ES2245570A1 - Sensor element used in gas sensor for determining concentration of gas component of measuring gas has heater arranged at angle in connecting region - Google Patents
Sensor element used in gas sensor for determining concentration of gas component of measuring gas has heater arranged at angle in connecting regionInfo
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Abstract
Description
Elemento sensor.Sensor element.
La invención parte de un elemento sensor según el preámbulo de la reivindicación independiente.The invention is based on a sensor element according to the preamble of the independent claim.
Se conoce, por ejemplo, por el documento DE 100 14 995 C1 un elemento sensor de este tipo. El elemento sensor está constituido en forma de capas según la técnica planar y presenta dos células electroquímicas de medición, que contienen, respectivamente, dos electrodos así como un electrolito sólido, dispuesto entre los electrodos. Para el calentamiento de las células de medición está previsto un calentador, que está incrustado en un aislamiento del calentador. El aislamiento del calentador y el calentador están dispuestos entre dos láminas de electrolito sólido. El calentador está conectado eléctricamente con dos líneas de alimentación del calentador, que están dispuestas en el mismo plano que el calentador. Las líneas de alimentación del calentador están eléctricamente conectadas, respectivamente, por medio de una metalización con una superficie de contacto dispuesta sobre una superficie exterior del elemento sensor. El calentador está conectado, a través de las superficies de contacto, con una fuente de tensión dispuesta fuera del elemento sensor.It is known, for example, from document DE 100 14 995 C1 a sensor element of this type. The sensor element is constituted in the form of layers according to the planar technique and presents two electrochemical measuring cells, which contain, respectively, two electrodes as well as a solid electrolyte, arranged between the electrodes. For heating the cells measuring is provided a heater, which is embedded in a heater insulation. The heater insulation and the heater are arranged between two electrolyte sheets solid. The heater is electrically connected with two lines heater supply, which are arranged in it flat than the heater. Heater power lines are electrically connected, respectively, by means of a metallization with a contact surface arranged on a outer surface of the sensor element. The heater is connected, through the contact surfaces, with a source of voltage arranged outside the sensor element.
El calentador presenta cuatro segmentos del calentador, que están dispuestos paralelamente al eje longitudinal del elemento sensor, así como otros tres segmentos del calentador, que están dispuestos perpendicularmente al eje longitudinal del elemento sensor y que conectan, respectivamente, dos segmentos del calentador dispuestas paralelamente al eje longitudinal.The heater has four segments of the heater, which are arranged parallel to the longitudinal axis of the sensor element, as well as three other heater segments, which are arranged perpendicular to the longitudinal axis of the sensor element and connecting, respectively, two segments of the heater arranged parallel to the longitudinal axis.
Tales elementos sensores se fabrican de manera conocida por el técnico en la materia, por impresión de las llamadas láminas cerámicas verdes (láminas cerámicas no sinterizadas) con capas funcionales (por ejemplo electrodos, líneas de alimentación, capas de aislamiento, calentadores, capas porosas o capas de protección). Las capas funcionales se imprimen en forma de pastas según la técnica de impresión con estarcido sobre la lámina verde. Las láminas verdes, impresas, son interlaminadas y a continuación sinterizadas. Para la fabricación del calentador se imprime en primer lugar, por ejemplo, sobre una lámina cerámica verde una primera capa de aislamiento, luego se imprime el calentador junto con las líneas de alimentación del calentador y, finalmente, se imprime una segunda capa de aislamiento.Such sensor elements are manufactured in a manner known by the person skilled in the art, for printing the called green ceramic sheets (ceramic sheets not sintered) with functional layers (for example electrodes, lines power, insulation layers, heaters, porous layers or layers of protection). Functional layers are printed in the form of pastes according to the printing technique with stencil on the sheet green. The green sheets, printed, are interlaminated and sintered continuation. For the manufacture of the heater, print first, for example, on a ceramic sheet green a first layer of insulation, then the heater along with the heater power lines and, finally, a second insulation layer is printed.
En los elementos sensores de este tipo constituye un inconveniente el que se pueden incluir burbujas de gas en la pasta de aislamiento durante la aplicación de las capas de aislamiento que rodean el calentador y, en particular especialmente, en la región de los segmentos del calentador, que se encuentran perpendicularmente al eje longitudinal del elemento sensor. Debido a las burbujas de gas se produce, tras el sinterizado, la formación de agujeros en la capa de aislamiento, que perjudican el efecto de aislamiento de la capa de aislamiento.In the sensor elements of this type constitutes a drawback that gas bubbles can be included in the insulation paste during application of the layers of insulation surrounding the heater and in particular especially in the region of the heater segments, which meet perpendicular to the longitudinal axis of the element sensor. Due to gas bubbles occurs, after the sintered, the formation of holes in the insulation layer, that impair the insulation effect of the layer of isolation.
Por el contrario, el elemento sensor según la invención, con los rasgos característicos de la reivindicación independiente, tiene la ventaja de que se garantiza un buen efecto de aislamiento del aislamiento del calentador. El calentador presenta un primer y una segundo segmento del calentador, que se extienden sensiblemente de forma paralela al eje longitudinal del elemento sensor, así como una zona de conexión, en la que están unidos el primero y el segundo de los segmentos del calentador y, por lo tanto, están en contacto eléctrico Para evitar los agujeros en el aislamiento del calentador, la zona de conexión presenta un angular, extendiéndose inclinado un brazo, al menos, del angular con respecto a un plano perpendicular al eje longitudinal del elemento sensor.On the contrary, the sensor element according to the invention, with the characteristic features of the claim independent, it has the advantage that a good effect is guaranteed Insulation heater insulation. The heater it presents a first and a second segment of the heater, which extend substantially parallel to the longitudinal axis of the sensor element, as well as a connection zone, in which they are joined the first and the second of the heater segments and, therefore, they are in electrical contact to avoid holes in the heater insulation, the connection zone has a angular, extending inclined one arm, at least, of the angular with respect to a plane perpendicular to the longitudinal axis of the sensor element
En las zonas de unión del calentador formadas de esta manera se pueden escapar todavía burbujas de gas durante la impresión, de manera que se evitan los agujeros en el aislamiento del calentador.In the heater junction areas formed of this way you can still escape gas bubbles during the printing, so that holes in insulation are avoided of the heater.
Con ayuda de las medidas indicadas en las reivindicaciones dependientes son posibles desarrollos ventajosos del procedimiento mencionado en la reivindicación independiente.With the help of the measures indicated in the dependent claims are possible advantageous developments of the procedure mentioned in the claim Independent.
De manera ventajosa, al menos uno de los dos brazos del angular en la zona de conexión presenta un ángulo mayor o igual que 30 grados, con preferencia un ángulo de 45 hasta 70 grados, con respecto a un plano perpendicular al eje longitudinal del elemento sensor. En el caso de ángulos agudos se podría evitar de una manera especialmente efectiva la aparición de burbujas de gas.Advantageously, at least one of the two Angular arms in the connection area have a greater angle or equal to 30 degrees, preferably an angle of 45 to 70 degrees, with respect to a plane perpendicular to the longitudinal axis of the sensor element. In the case of acute angles one could avoid in a particularly effective way the appearance of bubbles of gas.
Para la fabricación del calentador se aplican sobre una primera lámina, no sinterizada de electrolito sólido (lámina verde), por medio de impresión con estarcido, en primer lugar una primera y una segunda capa de impresión del aislamiento del calentador, a continuación el calentador con las líneas de alimentación del calentador y luego una tercera y una cuarta capa de impresión del aislamiento del calentador. La primera y la segunda capa de impresión y la tercera y la cuarta capa de impresión, respectivamente, presentan (después del sinterizado) porosidades diferentes. De manera ventajosa, la tercera y la cuarta capa de impresión sufren una impresión con sentidos de impresión opuestos. De la misma manera, la primera y la segunda capa de impresión sufren una impresión con sentidos de impresión opuestos. La lámina verde impresa es interlaminada con otras láminas verdes impresas igualmente, en caso dado y, a continuación, son sinterizadas.For production of the heater apply on a first, non-sintered sheet of solid electrolyte (green foil), by means of stencil printing, first place a first and a second layer of insulation printing of the heater, then the heater with the lines of heater supply and then a third and a fourth layer of print of heater insulation. The first and the second print layer and the third and fourth print layer, respectively, they present (after sintering) porosities different. Advantageously, the third and fourth layers of Printing suffer an impression with opposite printing senses. In the same way, the first and second printing layers They suffer an impression with opposite senses of impression. The blade Printed green is interlaminated with other printed green sheets also, if necessary, and then they are sintered.
En el dibujo están representados dos ejemplos de realización de la invención así como un elemento sensor según el estado de la técnica y se explican en detalle en la descripción siguiente. La figura 1 muestra una sección transversal a través de un elemento sensor, la figura 2 muestra una sección longitudinal de un elemento sensor, conocido por el estado de la técnica, según la línea II-II en la figura 1, la figura 3 muestra una sección longitudinal a través de un primer ejemplo de realización de la invención según la línea I II-III en la figura 1 y la figura 4 muestra una sección longitudinal de un segundo ejemplo de realización de la invención según la línea IV-IV en la figura 1.In the drawing two examples of embodiment of the invention as well as a sensor element according to the state of the art and are explained in detail in the description next. Figure 1 shows a cross section through a sensor element, figure 2 shows a longitudinal section of a sensor element, known by the state of the art, according to the line II-II in figure 1, figure 3 shows a longitudinal section through a first embodiment of the invention according to line I II-III in the Figure 1 and Figure 4 shows a longitudinal section of a second embodiment of the invention according to the line IV-IV in Figure 1.
Con la ayuda de la figura 1 se explica la estructura básica de un elemento sensor. La configuración del calentador se representa en la figura 2 (calentador según el estado de la técnica) y en las figuras 3 y 4 (primero y segundo ejemplos de realización de la invención). Los elementos correspondientes entre sí han sido identificados en las figuras con los mismos signos de referencia.With the help of figure 1 the basic structure of a sensor element. The configuration of the heater is shown in figure 2 (heater according to the state of the technique) and in figures 3 and 4 (first and second examples of embodiment of the invention). The corresponding elements each other have been identified in the figures with the same reference signs
La figura 1 muestra la estructura básica de un elemento sensor 10, 110 con una primera, una segunda, una tercera y una cuarta lámina de electrolito sólido 21, 22, 23, 24: Entre la primera y la segunda lámina de electrolito sólido 21, 22 está previsto un calentador 40, 140, que está aislado eléctricamente de la primera y de la segunda lámina de electrolito sólido 21, 22 por medio de un aislamiento 36, 136 de calentador. En la segunda lámina de electrolito sólido 22 se conecta una tercera y una cuarta lámina de electrolito sólido 23, 24. En la tercera lámina de electrolito sólido 23 está practicada una cámara de gas de referencia 35, que está rellena con un gas de referencia, por ejemplo con aire ambiente. En la cámara de gas de referencia 35 está aplicado un primer electrolito 31 sobre la cuarta lámina de electrolito sólido. Sobre el lado de la cuarta lámina de electrolito sólido 24, que está opuesto al primer electrodo 31, está colocado un segundo electrodo 32, que está expuesto al gas de medición. El segundo electrodo 32 está revestido con una capa de protección no representada. El primero y el segundo electrodo 31, 32 así como el electrolito sólido 24, que está dispuesto entre el primero y el segundo de los electrodo 31, 32, forman una célula electroquímica 15, que es accionada, por ejemplo, como célula de Nernst.Figure 1 shows the basic structure of a sensor element 10, 110 with a first, a second, a third and a fourth sheet of solid electrolyte 21, 22, 23, 24: Between the first and second solid electrolyte sheet 21, 22 is provided a heater 40, 140, which is electrically isolated from the first and second solid electrolyte sheet 21, 22 by means of a heater insulation 36, 136. On the second sheet solid electrolyte 22 connects a third and a fourth sheet of solid electrolyte 23, 24. On the third electrolyte sheet solid 23 a reference gas chamber 35 is practiced, which It is filled with a reference gas, for example with air ambient. In the reference gas chamber 35 a first electrolyte 31 on the fourth solid electrolyte sheet. On the side of the fourth solid electrolyte sheet 24, which it is opposite the first electrode 31, a second one is placed electrode 32, which is exposed to the measuring gas. The second electrode 32 is coated with a protective layer not represented. The first and the second electrode 31, 32 as well as the solid electrolyte 24, which is disposed between the first and the second of electrodes 31, 32, form an electrochemical cell 15, which is actuated, for example, as a Nernst cell.
La figura 2 muestra un elemento sensor 110 según el estado de la técnica. El calentador 140 presenta un primer, un segundo, un tercer y un cuarto segmentos 141, 142, 142, 144 de calentador, que están dispuestos, respectivamente, en el plano estratificado del calentador paralelamente a un eje longitudinal 111 del elemento sensor 110. Dos segmentos 141, 142; 142, 143; 143, 144 del calentador, directamente contiguos, están conectados, respectivamente, en una primera, segunda y tercera zona de conexión 151, 152, 153 a través de un quinto, sexto y séptimo segmento 145, 146, 147 del calentador. El quinto, sexto y séptimo de los segmento 145, 146, 147 de calentador se encuentran perpendicularmente al primer, segundo, tercer y cuarto de los segmento 141, 142, 143, 144 de calentador y, por lo tanto, paralelamente a un plano perpendicular al eje longitudinal 111 del elemento sensor 110. De esta manera, por ejemplo, el primero y el quinto de los segmento 141, 145 del calentador forman un ángulo recto. El primer segmento 141 del calentador está conectado eléctricamente con una primera línea de alimentación 161 del calentador, el cuarto segmento 144 del calentador está conectado eléctricamente con una segunda línea de alimentación 162 del calentador.Figure 2 shows a sensor element 110 according to The state of the art. The heater 140 has a first, a second, third and fourth segments 141, 142, 142, 144 of heater, which are arranged, respectively, in the plane Stratified heater parallel to a longitudinal axis 111 of the sensor element 110. Two segments 141, 142; 142, 143; 143, 144 of the heater, directly adjacent, are connected, respectively, in a first, second and third connection zone 151, 152, 153 through a fifth, sixth and seventh segment 145, 146, 147 of the heater. The fifth, sixth and seventh of the segments 145, 146, 147 of heater are perpendicular to the first, second, third and fourth of segments 141, 142, 143, 144 of heater and, therefore, parallel to a plane perpendicular to the longitudinal axis 111 of the sensor element 110. Of this way, for example, the first and fifth of the segments 141, 145 of the heater form a right angle. The first segment Heater 141 is electrically connected to a first heater supply line 161, the fourth segment 144 of the heater is electrically connected to a second line power supply 162 of the heater.
La figura 3 muestra el primer ejemplo de realización de la invención, en el que el calentador 40 presenta un primer, un segundo, un tercer y un cuarto segmentos 41, 42, 43, 44 del calentador, que están dispuestos, respectivamente, en el plano estratificado del calentador paralelamente a un eje longitudinal 11 del elemento sensor 10. Dos segmentos 41, 42; 42, 43; 43, 44 directamente contiguos del calentador están conectados, respectivamente, en una primera, una segunda y una tercera zona de conexión 51, 52, 53 a través de un quinto, un sexto, un séptimo y un octava segmento 45, 46, 47, 48 del calentador, estando dispuesta en la primera zona de conexión 51 el quinto segmento 45 del calentador, en la segunda zona de conexión 52 el sexto y el séptimo de los segmentos 46, 47 del calentador y en la tercera zona de conexión 53 el octava segmento de unión 48. El quinto, sexto, séptimo y octavo de los segmento 45, 46, 47, 48 del calentador están dispuestos en un ángulo de 45 grados con respecto a un plano perpendicular al eje longitudinal 11 del elemento sensor 10. La primera y tercera región 51, 53 de unión entre el primero y el segundo y entre el tercero y el cuarto de los segmentos 41, 42; 43, 44 del calentador presentan, respectivamente, dos angulares, uno de cuyos brazos (es decir, el quinto y el octavo de los segmentos 45, 48 del calentador) está inclinado 45 grados con respecto a un plano perpendicular al eje longitudinal 11 del elemento sensor 10, y cuyo otro brazo está formado por una región del primero, segundo, tercero o cuarto de los segmento 41, 42, 43, 44 del calentador y, por lo tanto, se encuentra paralelamente al eje longitudinal 11 del elemento sensor 10. La segunda zona de conexión 52 entre el segundo y el tercero de los segmentos 42, 43 del calentador se forma a través del sexto y séptimo de los segmentos 46, 47 del calentador, que están dispuestos en ángulo recto entre sí y que presentan, respectivamente, un ángulo de 45 grados con respecto a un plano perpendicular al eje longitudinal 11 del elemento sensor 10. El primer segmento 41 del calentador está conectado eléctricamente con una primera línea de alimentación 61 del calentador, el cuarto segmento 44 del calentador está conectado eléctricamente con una seguirla línea de alimentación 62 del calentador.Figure 3 shows the first example of embodiment of the invention, in which the heater 40 has a first, second, third and fourth segments 41, 42, 43, 44 of the heater, which are arranged, respectively, in the plane stratified heater parallel to a longitudinal axis 11 of the sensor element 10. Two segments 41, 42; 42, 43; 43, 44 directly adjacent to the heater are connected, respectively, in a first, a second and a third zone of connection 51, 52, 53 through a fifth, a sixth, a seventh and an eighth segment 45, 46, 47, 48 of the heater, being arranged in the first connection zone 51 the fifth segment 45 of the heater, in the second connection zone 52 the sixth and seventh of segments 46, 47 of the heater and in the third zone of connection 53 the eighth connecting segment 48. The fifth, sixth, seventh and eighth of heater segments 45, 46, 47, 48 are arranged at a 45 degree angle to a plane perpendicular to the longitudinal axis 11 of the sensor element 10. The first and third region 51, 53 of union between the first and the second and between the third and fourth of segments 41, 42; 43, 44 of the heater have, respectively, two angles, one of whose arms (i.e. the fifth and eighth of segments 45, 48 of the heater) is inclined 45 degrees from a plane perpendicular to the longitudinal axis 11 of the sensor element 10, and whose another arm is formed by a region of the first, second, third or fourth of segments 41, 42, 43, 44 of the heater and, therefore, it is parallel to the longitudinal axis 11 of the sensor element 10. The second connection zone 52 between the second and the third of the segments 42, 43 of the heater is formed to through the sixth and seventh of the segments 46, 47 of the heater, that are arranged at right angles to each other and that they present, respectively, an angle of 45 degrees with respect to a plane perpendicular to the longitudinal axis 11 of the sensor element 10. The first segment 41 of the heater is electrically connected with a first power line 61 of the heater, the fourth segment 44 of the heater is electrically connected with a follow the heater power line 62.
La figura 4 muestra el segundo ejemplo de realización de la invención, que se diferencia del primer ejemplo de realización en la configuración de la primera, segunda y tercera zona de conexión 51a, 52a, 53a. La primera, segunda y tercera zona de conexión 51a, 52a, 53a están configuradas como angular, cuyos brazos presentan, respectivamente, un ángulo de 60 grados con respecto a un plano perpendicular al eje longitudinal 11 del elemento sensor 10.Figure 4 shows the second example of embodiment of the invention, which differs from the first example of realization in the configuration of the first, second and third connection zone 51a, 52a, 53a. The first, second and third zone connection 51a, 52a, 53a are configured as angular, whose arms present, respectively, an angle of 60 degrees with with respect to a plane perpendicular to the longitudinal axis 11 of the sensor element 10.
El calentador de los elementos sensores según la invención se fabrica aplicando sobre la primera lámina de electrolito sólido no sinterizada (lámina verde) a través de impresión con estarcido en primer lugar una primera y una segunda capa de impresión del aislamiento del calentador, a continuación se aplica el calentador con las líneas de alimentación del calentador y a continuación se aplica una tercera y una cuarta capa de impresión del aislamiento del calentador. La primera y la segunda capa de impresión presentan, igual que la tercera y la cuarta capa de impresión, porosidades diferentes después del sinterizado. La tercera y la cuarta capa de impresión se imprimen con sentidos de impresión opuestos para evitar las burbujas de gas en el aislamiento del calentador. La lámina verde impresa es interlaminada con una o varias láminas verdes más, que están impresas igualmente con capas funcionales, y a continuación se sinteriza el compuesto laminado resultante.The heater of the sensor elements according to the invention is manufactured by applying on the first sheet of solid non-sintered electrolyte (green sheet) through print with first stencil first and second print layer of heater insulation, then it apply the heater with the heater power lines and then a third and fourth layer of printing is applied of heater insulation. The first and second layers of print present, same as the third and fourth layer of printing, different porosities after sintering. The third and fourth printing layers are printed with senses of opposite printing to avoid gas bubbles in the heater insulation. The printed green sheet is interlaminated with one or more other green sheets, which are printed equally with functional layers, and then the compound is sintered resulting laminate.
La invención no está limitada al ejemplo de realización descrito de una sonda de salto Lambda, son que se puede transmitir también sobre otros elementos sensores calientes, por ejemplo sobre sondas Lambda de banda ancha o sobre elementos sensores para la determinación de óxidos de nitrógeno o hidrocarburos. La invención tampoco está limitada a la forma especial del calentador en los ejemplos de realización descritos de la invención. Así, pues, la invención se puede transmitir fácilmente a calentadores, que presentan un número mayor, o menor, que cuatro segmentos del calentador, que se extiendan esencialmente de forma paralela al eje longitudinal del elemento sensor.The invention is not limited to the example of described embodiment of a Lambda jump probe, are that you can also transmit on other hot sensor elements, by example about Lambda broadband probes or elements sensors for the determination of nitrogen oxides or hydrocarbons The invention is also not limited to the form special heater in the described embodiments of the invention. Thus, the invention can be transmitted easily to heaters, which have a greater or lesser number, that four segments of the heater, which essentially extend parallel to the longitudinal axis of the sensor element.
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