EP0647319A1 - Sensor unit for determining the gas component concentration - Google Patents

Sensor unit for determining the gas component concentration

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Publication number
EP0647319A1
EP0647319A1 EP94912450A EP94912450A EP0647319A1 EP 0647319 A1 EP0647319 A1 EP 0647319A1 EP 94912450 A EP94912450 A EP 94912450A EP 94912450 A EP94912450 A EP 94912450A EP 0647319 A1 EP0647319 A1 EP 0647319A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diffusion channel
sensor element
measuring
gas
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP94912450A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Karl-Hermann Friese
Werner Gruenwald
Roland Stahl
Claudio De La Prieta
Gerhard Schneider
Harald Neumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0647319A1 publication Critical patent/EP0647319A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • the invention is based on a sensor with a diffusion channel according to the preamble of the main claim, for example for exhaust gas measurement of internal combustion engines in various embodiments, most often as a laminar or finger probe, which with different cavity systems d.
  • a further restriction is given for gas flows from the measuring gas space into the disk-shaped diffusion channel through the right-angled deflection of diffusing gas components, even in the case where w already assumes the multiple dimension of the diameter of the gas component.
  • Such a sensor element is constructed from a base body made of z. B. zirconia ceramic, which serves as a solid electrolyte.
  • a laminar design of the sensor is advantageous for economic reasons, but this is not the only design.
  • exhaust gas probes examples include EGOS (exhaust gas oxygen sensor), HEGOS (heated EGOS), PEGOS (proportional EGOS), UEGOS (universal EGOS) and TF-HEGOS (thin film HEGOS). Measurements are made in the electrochemical sensor element, including in a limit current probe, with at least two electrodes, one of which can come into contact with the reference gas, the other with the exhaust gas.
  • the gas component to be measured comes completely into contact with the porous electrode. In the event of the appearance of saturation on the electrode surface due to complete coverage with one or more gas components, this can lead to poisoning or overloading of the contact surface.
  • Such sensors work according to the polarographic measuring principle. A constant electrode voltage is applied between an anode and a cathode and a diffusion limit current is measured. However, the sensor could also use a different electrochemical measuring principle, e.g. B. the potentiometric measuring principle.
  • the diffusion limit current for example in the case of a limit current probe, is determined by ions after having overcome a diffusion barrier of the component of the measurement gas to be measured, the charges of which cause the current.
  • the design of the sample gas space in particular the diffusion channel in front of the electrodes, determines the diffusion resistance for the sample gas and influences the gradient of the concentration of the sample gas component to be measured. This affects the control position of the sensor.
  • measuring gas space will also include the diffusion channel and the electrode space, if these are not specifically mentioned.
  • a diffusion channel the part of the measuring gas space, for. B. is an exhaust gas probe, the gas mixture to be measured flows into the probe via the sample gas chamber supplied from the outside.
  • the measuring gas space should include every gas space that can house the gas component of the sensor to be measured.
  • the electrode space is the space that lies between the electrodes and contains the gas. It connects to the diffusion channel and is at least flooded by the gas component to be measured.
  • Diffusion channel tunnel dimensions or filled tunnels of the diffusion channel are known as mixed diffusion from Knudsen and gas phase diffusion, which can be the reason for the pressure dependence of the probe signals.
  • Sensor elements with diffusion channels which are designed according to the invention, have sufficient free path lengths for the measuring gas component. This means that gas phase diffusion essentially occurs for the measuring gas, without impacts against the wall or chemical reactions which could falsify this.
  • the diffusion coefficient of the sample gas component is then inversely proportional to the pressure in the sample gas space. Flow problems and tendencies to wall reactions of the gas component to be measured due to collisions of the molecules are largely avoided.
  • an average free path length of about 0.3 microns follows. From this, the minimum dimension of the diffusion channel is determined to be 30 micrometers, which corresponds to 100 times the mean free path of the oxygen anion. For functional reasons, a probe is limited in terms of its volume of the sample gas space and the diffusion channel for its inner channel system. The minimum expansion of the measuring gas space at any point in the interior of the sensor is known.
  • the minimal dimensions of the diffusion channel and measuring gas space gains advantages through a greater freedom of choice of the electrode geometry, for example in the electrode space.
  • Additional components for example support elements or channel expansion systems of the electrode space, can be attached at a suitable location.
  • FIG. 1 shows a cross section through the measuring gas space with a diffusion channel for a sensor
  • FIG. 2 shows a cross section through a sensor that was constructed from a pump and measuring cell
  • FIG. 5 shows a cross section through the measurement gas space of a sensor of FIG. 3 along the axis AB with the diffusion channel widened in a fan shape
  • FIG. 1 shows a cross section through the measuring gas space with a diffusion channel for a sensor
  • FIG. 2 shows a cross section through a sensor that was constructed from a pump and measuring cell
  • FIG. 6 shows the hatched area The area of the electrode coating using the example of a partially coated circular sector, ie a ring electrode coating
  • FIG. 8 shows a pump current-pump voltage diagram to represent the pressure Dependency of a sensor
  • Figure 9 shows the middle free path length for a selection of different gases depending on the gas pressure of a measuring gas and the channel dimensions resulting at 20 degrees Celsius
  • Figure 10 shows the operation of a non-regulated heating element of an exhaust gas probe and the pressure-sensitive position of the working point of the exhaust gas probe.
  • the porous anode 15 is covered with a cover layer 16.
  • the minimum dimension is indicated by a drawn ball with the diameter w, which can be moved freely.
  • the porous electrodes 15 and 13 are made of platinum or a platinum alloy.
  • w> 30 microns may filler material 17, for example, A l porous be 3 ° **** introduced n ⁇ s diffusion channel. It is conceivable that the measurement gas 20 flows into the diffusion channel 12 of the measurement gas chamber 18 from several sides. In the direction of the third dimension, the exhaust gas probe 21 can also be in a non-planar form be executed. Due to tests with more complex sensors, the w: L ratio could also be maintained for other sensors.
  • the cathode 13 can be coated with a porous protective layer or a plurality of porous protective layers in order to prevent the effects of corrosion and poisoning of its surface, as well as the removal of its material, or to avoid damage and / or impairments caused by components of the measurement gas 20.
  • a diffusion channel bent at its ends could be of more fluid design.
  • FIG. 2 shows a largely pressure-independent exhaust gas probe 21, consisting of a measuring cell 22 and a pump cell 23. Not all electrodes were tempered, e.g. B. the cathode 13 and the first electrode 24 are exposed.
  • measuring gas 20 enters the electrode space 24, 31 via the diffusion channel 12, it comes into contact with the first electrode 24 of the measuring cell 22, the potential of which changes relative to the second electrode 31.
  • the first electrode 24 and the second electrode 31 are separated by means of an intermediate layer 32 which conducts oxygen ions.
  • the potential difference is detected and used to regulate the potential between cathode 13 and anode 15 of the pump cell 23.
  • the oxygen concentration to be measured is measured after connecting the electrodes to an electrical network.
  • the measuring principle is described in more detail, for example, in EP-A 0 194 082.
  • the electrodes of the measuring cell 22 could also be arranged centrally below the electrodes of the pump cell 23.
  • the number of diffusion channels 12, their topography and their cross-sectional dimensions relative to one another are decisive for their position.
  • a distance is conceivable for the exhaust gas, the oxygen gas concentration of which is measured at several points in order to achieve better regulation of the inflowing gases, that is to say a supply regulation via several electrode pairs used for the measurement.
  • an electrode space 25 is spread out like a fan.
  • the measuring gas 20 flows into this electrode space 25 via a cylindrical measuring gas space 18, which can also be a partial volume of the measuring gas space, via the diffusion channel 12.
  • the electrode surfaces 26 and 27 are well suited as a covered anode surface 26 and a covered cathode surface 27 for contacting the electrodes.
  • the electrodes are designed as sector-shaped sections, as shown in FIG. 4.
  • the opening angle ⁇ is 60 degrees.
  • the manufacturing possibilities of the electrode contacts are expanded.
  • very thin layers of different material thickness and different local composition for contacting can be realized with great freedom for the choice of material and thus good electrical and mechanical contact stability and freedom from noise.
  • the active electrode area and a contact-dispensing means for coupling the leads to the electrode to an external electrical network lie in separate areas, which is why a double function at a geometrical location does not lead to compromises for the electrode and forcing contact.
  • the covered electrode surfaces 26, 27 directly adjoin the uncovered active electrode surfaces 28, 29, as shown in FIG. 6. It would be possible to choose the opening angle on one or both sides differently for the covered and effective electrode surface, so that there are interruptions in the conductor track or are knotted.
  • a circular disk coating in a corresponding modification according to FIG. 6 is conceivable.
  • FIG. 4 shows a section A-B, in which the effective electrode surface 28 directly adjoins the edge of the rectangular, columnar diffusion channel 12.
  • the opening angle ß is 45 degrees.
  • FIG. 5 shows a section A-B, in which the effective electrode surface 29 does not directly adjoin the edge of the rectangular, column-shaped diffusion channel 12 but only comprises one ring section.
  • the diffusion channel 12 is also expanded in a fan shape.
  • the opening angle ⁇ can be chosen up to 90 degrees for those in FIGS. 4 and 5, depending on how many electrode spaces are connected to one another via a plurality of diffusion channels. It would be conceivable to design the anode surface like the cathode surface. Another geometry of the electric field for measurement with non-homogeneous fields can also be produced.
  • FIG. 7 shows an example of a cross section through the diffusion and electrode space of an exhaust gas probe with an internal structure.
  • the column-shaped pillars, that is, cavity supports 30 serve to regulate the flow of measurement gas to the electrode surface.
  • the aperture function of the columns protects the electrodes from oversaturation and contamination. Furthermore, the structure becomes mechanically more stable and easier to shrink.
  • a measuring gas space with three diffusion channels inclined at 60 degrees to one another can also form a star with adjoining electrode spaces.
  • the oxygen content is measured at a pressure between 0.1 and 10 bar for the examples.
  • FIG. 9 contains examples of channel design for the gases a H, b air, c CO, and shows the mean free path length on the vertical axes on the left and the channel dimensions w on the right.
  • the horizontal axis corresponds to the gas pressure.
  • An example of the pressure insensitivity of a probe, e.g. B. the probe of Figure 2 is shown in Figure 10. If a heating element is attached to the lower substrate of the exhaust gas probe, the probe can be heated.
  • FIG. 10 illustrates for two exhaust gas probes A and B designed in this way, with electrode spaces corresponding to FIG. 4 and FIG. 5, the ratio of the limit currents with different temperature stability, which is set by the heating power.
  • the electrode spaces corresponding to those in FIGS. 4 and 5, respectively, are recorded in FIG. 10, the ratio of the limit currents of these probes at a gas pressure in the vicinity of 1 bar, or an increased gas pressure of 2 bar. Hatched areas denote variable temperatures for the gas, light areas denote constant temperatures. The dashed lines indicate no overlap of the measuring fields for constant and changeable temperatures in the case of the probe of FIG. 4 and therefore a somewhat higher temperature sensitivity of this layout for measuring the exhaust gas of the oxygen concentration.
  • the best embodiment of a probe is in FIG. 10 for probe B, in the case of small rectangular areas of FIG. 10 which are symmetrical about the limit current ratio at a setpoint of 1 for the limit current ratio at different pressures.
  • the parameter d is a measure of the missing overlap of the working point of the exhaust gas probes A or B).
  • the invention relates generally to sensors in which a reaction electrode is preceded by a diffusion barrier.
  • a technique for producing an exhaust gas probe is screen pressing e.g. B. a crackable organic form-forming layer, the form-forming agent, or a body part of this material on a substrate 11 or generally on another layer.
  • the cavity of the measuring gas chamber 18 is determined in shape and dimensions, that is to say also the w / L ratio.
  • This screen-printed layer forms, for example, the diffusion channel volume.
  • the measuring gas space 18 is later decomposed, evaporated or burned out during sintering.
  • the superimposition can include, for example, ceramic, matching, electrode, catalyst, line, cover or ceramic layers of the exhaust gas probe and can optionally be carried out by machine.
  • the ceramic layers are often between 0.3 and 2 millimeters thick.
  • a manufacturing process by sintering the diffusion barrier requires the minimum height of the channel of 30 micrometers.
  • the shrinkage for a 20 volume percent shrinkage when using theobromine as the shape-forming material is then chosen to be 42 micrometers and the laminar structure is sintered at at least 1000 degrees Celsius.
  • ZrO with 4 mol percent Y.0 was used as the ceramic
  • the electrodes 28/29 for the cathode and / or the corresponding anode of the sensor preferably consist of a metal from the platinum group, in particular platinum, or from alloys from the platinum group or alloys from metals from the platinum group with other substances, as is described, inter alia, in DE PS 41 00 106 is described. If necessary, you will receive a ceramic yttrium-stabilized zirconium oxide support framework material, for example in the form of a YSZ powder, with a volume fraction of preferably about 40 volume percent. They are porous and as thin as possible. They preferably have a thickness of 8 to 15 micrometers.
  • the conductor tracks belonging to the electrodes preferably also consist of platinum or a platinum alloy of the type described. They can also be produced from a paste based on a precious metal cermet.
  • the solid electrolyte layer (intermediate layer) 14 or 26 consists of one of the known, for the production of divalent negative
  • Oxygen conducting solid electrolytes used oxides such as in particular ZrO ", CeO .., HfO" and ThO "with a content
  • the layer can be about 80 to 97 mole percent ZrO, CeO, HfO or ThO and 3 to 20
  • Mole percent consist of MgO, CaO, SrO and / or rare earth oxides and / or in particular Y, 0.
  • the layer advantageously consists of ZrO stabilized with ⁇ .0. Sc 0 can be used as a full or partial replacement for Y-0.
  • the thickness of the layer can advantageously be 10 to 200 micrometers, in particular 15 to 50 micrometers.
  • the diffusion channel can have a filling made of coarsely porous sintering material, for example based on Al 0 or ZrO,
  • Thermal soot powder, graphite, plastics, for example based on polyurethane, salts, for example ammonium carbonate, and other organic substances, such as theobromine, were used as pore-forming agents or shape-forming agents for the design of the measuring gas space 18 and / or the diffusion channel 12 and / or the electrode space 24, 25 and indanthrene blue are used.
  • Unsupported structures also change their shape at sintering temperatures that are above a threshold temperature of around 300 degrees Celsius, which, for example when using theobromine, results in structural deformations because theobromine has already been completely removed from the cavity structure.
  • a solidification that is to say a shape that is true to shape, can only be obtained at temperatures above about 700 degrees Celsius. Further advantages arise when different shape-forming agents are used together, in that the volumes of individual cavities which are burned out are produced by joining, for example gluing together individual shape-forming partial volumes. Spacers can also be made from glass ceramic. Example 7 was made using picein.

Abstract

The invention relates to a sensor unit (21) to determine the concentration of a component of a gas mixture, with a diffusion channel (12) leading into a measuring gas chamber (18) and bordering an electrode chamber (24, 25). The dimensions (w) of the diffusion channel of the gas chamber (18) of the sensor (21) are each a multiple of the mean free path. The electrode chamber (25) used is connected to the diffusion channel (12). Supersaturation of the electrode system (13, 15) through the design with additional supports is prevented.

Description

Sensorelement zur Bestimmung der GaskomponentenkonzentrationSensor element for determining the gas component concentration
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit Diffusionskanal gemäß der Gattung des Hauptanspruchs, zum Beispiel zur Abgasmessung von Brennkraftmaschinen in verschiedenen Ausführungsformen, am häufigsten als Laminar- oder Fingersonde, die mit verschiedenen Hohlraumsystemen d. h. Meßgasräumen ausgeführt werden.The invention is based on a sensor with a diffusion channel according to the preamble of the main claim, for example for exhaust gas measurement of internal combustion engines in various embodiments, most often as a laminar or finger probe, which with different cavity systems d. H. Sample gas spaces are executed.
Aus der EP-A 0188900 ist ein gattungsgemäßer Sensor bekannt, bei dem die Gestaltung des Meßgasraumes mit seinem Diffusionskanal durch eine Beziehung von Abständen festgelegt ist, die empirisch für verschiedene Bauarten ermittelt wurden. Diese Beziehung war von der Bauform der planar ausgeführten Sonde unabhängig konstant und legte Abstände des Abgasraumes zu den Elektroden und deren Geometrie zueinander fest.From EP-A 0188900 a generic sensor is known, in which the design of the measuring gas space with its diffusion channel is determined by a relationship of distances that have been empirically determined for different types. This relationship was constant regardless of the design of the planar probe and defined distances between the exhaust gas chamber and the electrodes and their geometry.
Die mathematische Beziehung m - 1 > 5 w, beziehungsweise im Grenzfall m - 1 = 5 w, der EP-A 0 188 900 mit 1 als Abstand zwischen dem Einlaß des Meßgasraumes und einem nachstliegenden Punkt der ersten Elektrode relativ zum Einlaß, m als Abstand zwischen dem Einlaß des Meßgasraumes und einem nachstliegenden Punkt der dritten Elektrode relativ zum Einlaß, und w als Abstand zwischen den ersten und dritten Elektroden, die dem Abgas ausgesetzt sind, beziehen sich auf eine planare Anordnung, die laminar konstruiert wurde. Diese Formel verliert ihre Gültigkeit für Abmessungen, die atomaren Größenordnungen entsprechen und würde für sehr kleine Abmessungen zur Verflüssigung des Gases aufgrund von Wandreaktionen und Adsorptionen führen (Lin Zhang and Nigel A. Seaton, Prediction of the effective diffusity in Pore Networks close to the percolation threshold, AIChE Journal H» 1992, 1816 - 1824). Eine Messung kann ferner wegen der planaren Elektrodenanordnungen überwiegend nur mit homogenen elektrischen Feldern erfolgen.The mathematical relationship m - 1> 5 w, or in the limit case m - 1 = 5 w, of EP-A 0 188 900 with 1 as the distance between the inlet of the measuring gas space and a subsequent point of the first electrode relative to the inlet, m as the distance between the inlet of the measurement gas space and a subsequent point of the third electrode relative to the inlet, and w as the distance between the first and third electrodes which are exposed to the exhaust gas relate to a planar arrangement which has been constructed in a laminar manner. This formula loses its validity for dimensions that correspond to atomic orders of magnitude and would lead to liquefaction of the gas due to wall reactions and adsorption for very small dimensions (Lin Zhang and Nigel A. Seaton, Prediction of the effective diffusity in Pore Networks close to the percolation threshold , AIChE Journal H »1992, 1816 - 1824). Furthermore, because of the planar electrode arrangements, a measurement can predominantly only be carried out with homogeneous electrical fields.
Eine weitere Einschränkung ist für Gasströmungen vom Meßgasraum in den scheibenförmigen Diffusionskanal durch das rechtwinklige Umlenken diffundierender Gaskomponenten, selbst für den Fall, daß w bereits die mehrfache Abmessung des Durchmessers der Gaskomponente annimmmt, gegeben.A further restriction is given for gas flows from the measuring gas space into the disk-shaped diffusion channel through the right-angled deflection of diffusing gas components, even in the case where w already assumes the multiple dimension of the diameter of the gas component.
Aufgebaut wird ein solches Sensorelement aus einem Grundkörper aus z. B. Zirkoniumdioxidkeramik, der als Festkörperelektrolyt dient. Aus wirtschaftlichen Gründen ist eine laminare Konstruktion des Sensors vorteilhaft, dies ist aber nicht die einzige Bauform.Such a sensor element is constructed from a base body made of z. B. zirconia ceramic, which serves as a solid electrolyte. A laminar design of the sensor is advantageous for economic reasons, but this is not the only design.
Beispiele für Abgassonden sind EGOS (exhaust gas oxygen sensor), HEGOS (heated EGOS), PEGOS (proportional EGOS), UEGOS (universal EGOS) und TF-HEGOS (thin film HEGOS). Gemessen wird in dem elektrochemischen Sensorelement, unter anderem in einer Grenzstromsonde, mit mindestens zwei Elektroden, von denen eine mit dem Eeferenzgas, die andere mit dem Abgas in Kontakt treten kann.Examples of exhaust gas probes are EGOS (exhaust gas oxygen sensor), HEGOS (heated EGOS), PEGOS (proportional EGOS), UEGOS (universal EGOS) and TF-HEGOS (thin film HEGOS). Measurements are made in the electrochemical sensor element, including in a limit current probe, with at least two electrodes, one of which can come into contact with the reference gas, the other with the exhaust gas.
Die zu messende Gaskomponente kommt vollständig mit der porösen Elektrode in Kontakt. Im Fall des Auftretens von Stättigungserscheinungen an der Elektrodenoberfläche durch vollständige Bedeckung mit einer oder mehreren Gaskomponenten kann dies zu einer Vergiftung oder Überlastung der Kontaktfläche führen. Derartige Sensoren arbeiten nach dem polarographischen Meßprinzip. Dabei wird zwischen eine Anode und eine Kathode eine konstante Elektrodenspannung angelegt und ein Diffusionsgrenzstrom gemessen. Der Sensor könnte aber auch nach einem anderen elektrochemischen Meßprinzip z. B. dem potentiometrischen Meßprinzip arbeiten.The gas component to be measured comes completely into contact with the porous electrode. In the event of the appearance of saturation on the electrode surface due to complete coverage with one or more gas components, this can lead to poisoning or overloading of the contact surface. Such sensors work according to the polarographic measuring principle. A constant electrode voltage is applied between an anode and a cathode and a diffusion limit current is measured. However, the sensor could also use a different electrochemical measuring principle, e.g. B. the potentiometric measuring principle.
Der Diffusionsgrenzstrom, bei zum Beispiel einer Grenzstromsonde, wird durch Ionen nach dem Überwinden einer Diffusionsbarriere der zu messenden Komponente des Meßgases, deren Ladungen den Strom verursachen, bestimmt. Die Gestaltung des Meßgasraumes, im besonderen des Diffusionskanals vor den Elektroden, legt den Diffusionswiderstand für das Meßgas fest und beeinflußt den Gradienten der zu messenden Konzentration der Meßgaskomponente. Eine Rückwirkung auf die Regellage des Sensors tritt ein.The diffusion limit current, for example in the case of a limit current probe, is determined by ions after having overcome a diffusion barrier of the component of the measurement gas to be measured, the charges of which cause the current. The design of the sample gas space, in particular the diffusion channel in front of the electrodes, determines the diffusion resistance for the sample gas and influences the gradient of the concentration of the sample gas component to be measured. This affects the control position of the sensor.
Im folgenden wird der Begriff Meßgasraum auch den Diffusionskanal und den Elektrodenraum umfassen, wenn diese nicht besonders genannt sind. In einen Diffusionskanal, der Teil des Meßgasraumes, z. B. einer Abgassonde ist, strömt über den von außen versorgten Meßgasraum das zu messende Gasgemisch in die Sonde. Der Meßgasraum soll jeden Gasraum umfassen, der die zu messende Gaskomponente des Sensors beherbergen kann.In the following, the term measuring gas space will also include the diffusion channel and the electrode space, if these are not specifically mentioned. In a diffusion channel, the part of the measuring gas space, for. B. is an exhaust gas probe, the gas mixture to be measured flows into the probe via the sample gas chamber supplied from the outside. The measuring gas space should include every gas space that can house the gas component of the sensor to be measured.
Der Elektrodenraum ist derjenige Raum, der zwischen den Elektroden liegt und das Gas enthält. Er schließt sich an den Diffusionskanal an und wird mindestens von der zu messenden Gaskomponente durchflutet.The electrode space is the space that lies between the electrodes and contains the gas. It connects to the diffusion channel and is at least flooded by the gas component to be measured.
Aussagen und Verwirklichungen, die es erlauben würden, von planaren Strukturen abweichend einen Meßgasraum für eine Abgassonde zu gestalten, fehlen bisher weitgehend. Nachteilig an bekannten, einen Diffusionskanal-Tunnel aufweisenden Sensoren ist, daß die Abgabe der Signale temperatur- und druckempfindlich bleibt oder zumindest nicht ohne störende Abhängigkeiten arbeitet. In herkömmlichen Ausführungen mit kleinenStatements and realizations that would make it possible to design a measuring gas space for an exhaust gas probe deviating from planar structures have so far largely been lacking. A disadvantage of known sensors having a diffusion channel tunnel is that the output of the signals remains sensitive to temperature and pressure or at least does not work without interfering dependencies. In conventional designs with small ones
Diffusionskanal-Tunnelabmessungen bzw. gefüllten Tunneln des Diffusionskanals liegt sogenannte Mischdiffusion aus Knudsen- und Gasphasendiffusion vor, was der Grund für die Druckabhängigkeit der Sondensignale sein kann.Diffusion channel tunnel dimensions or filled tunnels of the diffusion channel are known as mixed diffusion from Knudsen and gas phase diffusion, which can be the reason for the pressure dependence of the probe signals.
Aus der DE-PS 37 28 289 ist es bekannt, Diffusionskanäle entweder durch Füllmaterial für die Knudsendiffusion oder ohne Füllmaterial für die Gasphasendiffusion auszuführen und Serien- und/oder Parallelschaltungen mit den Füllmaterialien auszugestalten, wobei dies mehrere Herstellungsschritte erfordert und eine Streuung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Sensorexemplare zur Folge hat.From DE-PS 37 28 289 it is known to carry out diffusion channels either through filler material for Knudsen diffusion or without filler material for gas phase diffusion and to design series and / or parallel connections with the filler materials, this requiring several manufacturing steps and a spread of the physical and chemical Properties of the sensor copies.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Sensorelemente mit Diffusionskanälen, die gemäß der Erfindung gestaltet sind, weisen für die Meßgaskomponente ausreichende freie Weglängen auf. Damit tritt für das Meßgas im wesentlichen Gasphasendiffusion auf, ohne Stöße gegen die Wand oder eintretende chemische Reaktionen, die dies verfälschen könnten. Der Diffusionskoeffizient der Meßgaskomponente ist dann umgekehrt proportional zum Druck im Meßgasraum. Strömungsprobleme und Neigungen zu Wandreaktionen der zu messenden Gaskomponente durch Kollisionen der Moleküle unterbleiben weitgehend.Sensor elements with diffusion channels, which are designed according to the invention, have sufficient free path lengths for the measuring gas component. This means that gas phase diffusion essentially occurs for the measuring gas, without impacts against the wall or chemical reactions which could falsify this. The diffusion coefficient of the sample gas component is then inversely proportional to the pressure in the sample gas space. Flow problems and tendencies to wall reactions of the gas component to be measured due to collisions of the molecules are largely avoided.
Auf eine Arbeitstemperatur T von 800 Grad Celsius und p = 1 bar umgerechnet folgt eine mittlere freie Weglänge von etwa 0.3 Mikrometer. Daraus bestimmt sich die minimale Abmessung des Diffusionskanals zu 30 Mikrometer, was der hundertfachen mittleren freien Weglänge des Sauerstoffanions entspricht. Eine Sonde ist aus funktionalen Gründen hinsichtlich ihres Volumens des Meßgasraumes und des Diffusionskanals für ihr inneres Kanalsystem begrenzt. Die minimale Ausdehnung des Meßgasraumes an jeder Stelle im Innenraum des Sensors ist bekannt.Converted to a working temperature T of 800 degrees Celsius and p = 1 bar, an average free path length of about 0.3 microns follows. From this, the minimum dimension of the diffusion channel is determined to be 30 micrometers, which corresponds to 100 times the mean free path of the oxygen anion. For functional reasons, a probe is limited in terms of its volume of the sample gas space and the diffusion channel for its inner channel system. The minimum expansion of the measuring gas space at any point in the interior of the sensor is known.
Weiterhin gewinnt die Berücksichtigung der minimalen Abmessungen des Diffusionskanals und Meßgasraumes an Vorteilen durch eine größere Auswahlfreiheit der Elektrodengeometrie zum Beispiel im Elektrodenraum. Zusätzliche Bauelemente, zum Beispiel Stützelemente oder Kanalerweiterungssysteme des Elektrodenraumes, können an geeigneter Stelle angebracht werden.Furthermore, taking into account the minimal dimensions of the diffusion channel and measuring gas space gains advantages through a greater freedom of choice of the electrode geometry, for example in the electrode space. Additional components, for example support elements or channel expansion systems of the electrode space, can be attached at a suitable location.
Zeichnungdrawing
In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsformen des Diffusionskanals dargestellt. Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch den Meßgasraum mit Diffusionskanal für einen Sensor, Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Sensor, der aus Pump- und Meßzelle aufgebaut wurde, Figur 3 zeigt einen Teil des Meßgasraumes in zylindrischer Form, zu dem senkrecht angeordnet ein Diffusionskanal gehört, Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch den Meßgasraum eines Sensors der Figur 3 entlang der Achse A-B mit nicht geweitetem Diffusionskanal, Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch den Meßgasraum eines Sensors der Figur 3 entlang der Achse A-B mit fächerförmig aufgeweitetem Diffusionskanal, Figur 6 zeigt im schraffierten Bereich die Elektrodenbeschichtung am Beispiel eines teilweise beschichteten Kreissektors, d. h. eine Ringelektrodenbeschichtung, Figur 7 zeigt anhand je eines Querschnittes für den Winkel ß = 60 Grad den Einbau zusätzlicher Bauteile oder Bauelemente (Stützpfeiler) in den Elektrodenraum, Figur 8 zeigt ein Pumpstrom-Pumpspannungs-Diagramm zur Darstellung der Druckabhängigkeit eines Sensors, Figur 9 zeigt die mittlere freie Weglänge für eine Auswahl von verschiedenen Gasen in Abhängigkeit vom Gasdruck eines Meßgases und die sich bei 20 Grad Celsius ergebenden Kanalabmessungen, Figur 10 zeigt die Wirkungsweise eines nicht geregelten Heizelementes einer Abgassonde und die druckempfindliche Lage des Arbeitspunktes der Abgassonde.Advantageous embodiments of the diffusion channel are shown in the drawings. FIG. 1 shows a cross section through the measuring gas space with a diffusion channel for a sensor, FIG. 2 shows a cross section through a sensor that was constructed from a pump and measuring cell, FIG. 3 shows a part of the measuring gas space in a cylindrical shape, to which a diffusion channel belongs vertically 4 shows a cross section through the measurement gas space of a sensor of FIG. 3 along the axis AB with the diffusion channel not widened, FIG. 5 shows a cross section through the measurement gas space of a sensor of FIG. 3 along the axis AB with the diffusion channel widened in a fan shape, FIG. 6 shows the hatched area The area of the electrode coating using the example of a partially coated circular sector, ie a ring electrode coating, FIG. 7 shows, based on a cross section for the angle β = 60 degrees, the installation of additional components or components (pillars) in the electrode space, FIG. 8 shows a pump current-pump voltage diagram to represent the pressure Dependency of a sensor, Figure 9 shows the middle free path length for a selection of different gases depending on the gas pressure of a measuring gas and the channel dimensions resulting at 20 degrees Celsius, Figure 10 shows the operation of a non-regulated heating element of an exhaust gas probe and the pressure-sensitive position of the working point of the exhaust gas probe.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Beispiel 1example 1
In Figur 1 ist ein auf einem Substrat 11 aufgebauter Diffusionskanal 12 der Mindestabmessung w = 30 Mikrometer für eine Sauerstoffgaskomponentenmessung mit einem Elektrodenpaar einer porösen, unvergüteten Kathode 13 und einer porösen Anode 15 mit einer porösen Zwischenschicht 14 versehen. Die poröse Anode 15 wird mit einer Deckschicht 16 abgedeckt. Die Mindestabmessung wird durch eine eingezeichnete Kugel mit dem Durchmesser w angegeben, die frei verschoben werden kann. Die Struktur wird mit dem Maß w = 30 Mikrometer aufgebaut aus einer mit ϊ?0 stabilisierten Zirkoniumdioxidkeramik für die poröse Deckschicht 16 und die poröse Zwischenschicht 14 und einer Aluminiumoxidkeramik für die Substratschichten 11) . Die porösen Elektroden 15 und 13 bestehen aus Platin oder einer Platinlegierung. Für das Beispiel dieses Diffusionskanals 12 wurde ein Verhältnis der Höhe w, welche die minimale Abmessung des Kanals enthält, und der Länge L auf w:L = 3:80 festgesetzt.In FIG. 1, a diffusion channel 12 of minimum dimension w = 30 micrometers built on a substrate 11 is provided for an oxygen gas component measurement with an electrode pair of a porous, non-hardened cathode 13 and a porous anode 15 with a porous intermediate layer 14. The porous anode 15 is covered with a cover layer 16. The minimum dimension is indicated by a drawn ball with the diameter w, which can be moved freely. The structure is built with the dimension w = 30 micrometers from one with ϊ ? Stabilized zirconium dioxide ceramic for the porous cover layer 16 and the porous intermediate layer 14 and an aluminum oxide ceramic for the substrate layers 11). The porous electrodes 15 and 13 are made of platinum or a platinum alloy. For the example of this diffusion channel 12, a ratio of the height w, which contains the minimum dimension of the channel, and the length L was set to w: L = 3:80.
Im Falle eines größeren Maßes w > 30 Mikrometer kann Füllmaterial 17 zum Beispiel poröses Al,°3 ****n ^en Diffusionskanal eingebracht sein. Es ist denkbar, daß das Meßgas 20 von mehreren Seiten in den Diffusionskanal 12 des Meßgasraumes 18 einströmt. In Richtung der dritten Dimension kann die Abgassonde 21 auch in nichtplanarer Form ausgeführt sein. Aufgrund von Versuchen bei aufwendigeren Sensoren konnte das w:L-Verhältnis auch für andere Sensoren beibehalten werden.In the case of a larger dimension w> 30 microns may filler material 17, for example, A l porous be 3 ° **** introduced n ^ s diffusion channel. It is conceivable that the measurement gas 20 flows into the diffusion channel 12 of the measurement gas chamber 18 from several sides. In the direction of the third dimension, the exhaust gas probe 21 can also be in a non-planar form be executed. Due to tests with more complex sensors, the w: L ratio could also be maintained for other sensors.
Es wäre möglich die Elektroden zu vergüten. Beispielsweise kann die Kathode 13 durch eine poröse Schutzschicht oder mehrere poröse Schutzschichten vergütet werden, um Korrosionseinflüsse und Vergiftungen ihrer Oberfläche, sowie Abtrag ihres Materials zu verhindern oder Beschädigungen und/oder Beeinträchtigungen die durch Bestandteile des Meßgases 20 verursacht werden, zu vermeiden. Ein an seinen Enden abgebogener Diffusionskanal könnte strömungstechnisch günstiger ausgeführt sein.It would be possible to temper the electrodes. For example, the cathode 13 can be coated with a porous protective layer or a plurality of porous protective layers in order to prevent the effects of corrosion and poisoning of its surface, as well as the removal of its material, or to avoid damage and / or impairments caused by components of the measurement gas 20. A diffusion channel bent at its ends could be of more fluid design.
Beispiel 2Example 2
In Figur 2 ist eine weitgehend druckunabhängige Abgassonde 21, bestehend aus einer Meßzelle 22 und einer Pumpzelle 23 gezeichnet. Nicht alle Elektroden wurden vergütet, z. B. die Kathode 13 und die erste Elektrode 24 liegen frei.FIG. 2 shows a largely pressure-independent exhaust gas probe 21, consisting of a measuring cell 22 and a pump cell 23. Not all electrodes were tempered, e.g. B. the cathode 13 and the first electrode 24 are exposed.
Tritt Meßgas 20 über den Diffusionskanal 12 in den Elektrodenraum 24, 31 so kommt es mit der ersten Elektrode 24 der Meßzelle 22 in Kontakt, deren Potential sich relativ zur zweiten Elektrode 31 ändert. Die erste Elektrode 24 und die zweite Elektrode 31 sind mittels einer Sauerstoffanionen leitenden Zwischenschicht 32 getrennt. Die Potentialdifferenz wird erfaßt und zur Regelung des Potentials zwischen Kathode 13 und Anode 15 der Pumpzelle 23 benutzt. Die zu messende Sauerstoffkonzentration wird nach Anschluß der Elektroden an ein elektrisches Netzwerk gemessen. Das Meßprinzip ist zum Beispiel in der EP-A 0 194 082 ausführlicher beschrieben. Die Elektroden der Meßzelle 22 könnten auch mittig unterhalb den Elektroden der Pumpzelle 23 angeordnet sein. Maßgebend für ihre Position ist die Zahl der Diffusionskanäle 12, deren Topographie und deren Querschnittsabmessungen zueinander. Weiterhin ist eine Wegstrecke für das Abgas denkbar, dessen Sauerstoff-Gaskonzentration an mehreren Punkten gemessen wird, um eine bessere Regelung der einströmenden Gase, das heißt eine Zufuhrregelung über mehrere zur Messung benutzte Elektrodenpaare zu verwirklichen.If measuring gas 20 enters the electrode space 24, 31 via the diffusion channel 12, it comes into contact with the first electrode 24 of the measuring cell 22, the potential of which changes relative to the second electrode 31. The first electrode 24 and the second electrode 31 are separated by means of an intermediate layer 32 which conducts oxygen ions. The potential difference is detected and used to regulate the potential between cathode 13 and anode 15 of the pump cell 23. The oxygen concentration to be measured is measured after connecting the electrodes to an electrical network. The measuring principle is described in more detail, for example, in EP-A 0 194 082. The electrodes of the measuring cell 22 could also be arranged centrally below the electrodes of the pump cell 23. The number of diffusion channels 12, their topography and their cross-sectional dimensions relative to one another are decisive for their position. Furthermore, a distance is conceivable for the exhaust gas, the oxygen gas concentration of which is measured at several points in order to achieve better regulation of the inflowing gases, that is to say a supply regulation via several electrode pairs used for the measurement.
Beispiel 3Example 3
In der Figur 3 ist ein Elektrodenraum 25 fächerartig gespreizt. In diesen Elektrodenraum 25 strömt das Meßgas 20 über einen zylinderförmigen Meßgasraum 18, der auch ein Teilvolumen des Meßgasraumes sein kann, über den Diffusionskanal 12 ein. Die Elektrodenflächen 26 und 27 sind als abgedeckte Anodenfläche 26 und abgedeckte Kathodenfläche 27 gut zur Kontaktierung der Elektroden geeignet. Die Elektroden werden als sektorförmige Abschnitte gestaltet wie dies Figur 4 zeigt. Der Offnungswinkel ß beträgt 60 Grad.In FIG. 3, an electrode space 25 is spread out like a fan. The measuring gas 20 flows into this electrode space 25 via a cylindrical measuring gas space 18, which can also be a partial volume of the measuring gas space, via the diffusion channel 12. The electrode surfaces 26 and 27 are well suited as a covered anode surface 26 and a covered cathode surface 27 for contacting the electrodes. The electrodes are designed as sector-shaped sections, as shown in FIG. 4. The opening angle β is 60 degrees.
Durch die Kontaktierung der Elektroden außerhalb des Meßgasraumes 18 erweitern sich die Herstellungsmöglichkeiten der Elektrodenkontakte. Innerhalb des abgedeckten Raumes sind sehr dünne Schichten verschiedener Materialdicke und verschiedener lokaler Zusammensetzung für die Kontaktierung mit großen Freiheiten für die Materialwahl und damit guter elektrischer und mechanischer Kontaktierungsstabilität und Rauschfreiheit realisierbar. Die aktive Elektrodenfläche und ein kontaktspendendes Mittel zur Ankopplung der Zuleitungen zur Elektrode an ein äußeres elektrisches Netzwerk liegen in getrennten Bereichen, weshalb eine doppelte Funktion an einem geometrischen Ort nicht zu Kompromissen für die Elektrode und den Kontakt zwingt. Die abgedeckten Elektrodenfl chen 26, 27 schließen unmittelbar an die nicht abgedeckten wirksamen Elektrodenflächen 28, 29 an, wie Figur 6 dies zeigt. Es wäre möglich die Öffnungswinkel ein- oder beidseitig unterschiedlich für die abgedeckte und wirksame Elektrodenfläche zu wählen, so daß Unterbrechnungen der Leiterbahn gegeben sind oder geknüpft werden.By contacting the electrodes outside the measuring gas space 18, the manufacturing possibilities of the electrode contacts are expanded. Within the covered area, very thin layers of different material thickness and different local composition for contacting can be realized with great freedom for the choice of material and thus good electrical and mechanical contact stability and freedom from noise. The active electrode area and a contact-dispensing means for coupling the leads to the electrode to an external electrical network lie in separate areas, which is why a double function at a geometrical location does not lead to compromises for the electrode and forcing contact. The covered electrode surfaces 26, 27 directly adjoin the uncovered active electrode surfaces 28, 29, as shown in FIG. 6. It would be possible to choose the opening angle on one or both sides differently for the covered and effective electrode surface, so that there are interruptions in the conductor track or are knotted.
Eine Kreisscheibenbeschichtung in sinngemäßer Abwandlung gemäß Figur 6 ist denkbar.A circular disk coating in a corresponding modification according to FIG. 6 is conceivable.
Beispiel 4Example 4
Figur 4 zeigt einen Schnitt A-B, in dem die wirksame Elektrodenfläche 28 direkt an die Kante des rechteckig, säulenförmig ausgeführten Diffusionskanals 12 anschließt. Der Öffnungswinkel ß ist 45 Grad.FIG. 4 shows a section A-B, in which the effective electrode surface 28 directly adjoins the edge of the rectangular, columnar diffusion channel 12. The opening angle ß is 45 degrees.
Beispiel 5Example 5
Die Ausführung der Abgassonde gemäß Figur 5 und Figur 6 erfolgt wie in Beispiel 3 und Figur 3, jedoch sind die Elektroden ringförmig gestaltet. Figur 5 zeigt einen Schnitt A-B, in dem die wirksame Elektrodenfläche 29 nicht unmittelbar an die Kante des rechteckig, säulenförmigen Diffusionskanals 12 anschließt sondern nur einen Ringabschnitt umfaßt. In diesem Fall ist auch der Diffusionskanal 12 fächerförmig erweitert.The exhaust gas probe according to FIG. 5 and FIG. 6 is designed as in example 3 and FIG. 3, but the electrodes are designed in a ring. FIG. 5 shows a section A-B, in which the effective electrode surface 29 does not directly adjoin the edge of the rectangular, column-shaped diffusion channel 12 but only comprises one ring section. In this case, the diffusion channel 12 is also expanded in a fan shape.
Der Öffnungswinkel ß kann für die in Figur 4 und 5 bis zu 90 Grad gewählt werden, je nachdem wie viele Elektrodenräume über mehrere Diffusionskanäle miteinander verbunden werden. Es wäre denkbar, die Anodenfläche wie die Kathodenfläche auszuführen. Auch eine andere Geometrie des elektrischen Feldes für die Messung mit nicht homogenen Feldern ist herstellbar. Beispiel 6The opening angle β can be chosen up to 90 degrees for those in FIGS. 4 and 5, depending on how many electrode spaces are connected to one another via a plurality of diffusion channels. It would be conceivable to design the anode surface like the cathode surface. Another geometry of the electric field for measurement with non-homogeneous fields can also be produced. Example 6
In Figur 7 ist ein Beispiel für einen Querschnitt durch den Diffusions- und Elektrodenraum einer Abgassonde mit innerer Struktur gezeigt. Die säulenförmigen Einbaupfeiler, das heißt Hohlraumstützen 30 dienen der Regelung der MeßgasStrömung an die Elektrodenoberfl che. Die Blendenfunktion der Säulen schützt die Elektroden vor Übersättigung und Verunreinigungen. Weiterhin wird die Stuktur mechanisch stabiler und besser verkleinerbar.FIG. 7 shows an example of a cross section through the diffusion and electrode space of an exhaust gas probe with an internal structure. The column-shaped pillars, that is, cavity supports 30 serve to regulate the flow of measurement gas to the electrode surface. The aperture function of the columns protects the electrodes from oversaturation and contamination. Furthermore, the structure becomes mechanically more stable and easier to shrink.
Beispiel 7Example 7
Weiterhin ist es möglich, eine Abgassonde aus Kurzschlußzelle, Pumpzelle und Meßzelle aufzubauen, wie dies aus den Beispielen 1 und 2 hervorgeht. Die erfindungsgemäßen Abmessungen der genannten Beispiele werden beibehalten. Es kann auch ein Meßgasraum mit drei um 60 Grad gegeneinander geneigten Diffusionskanälen einen Stern mit daran anschließenden Elektrodenräumen bilden.It is also possible to construct an exhaust gas probe from a short-circuit cell, pump cell and measuring cell, as can be seen from Examples 1 and 2. The dimensions of the examples mentioned according to the invention are retained. A measuring gas space with three diffusion channels inclined at 60 degrees to one another can also form a star with adjoining electrode spaces.
Mittels der Beziehung 1 = (1 . T . P ) / (T . P ) kann bei bekannter Temperatur T , bekannten Drücken und p, und bekannter mittlerer freier Weglänge 1 für die bekannte Temperatur T die mittlere freie Weglänge der zu messenden Gaskomponente berechnet werden (Quelle: K. G. Müller, Vakuumtechnische Berechnungsgrundlagen, Verlag Chemie, Weinheim 1961, Seite 15, 16).Using the relationship 1 = (1. T. P) / (T. P) at a known temperature T, known pressures and p, and known mean free path length 1 for the known temperature T, the mean free path length of the gas component to be measured can be calculated (Source: KG Müller, vacuum engineering calculation bases, Verlag Chemie, Weinheim 1961, pages 15, 16).
Für z. B. Luft, einem Gasgemisch aus im wesentlichen 0 , N , CO und Edelgasen, oder reinem Sauerstoff 0 oder reinem Stickstoff liegt dieser Wert bei p = 1 bar und 20 Grad Celsius, bei einer mittleren freien Weglänge von größenordnungsmäßig 0.08 Mikrometer. Damit berechnet sich der minimale Durchmesser des Diffusionskanals zu 8 Mikrometer für eine Umgebungstemperatur von 20 Grad Celsius. Auf eine Arbeitstemperatur T von 800 Grad Celsius und P = 1 bar umgerechnet folgt eine mittlere freie Weglänge von etwa 0.3 Mikrometer. Daraus bestimmt sich die minimale Abmessung des Diffusionskanals zu 30 Mikrometer bei 800 Grad Celsius.For e.g. B. air, a gas mixture of essentially 0, N, CO and noble gases, or pure oxygen 0 or pure nitrogen, this value is p = 1 bar and 20 degrees Celsius, with an average free path of the order of 0.08 micrometers. This means that the minimum diameter of the diffusion channel is 8 micrometers for an ambient temperature of 20 degrees Celsius. Converted to a working temperature T of 800 degrees Celsius and P = 1 bar, an average free path length of about 0.3 microns follows. This determines the minimum dimension of the diffusion channel to 30 microns at 800 degrees Celsius.
Für eine Abmessung des Diffusionskanals von 30 Mikrometern bei einer Meßtemperatur im Betrieb, im Gebiet von der Umgebungstemperatur bis 800 Grad Celsius, wird der Sauerstoffgehalt bei einem Druck zwischen 0.1 bis zu 10 bar für die Beispiele gemessen.For a dimension of the diffusion channel of 30 micrometers at a measuring temperature in operation, in the area from the ambient temperature to 800 degrees Celsius, the oxygen content is measured at a pressure between 0.1 and 10 bar for the examples.
Eine Messung mit zwei sich in der Abmessung w (Figur 1, 2) unterscheidenden Sensoren gleichen Typs, mit einer Elektrodengestaltung wie sie Figur 5 entspricht, wurde ausgeführt mit w = 5 und w = 30 Mikrometer für die lateralenA measurement with two sensors of the same type differing in dimension w (FIGS. 1, 2), with an electrode design as shown in FIG. 5, was carried out with w = 5 and w = 30 micrometers for the lateral ones
Querschnittsabmessungen des Durchmessers des Diffusionskanals. Eine Grenzstrommessung für jedes Exemplar beider Grenzstromsensoren ergab eine Druckabhängigkeit von 8 Prozent/bar bei w = 30 Mikrometer gegenüber 40 Prozent/bar bei w ___ 5 Mikrometer für die gemessenen Grenzströme, wie dies der Figur 8 für a = 1.5 bar/1.09 mA, b = 1.25 bar/1.07 mA und c = 1.0 bar/1.05 mA im Spannungsintervall zu entnehmen ist.Cross-sectional dimensions of the diameter of the diffusion channel. A limit current measurement for each example of both limit current sensors showed a pressure dependency of 8 percent / bar at w = 30 micrometers compared to 40 percent / bar at w ___ 5 micrometers for the measured limit currents, as shown in FIG. 8 for a = 1.5 bar / 1.09 mA, b = 1.25 bar / 1.07 mA and c = 1.0 bar / 1.05 mA in the voltage interval.
Figur 9 enthält Beispiele zur Kanalauslegung für die Gase a H , b Luft, c CO , und gibt auf den vertikalen Achsen links die mittlere freie Weglänge und rechts die Kanalabmessungen w wieder. Die horizontale Achse entspricht dem Gasdruck. Für Kohlendioxid ergibt sich eine Diffusionskanalabmessung von w = 22 Mikrometer und analog gilt für Wasserstoff w = 80 Mikrometer. Ein Beispiel für die Druckunempfindlichkeit einer Sonde, z. B. der Sonde gemäß Figur 2 ist in Figur 10 dargestellt. Wird am unteren Substrat der der Abgassonde ein Heizelement angebracht, so kann die Sonde geheizt werden. Figur 10 verdeutlicht für zwei derart ausgeführte Abgassonden A und B, mit Elektrodenräumen entsprechend Figur 4 und Figur 5, das Verhältnis der Grenzströme bei verschiedener Temperaturstabilität, die durch die Heizleistung eingestellt wird.FIG. 9 contains examples of channel design for the gases a H, b air, c CO, and shows the mean free path length on the vertical axes on the left and the channel dimensions w on the right. The horizontal axis corresponds to the gas pressure. For carbon dioxide there is a diffusion channel dimension of w = 22 micrometers and analogously for hydrogen w = 80 micrometers. An example of the pressure insensitivity of a probe, e.g. B. the probe of Figure 2 is shown in Figure 10. If a heating element is attached to the lower substrate of the exhaust gas probe, the probe can be heated. FIG. 10 illustrates for two exhaust gas probes A and B designed in this way, with electrode spaces corresponding to FIG. 4 and FIG. 5, the ratio of the limit currents with different temperature stability, which is set by the heating power.
Aufgezeichnet wird in Figur 10 für zwei verschiedene Sonden deren Elektrodenräu e, die denen der Figur 4 beziehungsweise Figur 5 entsprechen, jeweils das Verhältnis der Grenzströme dieser Sonden bei einem Gasdruck der Umgebung von 1 bar, beziehungsweise erhöhten Gasdruck von 2 bar. Schraffierte Flächen bezeichnen veränderliche Temperaturen für das Gas, helle Flächen bezeichnen konstante Temperaturen. Die gestrichelten Linien verdeutlichen keine Überlappung der Meßfelder für konstante und veränderliche Temperaturen im Fall der Sonde der Figur 4 und deshalb eine etwas höhere Temperaturempfindlichkeit dieses Layouts für die Abgasmessung der Sauerstoffkonzentration. Als Arbeitspunkt wird ein Grenzstromverhältnis von i (2bar)/i (lbar) = 1 definiert.For two different probes, the electrode spaces corresponding to those in FIGS. 4 and 5, respectively, are recorded in FIG. 10, the ratio of the limit currents of these probes at a gas pressure in the vicinity of 1 bar, or an increased gas pressure of 2 bar. Hatched areas denote variable temperatures for the gas, light areas denote constant temperatures. The dashed lines indicate no overlap of the measuring fields for constant and changeable temperatures in the case of the probe of FIG. 4 and therefore a somewhat higher temperature sensitivity of this layout for measuring the exhaust gas of the oxygen concentration. A limit current ratio of i (2bar) / i (lbar) = 1 is defined as the operating point.
Als bessere Ausführungsform erwies sich die der Figur 5 gegenüber der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform. Die Höhe der Rechtecke in Figur 10 erfaßt die Fertigungsstreuung verschiedener Exemplare des erfindungsgemäß hergestellten Sondentyps.5 proved to be a better embodiment compared to the embodiment shown in FIG. The height of the rectangles in FIG. 10 covers the manufacturing spread of various specimens of the probe type produced according to the invention.
Die beste Ausführungsform einer Sonde liegt in Figur 10 für Sonde B vor, bei kleinen Rechteckflächen der Figur 10, die auf gleicher Höhe symmetrisch um das Grenzstromverhältnis bei einem Sollwert von 1 für das Grenzstromverhältnis bei verschiedenen Drücken liegen. Der Parameter d ist ein Maß für die fehlende Überlappung des Arbeitspunktes der Abgassonden A bzw. B). Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Sensoren, bei denen einer Reaktionselektrode eine Diffusionsbarriere vorgelagert ist. Eine Technik zur Herstellung einer Abgassonde ist das Siebdrücken z. B. einer crackbaren organischen formprägenden Schicht, dem formbildenden Mittel, oder eines Körperteils dieses Materials auf ein Substrat 11 oder allgemein auf eine andere Schicht. Unter Berücksichtigung der Schwindmaße der verwendeten Keramik wird der Hohlraum des Meßgasraumes 18 in Gestalt und Maßen, das heißt auch das w/L-Verhältnis festgelegt. Diese siebgedruckte Schicht bildet beispielsweise das Diffusionskanalvolumen. Nach dem Zusam enlaminieren aller den Sensor aufbauenden Schichten wird später beim Sintern der Meßgasraum 18 zersetzt, verdampft oder ausgebrannt. Das Übereinanderlegen kann beispielsweise Keramik-, Anpassungs-, Elektroden-, Katalysator-, Leitungs-, Abdeck- oder Keramikschichten der Abgassonde umfassen und gegebenfalls maschinell ausgeführt werden. Die Keramikschichten sind häufig zwischen 0,3 und 2 Millimeter dick.The best embodiment of a probe is in FIG. 10 for probe B, in the case of small rectangular areas of FIG. 10 which are symmetrical about the limit current ratio at a setpoint of 1 for the limit current ratio at different pressures. The parameter d is a measure of the missing overlap of the working point of the exhaust gas probes A or B). The invention relates generally to sensors in which a reaction electrode is preceded by a diffusion barrier. A technique for producing an exhaust gas probe is screen pressing e.g. B. a crackable organic form-forming layer, the form-forming agent, or a body part of this material on a substrate 11 or generally on another layer. Taking into account the shrinkage of the ceramic used, the cavity of the measuring gas chamber 18 is determined in shape and dimensions, that is to say also the w / L ratio. This screen-printed layer forms, for example, the diffusion channel volume. After all the layers constituting the sensor have been laminated together, the measuring gas space 18 is later decomposed, evaporated or burned out during sintering. The superimposition can include, for example, ceramic, matching, electrode, catalyst, line, cover or ceramic layers of the exhaust gas probe and can optionally be carried out by machine. The ceramic layers are often between 0.3 and 2 millimeters thick.
Ein Herstellungsprozeß durch Sinterung der Diffusionsbarriere erfordert die minimale Höhe des Kanals von 30 Mikrometern. Das Schwindmaß für eine 20 Volumenprozent Schwindung bei Verwendung des Theobromins als formbildendem Material wird dann zu 42 Mikrometer gewählt und die laminare Struktur bei mindestens 1000 Grad Celsius gesintert. Als Keramik wurde ZrO mit 4 Molprozent Y,0A manufacturing process by sintering the diffusion barrier requires the minimum height of the channel of 30 micrometers. The shrinkage for a 20 volume percent shrinkage when using theobromine as the shape-forming material is then chosen to be 42 micrometers and the laminar structure is sintered at at least 1000 degrees Celsius. ZrO with 4 mol percent Y.0 was used as the ceramic
***£ t* -_5 gewählt.** * £ t * -_5 selected.
Die Elektroden 28/29 für die Kathode und/oder die korrespondierende Anode des Sensors bestehen vorzugsweise aus einem Metall der Platingruppe, insbesondere Platin, oder aus Legierungen der Platingruppe oder Legierungen von Metallen der Platingruppe mit anderen Stoffen, wie dies unter anderem in der DE PS 41 00 106 beschrieben steht. Gegebenenfalls erhalten sie ein keramisch mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid Stützgerüstmaterial, zum Beispiel in Form eines YSZ-Pulvers, mit einem Volumenanteil von vorzugsweise etwa 40 Volumenprozent. Sie sind porös und möglichst dünn. Vorzugsweise weisen sie eine Dicke von 8 bis 15 Mikrometer auf. Die zu den Elektroden gehörenden Leiterbahnen bestehen vorzugsweise ebenfalls aus Platin oder einer Platinlegierung des beschriebenen Typs. Sie können ferner ebenfalls ausgehend von einer Paste auf Edelmetall-Cermetbasis erzeugt werden.The electrodes 28/29 for the cathode and / or the corresponding anode of the sensor preferably consist of a metal from the platinum group, in particular platinum, or from alloys from the platinum group or alloys from metals from the platinum group with other substances, as is described, inter alia, in DE PS 41 00 106 is described. If necessary, you will receive a ceramic yttrium-stabilized zirconium oxide support framework material, for example in the form of a YSZ powder, with a volume fraction of preferably about 40 volume percent. They are porous and as thin as possible. They preferably have a thickness of 8 to 15 micrometers. The conductor tracks belonging to the electrodes preferably also consist of platinum or a platinum alloy of the type described. They can also be produced from a paste based on a precious metal cermet.
Die Festelektrolytschicht (Zwischenschicht) 14 bzw. 26 besteht aus einem der bekannten, zur Herstellung von zweiwertig negativenThe solid electrolyte layer (intermediate layer) 14 or 26 consists of one of the known, for the production of divalent negative
Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyfolien verwendeten Oxiden, wie insbesondere ZrO„, CeO.., HfO„ und ThO„ mit einem GehaltOxygen conducting solid electrolytes used oxides, such as in particular ZrO ", CeO .., HfO" and ThO "with a content
2 2 2 2 an zweiwertigen Erdalkalioxiden und/oder dreiwertigen Oxiden der seltenen Erden. In typischer Weise kann die Schicht zu etwa 80 bis 97 Molprozent aus ZrO , CeO , HfO oder ThO und zu 3 bis 202 2 2 2 on divalent alkaline earth oxides and / or trivalent oxides of rare earths. Typically, the layer can be about 80 to 97 mole percent ZrO, CeO, HfO or ThO and 3 to 20
Molprozent aus MgO, CaO, SrO und/oder Oxiden der seltenen Erden und/oder insbesondere Y,0 bestehen. In vorteilhafter Weise besteht die Schicht aus mit ϊ,0 stabilisiertem ZrO . Als vollständigen oder teilweisen Ersatz für Y-0 kann Sc 0 verwendet werden. Die Dicke der Schicht kann in vorteilhafter Weise bei 10 bis 200 Mikrometer, insbesondere 15 bis 50 Mikrometer liegen.Mole percent consist of MgO, CaO, SrO and / or rare earth oxides and / or in particular Y, 0. The layer advantageously consists of ZrO stabilized with ϊ.0. Sc 0 can be used as a full or partial replacement for Y-0. The thickness of the layer can advantageously be 10 to 200 micrometers, in particular 15 to 50 micrometers.
Der Diffusionskanal kann eine Füllung aus grob porös sinterndem Material, zum Beispiel auf AI 0 - oder ZrO -Basis aufweisen,The diffusion channel can have a filling made of coarsely porous sintering material, for example based on Al 0 or ZrO,
•*& <b wenn dies nicht ausschließlich Gasphasendiffusion des Meßgases für alle Volumenbereiche des Meßgasraumes des Sensors zweckmäßig.• * & <b if this is not only appropriate for gas phase diffusion of the sample gas for all volume ranges of the sample gas space of the sensor.
Als porenbildende Mittel oder formbildende Mittel für die Gestaltung des Meßgasraumes 18 und/oder des Diffusionskanals 12 und/oder des Elektrodenraumes 24, 25 wurden Thermalrußpulver, Graphit, Kunststoffe zum Beispiel auf Polyurethanbasis, Salze zum Beipiel Ammoniumcarbonat und weitere organische Substanzen, wie zum Beispiel Theobromin und Indanthrenblau benutzt. Die Auswahl der Raumformen erweitert sich beträchtlich. Freitragende Strukturen verändern ihre Form auch bei Sintertemperaturen, die oberhalb einer Schwelltemperatur von etwa 300 Grad Celsius liegt, was zum Beispiel beim Einsatz von Theobromin Deformationen der Struktur zur Folge hat, weil Theobromin bereits vollständig aus der Hohlraumstruktur entfernt wurde. Eine Verfestigung, das heißt formtreue Struktur, erhält man erst bei Temperaturen größer als etwa 700 Grad Celsius. Weitere Vorteile entstehen, wenn verschiedene formbildende Mittel zusammen eingesetzt werden, indem die Volumina einzelner Hohlräume die ausgebrannt werden durch Zusammenfügen, beispielsweise Zusammenkleben einzelner formbildender Teilvolumina, hergestellt werden. Abstandselemente können auch aus Glaskeramik gefertigt werden. Das Beispiel 7 wurde unter Verwendung von Picein hergestellt. Thermal soot powder, graphite, plastics, for example based on polyurethane, salts, for example ammonium carbonate, and other organic substances, such as theobromine, were used as pore-forming agents or shape-forming agents for the design of the measuring gas space 18 and / or the diffusion channel 12 and / or the electrode space 24, 25 and indanthrene blue are used. The choice of room shapes expands considerably. Unsupported structures also change their shape at sintering temperatures that are above a threshold temperature of around 300 degrees Celsius, which, for example when using theobromine, results in structural deformations because theobromine has already been completely removed from the cavity structure. A solidification, that is to say a shape that is true to shape, can only be obtained at temperatures above about 700 degrees Celsius. Further advantages arise when different shape-forming agents are used together, in that the volumes of individual cavities which are burned out are produced by joining, for example gluing together individual shape-forming partial volumes. Spacers can also be made from glass ceramic. Example 7 was made using picein.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Komponente bzw. chemisch verwandter Komponenten eines Gasgemisches, insbesondere auf der Grundlage einer elektrochemischen Meßmethode arbeitender Sensor, vorzugsweise für Abgassonden von Verbrennungsmotoren, mit einem Diffusionskanal, welcher in einen Meßgasraum führt und an einen Elektrodenraum grenzt, wobei der Meßgasraum zumindest die Abmessungen des Diffusionskanals aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Diffusionskanals (12) in jeder Dimension eines Schnittes mindestens ein Mehrfaches der mittleren freien Weglänge der zu messenden Komponente des Meßgases (20) aufweisen.1. Sensor element for determining the concentration of a component or chemically related components of a gas mixture, in particular on the basis of an electrochemical measuring method working sensor, preferably for exhaust gas probes of internal combustion engines, with a diffusion channel which leads into a measuring gas space and adjoins an electrode space, the Measuring gas space has at least the dimensions of the diffusion channel, characterized in that the dimensions of the diffusion channel (12) in each dimension of a section have at least a multiple of the mean free path length of the component of the measuring gas (20) to be measured.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer an sich bekannten Kurzschlußzelle, einer Pumpzelle (23) und einer Meßzelle (22) oder wenigstens zwei dieser Zellen aufgebaut ist, die mittels Diffusionskanälen (12) mit dem Meßgasraum (18) verbunden sind. 2. Sensor element according to claim 1, characterized in that it is constructed from a short-circuit cell known per se, a pump cell (23) and a measuring cell (22) or at least two of these cells, which by means of diffusion channels (12) with the measuring gas space (18) are connected.
3. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Meßgasraum (18) ein Diffusionskanal (12) mit einem Höhen- zu Längenverhältnis von w : L = 2-4 : 70-90 unter Einhaltung der Mindestabmessung der mittleren freien Weglängeabmessung der zu messenden Gaskomponente anschließt.3. Sensor element according to claim 1, characterized in that a diffusion channel (12) with a height to length ratio of w: L = 2-4: 70-90 adhering to the minimum dimension of the mean free path dimension of the gas component to be measured connects.
4. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen eines Querschnittes des Diffusionskanals (12) mindestens den zehnfachen, vorzugsweise den hundertfachen Wert der mittleren freien Weglänge der zu messenden Gaskomponente aufweisen.4. Sensor element according to claim 1, characterized in that the dimensions of a cross section of the diffusion channel (12) have at least ten times, preferably a hundred times the value of the mean free path of the gas component to be measured.
5. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionskanal (12) mehr als einen Zufluß (20, b) und mehr als einen Abfluß (19) für das Meßgas (20) aufweist.5. Sensor element according to claim 1, characterized in that the diffusion channel (12) has more than one inflow (20, b) and more than one outflow (19) for the measuring gas (20).
6. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgasraum (18) und der Diffusionskanal (12) bei festgelegten Mindestabmessungen (w) , ausgedrückt in Mehrfachen der mittleren freien Weglänge der Meßgaskomponente, eine beliebige Raumform aufweisen.6. Sensor element according to claim 1, characterized in that the measuring gas space (18) and the diffusion channel (12) at fixed minimum dimensions (w), expressed in multiples of the mean free path length of the measuring gas component, have any spatial shape.
7. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Meßmethode mit Referenzgasen auch diese einen geeigneten Meßgasraum (18), beziehungsweise geeignete Meßgasräume (18) der druckunempfindlichen Konstruktion aufweisen.7. Sensor element according to claim 1, characterized in that in the case of a measuring method with reference gases, these also have a suitable measuring gas space (18) or suitable measuring gas spaces (18) of the pressure-insensitive construction.
8. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionskanal (12) in ein oder mehr Dimensionen trichterf rmig durch den Elektrodenraum (25) erweitert wird. 1 18. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the diffusion channel (12) in one or more dimensions funnel-shaped by the electrode space (25) is expanded. 1 1
9. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgasraum (18) mit Diffusionkanal (12) und Elektrodenraum (25) in Siebdrucktechnik und durch Aufbringen eines formbildenden Mittels hergestellt wird.9. Sensor element according to claim 1, characterized in that the measuring gas space (18) with diffusion channel (12) and electrode space (25) is produced in screen printing technology and by applying a shape-forming agent.
10. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Meßzelle (22) kreisring- oder kreissektorförmig ausgeführt sind.10. Sensor element according to claim 1, characterized in that the electrodes of the measuring cell (22) are circular or circular sector-shaped.
11. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem formbildenden Mittel für die Gestaltung des Meßgasraumes und/oder des Diffusionskanals und oder des Elektrodenraumes, dadurch gekennzeichnet, daß für unterschiedliche Bereiche (18; 12; 24, 25) unterschiedliche formbildende Mittel verwendet und unterschiedliche Bereiche zusammengefügt, insbesondere geklebt werden. 11. Sensor element according to one of the preceding claims, with a shape-forming means for the design of the measuring gas space and / or the diffusion channel and or the electrode space, characterized in that different shape-forming means are used for different areas (18; 12; 24, 25) and different Areas are put together, in particular glued.
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