DE102012016816B4

DE102012016816B4 - Gassensor

Info

Publication number: DE102012016816B4
Application number: DE102012016816.0A
Authority: DE
Inventors: Luciana Pitta-Bauermann; Ralf Stich; Peter Ziegler
Original assignee: Testo SE and Co KGaA
Current assignee: Testo SE and Co KGaA
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2032-08-25
Also published as: US20140061047A1; GB2509200A; US9372170B2; CN103630595A; GB201315129D0; CN103630595B; DE102012016816A1

Abstract

Gassensor (1) mit einem Trägersubstrat (2), welches eine Oberseite (4) und eine Unterseite (3) aufweist, wobei an der Unterseite (3) ein Gaseinlass (24) für ein Messgas ausgebildet ist und wobei auf der Oberseite (4) eine Elektrodenstruktur (20) mit einer Elektrolyt-Schicht (6) angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat (2) einen porösen Bereich (7) aus einem porösen Material aufweist und das poröse Material Diffusionsöffnungen bildet, welche die Unterseite (3) mit der Oberseite (4) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Trägersubstrat (2) an der Oberseite (4) benachbart zu dem porösen Bereich (7) ein gasdichter Oberflächenbereich (33, 34, 35) ausgebildet ist, dass auf dem gasdichten Oberflächenbereich (33, 34, 35) ein Anschluss (5, 27) einer Messelektrode (25, 26) der Elektrodenstruktur (20) als metallische Beschichtung ausgebildet ist, wobei der gasdichte Oberflächenbereich (33, 34, 35) durch eine Sperrschicht (14) oder als Oberseite eines gasdichten Materials des Trägersubstrats (2) ausgebildet ist, dass die Elektrolyt-Schicht (6) den Anschluss (5, 27) und den porösen Bereich (7) zumindest teilweise bedeckt, dass die Elektrodenstruktur (20) wenigstens zwei Messelektroden (25, 26) und vorzugsweise eine Referenzelektrode (18) aufweist und dass die Messelektroden (25, 26) und/oder die Referenzelektrode (18) jeweils eine Katalysator-Schicht (10) aufweist/aufweisen, die zwischen dem oder einem jeweiligen Anschluss (5, 27, 28) und der Elektrolyt-Schicht (6) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit einem Trägersubstrat, welches eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei an der Unterseite ein Gaseinlass für ein Messgas ausgebildet ist und wobei auf der Oberseite eine Elektrodenstruktur mit einer Elektrolyt-Schicht angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat einen porösen Bereich aus einem porösen Material aufweist und das poröse Material Diffusionsöffnungen bildet, welche die Unterseite mit der Oberseite verbinden.
Aus der WO 2012/ 071 151 A1 ist ein derartiger Gassensor bekannt, wobei die Elektrodenstruktur direkt auf ein poröses Trägersubstrat aufgetragen ist und wobei das poröse Trägersubstrat auf seiner von der Elektrodenstruktur abgewandten Unterseite mit einer Rückplatte versehen ist, um den Gaseintritt in das Trägersubstrat auf eine Zugangsöffnung zu begrenzen.
Aus WO 01/ 14 864 A2 ist ein Gassensor bekannt, bei welchem ein festes Elektrolyt auf einem porösem Substrat angeordnet ist und ein flüssiges Elektrolyt, das mit dem Substrat in Kontakt ist, das feste Elektrolyt feucht hält, so dass kein Docht notwendig ist.
Aus DE 10 2007 059 653 A1 und DE 10 2012 202 716 A1 sind Gassensoren mit Festkörper-Elektrolyt bekannt.
Es sind auch Gassensoren bekannt, bei denen zur Gasdurchleitung durch das Trägersubstrat von der Unterseite an die Oberseite Bohrlöcher in das Trägersubstrat eingebracht sind.
Es hat sich herausgestellt, dass derartige Bohrlöcher den Nachteil haben, dass der aufgebrachte Elektrolyt oder eine zwischen Elektrolyt und Elektrodenstruktur angeordnete Katalysatorbeschichtung bei Beschichtungsvorgang oder später in die Bohrlöcher eindringen und diese verschließen kann. Dies kann zur Folge haben, dass das Messgas nicht mehr im Betrieb zur Elektrodenstruktur an der Oberseite des Trägersubstrats gelangen kann, wodurch eine ordnungsgemäße Funktion des Gassensors nicht mehr gewährleistet ist.
Es hat sich weiter herausgestellt, dass das Aufbringen der Elektrodenstruktur auf einem porösen Trägersubstrat technologisch aufwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen einfach fertigbaren Gassensor bereitzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Insbesondere ist somit bei einem Gassensor der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, dass an dem Trägersubstrat an der Oberseite benachbart zu dem porösen Bereich ein gasdichter Oberflächenbereich ausgebildet ist, dass auf dem gasdichten Oberflächenbereich ein Anschluss einer Messelektrode der Elektrodenstruktur als metallische Beschichtung ausgebildet ist und dass die Elektrolyt-Schicht den Anschluss und den Bereich zumindest teilweise bedeckt. Von Vorteil ist dabei, dass der wenigstens eine Anschluss auf dem gasdichten Oberflächenbereich gut haftet. Dies Vereinfacht die Fertigung des Gassensors. Von Vorteil ist dabei weiter, dass die Diffusionsöffnungen des porösen Materials so klein sind, dass eine außenseitige Beschichtung des Trägersubstrats beim Aufbringen aufgrund der Oberflächenspannung der Beschichtung und der Benetzungseigenschaften nicht oder nur unwesentlich in die Diffusionsöffnungen gelangt. Fertigungstechnisch aufwendige Vorkehrungen, um ein Eindringen der Elektrolyt-Schicht in die Diffusionsöffnungen während der Fertigungen oder im Betrieb zu verhindern, sind somit verzichtbar. Bevorzugt bedeckt die Katalysator-Schicht den porösen Bereich und/oder den Anschluss vollständig.
Der gasdichte Oberflächenbereich kann beispielsweise dadurch gebildet sein, dass das Trägersubstrat aus einem gasdichten Material besteht, in welches poröse Bereiche eingebracht, insbesondere durch Bestückung und/oder Befüllung von einer oder mehreren zwischen Unterseite und Oberseite des Trägersubstrats durchgehenden Öffnungen mit einem porösen Material, sind oder in welchem die porösen Bereiche ausgebildet, beispielsweise durch nachträgliche Materialveränderung, sind.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Elektrodenstruktur wenigstens zwei Messelektroden aufweist. Hierbei kann eine Messelektrode der wenigstens zwei Messelektroden als Arbeitselektrode und eine weitere Messelektrode der wenigstens zwei Messelektroden als Gegenelektrode ausgebildet sein. Die Elektrodenstruktur weist zusätzlich eine Referenzelektrode auf. Die Referenzelektrode kann sich von den anderen Messelektroden dadurch unterscheiden, dass sie gegen den Gaseinlass gasdicht abgeschlossen ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das poröse Material hydrophob ausgebildet ist. Dies ist besonders günstig, wenn der Elektrolyt wasserbasiert ist. Von Vorteil ist dabei, dass das poröse Material einen zusätzlichen Schutz gegen eine Leckage des Elektrolyten, also ein Auslaufen des Elektrolyten aus dem Gassensor, bildet.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Messelektroden und/oder die Referenzelektrode jeweils einen Anschluss aufweisen, der als Beschichtung des Trägersubstrats ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Beschichtung aus Gold. Mit den Anschlüssen wird die Spannung zwischen Arbeitselektrode und Referenzelektrode konstant gehalten. Zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode wird während der Oxydation oder Reduktion des Messgases ein Strom erzeugt, der gemessen wird. Bevorzugt sind die Anschlüsse der Elektrodenstruktur als metallische Beschichtung, beispielsweise aus Gold, ausgebildet. Besonders günstig ist es, wenn die Anschlüsse auf das Trägersubstrat aufgedruckt sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung möglich ist.
Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messelektroden und/oder die Referenzelektrode jeweils eine Katalysator-Schicht aufweist/aufweisen, die zwischen dem oder einem jeweiligen Anschluss und der Elektrolyt-Schicht angeordnet ist. Die Katalysator-Schicht bildet somit die Messelektroden und/oder die Referenzelektrode. Von Vorteil ist dabei, dass Messverfahren realisierbar sind, bei welchen das in den Gassensor durch die Diffusionsöffnungen hineindiffundierende Messgas einem Katalysator zugeführt wird, in welchem die gewünschte elektrochemische Reaktion abläuft.
Beispielsweise kann die Katalysator-Schicht aus Platin bestehen oder Platin enthalten. Auch Kohlenstoff, beispielsweise als Kohlenstoff-Nanoröhrchen (carbon nanotubes, CNT), ist verwendbar als Katalysator.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass die Katalysator-Schichten der Messelektroden, also der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode, und der Referenzelektrode aus demselben Material bestehen und/oder dieselbe Zusammensetzung aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass für die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode oder für die Arbeitselektrode und die Referenzelektrode unterschiedliche Materialien als Katalysator-Schicht verwendet sind. Beispielsweise kann die Katalysator-Schicht der Arbeitselektrode Platin enthalten, während die Katalysator-Schicht der Gegenelektrode Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthält. Auch andere Materialkombinationen sind verwendbar und auf das jeweils zu detektierende Messgas abgestimmt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Anschlüsse Durchtrittsöffnungen für das Messgas bilden. Von Vorteil ist dabei, dass die Diffusionsöffnungen im Bereich der Durchtrittsöffnungen münden können, so dass das Messgas durch die Durchtrittsöffnungen direkt den Messelektroden der Elektrodenstruktur zuführbar ist. Somit sind besonders kompakte Gassensoren bildbar.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Durchtrittsöffnungen einen größeren Durchmesser, insbesondere einen wenigstens 50-mal oder sogar 100-mal größeren Durchmesser, aufweisen als die Diffusionsöffnungen. Von Vorteil ist dabei, dass die Lage der Durchtrittsöffnungen nicht exakt auf die Lage der Diffusionsöffnungen ausgerichtet werden muss. Vielmehr kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen so groß und die Lage der Diffusionsöffnungen zu einander so eng gewählt sind, dass auf jeden Fall wenigstens eine Diffusionsöffnung an der Durchtrittsöffnung mündet.
Beispielsweise können die Diffusionsöffnungen einen Porendurchmesser von 50 µm oder weniger aufweisen, während die Durchtrittsöffnungen makroskopisch ausgebildet sind und eine lichte Weite von wenigstens 3 mm haben.
Besonders günstig ist es, wenn der oder jeder Anschluss den oder einen porösen Bereich ringförmig umgibt. Von Vorteil ist dabei, dass die Elektroden gut allseitig auf der Oberseite kontaktierbar sind.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Referenzelektrode vollständig auf einem gasdichten Oberflächenbereich angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein Kontakt der Referenzelektrode mit dem Messgas verhinderbar ist.
Allgemein kann vorgesehen sein, dass der gasdichte Oberflächenbereich durch eine Sperrschicht ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Speerschicht aus einen gasdichten Kunststoff, beispielsweise aus nicht expandiertem oder gasdichtem PTFE, gefertigt. Von Vorteil ist dabei, dass ein Trägersubstrat aus einem einheitlichen Werkstoff, beispielsweise aus einem porösen Material, verwendbar ist. Die Sperrschicht ist somit aufdruckbar. Von Vorteil ist weiter, dass eine große Vielfalt von Formgebungen der Elektrodenstruktur einfach herstellbar ist. Die Sperrschicht wirkt somit als Zwischenschicht zwischen einem porösen Material und den Anschlüssen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der gasdichte Oberflächenbereich als Oberseite eines gasdichten Materials des Trägersubstrats ausgebildet ist. Beispielsweise ist dies bei einer zweiteiligen Ausführung des Trägersubstrats, bei der eine von der Oberseite zur Unterseite durchgehende Öffnung mit einem porösen Material befüllt oder bestückt ist, erreichbar, indem der Oberflächenbereich benachbart zu der durchgehenden Öffnung angeordnet ist. Bevorzugt ist das gasdichte Material aus einem gasdichten Kunststoff, beispielsweise aus gasdichtem oder nichtexpandiertem PTFE, oder Keramik gefertigt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zumindest einige der Diffusionsöffnungen Verzweigungen aufweisen. Von Vorteil ist dabei, dass bereichsweise Verstopfungen von Diffusionsöffnungen nicht sofort zum Ausfall des Gassensors führen, da die Verzweigungen alternative Diffusionswege für das Messgas bereitstellen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Diffusionsöffnungen in unregelmäßiger Anordnung in dem porösen Bereich ausgebildet sind. Von Vorteil ist dabei, dass unabhängig von der konkret gewählten Form der Elektrodenstruktur in der Regel gewährleistbar ist, dass Diffusionsöffnungen an der Oberseite des Trägersubstrats in durch die Elektrodenstruktur freigelassenen Bereichen, beispielsweise Durchtrittsöffnungen der Elektrodenstruktur, bereitgestellt sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest einige der Diffusionsöffnungen wenigstens einen Knick oder wenigstens eine Biegung aufweisen. Somit sind zusätzliche Barrieren bildbar, die das Auslaufen der Elektrolyt-Schicht und/oder der Katalysator-Schicht aus dem Gassensor durch die Diffusionsöffnungen verhindern.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Diffusionsöffnungen eine netzförmige Anordnung bilden. Beispielsweise können die Diffusionsöffnungen durch Zwischenräume zwischen miteinander verschweißten oder auf sonstige Weise verbundenen Körnern ausgebildet sein. Dies ist besonders einfach fertigbar.
Zur Vereinfachung der Fertigung kann vorgesehen sein, dass die Diffusionsöffnungen auf natürliche Weise ausgebildet sind. Beispielsweise kann dies durch Sintern oder unter Verwendung von Füllstoffen, vorzugsweise von flüchtigen Füllstoffen, oder von einem expandierten Kunststoff, beispielsweise expandiertes PTFE (ePTFE) oder ein sonstiger gasdurchlässiger expandierter Kunststoff, erreicht sein. Von Vorteil ist dabei, dass zusätzliche Fertigungsschritte wie Bohren oder dergleichen, mit welchen die Diffusionsöffnungen nachträglich eingebracht werden, vermeidbar sind. Hierdurch sind Verzweigungen in den Diffusionsöffnungen besonders einfach bildbar. Die Größe und Menge der Diffusionsöffnungen steuert das Volumen des Messgases, das vom Gassensor detektiert wird.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Diffusionsöffnungen durch einen Ätzvorgang ausgebildet sind.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der poröse Bereich aus porösem Material durch Befüllung oder Bestückung einer durchgehenden Öffnung in dem vorzugsweise gasdichten Trägersubstrat mit einem porösen Material ausgebildet ist. Hierbei verbindet die durchgehende Öffnung die Unterseite mit der Oberseite. Es sind so mehrstückige Trägersubstrate bildbar. Die durchgehende Öffnung kann hierbei die Oberseite des Trägersubstrats mit der Unterseite des Trägersubstrats verbinden und beispielsweise einen geradlinigen Verlauf aufweisen. Von Vorteil ist dabei, dass die durchgehende Öffnung einfach fertigbar ist, beispielsweise durch Bohren, Fräsen, Stanzen oder in Gießtechnik. Es können im Durchmesser vergleichsweise große, insbesondere im Vergleich mit einem Durchmesser der Diffusionsöffnungen große, durchgehende Öffnungen ausgebildet werden. Dies ist fertigungstechnisch einfacher zu behandeln. Die Befüllung oder Bestückung ist ebenfalls einfach durchführbar, so dass insgesamt eine besonders einfache Herstellbarkeit des porösen Bereichs aus einem porösen Material erreichbar ist. Die Befüllung oder Bestückung kann auch durch Einsetzen, insbesondere Einpressen, eines porösen Formteils gebildet sein. Vorteilhaft ist, wenn das poröse Formteil aus einem hydrophoben oder sogar sehr hydrophoben Material besteht. Dadurch wird der Schutz durch Leckage des Elektrolyten deutlich verbessert.
Bevorzugt ist das Trägersubstrat einstückig aus porösem Material gefertigt, so dass der porösen Bereich aus dem porösen Material das Trägersubstrat bildet, oder das Trägersubstrat ist aus wenigstens zwei Bestandteilen mehrstückig zusammengesetzt. Diese Bestandteile können stoffschlüssig oder formschlüssig oder kraftschlüssig miteinander verbunden sein. Besonders günstig ist es, wenn das Trägersubstrat aus einem gasdichten Bestandteil und einem porösen Bestandteil zusammengesetzt ist.
Für viele Anwendungen ist es günstig, wenn das Trägersubstrat planar ausgebildet ist. Hierbei wird unter einer planaren Ausbildung eine Ausgestaltung verstanden, bei welcher eine Dimension, die Dicke, deutlich kleiner als zwei zur Bildung eines dreidimensionalen Objekts zu dieser Dimension komplementäre Dimensionen ist. Das Trägersubstrat ist somit näherungsweise zweidimensional oder flächenhaft. Von Vorteil ist dabei, dass kompakte Anordnungen erreichbar sind, die universell oder zumindest vielseitig einsetzbar sind.
Es kann vorgesehen sein, dass das Trägersubstrat rohrförmig ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Trägersubstrat noch zusätzliche technische Funktionen übernehmen kann.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Trägersubstrat als Teil einer Messgasleitung ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Trägersubstrat aus einem flexiblen Material gefertigt ist. Beispielsweise kann das Trägersubstrat aus Folie oder als Membran gefertigt sein. Von Vorteil ist dabei, dass das Trägersubstrat mit der aufgebrachten Beschichtung auf unterschiedlich gestaltete Oberflächen aufbringbar ist. Von Vorteil ist weiter, dass Folien
oder Membranen Trägersubstrate bilden, welche auf natürliche Weise Diffusionsöffnungen aufweisen oder welche bereits bei der Herstellung auf einfache Weise mit Diffusionsöffnungen ausrüstbar sind.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf der Oberseite des Trägersubstrats in zu den Messelektroden benachbarten Oberflächenbereichen eine Sperrschicht zum Verschluss der Diffusionsöffnungen in diesen Oberflächenbereichen aufgebracht ist. Somit kann verhindert werden, dass das Messgas durch die Diffusionsöffnungen in diesen Nachbarbereichen direkt zu der Referenzelektrode oder in die Elektrolyt-Schicht eintreten kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Elektrolyt-Schicht zusammenhängend ausgebildet ist und die Messelektroden und vorzugsweise die Referenzelektrode bedeckt. Von Vorteil ist dabei, dass die Elektrolyt-Schicht in einem Arbeitsgang aufbringbar ist, Von Vorteil ist weiter, dass eine Diffusion des Messgases zwischen den Messelektroden, also beispielsweise von der Arbeitselektrode zu der Gegenelektrode, durch die Elektrolyt-Schicht ermöglicht ist. Somit sind auch Gassensoren bildbar, welche an der Gegenelektrode keinen porösen Bereich aufweisen. Beispielsweise kann ein solcher Gassensor zur CO-Messung eingerichtet sein.
Bei einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Anschlüsse der Messelektroden und/oder der Referenzelektrode als Gold-Beschichtung ausgeführt sind. Es hat sich herausgestellt, dass die Gold-Beschichtung gut auf den gasdichten Oberflächenbereich aufbringbar ist. Besonders gute Verarbeitungseigenschaften hat die Kombination einer Gold-Beschichtung auf einer Oberfläche aus nichtexpandiertem PTFE.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Anschlüsse durch Beschichten aufgebracht sind, insbesondere mit einem Druck-, Sprüh- und/oder Dispergierverfahren, also beispielsweise aufgedruckt sind. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Katalysator-Schicht aufgedruckt ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Elektrolyt-Schicht durch Beschichten aufgebracht ist, insbesondere mit einem Druck-, Sprüh- und/oder Dispergierverfahren, also beispielsweise aufgedruckt ist. Vorzugsweise sind wenigstens zwei oder sogar alle drei Beschichtungen aufgedruckt. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Elektrodenstruktur mit den Anschlüssen und der Katalysatorschicht und gegebenenfalls die Referenzelektrode der Elektrodenstruktur auf das Trägersubstrat durch Beschichten aufgebracht ist/sind, insbesondere mit einem Druck-, Sprüh- und/oder Dispergierverfahren, also beispielsweise aufgedruckt ist/sind.
Um zu verhindern, dass die Elektrolyt-Schicht durch die Diffusionsöffnungen ausfließt, kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Elektrolyt-Schicht gelförmig oder fest ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht sein, dass die Elektrolyt-Schicht durch einen Zusatz von partikelförmigen oder partikulären Bestandteilen gelförmig oder sogar fest ist. Hierbei wird unter einem Gel ein formbeständiges, leicht deformierbares, an Flüssigkeiten und/oder Gasen reiches disperses System aus mindestens zwei Komponenten verstanden, wobei die Komponenten aus den partikelförmigen Bestandteilen als Verdickungsmittel einerseits und einer Flüssigkeit, zum Bespiel einem ionenleitfähigen Medium wie eine Säure oder Lauge, als Dispersionsmittel anderseits bestehen. Von Vorteil ist dabei, dass die gelförmige oder sogar feste Konsistenz der Elektrolyt-Schicht verhindert oder weitestgehend verhindert, dass die Elektrolyt-Schicht durch die Diffusionsöffnungen oder anderweitig auslaufen kann. Somit kann die Standfestigkeit oder zeitliche Stabilität des Gassensors nochmal gesteigert werden. Die partikelförmigen oder partikulären Bestandteile können hierbei einem flüssigen, vorzugsweise hoch ionenleitfähigen, Medium zugegeben sein, um die gewünschte Konsistenz zu erhalten.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Katalysator-Schicht die Anschlüsse der Messelektroden und/oder der Referenzelektrode bedeckt. Von Vorteil ist dabei, dass eine kompakte Bauform erreichbar ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Elektrolyt-Schicht die ganze Oberseite des Trägersubstrats bedeckt. Von Vorteil ist dabei, dass die Elektrolyt-Schicht besonders einfach flächig aufbringbar ist. Bevorzugt kann hierzu eine Sperrschicht zum Verschluss der in zu der Elektrodenstruktur benachbarten Bereichen mündenden Diffusionsöffnungen vorgesehen sein.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Elektrolyt-Schicht die Elektrodenstruktur bedeckt. Insbesondere ist somit erreichbar, dass die Elektrolyt-Schicht die Messelektroden und/oder die Referenzelektrode bedeckt. Es ist somit auch erreichbar, dass die Elektrolyt-Schicht die Katalysator-Schicht bedeckt. Somit sind großflächige Elektrolyt-Schichten verwendbar.
Um zu vermeiden, dass die Elektrolyt-Schicht im Laufe der Zeit austrocknet oder verdunstet oder anderweitig altert, kann vorgesehen sein, dass auf der oder außenseitig um die Elektrolyt-Schicht eine Deckschicht aufgetragen ist. Bevorzugt ist die Deckschicht ausgehärtet. Somit ist eine zeitliche Konstanz der Form und/oder Zusammensetzung der Elektrolyt-Schicht gewährleistbar.
Es kann auch vorgesehen sein, dass auf der oder außenseitig um die Elektrolyt-Schicht ein vorzugsweise wannenförmiges Gehäuseteil angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Elektrolyt-Schicht auf einfache Weise vor Veränderungen und vor mechanischen Einwirkungen von außen schützbar ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Trägersubstrate in Sandwichbauweise beabstandet voneinander angeordnet sind, an denen jeweils eine Elektrodenstruktur ausgebildet ist. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Elektrolyt-Schicht zwischen den zwei Trägersubstraten angeordnet ist. Die zwei Trägersubstrate können jeweils einen porösen Bereich aus einem porösen Material aufweisen, wobei jeder poröse Bereich an den Gaseinlass angeschlossen ist. In diesem Fall bildet jedes Trägersubstrat der zwei Trägersubtrate mit der zugehörigen Elektrodenstruktur und der Elektrolyt-Schicht für sich einen erfindungsgemäßen Gassensor.
Es kann alternativ vorgesehen sein, dass nur eines der zwei Trägersubstrate einen Bereich aus einem porösen Material aufweist, der an den Gaseinlass angeschlossen ist. Hier ist eine Messelektrode der nicht an den Gaseinlass angeschlossenen Elektrodenstruktur beispielsweise als Referenzelektrode verwendbar. Es kann somit vorgesehen sein, dass eine Referenzelektrode an einer vom Gaseinlass abgewandten Oberfläche des Elektrolyten ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination einzelner oder mehrerer Merkmale der Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen der Ausführungsbeispiele.
Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors,
2 eine stark vereinfachte Schnittdarstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Gassensors mit mehrstückigem Trägersubstrat,
3 eine Draufsicht des Gassensors gemäß 2,
4 einen erfindungsgemäßen Gassensor mit rohrförmigem Trägersubstrat in stark vereinfachter, dreidimensionaler Schrägansicht,
5 einen weiteren erfindungsgemäßen Gassensor mit rohrförmigem Trägersubstrat in stark vereinfachter Radialschnitt-Darstellung und
6 einen weiteren erfindungsgemäßen Gassensor in Sandwichbauweise in stark vereinfachter Schnittdarstellung.

1 zeigt in einer Schnittdarstellung stark schematisiert einen im Ganzen mit 1 bezeichneten elektrochemischen Gassensor.
Der Gassensor 1 hat ein planares Trägersubstrat 2. In der Schnittdarstellung in 1 steht die Schnittebene senkrecht auf der durch das planare Trägersubstrat 2 vorgegebenen Ebene. Das Trägersubstrat 2 ist somit flächenhaft eben ausgebildet.
Das Trägersubstrat 2 weist eine Unterseite 3 auf. An der Unterseite 3 ist ein nicht weiter dargestellter und an sich bekannter Gaseinlass 24 für ein Messgas ausgebildet. Über diesen Gaseinlass 24 ist das Messgas der Unterseite 3 des Trägersubstrats 2 zuführbar.
An der Oberseite 4 des Trägersubstrats 2, also an der gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats 2 in Bezug auf die Unterseite 3, ist eine Elektrodenstruktur 20 ausgebildet. Die Elektrodenstruktur 20 ist in an sich bekannter Weise zur Erfassung und/oder Erzeugung elektrischer Messsignale des Gassensors 1 eingerichtet. Hierzu weist die Elektrodenstruktur 20 wenigstens zwei Messelektroden 25, 26, beispielsweise eine Arbeitselektrode 25 und eine Gegenelektrode 26, und ggf. eine Referenzelektrode auf. Dargestellt ist in 1 nur die Arbeitselektrode 25 - die Gegenelektrode 26 mit einem Anschluss 27 kann - ggf. bei abweichender Materialwahl - identisch oder ähnlich zu der Arbeitselektrode 25 ausgebildet sein.
Anschlüsse 5, 27 der Messelektroden 25, 26 der Elektrodenstruktur 20 sind aus einem metallischen Material, beispielsweise zumindest teilweise aus Gold, aufgedruckt.
Auf der Oberseite 4 ist weiter eine Elektrolyt-Schicht 6 aufgetragen und angeordnet.
Das Trägersubstrat 2 ist einstückig ausgebildet. Das Trägersubstrat 2 ist aus einem porösen Material gefertigt, beispielsweise expandiertem Polytetrafluorethylen (PTFE) und weist einen porösen Bereich 7 aus einem porösen Material auf.
Das poröse Material in dem Bereich 7 bildet eine unregelmäßige Anordnung von Diffusionsöffnungen, die in 1 nur durch eine Schraffur angedeutet sind. Die Zahl der Diffusionsöffnungen ist tatsächlich sehr groß und entspricht der natürlichen Zahl von Diffusionsöffnungen in einem porösen Material.
Die Diffusionsöffnungen verbinden die Unterseite 3 mit der Oberseite 4, so dass das über die Unterseite 3 einströmende Messgas zur Oberseite 4 diffundieren kann.
Die Anschlüsse 5, 27 der Elektrodenstruktur 20 weisen Durchtrittsöffnungen 9 auf.
Einige der Diffusionsöffnungen münden an der Durchtrittsöffnung 9. Somit kann das Messgas aus den Diffusionsöffnungen durch die Durchtrittsöffnungen 9 in die Messelektroden 25, 26 austreten.
Die lichten Durchmesser der Durchtrittsöffnungen 9 sind größer als die lichten Durchmesser der Diffusionsöffnungen, so dass unabhängig von der genauen Positionierung der Elektrodenstruktur 20 auf dem Trägersubstrat 2 bei der unregelmäßigen Anordnung der Diffusionsöffnungen sichergestellt ist, dass in den Durchtrittsöffnungen 9 immer wenigstens eine Diffusionsöffnung mündet.
Die Diffusionsöffnungen sind durch Sintern oder unter Verwendung von flüchtigen Füllstoffen, expandiertem Kunststoff oder durch einen Ätzvorgang ausgebildet und weisen Verzweigungen und/oder Knicke und/oder Biegungen auf.
Die Diffusionsöffnungen bilden somit ein unregelmäßiges oder zufälliges Netz oder Geflecht von Verbindungen oder Kanälen zwischen der Unterseite 3 und der Oberseite 4.
Die Diffusionsöffnungen können bei weiteren Ausführungsbeispielen auch durch mikroskopische Zwischenräume zwischen Körnern ausgebildet sein, die miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, sind. Somit ist ein unregelmäßiges Netz von Diffusionsöffnungen bildbar. Einzelne der Diffusionsöffnungen verlaufen nicht vollständig zwischen den Unterseite 3 und der Oberseite 4, sondern enden im Trägersubstrat 2 als blindes Ende. Beispielsweise ist hierbei Polystyrol verwendbar, um den porösen Bereich zu bilden.
Auf den Anschlüssen 5, 27 der Elektrodenstruktur 20 und der Elektrolyt-Schicht 6 in 1 ist jeweils eine Katalysator-Schicht 10 angeordnet, welche die Messelektroden 25, 26 und eine nicht weiter dargestellte Referenzelektrode bildet. Die Katalysator-Schichten 10 der Messelektroden 25, 26 sind hierbei voneinander beabstandet angeordnet und somit elektrisch nicht miteinander verbunden. Das Messgas tritt somit aus den Diffusionsöffnungen durch die Durchtrittsöffnungen 9 in die Katalysator-Schicht 10 der Messelektroden 25, 26.
Die Katalysator-Schicht 10 enthält beispielsweise Platin als katalytisches Material und eventuell zusätzliche Bestandteile. Die Katalysator-Schicht 10 kann auf die Anschlüsse 5, 27 aufgedruckt sein.
Das durch die Durchtrittsöffnungen 9 durchgetretene Messgas wird nun an den Messelektroden 25, 26 der Elektrodenstruktur 20 oxidiert bzw. reduziert, und es wird ein Strom zwischen den Anschlüssen 5 und 27 der Elektrodenstruktur 20 als elektrisches Messsignal des Gassensors 1 bereitgestellt und mit einer nicht weiter dargestellten Auswerteelektronik erfasst.
Zwischen den Teilen der Elektrodenstruktur 20 und in zu der Elektrodenstruktur 20 benachbarten Bereichen der Oberseite 4 ist eine Sperrschicht 14 aufgebracht, mit welcher die Diffusionsöffnungen in diesem Bereich verschlossen sind. Somit kann kein Messgas in Oberflächenbereichen austreten, die benachbart zu der Elektrodenstruktur 20 sind. An den Durchtrittsöffnungen 9 ist keine Sperrschicht 14 aufgetragen. Zwischen dem Trägersubstrat 2 und einer nicht weiter gezeigten Referenzelektrode ist eine Sperrschicht 14 ausgebildet, welche ein Eindringen des Messgases in die Referenzelektrode verhindert.
Die Sperrschicht 14 dient gleichzeitig als Haftvermittler für den Anschluss 5 und ebenso für die nicht weiter dargestellten Anschlüsse 27, 28. Die Sperrschicht 14 bildet daher benachbart zu dem porösen Bereich 7 einen gasdichten Oberflächenbereich 33, in welchem der Anschluss 5 und die nicht weiter dargestellten Anschlüsse 27 und ggf. 28 aufgedruckt sind.
Die Sperrschicht 14 ist aus nichtexpandiertem PTFE gefertigt. Die Anschlüsse 5, 27, 28 aus Gold sind auf die Sperrschicht aufgetragen.
Der Anschluss 5 - und ebenso der Anschluss 27 - sind ringförmig ausgebildet und umschließt somit allseitig die Durchtrittsöffnung 9.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind C- oder U-förmige Anschlüsse 5, 27 ausgebildet, und die Anschlüsse 5, 27 begrenzen die Durchtrittsöffnung 9 nur an drei Seiten. Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind andere Formgebungen der Anschlüsse 5, 27 realisiert, die eine ausreichende Kontaktierung der Katalysator-Schicht 10 der Messelektroden 25, 26 herstellen und genügend Fläche für den Durchtritt des Messgases zu der Katalysator-Schicht 10 freihalten.
Aus 1 ist ersichtlich, dass die Elektrolyt-Schicht 6 die Messelektroden 25, 26, also insbesondere deren Katalysator-Schichten 10, und die Sperrschicht 14 bedeckt.
Außenseitig ist auf die Elektrolyt-Schicht 6 ein wannenförmiges Gehäuseteil 15 aufgesetzt, welches die Elektrolyt-Schicht 6 nach außen begrenzt und abschließt. Das wannenförmige Gehäuseteil 15 ist mit dem Trägersubstrat 2 verrastet und wirkt gehäusebildend für den Gassensor 1. Das Gehäuseteil 15 bildet innenseitig eine Ausnehmung 30, in welche die Elektrolyt-Schicht 6 mit der Elektrodenstruktur 20 aufgenommen ist.
2 und 3 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Funktionell und/oder konstruktiv zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 ähnliche oder gleichartige Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht noch einmal gesondert beschrieben. Vielmehr gelten die Erläuterungen zu 1 entsprechend auch zu dem Ausführungsbeispiel nach 2 und 3.
In 2 sind die Gegenelektrode 26 und die Referenzelektrode 18 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt.
Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach 1, bei dem das Trägersubstrat 2 einstückig ausgebildet ist, ist das Trägersubstrat 2 bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 und 3 mehrstückig ausgebildet. In einen ersten Bestandteil 31 des Trägersubstrats 2, der aus einem gasdichten Material gefertigt ist, ist eine durchgehende Öffnung 29 eingestanzt oder ausgeschnitten oder gebohrt oder auf andere Weise eingebracht.
In die durchgehende Öffnung 29 ist ein passend ausgebildeter zweiter Bestandteil 32 des Trägersubstrats 2 eingesetzt. Der zweite Bestandteil 32 ist mit dem ersten Bestandteil 31 stoffschlüssig und/oder gasdicht verbunden.
Der zweite Bestandteil 32 ist aus einem porösen Material als Formkörper gefertigt und bildet den porösen Bereich 7 aus porösem Material. Der poröse Bereich 7 besteht somit aus mehreren, nicht zusammenhängenden Bereichen.
Der erste Bestandteil 31 stellt an seiner elektrodenseitigen Oberfläche gasdichte Oberflächenbereiche 33, 34, 35 bereit, auf welchem die Anschlüsse 5, 27, 28 ausgebildet sind.
Zusätzlich kann auf den ersten Bestandteil 31 eine Sperrschicht 14 aufgetragen sein. Diese ist aber nicht zwingend erforderlich, da der erste Bestandteil 31 bereits gasdicht ausgebildet ist.
Aus 3 ist ersichtlich, dass die porösen Bereiche 7 aus porösem Material an ihren Rändern von einem Anschluss 5 und 27 der Messelektroden 25, 26 ringförmig eingefasst sind. Somit sind die bereits zu 1 angesprochenen Durchtrittsöffnungen 9 fast so groß wie die von den Messelektroden 25, 26 abgedeckten Bereiche ausgebildet.
Ferner ist eine Referenzelektrode 18 auf dem ersten Bestandteil 31 ausgebildet. Zwar ist der erste Bestandteil 31 bereits aus gasdichtem Material gebildet, zusätzlich kann jedoch im Bereich der Referenzelektrode 18 eine Sperrschicht 14 aufgetragen sein, um ein Gasaustritt in die Referenzelektrode 18 auszuschließen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Gegenelektrode 26 vollständig auf dem gasdichten Oberflächenbereich 34 ausgebildet sein. Es ist somit im Bereich der Gegenelektrode 26 kein poröser Bereich 7 ausgebildet. Das Messgas kann beispielsweise durch den porösen Bereich 7 der Arbeitselektrode in die Elektrolyt-Schicht 6 eintreten und durch diese zu der Gegenelektrode 26 diffundieren.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors 1, bei welchem das Trägersubstrat 2 nicht planar, sondern rohrförmig ausgebildet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind funktionell und/oder konstruktiv zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 gleichartige Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht erneut gesondert beschrieben.
Die Unterseite 3 des Gassensors 1 ist bei 4 an der Innenseite des rohrförmigen Trägersubstrats 2 ausgebildet, während die Oberseite 4 durch die Außenseite des rohrförmigen Trägersubstrats 2 gebildet wird.
Das rohrförmige Trägersubstrat 2 ist somit als Teil einer Messgasleitung 16 ausgebildet, an welche der Gassensor 1 über die nicht weiter dargestellten Diffusionsöffnungen in den porösen Bereichen 7 im Trägersubstrat 2 angeschlossen ist.
Somit kann das in der Messgasleitung 16 transportierte Messgas direkt durch die Diffusionsöffnungen von der Unterseite 3 zu den Messelektroden 25, 26 der Elektrodenstruktur 20 an der Oberseite 4 des Trägersubstrats 2 diffundieren.
Die Referenzelektrode 18 ist dagegen durch eine Sperrschicht 14 gegen ein Eintreten des Messgases abgedichtet.
Zur Bildung der Messelektroden 25, 26 sind die Anschlüsse 5, 27 mit einer Katalysator-Schicht 10 belegt, welche die Reaktion an den Messelektroden 25, 26 der Elektrodenstruktur 20 unterstützt oder ermöglicht. Die Reaktion bewirkt eine elektrochemische Reaktion mit einem Ionentransport in der Elektrolyt-Schicht 6, welche einen messbaren Strom an der Elektrodenstruktur 20 zwischen den Anschlüssen 5, 27 erzeugt.
Zwischen den Anschlüssen 5, 27 einerseits und dem Trägersubstrat 2 andererseits bildet jeweils eine Sperrschicht 14 einen gasdichten Oberflächenbereich 33, 34, 35 und wirkt als Haftvermittler zwischen den Anschlüssen 5, 27 und dem porösen Trägersubstrat 2.
Die Sperrschicht 14 bedeckt die Oberseite 4 des Trägersubstrats 2 außerhalb der Elektrodenstruktur 20 und verschließt so Diffusionsöffnungen in dem Trägersubstrat 2, die außerhalb der Elektrodenstruktur 20 ausgebildet sind.
Somit wird vermieden, dass Gas aus der Messgasleitung 16 außerhalb des Gassensors 1 austreten kann.
Eine Deckschicht 17 umgibt die Elektrolyt-Schicht 6 außenseitig und schützt so den Gassensor 1.
Statt oder zusätzlich zu der Deckschicht 17 kann außenseitig ein Gehäuseteil 15 (vgl. 1) vorgesehen sein, das den Gassensor 1 außenseitig umgreift und/oder gehäusebildend abschließt.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist in Abwandlung von 4 im Bereich des Gassensors 1 in der Rohrwandung der Messgasleitung 16 eine Öffnung ausgebildet, auf welche ein Trägersubstrat 2 in Form einer Membran oder einer Folie aufgelegt ist oder in welche ein Einsatz aus einem porösen Material eingesetzt ist. Das Trägersubstrat 2 verschließt somit die erwähnte Ausnehmung. In der Folie oder Membran sind Diffusionsöffnungen ausgebildet, durch welche die Unterseite 3 mit der Oberseite 4 des folien- oder membranartigen Trägersubstrats 2 bzw. des erwähnten Einsatzes verbunden ist. Auf der Membran sind gasdichte Oberflächenbereiche ausgebildet, welche die Anschlüsse der Elektroden tragen, oder die Anschlüsse sind auf zu der Membran benachbarten gasdichten Oberflächenbereichen aufgebracht.
An der Oberseite 4 dieses Trägersubstrats 2 ist in einer entsprechenden Anordnung analog zu dem Ausführungsbeispiel nach 4 eine Elektrodenstruktur 20 mit Anschlüssen 5, 27, 28, einer die Messelektroden 25, 26 bildenden Katalysator-Schicht 10, einer Elektrolyt-Schicht 6 und einer Deckschicht 17 ausgebildet. Die nicht benötigten Diffusionsöffnungen sind mit einer Sperrschicht 14 versiegelt.
Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist das Trägersubstrat 2 ebenfalls rohrförmig ausgebildet.
Dargestellt ist in 5 ein stark vereinfachter, schematisierter Radialschnitt des Gassensors 1.
Innenseitig bildet das Trägersubstrat 2 eine Unterseite 3. Außenseitig bildet das Trägersubstrat 2 eine Oberseite 4. Die Unterseite 3 bildet einen Gaseinlass 24.
In dem einstückigen Trägersubstrat 2 sind auf natürliche Weise nicht weiter dargestellte Diffusionsöffnungen ausgebildet, welche die Unterseite 3 mit der Oberseite 4 verbinden.
Durch diese Diffusionsöffnungen kann Messgas aus der Messgasleitung 16, die durch das rohrförmige Trägersubstrat 2 gebildet ist, in die Katalysator-Schicht 10 und die Elektrolyt-Schicht 6 diffundieren. Hierbei ist die Katalysator-Schicht 10 zur Bildung der Messelektroden 25, 26 und der Referenzelektrode 18 an der Oberseite 4 auf die Anschlüsse 5, 27, 28 aufgebracht. Die Elektrolyt-Schicht 6 umgibt das Trägersubstrat 2 radial allseitig.
Die Elektrodenstruktur 20 weist wenigstens drei Elektroden auf, von denen zwei Elektroden als Messelektroden 25, 26 und eine Elektrode als Referenzelektrode 18 verwendbar sind. Im Bereich dieser Referenzelektrode 18 sind die Diffusionsöffnungen auch unterhalb der Elektrodenstruktur 20 mit einer Sperrschicht 14 verschlossen oder versiegelt. Die Sperrschicht 14 erstreckt sich auch unterhalb der Anschlüsse 5, 27, 28 und bildet dort gasdichte Oberflächenbereiche 33, 34, 35 (vgl. 3), auf denen der jeweilige Anschluss 5, 27, 28 haftet.
Eine derartige Referenzelektrode 18 ist in an sich bekannter Weise auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Elektrolyt-Schicht 6 nach außen durch eine ausgehärtete Deckschicht 17 allseitig abgeschlossen.
Der Gassensor 1 erstreckt sich somit über einen Abschnitt der Messgasleitung 16.
Es sei noch erwähnt, dass das Gehäuseteil 15 in 1 wannenförmig mit einer Ausnehmung 30 zur Aufnahme der Elektrolyt-Schicht 6 ausgebildet ist.
6 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Gassensor 1. Die vorstehenden Erläuterungen zu den Bezugszeichen gelten entsprechend. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen planaren Aufbauten ist der Gassensor 1 gemäß 6 in Sandwichbauweise ausgeführt. Dies bedeutet, dass mehrere Elektrodenstrukturen 20, 22 in Stapelanordnung, also übereinander, angeordnet sind.
Hierzu weist der Gassensor 1 ein erstes Trägersubstrat 2 und ein zweites Trägersubstrat 21 auf, die übereinander gestapelt sind.
Zwischen dem ersten Trägersubstrat 2 und dem zweiten Trägersubstrat 21 ist die Elektrolyt-Schicht 6 angeordnet.
Das zweite Trägersubstrat 21 ist somit teilweise gehäusebildend für die Elektrolyt-Schicht.
Das erste Trägersubstrat 2 ist wie zuvor beschrieben einstückig oder mehrstückig ausgebildet. Die vorstehenden Erläuterungen gelten daher hier für dieselben Bezugszeichen jeweils entsprechend.
Das zweite Trägersubstrat 21 ist aus einem gasdichten Material gefertigt oder zumindest nicht mit dem Gaseinlass 24 verbunden. Auf dem zweiten Trägersubstrat 21, also an der von dem Gaseinlass 24 abgewandten Oberfläche 23 der Elektrolyt-Schicht 6, ist eine Elektrodenstruktur 22 mit einer Referenzelektrode 18 und einer Gegenelektrode 26 ausgebildet.
Die Arbeitselektrode 25 ist an dem mit dem Gaseinlass verbundenen oder an den Gaseinlass angeschlossenen Trägersubstrat 2 ausgebildet. Somit kann das Messgas durch die porösen Bereiche 7 des Trägersubstrats 2 in die Messelektroden 25 eindringen.
Das Messgas diffundiert weiter durch die Elektrolyt-Schicht 6 zu der Gegenelektrode 26. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Gegenelektrode 26 auf dem Trägersubstrat 2 ausgebildet sein und/oder an den oder einen eigenen Gaseinlass angeschlossen sein. Hierzu kann das Trägersubstrat 21 einen eigenen porösen Bereich aufweisen, beispielsweise in einer in 1 oder 2 gezeigten Weise.
Das Trägersubstrat 21 wird durch ein Gehäuseteil 15 beabstandet zu dem Trägersubstrat 2 gehalten. Das Gehäusteil 15 umgibt die Elektrolyt-Schicht 6 zwischen den Trägersubstraten 2, 21 außenseitig und ist - wie auch bei 1 und 2 - mit dem Trägersubstrat 2 mittels Rastnasen 19 verrastet.
Die Trägersubstrate 2, 21 mit den Messelektroden 25, 26 und der Referenzelektrode 18 sowie der Elektrolyt-Schicht 6 sind somit in der Ausnehmung 30 des Gehäuseteils 15 aufgenommen und gegen mechanische, chemische und physikalische Beanspruchung von außen geschützt.
Statt des Gehäuseteils 15 kann der Gassensor 1 auch mit einer vorzugsweise ausgehärteten Deckschicht vergossen sein.
In 6 ist das zweite oder obere Trägersubstrat 21 aus einem gasdichten Material gefertigt. Im Bereich der Auflageflächen der Anschlüsse 27, 28 der Elektroden 26, 18 ist somit jeweils ein gasdichter Oberflächenbereich 34, 35 gebildet, auf den die Anschlüsse 27, 28 aufgetragen sind.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Katalysator-Schicht 10 in gelöster Form oder als Emulsion aufgetragen und anschließend getrocknet. So entsteht eine elektrisch leitfähige Struktur, welche die Messelektroden 25, 26 und/oder die Referenzelektrode 18 bildet und katalytische Funktionen bei der Detektion des Messgases übernimmt. Die Katalysator-Schicht 10 ist somit porös und nimmt Elektrolyt aus der Elektrolyt-Schicht auf.
Die Anschlüsse 5, 27, 28 können aus Gold gefertigt sein.
Es ist ersichtlich, dass die Katalysator-Schicht 10 jeweils die Anschlüsse 5, 27, 28 abdeckt, wobei die Anschlüsse 5, 27, 28 mit Kontakierungsbahnen 36 aus dem Abdeckungsgebiet herausgeführt sind.
Die Katalysator-Schicht 10 der Arbeitselektrode 25 ist bei den Ausführungsbeispielen elektrisch getrennt und beabstandet angeordnet von der Katalysator-Schicht 10 der Gegenelektrode 26.
Beide Messelektroden 25, 26 sind elektrisch getrennt von der Katalysator-Schicht 10 der Referenzelektrode 18.
Die Elektrolyt-Schicht 6 ist bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen und bei weiteren Ausführungsbeispielen jeweils durch Zusatz von partikelförmigen oder partikulären Bestandteilen zu einer Flüssigkeit gelförmig ausgebildet. Dies erschwert ein Austreten der Elektrolyt-Schicht 6 durch die Diffusionsöffnungen.
Bei einem elektrochemischen Gassensor 1 weist ein Trägersubstrat 2 eine Unterseite 3 und eine Oberseite 4 auf, wobei an der Oberseite 4 eine Elektrodenstruktur 20 mit einer Elektrolyt-Schicht 6 angeordnet ist, während an der Unterseite 3 ein Gaseinlass für ein Messgas ausgebildet ist. Es wird vorgeschlagen, in dem Trägersubstrat 2 einen Bereich 7 aus einem porösen Material auszubilden, so dass Diffusionsöffnungen in dem porösen Material die Unterseite 3 mit der Oberseite 4 gasdurchlässig verbinden, wobei ein Anschluss 5, 27 einer Messelektrode 25, 26 in einem gasdichten Oberflächenbereich 33, 34, 35 an der Oberseite 4 benachbart zu dem porösen Bereich 7 ausgebildet ist und der Anschluss 5, 27 durch die Elektrolyt-Schicht 6 zumindest teilweise bedeckt ist.

Claims

Gassensor (1) mit einem Trägersubstrat (2), welches eine Oberseite (4) und eine Unterseite (3) aufweist, wobei an der Unterseite (3) ein Gaseinlass (24) für ein Messgas ausgebildet ist und wobei auf der Oberseite (4) eine Elektrodenstruktur (20) mit einer Elektrolyt-Schicht (6) angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat (2) einen porösen Bereich (7) aus einem porösen Material aufweist und das poröse Material Diffusionsöffnungen bildet, welche die Unterseite (3) mit der Oberseite (4) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Trägersubstrat (2) an der Oberseite (4) benachbart zu dem porösen Bereich (7) ein gasdichter Oberflächenbereich (33, 34, 35) ausgebildet ist, dass auf dem gasdichten Oberflächenbereich (33, 34, 35) ein Anschluss (5, 27) einer Messelektrode (25, 26) der Elektrodenstruktur (20) als metallische Beschichtung ausgebildet ist, wobei der gasdichte Oberflächenbereich (33, 34, 35) durch eine Sperrschicht (14) oder als Oberseite eines gasdichten Materials des Trägersubstrats (2) ausgebildet ist, dass die Elektrolyt-Schicht (6) den Anschluss (5, 27) und den porösen Bereich (7) zumindest teilweise bedeckt, dass die Elektrodenstruktur (20) wenigstens zwei Messelektroden (25, 26) und vorzugsweise eine Referenzelektrode (18) aufweist und dass die Messelektroden (25, 26) und/oder die Referenzelektrode (18) jeweils eine Katalysator-Schicht (10) aufweist/aufweisen, die zwischen dem oder einem jeweiligen Anschluss (5, 27, 28) und der Elektrolyt-Schicht (6) angeordnet ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material hydrophob ausgebildet ist, wobei der Elektrolyt wasserbasiert ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysator-Schicht (10) den Anschluss (5, 27) und den porösen Bereich (7) zumindest teilweise bedeckt.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (5, 27, 28) Durchtrittsöffnungen (9) für das Messgas bilden und/oder dass der oder jeder Anschluss (5, 27) den porösen Bereich (7) ringförmig umgibt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (18) vollständig auf einem gasdichten Oberflächenbereich (35) angeordnet ist und/oder dass der gasdichte Oberflächenbereich (33, 34, 35) durch eine Sperrschicht (14) aus gasdichtem PTFE oder als Oberseite eines gasdichten Materials aus gasdichtem PTFE oder Keramik des Trägersubstrats (2) ausgebildet ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsöffnungen auf natürliche Weise, insbesondere durch Sintern oder unter Verwendung von vorzugsweise flüchtigen Füllstoffen oder von expandiertem Kunststoff, oder durch einen Ätzvorgang, ausgebildet sind und/oder dass der poröse Bereich (7) durch Befüllung oder Bestückung einer durchgehenden Öffnung (29) in dem vorzugsweise gasdichten Trägersubstrat (2) mit einem porösen Material ausgebildet ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (2) planar ausgebildet ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (2) rohrförmig ausgebildet ist und/oder dass das Trägersubstrat (2) als Teil einer Messgasleitung (16) ausgebildet ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (2) aus einem flexiblen Material, insbesondere aus Folie oder als Membran, gefertigt ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyt-Schicht (6) zusammenhängend ausgebildet ist und die Messelektroden (25, 26) und vorzugsweise die Referenzelektrode (18) bedeckt und/oder dass die Anschlüsse (5, 27, 28) der Messelektroden (25, 26) und/oder der Referenzelektrode (18) als Gold-Beschichtung ausgeführt sind.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (5, 27, 28) und/oder die Katalysator-Schicht (10) und/oder die Elektrolyt-Schicht (6) durch Beschichten aufgebracht ist/sind, insbesondere mit einem Druck-, Sprüh- und/oder Dispergierverfahren, und/oder dass die Elektrolyt-Schicht (6) gelförmig, fest oder flüssig ist, insbesondere durch einen Zusatz von partikelförmigen Bestandteilen.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysator-Schicht (10) die Anschlüsse (5, 27, 28) bedeckt und/oder dass die Elektrolyt-Schicht (6) die Oberseite (4) des Trägersubstrats (2) und/oder die Elektrodenstruktur (20), insbesondere die Messelektroden (25, 26) und/oder die Referenzelektrode (18) und/oder die Katalysator-Schicht (10), bedeckt.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der oder außenseitig um die Elektrolyt-Schicht (6) eine vorzugsweise ausgehärtete Deckschicht (17) aufgetragen ist und/oder dass auf der oder außenseitig um die Elektrolyt-Schicht (6) ein vorzugsweise wannenförmiges Gehäuseteil (15) angeordnet ist.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Trägersubstrate (2, 21) in Sandwichbauweise beabstandet voneinander angeordnet sind, an denen jeweils eine Elektrodenstruktur (20, 22) ausgebildet ist, und/oder dass die Elektrolyt-Schicht (6) zwischen den zwei Trägersubstraten (2, 21) angeordnet ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (18) an einer vom Gaseinlass (24) abgewandten Oberfläche (23) der Elektrolyt-Schicht (6) ausgebildet ist.