DE10122271A1 - Sensorelemente - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Sensorelement (10) zum Nachweis einer physikalischen Größe eines Meßgases, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente eines Abgases eines Verbrennungsmotors, vorgeschlagen, das eine poröse Schicht (41, 42) aufweist. Die poröse Schicht (41, 42) enthält Poren eines ersten Porentyps, deren Durchmesser mindestens der Hälfte der Schichtdicke der porösen Schicht entsprechen.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement nach dem
Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus der DE
198 57 471 A1 bekannt. Das Sensorelement enthält eine als
Diffusionsbarriere dienende poröse Schicht und eine weitere
poröse Schicht, die eine äußere Pumpelektrode überdeckt. Zur
Herstellung der porösen Schichten im Siebdruckverfahren wird
eine Paste auf einen Keramikkörper (Grünfolie) aufgetragen,
die einen fein verteilten, pulverförmigen Porenbildner
enthält. Danach wird die Paste auf eine Temperatur erhitzt,
bei der sich der Porenbildner nahezu rückstandslos
verflüchtigt und Poren zurückläßt. Als Porenbildner wird
beispielsweise Theobromin verwendet.
Derartige poröse Schichten weisen häufig variierende
Schichtdicken auf, beispielsweise durch ungleichmäßiges
Aufbringen der Paste im Siebdruckverfahren oder durch ein
Verquetschen der Paste bei einem Laminierprozeß. Weicht
beispielsweise die Schichtdicke einer als Diffusionsbarriere
dienenden porösen Schicht vom Sollwert ab, so verändert sich
der Diffusionsstrom durch die Diffusionsbarriere und damit
das Meßergebnis des Sensorelements, so daß aufwendige
Verfahren zur Korrektur dieses Effektes notwendig werden.
Das erfindungsgemäße Sensorelement gemäß dem unabhängigen
Anspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil,
daß eine in dem Sensorelement angeordnete poröse Schicht
eine gleichmäßige Schichtdicke mit einer vernachlässigbar
geringen Fertigungsstreuung aufweist.
Hierzu weist die poröse Schicht Poren auf, deren Durchmesser
ungefähr der Schichtdicke der porösen Schicht entsprechen.
Die poröse Schicht wird durch Auftragen einer Paste auf ein
Substrat hergestellt, wobei die Paste einen fein verteilten,
pulverförmigen Porenbildner enthält, der sich beim
Sinterprozeß nahezu rückstandsfrei verflüchtigt. Der
Porenbildner weist Partikel auf, deren Durchmesser ungefähr
der Schichtdicke der Paste entsprechen. Hierdurch wird
gewährleistet, daß die Paste sich gleichmäßiger auftragen
läßt, so daß unabhängig von den Bedingungen während des
Siebdruckverfahrens eine gleichmäßige Schichtdicke
gewährleistet ist. Außerdem kann die Paste beispielsweise
durch den Laminierprozeß nicht verquetscht werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des im
unabhängigen Anspruch angegebenen Sensorelements möglich.
Weist die poröse Schicht Poren eines ersten Porentyps, deren
Durchmesser ungefähr der Schichtdicke der porösen Schicht
entsprechen, und Poren eines zweiten Porentyps, deren
Durchmesser 10 bis 80 Prozent, besonders vorteilhaft 20 bis
50 Prozent des Durchmessers der Poren des ersten Porentyps
betragen, so ist gewährleistet, daß der Diffusionsstrom
durch die Diffusionsbarriere gut einstellbar und ausreichend
begrenzt ist. Eine besonders zuverlässige Verminderung der
Streuung der Schichtdicke der porösen Schicht wird dadurch
erreicht, daß die Durchmesser der Poren des ersten Porentyps
höchstens 20 Prozent, besonders vorteilhaft höchstens 10
Prozent kleiner sind als die Schichtdicke der porösen
Schicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt
der Anteil der Poren des ersten Porentyps in der porösen
Schicht 3 bis 10 Volumenprozent und der Anteil der Poren des
zweiten Porentyps in der porösen Schicht 10 bis 50
Volumenprozent.
Durch das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Sensorelements ist eine Herstellung der porösen Schichten
mit einer vernachlässigbar geringen Fertigungsschwankung
bezüglich der Dicke der porösen Schichten gewährleistet.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der
nachfolgenden Beschreibung erläutert. Die einzige Figur
zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
Sensorelements im Querschnitt.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines
Schnittes durch ein Sensorelement 10, das in Keramikfolien-
und Siebdrucktechnik herstellbar ist. Das in der Figur
dargestellte Sensorelement 10 ist eine sogenannte Breitband-
Lambda-Sonde, die eine nach dem Grenzstromprinzip arbeitende
Pumpzelle und eine Meßzelle (Nernstzelle) aufweist. Ferner
besitzt das Sensorelement einen integrierten
Widerstandsheizer, der nicht dargestellt ist. Dieser Aufbau
stellt jedoch keine Beschränkung der Erfindung auf diese
Ausführungsform dar. Die Erfindung ist ebenso auf andere,
poröse Schichten aufweisende Sensorelemente anwendbar.
Das in der Figur nur im Ausschnitt dargestellte
Sensorelement enthält vier oder fünf zusammenlaminierte
Festelektrolytschichten, von denen nur eine erste
Festelektrolytschicht 21 und eine zweite
Festelektrolytschicht 22 dargestellt sind.
Auf der ersten Festelektrolytschicht 21 befindet sich auf
einer Außenfläche des Sensorelements 10 eine erste Elektrode
31 (äußere Pumpelektrode) und eine zweite Elektrode 32
(innere Pumpelektrode). Über der ersten Elektrode 31
befindet sich eine poröse Schutzschicht 42. Die zweite
Elektrode 32 ist ringförmig ausgebildet und befindet sich in
einem Meßgasraum 35, in dem der zweiten Elektrode 32
gegenüberliegend auf der zweiten Festelektrolytschicht 22
eine dritte Elektrode 33 (Meßelektrode) angeordnet ist. Der
Meßgasraum 35 wird seitlich durch einen Dichtrahmen 23
abgedichtet, der beispielsweise aus einem Festelektrolyten
besteht. Die erste und die zweite Elektrode 31, 32 bilden
zusammen die Pumpzelle. Die dritte Elektrode 33 wirkt mit
einer nicht dargestellten vierten Elektrode
(Referenzelektrode) zusammen, die in einem ebenfalls nicht
dargestellten Referenzgasraum angeordnet ist, der
beispielsweise mit der Luft als Referenzatmosphäre in
Verbindung steht.
In der Schichtebene zwischen der ersten und der zweiten
Festelektrolytschicht 21, 22 erstreckt sich ein
Diffusionskanal, in dem eine poröse Diffusionsbarriere 41
angeordnet ist. Die Diffusionsbarriere 41 ist ringförmig um
eine Gaszutrittsöffnung 36 gelegt, die in die erste
Festelektrolytschicht 21 eingebracht ist. Das außerhalb des
Sensorelements 10 befindliche Meßgas kann durch die
Gaszutrittsöffnung 36 und die Diffusionsbarriere 41 zu der
im Meßgasraum 35 angeordneten zweiten und dritten Elektrode
32, 33 gelangen.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sensorelements 10
werden keramische Folien aus einem sauerstoffionenleitenden
Festelektrolyten, beispielsweise aus mit Y2O3 stabilisiertem
Zirkoniumdioxid, verwendet. Die Festelektrolytfolien werden
mit den Elektroden und den zugehörigen Leiterbahnen sowie
mit weiteren Funktionsschichten beispielsweise in
Siebdrucktechnik bedruckt und bilden nach dem Sintern die
Festelektrolytschichten 21, 22. Die Elektroden und die
Leiterbahnen können aus einem Platin-Cermet bestehen.
Auf die erste Festelektrolytfolie 21 werden beispielsweise
die erste Elektrode 31 sowie die poröse Schutzschicht 42
bildende Pasten gedruckt. Auf die der ersten Elektrode 31
gegenüberliegende Seite der ersten Festelektrolytschicht 21
werden Pasten gedruckt, die die zweite Elektrode 32, die
Diffusionsbarriere 41, den Meßgasraum 35, die dritte
Elektrode 33 sowie den Dichtrahmen 23 bilden. Die Pasten für
den Meßgasraum 35 und gegebenenfalls die Gaszutrittsöffnung
36 sind Hohlraumpasten und bestehen beispielsweise aus
Glaskohle, die beim späteren Sinterprozeß ausbrennt bzw.
verdampft und dabei die Hohlräume 35, 36 zwischen der ersten
und der zweiten Festelektrolytfolie 21, 22 ausbildet. Die
fertig bedruckten Festelektrolytfolien werden
zusammenlaminiert und gesintert.
Zur Erzeugung der Poren in den porösen Schichten, also
insbesondere der Diffusionsbarriere 41 und der Schutzschicht
42, wird eine Paste verwendet, die ein keramisches Pulver
und ein Porenbildnerpulver enthält. Die fein verteilten
Partikel des Porenbildnerpulvers brennen beim Sintern aus
und erzeugen so eine offene Porosität. Die die poröse
Schicht 41, 42 bildende Paste enthält Porenbildner eines
ersten und eines zweiten Porentyps. Der Porenbildner des
ersten Porentyps ist so gewählt, daß der Durchmesser der
Partikel des Porenbildnerpulvers des ersten Porentyps
ungefähr der Schichtdicke der auf die Festelektrolytfolie
aufgebrachten, die porösen Schicht bildenden keramischen
Paste entspricht. Der Durchmesser der Partikel des
Porenbildnerpulvers des zweiten Porentyps liegt bei 20 bis
50 Prozent des Durchmessers der Partikel des
Porenbildnerpulvers des ersten Porentyps. In einer
alternativen Ausführungsform der Erfindung sind mindestens
90 Prozent der Poren des zweiten Porentyps kleiner als 80
Prozent des Durchmessers der Poren des ersten Porentyps, das
heißt, d90 der Poren des zweiten Porentyps ist kleiner als
80 Prozent des Durchmessers der Poren des ersten Porentyps.
Der Abstand der ersten von der zweiten Festelektrolytschicht
beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 20 µm.
Damit wird als Durchmesser der Partikel des Porenbildners
des ersten Porentyps 20 bis 22 µm und als Durchmesser der
Partikel des Porenbildners des zweiten Porentyps ca. 2 bis
10 µm gewählt. Nach dem Sinterprozeß liegt aufgrund der
Sinterschwindung der Durchmesser der Poren des ersten
Porentyps in der Diffusionsbarriere 41 im Bereich von 18 bis
20 µm und der Durchmesser der Poren des zweiten Porentyps
bei 2, 2 bis 9 µm. Damit liegt der d90 der Poren des zweiten
Porentyps bei ungefähr 8 µm, so daß 90 Prozent der Poren des
zweiten Porentyps einen Durchmesser kleiner oder gleich 8 µm
aufweisen. Unter dem Durchmesser einer Pore des ersten oder
des zweiten Porentyps wird dabei die Ausdehnung einer Pore
in der Richtung senkrecht zur Schichtebene der porösen
Schicht verstanden. Der Porenanteil der Poren des ersten
Porentyps in der Diffusionsbarriere 41 liegt bei 5
Volumenprozent, der Porenanteil der Poren des zweiten
Porentyps bei 20 Volumenprozent.
Claims (17)
1. Sensorelement (10) zum Nachweis einer physikalischen
Größe eines Meßgases, insbesondere zur Bestimmung der
Konzentration einer Gaskomponente eines Abgases eines
Verbrennungsmotors, mit einer porösen Schicht (41, 42),
dadurch gekennzeichnet, daß in der porösen Schicht (41,
42) Poren eines ersten Porentyps enthalten sind, deren
Durchmesser mindestens der Hälfte der Schichtdicke der
porösen Schicht entsprechen.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Durchmesser der Poren des ersten Porentyps
höchstens 20 Prozent, insbesondere höchstens 10 Prozent
kleiner sind als die Schichtdicke der porösen Schicht
(41, 42).
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die poröse Schicht (41, 42) Poren
eines zweiten Porentyps enthält, und daß die Durchmesser
von mindestens 90 Prozent der Poren des zweiten Porentyps
kleiner als 10 bis 80 Prozent, insbesondere 20 bis 50
Prozent des Durchmessers der Poren des ersten Porentyps
sind.
4. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die poröse Schicht (41, 42) Poren
eines zweiten Porentyps enthält, deren Durchmesser im
Bereich von 10 bis 80 Prozent, insbesondere von 20 bis 50
Prozent des Durchmessers der Poren des ersten Porentyps
liegen.
5. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die poröse Schicht (41, 42) Poren
eines zweiten Porentyps enthält, deren Durchmesser
kleiner als 70 Prozent der Schichtdicke der porösen
Schicht sind.
6. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser
der Poren des ersten Porentyps im Bereich von 5 bis 50
µm, insbesondere 20 µm, liegen.
7. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der
Poren des ersten Porentyps in der porösen Schicht (41,
42) 3 bis 10 Volumenprozent, insbesondere 5
Volumenprozent beträgt.
8. Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Poren des
zweiten Porentyps in der porösen Schicht (41, 42) 10 bis
50 Volumenprozent, insbesondere 20 Volumenprozent
beträgt.
9. Sensorelement nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht
eine Diffusionsbarriere (41) ist, die zwischen einer
ersten und einer zweiten Festelektrolytschicht (21, 22)
angeordnet ist, und daß die Durchmesser der Poren des
ersten Porentyps höchstens 20 Prozent, insbesondere
höchstens 10 Prozent kleiner sind als der Abstand
zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht
(21, 22) im Bereich der Diffusionsbarriere (41).
10. Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Diffusionsbarriere (41) zwischen einem in das
Sensorelement (10) eingebrachten Meßgasraum (35) und
einer Gaszutrittsöffnung (36) angeordnet ist, daß der
Meßgasraum (35) zwischen einer ersten und einer zweiten
Festelektrolytschicht (21, 22) vorgesehen ist, und daß
mindestens eine Elektrode (32, 33) im Meßgasraum (35) auf
der ersten und/oder zweiten Festelektrolytschicht (21,
22) aufgebracht ist.
11. Sensorelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht eine
Schutzschicht (42) ist, die auf einer
Festelektrolytschicht (21), insbesondere auf einer
Außenfläche des Sensorelements (10), aufgebracht ist.
12. Sensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Schutzschicht (42) und der
Festelektrolytschicht (21) mindestens eine Elektrode (31)
vorgesehen ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) nach
mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die poröse
Schicht (41, 42) durch Aufdrucken einer Paste auf einen
Träger und anschließendem Sintern hergestellt wird, wobei
die Paste ein Keramikpulver und ein Porenbildnerpulver
enthält, und wobei das Porenbildnerpulver sich während
des Sinterns nahezu rückstandslos verflüchtigen und Poren
zurückläßt, dadurch gekennzeichnet, daß das
Porenbildnerpulver Partikel eines ersten Porentyps
enthält, deren Durchmesser mindestens der Hälfte der
Schichtdicke der auf den Träger aufgedruckten Paste
entsprechen.
14. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) nach
Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser
der Partikel des ersten Porentyps höchstens 20 Prozent,
insbesondere höchstens 10 Prozent, kleiner sind als die
Schichtdicke der auf den Träger aufgedruckten Paste.
15. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) nach
Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das
Porenbildnerpulver Partikel eines zweiten Porentyps
enthält, deren Durchmesser 10 bis 80 Prozent,
insbesondere 20 bis 50 Prozent des Durchmessers der
Partikel des Porenbildnerpulvers des ersten Porentyps
betragen.
16. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) nach
Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anteil des Porenbildnerpulvers des ersten Porentyps
bezogen auf die die poröse Schicht (41, 42) bildenden
Paste 3 bis 10 Volumenprozent, insbesondere 5
Volumenprozent beträgt.
17. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) nach
Anspruch 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anteil des Porenbildnerpulvers des zweiten Porentyps
bezogen auf die die poröse Schicht (41, 42) bildende
Paste 10 bis 50 Volumenprozent, insbesondere 20
Volumenprozent beträgt.
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