DE19746516A1 - Planares Sensorelement - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein planares Sensorelement zur
Bestimmung von Gaskomponenten, insbesondere zur Bestimmung
des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren
nach der Gattung des Anspruchs 1.
Ein derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus der
DE-OS 42 31 966 (US 5 529 677) bekannt, das aus einem
Verbund einzelner, mit einem Schichtaufbau übereinander
angeordneter Folien besteht. Zwischen den einzelnen Folien
sind Funktionsschichten, wie Elektroden, Leiterbahnen, sowie
ein elektrisches Widerstandsheizelement angeordnet. Die
Funktionsschichten sowie das Heizelement werden
beispielsweise mittels Siebdruck auf die ungesinterten
(grünen) Folien aufgedruckt, die übereinandergelegt,
laminiert und anschließend gesintert werden. Bei dem
planaren Sensorelement des vorliegenden Typs ist in einer
Schichtebene zwischen einer äußeren Deckfolie und einem
angrenzenden Schichtaufbau das Widerstandsheizelement
angeordnet. Das Widerstandsheizelement ist dabei zwischen
zwei elektrisch isolierende Schichten (z. B. Al2O3)
eingebettet, so daß der Heizleiter gegenüber den
angrenzenden Folien elektrisch isoliert ist. An der zur
Deckfolie gegenüberliegenden Seite weist der Schichtaufbau
eine wesentlich größere Dicke auf als die an der anderen
Seite angrenzenden Deckfolie. Aufgrund diese extrem
unsymmetrischen Anordnung des Heizelements bezüglich der
Schicht folge des Schichtaufbaus wird die Deckfolie
wesentlich stärker aufgeheizt als der mit den
Funktionsschichten versehene Schichtaufbau.
Die inhomogene
Verteilung der Heizleistung führt bei Temperaturwechseln zu
erhöhter Thermoschockempfindlichkeit des planaren
Sensorelements.
Das erfindungsgemäße planare Sensorelement mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat
demgegenüber den Vorteil, daß die Heizleistung homogen über
den Querschnitt des Sensorelements verteilt ist. Dadurch
verbessert sich die Temperaturwechselbeständigkeit sowie die
Thermoschockfestigkeit des Sensorelements. Außerdem wird
dadurch der Wirkungsgrad des Heizelements erhöht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch
angegebenen planaren Sensorelements möglich. Besonders
vorteilhaft ist es, an einer Seite des Heizleiters einen
abdeckenden Schichtaufbau aus einer einzigen Folie
auszuführen, die im ungesinterten (grünen) Zustand eine
Dicke mit 0,6 bis 1 mm, vorzugsweise 0,8 mm aufweist. Der an
der gegenüberliegenden Seite an das Widerstandsheizelement
angrenzende, die Funktionsschichten enthaltende
Schichtaufbau (funktionsschichtseitige Schichtaufbau) weist
entsprechend der Anzahl der Folien und weiterer Schichten,
wie beispielsweise einer auf der äußeren Elektrode
angeordneten Deckschicht eine Gesamtdicke auf, die in etwa
der Dicke der Deckfolie bzw. des deckfolienseitigen
Schichtaufbaus entspricht. Dies bedeutet, daß die Dicke der
funktionsschichtseitigen Folien dF bei gleicher
Dickenverteilung sich ergibt nach
dF = (dF1 - dD):n,
wobei dF1 die Dicke der Deckfolie im grünen Zustand, dD die
Dicke der auf der äußeren Elektrode angeordneten Deckschicht
bzw. Schutzschicht und n die Anzahl der
funktionsschichtseitigen Folien. Bei dieser Berechnung wird
vorausgesetzt, daß die Isolationsschichten beiderseits des
Heizelements zumindest etwa gleichdick sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Schnittdarstellung durch ein
planares Sensorelement 10, das beispielsweise zur Bestimmung
des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren in
Kraftfahrzeugen oder von Feuerungsanlagen dienen kann. Das
Sensorelement ist im vorliegenden Fall ein sogenannter
Lambda-1-Sensor (Nernstsensor). Der Aufbau und die Funktion
eines derartigen Sensors ist allgemein bekannt. Nachfolgend
soll daher nur der für die Erläuterung der Erfindung
dienende Aufbau beschrieben werden.
Das Sensorelement 10 weist im gesinterten Zustand einen
langgestreckten, plättchenförmigen Aufbau auf, der aus
mehreren übereinanderliegenden Lagen eines Schichtaufbaus
besteht. Die Lagen werden im ungesinterten (grünen) Zustand
im wesentlichen von sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt-
Folien gebildet.
Das Sensorelement 10 gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel besteht aus einer elektrochemischen
Meßzelle 12 und einem Heizelement 14. Die Meßzelle 12 weist
einen funktionsschichtenseitigen Schichtaufbau 12' auf mit
einer ersten Folie 16 sowie einer zweiten Folie 18. In die
zweite Folie 18 ist ein Referenzkanal 20 integriert. Auf der
meßgasseitigen Oberfläche der Folie 16 ist eine Meßelektrode
22 und auf der dem Referenzkanal 20 zugeordneten Oberfläche
eine Referenzelektrode 24 angeordnet. Über die Meßelektrode
22 ist eine poröse Deckschicht 26 von beispielsweise 0,1 mm
gelegt.
Das Heizelement 14 weist einen in zwei Isolierschichten 28
und 29 eingebetteten Heizleiter 30 auf, wobei die beiden
Isolationsschichten 28, 29 im wesentlichen gleich dick sind.
An die eine Isolationsschicht 29 schließt sich eine äußere
Deckfolie 32 an. Zwecks gasdichtem Abschluß der porösen
Isolationsschichten 28, 29 ist um diese ein Dichtrahmen 34
gelegt, der beispielsweise durch Aufdrucken von
Festelektrolytmaterial auf die beiderseits der
Isolationsschichten 28, 29 liegenden Folien 18, 32
hergestellt wird.
Der Heizleiter 34 liegt in einer Schichtebene 36, die in der
Mitte bezogen auf den beiderseits verlaufenden Schichtaufbau
liegt. Aufgrund dieser Vorgabe ist die Schichtdicke der
Folien 16, 18 der Meßzelle 12 unter Berücksichtigung der
Dicke der Deckschicht 26 nach der Dicke der Deckfolie 32 zu
bemessen oder umgekehrt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
beträgt die Dicke der Deckfolie 32 im grünen Zustand 0,8 ±
0,1 mm. Die poröse Deckschicht 26 wird mit etwa 0,1 mm
angenommen. Daraus ermittelt sich für die Folien 16, 18 eine
Schichtdicke von jeweils etwa 0,35 ± 0,05 mm. Das
Dickenverhältnis der Folien 16, 18, 32 bleibt im
wesentlichen auch nach dem Sintern als
Schichtdickenverhältnis erhalten, wobei eine
Sinterschwindung von ca. 20% zugrundegelegt wird.
Es ist aber genauso denkbar, die beiden Folien 16, 18 mit
unterschiedlicher Dicke einzusetzen. Wichtig ist lediglich,
daß die Summe der Dicke des funktionsschichtseitigen
Schichtaufbaus des Sensorelements unter Einbeziehung
weiterer Schichten, wie beispielsweise der Deckschicht 26,
zumindest annähernd der Dicke der Deckfolie 32 bzw. eines
anstelle der Deckfolie 32 eingesetzten deckfolienseitigen
Schichtaufbaus beträgt.
Die Folien 16, 18, 32 bestehen beispielsweise aus
stabilisiertem Zirkoniumoxid. Zum Zwecke einer
dichtsinternden Verbindung besteht der Dichtrahmen 34 aus
dem gleichen Material wie die angrenzenden Folien 18 und 32.
Die Elektroden 22, 24 sowie der Heizleiter 30 bestehen
beispielsweise aus einem Platin-Cermet. Die
Isolationsschichten 28, 29 sind im vorliegenden
Ausführungsbeispiel aus Al2O3 ausgeführt, wobei zunächst die
eine Isolationsschicht 29 auf die Deckfolie 32 aufgedruckt
wird. Auf die Isolationsschicht 29 wird das Heizelement 30
ebenfalls in Drucktechnik aufgebracht. Um die
Isolationsschicht 29 wird schließlich eine Hälfte des
Dichtrahmens 34 beispielsweise ebenfalls in Drucktechnik
auf gedruckt.
Zur Herstellung des Schichtaufbaus der Meßzelle 12 werden
die beiden Elektroden 22, 24 mit den nicht näher
dargestellten Zuleitungen auf die Folie 16 gedruckt. Auf die
zweite Folie 18 wird die weitere Isolationsschicht 28
aufgebracht sowie eine weitere Hälfte des Dichtrahmens 34.
Der so gebildete funktionsschichtseitige Schichtaufbau und
heizelementseitige Schichtaufbau mit den im grünen Zustand
vorliegenden Folien wird mit Hilfe von zwischen den Folien
aufgebrachten Binderschichten zusammenlaminiert und
anschließend bei einer Temperatur von beispielsweise 1400°C
gesintert. Nach dem Sintern entsteht das plättchenförmige
Sensorelement mit einem quaderförmigen Querschnitt.
Der beschriebene Schichtaufbau ist jedoch nicht auf das
vorliegende Ausführungsbeispiel mit einem Sensorelement 10
vom Nernsttyp beschränkt. Die Erfindung ist auch bei einem
Sensorelement zu verwenden, das aus mehr als drei Folien
besteht. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise ein
sogenannter Breitbandsensor, bei dem anstelle der Meßzelle
12 eine Pumpzelle und eine Konzentrationszelle (Nernstzelle)
vorgesehen sind.
Claims (5)
1. Planares Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten,
mit einem Schichtaufbau, in dem ein Heizelement mit einem
schichtförmigen Heizleiter eingebettet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Heizleiter (30) in einer
Schichtebene (36) des Schichtaufbaus derart angeordnet ist,
daß zumindest annähernd eine homogene Verteilung der
Heizleistung des Heizelements (14) über den Querschnitt des
Schichtaufbaus vorliegt.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichtebene (36) zentrisch bezüglich des
Schichtaufbaus liegt.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schichtaufbau im ungesinterten
Zustand mindestens zwei funktionsschichtseitige Folien (16,
18) und mindestens eine deckschichtseitige Folie (32)
aufweist und daß sich die aus der Dicke der einzelnen
funktionsschichtseitigen Folien (16, 18) einschließlich der
Dicke gegebenenfalls weiterer, mit den
funktionschichtseitigen Folien verbundenen Schichten
ergebende Gesamtdicke zumindest annähernd der Dicke der
deckschichtseitigen Folie (32) entspricht.
4. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Heizleiter (30) in elektrisch isolierende Schichten
(28, 29) eingebettet ist, wobei die beiderseits des
Heizleiters (30) ausgebildete Schichten (28, 29) eine
zumindest annähernd gleiche Schichtdicke aufweisen.
5. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrisch isolierenden Schichten (28, 29) von einem
dichten Rahmen (34) umgeben sind und daß der dichte Rahmen
(34) zumindest annähernd die Dicke der beiden isolierenden
Schichten (28, 29) aufweist.
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