JP2006514280A - センサ素子 - Google Patents

Abstract

測定ガスの物理量を検出するために使用される層状に構成されたセンサ素子（１０）が提案されている。該センサ素子（１０）はとりわけ、測定ガスのガス成分の濃度を検出するために使用される。ヒータ（４１）はヒータ絶縁部（４２）によって包囲されている。ヒータ（４１）とヒータ絶縁部（４２）との間には、少なくとも部分的に中空エレメント（４３，４４）が設けられている。

Description

本発明は、測定ガスの物理量を検出するための次の形式のセンサ素子に関する。すなわち、とりわけ測定ガスのガス成分の濃度を検出するためのセンサ素子であり、層状に構成されており、少なくとも１つのヒータおよび少なくとも１つの測定エレメントを有しており、該ヒータはヒータ絶縁部によって包囲されている形式のセンサ素子に関する。

この形式のセンサ素子は、たとえばＤＥ１００５３１０７Ａ１から公知である。ここではセンサ素子は、プレーナ技術で層状に構成され、測定エレメントを加熱するために加熱エレメントを有する。この加熱エレメントは２つの固体電解質層間に配置されており、ヒータおよびヒータ絶縁部を有する。このヒータは、ヒータ絶縁部に完全に埋め込まれており、該ヒータ絶縁部によって、周辺の固体電解質層から電気的に絶縁されている。

固体電解質層は基本的に、酸化イットリウムによって安定化された酸化ジルコニウムから成る。ヒータ絶縁部は基本的に、酸化アルミニウムから成る。ヒータは白金から成る。

このセンサ素子は、ヒータ絶縁部およびヒータ等の機能層を固体電解質膜（焼結前の固体電解質層）に、スクリーン印刷によって塗布することによって製造される。その後、印刷された固体電解質膜は一緒にラミネートされ、焼結される。

焼結プロセスの最後に、層間（固体電解質層、ヒータ絶縁部およびヒータの相互間）にまず、応力のない状態が形成される。次にセンサ素子が冷却されると、ヒータ絶縁部は張力にさらされる。というのも酸化アルミニウムの熱膨張係数は、酸化ジルコニウムおよび白金の熱膨張係数より小さいからである。

ここでセンサ素子が作動し、ヒータによって必要な作動温度まで加熱されると、ヒータ絶縁部に負荷がかかる。というのも、ヒータの領域において大きな温度の傾きが発生し、それによって付加的な張力が発生するからだ。ヒータ（白金）の膨張係数はヒータ絶縁部の膨張係数より大きいので、ヒータ絶縁部にはヒータの容量膨張によって、さらに張力が加わる。これによって、ヒータ絶縁部にひびが形成され、ヒータが分断されてしまうおそれがある。

ＤＥ４３４３０８９Ａ１から、ヒータ絶縁部と固体電解質層との間に空洞が設けられた加熱エレメントが公知である。この構成における欠点は、ヒータ絶縁部に対してさらに張力が加わり、ヒータから測定エレメントへの熱伝導が悪くなることである。

本発明の利点
独立請求項に記載された本発明によるセンサ素子は、該センサ素子が作動温度まで加熱される際にヒータが膨張できる容量が存在するので、ヒータ絶縁部が付加的な張力にさらされることがないという利点を有する。こうするために、ヒータとヒータ絶縁部との間に中空エレメントが設けられる。ヒータの塑性の変形性は作動温度で良好になることに起因して、該ヒータはこの中空エレメントに膨張することができる。

ヒータ絶縁部にひびが発生することによって、ヒータを形成する加熱導体路が該ヒータの層レベルに対して垂直な方向にずらされた場合、ヒータは待避容量を使用することができ、該加熱導体路が切断によって分断されるのが回避される。

従属請求項に記載された手段によって、独立請求項に記載されたセンサ素子を有利に構成および発展させることができる。

有利には中空エレメントは、空洞として形成される。本発明の択一的な実施形態では中空エレメントは、孔の割合が少なくとも３０容積％であるハイポーラスの層である。特に確実にヒータの分断を回避するためには、中空エレメントのハイポーラス層の孔の割合を、少なくとも５０容積％とする。

中空エレメントを、ヒータの測定エレメントと反対側に配置するとさらに、該ヒータから測定エレメントへの熱伝播が良好になると同時に、該センサ素子の測定エレメントと反対側へ熱伝播が発生するのを中空エレメントによって低減することができる。このような中空エレメントの配置が特に有利になるのは、次のようなセンサ素子の場合である。すなわち、ヒータが主要面に設けられており、該ヒータから該センサ素子の外表面までの測定エレメントの方向の間隔が、該センサ素子の対向する外表面までの間隔より大きいセンサ素子の場合である。測定エレメントの方向の熱流が大きくなると、ヒータ位置が非対称的であっても、センサ素子における熱分布は十分に対称的になる。

該センサ素子の主要面に対して垂直かつ長手軸に対して垂直な方向に発生するヒータの膨張は有利には、同方向に発生する中空エレメントの膨張より小さい。この構成によって、ヒータは該センサ素子の主要面にも膨張することができる。

中空エレメントは、一続きの層として形成される。択一的に中空エレメントは、ヒータの長手軸に対して垂直なヒータの主要面に延在する複数の通路に下位分割される。これらの通路によって、ヒータの長手軸に沿って発生するイオンの運動が回避されるか、または少なくとも制限される。

ヒータは、２つのヒータ給電線に電気的に接続されている。これらのヒータ給電線は、センサ素子の長手軸に沿って延在し、スルーコンタクトおよび面コンタクトによって、該センサ素子の外側に配置された配線系に接続され、これによってヒータ給電線間に加熱電圧が印加される。これらのヒータ給電線の層厚さは有利には、ヒータより大きくなっている。ヒータ給電線の層厚さは、ヒータの層厚さのほぼ２倍であり、ヒータの層厚さと中空エレメントの層厚さとの和にほぼ相応する。このように比較的大きな層厚さによって、ヒータ給電線の抵抗を有利に低減することができる。

図面
本発明の実施例が図面に示されており、以下の説明において詳述されている。図１は、本発明の実施例としてセンサ素子の横断面を示しており、図２ａ〜２ｄは、ヒータ、ヒータ絶縁部および中空エレメントの本発明による構成の４つの実施形態を示している。図３および図４は、センサ素子の別の２つの実施形態の縦断面を示している。

実施例の説明
図１には本発明の実施例として、第１の固体電解質層２１と第２の固体電解質層２２と第３の固体電解質層２３と第４の固体電解質層２４とを有するセンサ素子１０が示されている。第２の固体電解質層２２には、基準ガス空間３５が挿入されており、この基準ガス空間３５に、高い酸素濃度を有する基準ガスが含まれている。基準ガス空間３５内には、第１の固体電解質層２１に第１の電極３５が取り付けられている。第１の固体電解質層２１の外表面には、第１の電極と反対側に第２の電極３２が配置されている。第１の電極３１および第２の電極３２は、両電極３１，３２間に配置された固体電解質２１とともに電気化学セルを、ひいてはセンサ素子１０の測定エレメント３３を形成する。

第２の固体電解質層２２には、第３の固体電解質層２３が隣接している。第３の固体電解質層２３と第４の固体電解質層２４との間に、加熱エレメント４０が設けられている。この加熱エレメント４０は、メアンダ状の導体路を有するヒータ４１を有している。このヒータ４１はヒータ絶縁部４２に埋め込まれており、該ヒータ絶縁部４２によって周辺の固体電解質層２３，２４から電気的に絶縁されている。ヒータ４１の測定エレメント３３と反対側には、空洞４３として形成された中空エレメント設けられている。ヒータ４１の幅および空洞４３の幅（すなわち、ヒータの長手軸に対して垂直なセンサ素子１０の主要面における広がり）は等しい。

第４の固体電解質層２４の厚さ（すなわち、センサ素子１０の主要面に対して垂直な第４の固体電解質層２４の広がり）は、該センサ素子１０の第２の電極３２が配置された外表面とヒータ４１との間の間隔の約６０％である（すなわち実質的に、第１の固体電解質膜２１の厚さと第２の固体電解質膜２２の厚さと第３の固体電解質膜２３の厚さとの和に相応する）。ヒータ４１の位置は非対称的であるが、センサ素子１０において十分に対称的な熱分布が得られる。というのも、第４の固体電解質層２４への熱伝播は空洞４３によって制限されるからだ。

図２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄは、ヒータ４１、ヒータ絶縁部４２および中空エレメント４３，４４の異なる実施形態を示している。これより以下では、相互に対応する構成要素は図面において同一の参照番号によって示される。図２ａに示された実施形態は、図１の実施形態に相応する。図２ｂに示された実施形態ではヒータ４１の幅は、空洞４３として形成された中空エレメントの幅より小さいので、ヒータ４１は該ヒータ４１の層レベルでも、該層レベルに対して垂直方向にも膨張することができる。図２ｃおよび図２ｄの実施形態は、図２ａおよび２ｂの実施形態に相応する。ここでは中空エレメントは、多孔質材料４４として形成されており、これらの実施形態では、多孔質材料４４の孔の割合は３０〜４０容量％にあり、とりわけ３５容量％である。

図３は、ヒータ４１の層レベルに沿って切断された、本発明によるセンサ素子１０の実施形態の断面図である。ヒータ４１、ヒータ絶縁部４２および空洞４３の形態は、図２ｂの実施形態に相応する。ヒータ４１は、第１のヒータ給電線４５ａおよび第２のヒータ給電線４５ｂに電気的に接続されており、これらのヒータ給電線はセンサ素子１０の長手軸に沿って延在している。ガスプローブの外部に配置された配線部によって、ヒータ給電線４５ａ，４５ｂ間に加熱電圧が印加され、ヒータ４１を流れる電流によって、センサ素子１０の測定エレメント３３が加熱される。ヒータ給電線４５ａ，４５ｂは、ヒータ給電線絶縁部４６によって完全に包囲されている。ヒータ給電線絶縁部４６は、ヒータ給電線４５ａ，４５ｂに直接隣接している。ヒータ給電線４５ａ，４５ｂの高さ（すなわち、図３の切断面に対して垂直方向の長さ）は、ヒータ４１の高さの２倍である。ヒータ４１の高さと空洞４３の高さとの和は、ヒータ給電線４５ａ，４５ｂの高さにほぼ相応する。空洞４３内部のヒータ４１の配置は、図２ｂに示された構成に相応する。

ここに示されていない本発明の択一的な実施形態では、ヒータ給電線の高さはヒータの高さにほぼ相応する。この実施形態では、材料を削減できるという利点が得られる。

図４は別の実施形態を、図３ですでに選択された断面図で示している。図４の実施形態が図３の実施形態と異なる点は、空洞４３として形成された中空エレメントが多数の通路に下位分割されていることである。これらの通路は、ヒータ４１の長手方向に対して垂直に、センサ素子１０の主要面を延在している。

本発明の実施例としてセンサ素子の横断面を示している。 ヒータ、ヒータ絶縁部および中空エレメントの本発明による構成の４つの実施形態を示している。 センサ素子の別の実施形態の縦断面を示している。 センサ素子の別の実施形態の縦断面を示している。

Claims (13)

1. 層状に形成されたセンサ素子（１０）であって、
   測定ガスの物理量を検出するためのセンサ素子であり、たとえば測定ガスのガス成分の濃度を検出するためのセンサ素子であり、
   ヒータ（４１）および少なくとも１つの測定エレメント（３３）が設けられており、
   該ヒータ（４１）は、ヒータ絶縁部（４２）によって包囲されている形式のものにおいて、
   該ヒータ（４１）とヒータ絶縁部（４２）との間に、少なくとも部分的に中空エレメント（４３，４４）が設けられていることを特徴とするセンサ素子。
2. 前記中空エレメントは、空洞（４３）である、請求項１記載のセンサ素子。
3. 前記中空エレメントは、開放的な多孔性を有する多孔質材料（４４）であり、
   前記多孔質材料（４４）の孔の割合は、１５〜７０容量％であり、とりわけ３０〜４０％である、請求項１記載のセンサ素子。
4. 前記中空エレメント（４３，４４）は、該ヒータ（４１）の測定エレメント（３３）と反対側に設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ素子。
5. 該センサ素子（１０）の主要面に対して垂直でありかつ該ヒータ（４１）の長手軸に対して垂直な方向の該ヒータ（４１）の長さは、前記中空エレメント（４３，４４）の同方向の長さより小さいか、または該長さに等しい、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ素子。
6. 該センサ素子（１０）の主要面に対して垂直でありかつ該ヒータの長手方向に対して垂直な方向の該ヒータ（４１）の長さは最大でも、前記中空エレメント（４３，４４）の同方向の長さの半分である、請求項５記載のセンサ素子。
7. 前記中空エレメント（４３，４４）は複数の通路に下位分割されており、
   前記通路は該ヒータ（４１）の主要面にて、該ヒータ（４１）の長手方向に対して垂直に延在する、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ素子。
8. 該センサ素子（３３）は、少なくとも１つの電気化学セルを有しており、
   前記電気化学セルは、第１の電極（３１）および第２の電極（３２）を有しており、該第１の電極（３１）と第２の電極（３２）との間に固体電解質（２１）とを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ素子。
9. 該センサ素子（１０）には基準ガス空間（３５）が挿入されており、
   前記基準ガス空間（３５）に前記第１の電極（３１）が配置されており、
   前記基準ガス空間（３５）は、該ヒータ絶縁部（４２）に直接隣接しているか、または固体電解質膜（２３）によって該ヒータ絶縁部（４２）から分離されている、請求項８記載のセンサ素子。
10. 該ヒータ絶縁部（４２）は、固体電解質層（２３，２４）に隣接している、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ素子。
11. 該ヒータ（４１）は、第１のヒータ給電線（４５ａ）および第２のヒータ給電線（４５ｂ）に電気的に接続されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のセンサ素子。
12. 該センサ素子（１０）の主要面に対して垂直方向の該ヒータ（４１）の長さは、該ヒータ給電線（４５ａ，４５ｂ）の同方向の長さより小さい、請求項１１記載のセンサ素子。
13. 前記第１のヒータ給電線（４５ａ）および第２のヒータ給電線（４５ｂ）は、ヒータ給電線絶縁部（４６）によって包囲されており、
    前記ヒータ給電線絶縁部（４６）は、第１のヒータ給電線（４５ａ）および第２のヒータ給電線（４５ｂ）に直接隣接している、請求項１１または１２記載のセンサ素子。

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