DE19610912A1

DE19610912A1 - Pellistor

Info

Publication number: DE19610912A1
Application number: DE1996110912
Authority: DE
Inventors: Juergen Dittrich
Original assignee: DITTRICH ELEKTRONIK J
Current assignee: DITTRICH, JUERGEN, 76532 BADEN-BADEN, DE
Priority date: 1996-03-20
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 1997-09-25

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Bestimmung der Konzentration reaktiver Gase in einem Gasgemisch insbesondere in Luft durch Messung der Widerstandsänderung an mindestens einem stromdurchflossenen Widerstandselement auf dessen Oberfläche eine exotherme katalytisch bewirkte Reaktion mit einem reaktiven Gas stattfindet.

Derartige Gassensoren, die Pellistoren bzw. Wärmetönungs katalytische Sensoren bezeichnet werden weisen einen feinen Platindraht auf, der an einer Stelle mit einer Keramikschicht insbesondere mit Aluminiumoxid in Form eines Kügelchens (Pellet) umschlossen ist. Die Oberfläche des Keramikkügelchens ist mit einem aktiven Katalysatormaterial beschichtet. Der Platindraht dient bei diesen Sensoren als Heizelement und gleichzeitig als Widerstandsthermometer.

Wird ein solches Aktivelement durch den Stromfluß erhitzt, bewirkt der Katalysator, daß bei Temperaturen von ca. 500°C auf der Oberfläche des Kügelchens eine Verbrennung des Gases an Sauerstoff erfolgt. Die bei der katalytisch initiierten Reaktion an der Oberfläche freiwerdende Wärme führt zu einer entsprechenden Widerstandserhöhung des Platindrahtes. Dabei ist bei einer kleinen Änderung der Temperatur diese Widerstandsänderung proportional zur Konzentration des brennbaren Gases.

Um diese Widerstandsänderung messen zu können, wird ein Aktivelement mit einem Referenzelement in einer Meßbrücke elektrisch verschaltet. Das Referenzelement weist denselben Aufbau wie das Aktivelement auf, nur daß dem Referenzelement die katalytische Schicht fehlt. Aktiv- und Referenzelement sind mitunter durch einen Schutzschild getrennt um den Wärmeübergang zwischen den Elementen zu minimieren.

Nachteil der bekannten Gassensoren, die von der beschriebenen Technik Gebrauch machen ist, daß sie sehr aufwendig herzustellen sind. Der hohe Fertigungsaufwand resultiert einerseits daher, daß die Pellistoren sehr kleine Abmessungen aufweisen und daß die einzelnen Bauelemente sehr exakt gefertigt werden müssen, um genaue Messungen zu gewährleisten. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Erwärmung des Katalysators durch das Aufheizen des stromdurchflossenen Platindrahtes geschieht. Durch das selbständige Aufheizen ist jedoch eine exakte Regelung der Temperatur unmöglich. Um eine Oxidation an der Oberfläche zu vermeiden, muß der Draht aus Platin gefertigt werden, was den Nachteil hat, daß die durch einen Temperatur gradienten hervorgerufene Änderung des Widerstandes vergleichsweise klein und damit das Auflösungsvermögen des Sensors ist begrenzt ist.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Pellistoren ist, daß ihre Lebensdauer mit zwei bis drei Jahren vergleichsweise kurz ist und der Austausch defekter Pellistoren hohe Kosten mit sich bringt. Außerdem sind die Meßwerte, die mit den bekannten Pellistoren erzielt werden nicht eindeutig, da sehr hohe und sehr niedrige Konzentrationen dasselbe Ausgangssignal erzeugen. Letztendlich sind die Pellistoren sehr empfindlich gegenüber der Verschmutzung durch Katalysatorgifte wie Silikon, Blei oder korrosive Gase wie H₂S.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gassensor zu schaffen, der fertigungstechnisch einfach herzustellen ist und der bei langer Lebensdauer eine hohe Auflösung bei der Messung von reaktiven Gasen in der Umgebungsluft aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gassensor nach Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gassensors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Gassensors ist, daß er einfach und kostengünstig hergestellt werden kann, da die einzelnen Bauteile mit der Dickschichttechnik zusammenfügbar sind. Dazu werden die Widerstandselemente auf ein insbesondere nichtleitendes Trägerelement wie ein beschichtetes Metallplättchen oder ein Plättchen aus Aluminiumoxid-Keramik aufgedruckt. Besonders vorteilhaft ist es, mittels Photolitographie Druckformen herzustellen, die auf das Trägerelement aufgelegt und die Ausnehmungen in der Druckform mit Widerstandspaste aufzufüllen (Siebdruck Verfahren). In einer anderen Ausführungsform werden vorgefertigte Widerstandselemente als Chip auf die Trägerplatte aufgeklebt.

Nach dem Aufbringen der zwei Widerstandselemente, die auf 0.1% abgeglichen sind, wird eines der Elemente mit einem Katalysatormaterial belegt. Vorteilhafterweise wird der Katalysator auf eines der Widerstandselemente aufgeklebt. Dieses mit Katalysatormaterial belegte Widerstandselement ist auf reaktive Gase sensibel, während das nicht mit Katalysatormaterial belegte Widerstandselement das Referenzelement bildet. Beide Widerstandselemente sind über eine Brückenschaltung elektrisch verschaltet, so daß eine Messung der Änderung des relativen Widerstandes möglich wird. Durch das Dickschichtverfahren können besonders preisgünstige und robuste Gassensoren gefertigt werden.

Die Widerstandselemente können Dicken zwischen 0,0001 mm und 2 mm aufweisen. Besonders günstige Eigenschaften für die Anwendung der erfindungsgemäßen Gassensoren werden bei Schichtdicken zwischen 0,01 mm und 0,1 mm erreicht.

Das Trägerelement ist über eine extern zu betreibende Heizung beheizbar. Vorteilhafterweise ist dazu auf die den Widerstandselementen gegenüberliegenden Seite des Tragerelementes eine Heizwendel in Dickschichttechnik aufgedruckt oder aufgeklebt. Über diese Heizwendel kann das Trägerelement mit einer einstellbaren Leistung beheizt werden. Die Temperatur des Sensors kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mittels eines auf dem Trägerelement angebrachten Temperaturfühlers in Form eines geeichten Widerstandselementes kontrolliert werden. In einer einfacheren Ausführungsform ist die Temperatur über den Widerstand des Referenzelementes meßbar.

Die extern steuerbare Heizung bietet die Möglichkeit, den Pellistor mit kleinen Temperaturen zu betreiben. Damit wird der Einsatz vorteilhafter Katalysatormaterialien, die bei Temperaturen zwischen 100°C und 150°C wirksam sind und die beispielsweise auf NO₂, Dioxin und CO empfindlich sind, ermöglicht. Damit wird eine deutlich Steigerung der Empfindlichkeit und zudem eine Anwendbarkeit im toxischen Bereich bestimmter Gase gewährleistet. Wegen der kleineren Betriebstemperaturen zeichnen sich die erfindungsgemäßen Gassensoren durch eine höhere Lebensdauer aus. Zusammen mit den geringen Fertigungskosten, die insbesondere auf die kostengünstige Dickschichttechnik zurückzuführen sind, ist daher ein äußerst preiswerter Einsatz der Gassensoren möglich. Dabei sind die Gassensoren unempfindlich gegen Feuchte, Temperaturschwankungen und hohe Drücke. Sie sind in Temperaturbereichen zwischen etwa 100°C und 500°C einsetzbar.

Die externe Heizung erlaubt es darüber hinaus, nacheinander mehrere Temperaturbereiche einzustellen und so mit einem Sensor die Konzentration verschiedener reaktiver Gase durch die exotherme durch das Katalysatormaterial initiierter Reaktion, wie beispielsweise eine Verbrennung, in der Umgebung zu messen. Außerdem können die Widerstandselemente insbesondere die Widerstandspasten mit ihrem spezifischen Widerstand dem Einsatzbereich angepaßt werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, die Gassensoren mit der Dünnschichttechnik herzustellen. Dazu werden die Widerstandselemente insbesondere aus Platin auf die Trägerplatte aufgedampft. Mit dieser Technik lassen sich extrem dünne Sensoren herstellen, deren Einsatzmöglichkeiten vielfältig sind.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Gassensor (Pellistor) in Draufsicht von oben,

Fig. 2 einen Gassensor in Draufsicht von unten,

Fig. 3 einen Gassensor in Seitenansicht.

In Fig. 1 ist ein Trägerelement 1 dargestellt, das aus Aluminiumoxid-Keramik gefertigt ist. Die Kantenlänge des rechteckigen Trägerelementes 1 beträgt in diesem besonderen Ausführungsbeispiel etwa 6 mm. Auf die in Fig. 1 sichtbare Oberseite 2 des Trägerelementes 1 sind die beiden rechteckigen Widerstandselemente 3 und 4 in Siebdruck aufgebracht. Auf das Widerstandselement 3 ist eine Schicht von Katalysatormaterial 6 aufgeklebt, während das Widerstandselement 4 eine freie Oberfläche aufweist. Das Widerstandselement 4 dient in diesem Ausführungsbeispiel als Referenzelement und ist mit dem Widerstandselement 3 über eine Leitung 5 verbunden. Das Referenzelement 4 ist über die Leitung 7 und das Widerstandselement 3 über die Leitung 8 an eine externe Elektronik anschließbar. Über die Leitungen 6, 7 und 8 sind das Widerstandselement 3 und das Referenzelement 4 zu einer Meßbrücke (Wheatstone-Brücke) verschaltbar. Referenzelement 4 und Widerstandselement 3 haben einen Widerstand von etwa 100 Kiloohm und sind auf 0.1% abgeglichen.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Gassensor von der Unterseite. Zu erkennen ist die Heizwendel 9, die ebenfalls in Dickschichttechnik auf das Trägerelement 1 aufgebracht ist und die über die Leitungen 10 und 11 an eine externe Stromquelle anschließbar ist. Die Heizwendel 9 ist in Schleifen über die ganze Fläche des Trägerelementes 1 geführt, um eine homogene Erwärmung zu gewährleisten.

Die Seitenansicht in Fig. 3 zeigt schematisiert den Schichtaufbau des Gassensors. Insbesondere ist das auf das Widerstandselement 3 mit einem Kleber 12 aufgeklebte Katalysatormaterial 6 zu erkennen.

Der erfindungsgemäße Gassensor ist zur Messung brennbarere Gase in der Umgebungsluft und insbesondere zur Bestimmung der Gehalte an Stickoxiden, Kohlenmonoxid oder Dioxinen geeignet.

Claims

1. Gassensor zur Bestimmung der Konzentration reaktiver Gase in einem Gasgemisch insbesondere in Luft durch Messung der Widerstandsänderung an mindestens einem stromdurchflossenen Widerstandselement (3) auf dessen Oberfläche eine exotherme katalytisch bewirkte Reaktion mit einem reaktiven Gas stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Widerstandselement (3) als Flächenelement ausgebildet ist, das auf einen beheizbaren Träger (1) aufgebracht ist und das auf einer mit dem reaktiven Gas in Berührung kommenden Oberfläche mit einem Katalysatormaterial (6) belegt ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (1) zwei gleichartige Widerstandselemente (3, 4) als Flächenelemente aufgebracht sind, wobei die Oberfläche des ersten Widerstandselementes (3) mit Katalysatormaterial (6) belegt ist und wobei die Oberfläche des zweiten als Referenzelement dienenden Widerstandselementes (4) kein Katalysatormaterial trägt.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente (3, 4) eine Dicke zwischen 0,0001 mm und 2 mm insbesondere zwischen 0,001 mm und 0,5 mm aufweisen.

4. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) die Form einer Trägerplatte aufweist.

5. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (3) und das Referenzelement (4) auf die Trägerplatte (1) aufgeklebt sind.

6. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (3) und das Referenzelement (4) aus Widerstandspaste geformt sind.

7. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial (6) auf das Widerstandselement (3) aufgeklebt ist.

8. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (3) und das Referenzelement (4) auf der vorderseitigen Oberfläche (2) der Trägerplatte (1) angeordnet ist und auf der rückseitigen Oberfläche der Trägerplatte eine Heizwendel (9) aufgebracht ist.

9. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (3) und das Referenzelement (4) sowie die Heizwendel (9) in Dickschichttechnik auf auf die Trägerplatte (1) aufgebracht sind.

10. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Trägerplatte (1) ein Temperatursensor aufgebracht ist.

11. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (3) und das Referenzelement (4) elektrisch als Widerstands-Meßbrücke geschaltet sind.

12. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Widerstands-Meßbrücke die Änderung des Widerstandes des bei der exothermen Reaktion erwärmten Widerstandselementes (3) bestimmbar ist.

13. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (3) und das Referenzelement (4) auf die Trägerplatte (1) aufgedampft sind.

14. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) aus Keramik insbesondere aus Al₂O₃ gefertigt ist.

15. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (3) und das Referenzelement (4) aus Platin gefertigt sind.

16. Gassensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Katalysatormaterial (6) eine Oxidation des zu messenden Gases angeregt wird.

17. Verwendung des Gassensors nach einem der vorherigen Ansprüche zur Bestimmung der Konzentration brennbarer Gase in der Umgebungsluft.

18. Verwendung des Gassensors nach einem der vorherigen Ansprüche zur Bestimmung der Konzentration von NO_x in der Umgebungsluft.

19. Verwendung des Gassensors nach einem der vorherigen Ansprüche zur Bestimmung der Konzentration von CO in der Umgebungsluft.

20. Verwendung des Gassensors nach einem der vorherigen Ansprüche zur Bestimmung der Konzentration von Dioxin in der Umgebungsluft.