DE19901956A1

DE19901956A1 - Gas analysis sensor

Info

Publication number: DE19901956A1
Application number: DE1999101956
Authority: DE
Inventors: Bernhard Bloemer; Rainer Strohmeier; Carsten Springhorn; Detlef Heimann; Thomas Wahl; Margret Schuele; Bernd Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2019-01-21
Also published as: EP1068519A2; JP2002535648A; WO2000043764A2; DE19901956C2; WO2000043764A3

Abstract

The invention relates to a sensor for detecting gas components and/or gas concentrations in gaseous mixtures. The inventive sensor is especially useful for analyzing HC, NOx and CO in the waste gas of internal combustion engines. The sensor comprises a substrate (10) on which, in a hot region (40) that is subjected to the gas, an exterior electrode (16) and an MOx electrode (20) and in a cold region (30) an exterior electrode supply line (21) and an MOx electrode supply line (17) are arranged. At least in the cold region (30) at least one of the electrode supply lines (17, 21) is separate from the substrate (10) by means of at least one electrically insulating insulating layer (15). Said layer is advantageously linked with the substrate (10) via adhesive knobs (22) at least in some zones.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Analyse von Gasen nach der Gattung des unabhängigen Anspruches.The invention relates to a sensor for analyzing gases according to the genus of the independent claim.

Derartige Sensoren sind beispielsweise aus der unveröffent lichten Anmeldung DE 198 37 515.8 bekannt, in der zwischen den Elektrodenzuleitungen und einem Festelektrolytkörper elektrisch isolierende Schichten vorgesehen sind, die die Elektrodenzuleitungen zumindest über eine Teillänge allsei tig umgeben. Aus der DE 38 11 713 C2 ist weiter eine planare Sonde bekannt, die zur Bestimmung des Lambda-Wertes von Gas gemischen dient. Bei dieser Sonde ist auf einem Festelektro lytkörper mit zwei Elektrodenzuleitungen zwischen den Lei terbahnen der Elektrodenzuleitungen jeweils eine elektrisch isolierende Zwischenschicht angeordnet.Such sensors are for example from the unpublished light application known DE 198 37 515.8, in the between the electrode leads and a solid electrolyte body electrically insulating layers are provided, which Electrode leads all at least over a partial length surrounded. DE 38 11 713 C2 is also a planar one Known probe used to determine the lambda value of gas mix serves. This probe is on a fixed electric lyt body with two electrode leads between the lei tracks of the electrode feed lines one each electrically insulating interlayer arranged.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Gassensor mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruches hat gegenüber dem Stand der Tech nik den Vorteil, daß die Dauerlaufbeständigkeit und Tempera turwechselbeständigkeit bestehender Sensoren, insbesondere beim Einsatz in Abgaskatalysatoren von Kraftfahrzeugen, ver bessert und eine Unterbrechung elektrischer Kontaktierungen oder der Elektrodenzuleitungen vermieden wird. Es wird wei terhin eine verbesserte Haftung zwischen dem Substrat und den auf dem Substrat verlaufenden Elektrodenzuleitungen er zielt, wobei die Elektrodenzuleitungen über einer elektri schen Isolationsschicht von dem Substrat getrennt sind.The gas sensor according to the invention with the characteristic note paint the main claim compared to the state of tech nik the advantage that the durability and tempera Resistance to change of existing sensors, in particular when used in catalytic converters of motor vehicles, ver improves and an interruption of electrical contacts or the electrode leads are avoided. It is getting white further improved adhesion between the substrate and the electrode leads running on the substrate aims, the electrode leads over an electri insulation layer are separated from the substrate.

Dadurch, daß die Elektrodenzuleitungen über eine Isolations schicht von dem Substrat getrennt sind, treten keine das Meß ergebnis verfälschenden Potentiale zwischen dem Substrat und den Elektrodenzuleitungen auf und es wird sicherge stellt, daß die für die Messung relevante Potentialeinstel lung nur zwischen den Elektroden im heißen Bereich des Gas sensors erfolgt.The fact that the electrode leads via an insulation layer are separated from the substrate, no measurement occurs result falsifying potentials between the substrate and the electrode leads and it is secured represents that the potential setting relevant for the measurement only between the electrodes in the hot area of the gas sensors.

Unter heißem Bereich wird vom Fachmann dabei der Bereich des Gasssensors verstanden, der dem Meßgas ausgesetzt ist bzw. in dem das Meßsignal gebildet wird, während unter kaltem Be reich der Bereich der Elektrodenzuleitungen zu verstehen ist, der deutlich geringeren Temperaturen ausgesetzt ist und zur Bildung des Meßsignals im wesentlichen nicht beiträgt.The expert defines the area of the hot area Gas sensor understood that is exposed to the sample gas or in which the measurement signal is formed while under cold loading to understand the area of the electrode feed lines is exposed to significantly lower temperatures and essentially does not contribute to the formation of the measurement signal.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.Advantageous developments of the invention result from the measures specified in the subclaims.

So bewirkt das Aufbringen von Haftnoppen aufgrund einer Ver größerung der Oberfläche und einer zusätzlichen mechanischen Verklammerung sehr vorteilhaft eine feste und innige Verbin dung zwischen Isolationsschicht und Elektrodenzuleitung und damit zwischen Substrat und Elektrodenzuleitung. Für das Substratmaterial wird dabei insbesondere ZrO₂ verwendet, während für die Isolationsschicht vorzugsweise Al₂O₃ einge setzt wird. The application of adhesive knobs very advantageously causes a firm and intimate connection between the insulation layer and the electrode lead and thus between the substrate and the electrode lead due to an increase in the surface area and an additional mechanical clamping. ZrO _{2 is} used in particular for the substrate material, while Al ₂ O ₃ is preferably used for the insulation layer.

Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn die Haftnoppen auf das Substrat aufgebracht und insbesondere aufgedruckt werden und nach dem nachfolgenden Aufbringen der Isolationsschich ten in diese hineinragen.Furthermore, it is very advantageous if the adhesive knobs are on the substrate is applied and in particular printed and after the subsequent application of the insulation layer protrude into this.

Die aufgrund unterschiedlicher Sinterfähigkeit von Substrat und Isolationsschicht beim Herstellungsprozeß und beim Be trieb (insbesondere bei Temperaturwechselvorgängen) auftre tenden mechanischen Spannungen zwischen Isolationsschicht und Substrat werden sehr vorteilhaft minimiert, wenn die aufgebrachten Haftnoppen aus dem gleichen Material bestehen wie das Substrat oder die Isolationsschicht.The due to different sinterability of substrate and insulation layer in the manufacturing process and in loading drive (especially during temperature change processes) tendency between the insulation layer and substrate are minimized very advantageously if the applied sticky knobs consist of the same material like the substrate or the insulation layer.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine der Elektrodenzulei tungen, die MO_x-Elektrodenzuleitung, auch in dem heißen Be reich des Sensors mittels einer elektrischen Isolations schicht von dem Substrat getrennt ist. Dadurch ist auch im heißen Bereich gewährleistet, daß sich zwischen der MO_x- Elektrodenzuleitung und der Pt-Referenzelektrode kein das Meßergebnis des Gassensors störendes Potential oder eine un erwünschte chemische Veränderung des Substrates einstellt.Furthermore, it is advantageous if one of the electrode leads, the MO _x electrode lead, is also separated from the substrate by an electrical insulation layer in the hot region of the sensor. This ensures, even in the hot area, that no potential interfering with the measurement result of the gas sensor or an undesired chemical change in the substrate occurs between the MO _x electrode feed line and the Pt reference electrode.

Zur Verbesserung der Haftung dieser Isolationsschicht auf dem Substrat werden weiterhin vorteilhaft auch im heißen Be reich, daher analog den Elektrodenzuleitungen im kalten Be reich, zwischen der Isolationsschicht und dem Substrat Haftnoppen aufgebracht. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn in dem heißen Bereich die MO_x-Elektrodenzuleitung von der darüber befindlichen MO_x-Elektrode und der darunter an gebrachten Isolationsschicht umgeben ist.To improve the adhesion of this insulation layer on the substrate are also advantageous in the hot area, therefore analogous to the electrode leads in the cold area, applied adhesive nubs between the insulation layer and the substrate. It is particularly advantageous if, in the hot area, the MO _x electrode lead is surrounded by the MO _x electrode located above it and the insulation layer attached underneath.

drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich nung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Sensor zur Ana lyse von Gasen, Fig. 2 einen Schnitt durch Fig. 1 entlang der Linie II, Fig. 3 einen Schnitt durch Fig. 1 entlang der Linie III.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing and in the description below. In the drawings Fig. 1 is a plan view of a sensor for Ana lysis of gases, Fig. 2 a sectional view of Fig. 1 along the line II, Fig. 3 a section through FIG. 1 taken along line III.

Embodiments

Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Gassensor 5 mit einem heißen Bereich 40 und einem kalten Bereich 30. Auf ei nem Substrat aus ZrO₂ verlaufen dabei in dem kalten Bereich 30 zwei streifenförmige, elektrisch isolierende Isolations schichten 15 aus Al₂O₃, die auch in Form einer einzigen, zu sammenhängenden Isolationsschicht ausgebildet sein können, auf denen eine Außenelektrodenzuleitung 21 und eine MO_x- Elektrodenzuleitung 17 verläuft. Unter MO_x wird dabei ein an sich bekanntes Mischoxid nicht exakt definierter Stöchiome trie wie beispielsweise Ti_0,95Nb_0,05O_2+x verstanden. Der heiße Bereich 40 ist zunächst von einer MO_x-Elektrode 20 bedeckt. Fig. 1 shows a plan view of a gas sensor 5 with a hot zone 40 and a cold region 30. On a substrate made of ZrO ₂ , two strip-shaped, electrically insulating insulation layers 15 made of Al ₂ O ₃ run in the cold region 30 , which can also be formed in the form of a single, coherent insulation layer on which an outer electrode lead 21 and a MO _x - Electrode lead 17 runs. MO _x is understood to mean a mixed oxide which is known per se and which is not exactly defined stoichiometry, for example Ti _0.95 Nb _0.05 O _{2 + x} . The hot area 40 is initially covered by a MO _x electrode 20 .

Fig. 2 zeigt Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie II im kalten Bereich 30. Im Inneren des Substrates 10 befinden sich Heizer 13 mit einer umgebenden Heizerisolation 14, ein Referenzluftkanal 11 und eine Pt-Referenzelektrode 12. Zwi schen den Elektrodenzuleitungen 17 und 21 und dem Substrat 10 verlaufen durchgehend die Isolationsschichten 15. Die Verbindung zwischen den Isolationsschichten 15 und dem Sub strat 10 erfolgt über Haftnoppen 22, die aus dem gleichen Material wie das Substrat bestehen und beispielsweise im Siebdruckverfahren auf das Substrat 10 aufgebracht worden sind. Sie ragen in die Isolationsschichten 15 hinein und verbinden diese innig mit dem Substrat 10. FIG. 2 shows FIG. 1 in a section along the line II in the cold region 30 . Inside the substrate 10 there are heaters 13 with surrounding heater insulation 14 , a reference air duct 11 and a Pt reference electrode 12 . Between the electrode leads 17 and 21 and the substrate 10 , the insulation layers 15 run continuously. The connection between the insulation layers 15 and the sub strate 10 takes place via adhesive knobs 22 , which are made of the same material as the substrate and have been applied, for example, to the substrate 10 by screen printing. They protrude into the insulation layers 15 and connect them intimately to the substrate 10 .

Fig. 3 zeigt Fig. 1 im Schnitt entlang der Schnittlinie III im heißen Bereich 40. Hier verläuft auf dem Substrat 10 zunächst die Pt-Außenelektrode 16, die über die Außenelek trodenzuleitung 21 kontaktiert ist. Auf der Außenelektrode 21 ist weiter eine hochporöse Tunnelschicht 23 angebracht. Die Tunnelschicht 23 und die Pt-Außenelektrode 16 ist seit lich und oberhalb von einer Elektrolytschicht 19 aus dichtem oder schwach porösem ZrO₂ umgeben. Neben der Pt- Außenelektrode 16 wird die bereits im kalten Bereich 30 vor handene Isolationsschicht 15 auch hier durchgehend wei tergeführt, auf der die ebenfalls weitergeführte MO_x- Elektrodenzuleitung 17 verläuft. Dadurch ist auch im heißen Bereich 40 die MO_x-Elektrodenzuleitung 17 elektrisch durch gehend von dem Substrat 10 und der Elektrolytschicht 19 ge trennt. Zwischen der Isolationsschicht 15 und dem Substrat 10 sind ebenfalls Haftnoppen 22 angebracht, die aus dem gleichen Material wie das Substrat 10 bestehen und zur inni gen Verbindung in die Isolationsschicht 15 hineinragen. Die Haftnoppen 22 wurden dabei in an sich bekannter Weise vor dem Sintern und Entbindern der verschiedenen Schichten des Gassensors 5 mittels Siebdruck aufgebracht. Fig. 3, Fig. 1 taken along section line III in the hot zone 40 in section. Here runs on the substrate 10 , the Pt outer electrode 16 , which is contacted via the outer electrode lead 21 . A highly porous tunnel layer 23 is also attached to the outer electrode 21 . The tunnel layer 23 and the Pt outer electrode 16 has been surrounded since and above by an electrolyte layer 19 made of dense or weakly porous ZrO ₂ . In addition to the Pt outer electrode 16 , the insulation layer 15 already present in the cold region 30 is also continuously guided here, on which the MO _x electrode lead 17 , which is also continued. As a result, the MO _x electrode lead 17 is also electrically separated in the hot region 40 continuously from the substrate 10 and the electrolyte layer 19 . Between the insulation layer 15 and the substrate 10 are also attached studs 22 , which consist of the same material as the substrate 10 and protrude into the insulation layer 15 for inni gene connection. The adhesive knobs 22 were applied in a manner known per se by means of screen printing before the sintering and debinding of the different layers of the gas sensor 5 .

Die Tunnelschicht 23 ist im übrigen flächig so ausgebildet, daß sie zumindest bereichsweise in Richtung der kalten Seite 30 des Gassensors 5 nicht von der MO_x-Elektrode 20 und der Elektrolytschicht 19 bedeckt ist, so daß über die Tunnel schicht 23 das zu analysierende Gas direkt an die Pt- Außenelektrode 16 gelangen kann, ohne zuvor durch die MO_x- Elektrode 20 und die dichte oder schwach poröse Elektrolyt schicht 19 diffundieren zu müssen.The tunnel layer 23 is otherwise flat so that it is at least partially in the direction of the cold side 30 of the gas sensor 5 is not covered by the MO _x electrode 20 and the electrolyte layer 19 , so that the gas layer to be analyzed is directly via the tunnel layer 23 can reach the Pt outer electrode 16 without first having to diffuse through the MO _x electrode 20 and the dense or weakly porous electrolyte layer 19 .

Auf weitere, nicht den eigentlichen Gegenstand der Erfindung bildende Details des Aufbaus des Gassensors 5 und seiner Funktionsweise wird verzichtet, da sie dem Fachmann bekannt sind.Further details, not forming the actual subject matter of the invention, of the structure of the gas sensor 5 and its mode of operation are dispensed with, since they are known to the person skilled in the art.

Claims

1. Sensor for determining gas components and / or gas concentrations of gas mixtures, in particular HC, NO _x and CO in exhaust gases from internal combustion engines, in which on an substrate ( 10 ) in a hot gas exposed area ( 40 ) an outer electrode ( 16 ) and a MO _x electrode ( 20 ) and in a cold area ( 30 ) an outer electrode lead ( 21 ) and a MO _x electrode lead ( 17 ) are arranged, characterized in that at least one in the cold area ( 30 ) the electrode leads ( 17 , 21 ) are separated from the substrate ( 10 ) by means of at least one electrically insulating insulation layer ( 15 ).

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the insulation layer ( 15 ) is at least partially connected to the substrate ( 10 ) via adhesive knobs ( 22 ).

3. Sensor according to claim 2, characterized in that the adhesive knobs ( 22 ) are applied to the substrate ( 10 ) and protrude into the insulation layer ( 15 ).

4. Sensor according to claim 2, characterized in that the adhesive knobs ( 22 ) consist of the same material as the substrate ( 10 ).

5. Sensor according to claim 1, characterized in that the outer electrode lead ( 21 ) and the MO _x - electrode lead ( 17 ) from the substrate ( 10 ) by means of the electrically insulating insulation layer ( 15 ) are separated.

6. Sensor according to claim 1 or 5, characterized in that the MO _x electrode feed line ( 17 ) in the hot area ( 40 ) by means of the electrically insulating insulation layer ( 15 ) from the substrate ( 10 ) is separated.

7. Sensor according to claim 6, characterized in that in the hot area ( 40 ) the MO _x electrode lead ( 17 ) by the MO _x electrode ( 20 ) and the insulation layer ( 15 ) is surrounded.

8. Sensor according to claim 1, characterized in that the insulation layer ( 15 ) consists at least largely of Al ₂ O ₃ .

9. Sensor according to claim 1, characterized in that the substrate ( 10 ) consists at least largely of ZrO ₂ .