JP3400511B2 - Sensor for measuring components of air-fuel mixture and method of manufacturing the same - Google Patents

Sensor for measuring components of air-fuel mixture and method of manufacturing the same

Info

Publication number
JP3400511B2
JP3400511B2 JP32791193A JP32791193A JP3400511B2 JP 3400511 B2 JP3400511 B2 JP 3400511B2 JP 32791193 A JP32791193 A JP 32791193A JP 32791193 A JP32791193 A JP 32791193A JP 3400511 B2 JP3400511 B2 JP 3400511B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sensor
catalyst
diaphragm
oxide
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP32791193A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH06235712A (en
Inventor
ノイマン ハラルト
リーゲル ヨハン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of JPH06235712A publication Critical patent/JPH06235712A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3400511B2 publication Critical patent/JP3400511B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/16Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by burning or catalytic oxidation of surrounding material to be tested, e.g. of gas

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は混合気の所定の成分の濃
度または濃度変化を測定するセンサおよびその製造法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor for measuring the concentration or change in concentration of a predetermined component of an air-fuel mixture, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来技術】混合気の所定の成分の濃度をまたは濃度変
化を、所定の大抵はセラミック材料の導電率の温度依存
性を利用する抵抗を有するセンサを用いて測定すること
は知られている。このことは、互いに反応してまたは分
解して熱を発生するまたは消費する成分を有する混合気
に対して、すべての場合に当てはまる。この種の抵抗に
これらの成分相互間の反応を促進する触媒を配属する
と、温度がしたがって抵抗を形成する材料の導電率が、
反応により発生されるまたは消費される熱に起因して変
化する。この変化された導電率を、触媒の配属されない
ため混合気の温度を示す抵抗の導電率と、または抵抗が
加熱されている限りこれから発生する温度を示す抵抗の
導電率と比較すると、両者の差の値から、混合気中の不
足している反応性成分の濃度を求めることができる。
2. Description of the Prior Art It is known to measure the concentration or change in concentration of a given component of an air-fuel mixture by means of a sensor having a resistance, which takes advantage of the temperature dependence of the electrical conductivity of a given ceramic material. This applies in all cases to mixtures with components which react or decompose with one another to generate or consume heat. Assigning to this type of resistance a catalyst that promotes the reaction between these components, the temperature and thus the conductivity of the material forming the resistance,
It changes due to the heat generated or consumed by the reaction. Comparing this changed conductivity with the conductivity of the resistance, which indicates the temperature of the air-fuel mixture because the catalyst is not assigned, or the conductivity of the resistance, which indicates the temperature generated from this as long as the resistance is heated, the difference between the two From the value of, the concentration of the lacking reactive component in the air-fuel mixture can be determined.

【0003】例えばエタン中のエチレンの濃度は次のよ
うにして測定できる。即ち化学量論的に過剰な水素を有
する混合気を、適正なセンサの抵抗に配属されている水
素添加触媒を介して案内し、反応エンタルピに起因する
この抵抗の温度をしたがって抵抗の導電率を変化するこ
とにより、測定できる。この種のセンサを、その他の条
件は等しくして基準気体により較正すると、導電率変化
とエチレン濃度との間の一義的な関係を設定できる。
For example, the concentration of ethylene in ethane can be measured as follows. That is, a mixture with a stoichiometric excess of hydrogen is guided through a hydrogenation catalyst, which is assigned to the resistance of the appropriate sensor, and the temperature of this resistance due to the reaction enthalpy and hence the conductivity of the resistance It can be measured by changing. If a sensor of this kind is calibrated with a reference gas with the other conditions being equal, a unique relationship between the change in conductivity and the ethylene concentration can be established.

【0004】複数個の反応性のまたは分解性の成分を含
む混合気の場合は、前記の関係が不明瞭になり一義的で
はなくなる。このことは例えば内燃エンジンの排気ガス
に対して当てはまる。この排気ガスは、酸化可能な成分
としての一酸化炭素および燃焼しなかった炭化水素、酸
化剤としての過剰な空気、および触媒により分解可能な
酸化ちっ素を含む。これらの有害物質は環境保護の理由
から実質的に除去する必要がある。このことは、燃焼気
体を約300℃以上の温度の下で適切な触媒を介して案
内し、前記の有害物質を二酸化炭素、水およびちっ素に
変化させることにより、行なわれる。
In the case of an air-fuel mixture containing a plurality of reactive or degradable components, the above relationship becomes unclear and is not unique. This applies, for example, to the exhaust gases of internal combustion engines. The exhaust gas contains carbon monoxide and unburned hydrocarbons as oxidizable components, excess air as oxidant, and catalytically decomposable nitrogen oxides. These harmful substances must be substantially removed for environmental protection reasons. This is done by guiding the combustion gases over a suitable catalyst at temperatures above about 300 ° C., converting the harmful substances mentioned above into carbon dioxide, water and nitrogen.

【0005】前記の触媒の寿命は制限されている。その
作用力は時間と共に低下し、そのため前記の有害物質は
次第に多く大気中へ放出される。この理由により、触媒
の機能能力の監視が望まれる。監視装置は運転者に音響
的にまたは光学的に、触媒が消もうしたことを示す。
The life of the above catalysts is limited. Its acting power decreases with time, so that more and more of the harmful substances are released into the atmosphere. For this reason, it is desirable to monitor the functional capabilities of the catalyst. The monitoring device indicates to the driver acoustically or optically that the catalyst has disappeared.

【0006】触媒の機能を、前記の有害物質の少なくと
も1つの濃度を触媒の入口側および出口側で測定するこ
とにより、監視できる。しかしこの方法は著しく費用が
かかり故障しやすい。ドイツ連邦共和国特許第A1−4
020383号公報に示されている方法によれば、触媒
の出口側で排気ガスまたはその一部の中へ感温センサを
挿入し、抵抗の温度上昇に起因して発熱反応にもとづい
て生ずる導電率変化を用いて排気ガスクリーニング用触
媒の機能の低下を検出する。この場合、前記の感温セン
サは、少なくとも2つのNTC抵抗またはPTC抵抗を
有し、さらに触媒により活性化される材料のこれらの抵
抗のうちの少なくとも1つの領域にセンサの被覆体を有
し、この材料において、排気ガスクリーニングのために
用いられる触媒においても進行するのと同じ反応を開始
する。
The function of the catalyst can be monitored by measuring the concentration of at least one of the abovementioned harmful substances at the inlet and outlet sides of the catalyst. However, this method is extremely expensive and prone to failure. Federal Republic of Germany Patent No. A1-4
According to the method disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 020383, a temperature-sensitive sensor is inserted into the exhaust gas or a part thereof at the outlet side of the catalyst, and the electrical conductivity generated based on the exothermic reaction due to the temperature rise of the resistance. The change is used to detect the deterioration of the function of the exhaust gas cleaning catalyst. In this case, the temperature-sensitive sensor has at least two NTC or PTC resistances, and further has a coating of the sensor on at least one of these resistances of the catalytically activated material, This material initiates the same reactions that proceed for the catalyst used for exhaust gas cleaning.

【0007】[0007]

【発明の効果】請求項1〜8に示されているセンサは従
来技術のそれよりも改善された感度と短縮された応動時
間により特徴づけられる。抵抗としてのダイヤフラムは
質量が小さく、そのため熱容量が小さい。さらにこのセ
ンサは、熱交換を遮断する領域により、センサの質量の
大きい素子から空間的に分離されているため、触媒にお
いて進行する反応の反応エンタルピー(即ち熱トーン)
が、相応に大きい熱容量を有する質量の大きい抵抗の場
合よりも、または質量の大きい、迅速な温度調整を可能
にするセンサ素子と接続されている質量の小さい抵抗の
場合よりも、より大きくかつより迅速に現われる温度変
化を生ぜさせる。測定感度は、測定抵抗としての薄いダ
イヤフラム層だけが作用することによっても高められ
る。完全な基板として構成されるセンサの場合、内側の
領域が導電率に寄与するが、温度上昇はしたがって抵抗
変化は主として表面が行なわれる。本発明によるセンサ
の独特の製造技術上の利点は、センサが請求項9〜13
に示された方法により、良好に開発されたスクリーン印
刷−(または厚膜−)およびセラミックフィルム技術に
より製造できる点にある。このセンサは大量生産中の著
しく少ない製造むらにより特徴づけられる。何故ならば
個々の層およびエレメントがコバルト焼結により互いに
固定的に結合されているからである。
The sensors as claimed in claims 1 to 8 are characterized by an improved sensitivity and a shorter response time than those of the prior art. The diaphragm as a resistor has a small mass and therefore a small heat capacity. In addition, the sensor is spatially separated from the sensor's high mass element by a region that blocks heat exchange, so the reaction enthalpy (ie, thermal tone) of the reaction proceeding at the catalyst.
Is larger and more than a large mass resistor with a correspondingly large heat capacity, or a large mass resistor with a small mass connected to a sensor element allowing rapid temperature adjustment. Causes a temperature change to appear quickly. The measuring sensitivity is also increased by the fact that only a thin diaphragm layer acts as the measuring resistance. In the case of a sensor configured as a complete substrate, the inner region contributes to the conductivity, but the temperature rise and thus the resistance change is mainly at the surface. A unique manufacturing advantage of the sensor according to the invention is that the sensor is characterized by claims 9-13.
It can be produced by the well-developed screen printing (or thick film) and ceramic film technology. This sensor is characterized by significantly less manufacturing irregularities during mass production. This is because the individual layers and elements are fixedly bonded to one another by means of cobalt sintering.

【0008】次に本発明によるセンサの実施例を以下の
記載および図面を用いて説明する。
Next, embodiments of the sensor according to the present invention will be described with reference to the following description and drawings.

【0009】[0009]

【実施例】本発明によるセンサは、触媒の存在の下に反
応する混合気の所定の成分の濃度をまたは濃度変化を測
定するのに適している。反応の際、還元−すなわち水素
化反応、酸化反応または他の反応が、例えば合成−また
は分解反応が対象とされる。触媒は、その都度の反応に
応じて選定する必要がある。還元−即ち水素化反応のた
めには例えばプラスチナ−、パラジウム−またはクロム
銅が選定される。水素がない場合の酸化反応のために適
する触媒は、例えば、バナジウム(V)−またはセリウ
ム化合物である。排気ガスから一酸化炭素、炭化水素お
よび/または酸化ちっ素を触媒で除去するために、公知
の様に有利にプラチナ、ロジウムおよびパラジウムを触
媒として使用できる。
The sensor according to the invention is suitable for measuring the concentration or the change in concentration of a given component of an air-fuel mixture which reacts in the presence of a catalyst. In the reaction, reduction-ie hydrogenation reactions, oxidation reactions or other reactions are targeted, for example synthesis- or decomposition reactions. The catalyst needs to be selected according to each reaction. For the reduction-or hydrogenation reaction, for example, plastina-, palladium- or chromium-copper is chosen. Suitable catalysts for the oxidation reaction in the absence of hydrogen are, for example, vanadium (V)-or cerium compounds. Platinum, rhodium and palladium can advantageously be used as catalysts in a known manner for the catalytic removal of carbon monoxide, hydrocarbons and / or nitrogen oxides from the exhaust gas.

【0010】本発明によるセンサは、混合気中に互いに
反応する成分が2つだけ存在する時に、混合気の所定の
成分の濃度を測定するのに適している。例えば微量のオ
レフィンに、必要に応じて水素を付加した後に、相応に
気体状に飽和した炭化水素が、または微量の一酸化炭素
が二酸化炭素と水素のほかに、水素ガス反応の反応混合
気中で測定される。所定の成分の測定は、次の時に常に
簡単に確実に達せられる。即ち当該の成分の濃度と、抵
抗の導電率の変化−触媒において進む反応の反応エンタ
ルピーに起因する温度変化により生ぜしめられる−との
間に一義的な関係が形成される時に、達せられる。
The sensor according to the invention is suitable for measuring the concentration of a given component of a mixture when only two components which react with each other are present in the mixture. For example, after adding hydrogen to a trace amount of olefin as necessary, a correspondingly gaseous saturated hydrocarbon, or a trace amount of carbon monoxide in addition to carbon dioxide and hydrogen, in the reaction gas mixture of the hydrogen gas reaction. Measured at. The measurement of a given component is always easily and reliably reached at the next time. That is, it is reached when a unambiguous relationship is formed between the concentration of the component in question and the change in the electrical conductivity of the resistance, which is caused by the change in temperature due to the reaction enthalpy of the reaction proceeding in the catalyst.

【0011】しかし混合気中の所定の成分の濃度は絶対
値が対象ではなく、その変化が対象とされることが多
い。このことは例えな、内燃エンジンの排気ガスの触媒
によるクリーニングの複雑な生起の場合に当てはまる。
触媒における反応エンタルピー(即ち熱トーン)は所定
の反応に対応づけることができないため、本発明による
センサおよび方法は、個々の成分の測定のためにはほと
んど適していない。しかし確実にかつ簡単に、排気ガス
クリーニング触媒の作用を、次のようにして測定でき
る。即ち目的に応じた触媒層を有するセンサを、排気ガ
スが既にクリーニングされるべきである個所に配置する
ことにより、測定できる。導電率が変化すると、このこ
とは、一酸化炭素、燃焼しなかった炭化水素および/ま
たはちっ素が排気ガスクリーニング触媒を通過し、これ
が消もうされたことを示す確実な指標である。センサを
排気ガスクリーニング触媒の出口に、主燃料流中にまた
は副燃料流中に配置できる。しかしセンサは、貫流され
る排気ガスクリーニング触媒の高さに設けることもでき
る。このことは費用はかかるが、前もっての警告を可能
にする、何故ならばセンサは、その入口側に設けられて
いる触媒領域の消もうを、その出口側に存在する領域が
まだ作用する時点に通報するからである。本来の測定素
子を支持する基板は酸化(またはセラミックの)材料か
ら例えば酸化アルミニウムから形成される、または有利
にはセンサの別の素子のように酸化ジルコニウム(I
V)から形成される。センサを著しく高い温度で使用す
べき時は、例えば内燃エンジンの排気ガスの監視の場合
は、基板が加熱装置を有すると好適である。
However, the concentration of the predetermined component in the air-fuel mixture is not targeted for the absolute value, but its change is targeted in many cases. This is the case, for example, in the case of the complex occurrence of catalytic cleaning of the exhaust gases of internal combustion engines.
The sensor and method according to the invention are largely unsuitable for the measurement of individual components, since the reaction enthalpy (ie thermal tone) at the catalyst cannot be matched to a given reaction. However, the action of the exhaust gas cleaning catalyst can be measured reliably and easily as follows. That is, it can be measured by arranging a sensor having a catalyst layer according to the purpose at a position where the exhaust gas should already be cleaned. When the conductivity changes, this is a solid indicator that carbon monoxide, unburned hydrocarbons and / or nitrogen have passed through the exhaust gas cleaning catalyst and have been extinguished. The sensor can be located at the outlet of the exhaust gas cleaning catalyst, in the main fuel stream or in the auxiliary fuel stream. However, the sensor can also be provided at the height of the exhaust gas cleaning catalyst which is passed through. This is costly, but allows a prior warning, because the sensor will erase the catalytic area located on its inlet side at the point when the area present on its outlet side is still active. Because I will report. The substrate carrying the actual measuring element is made of an oxide (or ceramic) material, for example aluminum oxide, or preferably zirconium oxide (I) as in another element of the sensor.
V). When the sensor is to be used at significantly higher temperatures, for example in the case of exhaust gas monitoring of internal combustion engines, it is advantageous if the substrate has a heating device.

【0012】本発明によるセンサは少なくとも2つのダ
イヤフラムの形式の抵抗を有する。このダイヤフラムを
形成する材料は、著しく高い温度の場合は導電性にな
り、その導電率は温度と共に変化する。高い測定感度が
必要とされる時は、導電率が高い温度係数を有する酸化
材料から成る抵抗を使用すると好適である。適した材料
は酸化チタン(IV)、酸化ハフニウム(IV)、酸化
セリウムおよび例えば簡単に入手可能な酸化ジルコニウ
ム(IV)である。酸化物は、活性剤、促進剤または安
定剤でドーピングできる。酸化ジルコニウム(IV)は
安定剤として、例えば微量の酸化イットリウム(II
I)でまたは酸化カルシウムでドーピングできる。
The sensor according to the invention has at least two resistors in the form of diaphragms. The material forming the diaphragm becomes conductive at extremely high temperatures and its conductivity changes with temperature. When a high measurement sensitivity is required, it is preferable to use a resistor made of an oxide material having a high temperature coefficient of conductivity. Suitable materials are titanium (IV) oxide, hafnium (IV) oxide, cerium oxide and, for example, readily available zirconium (IV) oxide. The oxide can be doped with activators, promoters or stabilizers. Zirconium (IV) oxide is used as a stabilizer, for example, a small amount of yttrium oxide (II
It can be doped with I) or with calcium oxide.

【0013】抵抗のうちの少なくとも1つの抵抗に触媒
が配属されている。この触媒は、当該の混合気の反応性
の成分の反応に作用する。触媒および抵抗材料は、次の
ように互いに調整されている必要がある、即ち材料が、
触媒がその作用を始める範囲において十分な導電率(お
よび導電率のできるだけ大きい温度係数)を有するよう
に、調整する必要がある。本発明によるセンサは、内燃
エンジンの排気ガスのクリーニング用の触媒の作用を監
視するために使用すべきである。このセンサは、排気ガ
スクリーニング触媒として用いられる触媒と同一である
触媒を含むと好適である。これは通常は白金、ロジウム
および/またはパラジウムであり、酸化チタン(IV)
または酸化ジルコニウム(IV)から成る抵抗と好適に
動作する。これらの抵抗は、実際に生ずる排気ガス温度
150℃〜700℃の下で完全に機能する。本発明によ
るセンサは、触媒を抵抗の上へ直接設けると、著しく高
い感度でかつ著しく迅速に応動する。すべての場合にお
いて触媒は抵抗の近傍の空間に設ける必要がある。
A catalyst is assigned to at least one of the resistors. This catalyst acts on the reaction of the reactive components of the mixture. The catalyst and resistive material should be coordinated with each other as follows:
It must be adjusted so that the catalyst has sufficient conductivity (and a temperature coefficient of conductivity as high as possible) in the range where it begins to act. The sensor according to the invention should be used to monitor the action of a catalyst for cleaning the exhaust gases of internal combustion engines. The sensor preferably contains a catalyst which is the same as the catalyst used as exhaust gas cleaning catalyst. This is usually platinum, rhodium and / or palladium, titanium (IV) oxide
Alternatively, it works well with resistors made of zirconium (IV) oxide. These resistors work perfectly under the actual exhaust gas temperature of 150 ° C to 700 ° C. The sensor according to the invention responds significantly more sensitively and very quickly when the catalyst is placed directly on the resistor. In all cases, the catalyst should be placed in the space near the resistance.

【0014】本発明によるセンサは通常は2つの抵抗を
有する。2つよりも多い抵抗を有するセンサは、例えば
ガス流が非一様的であり得るため測定が2つの抵抗だけ
では表わせない時に、用心のために使用できる。いずれ
の場合も少なくとも1つの抵抗を設ける必要があり、そ
の抵抗の近傍の空間に触媒が設けられており、そうでな
い時は少なくとも1つの抵抗が設けられている。
The sensor according to the invention usually has two resistors. Sensors with more than two resistances can be used as a precaution, for example, when the measurement cannot be represented by only two resistances because the gas flow can be non-uniform. In either case, it is necessary to provide at least one resistance, the catalyst is provided in the space near the resistance, and at least one resistance is provided otherwise.

【0015】本発明によるセンサの著しく有利な特性
は、請求の範囲1の特徴部分に示されている2つの構成
の組み合わせの結果である:少なくとも、触媒の配属さ
れている抵抗はダイヤフラムとして形成されており、こ
のダイヤフラムはその面積の大部分にわたり熱交換を遮
断する領域により基板から分離されている。この組み合
わせにより、(a)触媒における反応の反応エンタルピ
ーが抵抗の大きい温度変化へ変換され、しかも(b)こ
のことが迅速に行なわれる。
A significantly advantageous characteristic of the sensor according to the invention is the result of a combination of the two configurations indicated in the characterizing part of claim 1. At least the associated resistance of the catalyst is designed as a diaphragm. The diaphragm is separated from the substrate by a region that blocks heat exchange over most of its area. With this combination, (a) the reaction enthalpy of the reaction in the catalyst is converted into a highly resistive temperature change, and (b) this is done quickly.

【0016】ダイヤフラムは通常は10〜200μmの
厚さであり、有利には10〜100μm特に40〜70
μmの厚さである。その膨張率はmmの範囲である。内
燃エンジンの排気ガス用のセンサは通常は例えば膨張率
2×10mmを有する。センサはその面積の大部分にわ
たり好適には50〜100%にわたり、熱交換を遮断す
る領域により基板から分離されている。この場合、空胴
が用いられる。この領域が、相応に低い熱伝導率を有す
る多孔性の材料により充てんされている形式のセンサは
機械的に一層安定である。酸化材料を例えば前述の酸化
ジルコニウム(IV)用いると有利である。孔の部分は
30〜90体積%の値にすると好適である。多孔性の層
は、これが抵抗材料から形成される時でも、導電性へほ
とんど関与せず、そのためセンサの測定感度を実質的に
劣化させない。ダイヤフラムと基板との距離−この基板
からダイヤフラムは空胴または多孔性の材料により分離
されている−は通常は10〜100μmの値を有する。
しかし選択的に付加的な、ダイヤフラムの個所において
空所の設けられたセラミックのシートをスペーサとして
用いることができる。
The diaphragm is typically a thickness of. 10 to 200 [mu] m, advantageously in 10~100μm especially 40-70
The thickness is μm. Its expansion rate is in the mm range. Sensors for the exhaust gases of internal combustion engines typically have a coefficient of expansion of 2 × 10 mm, for example. The sensor is separated over most of its area, preferably 50-100%, from the substrate by a region that blocks heat exchange. In this case, a cavity is used. Sensors of the type in which this region is filled with a porous material having a correspondingly low thermal conductivity are mechanically more stable. It is advantageous to use the oxide material, for example zirconium (IV) oxide as described above. It is preferable that the hole portion has a value of 30 to 90% by volume. The porous layer contributes little to conductivity, even when it is formed from a resistive material, and thus does not substantially degrade the measurement sensitivity of the sensor. The distance between the diaphragm and the substrate-from which the diaphragm is separated by a cavity or a porous material-typically has a value of 10-100 μm.
Alternatively, however, a ceramic sheet provided with voids in the diaphragm can be used as spacers.

【0017】基本的には、触媒の配属されていない測定
素子の抵抗は、ダイヤフラムとして形成する必要はな
い。センサの製造は、両方の抵抗がダイヤフラムである
時は、もちろん一層簡単である。
Basically, the resistance of the uncatalyzed measuring element does not have to be designed as a diaphragm. Manufacture of the sensor is, of course, easier when both resistors are diaphragms.

【0018】図1は本発明によるセンサを横断面図で示
す。これは排気ガス触媒の作用の監視のために使用でき
る。加熱器2を有する、酸化ジルコニウム(IV)から
成る基板1の上に、同じく酸化ジリコニウム(IV)か
ら成るフレーム6が設けられている。加熱器は酸化アル
ミニウムから成る絶縁層の中に埋め込まれている。この
フレームの上にダイヤフラムの形式の抵抗4および5が
設けられている。基板1とダイヤフラム4,5との間に
領域7が空胴として設けられている。空胴ではなく、基
板1と抵抗4,5との間に多孔性の酸化ジルコニウム
(IV)層を設けることができる。この場合はフレーム
6が省略されて多孔性の層7が抵抗4,5の縁まで延在
できる。層の上に電極8,9および10が設けられ、両
方の電極8が互いに導電接続されている。このことは図
2に示されている。電極8と9との間に、および電極8
と104の間に、抵抗4,5の領域が設けられている。
この領域において抵抗の導電率(ないし抵抗値)が測定
される。ダイヤフラムの小部分だけが抵抗の機能を作用
させる。抵抗4ならびに電極8,9から成る測定素子の
上へ酸化アルミニウムから成るカバー層11が被着さ
れ、さらにこの上へ、白金、ロジウムおよび/またはパ
ラジウムから成る、触媒として作用する層12が被着さ
れる。この触媒として作用する層12が電気的に導電性
でない時は、カバー層11は省略できる。触媒は多孔性
の保護層13で囲まれる。抵抗5、電極8,10、カバ
ー層11および多孔性の保護14から成る第2の測定素
子が相応に形成される;しかし触媒として作用する層は
この測定素子の場合は設けられない。カバー層11も省
略される。多孔性の保護層13,14は酸化ジルコニウ
ム(IV)から形成すると好適である。
FIG. 1 shows a sensor according to the invention in cross section. It can be used to monitor the action of the exhaust gas catalyst. On a substrate 1 made of zirconium (IV) oxide with a heater 2, a frame 6 also made of zirconium (IV) oxide is provided. The heater is embedded in an insulating layer of aluminum oxide. On this frame are provided resistors 4 and 5 in the form of diaphragms. A region 7 is provided as a cavity between the substrate 1 and the diaphragms 4, 5. Instead of a cavity, a porous zirconium (IV) oxide layer can be provided between the substrate 1 and the resistors 4, 5. In this case, the frame 6 can be omitted and the porous layer 7 can extend to the edges of the resistors 4, 5. Electrodes 8, 9 and 10 are provided on the layer, both electrodes 8 being conductively connected to each other. This is shown in FIG. Between electrodes 8 and 9 and electrode 8
And 104, the regions of resistors 4 and 5 are provided.
The conductivity (or resistance value) of the resistance is measured in this region. Only a small part of the diaphragm acts the function of resistance. A cover layer 11 made of aluminum oxide is applied onto the measuring element consisting of the resistor 4 and the electrodes 8, 9 and a catalytic layer 12 made of platinum, rhodium and / or palladium is applied thereover. To be done. The cover layer 11 can be omitted if the layer 12 acting as a catalyst is not electrically conductive. The catalyst is surrounded by a porous protective layer 13. A second measuring element consisting of the resistor 5, the electrodes 8, 10, the cover layer 11 and the porous protection 14 is correspondingly formed; however, no catalytic layer is provided in this measuring element. The cover layer 11 is also omitted. The porous protective layers 13, 14 are preferably formed from zirconium (IV) oxide.

【0019】図2は同じセンサを平面図で示す。図示さ
れているように、(測定エレメントの端まで達する)基
板1、抵抗4,5、その下に設けられている破線で示さ
れた空胴、電極8,9,10を有する両方の測定素子の
指状の構成、片側だけに設けられている触媒層12なら
びに両側の多孔性の保護層13,14が示されている。
FIG. 2 shows the same sensor in plan view. As shown, the substrate 1 (reaching the edges of the measuring element), the resistors 4, 5 and the cavities below which are shown by dashed lines, both measuring elements with electrodes 8, 9, 10. The finger-like structure of FIG. 1, the catalyst layer 12 provided on only one side and the porous protective layers 13 and 14 on both sides are shown.

【0020】本発明によるセンサを製造する目的で公知
の技術を、好適には主としてセラミックシート上でのス
クリーン印刷を内容とする多層技術を使用する。サブス
トレート1は、酸化ジルコニウム(IV)から成る2つ
のシートから形成できる。例えば白金から成る加熱メア
ンダ体2は、スクリーン印刷技術を用いて被着すると好
適である。絶縁層3も同様である。
The known techniques for producing the sensor according to the invention are preferably used, preferably multi-layer techniques, mainly involving screen printing on ceramic sheets. The substrate 1 can be formed from two sheets of zirconium (IV) oxide. The heating meander body 2, for example made of platinum, is preferably applied by means of a screen printing technique. The same applies to the insulating layer 3.

【0021】サブストレート1の上にフレーム6が被着
される。このフレームはシートから形成できるが、スク
リーン印刷によっても製造できる。フレームは空間7を
含む。しかしこれを多孔性の酸化ジルコニウム(IV)
で充てんすることができる。この場合はまず最初に、酸
化ジルコニウム(IV)とすす粒子から成る混合物を収
容し、これから、銅焼結の後に多孔性の酸化ジルコニウ
ム(IV)が形成される。燃焼−ないし分解物はフレー
ム6を通って逃げることができる。フレームはすすの分
解温度の下ではまた密に焼結されていない。空胴を残す
べき時は、これをまず最初に次のような材料で満たすと
製造技術的に有利である。即ちこの材料は以後の銅焼結
の際に達せられる高い温度へ加熱する際に、分解して、
分解生産物フレーム6を通って逃げる際に空胴を後に残
す。この目的ですす粒子も適している。フレームを省略
して基板1とダイヤフラム4,5との間の領域をスクリ
ーン印刷技術により多孔性の酸化ジルコニウム(IV)
で充てんすることもできる。この種のセンサは大抵の実
際の目的には機械的に十分に安定している。
A frame 6 is attached onto the substrate 1. The frame can be formed from sheets, but can also be manufactured by screen printing. The frame includes a space 7. However, this is a porous zirconium (IV) oxide
Can be filled with. In this case, first of all, a mixture of zirconium (IV) oxide and soot particles is contained, from which porous zirconium (IV) oxide is formed after copper sintering. Combustion or decomposition products can escape through the frame 6. The frame is also not densely sintered under the soot decomposition temperature. When the cavity is to be left, it is advantageous in manufacturing technology to first fill it with the following materials. That is, this material decomposes when heated to the high temperatures reached during subsequent copper sintering,
Leave cavities behind as they escape through the disassembly product frame 6. Soot particles are also suitable for this purpose. The area between the substrate 1 and the diaphragms 4, 5 is omitted by omitting the frame, and the porous zirconium (IV) oxide is formed by the screen printing technique.
It can also be filled with. This type of sensor is mechanically stable enough for most practical purposes.

【0022】フレーム6の上にまたは前述の混合物−こ
れから多孔性の酸化ジルコニウム(IV)が生ずる−酸
化ジルコニウム(IV)4,5をプリントする。この上
に白金電極8,9,10ならびにカバー11がプリント
される。ダイヤフラム4を有する測定素子の上へ白金触
媒12が、白金層をまたは白金セルメット層(白金とセ
ラミック粒子から成る混合物)を被着することにより、
被着される。最後に多孔性の酸化カバー層13,14が
酸化ジルコニウム(IV)から、次のようにして形成さ
れる。即ち酸化ジルコニウム(IV)とすす粒子との前
述の混合物から層を被着し、1300〜1600℃の下
でコバルト焼結合の際に多孔性の酸化ジルコニウム(I
V)を形成することにより、形成される。コバルト焼結
がこの製造法を終了させ、センサ−その層と素子が互い
に固定的に結合されている−が完成される。
On top of the frame 6 or the abovementioned mixture-from which the porous zirconium (IV) oxide is formed-zirconium (IV) oxide 4, 5 is printed. The platinum electrodes 8, 9, 10 and the cover 11 are printed on this. By depositing a platinum layer or a platinum cermet layer (a mixture of platinum and ceramic particles) on the measuring element having the diaphragm 4, the platinum catalyst 12
Be applied. Finally, the porous oxide cover layers 13 and 14 are formed from zirconium (IV) oxide as follows. That is, a layer is deposited from the aforementioned mixture of zirconium (IV) oxide and soot particles, and porous zirconium oxide (I
V) is formed. Cobalt sintering completes the manufacturing process to complete the sensor-the layer and the element being fixedly bonded to each other.

【0023】本発明によるセンサは従来の様に、混合気
中の所定の成分の濃度のないし濃度変化の測定のため
に、使用される。
The sensor according to the invention is conventionally used for measuring the concentration or change in concentration of a given component in a mixture.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】センサの横断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a sensor.

【図2】センサの平面図である。FIG. 2 is a plan view of a sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 加熱器 3 絶縁層 4,5 抵抗 6 フレーム 7 多孔層 8,9,10 電極 11 カバー層 12 活性層 13 保護層 14 多孔性の保護層 1 substrate 2 heater 3 insulating layers 4,5 resistance 6 frames 7 Porous layer 8, 9, 10 electrodes 11 cover layer 12 Active layer 13 Protective layer 14 Porous protective layer

フロントページの続き (72)発明者 ヨハン リーゲル ドイツ連邦共和国 ビーティッヒハイム −ビッシンゲン アイヒェンヴェーク 27 (56)参考文献 特開 昭62−49251(JP,A) 特開 昭60−243549(JP,A) 特開 昭57−178149(JP,A) 特開 昭62−220850(JP,A) 特開 平1−203957(JP,A) 特開 昭63−172948(JP,A) 特開 昭56−18381(JP,A) 特開 平2−179459(JP,A) 特開 昭61−201148(JP,A) 実開 平2−37360(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/00 - 27/24 Front Page Continuation (72) Inventor Johann Riegel, Federal Republic of Germany Beitheimheim-Bissingen Eichenweg 27 (56) References JP 62-49251 (JP, A) JP 60-243549 (JP, JP, A) JP 57-178149 (JP, A) JP 62-220850 (JP, A) JP 1-203957 (JP, A) JP 63-172948 (JP, A) JP 56 -18381 (JP, A) JP-A-2-179459 (JP, A) JP-A-61-201148 (JP, A) Actually developed 2-37360 (JP, U) (58) Fields investigated (Int.Cl) . 7, DB name) G01N 27/00 - 27/24

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 混合気の所定の成分の濃度または濃度変
化を測定するセンサであって、該混合気は触媒の存在に
おいて熱の発生または消費の下に反応し、該センサは酸
化基板(1)の上に、著しく高い温度の下で電気的に導
通する材料から成る少なくとも2つの抵抗(4、5)
含み、該材料の導電率は温度と共に変化し、前記の複数
個の抵抗のうちの少なくとも一方の抵抗(4)に触媒
(12)が配属されており、該触媒は前記の成分の反応
に作用して該抵抗の温度を変化し、他方、前記の複数個
の抵抗のうち少なくとも1つの抵抗(5)には触媒を配
属しないため該抵抗の温度は変化しない形式の、前記の
測定センサにおいて、触媒の配属されている少なくとも
1つの抵抗(4)がダイヤフラムとして構成されてお
り、該ダイヤフラムはその面積の大部分にわたり、熱交
換を遮断する領域(7)により基板(1)から分離され
ていることを特徴とする、混合気の成分を測定するセン
サ。
1. A sensor for measuring the concentration or change in concentration of a predetermined component of an air-fuel mixture, the air-fuel mixture reacting in the presence of a catalyst under the generation or consumption of heat, the sensor comprising: ), At least two resistors (4, 5) made of a material that conducts electrically under significantly higher temperatures, the conductivity of the material varying with temperature, A catalyst (12) is assigned to at least one of the resistors (4), which acts on the reaction of the components to change the temperature of the resistance, while at least one of the plurality of resistors is In the above-mentioned measuring sensor, in which the catalyst is not assigned to one resistor (5), so that the temperature of the resistor does not change, at least one resistor (4) to which the catalyst is assigned is configured as a diaphragm, The diaphragm is A sensor for measuring the components of an air-fuel mixture, characterized in that it is separated from the substrate (1) by a region (7) that blocks heat exchange over most of its area.
【請求項2】 両方の抵抗(4、5)をダイヤフラムと
して構成し、熱交換を遮断する領域(7)により基板
(1)から分離した、請求項1記載のセンサ。
2. Sensor according to claim 1, characterized in that both resistors (4, 5) are constructed as a diaphragm and are separated from the substrate (1) by an area (7) which blocks heat exchange.
【請求項3】 ダイヤフラムの層の厚さを10〜100
μmにした、請求項1又は2記載のセンサ。
3. The thickness of the diaphragm layer is from 10 to 100.
The sensor according to claim 1 or 2, wherein the sensor has a size of μm.
【請求項4】 ダイヤフラムを酸化ジルコニウム(I
V)から形成した、請求項1から3までのいずれか1項
記載のセンサ。
4. A diaphragm made of zirconium oxide (I
Sensor according to any one of claims 1 to 3, formed from V).
【請求項5】 触媒(12)が一酸化炭素の酸化をおよ
び/または炭化水素の酸化を、酸素により促進する、請
求項1から4までのいずれか1項記載のセンサ。
5. The sensor according to claim 1, wherein the catalyst (12) promotes the oxidation of carbon monoxide and / or the oxidation of hydrocarbons with oxygen.
【請求項6】 領域(7)における、基板からのダイヤ
フラムの間隔を10〜100μmにした、請求項1から
5までのいずれか1項記載のセンサ。
6. The sensor according to claim 1, wherein the distance between the diaphragm and the substrate in the region (7) is 10 to 100 μm.
【請求項7】 前記の間隔を、1枚のシートから成るフ
レームにより、または酸化物とすす粒子との混合物から
成るプリントされた層を用いて、設定調整する、請求項
6記載のセンサ。
7. The sensor according to claim 6, wherein the spacing is adjusted by a frame of one sheet or by using a printed layer of a mixture of oxide and soot particles.
【請求項8】 領域(7)が空胴であるか、または多孔
性の材料により充てんされている、請求項1から7まで
のいずれか1項記載のセンサ。
8. A sensor according to claim 1, wherein the region (7) is a cavity or is filled with a porous material.
【請求項9】 2つの抵抗(4、5)がダイヤフラムと
して構成されており、熱交換を遮断する領域(7)によ
り基板(1)から分離されているセンサの製造法におい
て、酸化物材料から成る基板(1)の上に、酸化物材料
から成るフレーム(6)を載置し、該フレームに抵抗と
して機能するダイヤフラム(4、5)を張設し、ダイヤ
フラムの上へ電極(8、9、10)を被着し、該電極を
絶縁性の酸化物カバー層(11)でカバーし、該絶縁性
酸化物カバーの上へダイヤフラム(4)の上方で触媒
(12)を被着し、該触媒をならびに絶縁性の酸化物カ
バー層(11)を酸化物の多孔性の保護層(13、1
4)でカバーし、このようにして形成された層構成体を
温度1300〜1600℃の下で焼結して前記の層と素
子とを互いに固定的に結合することを特徴とする、セン
サの製造法。
9. In a method of manufacturing a sensor, wherein two resistors (4, 5) are configured as a diaphragm and are separated from the substrate (1) by an area (7) that blocks heat exchange, in a method of manufacturing an oxide material. on the substrate (1) comprising, placed frame (6) made of an oxide material, it is stretched a Daiyafura arm (4, 5) functioning as a resistor to the frame, the electrode onto the diaphragm ( 8, 9, 10) , the electrode is covered with an insulating oxide cover layer (11), and the catalyst (12) is coated over the insulating oxide cover above the diaphragm (4). A catalyst, as well as an insulating oxide cover layer (11) and an oxide porous protective layer (13, 1).
Cover with 4), characterized in that this way to each other fixedly bond the layers structure formed a layer and the element of the sintered under a temperature 1300 to 1600 ° C., the sensor Manufacturing method.
【請求項10】 ダイヤフラムを酸化ジルコニウム(I
V)から形成した、請求項9記載の方法。
10. A diaphragm made of zirconium oxide (I
The method of claim 9 formed from V).
【請求項11】 フレーム(6)を、高温へ加熱すると
多孔性の酸化層を形成する材料で充てんする、請求項9
又は10項記載の方法。
11. The frame (6) is filled with a material that forms a porous oxide layer when heated to a high temperature.
Alternatively, the method according to Item 10.
【請求項12】 基板(1)とダイヤフラム(4、5)
との間の空間を、フレーム(6)の省略の下に、高温へ
加熱すると多孔性の酸化層を形成する材料で充てんす
る、請求項9又は10項記載の方法。
12. Substrate (1) and diaphragm (4,5)
11. The method according to claim 9 or 10, wherein the space between and under the omission of the frame (6) is filled with a material that forms a porous oxide layer when heated to high temperatures.
【請求項13】 フレーム(6)を、高温へ加熱すると
分解して空胴を形成する材料により充てんする、請求項
9又は10項記載の方法。
13. Method according to claim 9 or 10, characterized in that the frame (6) is filled with a material that decomposes when heated to high temperatures to form cavities.
【請求項14】 内燃エンジンの排気ガスの組成または
組成変化を測定するために使用することを特徴とする、
請求項1から8に記載のセンサの使用方法。
14. Use for measuring the composition or composition change of exhaust gas of an internal combustion engine ,
A method of using the sensor according to claim 1.
【請求項15】 前記の触媒として作用する層(12)
が非導電性である時は、前記の絶縁性の酸化物カバー層
(11)を省略する、請求項9記載の方法。
15. A layer (12) acting as said catalyst.
Is a non-conductive material, the insulating oxide cover layer described above is used.
The method according to claim 9, wherein (11) is omitted.
JP32791193A 1992-12-24 1993-12-24 Sensor for measuring components of air-fuel mixture and method of manufacturing the same Expired - Fee Related JP3400511B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4244223.0 1992-12-24
DE19924244223 DE4244223B4 (en) 1992-12-24 1992-12-24 Sensor for determining components of gas mixtures

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH06235712A JPH06235712A (en) 1994-08-23
JP3400511B2 true JP3400511B2 (en) 2003-04-28

Family

ID=6476633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP32791193A Expired - Fee Related JP3400511B2 (en) 1992-12-24 1993-12-24 Sensor for measuring components of air-fuel mixture and method of manufacturing the same

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP3400511B2 (en)
DE (1) DE4244223B4 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3494508B2 (en) * 1995-06-26 2004-02-09 日本碍子株式会社 Combustible gas sensor, method for measuring combustible gas concentration, and method for detecting catalyst deterioration
DE19610912A1 (en) * 1996-03-20 1997-09-25 Dittrich Elektronik J Gas sensor for determining concentration of reactive gas in mixture
DE19916677C1 (en) * 1999-04-14 2001-01-25 Daimler Chrysler Ag Load sensor for nitrogen oxide adsorber in Otto or diesel engine comprises devices for determining dielectric constant indicative for degree of charge of nitrogen oxide adsorber with adsorbed nitrogen oxides
WO2014191619A1 (en) * 2013-05-30 2014-12-04 Vaisala Oyj A dual gas sensor structure and measurement method
JP6548906B2 (en) * 2015-02-19 2019-07-24 日野自動車株式会社 Gas sensor and concentration measuring device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4020383C2 (en) * 1990-06-27 1999-04-01 Bosch Gmbh Robert Process for the protection of catalytic converters for exhaust gas purification and heat tone sensor for carrying out the process

Also Published As

Publication number Publication date
JPH06235712A (en) 1994-08-23
DE4244223B4 (en) 2004-07-08
DE4244223A1 (en) 1994-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3361805B2 (en) Method for protecting exhaust gas purification catalyst and reaction heat sensor for performing the method
EP0853762B1 (en) Gas sensor and manufacturing process thereof
US6482650B1 (en) Method for detecting deterioration of catalyst
JP2523459B2 (en) Method and apparatus for monitoring operating state of catalyst of internal combustion engine
US4007435A (en) Sensor device and method of manufacturing same
KR101279746B1 (en) Sensor and operating method for detecting soot
EP2009433B1 (en) Catalytic combustion type gas sensor, detection device and compensating device
US4703555A (en) Method of making a catalytic-burning sensor
JP3150194B2 (en) Apparatus for measuring hydrocarbon and carbon monoxide contained in measurement gas, integrated film apparatus for measurement, and detection method
US6550310B1 (en) Catalytic adsorption and oxidation based carbon monoxide sensor and detection method
JP3185023B2 (en) A method for determining the degree of filling or quality of a gas storage catalyst
JP4820528B2 (en) Catalyst sensor
EP1902309A2 (en) MULTILAYER CERAMIC NOx GAS SENSOR DEVICE
JP2009540334A (en) Ammonia sensor with heterogeneous electrodes
JP5352049B2 (en) Hydrogen sensor
US4450428A (en) Gas detecting sensor
US20160282290A1 (en) Nox gas sensor including nickel oxide
JP3400511B2 (en) Sensor for measuring components of air-fuel mixture and method of manufacturing the same
JPH10502428A (en) Automotive catalyst performance monitoring system
US4620437A (en) Gas sensor
JP3841513B2 (en) Hydrocarbon sensor
JPH07113618B2 (en) Oxygen gas detector
GB1562623A (en) Device for monitoring the composition of the gaseous emission of a combustion process
JP4895741B2 (en) Hydrogen sensor
JPH0814552B2 (en) Sensor for detecting the functional state of catalytic devices

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees