JP2003517605A - 電気化学的測定センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、測定ガスのガス濃度を検出するための電気化学的測定センサに関する。前記電気化学的測定センサは、センサ素子を有しており、このセンサ素子は、イオン伝導性の固体電解質体上に配置された少なくとも１つの電極（５０）を有する。前記電極には電極導体（５１）が導かれている。電極導体（５１）は、電極（５０）の素材と比較して格段に小さなイオン伝導度を備えている材料、またはイオン伝導度を備えていない材料から成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 従来技術 本発明は、混合ガスにおけるガス成分および/またはガス濃度を検出するため
の電気化学的測定センサであって、イオン伝導性の固体電解質体上に配置された
少なくとも１つの電極を有しており、前記電極には電極導体が導かれている形式
の電気化学的測定センサを前提にしている。

【０００２】 上記の形式の測定センサは、アクティブ領域では温度は約３５０℃以上まで加
熱されなければならない。それは、固体電解質体の不可欠なイオン伝導度を得る
ためである。測定センサの測定精度を高めるために、センサセル、すなわち測定
領域における固体電解質体の動作温度をコントロールし、必要とあらば制御する
ことは公知である。これに加えて、ヒータ装置を測定センサに配属することも公
知である。このヒータ装置は、センサセルで計測された動作温度に依存して、オ
ン・オフすることが可能である。

【０００３】 センサセルの動作温度を検出するために、測定センサに交流電圧を印加し、測
定装置を用いて全体インピーダンスを検出することが公知である。この全体イン
ピーダンスは、固体電解質体のインピーダンス、並びに相応の電極および電極導
体のインピーダンスから合成される。この全体インピーダンスから、測定領域に
おける固体電解質体の温度に依存している内部抵抗、したがって固体電解質体の
測定領域での温度が推定される。

【０００４】 公知の方法では、固体電解質体の温度に依存する抵抗を検出する測定装置が、
電極および電極導体の抵抗が一定であることを前提にしていることが欠点である
。しかし、電極導体および電極の抵抗は、比較的強く製造に起因するばらつきに
影響される。測定装置は、測定領域における固体電解質体の抵抗が温度に起因し
て変化するという無視できないばらつき誤差を累積し、相応に誤りを含んだ制御
信号を測定センサのヒータ装置に対して使用してしまう。これにより、測定セン
サは誤った動作温度に制御されてしまう。

【０００５】 さらなる欠点は、固体電解質体が導体領域で別の内部抵抗を形成してしまうこ
とである。この内部抵抗は、電極の領域（測定領域）における固体電解質体の内
部抵抗と並列に接続されており、同様に、無視できない割合で全体抵抗に関与す
る。それに加え、導体領域における温度が測定領域における温度より高くなった
場合、導体領域における固体電解質体の内部抵抗は減少し、導体領域の固体電解
質体の温度に依存する全体抵抗に影響を及ぼす。これにより測定センサは同様に
、誤った動作温度に制御されてしまう。

【０００６】 導体領域における内部抵抗の影響を回避するために、電極導体に固体電解質体
の導体領域に対する電気的絶縁層を設けることはドイツ公開公報第１９８３７６
０７A１から公知である。この構成は、少なくとも１つの絶縁層を使用すること
で、付加的に少なくとも１つのプリント工程が必要となり、それ故に処理技術的
に面倒になるという欠点を有している。

【０００７】 発明の利点 独立請求項の特徴部分の構成を有する本発明による電気化学的測定センサは、
従来技術に対して、動作温度の制御が改善されているという利点を有している。
これによって、測定センサのより精確で均質な機能が可能になる。

【０００８】 請求項１の特徴部分に示された本発明により、固体電解質体上に配置された電
極導体間の内部抵抗が、それぞれの電極間の内部抵抗よりも著しく高くなる。従
って、固体電解質体の導体領域における内部抵抗が全体抵抗に対して関与する割
合は格段に減少される。この固体電解質体の導体領域における内部抵抗は、固体
電解質体の測定領域における内部抵抗と並列に接続されている。固体電解質体の
導体領域における内部抵抗が全体抵抗に対して関与する割合が格段に減少される
ことによって、導体領域における内部抵抗が温度制御に及ぼす影響については無
視することができる。さらなる処理技術上の利点は、電気的な絶縁層の節約によ
って、プリント工程が省略されることである。

【０００９】 独立請求項１１の特徴部分に記載された本発明によれば、少なくとも１つの電
極導体の抵抗が全体抵抗に対して関与する割合は少なくなる。さらにその電極導
体は、その抵抗に関して製造上のばらつきが少ない材料によって作製される。従
って、その電極導体の抵抗が全体抵抗に及ぼす影響は比較的少ない。

【００１０】 独立請求項１項と２項の特徴部分の組み合わせである独立請求項２１に記載さ
れた本発明により、測定センサの動作温度の制御がさらに改善される。

【００１１】 従属請求項に記載された手段によって、独立請求項に示された測定センサの有
利な別の構成が可能である。

【００１２】 内部ポンプ電極導体および/または参照電極導体を、それぞれの電極に対して
小さなイオン伝導度を備えている材料、またはイオン伝導度を備えていない材料
によって形成することにより、それぞれの電極導体の抵抗結合が阻止されるとい
う付加的な利点が得られる。この抵抗結合は、ポンプ電圧がセンサセルの測定電
圧に影響を及ぼすという反作用を引き起こす可能性がある。それぞれの電極導体
の抵抗結合を阻止することより、ラムダ＝１のリプル成分は減少、ないしは阻止
され、これにより測定センサの制御ダイナミックスがさらに改善される。

【００１３】 別の付加的な利点は、外部ポンプ電極導体および/または内部ポンプ電極導体
をそれぞれの電極に対して低抵抗の材料によって形成することにより得られる。
これにより、外部ポンプ電極導体および/または内部ポンプ電極におけるポンプ
電圧の降下が減少し、従ってポンプ機能が改善される。

【００１４】 本発明の特別な構成では、参照電極導体がヒータの層平面に配置され、これに
より、少なくとも１つのプリント工程が節約されることが可能である。本発明の
別の構成では、ヒータおよび参照電極導体は同じ材料から作製されており、これ
により、さらなる加工技術上の利点が得られる。

【００１５】 図面 本発明を、図および以下の記述に基づいて説明する。

【００１６】 図１は、測定センサの第１の実施例を展開図で示したものである。

【００１７】 図２は、測定センサの別の実施例を展開図で示したものである。

【００１８】 図３は、測定センサの電極導体を有する電極を平面図で示したものである。

【００１９】 図４は、電極導体を有する電極、並びにヒータを平面図で示したものである。

【００２０】 実施例の説明 図１は、ガス分析のための電気化学的測定センサを平面的なセンサ素子１０の
形式で示したものである。測定領域６１および導体領域６２を備えるセンサ素子
１０は、電気的接続接点６０、ヒータシートとして示された第１の固体電解質シ
ート１１、絶縁層１２、ヒータ１３、別の絶縁層１４、参照ガスチャンネルシー
トとして示された第２の固体電解質シート２０、並びに参照電極導体２２を備え
る参照電極２１を有している。参照ガスチャンネルシート２０には参照ガスチャ
ンネル２９が形成されており、この参照ガスチャンネル２９は導体領域で開口部
を介し、参照ガス雰囲気としての空気と接触する。センサ素子はさらに参照電極
２１および参照電極導体２２の上方に、測定シートとして示された第３の固体電
解質シート２３、測定電極導体２７を備える測定電極２６、並びに多孔性の保護
層２８を有している。

【００２１】 図２は、ガス分析のための電気化学的測定センサの別の実施例を示している。
この測定センサは、２つのセル３７、３８を有するいわゆる広帯域センサである
。第１のセル３７は濃度セルであり、ネルンスト原理に基づき動作する。第１の
セル３７の作用方式は図１で示された測定センサに相応している。それゆえ、同
じ素子には、図２で同じ参照符号が使用されている。第２のセル３８は電気化学
的ポンプセルであり、第１のセル３７と共に積層され、それ自体公知の方法で広
帯域センサの機能原理に従って濃度セルと共働する。第１のセル３７と第２のセ
ル３８との間の移行領域には、中間層３５および充填層３４が、拡散バリヤ３０
を収容するための、詳細には図示されていない中間空間を形成するため配置され
ている。第２のセル３８は、内部ポンプ電極導体３２を備える内部ポンプ電極３
１、ポンプシートとして示された第４の固体電解質シート３３、外部ポンプ電極
導体４１を備える外部ポンプ電極４０、並びに多孔性の保護層４２を有している
。測定電極導体２７および内部ポンプ電極導体３２はセンサ素子１０の導体領域
６２で合流する。

【００２２】 図３は、電極５０および電極導体５１を有する固体電解質シート４９の拡大図
である。この電極５０および電極導体５１は、例えば図１に示された測定センサ
の、測定電極導体２７を有する測定電極２６、または参照電極導体２２を有する
参照電極２１を構成することができる。図３に示された電極導体５１を有する電
極５０は、例えば図２に示された測定センサの外部ポンプ電極導体４１を有する
外部ポンプ電極４０、内部ポンプ電極導体３２を有する内部ポンプ電極３１、測
定電極導体２７を有する測定電極２６または参照電極導体２２を有する参照電極
２１でもあり得る。

【００２３】 電極導体５１は、有利にはプラチナである導電性の材料から成り、機械的な安
定化のために、例えば７体積％のAl_２O_３のセラミックス成分を含有する。電極
５０は、有利にはプラチナである触媒材料およびＹ_２O_３で安定された有利には
２０体積％のZrO_２から成る。別の実施例では電極５０は、増孔剤によって形成
された多孔質をさらに有している。電極５０と電極５１との間での移行は、オー
バラップゾーンを有するくさび形の移行領域５２によって行われる。電極５０お
よび電極導体５１の製造は、それ自体公知の方法、例えばスクリーン印刷によっ
て行われる。

【００２４】 示された実施例は、図１および図２に示された個々の電極とそれぞれの電極導
体との任意の組み合わせに対して適用され得る。電極導体５１を備える電極５０
の示された実施例を、上記の形式の別の電気化学的測定センサに対しても適用す
ることは十分に考えられる。

【００２５】 広帯域センサ（図２）のための実施例の場合、ラムダ=1のリプル成分を減少さ
せるために、内部ポンプ電極導体３２および/または参照電極導体２２は、セラ
ミックス成分としてのAl_２O_３によって構成される。Al_２O_３は、電極２１、３１
に対するセラミックス材料として有利であり、Ｙ_２O_３で安定されたZrO_２と比較
してイオン伝導度を備えていない。これにより、電極導体２２と３２との間では
イオン伝導は生じず、そのためこの領域では内部抵抗が高められる。

【００２６】 広帯域センサ（図２）に対する別の実施例では、導体領域でポンプ電圧の降下
を減少させるために外部ポンプ電極導体４１は、外部ポンプ電極４０の材料と比
較して低抵抗の材料を有している。このことは、例えばプラチナである導電性の
材料の割合が、外部ポンプ電極４０より外部ポンプ電極導体４１のセラミックス
材料において多いことによって得られる。

【００２７】 図４には、電極５０および電極導体５１が移行領域５２とともに１つの層平面
上に配置され、この層平面には固体電解質体に埋め込まれたヒータ５５が配置さ
れている、別の実施例が示されている。例えばこれに加えて、ヒータ５５、電極
５０および電極導体５５が第１の絶縁層１２上にプリントされる。有利な実施例
では、ヒータ５５は電極導体５１と同じ材料から作製される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、測定センサの第１の実施例を展開図で示したものである。

【図２】 図２は、測定センサの別の実施例を展開図で示したものである。

【図３】 図３は、測定センサの電極導体を有する電極を平面図で示したものである。

【図４】 図４は、電極導体を有する電極、並びにヒータを平面図で示したものである。

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 混合ガスにおけるガス成分および/またはガス濃度を検出す
   るための電気化学的測定センサであって、 イオン伝導性の固体電解質体上に配置された少なくとも１つの電極を有してお
   り、前記電極には電極導体が導かれている形式の電気化学的測定センサにおいて
   、 電極導体（５１）は、電極（５０）の材料と比較して格段に小さなイオン伝導
   度を備えている材料、またはイオン伝導度を備えていない材料を有していること
   を特徴とする電気化学的測定センサ。
2. 【請求項２】 電極（５０）および電極導体（５１）は、それぞれセラミッ
   クス材料から形成され、 その実質的なセラミックス成分は電極（５０）と電極導体（５１）では異なっ
   ていることを特徴とする、請求項１記載の電気化学的測定センサ。
3. 【請求項３】 電極導体（５１）のセラミックス成分は、５〜１０体積％の
   Al_２O_３を含有していることを特徴とする、請求項２記載の電気化学的測定セン
   サ。
4. 【請求項４】 電極（５０）のセラミックス成分は、Y_２O_３で安定された１
   ０〜６０体積％の、有利には２０体積％のZrO_２を含有していることを特徴とす
   る、請求項２記載の電気化学的測定センサ。
5. 【請求項５】 少なくとも電極（５０）は、増孔剤を加えることによって高
   められた多孔質を有していることを特徴とする、請求項４記載の電気化学的測定
   センサ。
6. 【請求項６】 電極（５０）および/または電極導体（５１）の金属成分は
   、プラチナを含有していることを特徴とする、請求項２記載の電気化学的測定セ
   ンサ。
7. 【請求項７】 電極導体（５１）と電極（５０）の間に、オーバラップゾー
   ンを有するくさび型の移行領域が構成されていることを特徴とする、請求項１記
   載の電気化学的測定センサ。
8. 【請求項８】 電極導体（５１）および/または電極（５０）は層平面に配
   置され、 前記層平面には、固体電解質体に埋め込まれたヒータ（５５）が配置されてい
   ることを特徴とする、請求項１記載の電気化学的測定センサ。
9. 【請求項９】 ヒータ（５５）は、電極（５１）と同じ材料から作製されて
   いることを特徴とする、請求項８記載の電気化学的測定センサ。
10. 【請求項１０】 電極（５０）は、測定セルの相応の電極導体（３２、２２
    ）を有する内部ポンプ電極（３１）および/または参照電極（２１）であること
    を特徴とする、請求項１記載の電気化学的測定センサ。
11. 【請求項１１】 混合ガスにおけるガス成分および/またはガス濃度を検出
    るための電気化学的測定センサであって、 イオン伝導性の固体電解質体上に配置された少なくとも１つの電極を有してお
    り、前記電極には電極導体が導かれている形式の電気化学的測定センサにおいて
    、 電極導体（５１）は、電極（５０）の材料と比較して、低抵抗の材料を有して
    いることを特徴とする電気化学的測定センサ。
12. 【請求項１２】 電極（５０）および電極導体（５１）はそれぞれセラミッ
    クス材料から形成されており、 その実質的なセラミックス成分は、電極（５０）と電極の導体（５１）とで異
    なっていることを特徴とする、請求項１１記載の電気化学的測定センサ。
13. 【請求項１３】 電極導体（５１）のセラミックス成分は、５〜１０体積％
    のAl_２O_３を含有していることを特徴とする、請求項１２記載の電気化学的測定
    センサ。
14. 【請求項１４】 電極（５０）のセラミックス成分は、Y_２O_３で安定された
    １０〜６０体積％の、有利には２０体積％のZrO_２を含有していることを特徴と
    する、請求項１２記載の電気化学的測定センサ。
15. 【請求項１５】 少なくとも電極（５０）は、増孔剤を加えることによって
    高められた多孔質を有していることを特徴とする、請求項１４記載の電気化学的
    測定センサ。
16. 【請求項１６】 電極（５０）および/または電極導体（５１）の金属成分
    は、プラチナを含有していることを特徴とする、請求項１２記載の電気化学的測
    定センサ。
17. 【請求項１７】 電極導体（５１）と電極（５０）の間に、オーバラップゾ
    ーンを有するくさび型の移行領域が構成されていることを特徴とする、請求項１
    １記載の電気化学的測定センサ。
18. 【請求項１８】 電極導体（５１）および/または電極（５０）は層平面に
    配置され、 前記層平面には、固体電解質体に埋め込まれたヒータ（５５）が配置されてい
    ることを特徴とする、請求項１１記載の電気化学的測定センサ。
19. 【請求項１９】 ヒータ（５５）は、電極導体（５５）と同じ材料から作製
    されていることを特徴とする、請求項１８記載の電気化学的測定センサ。
20. 【請求項２０】 電極導体（５１）を有する電極（５０）は、相応の電極導
    体（４１、３２）を有する外部ポンプ電極（４０）および/または内部ポンプ電
    極（３１）であることを特徴とする、請求項１１記載の電気化学的測定センサ。
21. 【請求項２１】 混合ガスにおけるガス成分および/またはガス濃度を検出
    するための電気化学的測定センサであって、 イオン伝導性の固体電解質体上に配置された少なくとも１つの電極を有してお
    り、前記電極には電極導体が導かれている形式の電気化学的測定センサにおいて
    、 電極の導体（５１）は、電極（５０）の材料と比較して低抵抗の材料を有して
    おり、 前記材料は、電極（５０）の材料と比較して格段に小さなイオン伝導度を備え
    ている、またはイオン伝導度を備えていないことを特徴とする電気化学的測定セ
    ンサ。