二绝缘膏112a2上。第一绝缘膏112a1和第二绝缘膏112a2可以关于它们的组分和它们的物理和化学特性方面是相同的，但是所述第一绝缘膏和第二绝缘膏在本示例中有区别，更确切地说区别如下：
第二绝缘膏112a2具有比第一绝缘膏112a1含量更小的陶瓷粉末(此处氧化铝)。第二绝缘膏112a2相应地具有比第一绝缘膏112a1含量更高的结合剂(此处聚乙烯丁醛)和溶解剂(此处二乙二醇丁醚)。第二绝缘膏112a2的粘度高于第一绝缘膏112a1的粘度。
在本示例中，第一绝缘膏112a1和第二绝缘膏112a2的施覆层厚相一致。在本示例中，这两个绝缘膏112a1、112a2的损耗角正切值也相一致。
第二绝缘膏112a2的30％-80％重量百分比由陶瓷粉末(此处氧化铝)组成。该第二绝缘膏的粘度为30-100Pas。该第二绝缘膏的损耗角正切值处于1.2和100之间。该第二绝缘膏以8-25μm的厚度施覆。
第一绝缘膏112a1的50％-80％重量百分比由陶瓷粉末(此处氧化铝)组成。该第一绝缘膏的粘度为10-60Pas。该第一绝缘膏的损耗角正切值处于1.2和100之间。该第一绝缘膏以8-25μm的厚度施覆。
传感器元件10的第二绝缘层11a2具有粘附层的功能，该粘附层改善第一绝缘层11a1和传导结构52的粘附。为此，使第二绝缘膏112a2混入2％至10％重量百分比的细粒(d50小于1μm)的以钇或以铈或以鈧稳定的二氧化锆作为烧结活性的粘附力促进剂。此外，为此使第二绝缘膏112a2混入2％至5％重量百分比的粗晶粒(d50大于3μm)的α氧化铝。
第二方法步骤202如在第二示例中那样进行，附有以下说明：将预传导结构152加印到第一绝缘膏112a1上并且压入到该第一绝缘膏中。为此，合乎目的地强调的是，预传导结构152(此处含铂的丝网印刷膏)具有比第一绝缘膏112a1更高的粘度。预传导结构152的粘度例如可以处于100和600Pas之间的范围内。含铂的丝网印刷膏的贵金属(此处铂)的含量为60％至90％重量百分比。向含铂的丝网印刷膏添加作为结合剂的乙基纤维素和作为溶解剂的松油醇。含铂的丝网印刷膏的损耗角正切值处于0.7和1.3之间，并且小于第一绝缘膏112a1的损耗角正切值。含铂的丝网印刷膏以5-15μm的厚度来施覆。
随后的烧结在第三方法步骤203中如前面那样进行。
本申请人已经以在实施例中所描述的传感器元件实施稳固性研究，如在德国专利申请DE 10 2015 206 995 A1中详细描述的那样。在此，测试这样实施，尤其是所述测试的参数这样选择，使得传统传感器元件(参见图1)大部分受损伤。此处尤其导致传导结构52与传感器元件10的基体50分离。
与此相对，通过根据本发明的传感器元件10甚至可以多次地相继实施相同的测试，而不会使根据本发明的传感器元件10出现损伤。
Claims (14)
1.用于废气传感器的传感器元件，所述传感器元件具有陶瓷基体(50)，该陶瓷基体的表面(51)具有至少一个电绝缘的表面区域，其中，所述传感器元件(10)具有至少一个沿着所述基体(50)的所述表面区域面式地构造的导电的传导结构(52)，其特征在于，所述传导结构(52)沿垂直于所述表面的方向部分地嵌入在所述基体(50)中。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，所述传导结构(52)沿垂直于所述表面的方向以10％至90％嵌入在所述基体(50)中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述至少一个表面区域完全由氧化铝组成或主要包含氧化铝。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述表面区域通过电绝缘层(12a)形成，并且所述基体(50)还由固体电解质、例如由以钇稳定的二氧化锆(YSZ)组成。
5.根据前一项权利要求所述的传感器元件，其特征在于，所述电绝缘层(12a)由第二子层(12a2)和布置在所述第二子层(12a1)上的第一子层(12a1)组成，其中，所述第一子层(12a1)具有比所述第二子层(12a2)更小的孔隙含量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述传导结构(52)在所述表面区域中具有沿局部垂直于所述表面(51)的方向不超过15μm的高度(H)和/或沿局部平行于所述表面(51)的方向不超过100μm的宽度(B)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其特征在于，所述废气传感器是颗粒传感器，并且所述传导结构(52)是至少一个交叉指型电极(14、16)和/或温度探测器的电阻轨。
8.用于制造根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件的方法，其特征在于，设有以下方法步骤：
-提供未烧结的陶瓷预基体(150)，
-将含贵金属的预传导结构(152)施加到所述陶瓷预基体(150)上，其中，将所述预传导结构(152)部分地引入到所述预基体(150)中。
-将所述陶瓷预基体(150)和所述含贵金属的预传导结构(152)烧结成所述传感器元件(10)。
9.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述预传导结构(152)以它的高度(H)的10％至90％引入到所述预基体(150)中。
10.根据前两项权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，提供所述未烧结的陶瓷预基体(150)这一步骤包括以下方法步骤：
-提供至少一个未烧结的陶瓷薄膜(111a)
-将至少一个绝缘膏(112a)面式地施加到所述陶瓷薄膜(111a)上。
11.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，将至少一个绝缘膏(112a)面式地施加到所述陶瓷薄膜(111a)上这一步骤包括以下方法步骤：
-将第二绝缘膏(112a2)面式地施加到所述陶瓷薄膜(111a)上
-随后施加第一绝缘膏(112a1)，从而将所述第一绝缘膏(112a1)施加到所述第二绝缘膏(112a2)上，其中，所述第一绝缘膏(112a1)具有比所述第二绝缘膏(112a2)更小的粘度和/或更高的固体含量。
12.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二绝缘膏(112a2)具有比所述第一绝缘膏(112a1)含量更高的细粒二氧化锆和/或含量更高的粗晶粒氧化铝。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，含贵金属的所述预传导结构(152)的施加通过加印含贵金属膏进行，并且所述含贵金属膏具有比以下区域中的预基体(150)更高的粘度，所述含贵金属膏施加在该区域中。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在超过1200℃和/或长于一小时的情况下进行烧结。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102015222108.3A DE102015222108A1 (de) | 2015-11-10 | 2015-11-10 | Sensorelement und Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements |
| DE102015222108.3 | 2015-11-10 | ||
| PCT/EP2016/076527 WO2017080901A1 (de) | 2015-11-10 | 2016-11-03 | Sensorelement und verfahren zur herstellung eines sensorelements |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108351320A true CN108351320A (zh) | 2018-07-31 |
Family
ID=57241082
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201680065653.5A Pending CN108351320A (zh) | 2015-11-10 | 2016-11-03 | 传感器元件和用于制造传感器元件的方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20180321182A1 (zh) |
| KR (1) | KR20180079335A (zh) |
| CN (1) | CN108351320A (zh) |
| DE (1) | DE102015222108A1 (zh) |
| WO (1) | WO2017080901A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112309649A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-02-02 | 南京航空航天大学 | 一种叉指电极表面玻璃釉的制备方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102021207499A1 (de) * | 2020-07-29 | 2022-02-03 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Teil eines chirurgischen Instruments |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6350357B1 (en) * | 1997-01-13 | 2002-02-26 | Robert Bosch Gmbh | Sensor element |
| US20020175076A1 (en) * | 2000-08-24 | 2002-11-28 | Frieder Gora | Layered composite with an insulation layer |
| US20080264146A1 (en) * | 2005-01-21 | 2008-10-30 | Sabine Roesch | Sensor Element for Particle Sensors and Method for Operating Same |
| DE102007047078A1 (de) * | 2007-10-01 | 2009-04-02 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement zur Detektion von Partikeln in einem Gas und Verfahren zu dessen Herstellung |
| CN101858884A (zh) * | 2009-04-02 | 2010-10-13 | 罗伯特.博世有限公司 | 气体传感器的传感器元件及其制造方法 |
| US20140034495A1 (en) * | 2011-04-08 | 2014-02-06 | Philippe Grass | Sensor Apparatus For Detecting A Gas Concentration And A Particle Concentration Of An Exhaust Gas |
| DE102013210547A1 (de) * | 2013-01-18 | 2014-07-24 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors |
| CN104062343A (zh) * | 2013-03-21 | 2014-09-24 | 罗伯特·博世有限公司 | 传感器元件和具有传感器元件的废气传感器 |
| US20150075254A1 (en) * | 2013-09-17 | 2015-03-19 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gas sensor element and gas sensor |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW375744B (en) * | 1996-12-10 | 1999-12-01 | Heraeus Electro Nite Int | Resistor having at least two coupled contact springs arranged on a ceramic base and process for the same |
| JP3634956B2 (ja) * | 1998-02-16 | 2005-03-30 | 日本特殊陶業株式会社 | ガスセンサ素子の製法 |
| DE10339458A1 (de) * | 2002-08-28 | 2004-03-25 | Denso Corp., Kariya | Gasmessfühler und Verfahren zu dessen Herstellung |
| DE102006002111A1 (de) | 2005-01-21 | 2006-08-03 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement für Partikelsensoren und Verfahren zum Betrieb desselben |
| EP1844315B1 (de) * | 2005-01-21 | 2011-10-05 | Robert Bosch GmbH | Messanordnung und verfahren zur bestimmung der konzentration von partikeln in gasgemischen |
| DE102012209390A1 (de) * | 2012-06-04 | 2013-12-05 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum |
| JP6573767B2 (ja) * | 2014-03-28 | 2019-09-11 | 日本碍子株式会社 | 膜接合構造体の製法 |
| DE102015206995B4 (de) | 2015-04-17 | 2024-02-22 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Schichten eines keramischen Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum |
-
2015
- 2015-11-10 DE DE102015222108.3A patent/DE102015222108A1/de not_active Withdrawn
-
2016
- 2016-11-03 KR KR1020187013137A patent/KR20180079335A/ko not_active Application Discontinuation
- 2016-11-03 US US15/771,004 patent/US20180321182A1/en not_active Abandoned
- 2016-11-03 CN CN201680065653.5A patent/CN108351320A/zh active Pending
- 2016-11-03 WO PCT/EP2016/076527 patent/WO2017080901A1/de active Application Filing
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6350357B1 (en) * | 1997-01-13 | 2002-02-26 | Robert Bosch Gmbh | Sensor element |
| US20020175076A1 (en) * | 2000-08-24 | 2002-11-28 | Frieder Gora | Layered composite with an insulation layer |
| US20080264146A1 (en) * | 2005-01-21 | 2008-10-30 | Sabine Roesch | Sensor Element for Particle Sensors and Method for Operating Same |
| DE102007047078A1 (de) * | 2007-10-01 | 2009-04-02 | Robert Bosch Gmbh | Sensorelement zur Detektion von Partikeln in einem Gas und Verfahren zu dessen Herstellung |
| CN101858884A (zh) * | 2009-04-02 | 2010-10-13 | 罗伯特.博世有限公司 | 气体传感器的传感器元件及其制造方法 |
| US20140034495A1 (en) * | 2011-04-08 | 2014-02-06 | Philippe Grass | Sensor Apparatus For Detecting A Gas Concentration And A Particle Concentration Of An Exhaust Gas |
| DE102013210547A1 (de) * | 2013-01-18 | 2014-07-24 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors |
| CN104062343A (zh) * | 2013-03-21 | 2014-09-24 | 罗伯特·博世有限公司 | 传感器元件和具有传感器元件的废气传感器 |
| US20150075254A1 (en) * | 2013-09-17 | 2015-03-19 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gas sensor element and gas sensor |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112309649A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-02-02 | 南京航空航天大学 | 一种叉指电极表面玻璃釉的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102015222108A1 (de) | 2017-05-11 |
| WO2017080901A1 (de) | 2017-05-18 |
| US20180321182A1 (en) | 2018-11-08 |
| KR20180079335A (ko) | 2018-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yoshioka et al. | Magnesium doped lanthanum silicate with apatite-type structure as an electrolyte for intermediate temperature solid oxide fuel cells | |
| KR101813346B1 (ko) | 가스 센서 전극 형성용 금속 페이스트 | |
| JP5357347B1 (ja) | ガスセンサー電極形成用の金属ペースト | |
| Wang et al. | Effective improvement of sensing performance of amperometric NO2 sensor by Ag-modified nano-structured CuO sensing electrode | |
| CN108700546A (zh) | 气体传感器元件 | |
| CN108351320A (zh) | 传感器元件和用于制造传感器元件的方法 | |
| DE102014211782A1 (de) | Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum | |
| US10996191B2 (en) | Sensor element and gas sensor | |
| JP2003322636A (ja) | ＮＯｘ分解電極及びＮＯｘ濃度測定装置 | |
| WO2017108314A1 (de) | Partikelsensor | |
| WO2018230703A1 (ja) | センサ素子及びガスセンサ | |
| JP5945113B2 (ja) | ガスセンサ用電極、及びガスセンサ素子 | |
| US10190468B2 (en) | Sensor element and exhaust gas sensor having a sensor element | |
| JP6355754B2 (ja) | 測定ガス空間における測定ガスの少なくとも１つの特性を検出するためのセンサ素子および該センサ素子を製造する方法 | |
| JPWO2017146120A1 (ja) | ガスセンサー電極形成用の金属ペースト | |
| JP6212328B2 (ja) | ガスセンサー電極形成用の金属ペースト | |
| Hendriks et al. | The electrical behaviour of platinum impregnated porous YSZ | |
| JP2005283285A (ja) | 酸素濃度検出センサ | |
| JP2005274448A (ja) | 酸素濃度検出センサ | |
| JP2003083930A (ja) | 検出素子 | |
| KR101603312B1 (ko) | 절연특성이 향상된 녹스 센서 소자 | |
| Maskell et al. | Thick-film amperometric zirconia oxygen sensors: influence of cobalt oxide as a sintering aid | |
| US20190094173A1 (en) | Gas Sensor Electrode and Method for Producing Same | |
| Megel et al. | Electrical resistivity of low temperature sintered perovskites | |
| KR101603310B1 (ko) | 절연특성이 향상된 녹스 센서 소자의 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180731 |