DE102008054617A1 - Structured electrode for ceramic sensor elements - Google Patents

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Hans-Joerg Renz
Jens Schneider
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Robert Bosch GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement (110), insbesondere zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Das Sensorelement (110) umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht (116) mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial (118) und mindestens eine die Festelektrolytschicht (116) direkt oder indirekt kontaktierende Elektrode (112). Die Elektrode (112) umfasst mindestens ein keramisches Material (122) und mindestens ein metallisches Material (120). Die Elektrode (112) weist eine laterale Ausdehnung auf und weist innerhalb der lateralen Ausdehnung eine sich parallel und/oder senkrecht zu der lateralen Ausdehnung erstreckende Strukturierung (126, 140) auf. Die Strukturierung (126, 140) ist eingerichtet, um eine Elektrodenfläche der Elektrode (112) zu vergrößern.The invention relates to a sensor element (110), in particular for detecting a property of a gas in a measuring gas space. The sensor element (110) comprises at least one solid electrolyte layer (116) with at least one ceramic solid electrolyte material (118) and at least one electrode (112) which directly or indirectly contacts the solid electrolyte layer (116). The electrode (112) comprises at least one ceramic material (122) and at least one metallic material (120). The electrode (112) has a lateral extent and, within the lateral extent, has a structuring (126, 140) extending parallel and / or perpendicular to the lateral extent. The patterning (126, 140) is arranged to increase an electrode area of the electrode (112).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden in verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften und Technik eingesetzt, wobei die im Folgenden beschriebene Erfindung nicht auf ein bestimmtes Einsatzgebiet beschränkt ist. Insbesondere können derartige Sensorelemente jedoch im Bereich der Abgasanalytik eingesetzt werden, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, stationären Motoren oder Verbrennungsanlagen. Beispielsweise können derartige Sensorelemente in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen. Insbesondere werden Sensorelemente dieser Art in so genannten Lambdasonden eingesetzt und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Otto-Motoren als auch in der Dieseltechnologie. Als Beispiel für mögliche Aufbauten derartiger Sensorelemente kann auf Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”, Juni 2001, Seiten 112 bis 117 verwiesen werden. Auch auf andere Arten von Sensorelementen, welche Festelektrolyte der beschriebenen Art umfassen, ist die Erfindung jedoch grundsätzlich anwendbar, also beispielsweise neben Sprungsonden und/oder Breitbandsonden auf Partikelsensoren oder ähnliche Arten von Sensoren mit Festelektrolyten. Ohne Beschränkung des Schutzumfangs oder weiterer möglicher Arten erfindungsgemäßer Sensorelemente und Verwendungszwecke wird im Folgenden die Erfindung am Beispiel von Lambdasonden erläutert, wobei jedoch, im Licht der obigen Ausführungen, auch andere Arten von Sensorelementen hergestellt werden können.The invention is based on known sensor elements which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions. Such sensor elements are used in various fields of science and technology, the invention described below is not limited to a particular application. In particular, however, such sensor elements can be used in the field of exhaust gas analysis, for example in motor vehicles, stationary engines or incinerators. For example, such sensor elements can be used in automobiles to measure air-fuel gas mixture compositions. In particular, sensor elements of this type are used in so-called lambda sensors and play an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology. As an example of possible structures of such sensor elements can on Robert Bosch GmbH: "Sensors in the motor vehicle", June 2001, pages 112 to 117 to get expelled. However, the invention is also applicable in principle to other types of sensor elements which comprise solid electrolytes of the type described, for example, in addition to jump probes and / or broadband probes on particle sensors or similar types of sensors with solid electrolytes. Without limiting the scope of protection or other possible types of sensor elements and uses according to the invention, the invention will be explained below using the example of lambda probes, although, in the light of the above, other types of sensor elements can be manufactured.

Keramische Sensorelemente, die auf der Verwendung von Festelektrolytmaterialien basieren, weisen in der Regel mindestens eine Elektrode auf, mittels derer die mindestens eine Festelektrolytschicht direkt oder indirekt, d. h. durch unmittelbaren Kontakt oder durch Zwischenschaltung einer oder mehrerer Zwischenschichten, kontaktiert wird. So werden beispielsweise bei Lambdasonden, die als so genannte „Fingersonden” eingesetzt werden, in der Regel einschichtige, unstrukturierte Außenelektroden (OE) und Innenelektroden (IE) in Dünnschichttechnologie, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern, von Platin erzeugt. Auch gedruckte Elektroden, wie beispielsweise durch Tampondruck hergestellte Gitterelektroden in Dünnschichttechnologie, sind bekannt. Beispielsweise werden als Elektrodenmaterialien Metall-Keramik-Elektrodenmaterialien (Cermet) verwendet. Beispielsweise lassen sich Edelmetall-Cermets einsetzen, wie beispielsweise Platin-Cermets. Ein Beispiel für die keramische Komponente derartiger Cermets ist Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ).ceramic Sensor elements based on the use of solid electrolyte materials are based, usually have at least one electrode, by means of derer the at least one solid electrolyte layer directly or indirectly, d. H. by direct contact or by interposition of a or more intermediate layers, is contacted. For example in lambda sensors, which are used as so-called "finger probes" usually single-layer, unstructured outer electrodes (OE) and internal electrodes (IE) in thin-film technology, for example, by vapor deposition or sputtering, produced by platinum. Also printed electrodes, such as produced by pad printing Grid electrodes in thin-film technology are known. For example, as electrode materials, metal-ceramic electrode materials (Cermet) used. For example, noble metal cermets can be used such as platinum cermets. An example for the ceramic component of such cermets is yttria-stabilized zirconia (YSZ).

Neben Lambdasonden vom Typ der Fingersonden sind auch andere Arten von Lambdasonden bekannt, beispielsweise Planarsonden, welche in Keramikfolientechnologie aufgebaut sind. Hierbei werden in der Regel unstrukturiert flächig siebgedruckte innere Elektroden und äußere Elektroden mit Platin-YSZ-Cermet in Dickschichttechnik aufgebracht.Next Lambda probes of the type of finger probes are also other types of Lambda probes known, for example planar probes, which in ceramic film technology are constructed. This usually flat unstructured Screen printed inner electrodes and outer electrodes applied with platinum YSZ cermet in thick film technology.

Weiterhin können die oben beschriebenen Sensorelektroden durch eine Auswahl der Sinterparameter, Schutzschichteigenschaften oder durch zusätzliche Prozesse wie eine Imprägnierung oder eine elektrische Aktivierung in ihren Eigenschaften beeinflusst beziehungsweise eingestellt werden.Farther For example, the sensor electrodes described above may be replaced by a Selection of sintering parameters, protective layer properties or by additional processes such as impregnation or affects an electrical activation in their properties or be adjusted.

Die Elektrodenstrukturen in bekannten Sensorelementen, wie beispielsweise Sensorelementen der oben beschriebenen Art, stellen jedoch in Ihrer Herstellung technisch eine Herausforderung dar. So ist es, insbesondere vor dem Hintergrund von stark angestiegenen Edelmetallpreisen, insbesondere für Edelmetalle wie Platin erforderlich, leistungsfähige Elektroden mit möglichst geringen eingesetzten Mengen an Edelmetall zu erzeugen. Dabei definiert sich die Leistungsfähigkeit in der Regel durch die Elektrodenaktivität, d. h. die katalytische Aktivität, und den maximal möglichen Stoffumsatz pro Flächeneinheit einer Elektrode, beispielsweise einer Außenelektrode.The Electrode structures in known sensor elements, such as Sensor elements of the type described above, however, make in their manufacture technically a challenge. That's the way it is, especially in front of you the background of sharply increased precious metal prices, in particular required for precious metals like platinum, powerful electrodes with the lowest possible amounts of precious metal used to create. This defines the performance usually by the electrode activity, d. H. the catalytic Activity, and the maximum possible metabolic rate per unit area of an electrode, for example one Outer electrode.

Voraussetzung für einen großen Stoffumsatz an den Elektroden ist jedoch eine möglichst große Anzahl von katalytisch aktiven Zentren innerhalb einer Flächen-Volumeneinheit der Elektrode sowie eine gute Elektronen- und/oder Ionenleitfähigkeit des gesamten Elektrodensystems, beispielsweise in einer Nernst-Zelle.requirement for a large substance turnover at the electrodes However, the largest possible number of catalytic active centers within a unit volume unit the electrode and a good electron and / or ion conductivity of the entire electrode system, for example in a Nernst cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es werden daher, ausgehend von der oben beschriebenen Problematik, ein Sensorelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements vorgeschlagen, welche leistungsfähige Elektroden bei dennoch geringem Bedarf an Edelmetallen bereitstellen.It Therefore, starting from the problem described above, a sensor element and a method for producing a sensor element proposed which powerful electrodes at yet provide low demand for precious metals.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass eine direkte Korrelation der Leistungsfähigkeit bzw. Effizienz der Elektroden mit der zur Verfügung stehenden Dreiphasengrenze zwischen Eletronen-leitfähigem Elektrodenmaterial, Ionen-leitfähigem Festelektrolytmaterial und dem umgebenden Gasmedium besteht. Weiterhin besteht ein Zusammenhang zwischen der Effizienz der Elektrode und der Anzahl der für den Gaszutritt überwiegend verantwortlichen Poren, dem für die Ionenleitung verantwortlichen Festelektrolytmaterial (beispielsweise YSZ) und dem Edelmetall der Elektrode, insbesondere Platin, welches für die Zersetzungs- und Oxidationskatalyse verantwortlich ist. Poren, Festelektrolytmaterial und Elektrodenmetall bilden Tripelpunkte als aktive Zentren der Elektrode bzw. eines Katalysators. Die Maximierung einer Elektrodeneffizienz und Elektrodenaktivität bei Sensorelementen, bei gleichzeitig reduzierten Edelmetallmengen, wird durch die Vergrößerung dieser Dreiphasengrenzen und durch eine Vermehrung der aktiven Zentren durch große Oberflächen mit fein verteilter Porosität, fein verteiltem Edelmetall und Festelektrolytmaterial bei gutem Gaszutritt erreicht.A basic idea of the present invention is the recognition that there is a direct correlation of the efficiency of the electrodes with the available three-phase boundary between electron-conductive electrode material, ion-conductive solid electrolyte material and the surrounding gas medium. Furthermore, there is a correlation between the efficiency of the electrode and the number of times for the Gas inlet mainly responsible pores, responsible for ionic conduction solid electrolyte material (for example, YSZ) and the precious metal of the electrode, in particular platinum, which is responsible for the decomposition and oxidation catalysis. Pores, solid electrolyte material and electrode metal form triple points as active centers of the electrode or of a catalyst. The maximization of electrode efficiency and electrode activity in sensor elements, with simultaneously reduced amounts of noble metals, is achieved by enlarging these three-phase boundaries and by increasing the active centers through large surfaces with finely divided porosity, finely divided precious metal and solid electrolyte material with good gas access.

Weiterhin sollte das Elektrodensystem durch die Zelle bzw. Zellen des Sensorelements hindurch, beispielsweise einer Nernst-Zelle des Sensorelements, gut leitend sein und daher einen niedrigen Innenwiderstand aufweisen. Wenn ein niedriger Innenwiderstand beispielsweise schon bei niedrigen Temperaturen, insbesondere Temperaturen von weniger als 350°C, erreicht wird, kann der Einsatz des Elektrodensystems auch in einer nicht aktiv beheizten Sensorkeramik in Betracht gezogen werden, beispielsweise bei kostengünstigen Zweirad-Sensorapplikationen.Farther should the electrode system through the cell or cells of the sensor element through, for example, a Nernst cell of the sensor element, be well conductive and therefore have a low internal resistance. If a low internal resistance, for example, even at low Temperatures, in particular temperatures of less than 350 ° C, can be achieved, the use of the electrode system in one not actively heated sensor ceramics are considered, for example, in cost-effective two-wheel sensor applications.

Dementsprechend wird ein Konzept zur Herstellung eines Sensorelements vorgeschlagen, bei welchem, beispielsweise durch Verwendung von Druckverfahren, mittels einer minimierten Menge an Elektrodenmaterial mittels einer horizontalen und/oder vertikalen Strukturierung, eine erhöhte Leistungsfähigkeit erzielt wird. Die Erfindung wird dabei im Folgenden im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Platin-YSZ-Cermet- Elektroden beschrieben. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausgestaltungen mit anderen Edelmetallen als metallischer Komponente und/oder anderen Arten von Keramiken als keramischer Komponente. Beispielsweise lassen sich Elektrodensysteme aus Edelmetallen wie Palladium (Pd) und/oder Ruthenium (Ru) und/oder Iridium (Ir) und/oder Rhodium (Rh) herstellen sowie aus Metallmischungen oder Metalllegierungen, z. B. Pt/Pd-Legierungen und/oder Pt/Au-Legierungen. Die Übertragung der Ausgestaltungen auf derartige Elektrodensysteme ist problemlos umsetzbar.Accordingly a concept for the production of a sensor element is proposed, in which, for example by using printing methods, by means of a minimized amount of electrode material by means of a horizontal and / or vertical structuring, increased efficiency is achieved. The invention is in the following essentially with reference to platinum YSZ cermet electrodes. Also However, other embodiments are possible in principle For example, embodiments with precious metals other than metallic Component and / or other types of ceramics than ceramic Component. For example, electrode systems can be made of precious metals such as palladium (Pd) and / or ruthenium (Ru) and / or iridium (Ir) and / or Rhodium (Rh) and from metal mixtures or metal alloys, z. As Pt / Pd alloys and / or Pt / Au alloys. The transfer The embodiments of such electrode systems is easy implemented.

Es wird dementsprechend erfindungsgemäß ein Sensorelement vorgeschlagen, welches insbesondere zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum einsetzbar ist. Für die möglichen Ausgestaltungen und Verwendungszwecke des Sensorelements kann insbesondere auf die obige Beschreibung verwiesen werden. So kann das Sensorelement beispielsweise als Lambdasonde, beispielsweise als einzellige und/oder mehrzellige Lambdasonde, ausgestaltet sein, um eine Konzentration und/oder einen Partialdruck an Sauerstoff in einem Messgasraum zu bestimmen, beispielsweise in einem Abgas einer Brennkraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausgestaltungen zur Messung einer Konzentration und/oder eines Partialdrucks einer oder mehrerer anderer Arten von Gaskomponente in dem Gas und/oder zur Erfassung anderer Parameter des Gases, beispielsweise zur Erfassung von Partikelkontaminationen oder ähnlichem.It Accordingly, according to the invention is a sensor element proposed, which in particular for detecting a property a gas can be used in a measuring gas space. For the possible Embodiments and uses of the sensor element may in particular to the above description. So can the sensor element For example, as a lambda probe, for example as unicellular and / or multicellular lambda probe, designed to be a concentration and / or a partial pressure of oxygen in a sample gas space determine, for example, in an exhaust gas of an internal combustion engine. However, other embodiments are also possible in principle For example, embodiments for measuring a concentration and / or a partial pressure of one or more other types of gas component in the gas and / or for detecting other parameters of the gas, for example for detecting particle contamination or the like.

Das Sensorelement umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial. Dabei lassen sich grundsätzlich beliebige Festelektrolytmaterialien und/oder beliebige Geometrien der Festelektrolytschicht einsetzen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolytmaterialien, insbesondere von Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ). Grundsätzlich sind jedoch auch andere keramische Festelektrolytmaterialien einsetzbar.The Sensor element comprises at least one solid electrolyte layer at least one ceramic solid electrolyte material. Let it go basically any solid electrolyte materials and / or use any geometry of the solid electrolyte layer. Especially preferred is the use of oxygen ion-conductive Solid electrolyte materials, in particular of yttrium-stabilized Zirconium dioxide (YSZ). Basically, however, are others ceramic solid electrolyte materials used.

Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine die Festelektrolytschicht direkt oder indirekt kontaktierende Elektrode. Unter einer Elektrode ist dabei grundsätzlich ein Element zu verstehen, an welchem ein Einbau bzw. ein Ausbau von Ionen in die bzw. aus der Festelektrolytschicht erfolgen kann und welches eine entsprechende elektrisch leitfähige Kontaktierung bereitstellt. Unter einer direkten bzw. indirekten Kontaktierung ist dabei eine Ausgestaltung zu verstehen, bei welcher die Elektrode direkt bzw. unter Zwischenschaltung mindestens einer Zwischenschicht mit der Festelektrolytschicht in Kontakt ist.The Sensor element further comprises at least one of the solid electrolyte layer directly or indirectly contacting electrode. Under an electrode is basically an element to understand on which an installation or an expansion of ions into or out of the solid electrolyte layer can be done and which a corresponding electrically conductive contact provides. Under a direct or indirect contact is an embodiment to understand in which the electrode directly or with the interposition of at least one intermediate layer is in contact with the solid electrolyte layer.

Die Elektrode umfasst mindestens ein keramisches Material und mindestens ein metallisches Material. Insofern kann die Elektrode insbesondere als Cermet-Elektrode ausgestaltet sein. Auch hierbei kann für das keramische Material grundsätzlich ein Festelektrolytmaterial eingesetzt werden, vorzugsweise ein Festelektrolytmaterial mit einer Leitfähigkeit für dieselbe Ionensorte, wie das Festelektrolytmaterial der Festelektrolytschicht. Beispielsweise kann für das keramische Material der Elektrode wiederum Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid eingesetzt werden. Als phasenstabilisierende Zusätze zum Zirkondioxid können jedoch, alternativ oder zusätzlich, auch andere Materialien eingesetzt werden, beispielsweise andere Oxide, insbesondere Metalloxide, beispielsweise Ce2O3, MgO, Sc2O3, CaO oder Mischungen der genannten und/oder anderer Oxide.The electrode comprises at least one ceramic material and at least one metallic material. In this respect, the electrode can be designed in particular as a cermet electrode. In this case as well, a solid electrolyte material can basically be used for the ceramic material, preferably a solid electrolyte material with a conductivity for the same type of ion as the solid electrolyte material of the solid electrolyte layer. For example, again yttrium-stabilized zirconia can be used for the ceramic material of the electrode. However, other materials can be used as phase-stabilizing additives to zirconia, alternatively or additionally, be used, such as other oxides, in particular metal oxides, for example, Ce 2 O 3, MgO, Sc 2 O 3, CaO or mixtures of the above and / or other oxides.

Für das metallische Material lassen sich grundsätzlich beliebige Arten von Metallen, Metallmischungen oder Metalllegierungen einsetzen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines oder mehrerer der folgenden Materialien: Platin, Palladium, Rhodium, Gold. Auch Mischungen der genannten und/oder anderer Metalle sind denkbar sowie Legierungen der genannten und/oder anderer Metalle beispielsweise Platin-Palladium-Legierungen und/oder Platin-Gold-Legierungen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.In principle, any types of metals, metal mixtures or metal alloys can be used for the metallic material. Particularly preferred is the use of one or more of the following materials: platinum, palladium, rhodium, gold. Also, mixtures of said and / or other metals are conceivable and alloys of said and / or other metals such as platinum-palladium alloys and / or platinum-gold alloys. However, other embodiments are possible in principle.

Das Sensorelement kann dabei eine oder mehrere der genannten Festelektrolytschichten umfassen sowie eine oder mehrere der genannten Elektroden. Auch unterschiedliche Ausgestaltungen von Elektroden innerhalb eines Sensorelements sind denkbar, beispielsweise mindestens eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrode, kombiniert mit mindestens einer dem Stand der Technik entsprechenden Ausgestaltung einer anderen Elektrode. Grundsätzlich sind beispielsweise Sensorelemente vom Typ der Planarsonden herstellbar, beispielsweise einfache Sprungsonden, Breitbandsonden oder ähnlich Arten von Planarsonden. Auch aus dem Stand der Technik bekannte Aufbauten für Fingersonden sind grundsätzlich erfindungsgemäß herstellbar und einsetzbar.The Sensor element can one or more of said solid electrolyte layers and one or more of said electrodes. Also different embodiments of electrodes within a Sensor element are conceivable, for example, at least one inventive Configuration of the electrode, combined with at least one State of the art corresponding embodiment of another electrode. in principle For example, sensor elements of the planar probe type can be produced, For example, simple jump probes, broadband probes or the like Types of Planar Probes. Also known from the prior art Abutments for finger probes are basically can be produced and used according to the invention.

Die mindestens eine Elektrode weist eine laterale Ausdehnung auf. Unter einer lateralen Ausdehnung ist dabei eine Ausdehnung zu verstehen, welche sich im Wesentlichen parallel zur Ausdehnung der Festelektrolytschicht erstreckt. Beispielsweise kann diese laterale Ausdehnung begrenzt sein, beispielsweise in Form von getrennten Elektroden-Geometrien, beispielsweise rechteckigen, runden, ovalen oder polygonalen Elektroden-Geometrien. Derartige Elektroden-Geometrien können beispielsweise durch strukturierte Auftragsverfahren, beispielsweise Druckverfahren, erzeugt werden.The at least one electrode has a lateral extent. Under a lateral extension is to be understood as an extension which essentially parallel to the expansion of the solid electrolyte layer extends. For example, this lateral extent may be limited for example in the form of separate electrode geometries, for example rectangular, round, oval or polygonal electrode geometries. Such electrode geometries can, for example, by structured order processes, for example printing processes, be generated.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Elektrode innerhalb der lateralen Ausdehnung mit einer sich parallel und/oder senkrecht zu der lateralen Ausdehnung erstreckenden Strukturierung zu versehen. Unter einer Strukturierung ist dabei allgemein eine Ausgestaltung der Elektrode zu verstehen, bei welcher sich mindestens eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft der Elektrode in der genannten Richtung, also parallel und/oder senkrecht zu der lateralen Ausdehnung, ändert. Insbesondere kann es sich bei dieser physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft um eine Dickenvariation, eine Leitfähigkeitsvariation, eine Dichtevariation, eine Variation der Porosität, um eine geometrische Variation oder um andere Arten von Variationen der mindestens einen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft handeln.According to the invention proposed the electrode within the lateral extent with a parallel and / or perpendicular to the lateral extent to provide extending structuring. Under a structuring is to understand a configuration of the electrode in general in which at least one physical and / or chemical Property of the electrode in the mentioned direction, ie parallel and / or perpendicular to the lateral extent. In particular, this physical and / or chemical property may be to a thickness variation, a conductivity variation, a density variation, a variation of porosity a geometric variation or other types of variations which act at least one physical and / or chemical property.

Diese Strukturierung soll dabei eingerichtet sein, um eine Elektrodenfläche der Elektrode zu vergrößern. Unter einer Elektrodenfläche ist dabei allgemein eine Fläche zu verstehen, welche die genannte Dreiphasengrenze bereitstellt, also einen Übergang zwischen dem metallischen Material für die Bereitstellung einer elektrischen Leitfähigkeit, einem keramischen Material für die Bereitstellung einer Ionenleitfähigkeit und einer Oberfläche für den Gaszutritt. In anderen Worten soll durch die vorgeschlagene Strukturierung im Vergleich zu nicht-strukturierten, herkömmlichen Elektroden die Anzahl der Tripelpunkte erhöht werden.These Structuring should be arranged to an electrode surface to increase the size of the electrode. Under an electrode surface is generally an area to understand, which the provides three-phase boundary, ie a transition between the metallic material for providing a electrical conductivity, a ceramic material for providing ionic conductivity and a surface for gas access. In other Words should be compared by the proposed structuring to non-structured, conventional electrodes the number the triple points are increased.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Strukturierung eine laterale Strukturierung aufweist, also eine Strukturierung parallel zu der lateralen Ausdehnung der Elektrode. Die laterale Strukturierung kann insbesondere eine Dickenvariation einer Schichtdicke der Elektrode umfassen, wobei die Dickenvariation mindestens zwei lokale Maxima der Schichtdicke umfasst. Beispielsweise kann es sich um eine Abfolge mehrerer Berge und Täler in der Schichtdicke der Elektrode handeln. Weiterhin kann beispielsweise eine Pyramidenstruktur mit einer Mehrzahl von Pyramiden, eine Wellenstruktur mit einer Mehrzahl von Wellentälern und Wellenbergen, eine Spitzenstruktur mit einer Mehrzahl von Spitzen, d. h. Erhebungen mit spitzem Ende, oder eine Kombination der genannten Strukturen oder anderer Strukturen verwendet werden. Die Mehrzahl der lokalen Erhe bungen kann dabei regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sein. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, die Strukturierung auch eine oder mehrere der folgenden Strukturierungen umfassen: eine Aufrauung in der Elektrodenfläche; ein Linienmuster in der Elektrodenfläche, insbesondere ein unregelmäßiges Linienmuster, wobei jedoch auch regelmäßige Linienmuster denkbar sind; ein Raster in der Elektrodenfläche, insbesondere ein Punktmuster, insbesondere ein unregelmäßiges Punktmuster; ein Lochmuster, insbesondere ein unregelmäßiges Lochmuster, wobei jedoch auch regelmäßige Lochmuster möglich sind.Especially it is preferred if the structuring is a lateral structuring So, a structuring parallel to the lateral extent the electrode. The lateral structuring can in particular a Thickness variation of a layer thickness of the electrode include, wherein the thickness variation comprises at least two local maxima of the layer thickness. For example, it may be a succession of mountains and valleys act in the layer thickness of the electrode. Furthermore, for example, a Pyramidal structure with a plurality of pyramids, a wave structure with a plurality of troughs and wave crests, one Tip structure with a plurality of peaks, d. H. surveys with a pointed end, or a combination of said structures or other structures. The majority of local Surveys can be regular or irregular be arranged. Furthermore, alternatively or additionally, structuring also includes one or more of the following structuring comprising: a roughening in the electrode surface; a line pattern in the electrode surface, in particular an irregular one Line pattern, but also regular line pattern conceivable are; a grid in the electrode surface, in particular a dot pattern, especially an irregular one Dot pattern; a hole pattern, in particular an irregular one Lace pattern, but also regular hole pattern possible are.

Die genannten Strukturierungen lassen sich auf verschiedene Weisen erzeugen. So wird beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, insbesondere eines Sensorelements gemäß einer oder mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen, vorgeschlagen, bei welcher die Strukturierung bereits beim Aufbringen der Elektrode erzeugt wird. So kann beispielsweise eine strukturierte Auftragstechnik einer Elektrodenpaste verwendet werden, mittels derer die Elektrodenpaste strukturiert aufgebracht wird, beispielsweise direkt oder indirekt auf die Festelektrolytschicht. Insbesondere kann es sich dabei um strukturierte Drucktechniken handeln, beispielsweise Drucktechniken, mit welchen eine oder mehrere der oben beschriebenen lateralen Strukturierungen verwirklicht werden. So lassen sich beispielsweise Tampon-Drucktechniken, Sieb-Drucktechniken oder ähnliche Drucktechniken einsetzen. Besonders bevorzugt sind Maskentechniken, bei welcher eine Elektrodenpaste mit einem Muster und/oder Raster strukturiert aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die laterale Strukturierung jedoch auch in einer nachträglichen Strukturierungstechnik erzeugt werden, bei welcher die Strukturierung nach dem Aufbringen der Elektrodenpaste erzeugt wird. Insbesondere kann diese Strukturierung beispielsweise mittels einer Bürstentechnik und/oder einer Zupftechnik erzeugt werden, mittels derer beispielsweise eine oder mehrere der genannten Strukturierungen erzeugbar sind. Auch andere Arten der Herstellung der genannten Strukturierungen oder Kombinationen von Herstellungsverfahren sind jedoch grundsätzlich denkbar.The structures mentioned can be produced in various ways. Thus, for example, a method for producing a sensor element, in particular a sensor element according to one or more of the described embodiments, is proposed, in which the structuring is already generated during the application of the electrode. Thus, for example, a structured application technique of an electrode paste can be used by means of which the electrode paste is applied in a structured manner, for example directly or indirectly to the solid electrolyte layer. In particular, these can be structured printing techniques, for example printing techniques, with which one or more of the above-described lateral structuring is realized. Thus, for example, tampon printing techniques, screen printing techniques or similar printing techniques can be used. Particularly preferred are mask techniques in which an electrode paste with a pattern and / or grid is applied structured. Alternatively or additionally, however, the lateral structuring can also be produced in a subsequent structuring technique, in which the structuring is produced after application of the electrode paste. In particular, this structuring can be produced, for example, by means of a brush technique and / or a plucking technique, by means of which, for example, one or more of the mentioned structurings can be produced. However, other types of production of the mentioned structures or combinations of production methods are conceivable in principle.

Alternativ oder zusätzlich zu der lateralen Strukturierung, welche sich parallel zu der lateralen Ausdehnung der Elektrode erstreckt, sind auch senkrechte Strukturierungen möglich, also Strukturierungen senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Elektrode. So kann die Strukturierung beispielsweise einen Gradienten in mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft der Elektrode senkrecht zu der lateralen Ausdehnung umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um einen Porositätsgradienten und/oder einen Materialgradienten und/oder einen Dichtegradienten handeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Strukturierung auch einen Gradienten in einer Konzentration des metallischen Materials umfassen, insbesondere eines oder mehrerer der oben genannten metallischen Materialien.alternative or in addition to the lateral structuring, which extending parallel to the lateral extent of the electrode, Vertical structuring is also possible, ie structuring perpendicular to the lateral extent of the electrode. This is how structuring can be done For example, a gradient in at least one physical and / or chemical property of the electrode perpendicular to the lateral Extension include. In particular, it may be a porosity gradient and / or a material gradient and / or a density gradient act. Alternatively or additionally, the structuring can also a gradient in a concentration of the metallic material comprise, in particular one or more of the above-mentioned metallic Materials.

Zur Erzeugung des Gradienten in der Richtung senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Elektrode lassen sich grundsätzlich verschiedene Verfahren einsetzen, welche zur Erzeugung eines derartigen Gradienten bzw. Veränderungen geeignet sind. Insbesondere kann als Beispiel eine Elektrodenpaste mit einem Porenbildner verwendet werden. Derartige Porenbildner sind aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen beispielsweise Materialien, welche beim Sintern in die Gasphase übergehen und einen Hohlraum zurücklassen. Typische Beispiele für Porenbildner sind: Glaskohle, Flammruß, wachsartige Kohlenwasserstoffverbindungen, Polymerkügelchen oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Arten von Porenbildnern.to Generation of the gradient in the direction perpendicular to the lateral Expansion of the electrode can be fundamentally different Use methods which generate such a gradient or changes are suitable. In particular, as For example, an electrode paste with a pore former can be used. Such pore-forming agents are known from the prior art and For example, materials included in sintering in the Go over the gas phase and leave a cavity. Typical examples of pore formers are: glassy carbon, flame black, waxy hydrocarbon compounds, polymer beads or combinations of said and / or other types of pore-forming agents.

So kann die Elektrodenpaste beispielsweise mit einem Porenbildner ausgestattet werden, der eine im Vergleich zu einem umgebenden Material der Elektrodenpaste, beispielsweise einer organischen Komponente der Elektrodenpaste, unterschiedliche Dichte aufweist. Aufgrund der Dichteunterschiede zwischen dem Porenbildner und den übrigen Elementen der Paste wandert der Porenbildner in der aufgetragenen Elektrodenpaste, so dass ein Konzentrationsgradient des Porenbildners innerhalb der noch nicht getrockneten Schicht der Elektrodenpaste entsteht. Beispielsweise kann der Porenbildner mit einer geringeren Dichte als die übrigen Materialien bzw. mindestens einer Materialkomponente der Elektrodenpaste ausgestattet sein, beispielsweise einer Binderkomponente der Elektrodenpaste. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Porenbildner derart ausgestaltet ist, dass dieser von der Festelektrolytschicht wegwandert, so dass die Konzentration des Porenbildners in Richtung weg von der Festelektrolytschicht zunimmt. Nach dem Sintern bildet sich dann aufgrund des Konzentrationsgradienten des Porenbildners ein Gradient in einer Porendichte bzw. Porosität in der Elektrode. Auf diese Weise kann beispielsweise an einer von der Festelektrolytschicht wegweisenden Seite der Elektrode eine erhöhte Oberfläche geschaffen werden.So For example, the electrode paste can be equipped with a pore former be compared to a surrounding material of the electrode paste, for example, an organic component of the electrode paste, has different density. Due to the density differences between the pore former and the other elements of the paste migrates the pore builder in the applied electrode paste, leaving a Concentration gradient of the pore-forming agent within the not yet dried layer of the electrode paste is formed. For example may be the pore former with a lower density than the rest Materials or at least one material component of the electrode paste be equipped, for example, a binder component of the electrode paste. It is particularly preferred if the pore-forming agent is designed in this way is that it migrates away from the solid electrolyte layer, so that the concentration of the pore-forming agent in the direction away from the solid electrolyte layer increases. After sintering then forms due to the concentration gradient of the pore-forming agent a gradient in a pore density or porosity in the electrode. In this way, for example, at one of the solid electrolyte layer pioneering side of the electrode a increased surface to be created.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden kann, ist ein Aspekt einer indirekten Kontaktierung der Festelektrolytschicht durch die Elektrode mittels einer oder mehrerer Zwischenschichten. Der Gedanke dieser Zwischenschichten kann grundsätzlich in Kombination mit der oben beschriebenen Strukturierung der Elektrode in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsvarianten eingesetzt werden. Alternativ ist jedoch ein Einsatz in vollständig unstrukturierten Elektroden denkbar. Grundsätzlich kann für die möglichen Ausgestaltungen derartiger Sensorelemente beispielsweise auf die obige Beschreibung möglicher Ausgestaltungen der Sensorelemente mit strukturierten Elektroden verwiesen werden, wobei derartige Sensorelemente dann um den Aspekt der mindestens einen Zwischenschicht ergänzt werden müssen.One Another aspect of the present invention, which alternatively or in addition to the embodiments described above can be used, is an aspect of an indirect contact the solid electrolyte layer through the electrode by means of one or several intermediate layers. The idea of these intermediate layers can basically be combined with the structuring described above the electrode in one or more of the embodiments described above be used. Alternatively, however, use is complete Unstructured electrodes conceivable. Basically for the possible embodiments of such sensor elements For example, to the above description of possible embodiments of Sensor elements are referenced with structured electrodes, wherein Such sensor elements then the aspect of at least one Intermediate layer must be supplemented.

Das vorgeschlagene Sensorelement gemäß diesem Aspekt der Erfindung umfasst wiederum mindestens eine Festelektrolytschicht mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial und mindestens eine die Festelektrolytschicht indirekt kontaktierende Elektrode mit mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material. Dabei ist die Kontaktierung indirekt in dem Sinne, dass zwischen der Elektrode und der Festelektrolytschicht mindestens eine Zwischenschicht eingebracht ist. Diese Zwischenschicht weist erfindungsgemäß eine höhere Ionenleitfähigkeit und/oder eine höhere Elektronenleitfähigkeit auf als die Festelektrolytschicht.The proposed sensor element according to this aspect The invention again comprises at least one solid electrolyte layer with at least one ceramic solid electrolyte material and at least an electrode contacting the solid electrolyte layer indirectly with at least one ceramic material and at least one metallic one Material. The contacting is indirect in the sense that between the electrode and the solid electrolyte layer at least an intermediate layer is introduced. This intermediate layer has According to the invention, a higher ionic conductivity and / or higher electron conductivity as the solid electrolyte layer.

Dieser Aspekt der Erfindung zielt darauf ab, den Gesamtwiderstand des Elektrodensystems möglichst klein zu halten, wie es beispielsweise für das Niedertemperaturverhalten von Abgassonden vorteilhaft ist. Zu diesem Zweck wird der mindestens eine Übergangswiderstand der Elektrode und der Festelektrolytschicht verringert. Dabei lassen sich beispielsweise Dichte und gut ionenleitende Festelektrolytmaterialien auch für die Zwischenschicht einsetzen. Beispielsweise lassen sich dieselben Festelektrolytmaterialien, welche auch für die Festelektrolytschicht verwendet werden, auch allein oder in Kombination mit anderen Materialien in der mindestens einen Zwischenschicht einsetzen. Auch andere Materialien, beispielsweise keramische Materialien, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Besonders bevorzugt ist es, wenn sowohl das Festelektrolytmaterial als auch die Zwischenschicht jeweils Zirkondioxid, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid, umfassen, wobei die Zwischenschicht eine höhere Dotierung, insbesondere eine höhere Yttrium-Dotierung und/oder eine höhere Dotierung mit Yttriumoxid, aufweist, als das Festelektrolytmaterial der Festelektrolytschicht.This aspect of the invention aims to keep the total resistance of the electrode system as small as possible, as is advantageous, for example, for the low-temperature behavior of exhaust gas probes. For this purpose, the at least one contact resistance of the electrode and the solid electrolyte layer is reduced. For example, density and good ion-conducting solid electrolyte materials can also be used for the intermediate layer. For example, the same Festelekt rolytmaterialien, which are also used for the solid electrolyte layer, use alone or in combination with other materials in the at least one intermediate layer. However, other materials, such as ceramic materials, are in principle applicable. It is particularly preferred if both the solid electrolyte material and the intermediate layer each comprise zirconium dioxide, for example yttrium-stabilized zirconium oxide, wherein the intermediate layer has a higher doping, in particular a higher yttrium doping and / or a higher doping with yttrium oxide, than that Solid electrolyte material of the solid electrolyte layer.

Das vorgeschlagene Sensorelement in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen sowie die vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen weisen gegenüber bekannten Sensorelementen und bekannten Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen auf. So ist beispielsweise bei vielen Sensorelementen die verfügbare Elektrodenfläche, beispielsweise die Elektrodenfläche für die Außenelektroden (OE) und die Innenelektroden (IE), durch die Dimensionierung und den Aufbau der Sensorelemente beschränkt. Typische zur Verfügung stehende OE-Flächen bewegen sich bei planaren Sprungsonden beispielsweise zwischen 0,04 und 0,1 cm2. Dabei können beispielsweise rechteckige oder ovale Flächen eingesetzt werden, welche mittels einer Pt-YSZ-Cermet-Elektrodenpaste direkt auf eine Festelektrolytschicht, beispielsweise in Form einer keramischen Trägerfolie, aufgedruckt werden können. Die Zusammensetzung der Elektrodenpasten, beispielsweise der Anteil an Platin, YSZ sowie ggf. weiteren Komponenten, insbesondere organischen Komponenten wie Bindern, Lösungsmitteln, oder ähnlichem, kann zum Aufbringen der Elektroden durch drucktechnische Anforderungen zumindest mitbestimmt sein. Die minimal verwendbare Partikelgröße möglicher Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise Rohstoffpulvern, und somit die Feinteiligkeit des resultierenden Cermets kann durch Kosten- und Arbeitssicherheitsaspekte limitiert sein. So kann die Korngröße der eingesetzten Feststoffe beispielsweise derart vorgegeben sein, dass diese eine bestimmte Grenze nicht unterschreiten, obwohl dies für die Maximierung der Anzahl von aktiven Zentren hilfreich wäre. So hat beispielsweise eine typische Pt-YSZ-Cermet-Elektrodenpaste beispielsweise eine Zusammensetzung von 60 bis 70 Gew.-% Platin, 10 bis 25 Gew.-% YSZ und 10 bis 20 Gew.-% organischen Anteilen mit einer Korngröße d90 > 15 μm für die eingearbeiteten Metall- und Keramikpulver.The proposed sensor element in one or more of the embodiments described above, as well as the proposed method for the production of sensor elements have a multiplicity of advantages over known sensor elements and known methods. For example, in many sensor elements, the available electrode area, for example, the electrode area for the outer electrodes (OE) and the inner electrodes (IE), is limited by the dimensioning and the structure of the sensor elements. Typical available OE areas move in planar jump probes, for example, between 0.04 and 0.1 cm 2 . In this case, for example, rectangular or oval surfaces can be used, which can be printed by means of a Pt-YSZ cermet electrode paste directly onto a solid electrolyte layer, for example in the form of a ceramic carrier film. The composition of the electrode pastes, for example the proportion of platinum, YSZ and optionally further components, in particular organic components such as binders, solvents or the like, can be at least co-determined for application of the electrodes by printing technology requirements. The minimum usable particle size of possible starting materials, such as raw material powders, and thus the fineness of the resulting cermet can be limited by cost and safety aspects. For example, the grain size of the solids used may be predetermined not to fall below a certain limit, although this would be helpful in maximizing the number of active sites. For example, a typical Pt-YSZ cermet electrode paste has, for example, a composition of 60 to 70% by weight of platinum, 10 to 25% by weight of YSZ and 10 to 20% by weight of organic fractions having a grain size d90> 15 μm for the incorporated metal and ceramic powder.

Um die Anzahl der aktiven Zentren bei geringerem Platin-Einsatz zu maximieren, kann gemäß dem ersten oben beschriebenen Aspekt der Strukturierung der Elektrode die Elektrodenfläche erfindungsgemäß durch eine horizontale (d. h. parallel zur lateralen Erstreckung) und/oder vertikale (d. h. senkrecht zur lateralen Erstreckung) Strukturierung vergrößert werden.Around the number of active sites with less platinum use too can maximize according to the first one described above Aspect of structuring the electrode the electrode surface according to the invention by a horizontal (i.e. parallel to the lateral extent) and / or vertical (i.e., perpendicular to the lateral extent) structuring enlarged become.

In dem weiteren Aspekt der zusätzlichen mindestens einen Zwischenschicht wird hingegen gezielt eine elektrische und/oder ionische Leitfähigkeit des Elektrodensystems verbessert. Der Gesamtwiderstand des Elektrodensystems ergibt sich aus der Summe der Durchgangswiderstände durch die Festelektrolytschicht und die beiden Elektrodenschichten (Bulk) sowie der Übergangswiderstände zwischen den Elektroden und der Festelektrolytschicht bzw. dem Keramiksubstrat (Interface). Beispielsweise kann sich ein derartiger Aufbau bei einer Lambdasonde im Fingersonden-Aufbau folgendermaßen gestalten:

  • – Abgasraum
  • – Äußere Elektrode (OE)
  • – Zwischenschicht
  • – Festelektrolytschicht
  • – Zwischenschicht
  • – Innenelektrode (IE)
  • – Referenzluft.
By contrast, in the further aspect of the additional at least one intermediate layer, an electrical and / or ionic conductivity of the electrode system is specifically improved. The total resistance of the electrode system results from the sum of the volume resistances through the solid electrolyte layer and the two electrode layers (bulk) as well as the contact resistances between the electrodes and the solid electrolyte layer or the ceramic substrate (interface). For example, in the case of a lambda probe in the finger probe design, such a design can be structured as follows:
  • - exhaust gas space
  • - Outer electrode (OE)
  • - intermediate layer
  • - Solid electrolyte layer
  • - intermediate layer
  • - inner electrode (IE)
  • - Reference air.

Auch andere Schichtaufbauten sind jedoch grundsätzlich möglich und analog zu betrachten. Um den Gesamtwiderstand des Elektrodensystems möglichst klein zu halten, beispielsweise zur Verbesserung des oben beschriebenen Niedertemperaturverhaltens, lassen sich mittels der vorgeschlagenen, gut ionenleitenden und dichten Zwischenschichten die Übergangswiderstände stark verringern.Also However, other layer structures are basically possible and to look at it analogously. To the total resistance of the electrode system keep as small as possible, for example, to improve of the low-temperature behavior described above, can be by means of the proposed, good ion-conducting and dense interlayers greatly reduce the contact resistance.

Beispielsweise lassen sich Zwischenschichten aus YSZ einsetzen, welche auch einen Anteil an metallischem Material aufweisen können. Beispielsweise können wieder ein oder mehrere der oben beschriebenen metallischen Materialien eingesetzt werden, beispielsweise Platin. Vorzugsweise ist die Konzentration der metallischen Materialien in der Zwischenschicht jedoch geringer als in der Elektrode.For example Intermediate layers of YSZ can be used, which also have a Have a share of metallic material. For example may again be one or more of the metallic ones described above Materials are used, such as platinum. Preferably is the concentration of metallic materials in the interlayer but lower than in the electrode.

Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, die Porosität der Zwischenschicht niedriger gehalten werden als die Porosität der Elektrode. So kann beispielsweise die Porosität der mindestens einen Zwischenschicht zwischen der Porosität der Elektrode, beispielsweise der Platin-Cermet-Elektrode, und der Porosität der Festelektrolytschicht liegen.Farther may, alternatively or additionally, the porosity the intermediate layer are kept lower than the porosity the electrode. For example, the porosity of at least one intermediate layer between the porosity the electrode, such as the platinum cermet electrode, and the porosity lie the solid electrolyte layer.

Beispielsweise können die Festelektrolytschichten 3 bis 7 mol-%, beispielsweise 5,5 mol-%, YSZ aufweisen, wobei diese Molangaben allgemein auf den Molgehalt an Yttriumoxid im Zirkonoxid bezogen sind. Beispielsweise können 5,5 mol-% Y2O3 im ZrO2 des Festelektrolyten vorliegen, hingegen beispielsweise 9,0 mol-% Y2O3 in der Zwischenschicht und beispielsweise 11,0 mol-% im Cermet. Beispielsweise kann ein Festelektrolytträger aus tetragonalem stabilisiertem ZrO2 (TPZ) mit 3,0 mol-% Y2O3 im ZrO2 oder aus teilstabilisiertem 5,5 mol-% Y2O3 im ZrO2 verwendet werden. Für die Zwischenschicht können beispielsweise 5,5 mol-% bis 8,0 mol-% Y2O3 verwendet werden, insbesondere in kubischer, voll stabilisierter Form. Für das Cermet der Elektroden können beispielsweise 8,0 mol-% bis 11 mol-% Y2O3 verwendet werden.For example, the solid electrolyte layers can have 3 to 7 mol%, for example 5.5 mol%, of YSZ, these molar amounts generally being based on the molar content of yttrium oxide in the zirconium oxide. For example, 5.5 mol% of Y 2 O 3 may be present in the ZrO 2 of the solid electrolyte, whereas, for example, 9.0 mol% of Y 2 O 3 in the intermediate layer and, for example, 11.0 mol% in the cermet. example example, a solid electrolyte support of tetragonal stabilized ZrO 2 (TPZ) with 3.0 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 or partially stabilized 5.5 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 can be used. For example, 5.5 mol% to 8.0 mol% of Y 2 O 3 can be used for the intermediate layer, in particular in cubic, fully stabilized form. For example, 8.0 mol% to 11 mol% Y 2 O 3 can be used for the cermet of the electrodes.

Die mindestens eine Zwischenschicht kann die Anbindung zwischen der Elektrode und der Festelektrolytschicht, beispielsweise dem Keramiksubstrat der Festelektrolytschicht, verbessern und den Übergangswiderstand verringern. Die mindestens eine Zwischenschicht kann ebenfalls strukturiert sein, beispielsweise gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Strukturierungsmethoden. So kann eine Strukturierung parallel zur lateralen Ausdehnung der Elektrode erfolgen und/oder eine Strukturierung senkrecht zu dieser lateralen Ausdehnung der Elektrode. Auf die oben beschriebenen Strukturierungstechniken kann in diesem Zusammenhang vollumfänglich verwiesen werden. So können beispielsweise gleichzeitig eine Strukturierung der mindestens einen Zwischenschicht und eine Strukturierung der mindestens einen Elektrode vorliegen. Die Zwischenschicht kann beispielsweise nicht-porös ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Zwischenschicht einen Anteil von 5 bis 11 mol-% Y2O3 im ZrO2 aufweisen, insbesondere einen Anteil zwischen 7 und 10 mol-% Y2O3 und besonders bevorzugt einen Anteil von ca. 8 mol-% Y2O3 im ZrO2.The at least one intermediate layer can improve the bonding between the electrode and the solid electrolyte layer, for example the ceramic substrate of the solid electrolyte layer, and reduce the contact resistance. The at least one intermediate layer can likewise be structured, for example according to one or more of the structuring methods described above. Thus, structuring can take place parallel to the lateral extent of the electrode and / or a structuring perpendicular to this lateral extent of the electrode. The structuring techniques described above can be fully referenced in this connection. Thus, for example, at the same time structuring of the at least one intermediate layer and structuring of the at least one electrode may be present. The intermediate layer can be designed, for example, non-porous. For example, the intermediate layer may have a proportion of 5 to 11 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 , in particular a proportion between 7 and 10 mol% Y 2 O 3 and particularly preferably a fraction of about 8 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 .

Diese höhere Dotierung der Zwischenschicht im Vergleich zu der Festelektrolytschicht bewirkt zwar zum einen in der Regel eine geringere mechanische Festigkeit der mindestens einen Zwischenschicht im Vergleich zu dem Festelektrolytmaterial der Festelektrolytschicht. Dies kann jedoch, insbesondere sofern die Zwischenschicht eine vorgegebene Dicke nicht überschreitet, toleriert werden, da mit steigender Dotierung zwar die Festigkeit sinkt, die Ionenleitfähigkeit jedoch steigt. Auf diese Weise kann die elektrische und/oder ionische Anbindung zwischen Festelektrolytschicht und Elektrode verbessert werden und somit der Übergangswiderstand verringert werden.These higher doping of the intermediate layer compared to the Although solid electrolyte layer usually causes a lower one mechanical strength of the at least one intermediate layer in comparison to the solid electrolyte material of the solid electrolyte layer. This can however, especially if the intermediate layer is a given one Thickness does not exceed, be tolerated, as with rising Doping, although the strength decreases, the ionic conductivity, however increases. In this way, the electrical and / or ionic connection be improved between solid electrolyte layer and electrode and Thus, the contact resistance can be reduced.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1A und 1B Ein Ausführungsbeispiel eines dem Stand der Technik entsprechenden Sensorelements in verschiedenen Darstellungen; 1A and 1B An embodiment of a prior art sensor element in different representations;

2A und 2B ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit einer Elektrode mit einer Pyramidenstruktur; 2A and 2 B a first embodiment of a sensor element according to the invention with an electrode having a pyramidal structure;

3A und 3B ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit einer Elektrode mit einer Spitzenstruktur; 3A and 3B A second embodiment of a sensor element according to the invention with an electrode having a tip structure;

4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit einer Elektrode mit einer Wellenstruktur und einer Zwischenschicht; 4 A third embodiment of a sensor element according to the invention with an electrode having a wave structure and an intermediate layer;

5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit einer Elektrode mit einer Wellenstruktur, einem Porositätsgradienten und einer Zwischenschicht. 5 A fourth embodiment of a sensor element according to the invention with an electrode having a wave structure, a porosity gradient and an intermediate layer.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

In den 1A und 1B ist ein Beispiel eines herkömmlichen Sensorelements 110 schematisch dargestellt. Gezeigt ist dabei jeweils nur eine Elektrode 112 des Sensorelements 110 sowie eine Zuleitung 114 zu dieser Elektrode 112 (nur in 1A erkennbar). Dabei zeigt 1A die Elektrode 112 und das Sensorelement 110 in Draufsicht, wohingegen 1B eine Schnittdarstellung des Sensorelements 110 von der Seite zeigt.In the 1A and 1B is an example of a conventional sensor element 110 shown schematically. Shown is only one electrode at a time 112 of the sensor element 110 and a supply line 114 to this electrode 112 (only in 1A visible). It shows 1A the electrode 112 and the sensor element 110 in plan view, whereas 1B a sectional view of the sensor element 110 from the side shows.

Die Elektrode 112 ist auf eine Festelektrolytschicht 116 aufgebracht, welches ein Festelektrolytmaterial 118 umfasst. Beispielsweise kann das Festelektrolytmaterial ein Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) sein, wobei in der Regel ein 5,5 mol-% YSZ eingesetzt wird. Auf diese Festelektrolytschicht 116, welche beispielsweise als Folienschicht ausgebildet sein kann, wird die Elektrode 112 aufgebracht. Die Elektrode 112 ist beispielsweise als Platin-YSZ-Cermet-Elektrode ausgebildet und weist in der Regel eine poröse Struktur auf. Typischerweise werden zur Herstellung dieser Elektrode 112 Elektrodenpasten verwendet, welche einen Anteil von 60 bis 70 Gew.-% an metallischem Material 120, insbesondere Platin, einen Anteil von 10 bis 25 Gew.-% an keramischem Material 122 sowie organische Bestandteile mit einem Anteil zwischen 10 und 20 Gew.-% aufweisen, beispielsweise Bindermaterialien und/oder Lösungsmittel. Die Korngröße für die eingearbeiteten Pulver des metallischen Materials 120 und des keramischen Materials 122 liegt typischerweise bei d90 > 15 μm. Typischerweise weisen die Elektroden 112 eine laterale Ausdehnung parallel zu einer Oberfläche 124 und damit einer lateralen Ausdehnung der Festelektrolytschicht 116 auf, welche in 1B mit D bezeichnet ist und welche beispielsweise im Bereich von einigen 10 μm bis hin zu einigen mm liegen kann. Auch andere Elektrodendimensionen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die Dicke der Elektrode 112, welche in 1B mit d bezeichnet ist, kann beispielsweise im Bereich zwischen einigen μm bis hin zu einigen 10 μm oder sogar 100 μm oder darüber liegen.The electrode 112 is on a solid electrolyte layer 116 applied, which is a solid electrolyte material 118 includes. For example, the solid electrolyte material may be an yttria-stabilized zirconia (YSZ), typically employing a 5.5 mol% YSZ. On this solid electrolyte layer 116 , which may be formed, for example, as a film layer, the electrode 112 applied. The electrode 112 For example, it is designed as a platinum YSZ cermet electrode and generally has a porous structure. Typically, for the preparation of this electrode 112 Electrode pastes used, which account for 60 to 70 wt .-% of metallic material 120 , in particular platinum, a proportion of 10 to 25 wt .-% of ceramic material 122 and organic constituents in a proportion of between 10 and 20% by weight, for example binder materials and / or solvents. The grain size for the incorporated powder of the metallic material 120 and the ceramic material 122 is typically d90> 15 μm. Typically, the electrodes have 112 a lateral extent parallel to a surface 124 and thus a lateral extent of the solid electrolyte layer 116 on which in 1B is denoted by D and which may for example be in the range of a few 10 microns to a few mm. However, other electrode dimensions are possible in principle. The thickness of the electrode 112 , what a 1B is denoted by d, for example in the range between a few microns to a few 10 microns or even 100 microns or above.

Wie aus den 1A und 1B erkennbar ist, ist die dem Stand der Technik entsprechende Elektrode 112 innerhalb ihrer lateralen Ausdehnungen unstrukturiert, also (abgesehen von einer ggf. vorhandenen Porosität) im Wesentlichen homogen in ihren physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften. So ist insbesondere die Anzahl der Poren gleichmäßig über die Dicke der Elektrode 112 verteilt, und die Dicke d der Elektrode 112 ist über die laterale Ausdehnung der Elektrode 112 hinweg im Wesentlichen konstant.Like from the 1A and 1B can be seen, is the electrode corresponding to the prior art 112 unstructured within their lateral dimensions, ie (apart from a possibly present porosity) substantially homogeneous in their physical and / or chemical properties. In particular, the number of pores is uniform across the thickness of the electrode 112 distributed, and the thickness d of the electrode 112 is about the lateral extent of the electrode 112 essentially constant.

In den 2A bis 5 sind hingegen verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Sensorelements 110 gezeigt. Wiederum ist dabei von dem Sensorelement 110 exemplarisch eine Elektrode 112 gezeigt. Naturgemäß können mehrere Elektroden vorgesehen sein, beispielsweise einander gegenüberliegende Elektroden, Elektroden in derselben Schichtebene, einzellige oder mehrzellige Sensoraufbauten oder ähnliches. Auch muss nicht notwendigerweise eine planare Geometrie und ein Schichtaufbau verwendet werden, sondern es kann beispielsweise ein fingerartiger Aufbau mit gekrümmten Oberflächen eingesetzt werden.In the 2A to 5 On the other hand, different exemplary embodiments of a configuration of a sensor element according to the invention are shown 110 shown. Again, this is the sensor element 110 an example of an electrode 112 shown. Of course, a plurality of electrodes may be provided, for example electrodes lying opposite one another, electrodes in the same layer plane, single-cell or multi-cell sensor structures or the like. Also, not necessarily a planar geometry and a layer structure must be used, but it can, for example, a finger-like structure with curved surfaces are used.

In den 2A und 2B ist, in analoger Darstellung zu den 1A und 1B, ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 gezeigt. Im Gegensatz zu den 1A und 1B ist die Elektrode 112 in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2A und 2B strukturiert und weist eine Strukturierung 126 parallel zur lateralen Erstreckung der Oberfläche 124 der Festelektrolytschicht 116 auf. Sollte diese Oberfläche 124 eine gekrümmte Form aufweisen, beispielsweise bei Fingersonden, so bezieht sich diese Parallelität auf die lokale laterale Ausdehnung der Festelektrolytschicht 116. Wie aus den Figuren erkennbar ist, ist die Strukturierung 126 in diesem Fall beispielsweise in Form einer Pyramidenform 128 ausgestaltet, bei welcher die Dicke der Elektrode 112, wobei sinngemäß auch mehrere Elektrodenschichten in dieser Elektrode 112 enthalten sein können, zwischen näherungsweise 0 und einer maximalen Dicke dmax variiert. Die Flanken der Pyramiden der Pyramidenform 128 können dabei eben oder gekrümmt ausgestaltet sein, wobei in 2B eine gekrümmte Ausgestaltung gezeigt ist. Wie in 2A erkennbar ist, folgt die Strukturierung 126 in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise einem Linienmuster 130, bei welchem die Spitzen bzw. Täler der Pyramidenstrukturen 128 entlang von Linien angeordnet sind, wobei parallele Linien sich mit anderen parallelen Linien unter beispielsweise einem näherungsweise rechten Winkel oder einem anderen Winkel kreuzen.In the 2A and 2 B is, in analogous representation to the 1A and 1B , A first embodiment of a sensor element according to the invention 110 shown. In contrast to the 1A and 1B is the electrode 112 in the embodiment according to the 2A and 2 B structured and has a structuring 126 parallel to the lateral extent of the surface 124 the solid electrolyte layer 116 on. Should this surface 124 have a curved shape, for example in finger probes, so this parallelism refers to the local lateral extent of the solid electrolyte layer 116 , As can be seen from the figures, the structuring is 126 in this case, for example in the form of a pyramidal shape 128 designed, in which the thickness of the electrode 112 , where mutatis mutandis, a plurality of electrode layers in this electrode 112 may be contained between approximately 0 and a maximum thickness d max . The flanks of the pyramids of the pyramidal form 128 can be configured flat or curved, in 2 B a curved configuration is shown. As in 2A is recognizable, follows the structuring 126 in this embodiment, for example, a line pattern 130 in which the peaks or valleys of the pyramidal structures 128 along lines, with parallel lines intersecting with other parallel lines at, for example, an approximately right angle or other angle.

Bei einem in den 3A und 3B dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel, welches ähnlich zu den 2A und 2B ausgestaltet ist, ist die Pyramidenstruktur 128 durch eine Spitzenstruktur 132 ersetzt. Diese Spitzenstruktur 132 bildet, wie in der Draufsicht gemäß 3A erkennbar ist, beispielsweise ein Punktmuster 134. Wiederum weist dabei die Elektrode 112 in ihrer Ausdehnung parallel zur lateralen Erstreckung der Festelektrolytschicht 116, beispielsweise zur Oberfläche 124, eine Variation in ihrer Schichtdicke auf, wobei in den Tälern dieser Strukturierung 126 die Schichtdicke näherungsweise verschwinden kann oder zumindest auf einen Prozentsatz von beispielsweise weniger als 10% im Vergleich zur maximalen Schichtdicke dmax absinken kann. An ihren Spitzen weist die Spitzenstruktur 132 scharf zulaufende Spitzen auf, wobei jedoch Abrundungen vorgesehen sein können. Auch andere Arten von Strukturierungen sind grundsätzlich möglich.At one in the 3A and 3B illustrated second embodiment, which is similar to the 2A and 2 B is designed, is the pyramid structure 128 through a lace structure 132 replaced. This lace structure 132 forms, as in the plan view according to 3A is recognizable, for example, a dot pattern 134 , Again, the electrode points 112 in their extension parallel to the lateral extent of the solid electrolyte layer 116 , for example to the surface 124 , a variation in their layer thickness, being in the valleys of this structuring 126 the layer thickness may approximately disappear or at least may decrease to a percentage of, for example, less than 10% compared to the maximum layer thickness d max . At their tips, the lace structure 132 sharp points on, but rounding can be provided. Other types of structuring are possible in principle.

Die Ausführungsbeispiele in den 2A bis 3B zeigen lediglich zwei mögliche Formen einer lateralen Strukturierung in einer Erstreckung parallel zu einer lateralen Erstreckung der Festelektrolytschicht 116. Anstelle der in den Figuren dargestellten Punktmuster bzw. Linienmuster, welche auch als Wabenstrukturierung mit einem Wabenmuster bezeichnet werden könnten, sind zahlreiche weitere Arten der lateralen Strukturierung denkbar, bei welcher eine periodische oder nicht-periodische Dickenvariation in der Schichtdicke der Elektrode 112 eingesetzt wird.The embodiments in the 2A to 3B show only two possible forms of lateral structuring in an extension parallel to a lateral extent of the solid electrolyte layer 116 , Instead of the dot pattern or line pattern illustrated in the figures, which could also be referred to as honeycomb patterning with a honeycomb pattern, numerous other types of lateral structuring are conceivable in which a periodic or non-periodic thickness variation in the layer thickness of the electrode 112 is used.

Eine derartige laterale oder auch horizontale Strukturierung kann beispielsweise bei einer Außenelektrode (OE) und/oder bei einer Innenelektrode (IE) eingesetzt werden. Wie oben dargestellt, sind jedoch weitere Ausgestaltungen möglich, beispielsweise Ausgestaltungen, bei welchen nicht alle Elektroden strukturiert ausgestaltet sind. Die Strukturierung 126 kann beispielsweise mit Aussparungen, Löchern oder Mustern erzeugt werden, welche in die Elektrode 112 eingebracht werden können. Die maximale Schichtdicke dmax kann beispielsweise zwischen 5 μm und 100 μm liegen, beispielsweise zwischen 10 μm und 50 μm und insbesondere bei ca. 30 μm.Such lateral or horizontal structuring can be used, for example, in an outer electrode (OE) and / or in an inner electrode (IE). As shown above, however, further embodiments are possible, for example embodiments in which not all electrodes are configured in a structured manner. The structuring 126 For example, it can be created with recesses, holes, or patterns that fit into the electrode 112 can be introduced. The maximum layer thickness d max can be, for example, between 5 μm and 100 μm, for example between 10 μm and 50 μm, and in particular about 30 μm.

Die Strukturierung 126 kann dabei bereits beim Erzeugen der Elektrode 112 in die Elektrode 112 eingebracht werden. So kann beispielsweise eine Strukturierung durch ein Drucksieb erfolgen, mittels dessen beispielsweise die oben beschriebene Elektrode paste auf die Festelektrolytschicht 116 aufgebracht werden kann. Das Drucksieb kann auch entsprechende Muster umfassen, beispielsweise Gitter, Punktmuster oder ähnliches. Bei Rasterstrukturen empfiehlt sich zudem die Verwendung eines unregelmäßigen Kornrasters, beispielsweise um Moiree-Effekte zu vermeiden. Werden periodische oder näherungsweise periodische Raster oder Muster verwendet, so kann die Periodizität beispielsweise einige 10 μm bis einige 100 μm betragen, beispielsweise 30 μm bis 50 μm. Bei Gittern und Rastern kann erfindungsgemäß eine Flächendeckung und somit ein Verbrauch an Elektrodenpaste, beispielsweise an Platin-Paste, reduziert werden.The structuring 126 can already do this while generating the electrode 112 into the electrode 112 be introduced. Thus, for example, a structuring by a printing screen, by means of which, for example, the above-described electrode paste on the solid electrolyte layer 116 can be applied. The printing screen may also include corresponding patterns, such as grids, dot patterns, or the like. For grid structures, it is also recommended to use an irregular grain grid, for example, to avoid moiré effects. Are periodic or approximately periodic rasters or patterns ver For example, the periodicity may be, for example, a few 10 μm to a few 100 μm, for example 30 μm to 50 μm. In the case of grids and grids, it is possible according to the invention to reduce areal coverage and thus consumption of electrode paste, for example of platinum paste.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Einbringung der Strukturierung 126 beim Aufbringen der Elektrodenpaste kann die Strukturierung auch nachträglich eingebracht werden. So kann beispielsweise eine Strukturierung 126 durch ein nachträglichen Aufrauen, Aufprägen, Schleifen, Bürsten oder eine Kombination der genannten Behandlungen und/oder anderer Behandlungen erfolgen. Diese Behandlung kann beispielsweise an einer teilweise feuchten oder bereits an einer getrockneten Elektrodenschicht im Grünzustand nach einem Aufbringen der Paste erfolgen, beispielsweise nach einem Aufdrucken.Alternatively or in addition to an introduction of the structuring 126 when applying the electrode paste structuring can also be introduced later. For example, a structuring 126 by subsequent roughening, imprinting, grinding, brushing or a combination of said treatments and / or other treatments. This treatment can be carried out, for example, on a partially moist or already on a dried electrode layer in the green state after application of the paste, for example after printing.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Strukturierung auch beispielsweise durch einen Einsatz von Porenbildnern in einer obersten Druckschicht erfolgen bzw. durch Verwendung eines Hohlraumbildners mit sehr geringer Dichte, welcher in der Elektrodenpaste nach dem Aufbringen quasi aufschwimmt und dadurch einen Dichtegradienten in der Elektrode 112 erzeugt, welcher beispielsweise erst nach dem Sinterbrand erkennbar sein kann. Insofern kann die in den 2A bis 3B gezeigte laterale Strukturierung 126 auch mit einer vertikalen Strukturierung senkrecht zur Oberfläche 124 der Festelektrolytschicht 116 kombiniert werden.Alternatively or additionally, structuring can also take place, for example, by using pore formers in a topmost printing layer or by using a very low density voiding agent which, after application, so to speak, floats in the electrode paste and thus a density gradient in the electrode 112 generated, which, for example, can be recognized only after the sintering fire. In that sense, in the 2A to 3B shown lateral structuring 126 also with a vertical structuring perpendicular to the surface 124 the solid electrolyte layer 116 be combined.

Zur Herstellung der lateralen Strukturierung 126 lassen sich ebenfalls eine Vielzahl von Techniken einsetzen, welche auch in Kombination verwendbar sind. So kann die Variation der Schichtdicke beispielsweise mittels einer Prägestrukturierung erfolgen, wobei die Elektrode 112 strukturiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Festelektrolytschicht 116 strukturiert werden. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Wellen- oder Pyramidenstruktur erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich lässt sich die Variation der Schichtdicke auch durch ein Drucken der Elektrodenpaste, gefolgt von einem Abzupfen und/oder Abwalzen mit einer entsprechend strukturierten Walze, erzeugen.For the preparation of the lateral structuring 126 can also use a variety of techniques, which can also be used in combination. Thus, the variation of the layer thickness can be done for example by means of an embossing, wherein the electrode 112 is structured. Alternatively or additionally, the solid electrolyte layer may also be used 116 be structured. For example, a wave or pyramid structure can be created in this way. Alternatively or additionally, the variation of the layer thickness can also be produced by printing the electrode paste, followed by picking and / or unwinding with a correspondingly structured roller.

Dabei lassen sich beispielsweise sehr schwer fest ausgestaltete Elektrodenpasten einsetzen. Im nicht getrockneten Zustand können sehr zähe und/oder klebrige Elektrodenpasten beispielsweise Elektrodenpasten mit langkettigen Bindersystemen, auch direkt nach dem Aufbringen, beispielsweise Aufdrucken, aufgrund ihrer Zügigkeit, d. h. Klebrigkeit, an der Oberfläche aufgeraut werden. Verschiedene andere Techniken sind möglich.there For example, it is very difficult to make firmly fixed electrode pastes deploy. When not dried can be very tough and / or sticky electrode pastes, for example electrode pastes with long-chain binder systems, also directly after application, for example, imprinting, due to their tackiness, d. H. Tackiness, roughened on the surface. Various other techniques are possible.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass in den 2A bis 3B lediglich eine Schicht der Elektrode 112 dargestellt ist. Auch mehrschichtige Elektroden können hergestellt werden, wobei eine, mehrere oder alle dieser Schichten strukturiert ausgestaltet sein können. Weiterhin können die Elektroden 112 auch mit einer in den Figuren bislang nicht dargestellten Schutzschicht versehen sein, beispielsweise einer porösen, gasdurchlässigen, keramischen Schutzschicht, welche die Elektrode 112 beispielsweise vor Verschmutzungen schützen kann.Furthermore, it should be noted that in the 2A to 3B only one layer of the electrode 112 is shown. It is also possible to produce multilayer electrodes, wherein one, several or all of these layers can be configured in a structured manner. Furthermore, the electrodes can 112 also be provided with a protective layer not previously shown in the figures, for example, a porous, gas-permeable, ceramic protective layer which the electrode 112 For example, it can protect against dirt.

Wie oben dargestellt, besteht ein weiterer Gedanke der vorliegenden Erfindung darin, die Funktionalität der Elektrodenstrukturen durch die Verwendungen einer oder mehrerer Zwischenschichten zusätzlich zu verbessern. Auf diese Weise lässt sich insgesamt die elektrische und ionische Leitfähigkeit des Elektrodensystems erhöhen und der Gesamtwiderstand des Elektrodensystems verringern. Derartige Zwischenschichten sind auch mit einer lateralen Strukturierung kombinierbar. So zeigt 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110, in einer zu den 2B und 3B analogen Darstellung, in welcher dieser Erfindungsgedanke realisiert ist. Dabei wird zunächst wiederum eine Elektrode 112 mit einem metallischen Material 120 und einem keramischen Material 122 verwendet, welche optional wiederum eine laterale Strukturierung 126 parallel zur Oberfläche 124 der Festelektrolytschicht 116 aufweisen kann. Diese laterale Strukturierung 126 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Wellenstruktur 136 ausgestaltet, wobei beispielsweise die Wellenstruktur 136 wiederum ein Linienmuster 130 analog zur Ausführungsform gemäß 2A aufweisen kann. Für die möglichen Herstellungsverfahren dieser Elektrode 112 sowie die mögliche Ausgestaltung der Elektrodenpaste kann weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden.As indicated above, another aspect of the present invention is to further enhance the functionality of the electrode structures through the use of one or more intermediate layers. In this way, overall the electrical and ionic conductivity of the electrode system can be increased and the total resistance of the electrode system can be reduced. Such intermediate layers can also be combined with a lateral structuring. So shows 4 a first embodiment of a sensor element 110 , in one of the 2 B and 3B analog representation, in which this concept of the invention is realized. At first an electrode will be used 112 with a metallic material 120 and a ceramic material 122 used, which in turn optionally a lateral structuring 126 parallel to the surface 124 the solid electrolyte layer 116 can have. This lateral structuring 126 is in the illustrated embodiment as a wave structure 136 designed, for example, the wave structure 136 turn a line pattern 130 analogous to the embodiment according to FIG 2A can have. For the possible manufacturing processes of this electrode 112 as well as the possible configuration of the electrode paste can be largely referenced to the above description.

Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen gemäß den 2A bis 3B ist die Elektrode 112 jedoch in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel indirekt auf die Festelektrolytschicht 116 aufgebracht. Zwischen der eigentlichen Elektrode 112 und der Festelektrolytschicht 116 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Zwischenschicht 138 eingebracht. Auch diese Zwischenschicht 138 kann eine laterale Strukturierung 126 aufweisen, beispielsweise wiederum in Form einer Wellenstruktur 136. Auch ebene Zwischenschichten 138 ohne Strukturierung 126 sind jedoch grundsätzlich möglich. Weiterhin ist die Idee der Verwendung einer Zwischenschicht 138 auch gänzlich ohne laterale oder vertikale Strukturierung einsetzbar. Für die optionale Strukturierung 126 der Zwischenschicht 138 kann weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden, so dass auch diese Zwischenschicht 138 beispielsweise wiederum in Form von Wabenstrukturen, Pyramidenstrukturen, Wellenstrukturen, Spitzenstrukturen, Linienmustern, Gitterstrukturen oder ähnlichem. So kann beispielsweise zunächst die mindestens eine Zwischenschicht 138 auf die Festelektrolytschicht 116 aufgebracht werden, beispielsweise aufgedruckt werden. Die Strukturierung kann wiederum bereits während des Aufbringens und/oder nachträglich erfolgen. Anschließend kann die mindestens eine Elektrode 112 auf die Zwischenschicht 138 aufgebracht werden, beispielsweise aufgedruckt werden, wobei wiederum optional eine Strukturierung beispielsweise bereits während dem Aufbringen und/oder nachträglich erfolgen kann.In contrast to the embodiments according to the 2A to 3B is the electrode 112 however, in the in 4 shown embodiment indirectly on the solid electrolyte layer 116 applied. Between the actual electrode 112 and the solid electrolyte layer 116 is an intermediate layer in the illustrated embodiment 138 brought in. Also this intermediate layer 138 can be a lateral structuring 126 have, for example, again in the form of a wave structure 136 , Also level intermediate layers 138 without structuring 126 are possible in principle. Furthermore, the idea is to use an intermediate layer 138 also usable without lateral or vertical structuring. For the optional structuring 126 the intermediate layer 138 can be largely referenced to the above description, so that this intermediate layer 138 For example, again in the form of honeycomb structures, pyramidal structures, wave structures, lace structures, line patterns, lattice structures or the like. For example First, the at least one intermediate layer 138 on the solid electrolyte layer 116 be applied, for example, be printed. The structuring can in turn already take place during the application and / or subsequently. Subsequently, the at least one electrode 112 on the intermediate layer 138 be applied, for example, be printed, in turn, optionally structuring, for example, during application and / or can be done later.

Die mindestens eine Zwischenschicht 138 dient der niederohmigen Anbindung zwischen der Festelektrolytschicht 116 und der Elektrode 112. Wie oben ausgeführt, lässt sich dadurch der Gesamtwiderstand des Elektrodensystems stark vermindern. Dies ist beispielsweise für ein Niedertemperaturverhalten für in Abgassonden eingesetzte Sensorelemente 110 von besonderem Vorteil. Dabei lassen sich insbesondere Zwischenschichten 138 verwenden, welche eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweisen und dicht ausgestaltet sind. Insbesondere lassen sich hierfür wiederum keramische Materialien 122 einsetzen, welche einen geringen Anteil an metallischen Materialien 120 aufweisen können.The at least one intermediate layer 138 serves the low-resistance connection between the solid electrolyte layer 116 and the electrode 112 , As stated above, this can greatly reduce the total resistance of the electrode system. This is, for example, for a low-temperature behavior for sensor elements used in exhaust gas probes 110 of particular advantage. In particular, intermediate layers can be used 138 use, which have a high ionic conductivity and are dense. In particular, ceramic materials can be used for this purpose 122 which use a small amount of metallic materials 120 can have.

So kann beispielsweise in einer Ausgestaltung das Festelektrolytmaterial 118 der Festelektrolytschicht 116 aus 5,5 mol-% Y2O3-stabilisierten ZrO2 hergestellt sein. Der Y2O3-Anteil ist dabei typischerweise derart ausgewählt, dass dieser eine Optimierung der Phasenstabilität und der mechanischen Festigkeit des Festelektrolytmaterials 118 gewährleistet. Beispielsweise lassen sich Anteile von 3,0 bis 8,0 mol-%, insbesondere von 5,0 bis 6,0 mol-%, und besonders bevorzugt der genannte Anteil von 5,5 mol-% Y2O3 einsetzen. Die zusätzliche Zwischenschicht 138 setzt sich vorteilhafterweise dann aus 8,0 mol-% Y2O3-stabilisiertem ZrO2 zusammen. Auch beispielsweise Bereiche zwischen 7,0 mol-% und 11,0 mol-% sind möglich. Der Y2O3-Anteil in dieser Zwischen schicht 138 wird vorzugsweise zur Optimierung der Elektronenleitfähigkeit und der Sauerstoffionenleitfähigkeit (O2-Ionenleitfähigkeit) gewählt. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.For example, in one embodiment, the solid electrolyte material 118 the solid electrolyte layer 116 be prepared from 5.5 mol% Y 2 O 3 -stabilized ZrO 2 . The Y 2 O 3 content is typically selected such that it optimizes the phase stability and the mechanical strength of the solid electrolyte material 118 guaranteed. For example, proportions of 3.0 to 8.0 mol%, in particular of 5.0 to 6.0 mol%, and particularly preferably the said proportion of 5.5 mol% Y 2 O 3 can be used. The additional intermediate layer 138 is then advantageously composed of 8.0 mol% Y 2 O 3 -stabilized ZrO 2 together. Also, for example, ranges between 7.0 mol% and 11.0 mol% are possible. The Y 2 O 3 content in this intermediate layer 138 is preferably chosen to optimize electron conductivity and oxygen ion conductivity (O 2 ion conductivity). However, other embodiments are possible in principle.

In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements 110 dargestellt, in welchem ebenfalls eine Zwischenschicht 138 eingesetzt wird. Insofern kann weitgehend beispielsweise auf die Beschreibung der 4 verwiesen werden. Wiederum ist diese Zwischenschicht 138 beispielsweise mit einer lateralen Strukturierung 126 versehen. Weiterhin ist die Idee der lateralen Zwischenschicht 138 in 5 wiederum mit der in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellten Idee einer lateral strukturierten Elektrode 112 kombiniert. Die laterale Strukturierung 126 ist dabei beispielsweise in Form einer Spitzenstruktur 132 ausgebildet. Auch andere Strukturierungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Wie oben dargestellt, lassen sich die Konzepte der Verwendung einer Zwischenschicht 138 und das Konzept einer lateralen Strukturierung 126 der Zwischenschicht 138 und/oder der Elektrode 112 jedoch grundsätzlich auch unabhängig voneinander realisieren.In 5 is another embodiment of a sensor element according to the invention 110 represented, in which also an intermediate layer 138 is used. Insofar, for example, the description of the 4 to get expelled. Again, this interlayer 138 for example, with a lateral structuring 126 Mistake. Furthermore, the idea of the lateral intermediate layer is 138 in 5 again with the idea of a laterally structured electrode shown in the preceding exemplary embodiments 112 combined. The lateral structuring 126 is for example in the form of a lace structure 132 educated. However, other structures are possible in principle. As shown above, the concepts of using an intermediate layer can be understood 138 and the concept of lateral structuring 126 the intermediate layer 138 and / or the electrode 112 but in principle realize independently.

Weiterhin ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ein weiteres Konzept der Erfindung dargestellt, welches unabhängig von den oben beschriebenen Konzepten eingesetzt werden kann, welches jedoch grundsätzlich auch in Kombination mit dem dargestellten Konzept der Verwendung mindestens einer Zwischenschicht 138 und/oder dem Konzept der Verwendung einer lateralen Strukturierung 126 der mindestens einen Elektrode 112 und/oder der mindestens einen Zwischenschicht 138 realisiert werden kann. Dieses Konzept umfasst eine senkrechte oder vertikale Strukturierung 140 (die Begriffe senkrechte und vertikale Strukturierung werden in der vorliegenden Beschreibung synonym verwendet), bei welcher sich eine Variation physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften in der Elektrode 112 und/oder in dem sich aus dem mindestens einer Zwischenschicht 138 und dem mindestens einer Elektrode 112 zusammensetzenden Elektrodenkomplex in einer Richtung senkrecht zur lateralen Erstreckung der Festelektrolytschicht 116, beispielsweise der Oberfläche 124, ergibt. Als Beispiel einer derartigen vertikalen Strukturierung 140 kann ein Konzentrationsgradient in einem Anteil des metallischen Materials 120, beispielsweise in einem Platin-Anteil, eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Gradient in einer Porosität bzw. Porendichte verwendet werden, wobei die Poren in 5 symbolisch mit der Bezugsziffer 142 angedeutet sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Variation anderer physikalischer und/oder chemischer Parameter für eine vertikale Strukturierung 140 eingesetzt werden.Furthermore, in the embodiment according to 5 presented a further concept of the invention, which can be used independently of the concepts described above, which, however, in principle in combination with the illustrated concept of using at least one intermediate layer 138 and / or the concept of using a lateral structuring 126 the at least one electrode 112 and / or the at least one intermediate layer 138 can be realized. This concept includes a vertical or vertical structuring 140 (The terms vertical and vertical structuring are used synonymously in the present description), in which there is a variation of physical and / or chemical properties in the electrode 112 and / or in which at least one intermediate layer 138 and the at least one electrode 112 composite electrode complex in a direction perpendicular to the lateral extent of the solid electrolyte layer 116 , for example, the surface 124 , results. As an example of such vertical structuring 140 may be a concentration gradient in a proportion of the metallic material 120 , for example in a platinum portion, are used. Alternatively or additionally, a gradient in a porosity or pore density can also be used, wherein the pores in 5 symbolically with the reference number 142 are indicated. Alternatively or additionally, a variation of other physical and / or chemical parameters for vertical structuring may also be used 140 be used.

Wie oben dargestellt, lässt sich diese vertikale Strukturierung 140 auf verschiedene Weisen erzeugen. So kann beispielsweise eine vertikale Variation der Dichte der Poren 142 dadurch erzeugt werden, dass ein Porenbildner verwendet wird, welcher in einer noch flüssigen oder zumindest feuchten Elektrodenpaste aufgrund von Dichteunterschieden einer kontinuierlichen oder graduellen Separation unterworfen ist. Beispielsweise kann dieser Porenbildner in der Elektrodenpaste nach dem Aufbringen aufschwimmen, so dass die Dichte der Poren 142 auf der von der Festelektrolytschicht 116 abgewandten Seite der Elektrode 112 höher ist als auf der der Festelektrolytschicht 116 zuweisenden Seite. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Schichten an Elektrodenmaterialien mit jeweils unterschiedlichem Anteil an Porenbildner aufgebracht werden, so dass auch auf diese Weise ein Gradient in der Dichte der Poren 142 erzeugt werden kann. Weiterhin kann die vertikale Strukturierung 140 auch in einem Anteil des metallischen Materials 120 in dem Elektrodenkomplex ausgedrückt werden. So kann beispielsweise, wie oben dargestellt, die mindestens eine Elektrode 112 einen höheren Anteil an metallischem Material 120 enthalten, beispielsweise an Platin, als die mindestens eine Zwischenschicht 138.As shown above, this vertical structuring can be done 140 generate in different ways. For example, a vertical variation of the density of the pores 142 be produced by using a pore-forming agent, which is subjected in a still liquid or at least wet electrode paste due to density differences of a continuous or gradual separation. For example, this pore-forming agent may float in the electrode paste after application, so that the density of the pores 142 on the of the solid electrolyte layer 116 opposite side of the electrode 112 is higher than that of the solid electrolyte layer 116 assigning page. Alternatively or additionally, it is also possible to apply a plurality of layers of electrode materials, each with a different proportion of pore former, so that a gradient in the density of the pore 142 can be generated. Furthermore, the vertical structuring 140 also in a proportion of the metallic material 120 in the electrode complex. For example, as shown above, the at least one electrode 112 a higher proportion of metallic material 120 included, for example, platinum, as the at least one intermediate layer 138 ,

Die vertikale Strukturierung 140 ist rechts in 5 durch die Bezugsziffern 144 und 146 angedeutet. So bezeichnet die Bezugsziffer 144 einen hohen Anteil an metallischem Material 120, beispielsweise an Platin, und eine zunehmende bzw. hohe Porosität. Die Bezugsziffer 146 bezeichnet hingegen einen hohen Anteil an keramischem Material 122, beispielsweise an YSZ. Der vertikale Gradient in der Konzentration des metallischen Materials, der Porosität und dem Anteil an YSZ kann graduell, kontinuierlich oder auch stufenweise erfolgen. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.The vertical structuring 140 is right in 5 by the reference numbers 144 and 146 indicated. This is the reference number 144 a high proportion of metallic material 120 , for example platinum, and increasing or high porosity. The reference number 146 on the other hand, denotes a high proportion of ceramic material 122 , for example to YSZ. The vertical gradient in the concentration of the metallic material, the porosity and the proportion of YSZ can be gradual, continuous or stepwise. Various configurations are possible.

Der durch die vertikale Strukturierung 140 symbolisch in 5 angedeutete Gradient in einer oder mehreren physikalischen und/oder chemischen Größen kann sich dabei über den die Elektrode 112 und die Zwischenschicht 138 umfassenden Elektrodenkomplex hinweg erstrecken. Weiterhin kann sich dieser Gradient optional auch in die Festelektrolytschicht 116 hinein fortsetzen. Allgemein kann der Gradient vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Größen umfassen: eine Porosität; einen Metallgehalt und/oder Keramikgehalt; eine Korngröße von Feststoffen; einen Molgehalt eines Dotierstoffs, insbesondere eines Dotieroxids, insbesondere Y2O3, in einer Matrix, bei spielsweise einer ZrO2-Matrix. Auch Kombinationen der genannten und/oder anderer Gradienten sind möglich. Dabei sollte vorzugsweise der Gradient einer Porosität derart verlaufen, dass die Porosität von der Festelektrolytschicht 116 hin zur Zwischenschicht 138 und zur Elektrode 112 zunimmt. Der Metallgehalt und/oder der Molgehalt des Dotierstoffs sollten ebenfalls vorzugsweise in dieser Richtung zunehmen. Die Korngröße und/oder der Keramikgehalt hingegen sollten vorzugsweise in die entgegengesetzte Richtung zunehmen.The by the vertical structuring 140 symbolic in 5 indicated gradient in one or more physical and / or chemical quantities can be about the the electrode 112 and the intermediate layer 138 extend across the entire electrode complex. Furthermore, this gradient can optionally also in the solid electrolyte layer 116 continue into it. Generally, the gradient may preferably include one or more of the following: porosity; a metal content and / or ceramic content; a grain size of solids; a molar content of a dopant, in particular a doping oxide, in particular Y 2 O 3 , in a matrix, for example, a ZrO 2 matrix. Combinations of the mentioned and / or other gradients are possible. In this case, the gradient of a porosity should preferably run in such a way that the porosity of the solid electrolyte layer 116 towards the intermediate layer 138 and to the electrode 112 increases. The metal content and / or the molar content of the dopant should also preferably increase in this direction. The grain size and / or the ceramic content, however, should preferably increase in the opposite direction.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”, Juni 2001, Seiten 112 bis 117 [0001] - Robert Bosch GmbH: "Sensors in the Motor Vehicle", June 2001, pages 112 to 117 [0001]

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Sensorelement (110), insbesondere zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, umfassend mindestens eine Festelektrolytschicht (116) mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial (118) und mindestens eine die Festelektrolytschicht (116) direkt oder indirekt kontaktierende Elektrode (112) mit mindestens einem keramischen Material (122) und mindestens einem metallischen Material (120), wobei die Elektrode (112) eine laterale Ausdehnung aufweist, wobei die Elektrode (112) innerhalb der lateralen Ausdehnung eine sich parallel und/oder senkrecht zur lateralen Ausdehnung erstreckende Strukturierung (126, 140) aufweist, wobei die Strukturierung (126, 140) eingerichtet ist, um eine Elektrodenfläche der Elektrode (112) zu vergrößern.Sensor element ( 110 ), in particular for detecting a property of a gas in a measuring gas space, comprising at least one solid electrolyte layer ( 116 ) with at least one ceramic solid electrolyte material ( 118 ) and at least one of the solid electrolyte layer ( 116 ) directly or indirectly contacting electrode ( 112 ) with at least one ceramic material ( 122 ) and at least one metallic material ( 120 ), wherein the electrode ( 112 ) has a lateral extent, wherein the electrode ( 112 ) within the lateral extent a structuring extending parallel and / or perpendicular to the lateral extent ( 126 . 140 ), the structuring ( 126 . 140 ) is arranged around an electrode surface of the electrode ( 112 ) to enlarge. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Strukturierung (126, 140) eine laterale Strukturierung (126) aufweist, wobei die laterale Strukturierung (126) eine Dickenvariation einer Schichtdicke der Elektrode (112) umfasst, wobei die Dickenvariation mindestens zwei lokale Maxima in der Schichtdicke umfasst.Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the structuring ( 126 . 140 ) a lateral structuring ( 126 ), wherein the lateral structuring ( 126 ) a thickness variation of a layer thickness of the electrode ( 112 ), wherein the thickness variation comprises at least two local maxima in the layer thickness. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Dickenvariation eine Mehrzahl von lokalen Erhebungen mit mindestens einer der folgenden Formen umfasst: einer Pyramidenstruktur; einer Wellenstruktur; einer Spitzenstruktur; einer Wabenstruktur.Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the thickness variation comprises a plurality of local peaks having at least one of the following shapes: a pyramidal structure; a wave structure; a lace structure; a honeycomb structure. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturierung (126, 140) mindestens eine der folgenden Strukturierungen (126, 140) umfasst: eine Aufrauung in der Elektrodenfläche; ein Linienmuster in der Elektrodenfläche, insbesondere ein unregelmäßiges Linienmuster; ein Raster in der Elektrodenfläche, insbesondere ein Punktmuster, insbesondere ein unregelmäßiges Punktmuster; ein Lochmuster, insbesondere ein unregelmäßiges Lochmuster.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the structuring ( 126 . 140 ) at least one of the following structurings ( 126 . 140 ) comprises: a roughening in the electrode surface; a line pattern in the electrode surface, in particular an irregular line pattern; a grid in the electrode surface, in particular a dot pattern, in particular an irregular dot pattern; a hole pattern, in particular an irregular hole pattern. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturierung (126, 140) eine sich senkrecht zu der lateralen Ausdehnung erstreckende vertikale Strukturierung (140) umfasst, wobei die vertikale Strukturierung (140) einen oder mehrere der sich senkrecht zur lateralen Ausdehnung erstreckenden Gradienten umfasst: einen Porositätsgradienten; einen Materialgradienten; einen Dichtegradienten.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the structuring ( 126 . 140 ) a vertical structuring extending perpendicular to the lateral extent ( 140 ), the vertical structuring ( 140 ) comprises one or more of the gradients extending perpendicular to the lateral extent: a porosity gradient; a material gradient; a density gradient. Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturierung (126, 140) eine sich senkrecht zu der lateralen Ausdehnung erstreckende vertikale Strukturierung (140) umfasst, wobei die vertikale Strukturierung (140) einen Gradienten in einer Konzentration des metallischen Materials (120) umfasst, insbesondere in einer Konzentration eines oder mehrerer der folgenden Metalle: Pt; Pd; Rh; Au; Ru; Ir; eine Pt/Pd-Legierung; eine Pt/Au-Legierung.Sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the structuring ( 126 . 140 ) a vertical structuring extending perpendicular to the lateral extent ( 140 ), the vertical structuring ( 140 ) a gradient in a concentration of the metallic material ( 120 ), in particular in a concentration of one or more of the following metals: Pt; Pd; Rh; Au; Ru; Ir; a Pt / Pd alloy; a Pt / Au alloy. Sensorelement (110), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine Festelektrolytschicht (116) mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial (118) und mindestens eine die Festelektrolytschicht (116) indirekt kontaktierende Elektrode (112) mit mindestens einem keramischen Material (122) und mindestens einem metallischen Material (120), wobei zwischen der Elektrode (112) und der Festelektrolytschicht (116) mindestens eine Zwischenschicht (138) eingebracht ist, insbesondere eine Zwischenschicht mit einer Strukturierung (126, 140), wobei die Zwischenschicht (138) eine höhere Ionenleitfähigkeit und/oder eine höhere Elektronenleitfähigkeit als die Festelektrolytschicht (116) aufweist.Sensor element ( 110 ), in particular according to one of the preceding claims, comprising at least one solid electrolyte layer ( 116 ) with at least one ceramic solid electrolyte material ( 118 ) and at least one of the solid electrolyte layer ( 116 ) indirectly contacting electrode ( 112 ) with at least one ceramic material ( 122 ) and at least one metallic material ( 120 ), wherein between the electrode ( 112 ) and the solid electrolyte layer ( 116 ) at least one intermediate layer ( 138 ), in particular an intermediate layer having a structuring ( 126 . 140 ), the intermediate layer ( 138 ) a higher ionic conductivity and / or a higher electronic conductivity than the solid electrolyte layer ( 116 ) having. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Festelektrolytmaterial (118) und die Zwischenschicht (138) jeweils Yttrium-dotiertes Zirkonoxid umfassen, insbesondere Yttriumoxid-dotiertes Zirkonoxid, wobei die Zwischenschicht (138) eine höhere Yttrium-Dotierung, insbesondere eine höhere Yttriumoxid-Dotierung, aufweist als das Festelektrolytmaterial (118).Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the solid electrolyte material ( 118 ) and the intermediate layer ( 138 each comprise yttrium-doped zirconium oxide, in particular yttria-doped zirconium oxide, wherein the intermediate layer ( 138 ) has a higher yttrium doping, in particular a higher yttrium oxide doping, than the solid electrolyte material ( 118 ). Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (110), insbesondere eines Sensorelements (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Elektrode (112) direkt oder indirekt auf eine Festelektrolytschicht (116) mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial (118) aufgebracht wird, wobei die Elektrode (112) eine laterale Ausdehnung aufweist, wobei eine sich parallel zur lateralen Ausdehnung erstreckende laterale Strukturierung (126) in der Elektrode (112) erzeugt wird, wobei die laterale Strukturierung (126) mittels mindestens einer der folgenden Strukturierungstechniken erzeugt wird: mittels einer strukturierten Auftragstechnik eine Elektrodenpaste, mittels derer die Elektrodenpaste strukturiert aufgebracht wird, insbesondere einer Drucktechnik; mittels einer Maskentechnik, mit der eine Elektrodenpaste mit einem Muster oder Raster strukturiert aufgebracht wird; mittels einer nachträglichen Strukturierungstechnik, mit der nach dem Aufbringen einer Elektrodenpaste die laterale Strukturierung (126) erzeugt wird, insbesondere mittels einer Bürstentechnik und/oder einer Zupftechnik.Method for producing a sensor element ( 110 ), in particular a sensor element ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one electrode ( 112 ) directly or indirectly on a solid electrolyte layer ( 116 ) with at least one ceramic solid electrolyte material ( 118 ) is applied, wherein the electrode ( 112 ) has a lateral extent, wherein a lateral structuring extending parallel to the lateral extent (FIG. 126 ) in the electrode ( 112 ), wherein the lateral structuring ( 126 ) is produced by means of at least one of the following structuring techniques: by means of a structured application technique, an electrode paste by means of which the electrode paste is applied in a structured manner, in particular a printing technique; by means of a masking technique with which an electrode paste is patterned with a pattern or grid applied; by means of a subsequent structuring technique with which, after the application of an electrode paste, the lateral structuring ( 126 ), in particular by means of a brushing technique and / or a plucking technique. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (110), insbesondere eines Sensorelements (110) nach einem der vorhergehenden, ein Sensorelement (110) betreffenden Ansprüche, wobei mindestens eine Elektrode (112) direkt oder indirekt auf eine Festelektrolytschicht (116) mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial (118) aufgebracht wird, wobei die Elektrode (112) eine laterale Ausdehnung aufweist, wobei eine sich senkrecht zur lateralen Ausdehnung erstreckende vertikale Strukturierung (140) in der Elektrode (112) erzeugt wird, wobei eine Elektrodenpaste mit einem Porenbildner aufgebracht wird, wobei der Porenbildner eine im Vergleich zu einem umgebenden Material der Elektrodenpaste verschiedene Dichte aufweist, wobei sich aufgrund der Dichteunterschiede ein Konzentrationsgradient des Porenbildners in der aufgebrachten Elektrodenpaste bildet, wobei aufgrund des Konzentrationsgradienten des Porenbildners ein Gradient in einer Porendichte in der Elektrode (112) entsteht.Method for producing a sensor element ( 110 ), in particular a sensor element ( 110 ) according to one of the preceding, a sensor element ( 110 ), wherein at least one electrode ( 112 ) directly or indirectly to one Solid electrolyte layer ( 116 ) with at least one ceramic solid electrolyte material ( 118 ) is applied, wherein the electrode ( 112 ) has a lateral extent, wherein a vertically structuring extending perpendicular to the lateral extent ( 140 ) in the electrode ( 112 ), wherein an electrode paste is applied with a pore-forming agent, wherein the pore-forming agent has a different density compared to a surrounding material of the electrode paste, wherein due to the density differences, a concentration gradient of the pore-forming agent in the applied electrode paste, wherein due to the concentration gradient of the pore-forming agent a gradient in a pore density in the electrode ( 112 ) arises.
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