DE102012010423A1 - Cylindrical device for use as sensor platform for gas detection, comprises electrode structure, where defined variation of influx speed of gas to functional layer is obtained by execution of high temperature suitable components of device - Google Patents
Cylindrical device for use as sensor platform for gas detection, comprises electrode structure, where defined variation of influx speed of gas to functional layer is obtained by execution of high temperature suitable components of device Download PDFInfo
- Publication number
- DE102012010423A1 DE102012010423A1 DE201210010423 DE102012010423A DE102012010423A1 DE 102012010423 A1 DE102012010423 A1 DE 102012010423A1 DE 201210010423 DE201210010423 DE 201210010423 DE 102012010423 A DE102012010423 A DE 102012010423A DE 102012010423 A1 DE102012010423 A1 DE 102012010423A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- gas
- sensor
- cylindrical
- temperature
- platform
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasdetektion unter Hochtemperaturbedingungen ausgeführt als zylindrische Plattform in keramischer Vielschichttechnik mit verschiedenen Temperaturzonen beheizt über vergrabene Heizerstrukturen und innenliegende Elektrodenstrukturen beschichtet mit verschiedenen Funktionsmaterialien.The invention relates to a device for gas detection under high temperature conditions designed as a cylindrical platform in ceramic multilayer technology with different temperature zones heated via buried heater structures and internal electrode structures coated with various functional materials.
Technischer Hintergrund und Stand der TechnikTechnical background and state of the art
Typische Halbleiter-Gassensoren arbeiten bei einigen hundert °C und werden dazu aktiv über eine Heizerstruktur beheizt. Die zumeist planaren Sensoren bestehen aus einem Heizwiderstand, einem Temperaturmesswiderstand sowie einer Elektrodenanordnung um das Sensorsignal abgreifen zu können. Auf die Elektrodenanordnung wird die gassensitive Funktionsschicht aufgebracht. üblicherweise werden die Sensoren in Dick- oder Dünnschichttechnik hergestellt. Hier wird die Herstellung in Dickschichttechnik beispielhaft beschrieben. Dabei werden auf eine Aluminiumoxidplatte auf einer Seite Elektrodenstrukturen und auf der anderen Seite Heizwiderstandsstrukturen gedruckt, getrocknet und eingebrannt. Anschließend wird die Funktionsschicht aufgebracht und bei niedrigerer Temperatur, entsprechend dem Materialsinterprofil, gesintert. Ausführliche Beschreibungen solche Sensoren betreffend offenbart z. B. die Schrift
Obwohl heutzutage die keramischen Gassensoren vor allem in Planartechnik hergestellt werden, wurden erste Gassensoren zur Erkennung gefährlicher Konzentrationen reduzierender Gase mit einem keramischen Rohr als Träger vorgestellt. Die im Patent
Die zylindrische Form des Substrats bringt gewisse Vorteile im Vergleich zu der planaren Anordnung [1]. Die symmetrische Geometrie des Sensors garantiert ein homogenes Temperaturprofil entlang der sensitiven Schicht und die Strömung des Gasstroms in dem Gaskanal, in dem der Sensor betrieben wird, wird durch das zylindrische Sensorvolumen im Vergleich zu kantigen planaren Strukturen wesentlich weniger beeinträchtigt.The cylindrical shape of the substrate has certain advantages compared to the planar arrangement [1]. The symmetrical geometry of the sensor guarantees a homogeneous temperature profile along the sensitive layer and the flow of the gas flow in the gas channel in which the sensor is operated is significantly less affected by the cylindrical sensor volume compared to angular planar structures.
Wie oben erwähnt, konnte sich die zylindrische Form des Substrats gegenüber der planaren Aufbautechnik nicht durchsetzen, was vor allem auf die Einfachheit der Herstellung der verschiedenen Schichten in einem relativ kostengünstigen Dickschichtprozess zurückzuführen ist. Neben der typischen Dickschichttechnologie beobachtet man in den letzten Jahren eine schnelle Entwicklung der LTCC-Technik. Die Verwendung dieser Multilayertechnik ermöglicht den Bau dreidimensionaler Strukturen mit integrierten passiven Elementen, die wiederum in Dickschichttechnik hergestellt werden. Die Abkürzung LTCC steht für „Low Temperature Co-fired Ceramics” „Low temperature” bedeutet hier eine Sintertemperatur von 800°C bis 1000°C, im Gegensatz zur HTCC-Technik („High Temperature Co-fired Ceramics”), bei der die Lagen bei bis zu 1600°C gebrannt werden.As mentioned above, the cylindrical shape of the substrate could not prevail over the planar construction technique, due in particular to the ease of fabrication of the various layers in a relatively inexpensive thick film process. In addition to the typical thick-film technology, a rapid development of LTCC technology has been observed in recent years. The use of this multilayer technology allows the construction of three-dimensional structures with integrated passive elements, which in turn are produced using thick-film technology. The abbreviation LTCC stands for "Low Temperature Co-fired Ceramics". "Low temperature" here means a sintering temperature of 800 ° C to 1000 ° C, in contrast to the HTCC technology ("High Temperature Co-fired Ceramics"), in which the Layers fired at up to 1600 ° C.
Die keramische Mehrlagentechnik ist eine, in der Mikroelektronik verwendete Technik, bei der einzelne ungebrannte („grüne”) keramische Lagen (sog. Tapes oder Folien) gestanzt und gelocht werden und dann, zum Herstellen von Leiterbahnen, mit geeigneten Siebdruckpasten in Dickschichttechnik metallisiert werden. Bei Bedarf können neben Leiterbahnen auch Widerstände aufgebracht werden. Anschließend werden die Tapes gestapelt, verpresst (laminiert) und dann zusammen gesintert („Co-Firing”). Dabei entstehen vergrabene Strukturen, die sich zwischen den Einzellagen befinden und von diesen vollständig eingeschlossen werden. Durch diese Integration von Leiterbahnen und passiven Bauteilen in das mehrschichtige keramische Substrat, werden erhebliche Miniaturisierungsfortschritte erzielt. Auf die Oberfläche dieses Multilayer-Substrate werden dann, wie aus der Hybridtechnik bekannt, SMD-Bauteile aufgelötet oder aufgeklebt und aktive Bauelemente mit Hilfe von Bond-Prozesen aufgebracht. Eine ausführliche Beschreibung der LTCC-Technik mit umfangreichen Literaturangaben ist z. B. in [2] zu finden.The ceramic multilayer technique is a technique used in microelectronics in which individual unfired ("green") ceramic layers (so-called tapes or films) are punched and punched and then, for the production of printed conductors, metallized using suitable screen printing pastes in thick film technology. If required, it is also possible to apply resistors in addition to printed conductors. Then the tapes are stacked, pressed (laminated) and then sintered together ("co-firing"). This creates buried structures that are located between the individual layers and are completely enclosed by them. This integration of printed conductors and passive components in the multilayer ceramic substrate, considerable Miniaturisierungsfortschritte be achieved. As is known from hybrid technology, SMD components are then soldered or glued onto the surface of this multilayer substrate and active components are applied by means of bonding processes. A detailed description of the LTCC technique with extensive references is z. To find in [2].
Standard in der Anwendung der keramischen Mehrlagentechnik sind heute schon Vertiefungen, in die aktive Bauelemente eingesetzt werden, um dadurch eine verbesserte Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Ebenfalls Stand der Technik sind teilweise oder vollständige Durchkontaktierungen, entweder um elektrische Verbindungen zwischen einzelnen Lagen herzustellen oder um Wärme abzuführen („thermal vias”). Bzgl. der Sensortechnik ist auch schon bekannt, dass geschlossene oder offene Hohlräume (Kavitäten) in keramischer Mehrlagentechnik hergestellt werden können, wie es z. B. in der
Die ersten LTCC-Gassensoren wurden in planarer Konfiguration hergestellt. Die Struktur bestand aus vier LTCC-Tapes, wobei der Heizer als vergrabenes Element ausgebildet und nah an der gassensitiven Schicht angeordnet war [3]. Die Anwendung der Mehrlagentechnik, insbesondere der LTCC-Technik, bringt noch weitere Vorteile für die Gassensorik. Sensorelemente wie Heizer oder Leitungen können sehr einfach innerhalb des Substrats platziert werden. Dadurch kann die gesamte Struktur kleiner werden. Zudem kann der Heizer durch die ihn umgebenden keramischen Schichten von der Umgebung isoliert werden. Dadurch erhöhen sich Zuverlässigkeit und Betriebsdauer. Weiterhin erlaubt die LTCC-Technik die Strukturierung der nicht gebrannten („grünen”) Folien.The first LTCC gas sensors were manufactured in a planar configuration. The structure consisted of four LTCC tapes with the heater formed as a buried element and located close to the gas-sensitive layer [3]. The application of multi-layer technology, in particular the LTCC technology, offers even more advantages for gas sensors. Sensor elements such as heaters or wires can be very easily inside the substrate to be placed. This can make the entire structure smaller. In addition, the heater can be isolated from the environment by the surrounding ceramic layers. This increases reliability and service life. Furthermore, the LTCC technique allows the structuring of the non-fired ("green") films.
Ein solcher Sensor der zweiten Generation basiert auf einer in LTCC-Technik hergestellten „Hot-Plate”. Hot-Plate bedeutet, dass lediglich der Teil, auf dem sich die Funktionsschicht befindet, auf die Sensorbetriebstemperatur (z. B. 400°C) gebracht wird. Heizwiderstandszuführungen und Elektrodenzuleitungen werden auf den schmalen Armen (suspended beams) geführt, so dass kaum Verluste durch Wärmeleitung entstehen [4]. Durch die lokale Beheizung der sensitiven Schicht wird weniger Heizleistung benötigt. Durch die geringe thermische Masse werden zudem schnellere Temperaturwechsel ermöglicht. Die Strukturierung der Folie ermöglicht auch die Herstellung von Kanälen und Kammern innerhalb der Keramik. Durch das Stapeln und die Lamination der Folien wird eine dreidimensionale Struktur gebaut. Beispiele solcher Anwendungen sind z. B. in [5] beschrieben.Such a second generation sensor is based on a "hot plate" made in LTCC technology. Hot plate means that only the part on which the functional layer is located is brought to the sensor operating temperature (eg 400 ° C). Heating resistor feeders and electrode leads are guided on the narrow arms (suspended beams), so that hardly any losses occur due to heat conduction [4]. Local heating of the sensitive layer requires less heating power. The low thermal mass also enables faster temperature changes. The structuring of the film also allows the production of channels and chambers within the ceramic. The stacking and lamination of the foils creates a three-dimensional structure. Examples of such applications are e.g. As described in [5].
In den oben dargestellten Anwendungen werden die LTCC-Folien gestapelt und anschließend planar, sehr oft auf einem Träger (z. B. einer Stahlplatte) laminiert. Die dadurch entstandene Struktur ähnelt typischen herkömmlichen Keramiksubstraten mit dem Unterschied, dass sie vergrabene Strukturen enthalten können.In the applications presented above, the LTCC films are stacked and then laminated planar, very often on a support (eg, a steel plate). The resulting structure is similar to typical conventional ceramic substrates, with the difference that they can contain buried structures.
Da die keramische Folie, mit einer Dicke von 50 bis 200 μm, im grünem, ungebrannten Zustand aufgrund der organischen Binder relativ elastisch und somit biegbar ist, wäre es auch denkbar, einzelne Folien auf einem nicht planaren Träger aufzubringen, z. B. einen Stab zu wickeln. Durch die Lamination und das abschließende Sintern würde die LTCC-Struktur die Form des Trägers annehmen.Since the ceramic film, with a thickness of 50 to 200 .mu.m, in the green, unfired state due to the organic binder is relatively elastic and thus bendable, it would also be possible to apply individual films on a non-planar support, for. B. to wrap a rod. By lamination and final sintering, the LTCC structure would take the form of the support.
In der Literatur findet man nur einen Bericht über 3-dimensionale zylindrische LTCC-Strukturen, die durch Wickeln bzw. Rollen ungebrannter LTCC-Folien hergestellt werden. In der
Die beschriebenen Methoden wurden zur Herstellung der Driftröhren für miniaturisierte Ionen-Mobilitäts-Spektrometer (IMS) entwickelt. In weiteren Publikationen der Erfindergruppe weisen die Autoren auf weitere mögliche Anwendungen hin.The described methods have been developed for the production of drift tubes for miniaturized ion mobility spectrometers (IMS). In other publications of the group of inventors, the authors point out further possible applications.
In [6–7] wird die Herstellung von sogenannten „Smart Channels” beschrieben. Unter „Smart Channels” versteht man hier in LTCC-Technik aufgebaute zylindrische Sensorplattformen, welche mit verschiedenen Sensorelementen ausgestatten sind um gleichzeitig den Gasvolumenstrom, die Temperatur sowie die Analytgaskonzentration messen zu können. Um die Detektion der Gaskonzentration mit einer sensitiven Polymerschicht bei einer optimalen Betriebstemperatur zu ermöglichen, wird ein vergrabener Heizer eingebaut.In [6-7] the production of so-called "Smart Channels" is described. "Smart Channels" are understood here to mean cylindrical sensor platforms constructed in LTCC technology, which are equipped with various sensor elements in order to simultaneously be able to measure the gas volume flow, the temperature and the analyte gas concentration. In order to enable the detection of the gas concentration with a sensitive polymer layer at an optimum operating temperature, a buried heater is installed.
Die Herstellung erfolgt, wie in oben beschriebener Methode, durch Wickeln einer in Siebdrucktechnik strukturierten LTCC-Grünfolie um einen Trägerstab. Im Innern des Röhrchens befinden sich die Elektroden, die das Signal zur Bestimmung der Gaskonzentration an die Außenseite leiten. Die Heizerstruktur wird zwischen einzelnen LTCC-Lagen vergraben, die Anschlusspads befinden sich auf der Außenseite des Röhrchens.The production takes place, as in the method described above, by winding a screen-printed LTCC green sheet around a support rod. Inside the tube are the electrodes that direct the gas concentration signal to the outside. The heater structure is buried between individual LTCC layers, the connection pads are located on the outside of the tube.
An dieser Stelle ist zu beachten, dass es sich bei dem sensitiven Material des in [6–7] beschrieben Gassensors nicht um ein Halbleitermaterial, sonder ein leitfähiges Polymer handelt. Während typische halbleitende Gassensoren einige hundert °C als Arbeitstemperatur benötigen, wird in dieser Anwendung ein leitfähiges Polymer, eine Mischung aus Ruß und Polymer wie z. B. Polyethylen-Vinylacetat (PEVA) oder Polyisobutylen (PIB) als Chemiresistor verwendet. Durch die Erwärmung solcher Schichten auf maximal 70°C können bestimmte organische Dämpfe detektiert werden.It should be noted at this point that the sensitive material of the gas sensor described in [6-7] is not a semiconductor material but a conductive polymer. While typical semiconducting gas sensors require several hundred degrees Celsius as the working temperature, in this application, a conductive polymer, a mixture of carbon black and polymer such as carbon black, is used. As polyethylene-vinyl acetate (PEVA) or polyisobutylene (PIB) used as Chemiresistor. By heating such layers to a maximum of 70 ° C, certain organic vapors can be detected.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Der erfindungsgemäße zylindrische Aufbau von Sensorplattformen bietet zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Gassensorsystemen hinsichtlich der aktiven Beheizung für Hochtemperaturanwendungen, der Anordnung relativ zum Gasstrom, den vorherrschenden Gasbedingungen in der Plattform und der Anordnung verschiedener sensitiver Schichten auf der Innenwand der zylindrischen Sensorplattform. Im Folgenden wird zunächst auf die gassensorischen Vorteile eingegangen ehe die strömungstechnischen Vorzüge erläutert werden.The inventive cylindrical structure of sensor platforms offers numerous advantages over conventional gas sensor systems in terms of active heating for high temperature applications, placement relative to gas flow, prevailing gas conditions in the platform, and placement of various sensitive layers on the inner wall of the cylindrical sensor platform. In the following, the gas sensory advantages will be discussed before the flow-related advantages are explained.
Aufgrund der Realisierung der zylindrischen Sensorplattformen in keramischer Vielschichttechnik mit vergrabenen Heizerstrukturen sind diese, von materialtechnischer Seite, für Hochtemperaturanwendungen unter rauen Bedingungen geeignet. Durch die getrennte, geregelte Beheizung einzelner Bereiche auf verschiedene Temperaturzonen mittels vergrabener Heizstrukturen können die verschiedenen sensitiven Elemente aus unterschiedlichen Funktionsmaterialien unter jeweils idealen Temperaturbedingungen betrieben werden und sensitive Schichten mit verschiedenen Anforderungen an die Temperatur in einer Sensorplattform miteinander kombiniert werden. Durch den Einsatz von keramischen Materialien mit unterschiedlichen Wärmekapazitäten bzw. Wärmeleitfähigkeiten für den Aufbau der Sensorplattform sowie Kavitäten oder Verdickungen in der Keramikwand und den räumlichen Abstand einzelner beheizbaren Zonen können diese thermisch voneinander isoliert werden und große Temperaturgradienten realisiert werden.Due to the realization of the cylindrical sensor platforms in ceramic multilayer technology with buried heater structures, these are, from the materials technical side, suitable for high temperature applications in harsh conditions. Due to the separate, controlled heating of individual areas to different temperature zones by means of buried heating structures, the different sensitive elements of different functional materials can be operated under ideal temperature conditions and sensitive layers with different temperature requirements can be combined in a sensor platform. By using ceramic materials with different heat capacities or thermal conductivities for the construction of the sensor platform as well as cavities or thickenings in the ceramic wall and the spatial distance of individual heatable zones they can be thermally isolated from each other and large temperature gradients can be realized.
Eine geschickte Anordnung der einzelnen sensitiven Schichten, die auch mit katalytisch aktiven Materialien kombiniert werden können, – kann die Gaszusammensetzung während des Passierens der zylindrischen Plattform verändern. Über Anpassung der Gaszusammensetzung an nachfolgende sensitive Schichten, z. B. durch Abreaktion von querempfindlichen Gasen oder durch Erzeugung detektierbarer Analytmoleküle aus den messrelevanten Gaskomponenten, kann die Sensitivität, das Ansprechverhalten und die Selektivität des Sensors verbessert werden oder eine Detektion einzelner Gaskomponenten erst ermöglicht werden.A clever arrangement of the individual sensitive layers, which can also be combined with catalytically active materials, can change the gas composition while passing through the cylindrical platform. About adaptation of the gas composition to subsequent sensitive layers, eg. B. by Abreaktion of cross-sensitive gases or by generating detectable analyte molecules from the measurement-relevant gas components, the sensitivity, the response and the selectivity of the sensor can be improved or a detection of individual gas components are made possible.
Verschiedene Fließgeschwindigkeiten des Messgasstroms während des Passierens des zylindrischen Aufbaus, wiederum angepasst an die Anforderungen der einzelnen sensitiven Materialien, können durch variierende Durchmesser des Innenraums der zylindrischen Plattform erreicht werden.Different flow rates of the sample gas flow while passing through the cylindrical structure, again adapted to the requirements of the individual sensitive materials, can be achieved by varying diameters of the interior of the cylindrical platform.
Durch die zylindrische Anordnung der Sensorplattform mit verschiedenen vergrabenden Heizerstrukturen können so zahlreiche sensitiven Schichten zur Detektion verschiedener Gasparameter (z. B. Gastemperatur, Gasgeschwindigkeit, verschiedene Gaskonzentrationen) kompakt auf engstem Raum miteinander kombiniert werden und dennoch die verschiedenen Anforderungen an Gaszusammensetzung, Gasgeschwindigkeit und Betriebstemperatur berücksichtigt werden.The cylindrical arrangement of the sensor platform with different buried heater structures allows numerous sensitive layers for the detection of different gas parameters (eg gas temperature, gas velocity, different gas concentrations) to be compactly combined in a confined space while taking into account the different gas composition, gas velocity and operating temperature requirements become.
Die Ausführung einer Gassensorplattform in zylindrischer Form, im Folgenden als Sensorröhrchen bezeichnet, bietet zahlreiche Vorteile hinsichtlich des Strömungsprofils des zu detektierenden Gasstroms gegenüber planaren Sensoraufbauten, welche derzeit meist senkrecht zum Gasstrom oder waagrecht in dessen Fließrichtung eingebracht werden.The design of a gas sensor platform in cylindrical form, hereinafter referred to as sensor tube, offers numerous advantages in terms of the flow profile of the gas stream to be detected compared to planar sensor structures, which are currently usually introduced perpendicular to the gas flow or horizontally in its flow direction.
Wie bei planaren Sensoren vom Stand der Technik besteht auch bei Röhrchensensoren die Möglichkeit, das Sensorelement senkrecht zum Gasstrom oder parallel zu dessen Fließrichtung anzuordnen. In beiden Fällen entstehen bei Eintritt des Gasstroms in das Sensorvolumen an der Röhrchenwand Verwirbelungen, das Strömungsprofil des laminaren Gasstroms bildet sich jedoch nach kurzer Wegstrecke abhängig von der Fließgeschwindigkeit rotationssymmetrisch aus. Aufgrund der Rotationssymmetrie der Geometrie der gasdurchströmten Plattform und des Gasvolumenstroms herrschen an jedem Ort über den Umfang an der Innenwand der Plattform die gleichen Gasbedingungen vor, obgleich sich diese in Fließrichtung verändern können. An jedem Ort an der Innenwand des Röhrchensensors herrschen folglich über dessen Umfang aufgrund der Rotationssymmetrie der Geometrie der gasdurchströmten Plattform sowie des Strömungsprofils die gleichen Gaskonzentrationen (allgemeiner Gasbedingungen), obgleich sich diese in Strömungsrichtung des Gases verändern können. Sensoren, die über den Umfang verteilt angeordnet sind, sind somit den gleichen Gasbedingungen ausgesetzt und deren Sensorsignale können direkt miteinander verglichen werden.As with planar sensors of the prior art, even with tube sensors, it is possible to arrange the sensor element perpendicular to the gas flow or parallel to its flow direction. In both cases, when the gas flow enters the sensor volume at the tube wall, turbulences occur, but the flow profile of the laminar gas flow forms rotationally symmetrical after a short distance depending on the flow velocity. Due to the rotational symmetry of the geometry of the gas-flowed platform and the gas flow rate prevail at any location over the circumference of the inner wall of the platform, the same gas conditions, although they can change in the flow direction. Consequently, at each location on the inner wall of the tube sensor, the same gas concentrations (general gas conditions) prevail over its circumference due to the rotational symmetry of the geometry of the gas-flowed platform and the airfoil, although these may change in the flow direction of the gas. Sensors distributed around the circumference are thus exposed to the same gas conditions and their sensor signals can be directly compared.
Bei der Verwendung eines einseitig verschlossenen Röhrchens und der senkrechten Anordnung der zylindrischen Plattform zum Gasstrom kann der Gasaustausch zwischen dem zu detektierenden Gasvolumenstrom und dem Sensorvolumen über Gasdiffusion erfolgen, wobei der Konzentrationsgradient über eine Gasspeicherschicht oder eine die Gaszusammensetzung verändernde Schicht, innerhalb des Röhrchens aufrecht erhalten wird. Im Falle einer Speicherschicht akkumulieren sich die Analytmoleküle in dem Speichermaterial und eine Analytmengendetektion über die Messung der dadurch veränderten Materialparameter der Speicherschicht ist möglich. Die Veränderung der Gaszusammensetzung in dem einseitig verschlossenen Röhrchen kann dabei erfolgen über ein katalytisch aktives Material, an dem die Gasmoleküle abreagieren, oder über den Einsatz eines ionenleitfähigen Materials, über welches elektrochemisch Ionen aus der Kammer über die Seitenfläche oder die Stirnfläche gepumpt werden. Der Diffusionsstrom in die zylindrische Plattform kann dabei durch den Querschnitt des Plattformgaseinlasses limitiert werden.When using a tube closed at one end and the cylindrical platform placed perpendicular to the gas flow, the gas exchange between the gas volume flow to be detected and the sensor volume can be via gas diffusion, maintaining the concentration gradient via a gas storage layer or a gas composition changing layer within the tube , In the case of a storage layer, the analyte molecules accumulate in the storage material and an analyte quantity detection via the measurement of the material parameters of the storage layer which are thereby changed is possible. The change in the gas composition in the unilaterally closed tube can take place via a catalytically active material, on which the gas molecules react, or via the use of an ionic conductive material via which electrochemical ions are pumped out of the chamber via the side surface or face. The diffusion flow into the cylindrical platform can be limited by the cross section of the platform gas inlet.
Bei einer Anordnung der zylindrischen Plattform direkt im Gasstrom kann lediglich ein Teil des Gasvolumenstroms oder der gesamte Gasstrom durch den Röhrchensensor geleitet werden. Wird der Gasstrom aufgeteilt, so hängt der Anteil, der durch den Röhrchensensor fließt, vom Verhältnis der Radien des Röhrchensensors und des Gasstromkanals, dem Druckgradienten welcher sich in dem Röhrchensensor abhängig von dessen Länge aufbaut sowie von der radialen Position des Röhrchensensors im Gasstromkanal ab. Über die radiale Anordnung des Röhrchensensors im Gasstrom können dabei auch die Gasbedingungen (z. B. Fließgeschwindigkeit, Gaskonzentration, Temperatur), die im Röhrchensensor herrschen, angepasst werden. Ein weiterer Vorteil des zylindrischen Aufbaus einer Sensorplattform mit einer mechanisch stabilen, gasdichten keramischer Wand in Vielschichttechnik besteht die Möglichkeit, diese Sensorröhrchen direkt mit dem Gaskanal zu verbinden, sodass der gesamte Gasstrom durch das Sensorröhrchen geleitet wird und als Gasraum über den sensitiven Schichten zur Verfügung steht. Durch diese gasdichte Verbindung der zylindrischen Plattform mit der Gaskanalbegrenzung, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform beide den gleichen Innendurchmesser aufweisen, werden auch Verwirbelungen am Einlass des Sensorröhrchens sowie der Gegendruck aufgrund des Einbaus der Sensorplattform minimiert.With an arrangement of the cylindrical platform directly in the gas flow, only part of the gas volume flow or the entire gas flow can be passed through the tube sensor. If the gas flow is divided, the proportion flowing through the tube sensor depends on the ratio of the radii of the tube sensor and the gas flow channel, the pressure gradient which builds up in the tube sensor depending on its length, and on the radial position of the tube sensor in the gas flow channel. The radial arrangement of the tube sensor in the gas flow can also be used to adjust the gas conditions (eg flow velocity, gas concentration, temperature) prevailing in the tube sensor. Another advantage of the cylindrical structure of a sensor platform with a mechanically stable, gas-tight ceramic wall in multilayer technology, it is possible to connect these sensor tubes directly to the gas channel, so that the entire gas flow is passed through the sensor tube and is available as a gas space above the sensitive layers , This gas-tight connection of the cylindrical platform with the gas channel boundary, wherein in a preferred embodiment both have the same inner diameter, turbulence at the inlet of the sensor tube and the back pressure due to the installation of the sensor platform are minimized.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Gegenstand dieser Erfindung sind Sensorplattformen in keramischer Multilayertechnik, die als zylindrische Röhrchen ausgeführt sind und für die Detektion von Gasparametern unter Hochtemperaturbedingungen geeignet sind. Die Hochtemperaturanforderung kann dabei zwei Ursachen haben. Zum Einen gibt es Anwendungsbereiche, wie z. B. im Rauchgas von Kraftwerken oder dem automobilen Abgas, bei denen das Sensorelement zeitweise oder dauerhaft hohen Temperaturen (z. B. zwischen 300 und 1000°C) unter gegebenenfalls sehr rauen Bedingungen (z. B. korrosiv, schwefelhaltig, staubhaltig) ausgesetzt sein kann. Zum Anderen benötigen einige sensitive Materialien relativ hohe Betriebstemperaturen um ihre volle Funktionalität zur Analytdetektion zu erreichen. Die Kombination verschiedener sensitiver Elemente, die unter Umständen unter verschiedenen Betriebsbedingungen (z. B. Arbeitstemperatur, Gaszusammensetzung, Fließgeschwindigkeit, usw.) arbeiten, auf einer Sensorplattform, zur Detektion verschiedener Gasparameter (z. B. Konzentration verschiedener Gaskomponenten, Temperatur, Fließgeschwindigkeit, usw.) erlaubt es, den Gasvolumenstrom mit einer kompakten Vorrichtung umfassend zu überwachen und zu charakterisieren. Die erfindungsgemäße zylindrische Sensorplattform kann verschiedene, aktiv beheizte, untereinander thermisch isolierte Bereiche beinhalten, welche wiederum mit verschiedenen sensitiven Elementen ausgestattet sein können um den jeweiligen Anforderungen der sensitiven Schichten gerecht zu werden. Im Folgenden sind die Teilaspekte dieser erfindungsgemäßen zylindrischen Vorrichtung näher erläutert.This invention relates to sensor platforms in ceramic multilayer technology, which are designed as cylindrical tubes and are suitable for the detection of gas parameters under high temperature conditions. The high temperature requirement can have two causes. For one, there are application areas, such. B. in the flue gas of power plants or the automotive exhaust gas, in which the sensor element temporarily or permanently high temperatures (eg., Between 300 and 1000 ° C) under possibly very harsh conditions (eg., Corrosive, sulfur-containing, dusty) be exposed can. On the other hand, some sensitive materials require relatively high operating temperatures to achieve their full functionality for analyte detection. The combination of various sensitive elements that may operate under different operating conditions (eg, operating temperature, gas composition, flow rate, etc.) on a sensor platform to detect various gas parameters (eg, concentration of various gas components, temperature, flow rate, etc .) allows to comprehensively monitor and characterize the gas volume flow with a compact device. The cylindrical sensor platform according to the invention can contain different, actively heated, mutually thermally insulated areas, which in turn can be equipped with different sensitive elements to meet the respective requirements of the sensitive layers. The partial aspects of this cylindrical device according to the invention are explained in more detail below.
Im Folgenden wird die Erfindung hinsichtlich Aufbau und Herstellung der zylindrischen Plattform und hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen und Ausgestaltungsmöglichkeiten mit Hilfe von Figuren beschrieben.In the following, the invention will be described with regard to construction and production of the cylindrical platform and with regard to preferred embodiments and design possibilities with the aid of figures.
Es zeigenShow it
Beschreibung des Aufbaus und der Herstellung der zylindrischen PlattformDescription of the structure and manufacture of the cylindrical platform
Die erfindungsgemäße zylindrische Sensorplattform, die im Folgenden auch als Sensorröhrchen bezeichnet wird, wird in keramischer Vielschichttechnik (Multilayertechnik) hergestellt. Dazu werden keramische Grünfolien (z. B. Low oder High Temperature Cofired Ceramics, ionenleitfähige Materialien) entsprechend der gewünschten Endgeometrie zugeschnitten, je nach Konfiguration einseitig oder zweiseitig mit Leiterbahnen oder isolierenden Strukturen versehen (z. B. mittels Siebdrucktechnik) und auf einen runden Stab, welcher als Formhilfsmittel dient, aufgewickelt. Die gasdurchströmte Geometrie der entstehenden zylindrischen Plattform, insbesondere der Innendurchmesser, wird dabei durch den Durchmesser des Stabs maßgeblich beeinflusst, wohingegen der Außendurchmesser auch von den Abmessungen der Grünfolie abhängt. Durch die Verwendung eines Stabes mit über der Länge variierendem Durchmesser können auch Röhrchen mit variierendem Innendurchmesser gefertigt werden, wobei das Durchmesserprofil sowohl konisch als auch stufig sein kann. Je nach Anforderungen an die Plattform können auch Aussparungen in der Kanalwand oder Kavitäten bzw. Verdickungen durch ein angepasstes Folienlayout vorgesehen werden. Nach dem isostatischen Pressen der aufgewickelten Folien wird der Stab entfernt. Der Stab als Formhilfsmittel kann dabei, je nach Komplexität der zylindrischen Geometrie, nach dem Entfernen zerstört, insbesondere chemisch oder thermisch zersetzt, oder unverändert vorliegen. Die entstandenen rohrförmigen Geometrien aus Grünfolie können mit entsprechenden Funktionsmaterialien oder deren Präkursoren beschichtet werden, ehe sie einem Sinterprozess unterzogen werden. Somit können die einzelnen Elemente der Plattform (z. B. Leiterbahnen, Isolationsschichten, Funktionsschichten und keramische Folie), egal ob an der Oberfläche liegend oder als vergrabene Strukturen realisiert, gemeinsam einem Sinterprozess unterzogen werden, sofern das die entsprechenden Materialeigenschaften erlauben. Ein Aufbringen der Schichten, insbesondere der Funktionsschichten, auf die Innenfläche des Röhrchens (z. B. über einen Tauchprozess, elektrophoretisches Abscheiden oder stromloses Galvanisieren) kann auch erst nach dem Sintern erfolgen. Die entstandenen, mechanisch, chemisch oder hochtemperaturstabilen Keramikröhrchen bestehen je nach Größe der verwendeten Grünfolien und des Stabquerschnitts, auf den sie gewickelt wurden, aus mehreren Keramiklagen (
Der Aufbau der 3-dimensionalen Röhrchensensoren in Multilayertechnik unter Verwendung unterschiedlichster Keramiken sowie das Aufbringen von elektrisch oder thermisch isolierenden oder leitenden 3D-Strukturen auf die ebenen Grünfolien ermöglicht die Integration verschiedenster Sensoren mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen gemeinsam auf einer kompakten Sensorplattform. Verwendung finden dabei bereits gut etablierter Techniken der Mikrosystemtechnik, wie z. B. der Siebdruck- und Multilayertechnik. Dabei können die einzelnen Sensoren, je nach Anwendung, so miteinander kombiniert werden, dass eine umfassende Charakterisierung des zu analysierenden Gasstroms möglich ist.The construction of the 3-dimensional tube sensors in multilayer technology using a variety of ceramics and the application of electrically or thermally insulating or conductive 3D structures on the flat green sheets allows the integration of different sensors with different operating temperatures together on a compact sensor platform. Use find already well established techniques of microsystems technology, such. As the screen printing and multilayer technology. Depending on the application, the individual sensors can be combined so that a comprehensive characterization of the gas stream to be analyzed is possible.
Beschreibung der zylindrischen Plattform mit einzelnen TemperaturzonenDescription of the cylindrical platform with individual temperature zones
Die gassensitiven Eigenschaften vieler Funktionsmaterialien sind stark von der Temperatur abhängig. So zeigen keramische, halbleitende oder auf Festelektrolyten basierende Sensoren bei Temperaturen von 300 bis 1000°C ihre höchsten Empfindlichkeiten. Eine, von variierenden Gastemperaturen, exo- oder endothermen Reaktionen und Fließgeschwindigkeiten unabhängige, konstante Messtemperatur während des Detektionsintervalls, idealer Weise im Bereich maximaler Empfindlichkeit, und somit eine aktive, geregelte Beheizung der sensitiven Struktur ist daher essentiell für den verlässlichen Einsatz der Hochtemperatur-Gassensoren.The gas-sensitive properties of many functional materials are highly dependent on the temperature. Thus, ceramic, semiconducting or solid electrolyte based sensors show their highest sensitivities at temperatures of 300 to 1000 ° C. A constant measurement temperature independent of varying gas temperatures, exothermic or endothermic reactions and flow rates during the detection interval, ideally in the range of maximum sensitivity, and thus an active, controlled heating of the sensitive structure is therefore essential for the reliable use of the high-temperature gas sensors.
Die Herstellung der zylindrischen Sensorplattform in Multilayertechnik ermöglicht das Einbringen von vergrabenen Strukturen (
Durch den Einsatz von mindestens zwei, unabhängig voneinander geregelten Heizelementen (
Mit Hilfe der vergrabenen, unabhängig voneinander geregelten Heizelemente können also verschiedene Zonen mit homogenen Temperaturen oder Temperaturgradienten im Bereich der zylindrischen Wand der Sensorplattform realisiert werden. Somit können die idealen Temperaturverhältnisse für die jeweiligen sensitiven Elemente, welche sich auf der keramischen Innenwand der zylindrischen Sensorplattform befinden, realisiert werden. Dabei können auch verschiedene sensitive Materialien mit sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Betriebstemperatur oder aber auch an Temperaturzyklen miteinander in einer Plattform auf engstem Raum miteinander kombiniert werden. Einige Funktionsmaterialien zeigen, je nach Betriebstemperatur, unterschiedliche sensorische Eigenschaften hinsichtlich Empfindlichkeit oder Ansprechverhalten aber auch Selektivität. Durch den Einsatz verschiedener Temperaturzonen ist es so beispielsweise möglich, unterschiedliche Gase oder Gasparameter selektiv mit lediglich einem sensitiven Material zu detektieren.With the help of buried, independently controlled heating elements so different zones with homogeneous temperatures or temperature gradients in the region of the cylindrical wall of the sensor platform can be realized. Thus, the ideal temperature conditions for the respective sensitive elements, which are located on the ceramic inner wall of the cylindrical sensor platform can be realized. It is also possible to combine different sensitive materials with very different demands on the operating temperature or also on temperature cycles with one another in a platform in a confined space. Some functional materials show, depending on the operating temperature, different sensory properties in terms of sensitivity or response but also selectivity. By using different temperature zones, it is thus possible, for example, to selectively detect different gases or gas parameters with only one sensitive material.
Für den Einsatz von thermoelektrischen Gassensoren, wie sie z. B. in der
Ein weiterer Vorteil der aktiv beheizten Sensorplattformen für Hochtemperaturanwendungen besteht in der Möglichkeit, die sich in der Sensorplattform befindlichen sensitiven Schichten In-Situ bei erhöhten Temperaturen zu sintern. Bei Sensoren nach dem Stand der Technik werden diese nach der Beschichtung mit dem sensitiven Material einem materialspezifischen Temperaturprogramm in einem Ofen unterzogen (ggf. in einer speziellen Gasatmosphäre), wodurch der gesamte Sensoraufbau erhitzt wird. Bei der Aufbringung von verschiedenen sensitiven Schichten ist also die Reihenfolge der Beschichtung auf die Anforderungen an die entsprechenden Sinterprogramme abzustimmen, was die Anordnungsmöglichkeiten und die Verwendung von Techniken zur Schichtabscheidung einschränkt. Das mehrfache Ausheizen der kompletten Plattform in einem Ofen bei unterschiedlichen Temperaturprogrammen um die einzelnen Schichten entsprechend zu Sintern, ist folglich zeit- und energieintensiv und kann die sensitiven Komponenten zudem thermisch schädigen, was bei der Materialauswahl und Anordnung der sensitiven Schichten in der Plattform berücksichtigt werden muss. Durch das In-Situ Sintern der sensitiven Schichten in der zylindrischen Sensorplattform mittels der vergrabenen Heizerstrukturen, kann das Sinterprofil auch auf die materialspezifischen Anforderungen angepasst werden und für die jeweiligen sensitiven Schicht unabhängig voneinander durch die verschiedenen beheizten Zonen ausgeführt werden, was sowohl Vorteile hinsichtlich des Einsatzes von Energie und Zeit, als auch der Anordnung und Materialauswahl bringt. Zudem bietet sich die Möglichkeit, sensitive Schichten mit fortschreitender Alterung während der Betriebszeit durch erneutes Abscheiden ohne gesteigerten Aufwand zu erneuern bzw. zu reparieren.Another advantage of actively heated sensor platforms for high temperature applications is the ability to sinter the sensitive layers in the sensor platform in situ at elevated temperatures. In the case of sensors according to the prior art, these are subjected to a material-specific temperature program in an oven (possibly in a special gas atmosphere) after coating with the sensitive material, whereby the entire sensor structure is heated. When applying different sensitive layers, therefore, the order of the coating must be matched to the requirements of the corresponding sintering programs, which limits the possible arrangements and the use of techniques for layer deposition. The multiple heating of the entire platform in an oven at different temperature programs around the individual layers corresponding to sintering is therefore time-consuming and energy-intensive and can also thermally damage the sensitive components, which must be taken into account in the material selection and arrangement of the sensitive layers in the platform , By sintering the sensitive layers in the cylindrical sensor platform in situ by means of the buried heater structures, the sintered profile can also be adapted to the material-specific requirements and executed independently of each other through the different heated zones for the respective sensitive layer, which has advantages both in terms of use of energy and time, as well as the arrangement and material selection brings. In addition, there is the possibility of renewing sensitive layers with increasing aging during operation by renewed deposition without increased effort or repair.
Durch die Kombination von Materialien verschiedener Wärmekapazitäten und Wärmeleitfähigkeiten als Werkstoffe für die Zylinderwand kann die Homogenität der verschiedenen Temperaturzonen, die Temperaturwechseleigenschaften als auch die thermischen Isolation der einzelnen Zonen untereinander beeinflusst werden. Zur thermischen Entkopplung einzelner Temperaturbereiche bzw. deren Wärmequellen ist zudem das Einbringen von Verjüngungen (Kavitäten) oder Verdickungen bzw. von Aussparungen der Kanalwand über eine entsprechende Anpassung der Grünfoliengeometrie möglich.By combining materials of different heat capacities and thermal conductivities as materials for the cylinder wall, the homogeneity of the different temperature zones, the thermal cycling properties as well as the thermal isolation of the individual zones can be influenced. For the thermal decoupling of individual temperature ranges or their heat sources, it is also possible to introduce constrictions (cavities) or thickenings or recesses of the channel wall via a corresponding adaptation of the green sheet geometry.
Durch die aktive Beheizung der Temperaturzonen über vergrabene Heizerstrukturen kombiniert mit einer guten thermischen Isolation gegenüber anderen beheizten Bereichen ist auch eine Zyklierung der Temperatur mit einem definierten zeitlichen Verlauf möglich. Zeitlich definierte Temperaturprogramme bieten, wie oben beschrieben, nicht nur Vorteile für thermoelektrische Gassensoren. Durch schnelle Temperaturwechsel können elektrische Relaxationsprozesse in sensitiven Schichten analysiert werden und zur Materialcharakterisierung beitragen bzw. als Sensorsignale ausgewertet werden.By actively heating the temperature zones via buried heater structures combined with a good thermal insulation compared to other heated areas and a cyclization of the temperature with a defined time course is possible. Time-defined temperature programs, as described above, not only offer advantages for thermoelectric gas sensors. By rapid temperature changes electrical relaxation processes can be analyzed in sensitive layers and contribute to the material characterization or be evaluated as sensor signals.
Die Regelung der Temperatur einzelner beheizter Zonen ermöglicht weiterhin eine kurzzeitige Erhöhung der Temperatur der sensitiven Schichten um adsorbierte Moleküle zu desorbieren und somit die sensitive Schicht zu reinigen. Dabei kann es sich um adsorbierte Moleküle handeln, welche nicht die zu detektierende Spezies sind und die sensitive Schicht verunreinigen oder sogar blockieren. Im Falle von integrierenden oder akkumulierenden Gassensoren, wie in der
Mit Hilfe der vergrabenen Heizerstrukturen ist zudem eine indirekte Beheizung der sensitiven Schichten in der zylindrischen Sensorplattform über die Gasphase möglich. Dabei wird über eine Heizerstruktur, welche gleichmäßig über den Umfang verteilt heizt, das vorbeiströmende Gas erwärmt. Dieses wiederum erwärmt dann eine sensitive Schicht, welche stromabwärts von der Heizzone angeordnet ist. Damit kann ein sehr homogenes Temperaturprofil der sensitiven Schicht erreicht werden. Zudem ist keine direkte Beheizung über ein vergrabenes Bauelement und somit kein Einbringen von elektrischer Heizleistung nahe der sensitiven Schicht nötig, wodurch ggf. Störungen elektrischer oder elektromagnetischer Art auf das Sensorsignal eliminiert werden können.With the aid of the buried heater structures, it is also possible to indirectly heat the sensitive layers in the cylindrical sensor platform via the gas phase. It is heated by a heater structure, which heats evenly distributed over the circumference, the gas flowing past. This in turn then heats a sensitive layer which is located downstream of the heating zone. Thus, a very homogeneous temperature profile of the sensitive layer can be achieved. In addition, no direct heating via a buried component and thus no introduction of electrical heating power near the sensitive layer is necessary, which may possibly disturbances of electrical or electromagnetic nature can be eliminated on the sensor signal.
Heizelemente, welche durch die Kombination der keramischen Multilayer-Aufbautechnik mit Dick- und Dünnschichttechnik als komplexe vergrabene Strukturen vorliegen, erlauben das aktive und geregelte Beheizen einzelner Temperaturzonen in der zylindrischen Sensorplattform. Durch das komplexe Layout der Heizerstrukturen, den geschickten Einsatz verschiedener Keramiken sowie einer angepassten Geometrie des zylindrischen Substrates, können diese Temperaturzonen flächig homogen, thermisch isoliert und bei verschiedenen Temperaturen betrieben werden. Dies ermöglicht die Kombination verschiedener sensitiver Materialien und Messtechniken mit unterschiedlichen Anforderungen an die Temperatur und deren zeitlichen Verlauf. Weitere Vorteile in der Herstellung aber auch im Betrieb der Sensorplattform ergeben sich durch verschiedene Temperaturprofile, welche beispielsweise zum In-Situ-Sintern oder auch dem thermisch Reinigen der sensitiven Schichten eingesetzt werden können.Heating elements, which are present by the combination of the ceramic multilayer construction technique with thick and thin film technology as complex buried structures, allow the active and controlled heating of individual temperature zones in the cylindrical sensor platform. Due to the complex layout of the heater structures, the clever use of different ceramics as well as an adapted geometry of the cylindrical substrate, these temperature zones can be homogeneously insulated, thermally insulated and operated at different temperatures. This allows the combination of different sensitive materials and measurement techniques with different temperature requirements and their time course. Further advantages in the production but also in operation of the sensor platform are the result of different temperature profiles, which can be used, for example, for in-situ sintering or the thermal cleaning of the sensitive layers.
Beschreibung des Strömungsprofils in der zylindrischen Plattform sowie der Anordnungsmöglichkeiten im GasvolumenstromDescription of the airfoil in the cylindrical platform as well as the arrangement options in the gas flow
Herkömmliche Sensoren werden zumeist senkrecht in den zu detektierenden Gasstrom eingebaut. Dabei ist der Winkel, unter dem die sensitive Schicht zum Gasstrom ausgerichtet ist, ein wichtiger Parameter hinsichtlich Sensitivität und Ansprechverhalten, da Toträume und Verwirbelungen den Gaszugang zur sensitiven Schicht beeinträchtigen können. In der zylindrischen Sensorplattform hingegen bildet sich aufgrund der Rotationssymmetrie des gasdurchströmten Raums entlang der Flußrichtung kurz nach Eintritt in das Röhrchenvolumen eine ebenfalls rotationssymmetrische Gasströmung aus, deren exaktes Strömungsprofil wiederum von der Fließgeschwindigkeit in dem Röhrchen abhängt. Die Ausbildung eines rotationssymmetrischen Strömungsprofils ist dabei unabhängig von der genauen Anordnung im Gasstrom, sofern das Röhrchen aktiv angeströmt wird. Lediglich die Distanz vom Röhrcheneingang bis zur Ausbildung des rotationssymmetrischen Profils kann abhängig vom Anströmwinkel und der Fließgeschwindigkeit variieren. Nach dem Ausbilden einer laminaren, rotationssymmetrischen Strömung innerhalb des Gasvolumens in der zylindrischen Plattform liegen folglich an jedem Ort entlang der Längsachse des Röhrchens (z) über den Umfang an der Röhrchenwand (
Die erfindungsgemäßen zylindrischen Sensorplattformen können parallel zur Fließrichtung oder senkrecht dazu in den gasdurchströmten Kanal, dessen Gasparameter zu detektieren sind, eingebracht werden. Zwei verschiedene Anordnungsvarianten in Fließrichtung sind in
Zwei Anordnungsmöglichkeiten senkrecht zur Fließgeschwindigkeit des Gases im Gaskanal sind in
Ist die zylindrische Sensorplattform an der dem Hauptgasstrom abgewandten Stirnfläche einseitig verschlossen (
Beschreibung der zylindrischen Plattform mit variierenden QuerschnittenDescription of the cylindrical platform with varying cross sections
In der zylindrischen Vorrichtung bildet sich ein rotationssymmetrisches Strömungsprofil aus, welches von der Fließgeschwindigkeit, der Röhrchengeometrie und der Wandbeschaffenheit abhängt. Wie bereits erläutert, kann die Fließgeschwindigkeit des Gases, welches die zylindrische, beidseitig geöffnete Plattform durchströmt, durch den Röhrchendurchmesser beeinflusst werden. Im Falle einer einseitig verschlossenen und senkrecht zum Gasstrom angeordneten Vorrichtung begrenzt die Geometrie des Röhrchens, welches die Diffusionsstrecke darstellt, den Diffusionsstrom und somit die Anzahl der Analytmoleküle, welche pro Zeiteinheit die sensitive Schicht erreichen.In the cylindrical device, a rotationally symmetrical flow profile is formed, which depends on the flow rate, the tube geometry and the wall condition. As already explained, the flow rate of the gas flowing through the cylindrical, double-sided open platform can be influenced by the tube diameter. In the case of a device closed on one side and arranged perpendicular to the gas flow, the geometry of the tube, which represents the diffusion path, limits the diffusion flow and thus the number of analyte molecules which reach the sensitive layer per unit time.
Für beide Anordnungsmöglichkeiten können also zylindrische Sensorplattformen mit variierenden Durchmessern Vorteile hinsichtlich des Gaszutritts und der Verweilzeit und somit dem Ansprechverhalten der darin befindlichen Sensoren bieten. Wie bereits beschrieben, hängt die Geometrie der zylindrischen Sensorplattform sowohl von dem Stab, auf den gewickelt wird, als auch von der Geometrie der Grünfolie, welche auf den Stab gewickelt wird, ab: Der Stab bestimmt die Gasraumgeometrie, die Grünfolie die Wandstärken sowie die Außenabmessungen. In
Wie die aufgeführten Beispiele zeigen, bieten sich zahlreiche Möglichkeiten zylindrische Sensorplattformen mit variierendem Durchmesser zu gestalten. Ihre Funktionalitäten können so leicht an die Anforderungen der Anwendungen angepasst werden. So können die Gasgeschwindigkeiten und somit die Verweilzeiten in den einzelnen Bereichen der Plattform, welche mit unterschiedlichen sensitiven oder katalytischen Schichten und aktiven Heizelementen ausgestattet sein können, entsprechend an die Anforderungen der Schichten angepasst werden. Im Falle des integrierenden NOx Sensors, welcher, wie schon erwähnt, auf einer NOx Speicherschicht basiert, können abhängig von den Fließgeschwindigkeiten verschiedene Gasparameter detektiert werden [8]. So ist bei großen Fließgeschwindigkeiten das Sensorsignal unabhängig vom Gasvolumenstrom und proportional zum Integral der Konzentration, da die Speicherschicht lediglich einen Anteil der ankommenden Analytmoleküle einlagert. Der Konzentrationsverlauf kann dann aus der Signalableitung bestimmt werden. Bei geringeren Gasgeschwindigkeiten hingegen speichert die sensitive Schicht alle ankommenden Moleküle ein und das Sensorsignal spiegelt die Gesamtmenge, welche von der Fließgeschwindigkeit abhängt, wider. Dieses Beispiel verdeutlicht, dass sich über eine Anpassung des Durchmessers der Sensorplattform und somit des Gasvolumenstroms die Messmethodik sensitiver Schichten verändern kann.As the examples show, there are numerous possibilities to design cylindrical sensor platforms with varying diameters. Their functionalities can be easily adapted to the requirements of the applications. Thus, the gas velocities and thus the residence times in the individual regions of the platform, which can be equipped with different sensitive or catalytic layers and active heating elements, can be adapted to the requirements of the layers. In the case of the integrating NO x sensor, which, as already mentioned, is based on a NO x storage layer, different gas parameters can be detected depending on the flow rates [8]. Thus, at high flow rates, the sensor signal is independent of the gas volume flow and proportional to the integral of the concentration, since the storage layer stores only a portion of the incoming analyte molecules. The concentration curve can then be determined from the signal derivation. At lower gas velocities, on the other hand, the sensitive layer stores all incoming molecules and the sensor signal reflects the total amount, which depends on the flow rate. This example illustrates that the measurement methodology of sensitive layers can change by adjusting the diameter of the sensor platform and thus the gas volume flow.
Beschreibung der zylindrischen Plattform mit verschiedenen sensitiven Schichten und verschiedenen MessprinzipienDescription of the cylindrical platform with different sensitive layers and different measuring principles
Mit der beschriebenen zylindrischen Sensorplattform gibt es nicht nur viele Möglichkeiten der Ausrichtung im zu detektierenden Gasstrom, sondern auch die Anordnung und Auswahl der sensitiven Schichten im Gasvolumen der Plattform ist sehr flexibel und kann auf die jeweiligen Anforderungen der Anwendung angepasst werden. In der zylindrischen Sensorplattform können aufgrund der Rotationssymmetrie und somit der großen nutzbaren Wandfläche und der lokalen aktiven Beheizung über vergrabene Heizelemente viele verschiedene sensitive Schichten auf engstem Raum miteinander kombiniert werden. Die Funktionsschichten können dabei vollflächig oder auf einen kleinen Bereich begrenzt aufgebracht werden. Im Falle der Anordnung im Gasstrom kann sogar eine Beschichtung der Außenwand des Röhrchens erfolgen. Zudem können verschiedene sensitive Elemente oder katalytisch aktive Materialien in einer unterschiedlichen Reihenfolge dem Gasstrom ausgesetzt werden um zu erreichen, dass Materialien, die stromaufwärts liegen, die Gasparameter (z. B. die Analytkonzentration oder die Konzentration von querempfindlichen Gasen) verändern, um so eine höhere Empfindlichkeit oder eine geringere Querempfindlichkeit zu erzielen. Durch die Kombination eines katalytisch aktiven Materials mit einer sensitiven Schicht kann eine Gasdetektion einer Spezies erst ermöglicht werden. So kann, wie in
Des Weiteren können in dieser zylindrischen Sensorplattform verschiedene Elemente mit unterschiedlichen Messgrößen und Anforderungen an Temperatur und Fließgeschwindigkeit über das Einbringen vergrabener, einzeln geregelter Heizerstrukturen und unterschiedlicher Röhrchenquerschnitte (wie oben beschrieben) miteinander kombiniert werden. Die Sensorelemente (
Durch die Kombination der keramischen Mehrlagentechnik mit der Dickschichttechnik können verschiedenste, sehr komplexe Elektrodengeometrien, z. B. Interdigitalelektroden, auf die Grünfolien aufgebracht werden um die elektrischen Eigenschaften der sensitiven Schichten im Innern der zylindrischen Sensorplattform zu messen. Auf einer Sensorplattform können so unterschiedliche sensorische Messprinzipien (z. B. resistiv, potentiometrisch, thermoelektrisch, ...) vereint werden.By combining the ceramic multilayer technology with the thick-film technology, a wide variety of very complex electrode geometries, eg. B. Interdigital electrodes are applied to the green sheets to measure the electrical properties of the sensitive layers inside the cylindrical sensor platform. On a sensor platform so different sensory measuring principles (eg resistive, potentiometric, thermoelectric, ...) can be combined.
Zur lokalen Beschichtung der entsprechenden Elektrodengeometrien mit sensitivem Material können verschiedene Techniken angewandt werden, bei denen wiederum die aktive Beheizungen Vorteile bringen kann. So können die Materialien bereits vor dem Sintern, z. B. per Siebdrucktechnik, auf die Grünfolien aufgebracht werden, sofern sie den Sinterbedingungen der Keramik Stand halten. Des Weiteren können die Funktionsmaterialien aber auch nach dem Sintern in der zylindrischen Plattform z. B. über einen Tauchprozess, elektrophoretisches Abscheiden, (stromloses) Galvanisieren oder ähnliches abgeschieden werden. Dies kann unter Umständen verbunden sein mit nachfolgenden chemischen Reaktionen (z. B. Oxidieren einer galvanisch abgeschiedenen metallischen Beschichtung um eine sensitive Metalloxidschicht zu erhalten). Somit können die sensitiven Schichten über chemische Prozesse im Röhrchen selbst erzeugt werden, gegebenenfalls. unterstützt von der aktiven Beheizung durch die vergrabenen Heizelemente. Metallorganische Verbindungen können beispielsweise über einen Tauchprozess in das Röhrchenvolumen eingebracht und lokal über dem vergrabenen Heizelement, über dem sich die sensitive Metalloxidschicht befinden soll, thermisch zersetzt werden. Nachfolgend können die abgeschiedenen Schichten, wie oben beschrieben, wiederum über die vergrabenen Heizelemente individuell bei dem materialspezifischen Temperaturprogramm und unabhängig voneinander In-Situ gesintert werden.For local coating of the corresponding electrode geometries with sensitive material, various techniques can be used in which, in turn, the active heating can bring benefits. Thus, the materials already before sintering, z. B. by screen printing technique, are applied to the green sheets, provided they hold the sintering conditions of the ceramic state. Furthermore, the functional materials but also after sintering in the cylindrical platform z. B. via a dipping process, electrophoretic deposition, (electroless) plating or the like are deposited. This may be associated with subsequent chemical reactions (eg, oxidizing an electrodeposited metallic coating to obtain a sensitive metal oxide layer). Thus, the sensitive layers can be generated by chemical processes in the tube itself, if necessary. supported by the active heating by the buried heating elements. Organometallic compounds, for example, can be introduced into the tube volume via a dipping process and thermally decomposed locally above the buried heating element over which the sensitive metal oxide layer is to be located. Subsequently, as described above, the deposited layers can in turn be individually sintered in situ via the buried heating elements in the material-specific temperature program and independently of one another.
Beispielhafter Funktionsnachweis eines zylindrischen Sensorröhrchens zur NOx-DetektionExemplary functional verification of a cylindrical Sensor tube for NO x -type detection
Der integrierende NOx-Sensor wurde entwickelt um selbst kleinste NOx-Konzentrationen über einen längeren Zeitraum mit einer hohen Genauigkeit detektieren zu können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren findet hier eine NOx-Speicherschicht, ursprünglich in NOx-Speicherkatalysatoren im automobilen Abgas eingesetzt, als sensitive Schicht Verwendung. In der Anwesenheit von NOx werden NOx Moleküle in der sensitiven Schicht chemisch als Nitrate gespeichert [9]. Durch diese Materialumwandlung ändert sich die Leitfähigkeit und die Widerstandsänderung |ΔR|/R0 wird als Sensorsignal ausgewertet. Die Sensorkennlinie verbindet dann |ΔR|/R0 mit der Gesamt-NOx-Menge, die seit Beginn des Messzyklus im Gasstrom vorhanden war. Durch die Akkumulation der NOx-Moleküle steigt das Sensorsignal in Gegenwart von NOx kontinuierlich, wobei die zeitliche Ableitung |dR|/dt mit der aktuellen NOx Konzentration einhergeht [9].The integrating NO x sensor was developed to detect even the smallest NO x concentrations over a longer period of time with a high degree of accuracy. In contrast to conventional sensors, a NO x storage layer, originally used in NO x storage catalytic converters in automotive exhaust gas, is used here as a sensitive layer. In the presence of NO x , NO x molecules in the sensitive layer are chemically stored as nitrates [9]. By this material conversion, the conductivity changes and the resistance change | ΔR | / R 0 is evaluated as a sensor signal. The sensor characteristic then combines | ΔR | / R 0 with the total amount of NO x present in the gas flow since the start of the measurement cycle. Due to the accumulation of NO x molecules, the sensor signal increases continuously in the presence of NO x , with the temporal Derivative | dR | / dt is associated with the current NO x concentration [9].
Aufgrund der begrenzten Anzahl an Speicherplätzen in der sensitiven Schicht treten im Betrieb bei fortschreitender Beladung Sättigungseffekte auf und eine periodische Regeneration des Speichers wird erfordert. Im automobilen Speicherkatalysator erfolgt diese Regeneration durch das Umschalten von magerer auf fette Verbrennung des Motors. Dadurch zerfällt das gebildete Nitrat und das freigesetzte NOx wird von den fetten Gasbestandteilen reduziert. Für den sensorischen Einsatz bietet sich jedoch eher eine thermische Regeneration an. Bei Temperaturen im Bereich von 600°C wird das gebildete Nitrat thermodynamisch instabil und zerfällt ohne dabei reduziert zu werden. Der akkumulierende Betrieb des integrierenden NOx-Sensors erfordert also die Möglichkeit, schnell zwischen zwei Betriebstemperaturen wechseln zu können um sowohl die Speicherphase bei niedriger Temperatur als auch die Regeneration durch den Temperaturanstieg realisieren zu können.Due to the limited number of memory locations in the sensitive layer, saturation effects occur during operation as the charge progresses, and periodic regeneration of the memory is required. In the automotive storage catalytic converter, this regeneration takes place by switching from lean to rich combustion of the engine. As a result, the nitrate formed decomposes and the released NO x is reduced by the rich gas components. For sensory use, however, thermal regeneration is more appropriate. At temperatures in the range of 600 ° C, the nitrate formed is thermodynamically unstable and decomposes without being reduced. The accumulating operation of the integrating NO x sensor thus requires the ability to quickly switch between two operating temperatures in order to realize both the storage phase at low temperature and the regeneration by the temperature increase can.
In [8] wurde gezeigt, dass die Fließgeschwindigkeit des Gases einen großen Einfluss auf die Speicherfähigkeit der sensitiven Schicht besitzt. Bei kleinen Verweilzeiten der Gasmoleküle über der sensitiven Schicht wird stets nur ein kleiner Anteil des vorhandenen NOx eingespeichert, und zwar unabhängig von der Fließgeschwindigkeit. Das Sensorsignal |ΔR|/R0 korreliert dann also mit dem zeitlichen Integral der Konzentration, also dem Komponentenstrom und eine Konzentrationsbestimmung erfolgt, wie schon erwähnt, über die Signalableitung. Wird die Fließgeschwindigkeit erniedrigt und somit die Verweilzeit der Gasmoleküle über der sensitiven Schicht erhöht, so können alle vorhandenen NOx-Moleküle während des Passierens der sensitiven Schicht diese über Gasdiffusion erreichen und in ihr eingespeichert werden. Die NOx-Akkumulation ist dann vom Gasvolumenstrom abhängig und die tatsächliche Gesamtmenge ANOx, definiert als das Integral über die Konzentration multipliziert mit dem Gasvolumenstrom, wird detektiert. Um die volle Einspeicherung bei einem gegebenen Gasvolumenstrom zu erreichen, muss die Fläche der sensitiven Schicht ausreichend groß sein um die Verweilzeit an den Diffusionsweg anzupassen, gleichzeitig muss aber auch der Diffusionsweg der NOx-Moleküle aus den Gasstrom zur sensitiven Schicht möglichst klein sein. In [8] wurde ein rechteckiger gasdurchströmter Kanal, welcher auf den beiden größeren Innenflächen mit dem katalytischen Speichermaterial beschichtet war, verwendet. Idealerweise ist hier aber eine rotationssymmetrische Anordnung zu bevorzugen, um ein homogenes Diffusionsprofil und somit eine gleichmäßige Einspeicherung der NOx-Moleküle über den Umfang zu erreichen.In [8] it was shown that the flow velocity of the gas has a great influence on the storage capacity of the sensitive layer. With small residence times of the gas molecules over the sensitive layer, only a small portion of the existing NO x is always stored, regardless of the flow rate. The sensor signal | ΔR | / R 0 then correlates with the temporal integral of the concentration, that is to say the component current, and a concentration determination takes place, as already mentioned, via the signal derivation. If the flow rate is lowered and thus the residence time of the gas molecules above the sensitive layer is increased, then all the NO x molecules present during the passage of the sensitive layer can reach them via gas diffusion and be stored in it. The NO x accumulation, then depends on the gas volume flow and the actual total amount of NOx A, defined as the integral of the concentration multiplied by the gas volume flow is detected. In order to achieve full storage at a given gas flow rate, the area of the sensitive layer must be sufficiently large to accommodate the residence time to the diffusion path, but at the same time the diffusion path of the NO x molecules from the gas stream to the sensitive layer must be as small as possible. In [8] a rectangular gas-flow channel was used, which was coated on the two larger inner surfaces with the catalytic storage material. Ideally, however, a rotationally symmetrical arrangement is to be preferred in order to achieve a homogeneous diffusion profile and thus a uniform storage of the NO x molecules over the circumference.
Die akkumulierende NOx-Speicherschicht zur Detektion der Gesamtmenge mit den Anforderungen eines rotationssymmetrischen Strömungsprofils, langen Verweilzeiten des Gases über der sensitiven Schicht sowie der Möglichkeit zyklisch zwischen zwei Temperaturen zu wechseln, stellt daher eine geeignete Beschichtung dar um den Funktionsnachweis der zylindrischen Plattform zu erbringen.The accumulating NO x storage layer for detecting the total amount with the requirements of a rotationally symmetrical flow profile, long residence times of the gas over the sensitive layer and the ability to cycle between two temperatures, therefore, provides a suitable coating to provide the functional proof of the cylindrical platform.
Dazu wurden zwei Sensorplattformen (Innendurchmesser 4,8 mm und 8,3 mm) mit vergrabenen Heizerstrukturen und innenliegenden Interdigitalelektrodenstrukturen (IDE) entwickelt. Das kleinere Röhrchen mit einem Innendurchmesser von 4.8 mm besitzt entlang der Längsachse ein Interdigitalelektrodenpaar mit einer Breite von 4,35 mm und einer Länge von 14,0 mm (125 μm Fingerbreite und -Abstand) wohingegen über den Umfang verteilt drei Interdigitalelektrodenstrukturen in einem Röhrchen mit einem Innendurchmesser von 8.2 mm realisiert wurden. Um die Bereiche der Interdigitalelektrodenstrukturen aktiv auf eine konstante und flächig homogene Temperatur heizen zu können, wurden darunter jeweils vergrabene 4-Leiter Heizerstrukturen eingebracht. Die metallischen Strukturen wurden mittels Siebdrucktechnik hergestellt. Nach dem Sintern der LTCC Röhrchen wurde das sensitive Speichermaterial über eine Tauchbeschichtung auf die Innenfläche des Röhrchens aufgebracht.For this purpose, two sensor platforms (inside diameter 4.8 mm and 8.3 mm) with buried heater structures and internal interdigital electrode structures (IDE) were developed. The smaller tube with an inside diameter of 4.8 mm has along the longitudinal axis of an interdigital electrode pair with a width of 4.35 mm and a length of 14.0 mm (125 microns finger width and spacing), whereas distributed over the circumference three interdigital electrode structures in a tube an internal diameter of 8.2 mm were realized. In order to be able to actively heat the areas of the interdigital electrode structures to a constant and uniformly homogeneous temperature, buried 4-conductor heater structures were introduced underneath. The metallic structures were produced by screen printing technique. After sintering the LTCC tubes, the sensitive storage material was applied to the inner surface of the tube via a dip coating.
Zunächst wurde an einer fremdbeheizten zylindrischen Sensorplattform mit kleinem Durchmesser bei einer Betriebstemperatur von 380°C die Abhängigkeit des Sensorsignals von der Fließgeschwindigkeit untersucht. In
Die integrierenden Sensoreigenschaften wurden anschließend auch mit einer selbstbeheizten zylindrischen Sensorplattform mit einem Innendurchmesser von 8.4 mm bei einer Betriebstemperatur THeizer von 380°C gezeigt (Speicherphase (
Wie erwähnt, besitzt die sensitive Schicht bei 650°C aufgrund der geringen thermischen Stabilität der Nitrate keine Speicherfähigkeit mehr. Wie in
Die Funktionsweise der zylindrischen Sensorplattform konnte mit Hilfe einer sensitiven NO-Speicherschicht erbracht werden. Das rotationssymmetrische Strömungsprofil erlaubt den über den Umfang gleichmäßigen Gaszutritt zu den Funktionsmaterialien. Im Falle einer akkumulierenden sensitiven Schicht und einer Anpassung der Röhrchengeometrie an die Fließgeschwindigkeit kann also eine vollständige Analytspeicherung erfolgen. Ein Zyklieren der Temperatur bzw. der Betrieb bei verschiedenen Temperaturen ist durch die aktive Beheizung einzelner Zonen der zylindrischen Sensorplattform möglich. Dies erlaubt die periodische thermische Regeneration der sensitiven Speicherschicht. Simulationsergebnisse, validiert durch Aufnahmen mit der Wärmebildkamera belegten zudem, dass die einzelnen beheizten Bereiche unabhängig von einander bei verschiedenen Temperaturen betrieben werden können.The functionality of the cylindrical sensor platform could be achieved with the help of a sensitive NO storage layer. The rotationally symmetrical flow profile allows uniform gas access over the circumference to the functional materials. In the case of an accumulating sensitive layer and an adaptation of the tube geometry to the flow rate, complete analyte storage can therefore take place. A temperature cycling or operation at different temperatures is possible by the active heating of individual zones of the cylindrical sensor platform. This allows the periodic thermal regeneration of the sensitive storage layer. Simulation results, validated by taking pictures with the thermal imager, also showed that the individual heated areas can be operated independently of each other at different temperatures.
Gerade für integrierende Sensoren ergibt sich hier ein weiterer Vorteil aus den zylindrischen, selbstbeheizten und hochtemperaturgeeigneten Sensorplattformen für den zeitkontinuierlichen Betrieb der sensitiven Schichten: Wie bereits beschrieben, können in das große Sensorröhrchen drei Interdigitalelektrodenstrukturen mit drei vergrabenen Heizern integriert werden. Die Strukturen können dabei gleichmäßig über den Umfang verteilt mit der gleichen Position in Gasfließrichtung angeordnet werden. Beschichtet man nun alle drei Interdigitalelektrodenstrukturen mit dem gleichen speicherfähigen Material, so können zeitkontinuierlich die Analytgesamtmenge und die Analytkonzentration detektiert werden ohne das Detektionsintervall durch Reinigungsschritte zu unterbrechen. Ermöglicht wird dies, indem einer der drei vergrabenen Heizer bei einer Temperatur, die für die Analytspeicherung geeignet ist, und zwei der Heizer bei einer Temperatur, die über der Nitratzerfallstemperatur liegt, betrieben werden. Würden beispielsweise Heizer (
Literaturliterature
-
[1]
J. Watson: The Tin Oxide Gas Sensors and its Applications, Sensors and Actuators, 5 (1984) pp. 29–42 J. Watson: The Tin Oxide Gas Sensors and its Applications, Sensors and Actuators, 5 (1984) pp. 29-42 -
[2]
M. Wagner, A. Roosen: Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) Mehrlagenkeramik für mikroelektronische Anwendungen. In Kriegesmann J. (Hrsg.): DKG-Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, Kap. 3.6.1.2, Fachverlag Deutscher Wirtschaftsdienst, 2002 M. Wagner, A. Roosen: Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) Multi-layer ceramics for microelectronic applications. In Kriegesmann J. (ed.): DKG manual Technical Ceramic Materials, Chap. 3.6.1.2, Fachverlag Deutscher Wirtschaftsdienst, 2002 -
[3]
H. Teterycz, J. Kita, R. Bauer, L. J. Golonka, B. W. Licznerski, K. Nitsch, K. Wisniewski: New design of an SnO2 gas sensor an low temperature cofiring ceramics, Sensors and Actuators B: Chemical, 47 (1998) pp. 100–103 H. Teterycz, J. Kita, R. Bauer, LJ Golonka, BW Licznerski, K. Nitsch, K. Wisniewski: New Design of SnO2 Gas Sensor at Low Temperature Cofiring Ceramics, Sensors and Actuators B: Chemical, 47 (1998) pp. 100-103 -
[4]
F. Rettig, R. Moos: Ceramic meso hot-plates for gas sensors, Sensors and Actuators B: Chemical, 103 (2004) pp. 91–97 F. Rettig, R. Moos: Ceramic meso hot plates for gas sensors, Sensors and Actuators B: Chemical, 103 (2004) pp. 91-97 -
[5]
J. Kita, R. Moos: Anwendung der LTCC-Technologie in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. In Kriegesmann J. (Hrsg.): DKG-Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, Kap. 3.6.1.3, Fachverlag. Deutscher Wirtschaftsdienst, 2004 J. Kita, R. Moos: Application of LTCC Technology in Microelectronics and Microsystems Technology. In Kriegesmann J. (ed.): DKG manual Technical Ceramic Materials, Chap. 3.6.1.3, specialist publisher. German Economic Service, 2004 -
[6]
K. A. Peterson, K. D. Patel, C. K. Ho, S. B. Rohde, C. D. Nordquist, C. A. Walker, B. D. Wroblewski, M. Okandan: Novel Microsystem Applications with New Techniques in Low-Temperature Co-Fires Ceramics, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2 (2005) pp. 345–363 KA Peterson, KD Patel, CK Ho, SB Rohde, CD Nordquist, CA Walker, BD Wroblewski, M. Okandan: Novel Microsystem Applications with New Techniques at Low-Temperature Co-Fires Ceramics, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2 (2005) pp. 345-363 -
[7]
C. K. Ho, K. A. Peterson, L. K. McGrath, T. S. Turner: Development of LTCC Smart Channels for Integrated Chemical, Temperature, and Flow Sensing, J. Microelectronics and Electronic Packaging, 3 (2005) pp. 136–144 CK Ho, KA Peterson, LK McGrath, TS Turner: Development of LTCC Smart Channels for Integrated Chemical, Temperature, and Flow Sensing, J. Microelectronics and Electronic Packaging, 3 (2005) pp. 136-144 -
[8]
G. Beulertz, A. Groß, R. Moos, D. J. Kubinski, J. H. Visser: Determining the Total Amount of NOx in a Gas Stream – Advances in the Accumulating Gas Sensor Principle, Sensors and Actuators B: Chemical, in press, doi: 10.1016/j.snb.2012.02.017 G. Beulertz, A. Gross, R. Moos, DJ Kubinski, JH Visser: Determining the Total Amount of NOx in a Gas Stream - Advances in the Accumulating Gas Sensor Principle, Sensors and Actuators B: Chemical, in press, doi: 10.1016 /j.snb.2012.02.017 -
[9]
A. Groß, G. Beulertz, I. Marr, D. J. Kubinski, J. H. Visser, R. Moos: Dual Mode NOx Sensor: Measuring Both the Accumulated Amount and Instantaneous Level at Low Concentrations, Sensors, 12 (2012), pp. 2831–2850 A. Gross, G. Beulertz, I. Marr, DJ Kubinski, JH Visser, R. Moos: Dual Mode NOx Sensor: Measuring both the Accumulated Amount and Instantaneous Level at Low Concentrations, Sensors, 12 (2012), pp. 2831-2850
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- zz
- Längsrichtung RöhrchenLongitudinal tube
- rr
- Radialrichtung RöhrchenRadial direction tube
- φφ
- Umfangsrichtung RöhrchenCircumferential tube
- AA
- Analyt AAnalyte A
- BB
- Analyt BAnalyte B
- 11
- Zylindrische Sensorplattform (Sensorröhrchen)Cylindrical sensor platform (sensor tube)
- 22
- Zylindrische RöhrchenwandCylindrical tube wall
- 33
- Gasraum SensorröhrchenGas chamber sensor tube
- 44
- Gasstrom durch SensorröhrchenGas flow through sensor tubes
- 55
- Innenradius SensorröhrchenInner radius sensor tube
- 66
- Querschnittsfläche SensorröhrchenCross-sectional area of sensor tubes
- 77
- Integrierte vergrabene oder an der Oberfläche befindliche ElementeIntegrated buried or surface elements
- 88th
- Heizerstrukturenheater structures
- 99
- Messgasstrom im GaskanalSample gas flow in the gas channel
- 1010
- Gaskanalgas channel
- 1111
- Radius GaskanalRadius gas duct
- 1212
- verschlossene Stirnfläche der zylindrischen Sensorplattformclosed end face of the cylindrical sensor platform
- 1313
- sensitive und/oder katalytisch aktive Schichtsensitive and / or catalytically active layer
- 1414
- diffundierender Gasstromdiffusing gas stream
- 1515
- keramische Grünfolieceramic green sheet
- 1616
- Regenerationsphase SpeicherschichtenRegeneration phase storage layers
- 1717
- Speicherphasestorage phase
- 1818
- Desorptionspeakdesorption
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19830709 [0002] DE 19830709 [0002]
- US 3631436 [0003] US 3631436 [0003]
- DE 19716521 [0007] DE 19716521 [0007]
- DE 19645613 [0007] DE 19645613 [0007]
- DE 4037195 [0007] DE 4037195 [0007]
- US 7155812 [0012] US 7155812 [0012]
- DE 19853595 [0046] DE 19853595 [0046]
- DE 102009051060 [0050] DE 102009051060 [0050]
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201210010423 DE102012010423A1 (en) | 2012-05-16 | 2012-05-16 | Cylindrical device for use as sensor platform for gas detection, comprises electrode structure, where defined variation of influx speed of gas to functional layer is obtained by execution of high temperature suitable components of device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201210010423 DE102012010423A1 (en) | 2012-05-16 | 2012-05-16 | Cylindrical device for use as sensor platform for gas detection, comprises electrode structure, where defined variation of influx speed of gas to functional layer is obtained by execution of high temperature suitable components of device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102012010423A1 true DE102012010423A1 (en) | 2013-11-21 |
Family
ID=49510860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE201210010423 Withdrawn DE102012010423A1 (en) | 2012-05-16 | 2012-05-16 | Cylindrical device for use as sensor platform for gas detection, comprises electrode structure, where defined variation of influx speed of gas to functional layer is obtained by execution of high temperature suitable components of device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102012010423A1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3118614A1 (en) | 2015-07-15 | 2017-01-18 | UST Umweltsensortechnik GmbH | Ceramic gas and temperature sensing element |
| DE102016221877A1 (en) * | 2016-11-08 | 2018-05-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Gas-sensitive sensor element |
| WO2020002549A1 (en) | 2018-06-28 | 2020-01-02 | CPK Automotive GmbH & Co. KG | Method for measuring nitrogen oxides and device for carrying out said method |
| DE102020113978A1 (en) | 2020-05-25 | 2021-11-25 | CPK Automotive GmbH & Co. KG | Multiple sensor |
| CN114088778A (en) * | 2021-11-17 | 2022-02-25 | 湘潭大学 | High-repeatability film type PPB (pentatricopeptide repeats) formaldehyde gas sensor and preparation method thereof |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3631436A (en) | 1970-07-14 | 1971-12-28 | Naoyoshi Taguchi | Gas-detecting device |
| DE4037195A1 (en) | 1989-11-27 | 1991-05-29 | Hughes Aircraft Co | SENSOR ELEMENTS IN MULTIPLE LAYERED CERAMIC BAND STRUCTURES |
| DE19645613A1 (en) | 1996-03-14 | 1997-09-18 | Herion Werke Kg | Pressure sensor with deformable membrane e.g. for vehicle engine or seat occupation sensing |
| DE19716521A1 (en) | 1997-04-19 | 1998-10-22 | Bosch Gmbh Robert | Force sensor esp pressure sensor in LTCC technology |
| DE19830709A1 (en) | 1998-07-09 | 2000-02-03 | Dornier Gmbh | Measuring transducer for the detection of hydrocarbons in gases |
| DE19853595C1 (en) | 1998-11-20 | 2000-08-24 | Dornier Gmbh | Method and transducer for the detection of the oxygen content in a gas |
| US7155812B1 (en) | 2002-09-05 | 2007-01-02 | Sandia Corporation | Method for producing a tube |
| DE102010023523A1 (en) | 2009-10-28 | 2011-05-05 | Andrea Dipl.-Ing. Geupel | Method for integrative measurement of quantity of e.g. components, in exhaust gas mixture in motor vehicle, involves loading gas components in storage material, and changing and measuring physical parameter of material |
-
2012
- 2012-05-16 DE DE201210010423 patent/DE102012010423A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3631436A (en) | 1970-07-14 | 1971-12-28 | Naoyoshi Taguchi | Gas-detecting device |
| DE4037195A1 (en) | 1989-11-27 | 1991-05-29 | Hughes Aircraft Co | SENSOR ELEMENTS IN MULTIPLE LAYERED CERAMIC BAND STRUCTURES |
| DE19645613A1 (en) | 1996-03-14 | 1997-09-18 | Herion Werke Kg | Pressure sensor with deformable membrane e.g. for vehicle engine or seat occupation sensing |
| DE19716521A1 (en) | 1997-04-19 | 1998-10-22 | Bosch Gmbh Robert | Force sensor esp pressure sensor in LTCC technology |
| DE19830709A1 (en) | 1998-07-09 | 2000-02-03 | Dornier Gmbh | Measuring transducer for the detection of hydrocarbons in gases |
| DE19853595C1 (en) | 1998-11-20 | 2000-08-24 | Dornier Gmbh | Method and transducer for the detection of the oxygen content in a gas |
| US7155812B1 (en) | 2002-09-05 | 2007-01-02 | Sandia Corporation | Method for producing a tube |
| DE102010023523A1 (en) | 2009-10-28 | 2011-05-05 | Andrea Dipl.-Ing. Geupel | Method for integrative measurement of quantity of e.g. components, in exhaust gas mixture in motor vehicle, involves loading gas components in storage material, and changing and measuring physical parameter of material |
Non-Patent Citations (9)
| Title |
|---|
| A. Groß, G. Beulertz, I. Marr, D. J. Kubinski, J. H. Visser, R. Moos: Dual Mode NOx Sensor: Measuring Both the Accumulated Amount and Instantaneous Level at Low Concentrations, Sensors, 12 (2012), pp. 2831-2850 |
| C. K. Ho, K. A. Peterson, L. K. McGrath, T. S. Turner: Development of LTCC Smart Channels for Integrated Chemical, Temperature, and Flow Sensing, J. Microelectronics and Electronic Packaging, 3 (2005) pp. 136-144 |
| F. Rettig, R. Moos: Ceramic meso hot-plates for gas sensors, Sensors and Actuators B: Chemical, 103 (2004) pp. 91-97 |
| G. Beulertz, A. Groß, R. Moos, D. J. Kubinski, J. H. Visser: Determining the Total Amount of NOx in a Gas Stream - Advances in the Accumulating Gas Sensor Principle, Sensors and Actuators B: Chemical, in press, doi: 10.1016/j.snb.2012.02.017 |
| H. Teterycz, J. Kita, R. Bauer, L. J. Golonka, B. W. Licznerski, K. Nitsch, K. Wisniewski: New design of an SnO2 gas sensor an low temperature cofiring ceramics, Sensors and Actuators B: Chemical, 47 (1998) pp. 100-103 |
| J. Kita, R. Moos: Anwendung der LTCC-Technologie in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. In Kriegesmann J. (Hrsg.): DKG-Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, Kap. 3.6.1.3, Fachverlag. Deutscher Wirtschaftsdienst, 2004 |
| J. Watson: The Tin Oxide Gas Sensors and its Applications, Sensors and Actuators, 5 (1984) pp. 29-42 |
| K. A. Peterson, K. D. Patel, C. K. Ho, S. B. Rohde, C. D. Nordquist, C. A. Walker, B. D. Wroblewski, M. Okandan: Novel Microsystem Applications with New Techniques in Low-Temperature Co-Fires Ceramics, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2 (2005) pp. 345-363 |
| M. Wagner, A. Roosen: Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) Mehrlagenkeramik für mikroelektronische Anwendungen. In Kriegesmann J. (Hrsg.): DKG-Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, Kap. 3.6.1.2, Fachverlag Deutscher Wirtschaftsdienst, 2002 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3118614A1 (en) | 2015-07-15 | 2017-01-18 | UST Umweltsensortechnik GmbH | Ceramic gas and temperature sensing element |
| DE102015213270A1 (en) | 2015-07-15 | 2017-01-19 | Ust Umweltsensortechnik Gmbh | Ceramic gas and temperature sensor element |
| DE102016221877A1 (en) * | 2016-11-08 | 2018-05-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Gas-sensitive sensor element |
| WO2020002549A1 (en) | 2018-06-28 | 2020-01-02 | CPK Automotive GmbH & Co. KG | Method for measuring nitrogen oxides and device for carrying out said method |
| DE102018115623A1 (en) * | 2018-06-28 | 2020-01-02 | CPK Automotive GmbH & Co. KG | Method for measuring nitrogen oxides and device for carrying out the method |
| DE102020113978A1 (en) | 2020-05-25 | 2021-11-25 | CPK Automotive GmbH & Co. KG | Multiple sensor |
| CN114088778A (en) * | 2021-11-17 | 2022-02-25 | 湘潭大学 | High-repeatability film type PPB (pentatricopeptide repeats) formaldehyde gas sensor and preparation method thereof |
| CN114088778B (en) * | 2021-11-17 | 2023-08-29 | 湘潭大学 | High-repeatability film type PPB-level formaldehyde gas sensor and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3237881B1 (en) | Sensor for detecting soot particles in an exhaust gas stream of a combustion engine, sensor system, method for operating a sensor, method for producing a sensor of this type and use of a sensor of this type | |
| EP1896838B1 (en) | Sensor and operating method for detecting soot | |
| DE19931007C2 (en) | Method and device for determining the storage state of an ammonia-storing SCR catalytic converter | |
| DE102012010423A1 (en) | Cylindrical device for use as sensor platform for gas detection, comprises electrode structure, where defined variation of influx speed of gas to functional layer is obtained by execution of high temperature suitable components of device | |
| EP3105571A1 (en) | Method and sensor system for measuring gas concentrations | |
| EP2082220B1 (en) | Method and usage of the method for determining the particle and gas concentration of a gas mixture | |
| WO2008113644A2 (en) | Sensor element of a gas sensor | |
| DE102009000820A1 (en) | Sensor element of a gas sensor and method for operating the same | |
| EP0952447A1 (en) | Gas sensor and its use as methan/propansensor | |
| DE112008002874T5 (en) | Multi-layer gas sensor with two heating zones | |
| DE2311165C2 (en) | Electrochemical measuring sensor for the determination of the oxygen content in exhaust gases, mainly from internal combustion engines | |
| EP0923724A1 (en) | Measuring arrangement for the determination of gas components in gas mixtures | |
| WO2018210571A1 (en) | Sensor for determining gas parameters | |
| EP1844315B1 (en) | Measuring arrangement and method for determining the concentration of particles in gas mixtures | |
| DE3019902A1 (en) | METHOD FOR PRODUCING AN OXYGEN SENSOR ELEMENT WITH Sintered Solid Electrolyte Layer | |
| DE102018115623A1 (en) | Method for measuring nitrogen oxides and device for carrying out the method | |
| EP3118614B1 (en) | Ceramic gas and temperature sensing element | |
| EP1462796A2 (en) | Gas sensor and method for its production | |
| DE102015226567B4 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space | |
| DE19756892A1 (en) | Oxygen sensor used in combustion plants and automobile engines | |
| DE112019005597T5 (en) | Gas sensor | |
| DE102004010067A1 (en) | Gas sensor with long term stability measures thermo-emf, for an applied temperature gradient, of a metal oxide semi-conductor layer of very low thickness | |
| DE102012207214A1 (en) | Sensor element used in motor car for detecting property e.g. oxygen concentration of measurement gas, has catalytic active material that is in thermal contact with solid electrolyte to partially surround electrode | |
| EP3130917A1 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas area | |
| DE102015219085A1 (en) | Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20141202 |