EP0824692A1 - Sensorelement - Google Patents

Sensorelement

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EP0824692A1
EP0824692A1 EP96945530A EP96945530A EP0824692A1 EP 0824692 A1 EP0824692 A1 EP 0824692A1 EP 96945530 A EP96945530 A EP 96945530A EP 96945530 A EP96945530 A EP 96945530A EP 0824692 A1 EP0824692 A1 EP 0824692A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reference gas
sensor element
gas channel
heating
heating device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96945530A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Schneider
Hans-Joerg Renz
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
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Definitions

  • the invention relates to a sensor element for an electrochemical sensor for determining the oxygen content of gases, in particular for determining the oxygen content in exhaust gases from internal combustion engines, with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • Sensor elements of the generic type are known. These are designed, for example, as so-called planar sensor elements, which have a first electrode exposed to a measuring gas and a second electrode exposed to a reference gas on a solid electrolyte designed as a carrier. In various applications, the sensor element must be heated to a certain temperature. For this purpose, it is known to assign a heating device to the sensor element, which is usually below the reference device. has exposed heating conductors exposed to gas.
  • a reference gas channel is provided within the layered planar sensor element, which extends, for example, in the longitudinal direction of the sensor element. This reference gas channel runs between the reference gas electrode and the heating conductors.
  • An electrochemical sensor with such a sensor element is known for example from DE 29 28 496. It is disadvantageous here that the reference gas channel represents a poor heat conductor for the thermal energy given off by the heating device, so that heating of the sensor element to its operating temperature is only possible with increased heating energy or after a correspondingly long heating time. In particular in the case of sensor elements in which the heating conductors are directly connected to the reference gas channel, there is poor heat transfer to the sensor element.
  • the sensor element according to the invention offers the advantage that heat transfer from the heating device to the sensor element is significantly improved. Because the reference gas channel is divided at least in the area of the heating device, / 33163 PC17DE96 / 02031
  • the substrate located between the divided (branched) reference gas channels.
  • This substrate has a much better thermal conductivity than the reference gas in the reference gas channels, so that heat transfer is possible more quickly and with greater effectiveness.
  • a shorter heating-up time of the sensor element or a higher sensor element temperature for a given heating output of the heating device can be achieved in this way.
  • the heating power of the heating device can be reduced while maintaining the heating time and the same sensor element temperature, so that there is improved long-term stability of the heating device and improved thermal shock behavior of the sensor element.
  • the branching of the reference gas channel in the area of the heating device also increases the mechanical stability of the entire planar sensor element, since webs remaining between the individual branches of the reference gas channel lead to a smaller, unsupported reference gas channel width.
  • Another advantage of the sensor element according to the invention results from the fact that there is no longer any overlap between the reference gas channel width and an insulation system of the heating conductors. As a result, injuries to the insulation system in the area of the heat conductor during the manufacture of the Sensor elements, in particular when laminating the individual layers of the sensor elements, are avoided. The minimization or exclusion of injuries to the insulation system results in an improved leakage current behavior of the heating conductors.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a sensor element according to the invention
  • Figure 2 shows a cross section through the sensor element according to Figure 1 and
  • Figure 3 shows a cross section through an inventive sensor element according to another embodiment.
  • a part of a sensor element 10 is shown in a cut-away longitudinal view in FIG.
  • the sensor element 10 is part of an electrochemical sensor (not shown) and is sealed fixed in a housing of the sensor.
  • the sensor element 10 has a planar layer structure, which is explained in more detail with reference to FIG. 2. 1 shows a section 12 of the sensor element 10 on the measuring gas side.
  • the sensor element 10 also has a section (not shown) on the reference gas side.
  • the sensor element 10 has a first electrode 14 which can be exposed to a measurement gas, for example the exhaust gas of a motor vehicle.
  • the electrode 14 is in this case applied to a solid electrolyte, for example stabilized zirconium oxide, which simultaneously serves as a carrier 16.
  • the carrier 16 On its side facing away from the electrode 14, the carrier 16 has a second electrode 18 which can be exposed to a reference gas, for example atmospheric oxygen.
  • a reference gas for example atmospheric oxygen.
  • the sensor element 10 has a reference gas channel 20 running in the longitudinal direction.
  • the reference gas channel 20 branches into two reference gas channel arms 22, which run below the electrode 18, which is also divided accordingly.
  • the reference gas channel 20 or the reference gas channel arms 22 are structured in a substrate 24. The branching of the reference gas channel 20 results in closed regions 26 of the substrate 24 between the reference gas channel arms 22.
  • FIGS. 1 and 2 The illustration shown in FIGS. 1 and 2 with two reference gas channel arms 22 is only exemplary.
  • the reference gas channel 20 can be divided into several individual arms.
  • a further substrate layer 28 is arranged below the substrate 24, which has a heating device 30 for the sensor element 10.
  • the heating device 30 has meandering heating conductors 32 which are arranged such that they are covered by the substrate 24 or the areas 26 of the substrate 24. The heating conductors 32 thus run in such a way that there is no direct connection to the reference gas channel arms 22.
  • the arrangement of the reference gas channel arms 22 in relation to the heating conductors 32 selected in FIGS. 1 and 2 ensures that the heating conductors 32 are surrounded on all sides by the substrate of the substrate layer 28 and the substrate 24 or the regions 26 of the substrate 24. This ensures good heat conduction of the thermal energy introduced via the heating conductors 32 into the sensor element 10 to the carrier 16 having the electrodes 14 and 18.
  • the reference gas channel arms 22 thus exert only an extremely small insulation influence on the heat transfer.
  • the division of the reference gas channel 20 into the reference gas channel arms 22 can advantageously be limited to the active range of action of the heating device 30, so that only the entire sensor element a reference gas channel 20 extending in the longitudinal direction is provided.
  • the electrode 18 exposed to the reference gas is advantageously divided in an analogous manner to the reference gas channel arms 22, so that all of the sides of the reference gas channel arms 22 facing the carrier 16 are covered with a region of the electrode 18.
  • the improved heat transfer from the heating device 30 to the actual sensing area of the sensor element 10 means that a shorter heating time of the sensor element 10 is possible with the same heating power.
  • the heating power can be reduced, so that the overall long-term stability of the heating device 30 or the sensor element 10 is improved.
  • a lower heating output simultaneously results in improved thermal shock behavior of the sensor element 10, that is to say that if the sensor element 10 suddenly contacts a cooler medium, for example splash water, condensed water or the like, there is no such high temperature difference with a reduced heating output.
  • the regions 26 of the substrate 24 contribute to a higher mechanical stability of the section 12 of the sensor element 10 because of the division of the reference gas channel 20 into individual reference gas channel alarms 22 a cantilever reference gas channel width is reduced in the area of the section 12.
  • the reference gas channel arms 22 are made narrower than the distance between the heating conductors 32, so that the heating conductors run at a greater distance from the reference gas channel arms 22. It is thereby achieved that the heat conduction via the substrate 24 or the region 26 of the substrate 24 to the electrodes 18 or 14 is improved, since the heat conduction via the substrate 24 or the region 26 is greater than a heat radiation via the reference gas channel arms 22.
  • the manufacturing steps of the sensor element 10 should not be dealt with in more detail within the scope of the present description, since these can be produced by means of known process steps, such as, for example, film casting, printing, punching, milling or embossing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement, insbesondere für einen elektrochemischen Meßfühler, zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasen, mit einer einem Meßgas ausgesetzten ersten Elektrode, einer einem Referenzgas ausgesetzten zweiten Elektrode, einer Heizeinrichtung für das Sensorelement und einem zwischen der Heizeinrichtung und der zweiten Elektrode verlaufenden Referenzgaskanal. Es ist vorgesehen, daß der Referenzgaskanal (20) zumindest im Bereich der Heizeinrichtung (30) verzweigt ausgeführt ist.

Description

Sensorelement
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen elektrochemischen Meßfühler zur Bestimmung des Sauer¬ stoffgehaltes von Gasen, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungs¬ motoren, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 ge¬ nannten Merkmalen.
Stand der Technik
Sensorelemente der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese sind beispielsweise als sogenannte planare Sen¬ sorelemente ausgebildet, die eine auf einem als Trä¬ ger ausgebildeten Festelektrolyten eine einem Meßgas ausgesetzte erste Elektrode und eine einem Referenz¬ gas ausgesetzte zweite Elektrode aufweisen. Bei ver¬ schiedenen Anwendungen muß das Sensorelement auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden. Hierzu ist es bekannt, dem Sensorelement eine Heizeinrichtung zuzu¬ ordnen, die üblicherweise unterhalb der dem Referenz- gas ausgesetzten Elektrode verlaufende Heizleiter aufweist .
Zur Heranführung eines Referenzgases an die Referenz- gaselektrode ist innerhalb des schichtförmig aufge¬ bauten, planaren Sensorelementes ein Referenzgaskanal vorgesehen, der sich beispielsweise in Längsrichtung des Sensorelementes erstreckt. Dieser Referenzgaska¬ nal verläuft zwischen der Referenzgaselektrode und den Heizleitern.
Ein elektrochemischer Meßfühler mit einem derartigen Sensorelement ist beispielsweise aus der DE 29 28 496 bekannt. Hierbei ist nachteilig, daß der Referenzgas¬ kanal für die von der Heizeinrichtung abgegebenen Wärmeenergie einen schlechten Wärmeleiter darstellt, so daß ein Aufheizen des Sensorelementes auf seine Betriebstemperatur nur mit einer erhöhten Heizenergie oder nach einer entsprechend langen Heizzeit möglich ist. Insbesondere bei Sensorelementen, bei denen die Heizleiter unmittelbar mit dem Referenzgaskanal in Verbindung stehen, besteht ein schlechter Wärmeüber¬ gang auf das Sensorelement.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den im An¬ spruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß ein Wärmeübergang von der Heizeinrich¬ tung auf das Sensorelement wesentlich verbessert ist. Dadurch, daß der Referenzgaskanal zumindest im Be¬ reich der Heizeinrichtung geteilt ausgeführt ist, er- /33163 PC17DE96/02031
gibt sich die Möglichkeit, das Layout des Referenz¬ gaskanals und/oder der Heizeinrichtung so aufeinander abzustimmen, daß eine Wärmeleitung zwischen der Heiz¬ einrichtung und dem Sensorelement von zwischen den geteilten (verzweigten) Referenzgaskanälen sich be¬ findenden Substrat übernommen werden kann. Dieses Substrat besitzt eine sehr viel bessere Wärmeleit¬ fähigkeit als das Referenzgas in den Referenzgaska¬ nälen, so daß ein Wärmeübergang schneller und mit höherer Effektivität möglich ist. Insbesondere läßt sich hierdurch eine kürzere Aufheizzeit des Sensor¬ elementes oder eine höhere Sensorelementtemperatur bei vorgegebener Heizleistung der Heizeinrichtung er¬ zielen. Andererseits kann bei beibehaltener Aufheiz- zeit und gleicher Sensorelementtemperatur die Heiz¬ leistung der Heizeinrichtung reduziert werden, so daß sich eine verbesserte Langzeitstabilität der Heiz¬ einrichtung und ein verbessertes Thermoschockverhal- ten des Sensorelementes ergibt. Durch die Verzweigung des Referenzgaskanals im Bereich der Heizeinrichtung wird darüber hinaus die mechanische Stabilität des gesamten planaren Sensorelementes erhöht, da zwischen den einzelnen Verzweigungen des Referenzgaskanals verbleibende Stege zu einer geringeren, freitragenden Referenzgaskanalbreite führen.
Ein weiterer Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Sen¬ sorelement ergibt sich darin, daß es keine Über¬ schneidungen mehr zwischen der Referenzgaskanalbreite und einem Isolierungssystem der Heizleiter gibt. Hierdurch werden Verletzungen des Isolierungssystems im Bereich der Heizleiter bei der Herstellung der Sensorelemente, insbesondere beim Laminieren der ein¬ zelnen Schichten der Sensorelemente, vermieden. Durch die Minimierung beziehungsweise den Ausschluß von Verletzungen des Isolierungssystems ergibt sich ein verbessertes Leckstromverhalten der Heizleiter.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei¬ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er¬ läutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement;
Figur 2 einen Querschnitt durch das Sensorelement gemäß Figur 1 und
Figur 3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 ist in einer aufgeschnittenen Längsan¬ sicht ein Teil eines Sensorelementes 10 gezeigt. Das Sensorelement 10 ist Bestandteil eines nicht darge¬ stellten elektrochemischen Meßfühlers und ist dicht in einem Gehäuse des Meßfühlers fixiert. Das Sensor¬ element 10 besitzt einen planaren Schichtaufbau, der anhand von Figur 2 noch näher erläutert wird. In der Figur 1 ist ein meßgasseitiger Abschnitt 12 des Sen¬ sorelementes 10 dargestellt. Das Sensorelement 10 besitzt ferner einen nicht dargestellten referenzgas- seitigen Abschnitt. Das Sensorelement 10 besitzt eine erste Elektrode 14, die einem Meßgas, beispielsweise dem Abgas eines Kraftfahrzeuges, aussetzbar ist. Die Elektrode 14 ist hierbei auf einem Festelektrolyten, beispielsweise stabilisiertem Zirkoniumoxid, aufge¬ bracht, der gleichzeitig als Träger 16 dient. An sei¬ ner der Elektrode 14 abgewandten Seite besitzt der Träger 16 eine zweite Elektrode 18, die einem Refe¬ renzgas, beispielsweise dem Luftsauerstoff, aussetz¬ bar ist . Zum Heranführen des Referenzgases weist das Sensorelement 10 einen in Längsrichtung verlaufenden Referenzgaskanal 20 auf. Der Referenzgaskanal 20 ver¬ zweigt sich zu zwei Referenzgaskanalarmen 22, die un¬ terhalb der Elektrode 18, die sich ebenfalls ent¬ sprechend aufteilt, verlaufen. Der Referenzgaskanal 20 beziehungsweise die Referenzgaskanalarme 22 sind in einem Substrat 24 strukturiert. Durch die Auf- zweigung des Referenzgaskanals 20 ergeben sich zwi¬ schen den Referenzgaskanalarmen 22 geschlossene Be¬ reiche 26 des Substrates 24.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Darstellung mit zwei Referenzgaskanalarmen 22 ist lediglich beispiel¬ haft. So kann selbstverständlich eine Aufteilung des Referenzgaskanals 20 in mehrere einzelne Arme erfol¬ gen. Darüber hinaus sind Querverbindungen zwischen den einzelnen Armen möglich. Entscheidend ist, daß zwischen den einzelnen Referenzgaskanalarmen 22 Be¬ reiche 26 des Substrats 24 verbleiben.
Unterhalb deε Substrates 24 ist eine weitere Substratschicht 28 angeordnet, die eine Heizeinrich¬ tung 30 für das Sensorelement 10 aufweist. Die Heiz¬ einrichtung 30 besitzt mäanderförmig verlaufende Heizleiter 32, die derart angeordnet sind, daß diese jeweils von dem Substrat 24 beziehungsweise den Be¬ reichen 26 des Substrates 24 überdeckt sind. Die Heizleiter 32 verlaufen somit derart, daß zu den Referenzgaskanalarmen 22 keine unmittelbare Verbin¬ dung besteht .
Durch die in den Figuren 1 und 2 gewählte Anordnung der Referenzgaskanalarme 22 in bezug auf die Heiz¬ leiter 32 wird erreicht, daß die Heizleiter 32 all¬ seitig vom Substrat der Substratschicht 28 und dem Substrat 24 beziehungsweise den Bereichen 26 des Substrats 24 umgeben sind. Hierdurch wird eine gute Wärmeleitung der über die Heizleiter 32 eingebrachten Wärmeenergie in das Sensorelement 10 zu dem die Elek¬ troden 14 und 18 aufweisenden Träger 16 gewährlei¬ stet. Die Referenzgaskanalarme 22 üben somit nur einen äußerst geringen Dämmungseinfluß auf die Wärme¬ übertragung aus.
Die Aufteilung des Referenzgaskanals 20 in die Re¬ ferenzgaskanalarme 22 kann vorteilhaft auf den akti¬ ven Wirkungsbereich der Heizeinrichtung 30 beschränkt sein, so daß durch das gesamte Sensorelement ledig- lieh ein in Längserstreckung verlaufender Referenz- gaskanal 20 vorgeshen ist. Die dem Referenzgas aus¬ gesetzte Elektrode 18 teilt sich vorteilhafterweise in analoger Weise zu den Referenzgaskanalarmen 22 auf, so daß sämtliche dem Träger 16 zugewandte Seiten der Referenzgaskanalarme 22 mit einem Bereich der Elektrode 18 belegt sind.
Durch die verbesserte Wärmeübertragung von der Heiz- einrichtung 30 auf den eigentlichen Sensierungsbe- reich des Sensorelementes 10 wird erreicht, daß eine kürzere Aufheizzeit des Sensorelementes 10 bei gleicher Heizleistung möglich ist . Andererseits kann die Heizleistung verringert werden, so daß die ge¬ samte Langzeitstabilität der Heizeinrichtung 30 be¬ ziehungsweise des Sensorelementes 10 verbessert ist. Durch eine geringere Heizleistung ergibt sich gleich¬ zeitig ein verbessertes Thermoschockverhalten des Sensorelementes 10, das heißt, bei plötzlichem Kon¬ taktieren des Sensorelementes 10 mit einem kühleren Medium, beispielsweise Spritzwasser, Kondenswasser oder ähnlichem, tritt bei verringerter Heizleistung keine so hohe Temperaturdifferenz auf. Andererseits kann erreicht werden, daß eine höhere Temperatur des Sensorelementes 10 einstellbar ist, so daß sich eine Absenkung des Innenwiderstandes der Elektroden 14 und 18, und damit eine Verringerung von deren Verlustlei¬ stung und der hieraus resultierende negative Einfluß auf das Meßergebnis, verringern läßt. Schließlich tragen die Bereiche 26 des Substrates 24 zu einer höheren mechanischen Stabilität des Abschnittes 12 des Sensorelementes 10 bei, da durch die Aufteilung des Referenzgaskanals 20 in einzelne Referenzgaska¬ nalarme 22 eine freitragende Referenzgaskanalbreite im Bereich des Abschnittes 12 verringert ist.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Querschnitt durch ein Sensorelement 10 sind gleiche Teile wie in den Fi¬ guren 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Im Unterschied hierzu ist die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode 18 ohne Unterbrechung ausgeführt, so daß auch zwischen den Bereichen 26 des Substrats 24 und dem Träger 16 Ab¬ schnitte der Elektrode 18 verbleiben. Dies hat Ein¬ fluß auf die Meßgenauigkeit des Sensorelementes 10.
Ferner sind bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungs- beispiel die Referenzgaskanalarme 22 schmaler ausge¬ führt als der Abstand zwischen den Heizleitern 32, so daß die Heizleiter in einem größeren Abstand zu den Referenzgaskanalarmen 22 verlaufen. Hierdurch wird erreicht, daß die Wärmeleitung über das Substrat 24 beziehungsweise den Bereich 26 des Substrats 24 zu den Elektroden 18 beziehungsweise 14 verbessert wird, da die Wärmeleitung über das Substrat 24 beziehungs¬ weise den Bereich 26 größer ist als eine Wärmestrah¬ lung über die Referenzgaskanalarme 22.
Insgesamt soll im Rahmen der vorliegenden Beschrei¬ bung auf die Herstellungsschritte des Sensorelementes 10 nicht näher eingegangen werden, da diese mittels bekannter Verfahrensschritte, wie beispielsweise Fo¬ liengießen, Drucken, Stanzen, Fräsen oder Prägen her¬ stellbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Sensorelement, insbesondere für einen elektroche¬ mischen Meßfühler, zur Bestimmung des Sauerstoffge¬ haltes von Gasen, mit mindestens einer einem Meßgas ausgesetzten ersten Elektrode, mindestens einer einem Referenzgas ausgesetzten zweiten Elektrode, min¬ destens einer Heizeinrichtung für das Sensorelement und einem zwischen der Heizeinrichtung und der zwei¬ ten Elektrode verlaufenden Referenzgaskanal, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzgaskanal (20) zumin¬ dest im Bereich der Heizeinrichtung (30) verzweigt ausgeführt ist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Referenzgaskanal (20) sich in Refe¬ renzgaskanalarme (22) aufteilt, die innerhalb eines Substrats (24) derart verlaufen, daß in einer Sub¬ stratschicht (28) verlaufende Heizleiter (32) der Heizeinrichtung (30) keine unmittelbare Verbindung zu den Referenzgaskanalarmen (22) besitzen.
3. Sensorelement nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche einem Träger (16) zugewandte Seiten der Referenzgaskanal- arme (22) jeweils mit einem Bereich der zweiten Elek¬ trode (18) belegt sind.
4. Sensorelement nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Elektrode (18) über zwischen den Referenzgaskanalar¬ men (22) sich befindende Bereiche (26) des Substrats
(24) erstreckt.
5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Referenz- gaskanalarme (22) vorgesehen sind, die in Abstands- freiräumen eines mäanderförmig angeordneten Heiz- leiters (32) verlaufen.
6. Sensorelement nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter (32) der Heizeinrichtung (30) beabstandet von den verzweigten Referenzgaskanalarmen (22) verlaufen.
EP96945530A 1996-03-09 1996-10-23 Sensorelement Withdrawn EP0824692A1 (de)

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