DE10259523A9

DE10259523A9 - Sensorelement

Info

Publication number: DE10259523A9
Application number: DE2002159523
Authority: DE
Inventors: Thomas Egner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2005-05-25
Also published as: DE10259523A1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) vorgeschlagen, das zum Einbau in ein Gehäuse eines Messfühlers vorgesehen ist und das der Bestimmung einer physikalischen Größe eines Messgases, insbesondere der Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, dient. Das Sensorelement (10) weist ein Heizelement (41) auf, das als elektrisch leitende Komponente ein oxidkeramisches Material enthält.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus der DE 44 20 944 A1 bekannt. Das Sensorelement dient der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas eines Verbrennungsmotors. Das Sensorelement weist eine elektrochemische Zelle auf, die zwei Elektroden sowie einen zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolyten enthält. Zur Beheizung der elektrochemischen Zelle ist ein mäanderförmiges Widerstandsheizelement vorgesehen, das zwischen zwei Festelektrolytfolien angeordnet ist und durch eine Heizerisolation von den Festelektrolytfolien elektrisch isoliert ist. Das Heizelement ist mit zwei Zuleitungen elektrisch kontaktiert, über die durch eine außerhalb des Sensorelements gelegene Spannungsquelle eine Spannung angelegt werden kann.
Das Heizelement besteht aus einem sogenannten Edelmetall-Cermet, weist also einen metallischen und einen keramischen Anteil auf. Der metallische Anteil ist ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung und enthält beispielsweise Platin und/oder Palladium. Der keramische Anteil ist beispielsweise Zirkonoxid oder Aluminiumoxid. Die elektronenleitende Komponente des Heizelements ist das Edelmetall, während der keramische Anteil ein Isolator ist und zur Elektronenleitung nicht beiträgt.
Das Sensorelement wird hergestellt, indem eine Grünfolie (Festelektrolytfolie im ungesinterten Zustand) mit Funktionsschichten (beispielsweise Elektroden, Heizer, Isolationsschichten, Zuleitungen, poröse Schichten oder Schutzschichten) im Siebdruckverfahren bedruckt wird. Die Funktionsschichten liegen beim Bedrucken der Grünfolie in pastöser Form vor. Die Pasten enthalten verschiedene organische Materialien, durch die unter anderem die Konsistenz der Pasten eingestellt wird.
Bei einem derartigen Sensorelement ist nachteilig, dass das verwendete Edelmetall sehr teuer ist. Zudem ist das Platin katalytisch aktiv, so dass das Platin bei der Herstellung des Sensorelement zu einer Veränderung der organischen Bestandteile der in pastöser Form vorliegenden Funktionsschichten führt. Diese Veränderung der Zusammensetzung der Pasten erschwert die Prozessbeherrschbarkeit und führt zu unerwünschten Veränderungen der elektrischen Elemente des Sensorelements.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement mit einem Heizelement, das als elektrisch leitenden Komponente ein oxidkeramisches Material enthält, hat demgegenüber den Vorteil, dass das Heizelement ein Material enthält, das preisgünstig ist, eine ausgezeichnete Langzeitstabilität aufweist und zudem äußerst hochtemperaturbeständig ist. Da das Material des Heizelements eine Oxidkeramik ist, ist weiterhin eine gute Anbindung des Heizelements an die umgebenden keramischen Schichten gewährleistet.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Sensorelements möglich.
Als besonders geeignet haben sich oxidkeramische Materialen mit der Zusammensetzung (A_1–x/B_x)(C_1–yD_y)O₃ erwiesen, wobei x und y zwischen 0 und 1 liegen und A, B, C und D Elemente aus der Gruppe der Metalle sind. Diese Materialien werden auch als Perowskite bezeichnet. Besonders vorteilhaft wird (La_1–x/Sr_x)MnO₃ und/oder (La_1–x/Sr_x)CoO₃ verwendet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Ansprüchen.
Zeichnung
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Querschnitt durch ein Sensorelement entlang der Linie I-I in 2, und 2 einen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel der Erfindung entlang der Linie II-II in 1.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 und 2 zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Sensorelements 10 mit einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Festelektrolytfolie 21, 22, 23, 24. Zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytfolie 21, 22 ist ein Heizelement 45 vorgesehen, das mittels einer Heizerisolation 42 von der ersten und der zweiten Festelektrolytfolie 21, 22 elektrisch isoliert ist. An die zweite Festelektrolytfolie 22 schließt sich eine dritte und eine vierte Festelektrolytfolie 23, 24 an. In die dritte Festelektrolytfolie 23 ist ein Referenzgasraum 35 eingebracht, der mit einem Referenzgas, beispielsweise mit Umgebungsluft, gefüllt ist. Im Referenzgasraum 35 ist auf der vierten Festelektrolytfolie 24 eine erste Elektrode 31 aufgebracht. Auf der der ersten Elektrode 31 gegenüberliegenden Seite der vierten Festelektrolytfolie 24 ist eine zweite Elektrode 32 aufgebracht, die dem Messgas ausgesetzt ist. Die zweite Elektrode 32 ist mit einer nicht dargestellten Schutzschicht überzogen. Die erste und die zweite Elektrode 31, 32 sowie der zwischen erster und zweiter Elektrode 31, 32 angeordnete Festelekrolyt 24 bilden eine elektrochemische Zelle 30, die beispielsweise als Nernstzelle betrieben wird.
Zu dem Heizelement 45 sind zwei Zuleitungen 46 geführt, die durch je eine Durchkontaktierung 43 mit je einer auf einer Außenseite des Sensorelements 10 aufgebrachten Kontaktfläche (nicht dargestellt) elektrisch verbunden sind. Die elektrochemische Zelle 30 und das Heizelement 45 sind in einem Messbereich 51 des Sensorelements 10 angeordnet, während die Zuleitungen 36 des Heizelements 45 in einem Zuleitungsbereich 52 des Sensorelements vorgesehen sind.
Das Heizelement 45 besteht aus (La_0,2/Sr_0,8)MnO₃. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung besteht das Heizelement 45 aus (La_1–x/Sr_x)CoO₃, wobei x zwischen 0 und 1 liegt. Ebenfalls geeignet sind Verbindungen, bei denen Mn beziehungsweise Co durch die Elemente Fe, Ni, Cr oder Cu ersetzt sind.

Claims

Sensorelement, insbesondere zum Einbau in ein Gehäuse eines Messfühlers zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines Messgases, vorzugsweise zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, wobei das Sensorelement (10) ein Heizelement (41) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (41) als elektrisch leitende Komponente ein oxidkeramisches Material enthält.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidkeramische Material die Zusammensetzung (A_1–x/B_x)(C_1–yD_y)O₃ aufweist, wobei x und y zwischen 0 und 1 liegen und A, B, C und D Elemente aus der Gruppe der Metalle sind.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidkeramische Material die Zusammensetzung (La_1–x/Sr_x)(C_1–yD_y)O₃ aufweist, wobei x und y zwischen 0 und 1 liegen und C und D Elemente aus der Gruppe der Übergangsmetalle, insbesondere Mn, Co, Fe, Ni, Cr oder Cu, sind.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidkeramische Material (La_1–x/Sr_x)MnO₃ und/oder (La_1–x/Sr_x)CoO₃ aufweist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidkeramische Material (La_1–x/Sr_x)MnO₃ enthält, wobei x im Bereich von 0,01 bis 0,5, insbesondere bei 0,2, liegt.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (41) in eine Isolationsschicht (42), insbesondere eine überwiegend aus Aluminiumoxid bestehende Isolationsschicht (42), eingebettet ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) in Planartechnik schichtförmig aufgebaut ist, und dass das Heizelement (41) auf einer keramischen Trägerschicht oder zwischen zwei keramischen Schichten (23, 24) angeordnet ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (42) mit dem Heizelement (41) zwischen zwei keramischen Trägerschichten (23, 24), die insbesondere überwiegend aus mit Yttrium dotiertem Zirkonoxid bestehen, angeordnet ist.
Sensorelement einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) einen Messbereich (51) und einen Zuleitungsbereich (52) aufweist, wobei im Messbereich (51) ein Messelement, insbesondere mindestens eine elektrochemische Zelle (30), angeordnet ist.
Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (30) eine erste, dem Messgas ausgesetzte Elektrode (31), eine zweite, in einem Referenzgasraum (35) angeordnete Elektrode (32) sowie einen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (31, 32) angeordneten Festelektrolyten (21) umfasst.
Sensorelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (41) einen Heizer (45) und Heizerzuleitungen (46) umfasst, wobei der Heizer (45) im Messbereich (51) und die Heizerzuleitungen (46) im Zuleitungsbereich (52) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement und/oder mindestens eine Isolationsschicht durch ein Siebdruckverfahren auf eine ungesinterte keramische Trägerfolie aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der entstandene Schichtverbund mit einem oder mehreren, insbesondere ebenfalls bedruckten, weiteren keramischen Trägerfolien zusammenlaminiert und anschließend gesintert wird.