DE3513033A1 - Sensor for catalytic combustion - Google Patents

Sensor for catalytic combustion

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DE3513033A1 DE19853513033 DE3513033A DE3513033A1 DE 3513033 A1 DE3513033 A1 DE 3513033A1 DE 19853513033 DE19853513033 DE 19853513033 DE 3513033 A DE3513033 A DE 3513033A DE 3513033 A1 DE3513033 A1 DE 3513033A1
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Abstract

A sensor (1) is illustrated and described for catalytic combustion, especially of methane (CH4), comprising a resistance heating element (2) made of metal, preferably platinum or gold, a catalyst material heated by the resistance heating element (2), preferably containing a platinum group compound, i.e. a compound of palladium, platinum, rhodium or iridium, in the catalyst material, and a diffusion barrier layer for protecting the catalyst material against the ingress of noxious substances such as, for example, sulphur dioxide. A construction which is optimised in terms of fabrication and mechanical, thermal and electrical aspects is achieved by a plate-like support (3) being provided and the resistance heater element (2) being applied to the support (3) as a thin-film resistor or a thick-film resistor areally and preferably in a meandering manner, and the catalyst material as an areal coating is applied to the resistance heater element (2) and optionally to the support (3). In this design, it is particularly expedient if the support (3), for the purpose of easier handling during the fabrication process, is fashioned as a solid plate having a certain thickness (D), and after completion of the fabrication process, at the earliest after application of the resistance heater element (2) to the support (3), the material of the support (3), from the side facing away from the resistance heater element (2), ... Original abstract incomplete. <IMAGE>

Description

betreffend einenconcerning a

"Sensor für die katalytische Verbrennung" Die Erfindung Letrifft einen Sensor für die katalytische V rbrennung, insbesondere von Methan (CH4), mit einem Widerstands-Heizelement aus Metall, vorzugsweise aus Platin oder Gold, mit einem von dem Widerstands-Heizelement beheizten Katalysatormaterial, vorzugsweise mit einer Verbindung der Platingruppe, das heißt einer Palladium-, Platin, Rhodium- oder Iridiumverbindung, in dem Katalysatormaterial, und gegebenenfalls mit einer Diffusionssperrschicht zum Schutz des Katalysatormaterials vor dem Zutritt von schädlichen Stoffen wie beispielsweise Schwefeldioxid. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors. "Catalytic Combustion Sensor" The invention Affects a sensor for catalytic combustion, especially methane (CH4), with a resistance heating element made of metal, preferably made of platinum or Gold, with a catalyst material heated by the resistance heating element, preferably with a compound of the platinum group, i.e. a palladium, platinum, rhodium or iridium compound, in the catalyst material, and optionally with one Diffusion barrier layer to protect the catalyst material from the ingress of harmful substances Substances such as sulfur dioxide. The invention also relates to a method for the production of such a sensor.

Der bekannte Sensor für die katalytische Verbrennung, der insbesondere für die Verbrennung von brennbaren Gasen, beispielsweise Methan (CH4), in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise Luft, bestimmt und geeignet ist, wird, vom englischen Begriff "pellets" = "Kügelchen" kommend, als Pellistor bezeichnet (vgl. die GB-OS 20 83 630). Für die katalytische Verbrennung von Methan (CH4) arbeitet dieser bekannte Sensor mit einer Temperatur von ca. 800 K, für andere Stoffe wie Butan, Propan und andere Kohlenwasserstoffe, die mit einem solchen Sensor nachgewiesen werden sollten, sind niedrigere Temperaturen bis zu ca. 500 K möglich.The well-known sensor for catalytic combustion, in particular for the combustion of flammable gases, e.g. methane (CH4), in one oxygen-containing atmosphere, for example air, is determined and suitable, Coming from the English term "pellets" = "globules", referred to as a pellistor (see GB-OS 20 83 630). Works for the catalytic combustion of methane (CH4) this well-known sensor with a temperature of approx. 800 K, for other substances such as Butane, propane and other hydrocarbons detected with such a sensor should be, lower temperatures of up to approx. 500 K are possible.

Die zuvor erläuterten Temperaturen im bekannten Sensor für die katalytische Verbrennung werden durch die elektrische Beheizung des Katalysatormaterials durch das Widerstands-Heizelement erzielt. Dieses Widerstands-Heizelement dient gleichzeitig aber auch der Messung, also dem Nachweis des Auftretens einer katalytischen Verbrennung und damit des Auftretens beispielsweise von Methan (CH4). Tritt also Methan (CH4) und damit eine katalytische Verbrennung auf, so steigt mit der eigenen Ternperatur des Widerstands-Heizelementes auch dessen Widerstand selbst an. Diese Widerstandsänderung wird als Meßgröße für die Konzentration von nachzuweisendem Methan (ob4) herangezogen. Das gilt natürlich in gleicher Weise für alle anderen nachzuweisenden Kohlenwasserstoffe. Nun ist aber für einen als Widerstands-Heizelement besonders geeigneten Platindraht die Änderung des Widerstands mit der Temperatur mit ca. 0,003 K-1 außerordentlich klein.The temperatures explained above in the known sensor for the catalytic Combustion is caused by the electrical heating of the catalyst material the resistance heating element achieved. This resistance heating element serves at the same time but also the measurement, i.e. the proof of the occurrence of a catalytic combustion and thus the occurrence of methane (CH4), for example. So if methane (CH4) occurs and with it a catalytic combustion, it rises with the own temperature of the resistance heating element also shows its resistance itself. This change in resistance is used as a measured variable for the concentration of methane to be detected (ob4). Of course, this also applies to all other hydrocarbons to be detected. Now, however, a platinum wire is particularly suitable as a resistance heating element the change in resistance with temperature of approx. 0.003 K-1 is extraordinary small.

Ähnliches gilt auch für andere geeignete Materialien für Widerstands-Heizelemente wie Gold oder Palladium. Es bedarf also außerordentlich empfindlicher Auswertungsgeräte, um eine befriedigende Meßempfindlichkeit derartiger Sensoren für die katalytische Verbrennung zu gewährleisten.The same applies to other suitable materials for resistance heating elements like gold or palladium. So extremely sensitive evaluation devices are required a satisfactory measurement sensitivity of such sensors for the catalytic To ensure combustion.

Sensoren für die katalytische Verbrennung, insbesondere von Methan (CH4), werden in zunehmendem Maße unter Unweltschutzgesichtspunkten nicht nur für die Meß- und Analysentechnik, sondern insbesondere für sicherheitstechnische Einrichtungen benötigt. Daher ist es unbefriedigend, daß der bekannte Sensor für die katalytische Verbrennung, von dem die Erfindung ausgeht, mit seiner komplizierten Gestaltung als Pellistor schwierig in der Herstellung und sehr empfindlich ist. Auch die Ansprechgeschwindigkeit des bekannten Sensors ist nicht optimal. Schließlich ist der bekannte Sensor wegen seiner komplizierten Herstellung auch kostenmäßig verbesserungsfähig.Sensors for catalytic combustion, especially of methane (CH4), are increasingly not only used for environmental protection reasons the measurement and analysis technology, but especially for safety equipment needed. Therefore, it is unsatisfactory that the known sensor for the catalytic Combustion, from which the invention is based, with its complicated design difficult to manufacture and very delicate as a pellistor. Also the speed of response of the known sensor is not optimal. After all, the well-known sensor is due its complicated production can also be improved in terms of cost.

Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Sensor für die katalytische Verbrennung herstellungstechnisch einfacher sowie mechanisch und elektrisch unempfindlicher auszugestalten und dabei gleichzeitig eine möglichst hohe Meßempfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit zu realisieren.The invention is based on the prior art explained above now the task is based on the known sensor for the catalytic combustion Easier to manufacture and mechanically and electrically less sensitive design and at the same time the highest possible measurement sensitivity and Realize response speed.

Der erfindungsgemäße Sensor für die katalytische Verbrennung, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenartiger Träger vorgesehen und das Widerstands-Heizelelemt als Dünnfilmwiderstand oder als Dickfilmwiderstand flächenhaft und vorzugsweise mäanderförmig auf den Träger aufgebracht ist und das Katalysatormaterial als flächenhafte Beschichtung auf das Widerstands-Heizelement und gegebenenfalls den Träger aufgebracht ist. Auch im Rahmen der Erfindung gilt die ganz breite Anwendbarkeit eines solchen Sensors für die katalytische Verbrennung, wobei hierfür das bevorzugte Anwendungsbeispiel Methan (CH4) in keiner Weise einschränkend zu verstehen ist. Auch der erfindungsgemäße Sensor für die katalytische Verbrennung ist also in entsprechender Abwandlung für eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Butan oder Propan, zu verwenden.The sensor according to the invention for catalytic combustion, at which the previously indicated object is achieved, is now characterized in that a plate-like carrier is provided and the resistance heating element as a thin-film resistor or as a thick film resistor over a large area and preferably in a meandering shape on the carrier is applied and the catalyst material as a sheet-like coating on the Resistance heating element and optionally the carrier is applied. Also in the frame The invention applies to the very broad applicability of such a sensor for the catalytic Combustion, whereby the preferred application example for this is methane (CH4) in none Way is to be understood restrictively. Also the sensor according to the invention for the catalytic Combustion is therefore a corresponding modification for a large number of hydrocarbons, for example butane or propane to be used.

Wesentlich für den erfindungsgemäßen Sensor für die katalytische Verbrennung ist die Tatsache, daß es sich hier um eine flächenhafte Konstruktion handelt, die herstellungstechnisch weit weniger Probleme bietet als die bekannte Konstruktion mit einem gewendelten Platindraht als Widerstands-Heizelement. Das flächenhaft auf den Träger aufgebrachte Widerstands-Heizelement ist herstellungstechnisch außerordentlich einfach zu handhaben und im Ergebnis ist ein solcher Sensor sehr unempfindlich in mechanischer und elektrischer Hinsicht.Essential for the sensor according to the invention for catalytic combustion is the fact that this is a two-dimensional construction that offers far fewer problems in terms of manufacturing technology than the known construction with a coiled platinum wire as a resistance heating element. That extensive The resistance heating element applied to the carrier is extraordinary in terms of production technology easy to use and as a result, such a sensor is very insensitive mechanical and electrical terms.

Aus Gründen der mechanischen Empfindlichkeit insbesondere während der iSerstellung muß der Träger einerseits eine bestimmte Mindestdicke aufweisen; diese Dicke hängt natürlich vom Material des Trägers ab. Andererseits sollte der Träger so dünn wie eben möglich sein, damit seine Wärmekapazität so klein wie möglich ist. Nur dann ist nämlich eine ausreichende Ansprechgeschwindigkeit und Meßempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensors gewährleistet.For reasons of mechanical sensitivity, especially during In order to create it, the carrier must have a certain minimum thickness on the one hand; this thickness depends of course on the material of the support. On the other hand, should the The carrier should be as thin as possible so that its heat capacity is as small as possible is. Only then is there a sufficient response speed and measurement sensitivity of the sensor according to the invention guaranteed.

Im zuvor erläuterten Zusammenhang geht nun eine weitere Lehre der Erfindung dahin, den Sensor für die katalytische Verbrennung so auszugestalten, daß der Träger zur erleichterten Handhabung während des Herstellungsprozesses als massive Platte einer bestimmten Dicke ausgebildet ist und nach beendetem Herstellungsprozeß, frühestens nach Aufbringung des Widerstands-Heizelementes auf den Träger, das Material des Trägers von der vom Widerstands-Heizelement abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche Dicke abtragbar ist. Erfindungsgemäß wird also der Träger während des mechanisch besondere Belastungen verursachenden Herstellungsprozesses und auch, um während des Herstellungsprozesses den Träger leicht handhaben zu können, zunächst als massive Platte einer bestimmten Dicke D ausgebildet. Welche Dicken hierbei in Frage kommen, wird später noch genauer erläutert. Nachfolgend wird dann das Material des Trägers auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche Dicke D' abgetragen. Im Betrieb hat also dann der Träger des erfindungsgemäßen Sensors nur gerade die Dicke, die aus mechanischen Gründen unbedingt erforderlich ist, jedoch die geringstmögliche Wärmekapazität mit sich bringt.In the context explained above, there is now a further teaching of Invention to design the sensor for the catalytic combustion so, that the carrier for easier handling during the manufacturing process as solid plate of a certain thickness is formed and after completion of the manufacturing process, at the earliest after the resistance heating element has been applied to the carrier, the material of the carrier from the side facing away from the resistance heating element to one out Strength aspects at least required thickness can be removed. According to the invention thus becomes the wearer during the mechanical stress causing special loads Manufacturing process and also to the carrier during the manufacturing process easy to handle, initially as a solid plate of a certain thickness D educated. Which thicknesses are possible here will be explained in more detail later. Subsequently, the material of the carrier is then adapted from a strength point of view minimum required thickness D 'removed. In operation, then, the carrier has of the sensor according to the invention only just the thickness, which for mechanical reasons is absolutely necessary, but with the lowest possible heat capacity brings.

Die zuvor erläutert Ausführungsform des erfindungsgemäße Sensors läßt sich besonders zweckmäßig noch dadurch weiter ausgestalten, daß das Material des Trägers nur in den Bereichen auf die Dicke D' abgetragen ist - Abtragsbereiche -, in denen auf der dem Widerstands-Heizelement zugewandten Seite das Widerstands-Heizelement tatsächlich angeordnet ist. Dieser Lehre der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es mitunter aus Festigkeitsgesichtspunkten nicht vertretbar ist, die gesamte den Träger zunächst darstellende massive Platte auf die geringe Dicke D' abzutragen.The embodiment of the sensor according to the invention explained above can be particularly expedient further develop in that the material of the Carrier is removed only in the areas to the thickness D '- removal areas -, in those on the side facing the resistance heating element the resistance heating element actually arranged. This teaching of the invention is based on the knowledge that it is sometimes not justifiable from a strength point of view, the whole to remove the solid plate, which initially represents the carrier, to the small thickness D '.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß aus wärmetechnischen Gründen auch ein Abtragen des Materials des Trägers in den Bereichen des Widerstands-Heizelementes ausreicht, da die für die Wärmeabgabe an den Träger relevante Wärmekapazität des Trägers primär durch die dem Widerstands-Heizelement nahen Bereiche bestimmt wird. Die stegartig stehenbleibenden Bereiche des Trägers mit der ursprünglichen Dicke D sind unter Festigkeitsgesichtspunkten, das heißt generell hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit des Trägers des erfindungsgemäßen Sensors außerordentlich hilfreich, stören jedoch in wärmetechnischer Hinsicht praktisch nicht.According to the invention it has been recognized that for thermal reasons also an erosion of the material of the carrier in the areas of the resistance heating element sufficient, since the heat capacity of the relevant for the heat dissipation to the carrier The carrier is primarily determined by the areas close to the resistance heating element. The web-like remaining areas of the carrier with the original thickness D are from a strength point of view, i.e. generally with regard to the mechanical Resilience of the carrier of the sensor according to the invention extremely helpful, however, practically do not interfere in terms of thermal engineering.

Dann, wenn der Träger zumindest in den Abtragsbereichen eine möglichst geringe Dicke aufweist, folgt die Temperatur auf der vom iliderstands-Heizelement abgewandten Seite des Trägers zumindest in den Abtragsbereichen sehr schnell der Temperatur des Widerstands-Heizelementes selbst. Die geringe Temperaturempfindlichkeit des Widerstands-Heizelementes bei Verwendung üblicher Metalle läßt sich dadurch wirkungsmäßig umgehen, daß auf der vom Widerstands-Heizelement abgewandten Seite des Trägers, das heißt vorzugsweise in den Abtragsbereichen, zumindest in einem Abtragsbereich, ein Temperatur-Meßelement, vorzugsweise ein Thermoelement, ein temperaturempfindlicher Widerstand, ein Thermistor, ein Transistor oder eine Diode, vorgesehen ist bzw. sind. Hierbei wird also dem Widerstands-Heizelement die Meßfunktion genommen und einem eigenständigen und möglichst hochempfindlichen Meßelement zugeordnet. Dadurch wird die Meßempfindlichkeit und die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Sensors in ganz erheblichem Maße gesteigert. Dies ist jedoch nur dadurch möglich, daß die Ansprechgeschwindigkeit wegen des geringen Abstands des Widerstands-Heizelementes vom Temperatur-Meßelement ausreichend hoch ist. Welcher Art das Temperatur-Meßelement genau ist, hängt von den im Betrieb zu erwartenden Temperaturen ab, die wiederum von dem durch die katalytische Verbrennung nachzuweisenden Gas abhängen.Then, if the carrier, at least in the removal areas, as possible is small in thickness, the temperature follows that of the resistance heating element facing away from the side of the carrier, at least in the removal areas very quickly Temperature of the resistance heating element itself. The low temperature sensitivity the resistance heating element when using conventional metals can thereby bypass effectively that on the side facing away from the resistance heating element of the carrier, that is, preferably in the removal areas, at least in one Ablation area, a temperature measuring element, preferably a thermocouple, a temperature-sensitive one Resistor, a thermistor, a transistor or a diode, is provided or are. In this case, the measuring function is taken away from the resistance heating element and assigned to an independent and as highly sensitive measuring element as possible. Through this becomes the measuring sensitivity and the measuring accuracy of the sensor according to the invention increased to a very considerable extent. However, this is only possible because the Response speed because of the small distance between the resistance heating element from the temperature measuring element is sufficiently high. What kind of temperature measuring element is accurate, depends on the temperatures to be expected in operation, which in turn depend on the gas to be detected by the catalytic combustion.

Hinsichtlich der Maße des Trägers empfiehlt sich eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Träger eine Dicke D von 0,3 bis 1,0 mm und in den Abtragsbereichen vorzugsweise eine Dicke D' von 0,05 bis 0,2 mm aufweist.With regard to the dimensions of the carrier, an embodiment is recommended of the sensor according to the invention, which is characterized in that the carrier has a Thickness D of 0.3 to 1.0 mm and preferably a thickness D 'in the removal areas from 0.05 to 0.2 mm.

Zuvor ist bereits erläutert worden, daß der erfindungsgemäße Sensor - bezüglich des Widerstands-Heizelementes - eine geringstmögliche Wärmekapazität haben soll. Insoweit ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform ergänzend dadurch gekennzeichnet, daß der Träger in den an das Widerstands-Heizelement angrenzenden Bereichen mit Materialaussparungen versehen ist und/oder zwischen dem Träger und dem Widerstands-Heizelement thermisch isolierende Distanzelemente vorgesehen sind. Dadurch wird also erreicht, daß das Widerstands-Heizelement gleichsam in den übrigen Träger eingehängt ist bzw. auf dem Träger aufgeständert ist.It has already been explained above that the sensor according to the invention - with regard to the resistance heating element - the lowest possible heat capacity should have. In this respect, a particularly preferred embodiment is complementary characterized in that the carrier in the adjacent to the resistance heating element Areas is provided with material recesses and / or between the carrier and the resistance heating element thermally insulating spacer elements are provided. In this way it is achieved that the resistance heating element as it were in the rest The carrier is suspended or elevated on the carrier.

Der Träger des erfindungsgemäßen Sensors sollte vorzugsweise aus einem isolierenden Material bestehen, beispielsweise Aluminiumoxid, irgendeiner anderen temperaturbeständigen Keramik oder anderem temperaturbeständigem Material. Anstatt aus einem vollständig isolierenden Material kann der Träger natürlich auch aus einem Halbleitermaterial bestehen, vorzugsweise aus einkristallinem Silizium. Dieses Silizium kann undotiert oder dotiert sein. Meistens empfiehlt es sich hier, zwischen dem Träger und dem Widerstands-Heizelement eine Isolierschicht vorzusehen. Besteht der Träger aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus einkristallinem Silizium, so kann der Träger gleichzeitig als Grundmaterial für einen integrierten Schaltkreis dienen. Beim heutigen Integrationsgrad von elektronischen Schaltungen läßt sich so unter Unständen in den Sensor selbst die komplette Auswerteschaltung integrieren. Das ist natürlich ganz besonders kostengünstig.The carrier of the sensor according to the invention should preferably consist of a insulating material, for example aluminum oxide, any other temperature-resistant ceramic or other temperature-resistant material. Instead of Of course, the carrier can also consist of a completely insulating material Consist of semiconductor material, preferably of single-crystal silicon. This silicon can be undoped or doped. Mostly it is recommended here, between the Carrier and the resistance heating element to provide an insulating layer. Does the Carrier made of a semiconductor material, preferably made of monocrystalline silicon, so the carrier can also be used as a base material for an integrated circuit to serve. With today's degree of integration of electronic circuits thus, under certain circumstances, the complete evaluation circuit can be integrated into the sensor itself. This is of course particularly inexpensive.

Selbstverständ!ich kann bei dem erfindungsgemäßen Sensor der Träger auch aus einem Metall bestehen, wobei dann selbstverständlich auch zwischen dem Träger und dem Widerstands-Heizelement eine Isolierschicht vorzusehen ist.Of course, I can be the carrier in the sensor according to the invention also consist of a metal, then of course also between the Carrier and the resistance heating element is to be provided with an insulating layer.

Die Isolierschicht, von der bei der zuvor gegebenen Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors die Rede war, besteht besonders vorzugsweise aus Siliziumoxid (sie2), Siliziumnitrid (Si3N4) oder Glas; sie hat eine Schichtdicke von 0,001 bis 0,1 mm (1 bis 100 ;ihm).The insulating layer, more preferred than that in the explanation given above Embodiments of the sensor according to the invention were discussed, is particularly preferably made of silicon oxide (sie2), silicon nitride (Si3N4) or glass; she has a layer thickness of 0.001 to 0.1 mm (1 to 100; him).

Die Schichtdicke des Widerstands-Heizelementes bei dem erfindungsgemäßen Sensor beträgt vorzugsweise 0,0005 bis 0,1 mm (0,5 bis 10 pm). Die Schichtdicke des Katalysatormaterials beträgt vorzugsweise 0,0001 bis 0,01 mm (0,1 bis 10 rom). Schließlich beträgt die Schichtdicke der Diffusionssperrschicht, wenn sie als das Katalysatormaterial abdeckende Beschichtung ausgeführt ist, vorzugsweise 0,001 bis 0,01 mm (1 bis 10 Fm).The layer thickness of the resistance heating element in the case of the invention The sensor is preferably 0.0005 to 0.1 mm (0.5 to 10 µm). The layer thickness of the catalyst material is preferably 0.0001 to 0.01 mm (0.1 to 10 roms). Finally, the layer thickness of the diffusion barrier layer, if used as that Coating covering the catalyst material is carried out, preferably from 0.001 to 0.01mm (1 to 10 Fm).

Bei einem entsprechend dünn ausgebildeten Träger des erfindungsgemäßen Sensors können die auf den Träger aufgebrachten weiteren Schichten, nämlich die Isolierschicht, das Widerstands-Heizelement, die Beschichtung aus Katalysatormaterial und gegebenenfalls die Diffusionssperrschicht zu einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit, also der mechanischen Belastbarkeit des Sensors dienen. Diese Schichten erfüllen dann einen doppelten Zweck, einerseits den physikalisch/chemischen Zweck, der zuvor im einzelnen jeweils erläutert worden ist, andererseits einen mechanischen Zweck.With a correspondingly thin carrier of the invention Sensors can use the additional layers applied to the carrier, namely the Insulating layer, the resistance heating element, the coating made of catalyst material and optionally the diffusion barrier layer to increase the mechanical Strength, i.e. the mechanical resilience of the sensor, are used. These layers then fulfill a double purpose, on the one hand the physical / chemical purpose, which has been explained in detail above, on the other hand a mechanical one Purpose.

Die Diffusionssperrschicht muß nach Art einer Membran für die mittels katalytischer Verbrennung nachzuweisenden Gase und den Luftsauerstoff durchlässig, für schädliche Stoffe, wie beispielsweise Hexamethyl-Disiloxan oder Schwefeldioxid, undurchlässig sein. Un welche Stoffe es sich hier im einzelnen handelt, läßt sich für die unterschiedlichen Anwendungsfälle aus der Fachliteratur ohne weiteres ermitteln.The diffusion barrier layer must be like a membrane for the means gases to be detected by catalytic combustion and permeable to atmospheric oxygen, for harmful substances such as hexamethyl disiloxane or sulfur dioxide, be impermeable. What substances are involved here in detail can be determined for the different application cases can be easily determined from the specialist literature.

In verfahrensmäßiger Hinsicht geht die Lehre der Erfindung zur Herstellung von Sensoren dahin, daß zunächst auf den als massive Platte der Dicke D ausgebildeten Träger eine Isolierschicht und danach das Widerstands-Heizelement aufgebracht wird und danach das Material des Trägers, vorzugsweise nur in den Abtragsbereichen, von der vom Widerstands-Heizelement abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche Dicke D' abgetragen wird. Handhabungstechnisch erscheint es besonders zweckmäßig, wenn nach dem Auftragen des Widerstands-Heizelementes zunächst noch die Beschichtung aus Katalysatormaterial und gegebenenfalls die Diffusionssperrschicht aufgebracht werden und danach erst das Material des Trägers abgetragen wird.In terms of the method, the teaching of the invention relates to production of sensors to the effect that initially on the massive plate of thickness D trained Carrier an insulating layer and then the resistance heating element is applied and then the material of the carrier, preferably only in the removal areas of the side facing away from the resistance heating element to a strength point of view minimum required thickness D 'is removed. In terms of handling, it appears it is particularly useful if after applying the resistance heating element first nor the coating of catalyst material and optionally the diffusion barrier layer are applied and only then the material of the carrier is removed.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigt Fig. 1 in Draufsicht und rein schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors für die katalytische Verbrennung, Fig. 2 in rein schematischer Darstellung, nicht maßstabgetreu und stark vereinfacht, einen Schnitt durch den Gegenstand nach Fig. 1 entlang der Linie II - II und Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors.In the following the invention is based on only one embodiment illustrative drawing explained in more detail; it shows Fig. 1 in plan view and purely schematically an embodiment of a sensor according to the invention for the catalytic Combustion, Fig. 2 in a purely schematic representation, not true to scale and strong simplified, a section through the object of FIG. 1 along the line II II and FIG. 3 a representation of another embodiment corresponding to FIG. 2 of a sensor according to the invention.

Der in den Figuren dargestellte Sensor 1 ist für die katalytische Verbrennung von Methan (CH4) oder anderen Kohlenwasserstoffen bestimmt und weist ein Widerstands-Heizelement 2 aus Platin auf. Von dem Widerstands-Heizelement 2 wird ein nicht näher dargestelltes Katalysatormaterial beheizt, nämlich ein Material mit einer Verbindung der Platingruppe, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel einer Palladiumverbindung. Nicht dargestellt ist auch eine Diffusionssperrschicht zum Schutz des Katalysatormaterials vor dem Zutritt von schädlichen Stoffen wie Schwefeldioxid.The sensor 1 shown in the figures is for the catalytic Combustion of methane (CH4) or other hydrocarbons determines and detects a resistance heating element 2 made of platinum. From the resistance heating element 2 a catalyst material, not shown in detail, is heated, namely a material with a connection of the platinum group, in the embodiment shown here a palladium compound. A diffusion barrier layer is also not shown to protect the catalyst material from the ingress of harmful substances such as Sulfur dioxide.

In den Figuren ist deutlich erkennbar, daß ein plattenartiger Träger 3 vorgesehen und das Widerstands-Heizelement 2 als Dünnfilmwiderstand flächenhaft urd mäanderförmig auf den Träger 3 aufgebracht ist. Nicht erkennbar ist, daß das Katalysatormaterial als flächenhafte Beschichtung auf das Widerstands-Heizelement 2 aufgebracht ist.In the figures it can be clearly seen that a plate-like carrier 3 and the resistance heating element 2 as a thin film resistor extensive urd is applied to the carrier 3 in a meandering shape. It is not evident that this Catalyst material as a two-dimensional coating on the resistance heating element 2 is applied.

Fig. 2 läßt erkennen, daß der Träger 3 zur erleichterten Handhabung während des Herstellungsprozesses als massive Platte einer Dicke D ausgebildet ist und nach beendetem Herstellungsprozeß das Material des Trägers 3 von der vom Widerstands-Heizelement 2 abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche Dicke D' abgetragen worden ist. Genau gesagt ist das Material des Trägers 3 jedoch nur in den Bereichen auf die Dicke D' abgetragen, in denen auf der dem Widerstands-Heizelement 2 zugewandten Seite das Widerstands-Heizelement 2 tatsächlich angeordnet ist. Dies sind die sogenannten Abtragsbereiche 4. Auf der "Rückseite" oder "Unterseite" des Trägers 3 des Sensors 1 bleiben also zwischen den Abtragsbereichen 4 mit geringer Dicke D' Stege 5 des Trägers 3 mit der ursprünglichen Dicke D stehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist D = 0,65 mm, während D' = 0,09 mm ist.Fig. 2 shows that the carrier 3 for easier handling is formed as a solid plate of a thickness D during the manufacturing process and after the manufacturing process has ended, the material of the carrier 3 differs from that of the resistance heating element 2 facing away to a minimum required from a strength point of view Thickness D 'has been removed. To be precise, however, the material of the carrier 3 is removed only in the areas on the thickness D 'in which on the resistance heating element 2 facing side the resistance heating element 2 is actually arranged. this are the so-called removal areas 4. On the "back" or "bottom" of the Carriers 3 of sensor 1 therefore remain between the removal areas 4 with less Thickness D 'webs 5 of the carrier 3 with the original thickness D are available. In the illustrated Embodiment is D = 0.65 mm, while D '= 0.09 mm.

Aus Fig. 2 läßt sich erkennen, daß in den Abtragsbereichen 4 auf der vom Widerstands-Heizelement 2 abgewandten Seite des Trägers 3 ein Temperatur-Meßelement 6, nämlich ein temperaturempfindlicher Widerstand in ebenfalls mäanderförmiger Ausgestaltung vorgesehen ist. Die Temperatur an der Unterseite des Trägers 3 im Abtragsbereich 4 bzw. in den Abtragsbereichen 4 folgt sehr schnell der Temperatur des Widerstands-Heizelementes 2, so daß bei entsprechender Empfindlichkeit des Temperatur-Meßelementes 6 eine äußerst empfindliche und schnelle Messung gewährleistet ist.From Fig. 2 it can be seen that in the removal areas 4 on the the side of the support 3 facing away from the resistance heating element 2 is a temperature measuring element 6, namely a temperature-sensitive resistor in a likewise meandering configuration is provided. The temperature on the underside of the carrier 3 in the removal area 4 or in the removal areas 4, the temperature of the resistance heating element follows very quickly 2, so that with a corresponding sensitivity of the temperature measuring element 6 a extremely sensitive and fast measurement is guaranteed.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht der Träger 3 aus einkristallinem Silizium und ist zwischen dem Träger 3 und dem Widerstands-Heizelement 2 eine im einzelnen nicht dargestellte Isolierschicht vorgesehen. Der Träger 3 dient, auch das ist in der Zeichnung nicht dargestellt, gleichzeitig als Grundmaterial für einen integrierten Schaltkreis. Die Isolierschicht besteht aus Siliziumoxid (SiO2), kann also in üblicher Standardtechnik au; der Oberseite des Trägers 3 erzeugt werden. Sie hat eine Schichtdicke von ca. 2)im. Das Widerstands-Heizelement 2 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke von ca. 1 pm, für das Katalysatormaterial, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, empfiehlt sich eine Schichtdicke von ca. 0,5 pm, die Diffusionssperrschicht weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke von ca. 2 pm auf.In the illustrated embodiment according to FIG. 2, the carrier consists 3 made of monocrystalline silicon and is between the carrier 3 and the resistance heating element 2 an insulating layer, not shown in detail, is provided. The carrier 3 is used this is also not shown in the drawing, at the same time as the base material for an integrated circuit. The insulating layer consists of silicon oxide (SiO2), so can in the usual standard technology au; the top of the carrier 3 are generated. It has a layer thickness of approx. 2) im. The resistance heating element 2 has a layer thickness of approx. 1 μm in the exemplary embodiment shown, for the Catalyst material, which is not shown in the drawing, is recommended a layer thickness of approx. 0.5 μm, the diffusion barrier layer has in the illustrated Embodiment a layer thickness of about 2 pm.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind ergänzende Maßnahmen zur weiteren Reduzierung der Wärmekapazität verwirklicht. Einerseits ist der Träger 3 in den an das Widerstands-Heizelement 2 angrenzenden Bereichen mit Materialaussparungen 7 verstehen, andererseits sind zwischen dem Träger 3 und dem Widerstands-Heizelement 2 thermisch isolierende Distanzelemente 8 vorgesehen. Wegen der Materialaussparungen 7 und der thermisch isolierenden Distanzelemente 8 wird die Wärmekapazität im wesentlichen durch die Wärmekapazität des Widerstands-Heizelementes 2 bestimmt; die Wärmekapazität des Trägers 3 geht wegen der Materialaussparungen 7 und der thermisch isolierenden Distanzelemente 8 nur noch reduziert in die insgesamt wirksame Wärmekapazität ein.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, additional measures are taken for further purposes Realized reduction in heat capacity. On the one hand, the carrier 3 is in the to the resistance heating element 2 adjoining areas with material cutouts 7 understand, on the other hand are between the support 3 and the resistance heating element 2 thermally insulating spacer elements 8 are provided. Because of the material cutouts 7 and the thermally insulating spacer elements 8, the heat capacity is essentially determined by the heat capacity of the resistance heating element 2; the heat capacity the carrier 3 goes because of the material recesses 7 and the thermally insulating Spacer elements 8 are only reduced in the overall effective heat capacity.

Claims (18)

Patentansprüche: 1. Sensor für die katalytische Verbrennung, insbesondere von Methan (CH4), mit einem Widerstands-Heizelement aus Metall, vorzugsweise aus Platin oder Gold, mit einem von dem Widerstands-Heizelement beheizten Katalysatormaterial, vorzugsweise mit einer Verbindung der Platingruppe, das heißt einer Palladium-, Platin, Rhodium- oder Iridiumverbindung, in dem Katalysatormaterial, und gegebenenfalls mit einer Diffusionssperrschicht zum Schutz des Katalysatormaterials vor dem Zutritt von schädlichen Stoffen wie bei. Claims: 1. Sensor for catalytic combustion, in particular of methane (CH4), with a resistance heating element made of metal, preferably made of Platinum or gold, with a catalyst material heated by the resistance heating element, preferably with a compound of the platinum group, i.e. a palladium, Platinum, rhodium or iridium compound, in the catalyst material, and optionally with a diffusion barrier layer to protect the catalyst material from access of harmful substances such as at. spielsweise Schwefeldioxid, d a d u r c h gek e n n z e i c h ne t, daß ein plattenartiger Träger (3) vorgesehen und das Widerstands-Heizelement (2) als Dünnfilmwiderstand oder als Dickfilmwiderstand flächenhaft und vorzugsweise mäanderförmig auf den Träger (3) aufgebracht ist und das Katalysatormaterial als flächenhafte Beschichtung auf das Widerstands-Heizelement (2) und gegebenenfalls auf den Träger (3) aufgebracht ist.for example sulfur dioxide that a plate-like carrier (3) is provided and the resistance heating element (2) as a thin-film resistor or as a thick-film resistor over a large area and preferably Is applied in a meandering manner to the support (3) and the catalyst material as extensive coating on the resistance heating element (2) and optionally is applied to the carrier (3). 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3) zur erleichterten Handhabung während des Herstellungsprozesses als massive Platte einer bestimmten Dicke (D) ausgebildet ist und nach beendetem Herstellungsprozeß, frühestens nach Aufbringung des Widerstands-Heizelementes (2) auf den Träger (3), das Material des Trägers (3) von der dem Widerstands-Heizelement (2) abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche Dicke (D') abtragbar ist.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the carrier (3) as a solid plate for easier handling during the manufacturing process a certain thickness (D) is formed and after the end of the manufacturing process, at the earliest after the resistance heating element (2) has been applied to the carrier (3), the material of the carrier (3) facing away from the resistance heating element (2) Side to a minimum thickness required from a strength point of view (D ') can be removed. 3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Trägers (3) nur in den Bereichen auf die Dicke (D') abgetragen ist - Abtragsbereiche (4) -, in denen auf der dem Widerstands-Heizelement (2) zugewandten Seite das Widerstands-Heizelement (2) tatsächlich angeordnet ist.3. Sensor according to claim 2, characterized in that the material of the carrier (3) is removed only in the areas to the thickness (D ') - removal areas (4) -, in which on the side facing the resistance heating element (2) the resistance heating element (2) is actually arranged. 4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der vom Widerstands-Heizelement (2) abgewandten Seite des Trägers (3), vorzugsweise in den Abtragsbereichen (4), zumindest in einem Abtragsbereich (4), ein Temperatur-Meßelement (6), vorzugsweise ein Thermoelent, ein temperaturempfindlicher Widerstand, ein Thermistor, ein Trdnsistor oder eine Diode, vorgesehen ist bzw. sind.4. Sensor according to claim 2 or 3, characterized in that on the side of the carrier (3) facing away from the resistance heating element (2), preferably in the removal areas (4), at least in one removal area (4), a Temperature measuring element (6), preferably a thermocouple, a temperature-sensitive one Resistor, a thermistor, a transistor or a diode, is provided or are. 5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3) eine Dicke (D) von 0,3 bis 1,0 mm und in den Abtragsbereichen (4) vorzugsweise eine Dicke (D') von 0,05 bis 0,2 mm aufweist.5. Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the carrier (3) has a thickness (D) of 0.3 to 1.0 mm and in the removal areas (4) preferably has a thickness (D ') of 0.05 to 0.2 mm. 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3) in den an das Widerstands-Heizelement (2) angrenzenden Bereichen mit Materialaussparungen (7) versehen ist.6. Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the carrier (3) in the areas adjoining the resistance heating element (2) is provided with material recesses (7). 7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger (3) und dem Widerstands-Heizelement (2) thermisch isolierende Distanzelemente (8) vorgesehen sind.7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that that between the carrier (3) and the resistance heating element (2) thermally insulating Spacer elements (8) are provided. 8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem isolierenden Material besteht.8. Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that that the carrier consists of an insulating material. 9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3) aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Silizium, insbesondere aus einkistallinem Silizium, besteht und gegebenenfalls zwischen dem Träger (3) und dem Widerstands-Heizelement (2) eine Isolierschicht vorgesehen ist.9. Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that that the carrier (3) made of a semiconductor material, preferably made of silicon, in particular made of single-crystal silicon, and optionally between the carrier (3) and the resistance heating element (2) is provided with an insulating layer. 10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger gleichzeitig als Grundmaterial für einen integrierten Schaltkreis dient.10. Sensor according to claim 9, characterized in that the carrier at the same time serves as the base material for an integrated circuit. 11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Metall besteht und zwischen dem Träger und dem Widerstands-Heizelement eine Isolierschicht vorgesehen ist.11. Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that that the carrier is made of a metal and between the carrier and the resistance heating element an insulating layer is provided. 12. Sensor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch geknnzeichnet, daß die Isolierschicht aus Siliziumoxid (sir2), Siliziumnitrid (Si3N4) oder Glas besteht.12. Sensor according to one of claims 8 to 11, characterized in that that the insulating layer is made of silicon oxide (sir2), silicon nitride (Si3N4) or glass consists. 13. Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht eine Schichtdicke von 0,001 bis 0,1 mm (1 bis 100 ym) aufweist.13. Sensor according to one of claims 9 to 12, characterized in that that the insulating layer has a layer thickness of 0.001 to 0.1 mm (1 to 100 μm). 14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstands-Heizelement (2) eine Schichtdicke von 0,0005 bis 0,1 mm (0,5 bis 10 ym) aufweist.14. Sensor according to one of claims 1 to 13, characterized in that that the resistance heating element (2) has a layer thickness of 0.0005 to 0.1 mm (0.5 up to 10 ym). 15. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial eine Schichtdicke von 0,0001 bis 0,01 mm (0,1 bis 10 ;ihm) aufweist.15. Sensor according to one of claims 1 to 13, characterized in that that the catalyst material has a layer thickness of 0.0001 to 0.01 mm (0.1 to 10 ; him) has. 16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht als das Katalysatormaterial abdeckende Beschichtung mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 0,001 bis 0,01 mm (1 bis 10 pm) ausgebildet ist.16. Sensor according to one of claims 1 to 15, characterized in that that the diffusion barrier layer is used as a coating covering the catalyst material formed with a layer thickness of preferably 0.001 to 0.01 mm (1 to 10 μm) is. 17. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 2 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zunächst auf den als massive Platte der Dicke (D) ausgebildeten Träger eine Isolierschicht und danach das Widerstands-Heizelement aufgebracht wird und danach das Material des Trägers, vorzugsweise nur in den Abtragsbereichen, von der vom Widerstands-Heizelement abgewandten Seite her auf eine aus Festigkeitsgesichtspunkten mindestens erforderliche Dicke (D') abgetragen wird.17. A method for producing a sensor according to one of the claims 2 to 16, d u r c h e k e n n n z e i c h n e t, that initially on the as massive Plate of the thickness (D) formed carrier an insulating layer and then the resistance heating element is applied and then the material of the carrier, preferably only in the removal areas, from the side facing away from the resistance heating element to one from a strength point of view minimum required thickness (D ') is removed. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen des Widerstands-Heizelementes zunächst noch die Beschichtung aus Katalysatormaterial und gegebenenfalls die Diffusionssperrschicht aufgebracht werden und danach erst das Material des Trägers abgetragen wird.18. The method according to claim 17, characterized in that according to the Applying the resistance heating element first of all the coating made of catalyst material and, if necessary, the diffusion barrier layer are applied and only thereafter the material of the carrier is removed.
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