DE102010063529A1 - heating element - Google Patents

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Harald Guenschel
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Abstract

Es werden ein Sensorelement (110) sowie ein Heizelement (112), insbesondere zum Einsatz in einem Sensorelement (110), vorgeschlagen. Das Sensorelement (110) kann insbesondere zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum eingerichtet sein. Das Heizelement (112) umfasst mindestens zwei Kontaktelemente (120) und mindestens zwei über die Kontaktelemente (120) mit einem Heizstrom beaufschlagbare Heizpfade (126, 128). Das Heizelement (112) ist derart ausgestaltet, dass ein über die Kontaktelemente (120) bereitgestellter Gesamtstrom bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen auf unterschiedliche Weise auf die Heizpfade (126, 128) aufgeteilt wird.A sensor element (110) and a heating element (112), in particular for use in a sensor element (110), are proposed. The sensor element (110) can in particular be designed to detect at least one property of a gas in a measurement gas space. The heating element (112) comprises at least two contact elements (120) and at least two heating paths (126, 128) to which a heating current can be applied via the contact elements (120). The heating element (112) is designed in such a way that a total current provided via the contact elements (120) is divided into the heating paths (126, 128) in different ways at at least two different temperatures.

Description

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Bauelemente oder Baugruppen bekannt, welche zur Erzeugung einer oder mehrerer Betriebstemperaturen über ein oder mehrere Heizelemente verfügen, beispielsweise integrierte Heizelemente. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen und Einsatzgebiete wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf Heizelemente in Sensorelementen zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Insbesondere kann es sich bei den Sensorelementen um Sensorelemente handeln, welche zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung eines Gases in einem Messgasraum eingerichtet sind, insbesondere um ein keramisches Sensorelement, beispielsweise mit einer oder mehreren Funktionskeramiken. Beispiele derartiger Sensorelemente, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind Sensorelemente, bei welchen mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, die über mindestens einen Festelektrolyten miteinander verbunden sind, insbesondere einen keramischen Festelektrolyten wie beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid oder Scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid. Ausführungsbeispiele derartiger Sensorelemente sind in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben. Bei der mindestens einen Gaskomponente, deren Anteil in dem Gas qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden soll, kann es sich insbesondere um Sauerstoff und/oder Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe handeln. Auch andere Gasanteile können jedoch grundsätzlich erfasst werden.Numerous components or assemblies are known from the prior art, which have one or more heating elements for producing one or more operating temperatures, for example integrated heating elements. Without limiting further possible embodiments and fields of application, the invention will be described below with reference to heating elements in sensor elements for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space. In particular, the sensor elements may be sensor elements which are set up for the qualitative and / or quantitative detection of a gas in a measurement gas space, in particular a ceramic sensor element, for example with one or more functional ceramics. Examples of such sensor elements, to which the invention is not limited, are sensor elements in which at least two electrodes are provided, which are interconnected via at least one solid electrolyte, in particular a ceramic solid electrolyte such as zirconia, in particular yttrium-stabilized zirconia or scandium-doped zirconia. Embodiments of such sensor elements are in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, issue 2007, pages 154-159 described. The at least one gas component whose proportion in the gas is to be detected qualitatively and / or quantitatively can be, in particular, oxygen and / or nitrogen oxides and / or hydrocarbons. However, other gas shares can also be recorded in principle.

Die in der Regel vorhandene Notwendigkeit der Verwendung eines oder mehrerer Heizelemente in derartigen Abgassensoren, die auf der Basis von Funktionskeramiken aufgebaut sind, ergibt sich in der Regel daraus, dass die Funktionskeramiken eine Betriebstemperatur von typischerweise 700 bis 900°C, beispielsweise 800°C, benötigen. Typischerweise werden daher in derartigen Sensorelementen, beispielsweise Sensorelementen mit einem keramischen Schichtaufbau, ein oder mehrere Platinheizer vorgesehen. Derartige Platinheizer werden beispielsweise als Heizmäander ausgeführt. Dabei werden an den Heizwiderstand der Heizelemente unterschiedliche Anforderungen gestellt. So sollte bei niedrigen Temperaturen der Heizer einen Mindestwiderstand überschreiten. Dadurch können die Endstufen eines Steuergeräts des Sensorelements in der Regel für geringere Ströme ausgelegt werden. Bei hohen Temperaturen hingegen sollte das Heizelement einen Maximalwiderstand unterschreiten. Dabei kann auch bei einer begrenzten Heizspannung, beispielsweise einer maximalen Heizspannung von 10,5 V, genügend Heizleistung in das Sensorelement überführt werden.The generally existing need to use one or more heating elements in such exhaust gas sensors, which are constructed on the basis of functional ceramics, usually results from the fact that the functional ceramics an operating temperature of typically 700 to 900 ° C, for example 800 ° C, need. Typically, therefore, one or more platinum heaters are provided in such sensor elements, for example sensor elements with a ceramic layer structure. Such platinum heaters are designed, for example, as Heizmäander. In this case, different requirements are placed on the heating resistor of the heating elements. Thus, at low temperatures, the heater should exceed a minimum resistance. As a result, the output stages of a control device of the sensor element can usually be designed for lower currents. At high temperatures, however, the heating element should fall below a maximum resistance. In this case, even with a limited heating voltage, for example a maximum heating voltage of 10.5 V, sufficient heating power can be transferred into the sensor element.

Aufgrund der genannten Anforderungen und der Temperaturabhängigkeit üblicher Heizelementmaterialien, wie beispielsweise Platin, ergeben sich jedoch in der Praxis in der Regel strikte Restriktionen bezüglich der geometrischen Auslegung des Heizelements. In manchen Applikationen ist der Einsatz eines anderen Heizermetalls, beispielsweise einer anderen Heizerlegierung, unabdingbar, so dass beispielsweise bei vielen Lambdasonden, insbesondere Lambdasonden für Dieselanwendungen, in vielen Fällen Pt/Pd-Heizer eingesetzt werden. Hieraus ergeben sich jedoch weitere Herausforderungen bezüglich einer Verkapselung des Heizelements. Allgemein wäre es wünschenswert, den Anteil an Edelmetallen, insbesondere Platin, im gesamten Sensorelement und dabei insbesondere auch im Heizelement, zu reduzieren. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus WO 2007/062969 A1 , ist grundsätzlich bekannt, Heizelemente derart auszugestalten, dass zwei Heizer parallelgeschaltet werden. Weiterhin ist allgemein und auch in Abgassonden der Einsatz von Perowskiten als elektrisch leitfähige Materialien bekannt, beispielsweise aus WO 2001/044798 A1 . Trotz der durch diese bekannten Ausgestaltungen erzielten Verbesserungen besteht jedoch weiterhin ein Verbesserungsbedarf, insbesondere hinsichtlich der oben beschriebenen unterschiedlichen Anforderungen an die Heizelemente und hinsichtlich des allgemeinen Edelmetallbedarfs der Heizelemente.Due to the above requirements and the temperature dependence of conventional heating element materials, such as platinum, however, there are generally strict restrictions in practice with respect to the geometric design of the heating element. In some applications, the use of another heater metal, such as another heater alloy, is essential, so that, for example, in many lambda probes, in particular lambda probes for diesel applications, in many cases Pt / Pd heaters are used. However, this results in further challenges regarding an encapsulation of the heating element. In general, it would be desirable to reduce the proportion of noble metals, in particular platinum, in the entire sensor element and in particular also in the heating element. From the prior art, for example WO 2007/062969 A1 , is basically known to design heating elements such that two heaters are connected in parallel. Furthermore, the use of perovskites as electrically conductive materials is generally known and also in exhaust gas probes, for example WO 2001/044798 A1 , Despite the improvements achieved by these known embodiments, however, there is still a need for improvement, in particular with regard to the above-described different requirements for the heating elements and with regard to the general precious metal requirement of the heating elements.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es werden daher ein Heizelement sowie ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die oben genannten Nachteile bekannter Heizelemente und Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden. Wie oben beschrieben, kann es sich bei der mindestens einen Eigenschaft des Gases in einem Messgasraum grundsätzlich um eine beliebige physikalisch und/oder chemisch messbare Eigenschaft handeln. Besonders bevorzugt ist es, wenn die mindestens eine Eigenschaft einen Anteil einer Gaskomponente in dem Gas umfasst, so dass das Sensorelement insbesondere zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung der Gaskomponente eingerichtet sein kann. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.Therefore, a heating element and a sensor element for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space are proposed, which at least largely avoid the abovementioned disadvantages of known heating elements and sensor elements. As described above, the at least one property of the gas in a measurement gas space can basically be any physically and / or chemically measurable property. It is particularly preferred if the at least one property comprises a portion of a gas component in the gas, so that the sensor element can be set up in particular for the qualitative and / or quantitative detection of the gas component. However, other applications are possible in principle.

Das Heizelement umfasst mindestens zwei Kontaktelemente und mindestens zwei über die Kontaktelemente mit Heizstrom beaufschlagbare Heizpfade. Besonders bevorzugt ist es, wenn genau zwei Kontaktelemente vorgesehen sind, wobei über die zwei Kontaktelemente beispielsweise eine Heizspannungsquelle und/oder Stromquelle mit den Heizpfaden verbindbar ist. Die Heizpfade können sich allgemein mindestens eines der Kontaktelemente teilen, so dass beispielsweise ein Kontaktelement für mindestens zwei Heizpfade vorgesehen ist. Beispielsweise können zwei Kontaktelemente vorgesehen sein, welche jeweils mit mindestens zwei Heizpfaden verbunden sind. Unter einem Kontaktelement ist allgemein ein Element zu verstehen, über welches die Heizpfade mit einem elektrischen Strom und/oder einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind. Die Kontaktelemente können beispielsweise Kontaktpads zum Anschließen von entsprechenden Kontakten umfassen und/oder auch Zuleitungen, welche mit den Heizpfaden verbunden sind. Unter einem Heizpfad ist grundsätzlich eine beliebige Leiteranordnung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um bei Beaufschlagung mit einer Spannung und/oder einem Strom Wärme oder Heizleistung zu generieren. Insbesondere kann es sich bei den Heizpfaden um gedruckte Heizpfade eines Schichtaufbaus handeln, insbesondere eines keramischen Schichtaufbaus. Die Heizpfade können dabei vorzugsweise eine mit einer oder mehreren Windungen ausgestattete, nicht-gerade Ausgestaltung aufweisen. Insbesondere können die Heizpfade Heizmäander sein. Die Heizpfade können jeweils mindestens eine Heizleiterschleife umfassen.The heating element comprises at least two contact elements and at least two heating paths which can be acted upon by the contact elements with heating current. It is particularly preferred if exactly two contact elements are provided, wherein, for example, a heating voltage source and / or current source can be connected to the heating paths via the two contact elements. The heating paths can be Share generally at least one of the contact elements, so that, for example, a contact element is provided for at least two Heizpfade. For example, two contact elements may be provided, which are each connected to at least two Heizpfaden. Under a contact element is generally an element to understand, via which the Heizpfade can be acted upon by an electric current and / or an electrical voltage. The contact elements may include, for example, contact pads for connecting corresponding contacts and / or also supply lines which are connected to the heating paths. Under a heating path is basically any conductor arrangement to understand, which is adapted to generate when exposed to a voltage and / or current heat or heating power. In particular, the heating paths can be printed heating paths of a layer structure, in particular of a ceramic layer structure. The heating paths may preferably have a non-straight configuration equipped with one or more windings. In particular, the Heizpfade can be Heizmäander. The heating paths may each comprise at least one heating conductor loop.

Zur Lösung der oben beschriebenen Problematik wird vorgeschlagen, das Heizelement derart auszugestalten, dass ein über die Kontaktelemente bereitgestellter Gesamtstrom bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen auf unterschiedliche Weise auf die Heizpfade aufgeteilt wird. In anderen Worten soll die Aufteilung des Gesamtstroms auf die Heizpfade temperaturabhängig sein. Beispielsweise können die Heizpfade mindestens einen ersten Heizpfad und mindestens einen zweiten Heizpfad umfassen, wobei durch den ersten Heizpfad ein erster Strom I1 fließt und wobei durch den zweiten Heizpfad ein zweiter Strom I2 fließt, wobei mindestens zwei Temperaturen T1, T2 existieren, mit T2 > T1, für die gilt:

Figure 00030001
Vorzugsweise liegen die Temperaturen T1, T2 dabei in einem Temperaturbereich von 700 bis 900°C. Vorzugsweise kann die genannte Bedingung für alle Temperaturen T1, T2 innerhalb eines Betriebsbereichs gelten, beispielsweise dem genannten Bereich von 700 bis 900°C.To solve the problem described above, it is proposed to design the heating element in such a way that a total current provided via the contact elements is distributed in different ways to the heating paths at at least two different temperatures. In other words, the distribution of the total current to the Heizpfade should be temperature dependent. By way of example, the heating paths may comprise at least one first heating path and at least one second heating path, a first current I 1 flowing through the first heating path and a second current I 2 flowing through the second heating path, at least two temperatures T 1 , T 2 existing, with T 2 > T 1 , for which applies:
Figure 00030001
The temperatures T 1 , T 2 are preferably in a temperature range from 700 to 900 ° C. Preferably, said condition may apply to all temperatures T 1 , T 2 within an operating range, for example the said range of 700 to 900 ° C.

Die Heizpfade, insbesondere der erste Heizpfad und der zweite Heizpfad, können insbesondere vollständig oder teilweise aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein und/oder über unterschiedliche Materialien mit den Kontaktelementen (120) verbunden sein. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der erste Heizpfad und/oder eine Verbindung zwischen mindestens einem der Kontaktelemente und dem ersten Heizpfad mindestens ein Material aufweisen, welches der zweite Heizpfad und/oder eine Verbindung zwischen mindestens einem der Kontaktelemente und dem zweiten Heizpfad nicht aufweisen, und/oder dass der zweite Heizpfad und/oder eine Verbindung zwischen mindestens einem der Kontaktelemente und dem zweiten Heizpfad mindestens ein Material aufweisen, welches der erste Heizpfad und/oder eine Verbindung zwischen mindestens einem der Kontaktelemente und dem ersten Heizpfad nicht aufweisen. Insbesondere können die unterschiedlichen Materialien Widerstände mit einem unterschiedlichen Temperaturverhalten aufweisen, also Materialien mit einer unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit ihrer elektrischen Widerstände. Beispielsweise kann der erste Heizpfad vollständig oder teilweise aus einem Material mit einem ersten Temperaturverhalten hergestellt sein, wohingegen der zweite Heizpfad vollständig oder teilweise mit einem Material mit einem zweiten Temperaturverhalten hergestellt ist oder ein derartiges Material aufweist. Insbesondere können die unterschiedlichen Materialien mindestens ein erstes Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Material) und mindestens ein zweites Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC-Material) aufweisen. Beispielsweise kann mindestens ein erster Heizpfad der Heizpfade aus dem mindestens einen Material mit positivem Temperaturkoeffizienten bestehen. Beispielsweise kann dies derart erfolgen, dass der erste Heizpfad insgesamt ein positives Temperaturverhalten aufweist, so dass ein Widerstand des ersten Heizpfads mit steigender Temperatur, beispielsweise innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs, abfällt. Mindestens ein zweiter Heizpfad der Heizpfade kann das mindestens eine Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen und/oder über das mindestens eine Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten mit einem oder mehreren der Kontaktelemente verbunden sein. Dieses mindestens eine Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten kann beispielsweise einen Abschnitt des zweiten Heizpfads bilden und/oder ein Schaltelement, über welches der zweite Heizpfad mit einem oder mehreren der Kontaktelemente verbunden ist. Verschiedene Ausgestaltungen werden unten noch exemplarisch näher beschrieben.The heating paths, in particular the first heating path and the second heating path, may in particular be manufactured completely or partially from different materials and / or via different materials with the contact elements ( 120 ). This may in particular mean that the first heating path and / or a connection between at least one of the contact elements and the first heating path comprise at least one material which does not have the second heating path and / or a connection between at least one of the contact elements and the second heating path, and or that the second heating path and / or a connection between at least one of the contact elements and the second heating path comprise at least one material which does not have the first heating path and / or a connection between at least one of the contact elements and the first heating path. In particular, the different materials may have resistors with a different temperature behavior, that is to say materials with a different temperature dependence of their electrical resistances. For example, the first heating path may be made entirely or partially of a material having a first temperature behavior, whereas the second heating path is made wholly or partly with a material having a second temperature behavior or comprises such a material. In particular, the different materials may comprise at least one first material having a positive temperature coefficient (PTC material) and at least one second material having a negative temperature coefficient (NTC material). For example, at least one first heating path of the heating paths can consist of the at least one material with a positive temperature coefficient. For example, this can be done in such a way that the first heating path overall has a positive temperature behavior, so that a resistance of the first heating path decreases with increasing temperature, for example within a predetermined temperature range. At least one second heating path of the heating paths may comprise the at least one material having a negative temperature coefficient and / or be connected to one or more of the contact elements via the at least one material having the negative temperature coefficient. This at least one material with the negative temperature coefficient can for example form a section of the second heating path and / or a switching element, via which the second heating path is connected to one or more of the contact elements. Various embodiments will be described below in more detail by way of example.

Das Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten kann insbesondere ein Metalloxid umfassen. Vorzugsweise kann das Material mit negativem Temperaturkoeffizienten ein Metalloxid nach einer der allgemeinen Formeln Ax1Bx2On und Cx3Dx4Ex5Om sein. Dabei sind A, B, C, D, E jeweils, vorzugsweise unabhängig voneinander, metallische Elemente, wobei vorzugsweise A La ist, wobei B vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fe, Co, Ni und Cu, wobei C vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus La und Ba, wobei D vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ca und Sr und wobei E vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cr, Mn, Fe, und Co. x1, x2, x3, x4 und x5 sind reelle Zahlen, und n und m sind ganze Zahlen. Insbesondere kann das Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten ein Material mit einer Perowskit-Struktur sein. oder ein derartiges Material umfassen, vorzugsweise ein Material der allgemeinen Formel La1-xCaxCr3-δ, wobei x eine reelle Zahl größer als 0 und kleiner als 1 ist, vorzugsweise mit 0 < x < 0,3, und wobei δ eine reelle Zahl mit 0 ≤ δ < 1 ist, vorzugsweise mit 0 < δ < 0,3 und besonders bevorzugt δ = 0,15.The negative temperature coefficient material may particularly comprise a metal oxide. Preferably, the negative temperature coefficient material may be a metal oxide of any of the general formulas A x1 B x2 O n and C x3 D x4 E x 5 O m . In this case, A, B, C, D, E are each, preferably independently, metallic elements, wherein preferably A is La, where B is preferably is selected from the group consisting of Fe, Co, Ni and Cu, wherein C is preferably selected from the group consisting of La and Ba, wherein D is preferably selected from the group consisting of Ca and Sr and wherein E is preferably selected from Group consisting of Cr, Mn, Fe, and Co. x 1 , x 2 , x 3 , x 4, and x 5 are real numbers, and n and m are integers. In particular, the negative temperature coefficient material may be a material having a perovskite structure. or such a material, preferably a material of the general formula La 1-x Ca x Cr 3-δ , where x is a real number greater than 0 and less than 1, preferably 0 <x <0.3, and where δ a real number 0 ≤ δ <1, preferably 0 <δ <0.3 and more preferably δ = 0.15.

Ist mindestens ein Material mit negativem Temperaturkoeffizienten vorgesehen, so kann dies auf verschiedene Weise angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Abschnitt des zweiten Heizpfads vollständig aus einem derartigen Material hergestellt sein. Alternativ kann der zweite Heizpfad auch vollständig aus diesem Material hergestellt sein. Wiederum alternativ kann mindestens ein Schaltelement vorgesehen sein, wie oben beschrieben, welches beispielsweise vollständig oder teilweise aus dem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten besteht, und welches die Strombeaufschlagung und/oder Spannungsbeaufschlagung des zweiten Heizpfads bestimmt. Insbesondere kann mindestens einer der Heizpfade, beispielsweise der mindestens eine zweite Heizpfad, mit mindestens einem der Kontaktelemente über mindestens ein Schaltelement verbunden sein. Insbesondere kann dieses Schaltelement das Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten umfassen oder vollständig aus diesem Material hergestellt sein. Beispielsweise kann dieses Schaltelement zwischen den Heizpfad, beispielsweise den zweiten Heizpfad, und das Kontaktelement geschaltet sein. Das Schaltelement soll eingerichtet sein, um eine temperaturabhängige Aufteilung des Gesamtstroms auf die Strompfade zu bewirken.If at least one material with a negative temperature coefficient is provided, this can be arranged in different ways. For example, a portion of the second heating path may be made entirely of such a material. Alternatively, the second heating path may also be made entirely of this material. Again, alternatively, at least one switching element may be provided, as described above, which for example consists entirely or partially of the material with a negative temperature coefficient, and which determines the current application and / or voltage application of the second heating path. In particular, at least one of the heating paths, for example the at least one second heating path, can be connected to at least one of the contact elements via at least one switching element. In particular, this switching element may comprise the material with the negative temperature coefficient or be made entirely of this material. For example, this switching element can be connected between the heating path, for example the second heating path, and the contact element. The switching element should be set up to effect a temperature-dependent distribution of the total current to the current paths.

Wie oben ausgeführt, wird in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gas. Das Sensorelement weist mindestens ein Heizelement gemäß einer oder mehreren der oben oder auch im Folgenden beschriebenen Ausgestaltungen auf. Das Sensorelement kann insbesondere ein keramisches Sensorelement sein, vorzugsweise mit einem keramischen Schichtaufbau mit einer oder mehreren Funktionskeramiken. Insbesondere kann das Sensorelement mindestens zwei Elektroden umfassen, welche über mindestens einen Festelektrolyten miteinander verbunden sind, beispielsweise ein keramisches Festelektrolytmaterial. Insbesondere kann mindestens eine der Elektroden mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Verschiedene Ausgestaltungen derartiger Sensorelemente sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann das Sensorelement eine so genannte Lambdasonde sein oder umfassen, zur Erfassung eines Sauerstoffanteils in einem Gas. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement auch beispielsweise einen NOx-Sensor oder eine andere Art von Sensorelement umfassen.As stated above, in a further aspect of the present invention, a sensor element is proposed for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, in particular for detecting a portion of a gas component in the gas. The sensor element has at least one heating element according to one or more of the embodiments described above or also below. The sensor element may in particular be a ceramic sensor element, preferably with a ceramic layer structure with one or more functional ceramics. In particular, the sensor element may comprise at least two electrodes, which are connected to one another via at least one solid electrolyte, for example a ceramic solid electrolyte material. In particular, at least one of the electrodes can be acted upon with gas from the measuring gas space. Various configurations of such sensor elements are basically known from the prior art. For example, the sensor element may be or comprise a so-called lambda probe for detecting an oxygen content in a gas. Alternatively or additionally, the sensor element may also comprise, for example, a NOx sensor or another type of sensor element.

Das Heizelement und das Sensorelement gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen weisen gegenüber bekannten Heizelementen und Sensorelementen zahlreiche Vorteile auf. So lässt sich das Heizelement insbesondere als selbstregulierendes Heizelement ausgestalten. Unter einer Selbstregulierung wird dabei vorzugsweise eine Eigenschaft verstanden, bei welcher die Aufteilung der Ströme auf die Heizpfade selbstständig und ohne äußere Einwirkung, in Abhängigkeit von der jeweils am Ort des Heizelements herrschenden Temperatur erfolgt. Das Heizelement kann insbesondere aus mehreren Heizmäandern bestehen. In Abhängigkeit von der Betriebstemperatur kann das Heizelement insbesondere derart ausgestaltet sein, dass sich, in Abhängigkeit von dieser Betriebstemperatur, eine unterschiedliche Anzahl an Heizpfaden in unterschiedlich starker Weise am Heizprozess beteiligt. Beispielsweise kann die Kontaktierung zusätzlicher Heizpfade, beispielsweise eines oder mehrerer zusätzlicher Heizmäander, über ein heißleitendes Material, beispielsweise ein Material mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) erfolgen, um diese unterschiedliche Stromverteilung zu gewährleisten. Derartige Materialien mit negativem Temperaturkoeffizienten weisen üblicherweise eine charakteristische Temperatur TNTC auf. In diesem Fall gilt beispielsweise für folgende Betriebstemperaturen T des Heizelements:

  • a) T < TNTC: Bei geringer Betriebstemperatur sperrt der hochohmige NTC die elektrische Beschaltung der diesen NTC aufweisenden Heizpfade und/oder der über diesen NTC mit den Kontaktelementen verbundenen Heizpfade. Somit fließt lediglich durch den oder die nicht über den NTC mit Strom beaufschlagten Heizpfade ein Heizstrom. Der Widerstand des gesamten Heizelements ist damit vergleichsweise hoch. Dies erfüllt die oben beschriebenen Anforderungen seitens der Auslegung des Steuergeräts.
  • b) T > TNTC: Mit steigender Betriebstemperatur sinkt hingegen der Widerstand des NTCs, so dass zunehmend eine Strombeaufschlagung des über diesen NTC mit den Kontaktelementen verbundenen mindestens einen Heizpfads erfolgt, so dass ein zunehmender Heizstrom durch diesen mindestens einen zweiten Heizpfad fließen kann. Nun beteiligen sich mehrere Heizpfade am Heizprozess, und der Widerstand des gesamten Heizelements ist damit vergleichsweise klein. Dies erfüllt die zweite oben genannte Anforderung bezüglich der Begrenzung des Heizspannungsbedarfs.
The heating element and the sensor element according to one or more of the embodiments described above have numerous advantages over known heating elements and sensor elements. Thus, the heating element can be designed in particular as a self-regulating heating element. A self-regulation is preferably understood to mean a property in which the distribution of the currents onto the heating paths takes place independently and without external action, depending on the temperature prevailing at the location of the heating element. The heating element may in particular consist of several Heizmäandern. Depending on the operating temperature, the heating element may in particular be designed such that, depending on this operating temperature, a different number of heating paths participate in the heating process in different degrees. For example, the contacting of additional heating paths, for example one or more additional meanders, can be effected via a heat-conducting material, for example a material with a negative temperature coefficient (NTC), in order to ensure this different current distribution. Such negative temperature coefficient materials usually have a characteristic temperature T NTC . In this case, the following applies for example for the following operating temperatures T of the heating element:
  • a) T <T NTC : When the operating temperature is low, the high-resistance NTC blocks the electrical wiring of the heating paths having these NTCs and / or the heating paths connected to the contact elements via this NTC. Thus, only by the or not energized via the NTC Heizpfade a heating current flows. The resistance of the entire heating element is thus comparatively high. This meets the requirements described above for the design of the control unit.
  • b) T> T NTC : With increasing operating temperature, however, the resistance of the NTC decreases, so that increasingly a current is applied to at least one Heizpfads connected via this NTC with the contact elements, so that an increasing heating current can flow through this at least one second heating path. Now participate in several Heizpfade am Heating process, and the resistance of the entire heating element is thus relatively small. This meets the second above-mentioned requirement regarding the limitation of the heating voltage requirement.

Hieraus ergeben sich mehrere Vorteile. Aufgrund des vergleichsweise hohen Gesamtwiderstands des Heizelements bei niedrigen Temperaturen ist eine effiziente Auslegung eines Steuergeräts möglich, welches mit dem Sensorelement und insbesondere dem Heizelement verbunden werden kann. Aufgrund des vergleichsweise geringen Gesamtwiderstands des Heizelements hingegen bei hohen Temperaturen bleibt auch bei einer hohen Auskühlung des gesamten Sensorelements und/oder einem hohen Heizleistungsbedarf der Heizspannungsbedarf insgesamt begrenzt. Damit ist auch die oben genannte zweite Bedingung in hervorragender Weise erfüllt.This results in several advantages. Due to the comparatively high total resistance of the heating element at low temperatures, an efficient design of a control device is possible, which can be connected to the sensor element and in particular to the heating element. On the other hand, due to the comparatively low total resistance of the heating element at high temperatures, the heating voltage requirement remains limited even with a high cooling of the entire sensor element and / or a high heating power requirement. Thus, the above-mentioned second condition is met in an excellent manner.

Weiterhin bietet das beschriebene Konzept auch hinsichtlich der einsetzbaren Materialien zahlreiche Vorteile. So lässt sich einerseits das bekannte und bewährte Heizersystem, beispielsweise auf der Basis von Platin, vorzugsweise weiter einsetzen. Gegenüber einem bisherigen Heizersystem gemäß dem Stand der Technik führt der Einsatz der erfindungsgemäßen Ausgestaltung jedoch in der Regel zu einem stark reduzierten, effektiven Temperaturkoeffizienten α.Furthermore, the concept described also offers many advantages in terms of usable materials. Thus, on the one hand, the known and proven heater system, for example based on platinum, can preferably continue to be used. Compared to a previous heater system according to the prior art, however, the use of the inventive design usually leads to a greatly reduced, effective temperature coefficient α.

Weiterhin lässt sich auch verschaltungstechnisch die Erfindung vorteilhaft nutzen. So ist in der Regel keine zusätzliche Heizerleitung nötig, über die eine Beschaltung der verschiedenen Heizpfade realisiert werden kann. Die mehreren Heizpfade können über dieselben Kontaktelemente kontaktiert werden. Stattdessen regelt das Heizelement vorzugsweise eigenständig und autonom die Verteilung des Stroms auf die Heizpfade. Am Steuergerät sind in der Regel keine prinzipiellen Änderungen erforderlich.Furthermore, the invention can also be used advantageously in terms of interconnection technology. As a rule, no additional heater line is needed, via which a wiring of the different Heizpfade can be realized. The multiple heating paths can be contacted via the same contact elements. Instead, the heating element preferably regulates autonomously and autonomously the distribution of the current to the heating paths. As a rule, no fundamental changes are required at the control unit.

Die mindestens zwei Heizpfade können insbesondere vollständig oder teilweise elektrisch parallelgeschaltet werden. Durch die Parallelschaltung, insbesondere die Parallelschaltung eines Materials mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), insbesondere eines Platinheizers, und eines Materials mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, beispielsweise eines NTC-Heizpfads mit mindestens einem NTC-Material, vorzugsweise in einem Hot Spot, kann der resultierende Gesamtwiderstand des Heizelements verringert werden. Allgemein können beispielsweise ein Heizspannungsbedarf, eine FLO-Zeit (Fast Light-Off, Schnellstart einer Lambdasonde) und/oder ein Edelmetalleinsatz reduziert werden. Durch die Parallelschaltung, beispielsweise die Parallelschaltung eines Platinheizers (PTC) und eines NTC-Heizers, beispielsweise in einem Mäander-Zuleitungsbereich, kann der resultierende Temperaturkoeffizient bei einem schnellen Aufheizen reduziert werden. Insgesamt lässt sich auch ein Heizelement mit einem geringeren Thermostress realisieren.In particular, the at least two heating paths can be connected in parallel, completely or partially electrically. By the parallel connection, in particular the parallel connection of a material with a positive temperature coefficient (PTC), in particular a platinum heater, and a material with a negative temperature coefficient, for example an NTC Heizpfads with at least one NTC material, preferably in a hot spot, the resulting total resistance of the heating element can be reduced. In general, for example, a heating voltage requirement, a FLO time (fast light-off, quick start of a lambda probe) and / or a use of precious metals can be reduced. Due to the parallel connection, for example the parallel connection of a platinum heater (PTC) and an NTC heater, for example in a meander supply region, the resulting temperature coefficient can be reduced during rapid heating. Overall, a heating element with a lower thermal stress can also be realized.

Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Rußleitpfade. Durch die allgemein höhere Temperatur im Zuleitungsbereich, beispielsweise im Bereich der Kontaktelemente und/oder im Zuleitungsbereich der Heizpfade, welcher sich beispielsweise bis nahe an eine Dichtpackung des Sensorelements heran erstreckt, kann die Entstehung von Rußleitpfaden zu einem Gehäuse, beispielsweise einem Sondengehäuse, reduziert werden.Further advantages arise with regard to the Rußleitpfade. Due to the generally higher temperature in the supply region, for example in the region of the contact elements and / or in the supply region of the heating paths, which extends for example close to a sealing packing of the sensor element, the formation of Rußleitpfaden to a housing, such as a probe housing, can be reduced.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments.

Es zeigen:Show it:

1 bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Heizelemente und Sensorelemente; 1 to 3 various embodiments of heating elements and sensor elements according to the invention;

4 einen Widerstandsverlauf des Heizelements als Funktion der Betriebstemperatur; und 4 a resistance profile of the heating element as a function of the operating temperature; and

5 ein Widerstandsverhalten typischer Perowskit-Materialien für den Einsatz als NTC-Materialien im Rahmen der vorliegenden Erfindung. 5 a resistance behavior of typical perovskite materials for use as NTC materials in the context of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den 1 bis 3 sind verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Sensorelemente 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum sowie verschiedener Heizelemente 112 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das gesamte Sensorelement 110 ist dabei in den 1 bis 3 lediglich schematisch und teilweise angedeutet. Beispielsweise kann es sich dabei um ein Sensorelement gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik handeln, beispielsweise um ein Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum. Die Erfindung kann allgemein vorzugsweise auf Kraftfahrzeugsensoren eingesetzt werden, beispielsweise auf Sensoren zur Erfassung eines oder mehrerer Gasanteile einer oder mehrerer Gaskomponenten in einem Abgas einer Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann die Erfindung somit auf Lambdasonden oder auf NOx-Sensoren eingesetzt werden. Bezüglich eines möglichen Aufbaus der Sensorelemente 110, abgesehen von dem nachfolgend beschriebenen Aufbau eines Heizelements, kann beispielsweise auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden.In the 1 to 3 are various embodiments of inventive sensor elements 110 for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space and various heating elements 112 represented according to the present invention. The entire sensor element 110 is doing in the 1 to 3 only schematically and partially indicated. For example, this may be a sensor element according to the prior art described above, for example a sensor element for detecting at least a portion of a gas component in a measurement gas space. The invention can generally be used preferably on motor vehicle sensors, for example sensors for detecting one or more gas fractions of one or more gas components in an exhaust gas of an internal combustion engine. For example, the invention can thus be used on lambda probes or on NOx sensors. Regarding a possible construction of the sensor elements 110 Apart from the construction of a heating element described below, reference may be made, for example, to the above-mentioned prior art.

Das Sensorelement 110 umfasst einen keramischen Schichtaufbau, wobei in den 1 bis 3 jeweils Draufsichten auf eine Schicht des Heizelements 112 des Schichtaufbaus gezeigt sind. Auf diesem können weitere Schichten aufgebaut sein, welche in den Figuren nicht dargestellt sind. Der Schichtaufbau umfasst beispielsweise ein oder mehrere Substratmaterialien 114, beispielsweise keramische Substratmaterialien, beispielsweise auf Zirkoniumdioxid-Basis, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid. Auf diese Substratmaterialien 114 können beispielsweise ein oder mehrere Isolatormaterialien 116 aufgebracht werden als Heizerisolation, beispielsweise Al2O3. Auf dieses Isolatormaterial 116 wiederum, beispielsweise auf diese mindestens eine Isolatorschicht, kann dann ein Heizwiderstand 118 des Heizelements 112 aufgebracht werden, beispielsweise durch ein Druckverfahren. The sensor element 110 comprises a ceramic layer structure, wherein in the 1 to 3 each plan views of a layer of the heating element 112 of the layer structure are shown. On this further layers may be constructed, which are not shown in the figures. The layer structure comprises, for example, one or more substrate materials 114 For example, ceramic substrate materials, for example zirconia-based, for example, yttrium-stabilized zirconia and / or scandium-doped zirconia. On these substrate materials 114 For example, one or more insulator materials may be used 116 be applied as a heater insulation, for example, Al 2 O 3 . On this insulator material 116 in turn, for example, this at least one insulator layer, then a heating resistor 118 of the heating element 112 be applied, for example by a printing process.

Auch andere Herstellungstechniken sind jedoch grundsätzlich möglich. Der Heizwiderstend 118 umfasst in den dargestellten Ausführungsbeispielen Kontaktelemente 120, welche hier exemplarisch und ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen jeweils zwei Kontaktpads 122 und zwei Zuleitungen 124 umfassen können. Weiterhin umfasst der Heizwiderstand 118 in den dargestellten Ausführungsbeispielen mehrere Heizpfade, nämlich hier exemplarisch einen ersten Heizpfad 126 und einen zweiten Heizpfad 128. Der erste und der zweite Heizpfad 126 bzw. 128 können auch als erster Heizmäander bzw. zweiter Heizmäander bezeichnet werden.However, other production techniques are basically possible. The heating resistor 118 includes contact elements in the illustrated embodiments 120 , Which here by way of example and without limitation of other possible embodiments in each case two contact pads 122 and two leads 124 may include. Furthermore, the heating resistor comprises 118 in the illustrated embodiments, several heating paths, namely here a first example heating path 126 and a second heating path 128 , The first and the second heating path 126 respectively. 128 may also be referred to as first meander or second meander meander.

Wie oben beschrieben, ist das Heizelement derart eingerichtet, dass ein über die Kontaktelemente 120 bereitgestellter Gesamtstrom durch den Heizwiderstand 118 auf eine Temperatur-abhängige Weise auf die mindestens zwei Heizpfade 126, 128 aufgeteilt wird. Allgemein haben die Heizpfade dabei vorzugsweise ein unterschiedliches Temperaturverhalten, wobei mindestens einer der Heizpfade 126, 128 vorzugsweise ein Temperaturverhalten mit positivem Temperaturkoeffizienten aufweist und mindestens einer der Heizpfade 126, 128 vorzugsweise ein Temperaturverhalten mit negativem Temperaturkoeffizienten. Allgemein erfolgt die Beaufschlagung vorzugsweise dergestalt, dass der Anteil des Stroms durch den Heizpfad mit negativem Temperaturkoeffizienten bei steigenden Temperaturen zunimmt.As described above, the heating element is configured such that one via the contact elements 120 Provided total current through the heating resistor 118 in a temperature-dependent manner on the at least two heating paths 126 . 128 is split. In general, the heating paths preferably have a different temperature behavior, wherein at least one of the heating paths 126 . 128 preferably has a temperature behavior with a positive temperature coefficient and at least one of the Heizpfade 126 . 128 preferably a temperature behavior with a negative temperature coefficient. In general, the admission preferably takes place in such a way that the proportion of the current through the heating path with a negative temperature coefficient increases with increasing temperatures.

In den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist dies auf unterschiedliche Weise realisiert. In 1 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem mindestens ein Schaltelement 130 vorgesehen sein kann. Dieses Schaltelement 130 kann beispielsweise, wie in 1 gezeigt, zwischen den zweiten Heizpfad 128 und eine oder beide der Zuleitungen 124 geschaltet sein, so dass jeglicher Strom, welcher durch den zweiten Heizpfad 128 fließt, das Schaltelement 130 passieren muss. Dieses Schaltelement 130 kann beispielsweise ein Schaltelement aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten sein. Allgemein kann somit der zweite Heizpfad 128 mindestens einen NTC-Widerstand umfassen und/oder über mindestens einen NTC-Widerstand mit einem oder mehreren der Kontaktelemente 120 verbunden sein. Der NTC-Widerstand 132 kann grundsätzlich an beliebiger Stelle in dem zweiten Heizpfad 128 positioniert werden. Dabei sollte die Position vorzugsweise entsprechend einer günstigen Sprungtemperatur TNTC gewählt werden. Der NTC-Widerstand 132 kann beispielsweise mittels Siebdruck über eine Aussparung im Bereich zwischen der Zuleitung 124 und dem zweiten Heizpfad 128 und/oder in einer Aussparung innerhalb des zweiten Heizpfads 128 und/oder ganzflächig über bzw. über und unter dem PTC-Heizpfad gedruckt werden. Grundsätzlich kommen als Materialien mit negativem Temperaturkoeffizienten alle keramischen, co-sinterfähigen NTC-Materialien in Betracht. Weitere Voraussetzungen sind in der Regel eine chemische Kompatibilität mit den im Heizerverbund eingesetzten Materialien und eine mit den übrigen Materialien des Heizwiderstands 118 vergleichbare Oxidationsstabilität, beispielsweise eine mit Platin vergleichbare Oxidationsstabilität. Wie unten noch näher ausgeführt wird, ist insbesondere der Einsatz von Perowskiten, wie beispielsweise (La, Ca)CrO3, vielversprechend.In the in the 1 to 3 illustrated embodiments, this is realized in different ways. In 1 an embodiment is shown in which at least one switching element 130 can be provided. This switching element 130 can, for example, as in 1 shown between the second heating path 128 and one or both of the leads 124 be switched so that any current through the second heating path 128 flows, the switching element 130 must happen. This switching element 130 For example, a switching element may be made of a material having a negative temperature coefficient. Generally, therefore, the second heating path 128 comprise at least one NTC resistor and / or at least one NTC resistor with one or more of the contact elements 120 be connected. The NTC resistor 132 can basically at any point in the second heating path 128 be positioned. The position should preferably be selected according to a favorable transition temperature T NTC . The NTC resistor 132 For example, by screen printing on a recess in the area between the supply line 124 and the second heating path 128 and / or in a recess within the second heating path 128 and / or printed over the entire area over and / or under the PTC heating path. Basically suitable materials with a negative temperature coefficient all ceramic, co-sinterable NTC materials into consideration. Other requirements are usually chemical compatibility with the materials used in the heater network and one with the other materials of the heating resistor 118 comparable oxidation stability, for example, comparable to platinum oxidation stability. As will be explained in more detail below, in particular the use of perovskites, such as (La, Ca) CrO 3 , is promising.

Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines Schaltelements 130, vorzugsweise eines Schaltelements mit negativem Temperaturkoeffizienten, können der erste Heizpfad 126 und der zweite Heizpfad 128 auch großflächig miteinander verbunden werden und/oder einer oder mehrere der Heizpfade können vollständig aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Während beispielsweise in 1 der zweite Heizpfad 128 nicht vollständig aus dem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten hergestellt sein muss (dies gleichwohl jedoch sein kann), sind in den 2 und 3 verschiedene Ausführungsbeispiele gezeigt, bei welchen der zweite Heizpfad 128 vorzugsweise vollständig aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten hergestellt ist und somit praktisch vollständig einen NTC-Widerstand 132 bildet. Auch in diesem Fall bewirken die Widerstandseigenschaften mit negativem Temperaturkoeffizienten, analog zu 1, eine temperaturabhängige Aufteilung des Gesamtstroms, und somit eine Schaltungseigenschaft.Alternatively or in addition to the use of a switching element 130 , Preferably, a switching element with a negative temperature coefficient, the first heating path 126 and the second heating path 128 can also be connected to each other over a large area and / or one or more of the heating paths can be made entirely of different materials. While, for example, in 1 the second heating path 128 not completely made of the material with a negative temperature coefficient (this may nevertheless be) are in the 2 and 3 various embodiments shown in which the second heating path 128 preferably made entirely of a material having a negative temperature coefficient and thus practically completely an NTC resistor 132 forms. Also in this case, the resistance properties with a negative temperature coefficient, analogous to 1 , a temperature-dependent distribution of the total current, and thus a circuit property.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ein Schichtaufbau gezeigt, bei welchem die Heizpfade 126, 128 großflächig aufeinander liegen und somit großflächig, parallelgeschaltet sind. Beispielsweise kann zunächst, wie in 2 gezeigt, der zweite Heizpfad 128 auf das Isolatormaterial 116 aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt werden, welcher vorzugsweise großflächig ausgestaltet sein kann. Auf diesen kann dann, vorzugsweise schmaler ausgestaltet, der erste Heizpfad 126 aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt werden, beispielsweise in einem. Schritt mit der Herstellung der Zuleitungen 126. Der zweite Heizpfad 128 wird somit großflächig von dem ersten Heizpfad 126 kontaktiert. Auch hierdurch kann, beispielsweise durch Überdrucken von NTC-Material durch Platin, eine großflächige Parallelschaltung erreicht werden. Vorzugsweise kann ein Übergang 134 zwischen den Zuleitungen 124 und den Heizpfaden 126, 128 großflächig ausgestaltet werden, so dass ein großer, heizbarer Übergang zwischen den Heizpfaden 126, 128 und dem Bereich der Zuleitungen 124 entsteht. Insgesamt lässt sich durch den beschriebenen Aufbau eine maximale Einsparung von Edelmetallen, beispielsweise eine Platineinsparung, erzielen. Weiterhin lässt sich, durch Einbeziehung der Zuleitungen 124, ein niedriger Gesamtwiderstand im hohen Temperaturbereich realisieren. Der Übergang 134 lässt sich bis nahe an eine (nicht dargestellte) Dichtpackung des Sensorelements 110 heranführen. Aufgrund der hohen Temperatur lassen sich somit Rußleitpfade bis hin zu einer optionalen Dichtpackung vermeiden, und es ergibt sich insgesamt ein geringerer Temperaturgradient in der Zuleitung der Heizpfade 126, 128.In the embodiment according to 2 a layer structure is shown in which the Heizpfade 126 . 128 lie large area on each other and thus a large area, are connected in parallel. For example, first, as in 2 shown, the second heating path 128 on the insulator material 116 applied, for example, be printed, which can preferably be configured over a large area. On this can then, preferably designed narrower, the first heating path 126 applied, for example, be printed, for example, in a. Step with the production of the supply lines 126 , The second heating path 128 thus becomes a large area of the first heating path 126 contacted. This also makes it possible, for example, by overprinting of NTC material by platinum, a large parallel connection can be achieved. Preferably, a transition 134 between the supply lines 124 and the heating paths 126 . 128 be designed large area, so that a large, heatable transition between the Heizpfaden 126 . 128 and the range of supply lines 124 arises. Overall, can be achieved by the described structure a maximum saving of precious metals, such as a board savings. Furthermore, it is possible to integrate the supply lines 124 , realize a low total resistance in the high temperature range. The transition 134 can be close to a (not shown) sealing packing of the sensor element 110 introduce. Due to the high temperature so Rußleitpfade can be avoided up to an optional sealing packing, and there is a total of a lower temperature gradient in the supply of Heizpfade 126 . 128 ,

In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem der erste Heizpfad 126, welcher vorzugsweise vollständig aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten, beispielsweise Platin, hergestellt ist, und der zweite Heizpfad 128 mit dem NTC-Widerstand 132, lateral zueinander versetzt und vorzugsweise, außerhalb des Übergangsbereichs 134, gegeneinander elektrisch isoliert sind. Auch dieser Aufbau lässt sich beispielsweise wieder durch Überdrucken herstellen, beispielsweise indem die Heizpfade 126, 128 sequenziell auf das Isolatormaterial 116 aufgedruckt werden, so dass diese im Bereich des Übergangs 134 durch die Zuleitungen 124 kontaktiert sind. Der erste Heizpfad 126, welcher wiederum als PTC-Heizer ausgestaltet sein kann, und der schmale NTC-Widerstand 132 können derart ausgestaltet sein, dass ein Wärmeübertrag zwischen diesen Heizpfaden 126, 128 mit einer abstandsabhängigen Zeitkonstante erfolgt. Hierdurch kann die zeitliche Wirksamkeit der Parallelschaltung gesteuert und Einfluss auf eine Regelcharakteristik und/oder Regelstabilität von heizerspannungsgesteuerten Applikationen ohne eine Innenwiderstandsregelung genommen werden.In 3 an alternative embodiment is shown in which the first heating path 126 which is preferably made entirely of a material having a positive temperature coefficient, for example platinum, and the second heating path 128 with the NTC resistor 132 , laterally offset from each other and preferably, outside the transition region 134 , are electrically isolated from each other. This structure can also be produced for example by overprinting, for example by the Heizpfade 126 . 128 sequentially on the insulator material 116 be imprinted so that these are in the area of transition 134 through the supply lines 124 are contacted. The first heating path 126 , which in turn may be configured as a PTC heater, and the narrow NTC resistor 132 can be designed such that a heat transfer between these Heizpfaden 126 . 128 with a distance-dependent time constant. As a result, the temporal effectiveness of the parallel circuit can be controlled and influence on a control characteristic and / or control stability of heat-voltage controlled applications without an internal resistance control can be taken.

In 4 ist exemplarisch ein schematischer Verlauf der Widerstände des gesamten Heizwiderstands 118 dargestellt, aufgeteilt in den Heizwiderstand des ersten Heizpfads 126 und des zweiten Heizpfads 128. Dabei bezeichnet RH den gesamten Widerstand des Heizwiderstands 118, RH,h den Gesamtwiderstand bei hohen Temperaturen, und RH,k den Gesamtwiderstand bei niedrigen Temperaturen. RH,1 bzw. RH,2 bzw. RH,g bezeichnen die Widerstände des ersten Heizpfads 126 bzw. des zweiten Heizpfads 128 bzw. des zusammengesetzten gesamten Heizwiderstands 118. Aus diesem schematischen Verlauf ergibt sich, dass sich eine Absenkung um ca. 50% erreichen lässt, beispielsweise falls die beiden Heizpfade 126, 128 in der gleichen Länge und mit gleichem Leitungsquerschnitt ausgelegt sind.In 4 is an example of a schematic course of the resistances of the entire heating resistor 118 represented, divided into the heating resistor of the first Heizpfads 126 and the second heating path 128 , Here, R H denotes the total resistance of the heating resistor 118 , R H, h the total resistance at high temperatures, and R H, k the total resistance at low temperatures. R H, 1 and R H, 2 and R H, g denote the resistances of the first heating path 126 or the second Heizpfads 128 or the composite total heating resistor 118 , From this schematic course it follows that a reduction can be achieved by about 50%, for example, if the two Heizpfade 126 . 128 are designed in the same length and with the same cable cross-section.

Wie oben dargestellt, lässt sich die unterschiedliche Aufteilung von Strömen I1 durch den ersten Heizpfad 126 und I2 durch den zweiten Heizpfad 128, welche temperaturabhängig ist, insbesondere durch die Verwendung eines Materials mit negativem Temperaturkoeffizienten erzielen. Dieses Material, welches vorzugsweise als NTC-Widerstand 132 in dem zweiten Heizpfad 128 eingesetzt werden kann, kann beispielsweise (La, Ca)CrO3 umfassen. Das Perowskit-Material der oben genannten allgemeinen Formeln Ax1Bx2On oder Cx3Dx4Ex5Om (in der Literatur häufig auch dargestellt als allgemeine Formel ABO3), insbesondere (La, Ca)CrO3, wird als Material in Brennstoffzellen eingesetzt und ist dort sowohl reduzierenden als auch oxidierenden Gasen ausgesetzt. Das Temperaturverhalten seiner Leitfähigkeit σ ist in 5 dargestellt, wobei die Leitfähigkeit σ logarithmisch über dem Inversen der Temperatur T aufgetragen ist. Die Messungen sind I. Yasuda, T. Hikita, Electrical conductivity and defect structure of calcium-doped lanthanum chromites. J. Electrochem. Soc. 140 (6), 1699–1704 (1993) entnommen. Die Messungen sind an Luft durchgeführt. Es ergibt sich beispielsweise für die oberste dargestellte Kurve ein Heißwiderstand Rh von 2 Ω, und ein Kaltwiderstand Rk von 12 Ω. Alternativ oder zusätzlich zum Perowskit vom Typ (La, Ca)CrO3 lässt sich beispielsweise auch YCrO3 einsetzen, ebenfalls als Vertreter der bevorzugten Materialien vom Typ ABO3. Materialien vom Typ (La, Ca)CrO3 weisen jedoch allgemein zahlreiche Vorteile auf. So sind diese beispielsweise co-sinterfähig zu übrigen Schichtmaterialien typischer Sensorelemente 110. Das Material ist weiterhin per Paste und/oder Siebdruck aufbringbar, so dass eine klassische Aufarbeitung und/oder Verarbeitung entsprechend üblicher Metalloxide erfolgen kann. Weiterhin ist dieses Material chemisch mit den übrigen Materialien, welche typischerweise in Sensorelementen 110 eingesetzt werden, kompatibel, beispielsweise kompatibel mit üblichen Substratmaterialien 114 wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid. Weiterhin weisen diese Materialien einen hohen Kaltwiderstand und einen geringen Heißwiderstand auf. Bei einer angenommenen Geometrie des Schaltelements 130 mit einer Länge von 50 μm, einer Breite von 200 μm und einer Höhe von 20 μm ergibt sich beispielsweise ein Kaltwiderstand bei einer Temperatur von 25°C von ca. 12 Ω und ein Heißwiderstand bei einer Temperatur von 723°C von 2 Ω, wie auch in 5 angedeutet. Weiterhin ist der Widerstand dieses Perowskit-Materials über einen weiten Bereich (beispielsweise 10–10 bar und 1 bar) auch unabhängig von einem Sauerstoffpartialdruck, was in Sensorelementen 110 zur Erfassung von Sauerstoffpartialdrücken besonders vorteilhaft ist.As shown above, the different distribution of currents I 1 through the first heating path 126 and I 2 through the second heating path 128 , which is temperature dependent, in particular by the use of a material with a negative temperature coefficient achieve. This material, preferably as an NTC resistor 132 in the second heating path 128 can be used, for example, (La, Ca) CrO 3 include. The perovskite material of the abovementioned general formulas A x1 B x2 O n or C x3 D x4 E x5 O m (frequently also represented in the literature as general formula ABO 3 ), in particular (La, Ca) CrO 3 , is used as the material used in fuel cells and is there exposed to both reducing and oxidizing gases. The temperature behavior of its conductivity σ is in 5 shown, wherein the conductivity σ is plotted logarithmically over the inverse of the temperature T. The measurements are I. Yasuda, T. Hikita, Electrical conductivity and defect structure of calcium doped lanthanum chromites. J. Electrochem. Soc. 140 (6), 1699-1704 (1993) taken. The measurements are carried out in air. For example, for the uppermost curve shown, there is a hot resistance Rh of 2 Ω, and a cold resistance R k of 12 Ω. Alternatively, or in addition to the perovskite-type (La, Ca) CrO3 can also be used YCrO 3, for example, also as representative of the preferred materials of the type ABO. 3 However, materials of the type (La, Ca) CrO 3 generally have numerous advantages. For example, they are co-sinterable to other layer materials of typical sensor elements 110 , The material can furthermore be applied by paste and / or screen printing, so that conventional work-up and / or processing can be carried out in accordance with conventional metal oxides. Furthermore, this material is chemically compatible with the other materials, which are typically in sensor elements 110 used, compatible, for example, compatible with conventional substrate materials 114 such as yttrium-stabilized zirconia. Furthermore, these materials have high cold resistance and low hot resistance. For an assumed geometry of the switching element 130 with a length of 50 microns, a width of 200 microns and a height of 20 microns, for example, results in a cold resistance at a temperature of 25 ° C of about 12 Ω and a hot resistor at a temperature of 723 ° C of 2 Ω, such as also in 5 indicated. Furthermore, the Resistance of this perovskite material over a wide range (for example 10 -10 bar and 1 bar) also independent of an oxygen partial pressure, resulting in sensor elements 110 is particularly advantageous for detecting oxygen partial pressures.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2007/062969 A1 [0003] WO 2007/062969 A1 [0003]
  • WO 2001/044798 A1 [0003] WO 2001/044798 A1 [0003]

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Claims (10)

Heizelement (112), insbesondere zum Einsatz in einem Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, umfassend mindestens zwei Kontaktelemente (120) und mindestens zwei über die Kontaktelemente (120) mit Heizstrom beaufschlagbare Heizpfade (126, 128), wobei das Heizelement (112) derart ausgestaltet ist, dass ein über die Kontaktelemente (120) bereitgestellter Gesamtstrom bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen auf unterschiedliche Weise auf die Heizpfade (126, 128) aufgeteilt wird.Heating element ( 112 ), in particular for use in a sensor element ( 110 ) for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, comprising at least two contact elements ( 120 ) and at least two via the contact elements ( 120 ) Heizspade acted upon by heating current ( 126 . 128 ), wherein the heating element ( 112 ) is configured such that a via the contact elements ( 120 ) provided at least two different temperatures in different ways on the Heizpfade ( 126 . 128 ) is divided. Heizelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Heizpfade (126, 128) mindestens einen ersten Heizpfad (126) und mindestens einen zweiten Heizpfad (128) umfassen, wobei durch den ersten Heizpfad (126) ein erster Strom I1 fließt und wobei durch den zweiten Heizpfad (128) ein zweiter Strom 12 fließt, wobei mindestens zwei Temperaturen T1, T2 mit T2 > T1 existieren, für die gilt:
Figure 00140001
Heating element ( 112 ) according to the preceding claim, wherein the heating paths ( 126 . 128 ) at least one first heating path ( 126 ) and at least one second heating path ( 128 ), wherein through the first heating path ( 126 ) flows through a first current I 1 and wherein by the second heating path ( 128 ) a second stream 12 flows, wherein at least two temperatures T 1 , T 2 exist with T 2 > T 1 , for which applies:
Figure 00140001
Heizelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizpfade (126, 128), insbesondere der erste Heizpfad (126) und der zweite Heizpfad (128), vollständig oder teilweise aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind und/oder über unterschiedliche Materialien mit den Kontaktelementen (120) verbunden sind.Heating element ( 112 ) according to one of the preceding claims, wherein the heating paths ( 126 . 128 ), in particular the first heating path ( 126 ) and the second heating path ( 128 ) are made wholly or partly from different materials and / or via different materials with the contact elements ( 120 ) are connected. Heizelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die unterschiedlichen Materialien Widerstände mit einem unterschiedlichen Temperaturverhalten aufweisen.Heating element ( 112 ) according to the preceding claim, wherein the different materials have resistors with a different temperature behavior. Heizelement (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die unterschiedlichen Materialien mindestens ein erstes Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und mindestens ein zweites Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen.Heating element ( 112 ) according to one of the two preceding claims, wherein the different materials have at least one first material with a positive temperature coefficient and at least one second material with a negative temperature coefficient. Heizelement (112) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein erster Heizpfad (126) der Heizpfade (126, 128) aus mindestens einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten besteht, wobei mindestens ein zweiter Heizpfad (128) der Heizpfade (126, 128) mindestens ein Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und/oder über das mindestens eine Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten mit einem oder mehreren der Kontaktelemente 120 verbunden ist.Heating element ( 112 ) according to one of the three preceding claims, wherein at least one first heating path ( 126 ) of the heating paths ( 126 . 128 ) consists of at least one material with a positive temperature coefficient, at least one second heating path ( 128 ) of the heating paths ( 126 . 128 ) has at least one material with a negative temperature coefficient and / or on the at least one material with the negative temperature coefficient with one or more of the contact elements 120 connected is. Heizelement (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten ein Metalloxid umfasst, vorzugsweise ein Metalloxid nach einer der Formeln ausgewählt aus: Ax1Bx2On und Cx3Dx4Ex5Om, wobei A, B, C, D, E jeweils metallische Elemente sind, wobei vorzugsweise A La ist, wobei B vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fe, Co, Ni und Cu, wobei C vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus La und Ba, wobei D vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ca und Sr und wobei E vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cr, Mn, Fe, und Co, wobei x1, x2, x3, x4 und x5 reelle Zahlen sind und wobei n und m ganze Zahlen sind.Heating element ( 112 ) according to one of the two preceding claims, wherein the material having the negative temperature coefficient comprises a metal oxide, preferably a metal oxide according to one of the formulas selected from: A x1 B x2 O n and C x3 D x4 E x5 O m , where A, B, C, D, E are each metallic elements, preferably A is La, wherein B is preferably selected from the group consisting of Fe, Co, Ni and Cu, wherein C is preferably selected from the group consisting of La and Ba, wherein D is preferably selected from the group consisting of Ca and Sr and wherein E is preferably selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, and Co, where x 1 , x 2 , x 3 , x 4 and x 5 are real numbers and where n and m are integers. Heizelement (112) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten ein Material mit einer Perowskit-Struktur umfasst, vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Material der allgemeinen Formel La1-xCaxCrO3-δ, wobei x eine reelle Zahl größer als 0 und kleiner als 1 ist, vorzugsweise mit 0 < x < 0,3, und wobei δ eine reelle Zahl mit 0 ≤ δ < 1 ist, vorzugsweise mit 0 < δ < 0,3 und besonders bevorzugt δ = 0,15.Heating element ( 112 ) according to one of the four preceding claims, wherein the material having the negative temperature coefficient comprises a material having a perovskite structure, preferably a material selected from the group consisting of: a material of the general formula La 1-x Ca x CrO 3 -δ , where x is a real number greater than 0 and less than 1, preferably 0 <x <0.3, and where δ is a real number 0 ≤ δ <1, preferably 0 <δ <0.3, and more preferably δ = 0.15. Heizelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Heizpfade (126, 128) mit mindestens einem der Kontaktelemente (120) über mindestens ein Schaltelement (130) verbunden ist, insbesondere ein Schaltelement (130) mit negativem Temperaturkoeffizienten, wobei das Schaltelement (130) eingerichtet ist, um eine temperaturabhängige Aufteilung des Gesamtstroms auf die Heizpfade (126, 128) zu bewirken.Heating element ( 112 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the heating paths ( 126 . 128 ) with at least one of the contact elements ( 120 ) via at least one switching element ( 130 ), in particular a switching element ( 130 ) having a negative temperature coefficient, wherein the switching element ( 130 ) is arranged to provide a temperature-dependent distribution of the total current to the heating paths ( 126 . 128 ) to effect. Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gas, wobei das Sensorelement (110) mindestens ein Heizelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.Sensor element ( 110 ) for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the gas, wherein the sensor element ( 110 ) at least one heating element ( 112 ) according to one of the preceding claims.
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