JP2000180402A - Electrochemical measurement sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項1の上位概
念に記載された、ガス混合物中のガス成分を測定するた
めの電気化学的測定センサーから出発する。The invention is based on an electrochemical measuring sensor for measuring gas components in a gas mixture according to the preamble of claim 1.
【0002】[0002]
【従来の技術】既にドイツ連邦共和国特許第31201
59号明細書C2の記載から公知であるような測定セン
サーの場合、センサー素子は、発熱体とセンサー電極と
の間で高い電圧に抗して敏感であり、この高い電圧は、
運転の際に導電性が高いかまたは多孔質が減少された場
所で絶縁層中でZrO2中の高い局部的電界強度をまね
き、この電界強度は、黒変をも生じさせる。抵抗発熱素
子を絶縁する電気絶縁層に導電性が発生するために、発
熱素子を動作させる電圧が結合することにより、殊にパ
ルス的な運転の際に測定信号の妨害をまねき、それによ
って同じ妨害距離が減少される。BACKGROUND OF THE INVENTION German Patent No. 31201 has already been published.
In the case of a measuring sensor such as is known from the description of C 59, the sensor element is sensitive against a high voltage between the heating element and the sensor electrode,
During operation, high local electric field strengths in ZrO 2 in the insulating layer at places where the conductivity is high or the porosity is reduced, this field strength also causes black discoloration. Due to the conductivity of the electrical insulation layer that insulates the resistive heating element, the coupling of the voltage for operating the heating element leads to disturbances of the measuring signal, especially during pulsed operation, and thereby the same disturbance. The distance is reduced.
【0003】これまでにROBERT BOSCH GmbHにおいて、
センサー素子のこのような変化を回避させかつさらにセ
ンサー電極へ発熱素子の故障が結合することを減少させ
ることを試みた手段は、発熱素子に対するセンサー素子
の絶縁材料にあり、これは、電気絶縁性セラミックから
なる。電気絶縁性セラミックとそれと境を接している固
体電解質との間で印刷されたフィルム結合層は、純粋な
ZrO2からなる。[0003] At ROBERT BOSCH GmbH,
The means that have attempted to avoid such changes in the sensor element and further reduce the coupling of the failure of the heating element to the sensor electrode are in the insulating material of the sensor element relative to the heating element, Made of ceramic. Printed film tie layer between the electrically insulating ceramic and therewith the solid electrolyte which abut consists of pure ZrO 2.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ガス
混合物中のガス成分を測定するために、殊に平面状セン
サー素子を有する、発熱素子とセンサー電極との間の高
い電圧に対する敏感度に関連する電気化学的測定センサ
ーの改善を可能にすることにある。それによって、固体
電解質のイオン伝導性の故障の危険(黒変)は、さらに
減少される。更に、本発明による電気化学的測定センサ
ーは、発熱素子の寿命を延長させ、さらに測定センサー
が寿命のある間に亘って安定した測定信号を供給するこ
とができるように構成されるはずである。更に、本発明
による電気化学的測定センサーは、発熱素子の妨害信号
を測定活性のセラミック中、ひいてはセンサー信号中に
拡散させるように構成されるはずである。SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to determine the gas composition in a gas mixture, in particular with a high sensitivity between the heating element and the sensor electrode, which has a planar sensor element. To improve the electrochemical measurement sensor related to the above. Thereby, the risk of ionic conductivity failure of the solid electrolyte (blackening) is further reduced. Further, the electrochemical measurement sensor according to the present invention should be configured to extend the life of the heating element and to provide a stable measurement signal over the life of the heating sensor. Furthermore, the electrochemical measurement sensor according to the invention should be configured to diffuse the disturbing signal of the heating element into the measurement-active ceramic and thus into the sensor signal.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明により設けられた
少なくとも電子伝導性のセラミック層は、 − 存在する層の変性または − 電気的絶縁層と固体電解質との間への他の中間層の
導入によって達成させることができる。According to the invention, at least the electronically conductive ceramic layer provided according to the invention comprises:-modification of the existing layer or-introduction of another intermediate layer between the electrically insulating layer and the solid electrolyte. Can be achieved by:
【0006】それによって、 a.)ZrO2中の高い局部的な電界強度を回避させか
つ黒変の開始に対する臨界的な距離を上昇させる電位平
衡が実施され、かつ b.)絶縁部の導電性に基づく発熱体の結合が遮断され
る。[0006] Thereby, a. ) Potential equilibrium to increase the critical distance to the start of and to avoid high localized field strength in ZrO 2 blackening is performed, and b. ) The connection of the heating element based on the conductivity of the insulating portion is interrupted.
【0007】この導電性の中間層は、例えば次のものに
よって実現させることができる: a.)La(例えば10%)およびCu(例えば15
%)でドープされているCeO2; b.)TiO2(例えば1%)でドープされているZr
O2; c.)CeO2; d.)ZrO250%でドープされているCeO2; e.)2つの材料の導電性の性質を結合させ、かつ電位
平衡とともにZrO2およびAl2O3の焼結および膨
張の差の減少を可能にさせる組合せ層ZrO2/電気絶
縁層(例えば、50対50モル%の割合)。また、この
場合には、絶縁層は、低い焼結性のAl2O3 AKP
53から製造することができ、その多孔度は、孔形成剤
によって調節される。This conductive intermediate layer can be realized, for example, by: a. ) La (eg 10%) and Cu (eg 15
%) Doped with CeO 2 ; b. ) Zr doped with TiO 2 (eg 1%)
O 2 ; c. ) CeO 2 ; d. ) CeO 2 doped with 50% ZrO 2 ; e. ) By joining two electrically conductive properties of the material, and a combination layer ZrO 2 / electrically insulating layer to allow a reduction in the difference between the sintering and expansion of ZrO 2 and Al 2 O 3 the potential equilibrium (e.g., 50 pairs 50 mol%). In this case, the insulating layer is made of Al 2 O 3 AKP having low sinterability.
53, the porosity of which is controlled by the pore-forming agent.
【0008】f.)高いY2O3含有量(例えば16モ
ル%)を有するZrO2によるフィルム結合層の変性; g.)Yb2O3(例えば8モル%)でドーピングされ
たZrO2によるZrO 2層の変性;および h.)In2O3によるZrO2層の変性。この手段を
用いた場合には、イオン伝導性でもある電子伝導性中間
層が得られる。F. ) High Y2O3Content (for example, 16
% ZrO)2Modification of the film tie layer by g. ) Yb2O3(Eg 8 mol%)
ZrO2ZrO 2Layer modification; and h. ) In2O3ZrO2Denaturation of the layer. This means
When used, an electron conductive intermediate that is also ion conductive
A layer is obtained.
【0009】導電性は、早期の遮閉格子の場合に使用さ
れた通常のサーメット電極の程には良好である必要はな
い。ZrO2の場合よりも明らかに良好な導電性、例え
ば10倍上昇された導電性が達成される。この効果は、
導電性が僅かである場合にヒータフィルムと参照通路フ
ィルムとネルンストフィルムとの間に全てのZrO2層
を使用することによってなお強化させることができる。[0009] The conductivity need not be as good as the normal cermet electrodes used in the case of early shielding grids. Significantly better conductivity is achieved than with ZrO 2 , for example a 10-fold increased conductivity. This effect is
Conductivity can be noted is enhanced by the use of all the ZrO 2 layer between the reference passageway film and Nernst film heater film when it is slight.
【0010】結局のところ、本発明により構成された電
気化学的測定センサーは、次の利点: a.)運転中および完成の際の黒変に対する高められた
安全性; b.)タクトに分けられたヒータ運転の際の減少された
ヒータ接続が達成される。After all, the electrochemical measuring sensor constructed according to the present invention has the following advantages: a. )) Increased safety against blackening during operation and on completion; b. 2.) Reduced heater connection during tact-divided heater operation is achieved.
【0011】多数の実施例を具体的に示す本発明による
電気化学的測定センサーの1つの区間が概略的に断面図
で示されている図面に関連して本発明を理解する場合に
は、本発明の他の好ましい特徴は、以下の好ましい実施
例につき説明されている記載によりなお明らかになる。If the invention is to be understood in connection with the drawings, in which one section of an electrochemical measurement sensor according to the invention, which shows a number of embodiments, is schematically shown in cross-section, Other preferred features of the invention will become more apparent from the description set forth below for the preferred embodiment.
【0012】[0012]
【実施例】図1に示された断面は、専ら本質的にヒータ
フィルム15と、電気抵抗材料からの熱メアンダー状部
11と、それを包囲する電気絶縁層4(上向き)および
3(下向き)からなる熱領域の周囲に存在する層ならび
に測定電極5および電気化学的測定センサーの参照電極
6を表わしていることに注目することができる。図1に
示された電気化学的測定センサーは、平面状の酸素セン
サーであり、これは、例えば”平面状λセンサー”の専
門的呼称で、例えば内燃機関の触媒による排ガスの毒物
質除去の技術に使用されている。熱メアンダー状部1
1、上方の電気絶縁層4および下方の電気絶縁層3から
なるヒータは、ヒータフィルム15により固体電解質上
に施こされており、この詳細は、それ以上は表わされて
いない。ヒータの両側には、パッキングフレーム2が存
在する。上記で述べた”上方”および”下方”の概念
は、図面に示されている”上方”および”下方”を示す
ものである。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The cross section shown in FIG. 1 consists essentially of a heater film 15, a thermal meander-like portion 11 from an electrically resistive material, and the surrounding electrically insulating layers 4 (upward) and 3 (downward). It can be noted that it represents the layers present around the thermal zone consisting of and the measuring electrode 5 and the reference electrode 6 of the electrochemical measuring sensor. The electrochemical measurement sensor shown in FIG. 1 is a planar oxygen sensor, which is a specialized name of, for example, a “planar λ sensor”, for example, a technology for removing toxic substances from exhaust gas by a catalyst of an internal combustion engine. Used in Thermal meander part 1
1. The heater consisting of the upper electrical insulation layer 4 and the lower electrical insulation layer 3 is provided on the solid electrolyte by means of a heater film 15, the details of which are not further described. Packing frames 2 are present on both sides of the heater. The concepts of "up" and "down" described above refer to "up" and "down" shown in the drawings.
【0013】ヒータ上、即ち上方の電気絶縁層4上に
は、フィルム結合層17、参照ガス通路12を包囲する
参照通路フィルム9および参照電極6が存在する。参照
通路フィルム9および参照ガス通路12の上方には、固
体電解質を形成する、場合によってはなお(図示されて
いない)ポンプセルが備えられているネルンストフィル
ム10ならびに測定電極5が存在する。On the heater, ie on the upper electrical insulation layer 4, there is a film bonding layer 17, a reference passage film 9 surrounding the reference gas passage 12 and a reference electrode 6. Above the reference channel film 9 and the reference gas channel 12, there is a Nernst film 10 which forms a solid electrolyte, possibly also provided with a pump cell (not shown) and a measuring electrode 5.
【0014】実施例1 上方の電気絶縁層4は、代替されているかまたは変性さ
れている。これは、次のものによって実現させることが
できる: a.)Laほぼ10モル%およびCuほぼ15モル%で
ドープされているCeO 2 ;b.)TiO21モル%でドープされているZrO
2; c.)CeO2層; d.)ZrO2約50%でドープされているCeO2; e.)2つの材料の導電性の性質を結合させ、かつ電位
平衡とともにZrO2およびAl2O3の焼結および膨
張の差の減少を可能にさせる、例えば、50対50モル
%の割合の組合せ層ZrO2/電気絶縁層。この場合に
は、絶縁層は、低い焼結性Al2O3から製造すること
ができ、その多孔度は、孔形成剤によって調節される。EXAMPLE 1 The upper electrically insulating layer 4 is replaced or modified.
Have been. This can be achieved by:
Can: a. ) At approximately 10 mol% La and approximately 15 mol% Cu
Doped CeO 2 B. ) TiO2ZrO doped with 1 mol%
2C. ) CeO2A layer; d. ) ZrO2CeO doped with about 50%2E. ) Combining the conductive properties of the two materials, and the potential
ZrO with equilibrium2And Al2O3Sintering and expansion
To reduce the difference in tonicity, eg 50 to 50 moles
% Of the combination layer ZrO2/ Electrical insulation layer. In this case
Means that the insulating layer has low sinterability Al2O3Manufacturing from
And the porosity is controlled by the pore-forming agent.
【0015】実施例2 セラミックからなる少なくとも電子伝導性のフィルム結
合層17は、 a.)高いY2O3含有量、例えばY2O3ほぼ16モ
ル%を有するZrO2によって変性されている層17; b.)高いYb2O3、例えばYb2O3ほぼ8モル%
でドーピングされているZrO2によって変性されてい
る層17; c.)電子伝導層およびイオン伝導層が生成される、I
n2O3によって変性されている層17によって実現さ
せることができる。EXAMPLE 2 At least an electronically conductive film bonding layer 17 of ceramic comprises: a. A) a layer 17 modified by ZrO 2 having a high Y 2 O 3 content, for example approximately 16 mol% of Y 2 O 3 ; b. ) High Yb 2 O 3 , for example approximately 8 mol% of Yb 2 O 3
A layer 17 modified by ZrO 2 doped with c .; c. I) an electron conducting layer and an ion conducting layer are formed;
This can be achieved by a layer 17 that has been modified by n 2 O 3 .
【0016】実施例3 電子伝導性中間層19を付加的に上方の電子絶縁層4と
その上に存在するZrO217を形成させる。この中間
層19を実現させるためには、実施例1に記載された組
成物が適している。Example 3 An electron conductive intermediate layer 19 is additionally formed to form an upper electron insulating layer 4 and ZrO 2 17 present thereon. In order to realize the intermediate layer 19, the composition described in Example 1 is suitable.
【0017】一般に、セラミック層4、17、19を実
現させるための上記の実施例には、第1に電子伝導性が
重要であることが適用される。記載されたセラミック層
の場合には、イオン伝導性が存在するが、しかし、イオ
ン伝導性は、本発明による効果には貢献していない。In general, the importance of electron conductivity applies first to the above-described embodiments for realizing the ceramic layers 4, 17, 19; In the case of the described ceramic layer, ionic conductivity is present, but ionic conductivity does not contribute to the effect according to the invention.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】例えば”平面状λセンサー”の専門的呼称で、
例えば内燃機関の触媒による排ガスの毒物質除去の技術
に使用されている平面状の酸素センサーである本発明に
よる電気化学的測定センサーの断面図。FIG. 1 is a professional name of “planar λ sensor”, for example.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an electrochemical measurement sensor according to the present invention, which is a planar oxygen sensor used for example in a technique for removing toxic substances from exhaust gas by a catalyst of an internal combustion engine.
2 パッキングフレーム、 3 下方の電気絶縁層、
4 上方の電気絶縁層、 5 測定電極、 6 参照電
極、 9 酸素イオン伝導性固体電解質、 10 酸素
イオン伝導性固体電解質、 11 熱メアンダー状部、
12 参照ガス通路、 15 ヒータフィルム、 1
7 フィルム結合層、 19 電子伝導性中間層2 packing frame, 3 lower electrical insulation layer,
4 Upper insulating layer, 5 Measurement electrode, 6 Reference electrode, 9 Oxygen ion conductive solid electrolyte, 10 Oxygen ion conductive solid electrolyte, 11 Thermal meander part,
12 Reference gas passage, 15 Heater film, 1
7 film bonding layer, 19 electron conductive intermediate layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オラフ ヤッハ ドイツ連邦共和国 ベープリンゲン メル ツェーデスシュトラーセ 16 (72)発明者 ウルリッヒ アイゼレ ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト ベ ックラーシュトラーセ 6 ベー (72)発明者 エリザベート ビューラー ドイツ連邦共和国 コルンタール−ミュン ヒンゲン マルティン−ルター−シュトラ ーセ 15 (72)発明者 カール−ハインツ ホイスナー ドイツ連邦共和国 レオンベルク マルク グレーニンガー ヴェーク 1 (72)発明者 ロター ディール ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト グ ルーベネッカー 141 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Olaf Jach Germany Böblingen Mel Zedesdestraße 16 (72) Inventor Ulrich Eiselle Germany Schuttgart Becklerstraße 6 Baes (72) Inventor Elisabeth Buehler Germany Republic Korntal-Mün-Hingen Martin-Luter-Strasse 15 (72) Inventor Karl-Heinz Heusner Germany Leonberg Marc Groeninger Weg 1 (72) Inventor Roter Deal Germany Federal Republic Schuttgart Grubenecker 141
Claims (15)
および少なくとも1個の抵抗発熱体(11)を備えてい
る酸素イオン伝導性固体電解質(9、10)が電気絶縁
層(4)によって固体電解質(9、10)と分離されて
おり、フィルム結合層(17)が抵抗発熱体(11)の
上方の電気絶縁層(4)とその上にある固体電解質
(9、10)との間に設けられている、ガス混合物中の
ガス成分を測定するための電気化学的測定センサーにお
いて、少なくとも1個のセラミック層(4、17、1
9)が抵抗発熱体(11)の上方の電気絶縁層(4)と
電極(5、6)の方向に向いている固体電解質(9、1
0)との間に設けられており、これらのセラミック層が
少なくとも電子伝導性であることを特徴とする、電気化
学的測定センサー。1. An oxygen-ion-conductive solid electrolyte (9, 10) comprising an electrolyte layer and at least one resistance heating element (11) arranged at a distance from each other by means of an electrically insulating layer (4). 9, 10), and a film bonding layer (17) is provided between the electrical insulating layer (4) above the resistance heating element (11) and the solid electrolyte (9, 10) thereover. At least one ceramic layer (4, 17, 1) in an electrochemical measurement sensor for measuring gas components in a gas mixture.
9) is oriented in the direction of the electrically insulating layer (4) and the electrodes (5, 6) above the resistance heating element (11).
0), characterized in that these ceramic layers are at least electronically conductive.
て電極側の電気絶縁層(4)とその上にあるフィルム結
合層(17)との間に存在する、請求項1記載の測定セ
ンサー。2. The measuring sensor according to claim 1, wherein a ceramic layer is present as an additional layer (19) between the electrically insulating layer (4) on the electrode side and the film bonding layer (17) thereover. .
ラミック層によって代替されている、請求項1記載の測
定センサー。3. The measuring sensor according to claim 1, wherein the upper electrically insulating layer is replaced by an electronically conductive ceramic layer.
子伝導性であるようにセラミック材料で変性されてい
る、請求項1記載の測定センサー。4. The measuring sensor according to claim 1, wherein the upper electrically insulating layer is modified with a ceramic material so that it is at least electronically conductive.
子伝導性であるように変性されている、請求項1記載の
測定センサー。5. The measuring sensor according to claim 1, wherein the film tie layer (17) is modified to be at least electronically conductive.
およびCuでドーピングされているCeO2を含有す
る、請求項1から5までのいずれか1項に記載の測定セ
ンサー。6. The ceramic layer (4, 17, 19) is made of La
6. The measuring sensor according to claim 1, comprising CeO 2 doped with Cu and Cu.
ル%であり、CeO 2中のCuの含有量がほぼ15モル
%である、請求項1から6までのいずれか1項に記載の
測定センサー。7. CeO2La content is about 10
% And CeO 2Almost 15 mol of Cu
% According to any one of claims 1 to 6, wherein
Measurement sensor.
O250モル%の含有量を有するCeO2を含有してい
る、請求項1から5までのいずれか1項に記載の測定セ
ンサー。8. The ceramic layer (4, 17, 19) is made of Zr.
The measurement sensor according to claim 1, comprising CeO 2 having a content of 50 mol% of O 2 .
O2でドーピングされているZrO2を含有する、請求
項1から5までのいずれか1項に記載の測定センサー。9. The ceramic layer (4, 17, 19) is made of Ti.
The measuring sensor according to claim 1, comprising ZrO 2 doped with O 2 .
請求項9記載の測定センサー。10. The TiO 2 content is 1 mol%.
The measurement sensor according to claim 9.
rO2との組合せ物を含有している、請求項4記載の測
定センサー。11. A ceramic layer comprising: an electrically insulating layer (4);
It contains a combination of a and rO 2, measurement sensor according to claim 4, wherein.
高い含有量を有するZrO2を含有している、請求項5
記載の測定センサー。12. The film tie layer (17) comprises ZrO 2 with a high content of Y 2 O 3.
The measurement sensor described.
ある、請求項12記載の測定センサー。13. The measuring sensor according to claim 12, wherein the content of Y 2 O 3 is approximately 16 mol%.
でドーピングされているZrO2を含有している、請求
項5記載の測定センサー。14. The film tie layer (17) comprising Yb 2 O 3
Measurement sensor THAT is doped contains a ZrO 2, claim 5.
8モル%である、請求項14記載の測定センサー。15. The measuring sensor according to claim 14, wherein the doping content of Yb 2 O 3 is approximately 8 mol%.
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Publication number | Publication date |
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DE19857470A1 (en) | 2000-06-15 |
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