JP2005525552A - 電気化学的測定器用のセンサ - Google Patents

Abstract

電気化学的測定器用のセンサ
発明は、測定ガス中のガス成分の濃度を求める、殊に、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を求める電気化学的測定器用のセンサを提供する。このセンサは、支持体（１１）の一方の面の表面上に構成されたネルンストセル（１２）と、支持体（１１）の他方の面上にある電気的加熱部（１４）を有している。加熱部（１４）の迅速な加熱時のバイメタル作用、ひいてはこのバイメタル作用に結び付く支持体（１１）の長手辺における高い引張応力を回避するために、加熱部（１４）は第１の支持体（１１）と固定された第２の支持体（１３）に配置される。この第２の支持体は、第１の支持体（１１）と同じ材料から成り、少なくとも近似的に第１の支持体（１１）と同じ厚さを有している。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された、ガス中、殊に内燃機関の排気ガス中の酸素含有を求める電気化学的な測定器用（Messfuehler）のセンサから出発する。

この種の公知のセンサ（ＤＥ１９７５１１２８Ａ１）では、メアンダ状の、電気抵抗導体として構成された加熱部が、ネルンストセルの方を向いていない支持体層表面上に印刷され、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成る、同じように印刷されたカバー層によって覆われる。カバー層と加熱部は、支持体層ともに「共に焼結（co-gefiret）」されている。ネルンストセルを収容している支持体層表面上には、多孔質の接着層が焼結され、この多孔質接着層上には、イットリウムによって安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）から成るガスを通さないベース層が印刷されている。順次連続する印刷ステップではその後、自身のリード線とともに基準電極および基準チャネルを与える犠牲層が印刷される。引き続き、イオン導体、固体電界質およびリード線を有する外部電極が印刷される。外部の多孔質保護層が外部電極上に印刷され、ガスを通さないカバー部が外部電極へのリード線上に印刷される。

発明の利点
加熱部は第１の支持体に固定されている第２の支持体と結合されており、第２の支持体は、第１の支持体と同じ材料から成り、少なくとも近似的に第１の支持体と同じ厚さを有している、ことを特徴とする、本発明によるセンサは、加熱部がセンサの中央に位置しており、各センサ面上に同じかつ低い引張応力が生じるという利点を有している。公知のセンサで比較的迅速な加熱時に生じるバイメタル作用および、これによってもたらされる、支持体の長手エッジにおける高い引張応力が回避される。イットリウム安定化酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からも酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からも成る２つの支持体に対して２つのセラミック薄膜しか必要でない場合、加熱部およびネルンストセルに対する２つのレイアウトが、幾何学的に完全に相互に依存しないで製造可能である。この場合、必要とされる位置付け精度は格段に少なくなる。センサは非常に良好なクイックスタート特性を有する。なぜならわずかな熱容量だけが加熱されればよく、さらに加熱部の中央配置が高い加熱出力傾斜を可能にするからである。加熱部およびネルンストセルに対して別にされた２つの支持体を有する本発明のセンサ構造によって、第２の測定セルを、ネルンストセルの方を向いていない、第２の支持体表面上に構造することができる。この測定セルはさらなるネルンストセルであっても、（例えば炭化水素に対する）他の感応性を有するセルであってもよい。

さらなる請求項２〜５に記載された措置によって、請求項１に記載されたセンサを有利に発展構成すること、および改善することができる。

基準電極が基準チャネル内に配置されており、基準チャネルは多孔性に充填されており、相互に重なり合っている各２つのリード線の２つの対の間の中央に延在しており、２つの対のうちの１つの対は基準電極に属しており、１つの対は外部電極にそれぞれ属しており、各リード線対のうちの下方のリード線は基準電極を有する面に位置し、上方のリード線は外部電極を有する面に位置し、各リード線対は上方および下方の絶縁層によって覆われていることを特徴とする本発明のセンサは、次の利点を有する。すなわち、基準チャネルの多孔性充填によって、センサハウジング内へセンサをプレスする時に、カバー部が薄い場合でも後者が生じないという利点を有している。より容易には電極は、相応に同じオーム抵抗を有するそれぞれ１つの二重リードを得る。外部電極および基準電極は、印刷層、すなわち固体電界質の周囲のみに相互に重なっており、これによってほぼ同じ温度を有する。第１の支持体上の下方のリード線絶縁によって、ネルンストセルは加熱部からのノイズ入力結合に対して絶縁される。ここでこのリード線絶縁は、後に印刷される基準チャネルの領域も覆うことができる。

請求項７〜１１に記載された措置によって、請求項６に記載されたセンサを有利に発展構成すること、および改善することができる。

支持体上に下方の絶縁層を印刷し、その後、多孔質に充填された基準チャネルを絶縁層に対して中央に、かつ測定ガス側の終端部に下方絶縁層を越えて前記支持体上に印刷し、続いて、自身の第１のリード線を有する基準電極および外部電極に対する第１のリード線を、基準電極が基準チャネルの測定ガス側の前方部分を覆い、２つのリード線が下方絶縁層上に位置するように印刷し、基準電極の領域において、複数の薄い印刷層内に固体電界質を印刷し、引き続き、共通の印刷過程において外部電極を固体電界質上に印刷し、外部電極の第２のリード線を外部電極の第１のリード線上に印刷し、基準電極の第２のリード線を基準電極の第１のリード線上に印刷し、２つの上方のリード線とその間に位置する基準チャネル上に、上方の絶縁層を印刷し、外部電極上に保護層を印刷することを特徴とする、上述したセンサの本発明による製造方法は次の利点を有している。すなわち、非常に簡単かつ廉価に実行可能であり、僅かな構造高さを有するセンサの製造を可能するという利点を有している。

図面
本発明を図示された実施例に基づいて以下の明細書でより詳細に説明する。図は概略的に示されている。

図１には、電気化学的測定器に対するセンサが、測定ガス側端部付近で、図４の切断線Ｉ〜Ｉに従って横断面図で示されており、
図２には、センサが、測定ガスから遠い方の端部付近で、図４の切断線ＩＩ〜ＩＩに従って横断面図で示されており、
図３には、加熱部を伴わない図１に示されたセンサの個々の機能層の概略的な平面図が示されており、
図４には、図３に記載された相互に重なっている４つの最下方機能層の平面図が示されており、
図５には、修正されたセンサの図１に示された図と同じ図が示されている。

実施例の説明
図１および図２には２つの異なる断面図でセンサが示されている。このセンサは内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を求めるための電気化学的測定検知器用のセンサである。これはプレーナー型ラムダ−１−ゾンデまたプレーナー型亀裂ゾンデ（Sprungsonde）とも称される。このセンサは第１の支持体を１１を有している。この支持体はイットリウム安定化酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）から成る。この第１の支持体上には、ネルンストセル１２が構成されている。また、このセンサは第２の支持体１３を有している。この第２の支持体はイットリウム安定化酸化ジルコニウムから成る。この第２の支持体上には電気的加熱部１４が構成されている。２つの支持体１１、１３は同じ厚さを有している。加熱部１４はメアンダ状の平らな抵抗導体１５から成る。この抵抗導体は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成る絶縁部１６内に組み込まれており、加熱電圧に接続可能である。抵抗導体１５および絶縁部１６は、例えば第２の支持体１３の表面上に印刷されている。絶縁部１６は有利には、固体電解質２１から成る緊密な枠１７によって取り囲まれている。第１の支持体１１は絶縁部１６と、例えば絶縁性のイオン非導電性薄膜結合によって固定的に接続されている。択一的に２つの支持体１１、１３が酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成っていても良い。この場合には絶縁部１６は省かれ、酸化アルミニウムから成る緊密な枠が抵抗導体１５を取り囲む。

ネルンストセル１２は支持体１１の測定ガス側端部に配置された基準電極１８並びに、測定ガスないし排気ガスにさらされる外部電極２０を有している。ここで基準電極１８は基準チャネル１９を介して、基準ガス（通常は空気）にさらされる。基準電極１８および外部電極２０は、固定電解質２１の相互に反している側に配置されており、平坦な導体路として構成されている電気的なリード線が設けられている。基準チャネル１９は多孔質に充填されており、例えば酸化アルミニウムによって充填されており、直接的に相互に重なっているそれぞれ２つのリード線から成る、２つの対の間の中央に延在している。第１および第２のリード線２２、２３から成る対は基準電極１８に属しており、第１および第２のリード線２４、２５からなる対は外部電極２０に属している。基準電極１８の第１のリード線２２および外部電極２０の第１のリード線２４は基準電極１８の面に延在している。ここで第１のリード線２２の一部は基準電極１８に接続されている。基準電極１８の第２のリード線２３および外部電極２０の第２のリード線２５は、外部電極２０と共に同じ面に位置している。ここで第２のリード線２５の一部は外部電極２０と接続されている。リード線２２、２３ないし２４、２５の各対は、下方の絶縁層２６および上方の絶縁層２７によって覆われている。ここで下方の絶縁層２６は直接的に第１の支持体１１の表面上に配置されており、基準チャネル１９の領域で空けておかれている。また、上方の絶縁層２７は第２のリード線２２、２３並びにその間に位置する基準チャネル１９を覆っている。各対内で直接的に重なり合っているリード線２２、２３ないし２４、２５は第１の支持層１１の測定ガスから遠い方の端部で横断面がより大きい接続コンタクト２８、２９に形成されている。図２に示されているように、センサの測定ガス側の端部に構成されている基準電極１８は、直接的に多孔性に充填されている基準チャネル１９上に位置している。基準電極１８と外部電極２０の間には固体電解質２１が配置されており、外部電極２０はガス通過性の保護層３０によって覆われている。図３には、上述したネルンストセル１２の個々の機能層が平面図で示されている。これらの機能層は始めは第１の支持体１１と共に相互に重なっている。支持体１１は（支持体１３も同じように）セラミック薄膜として構成されている。このセラミック薄膜上には残りの機能層がプリントされる。

上述のセンサは次のようにして製造される。ここで図３および図３に記載された参照番号が示されている。

支持体膜１１上には下方絶縁層２６、２７が印刷される。ここでこれらは基準チャネル１９の領域において空けられている。しかし択一的に絶縁層２６は基準チャネル１９の領域を覆うことも可能である。その後、多孔質で充填された基準チャネル１９の領域が印刷される。ここで有利には基準チャネルは開放多孔性の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から製造される。次の機能層として自身の第１のリード線２２を有する基準電極１８および外部電極２０に対する第２のリード線２３が印刷され、ここで終端部側のコンタクト２８、２９が構成される。引き続き複数の薄い印刷層内に酸化イットリウム（Ｙ_２０_３）によって安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）から成る固体電解質２１が印刷される。この後に第２のリード線２５を有する外部電極２０が続く。この第２のリード線は第１のリード線２４と完全に等しく位置している。また、同時に基準電極１８に対する第２のリード線２３が共に印刷される。この第２のリード線は完全に等しく第１のリード線２２上に位置する。その後、上方の絶縁層２７が印刷され、これは第２のリード線２３、２５および基準チャネル１９を被覆する。基準電極１９の開放多孔性酸化アルミニウムはここで、その上に位置する閉鎖多孔性絶縁層２７との最適な接続を保証する。この閉鎖多孔性絶縁層は同じように酸化アルミニウムから製造される。最後に、外部電極２０上にガス通過性の保護層３０が印刷される。

図４には、図３と同じように下方の機能層１１、２６、１９並びに２２および２４を有する１８が重なり合っていることが示されている。図３の残りの４つの別の機能層である２５を有する２０および２３、２７並びに３０は図示されたゲオメトリで重なり合って印刷され、図１および２に横断面図で示されたセンサが構成される。個々の機能層の印刷は有利にはシルクスクリーン印刷方法で行われる。

センサ中央に位置する加熱部１４を有する図１および図２のセンサの上述した構成は、図５に横断面で示されているように、第２のネルンストセル１２' を、第２の支持体１３上に、第１の支持体１１の方を向いていない表面上に構成することを可能にする。ネルンストセル１２' の構成はネルンストセル１２の上述した構成に相応する。従って同じコンポーネントには同じ参照番号が付けられている。ネルンストセル１２' の代わりに、例えば炭化水素に対する他の感応性を有するセルを設けることも可能である。

電気化学的測定器用センサの、測定ガス側端部付近での、図４の切断線Ｉ〜Ｉに従った横断面図である。

測定ガスから遠い方の端部付近での、図４の切断線ＩＩ〜ＩＩに従ったセンサの横断面図である。

加熱部を伴わない図１に示されたセンサの個々の機能層の概略的な平面図である。

図３に記載された相互に重なっている４つの最下方機能層の平面図である。

修正されたセンサの、図１に示された図と同じ図である。

Claims (13)

1. 測定ガス中のガス成分の濃度を求める、殊に、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を求める電気化学的測定器用のセンサであって、
   支持体（１１）の一方の面の表面上に構成されたネルンストセル（１２）と、
   前記支持体（１１）の他方の面上にある電気的加熱部（１４）とを有しており、
   前記ネルンストセルは、基準ガスにさらされる基準電極（１８）と、測定ガスにさらされる外部電極（２０）と、基準電極および外部電極（１８, ２０）を相互に分けているイオン伝導性の固体電解質（２１）を有している形式のものにおいて、
   前記加熱部（１４）は、前記第１の支持体（１１）に固定されている第２の支持体（１３）と結合されており、
   前記第２の支持体は、前記第１の支持体（１１）と同じ材料から成り、少なくとも近似的に前記第１の支持体と同じ厚さを有している、
   ことを特徴とする、電気化学的測定器用のセンサ。
2. 前記支持体（１１, １３）は酸化イットリウム（Ｙ_２０_３）によって安定化されている酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）から成り、前記加熱部（１４）は絶縁部（１６）内に組み込まれている、請求項１記載のセンサ。
3. 前記支持体（１１, １３）は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成る、請求項１記載のセンサ。
4. 前記加熱部（１４）の方を向いていない、前記第２の支持体（１３）の表面上に、さらなるネルンストセル（１２' ）または例えば炭化水素に対する他の測定感応性を有する測定セルが構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。
5. 前記支持体（１１, １３）は薄膜として構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ。
6. 前記基準電極（１８）が基準チャネル（１９）内に配置されており、
   当該基準チャネルは多孔性に充填されており、相互に重なり合っている各２つのリード線（２２, ２３ないし２４, ２５）の２つの対の間の中央に延在しており、
   当該２つの対のうちの１つの対（２２, ２３）は基準電極（１８）に属しており、１つの対（２４, ２５）は外部電極（２０）にそれぞれ属しており、
   各リード線対（２２, ２３ないし２４, ２５）のうちの下方のリード線（２２, ２４）は基準電極（１８）を有する面に位置し、上方のリード線（２３, ２５）は外部電極（２０）を有する面に位置し、
   各リード線対（２２, ２３ないし２４, ２５）は上方および下方の絶縁層（２６, ２７）によって覆われている、請求項１の上位概念、殊に請求項１から５までのいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記外部電極（２０）は、ガス透過性の多孔性の保護層（３０）によって覆われている、請求項６記載のセンサ。
8. 前記保護層（３０）は、酸化アルミニウムから成る、請求項７記載のセンサ。
9. 前記基準チャネル（１９）は、多孔性の酸化アルミニウムから成る、請求項６から８までのいずれか１項記載のセンサ。
10. 前記リード線（２２〜２５）は、平らな導体路として構成されている、請求項６から９までのいずれか１項記載のセンサ。
11. 個々の層および電極およびリード線は、支持体（１１）上に相互に重なって印刷されている、請求項６から１０までのいずれか１項記載のセンサ。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項に記載されたセンサを製造する方法であって、
    支持体（１１）上に下方の絶縁層（２６）を印刷し、
    その後、多孔質に充填された基準チャネル（１９）を絶縁層（２６）に対して中央に、かつ測定ガス側の終端部に下方絶縁層（２６）を越えて前記支持体（１１）上に印刷し、
    続いて、自身の第１のリード線（２２）を有する前記基準電極（１８）および外部電極（２０）に対する第１のリード線（２４）を、前記基準電極（１８）が基準チャネル（１９）の測定ガス側の前方部分を覆い、２つのリード線（２２, ２４）が下方絶縁層（２６）上に位置するように印刷し、
    前記基準電極（１８）の領域において、複数の薄い印刷層内に固体電界質（２１）を印刷し、
    引き続き、共通の印刷過程において前記外部電極（２０）を当該固体電界質（２１）上に印刷し、前記外部電極（２０）の第２のリード線（２５）を外部電極の第１のリード線（２４）上に印刷し、基準電極（１８）の第２のリード線（２３）を基準電極の第１のリード線（２２）上に印刷し、
    ２つの上方のリード線（２３, ２４）とその間に位置する基準チャネル（１９）上に、上方の絶縁層（２７）を印刷し、
    前記外部電極（２０）上に保護層（３０）を印刷する、
    ことを特徴とする、センサの製造方法。
13. 前記印刷をシルクスクリーン印刷方法で行う、請求項１２記載の方法。

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