WO1990004171A1 - SENSOR ELEMENT FOR LIMIT CURRENT SENSOR FOR DETERMINING THE μ VALUE OF GAS MIXTURES - Google Patents
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- G01N27/4072—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure characterized by the diffusion barrier
Definitions
- the invention is based on a sensor element for limit current sensors according to the preamble of the main claim.
- the diffusion limit current is measured at a constant voltage applied to the two electrodes of the sensor element. This current is linearly dependent on the oxygen concentration in an exhaust gas produced during combustion processes, as long as the diffusion of the gas to the pump electrode determines the speed of the overall reaction taking place.
- the known limit current sensors are usually used for
- planar polarographic probes can be started from platelet-shaped or foil-shaped oxygen-conducting solid electrolytes, for example. made of stabilized zirconium dioxide, which are coated on both sides with an inner and outer pump electrode with associated conductor tracks.
- the inner pump electrode is advantageously located at the end of a diffusion gap
- sensor elements and detectors which have in common that they each have a pump cell and a sensor cell which consist of platelet-shaped or foil-shaped oxygen-conducting solid electrolytes and two electrodes arranged thereon and have a common diffusion gap or diffusion channel.
- a certain disadvantage of known polarographic probes and sensor elements is that the front part of the inner pump electrode facing the supplied measuring gas is subjected to greater stress than the rear part of the pump electrode facing away from the supplied measuring gas. This leads to a high electrode polarization, which requires a high pump voltage. The latter in turn harbors the risk of electrolyte decomposition in the area of the inner pump electrode.
- Diffusion channel for the measuring gas is arranged, as well as with conductor tracks for the pump electrodes, in the diffusion channel on the side opposite the inner pump electrode to arrange at least one second inner pump electrode which is short-circuited with the first inner pump electrode.
- Laminating films based on stabilized ZrO 2 is that their manufacturing process is relatively complicated and their internal resistance is still relatively.
- the sensor element according to the invention with the characterizing features of the main claim has significant advantages over the known planar sensor elements. So it is with less
- the sensor element according to the invention can be used in place of known sensor elements with a planar structure in limit current sensors of conventional design. Broadband sensors come into question (for ⁇ 1) Lean sensors (for ⁇ > 1).
- the sensor element according to the invention can thus be designed solely as a pump cell, optionally with a heating element, for. B. as a lean sensor for diesel engines, and as such in a conventional sensor housing, for. B.
- the sensor element according to the invention can also have a sensor cell (Nernst cell), which is provided with an additional air reference channel and one of them
- Electrode is arranged in the area of the pump electrode in the diffusion channel of the pump cell and the other electrode is located in the
- Air reference channel is located.
- Figure 1 is a schematic cross section through the electrode part of a first embodiment of a sensor element according to the Invention with rectangular electrodes.
- FIG. 2 shows the layout of a sensor element with that in FIG. 1
- FIG. 3 shows a schematic cross section through the electrode part of a second embodiment of a sensor element according to the invention, in which the electrodes are arranged in a ring around the central measurement gas inlet opening;
- Fig. 4 shows the layout of a sensor element with the electrode part shown in Fig. 3.
- the first embodiment of a sensor element according to the invention shown schematically in FIGS. 1 and 2, consists of the carrier or substrate 1, the diffusion gap 2, the inner pump electrode (cathode) 3 with the associated conductor track 3 '
- Solid electrolyte layer 4 the outer pump electrode (anode) 6 with associated conductor track 6 ', the insulation layer 5, the engobe 8 and the cover 9.
- the sample gas entry occurs at 7.
- the second embodiment of a sensor element according to the invention consists of the carrier or substrate 1, the diffusion gap 2, the inner pump electrode (cathode) 3 arranged in a ring around the central measuring gas inlet opening 7 with the associated conductor track 3 ', the solid electrolyte layer 4, the outer pump electrode (anode) 6 arranged in a ring around the central measurement gas inlet opening 7 with the associated conductor track 6 ', the insulation layer 5, the engobe 8 and the cover 9.
- the carrier or substrate 1 of the sensor elements according to the invention consists of a ceramic material, as is usually used for the production of sensor elements, for example based on ZrO 2 or Al 2 O 3 . It has proven to be advantageous to use films made of unsintered ceramic material with a layer thickness of 0.3 to 2.0 mm, in particular of approximately 1.0 mm, to produce the sensor elements.
- the diffusion gap 2 advantageously has a filling of coarsely porous sintered ceramic
- the porosity of the filling can be created by adding pore formers which burn, decompose or evaporate during the sintering process.
- Typical pore formers that can be used are e.g. B. thermal carbon black, plastics, e.g. B.
- salts e.g. B. ammonium carbonate and organic substances, such as. B. theobromine and indanthrene blue.
- Such pore formers are added to the porous sintering starting material in such an amount that a material with a porosity of z. B. 10 to 50%.
- the middle one is added to the porous sintering starting material in such an amount that a material with a porosity of z. B. 10 to 50%.
- Pore diameter which can be determined by the particle size of the pore former used, is preferably included
- the diffusion gap 2 has a filling that both a Knudsen and a gas phase diffusion take place. This means that in front of the inner pump electrode 3 acts as a diffusion barrier for the sample gas channel system for a
- the pump electrodes 5 and 6 preferably consist of a
- Platinum group metal especially platinum, or alloys of platinum group metals or alloys of platinum group metals with other metals. They may contain a ceramic scaffold material, e.g. B. in the form of a YSZ powder, with a volume fraction of preferably about 40 vol%. They are porous and as thin as possible. They preferably have a thickness of 8 to 15 ⁇ m.
- the conductor tracks belonging to the pump electrodes preferably also consist of platinum or a platinum alloy of the type described. They can also be produced from a paste based on a precious metal cermet. Pastes suitable for printing on the electrodes and conductor tracks can be made in a known manner using organic ones
- Binders and / or adhesion promoters, plasticizers and organic solvents are produced. If at the same time insulating intermediate layers are to be produced, then smaller amounts of compounds with a 5-valent or higher-valent cation can be added to the pastes, e.g. B.
- Nb 2 O 5 Nb 2 O 5 .
- adhesion-improving additives are z. B. Al 2 O 3 or ZrO 2 .
- An advantageous precious metal cermet paste for producing a conductor track can thus consist, for example, of: 85 parts by weight of Pt powder (3 m 2 / g)
- the solid electrolyte layer 4 consists of one of the known oxides of tetravalent metals used for the production of O 2- ion conductive solid electrolyte foils, such as in particular ZrO 2 , CeO 2 , HfO 2 and ThO 2 with a content of divalent alkaline earth oxides and / or preferably trivalent oxides Rare Earth.
- the layer can contain about 50 to 97 mol% of ZrO 2 , CeO 2 , HfO 2 or ThO 2 and 50 to 3 mol% of CaO, MgO or SrO and / or rare earth oxides and especially Y. 2 O 3 exist.
- ZrO 2 , CeO 2 , HfO 2 or ThO 2 with a content of divalent alkaline earth oxides and / or preferably trivalent oxides Rare Earth.
- the layer can contain about 50 to 97 mol% of ZrO 2 , CeO 2 , HfO 2 or ThO 2 and 50 to 3 mol% of Ca
- the thickness of the layer can advantageously be 10-200 ⁇ m, in particular 15 to 50 ⁇ m.
- the pastes used to produce the solid electrolyte layer can also be produced using binders and / or adhesion promoters, plasticizers and organic solvents.
- An advantageous paste for producing the solid electrolyte layer has, for. B. The following composition: 40 g zirconium dioxide and
- the insulation layer 5, which insulates the conductor 6 'of the outer pump electrode 6 from the solid electrolyte layer 4, consists of an insulating layer, for. B. based on Al 2 O 3 , as they are usually produced in the manufacture of planar sensor elements, to isolate conductor tracks from a solid electrolyte.
- the insulation layer 5 can be 15-20 ⁇ m thick, for example.
- Carrier is a carrier based on solid electrolytes, for example a ZrO 2 carrier.
- the arrangement of such insulation layers is not absolutely necessary, ie they can
- the engobe or protective layer 8 is porous and consists, for example, of a layer based on Al 2 O 3 or Mg spinel, as is usually used in planar sensor elements for covering electrodes.
- the porous engobe consists of an Al 2 O 3 and / or Mg spinel matrix with ZrO 2 particles of the type known from DE-OS 37 37 215 embedded therein.
- the cover 9 can be constructed from the same material as the engobe. As a rule, however, a somewhat fine-grained material is used to produce the cover. example
- a film made of zirconium dioxide stabilized with yttrium and having a layer thickness of 0.5 mm was used as the carrier.
- the diffusion gap was introduced in thick-film technology through a screen printing layer made from a mixture of theobromine and coarse-grained ZrO 2 with a grain size of 10 ⁇ m, the theobromine during the later sintering process in the temperature range around 300 ° C., leaving about
- the ZrO 2 solid electrolyte layer was produced by printing on a paste of ZrO 2 stabilized with Y 2 O 3 and having a particle size of ⁇ 1-2 ⁇ m.
- the printed layer had a thickness of 80 vm.
- the pump electrodes, which consist of platinum, were also applied using known screen printing technology, with the outer electrodes being applied to them
- the conductor tracks were produced from a conventional Pt cermet paste from 85 parts by weight of Pt powder and 15 parts by weight of YSZ powder.
- a paste was applied to create the ring-shaped engobe
- the engobe had a thickness of approx.
- the cover was also based on a paste
- the central sample gas inlet opening had a diameter of 0.25 mm.
- the coated carrier was subjected to a sintering process in which it lasted for about 3 hours was heated to a temperature in the range of 1380 ° C.
- the sensor element produced was inserted into a housing of the type known from DF-OS 32 06 903 and used to determine the ⁇ value of gas mixtures. Excellent reproducible results have been obtained.
- the manufacture of a sensor element according to the invention is carried out mechanically in multiple use.
- the width of the probe is advantageously approximately 4 to 6 mm.
- Electrode diameter is advantageously 3 to 4 mm, z. B. 3.6 mm.
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Abstract
A sensor element for limit current sensors used to determine the μ value of gas mixtures, in particular exhaust gases of internal combustion engines, has outer and inner pump electrodes arranged on a O2- ion conductive solid electrolyte. The inner pump electrode is exposed to the measurement gas supplied through a diffusion slot and the diffusion slot is covered by the solid electrolyte. The solid electrolyte that covers the diffusion slot is a solid electrolyte layer obtained by screen printing a ceramic support. A process is disclosed for producing this sensor element. By covering the diffusion slot with a screen printed solid electrolyte layer, the production of sensor elements for limit current sensors is considerably simplified and pumping cells with very small inner resistance can be obtained.
Description
Sensorelement für Grenzstromsensoren zur Bestimmung des λ-Wertes von Gasgemisehen Sensor element for limit current sensors for determining the λ value of gas mixtures
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement für Grenzstromsensoren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei derartigen Sensorelementen, die nach dem Diffusionsgrenzstromprinzip arbeiten, wird der Diffusionsgrenzs trom bei einer konstanten, an den beiden Elektroden des Sensorelementes anliegenden Spannung gemessen. Dieser Strom ist in einem bei Verbrennungsvorgängen entstehenden Abgas von der Sauerstoffkonzentration solange linear abhängig, wie die Diffusion des Gases zur Pumpelektrode die Geschwindigkeit der ablaufenden Gesamtreaktion bestimmt. Es ist bekannt, derartige, nach dem polaro- graphischen Meßprinzip arbeitende Sensoren in der Weise aufzubauen, daß sowohl Anode als auch Kathode dem zu messenden Gas ausgesetzt sind, wobei die Kathode eine Diffusionsbarriere aufweist, um ein Arbeiten im Diffusions grenzstrombereich zu erzielen. Die bekannten Grenzstromsensoren dienen in der Regel zur The invention is based on a sensor element for limit current sensors according to the preamble of the main claim. In such sensor elements, which operate according to the diffusion limit current principle, the diffusion limit current is measured at a constant voltage applied to the two electrodes of the sensor element. This current is linearly dependent on the oxygen concentration in an exhaust gas produced during combustion processes, as long as the diffusion of the gas to the pump electrode determines the speed of the overall reaction taking place. It is known to construct such sensors, which operate according to the polarographic measuring principle, in such a way that both the anode and the cathode are exposed to the gas to be measured, the cathode having a diffusion barrier in order to achieve work in the diffusion limit current range. The known limit current sensors are usually used for
Bestimmung des λ-Wertes von Abgasgemischen, der das Verhältnis "Gesamtsauerstoff/zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs benötigten Sauerstoff" des in einem Zylinder verbrennenden Luft/Kraftstoffgemisches bezeichnet.
Aufgrund einer vereinfachten und kostengünstigen Herstellungsweise hat sich in der Praxis in den letzten Jahren die Herstellung von in Keramikfolien- und in Siebdrucktechnik herstellbaren Sonden und Sensorelementen durchgesetzt. Determination of the λ value of exhaust gas mixtures, which denotes the ratio "total oxygen / oxygen required for complete combustion of the fuel" of the air / fuel mixture burning in a cylinder. Due to a simplified and inexpensive method of production, the production of probes and sensor elements which can be produced using ceramic foil and screen printing technology has become established in practice in recent years.
In einfacher und rationeller Weise lassen sich planare polarographische Sonden ausgehend von plättchen- oder folienförmigen sauerstoffleitenden Festelektrolyten, z..B. aus stabilisiertem Zirkondioxid, herstellen, die beidseitig mit je einer inneren und äußeren Pumpelektrode mit dazugehörigen Leiterbahnen beschichtet werden. Die innere Pumpelektrode befindet sich dabei in vorteilhafter Weise am Ende eines Diffusionsspaltes In a simple and efficient manner, planar polarographic probes can be started from platelet-shaped or foil-shaped oxygen-conducting solid electrolytes, for example. made of stabilized zirconium dioxide, which are coated on both sides with an inner and outer pump electrode with associated conductor tracks. The inner pump electrode is advantageously located at the end of a diffusion gap
oder Biffusionskanals, durch den das Meßgas zur Elektrode gelangen kann. und der als Gasdiffusionswiderstand dient. or biffusion channel through which the measuring gas can reach the electrode. and which serves as a gas diffusion resistor.
Aus der DE-OS 35 45 759 sowie den EP-A 0 142 992, 0 142 993, 0 188 900 und 0 194 082 sind ferner Sensorelemente und Detektoren bekannt, denen gemein ist, daß sie jeweils eine Pumpzelle und eine Sensorzelle aufweisen, die aus plättchen- oder folienförmigen sauerstoffleitenden Festelektrolyten und zwei hierauf angeordneten Elektroden bestehen und einer gemeinsamen Di ffusi ons spal t oder Diffusionskanal aufweisen. From DE-OS 35 45 759 and EP-A 0 142 992, 0 142 993, 0 188 900 and 0 194 082 sensor elements and detectors are also known, which have in common that they each have a pump cell and a sensor cell which consist of platelet-shaped or foil-shaped oxygen-conducting solid electrolytes and two electrodes arranged thereon and have a common diffusion gap or diffusion channel.
Ein gewisser Nachteil bekannter polarographischer Sonden und Sensorelemente besteht darin, daß der vordere, dem zugeführten Meßgas zugewandete Teil der inneren Pumpelektrode stärker als der hintere, dem zugeführten Meßgas abgewandte Teil der Pumpelektrode beansprucht wird. Dies führt zu einer hohen Elektrod polarisation, die eine hohe Pumpspannung erfordert. Letztere wiederum birgt die Gefahr einer Elektrolytzersetzung im Bereic der inneren Pumpelektrode in sich. A certain disadvantage of known polarographic probes and sensor elements is that the front part of the inner pump electrode facing the supplied measuring gas is subjected to greater stress than the rear part of the pump electrode facing away from the supplied measuring gas. This leads to a high electrode polarization, which requires a high pump voltage. The latter in turn harbors the risk of electrolyte decomposition in the area of the inner pump electrode.
In der DE-OS 37 28 618 wird daher vorgeschlagen, in einem Sens element für polarographische Sonden zur Bestimmung des λ-Werte von Gasgemischen mit einem auf O2--Ionen leitenden plättcnen
oder folienförmigen Festelektrolyten angeordneten äußeren und inneren Pumpelektroden, von denen die innere Pumpelektrode auf dem plättchen- oder fdienförmigen Festelektrolyten in einem In DE-OS 37 28 618 it is therefore proposed to use a sensor element for polarographic probes to determine the λ values of gas mixtures with a plate which conducts on O 2- ions or film-shaped solid electrolytes arranged outer and inner pump electrodes, of which the inner pump electrode on the platelet-shaped or f-shaped solid electrolyte in one
Diffusionskanal für das Meßgas angeordnet ist, sowie mit Leiterbahnen für die Pumpelektroden, in dem Diffusionskanal auf der der inneren Pumpelektrode gegenüberliegenden Seite mindestens eine zweite innere Pumpelektrode anzuordnen, die mit der ersten inneren Pumpelektrode kurzgeschlossen ist. Diffusion channel for the measuring gas is arranged, as well as with conductor tracks for the pump electrodes, in the diffusion channel on the side opposite the inner pump electrode to arrange at least one second inner pump electrode which is short-circuited with the first inner pump electrode.
Nachteilig an den bekannten Sensorelementen, die durch Zusammenlaminieren mehrerer Festelektrolytfolien, insbesondere durch A disadvantage of the known sensor elements, in particular by laminating several solid electrolyte foils together
Zusammenlaninieren von Folien auf Basis von stabilisiertem ZrO2 hergestellt werden, ist, daß ihr Herstellungsprozeß vergleichsweise kompliziert ist und ihr Innenwiderstand relativ noch ist. Laminating films based on stabilized ZrO 2 , is that their manufacturing process is relatively complicated and their internal resistance is still relatively.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber den bekannten planaren Sensorlementen wesentliche Vorteile. So ist es durch weniger The sensor element according to the invention with the characterizing features of the main claim has significant advantages over the known planar sensor elements. So it is with less
Verfahrensschritte kostengünstiger und einfacher herstellbar, da zu seiner Herstellung kein Laminierprozeß erforderlich ist und ein Dichtrahmen entfällt. Die Einsparung eines Dichtrahmens ermöglicht darüberhinaus eine schmälere Bauweise. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Festelektrolytschicht im Vergleich zu den aus Festelektrolytfolien hergestellten Sensorelementen wesentlich dünner sein kann, wodurch der Innenwiderstand vermindert wird. Hierdurch wird ein Sondenbetrieb bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht, wodurch weniger Heizleistung benötigt und die Sondenlebensdauer erhöht wird. Process steps can be produced more cheaply and easily, since no laminating process is required for its production and a sealing frame is not required. The saving of a sealing frame also enables a narrower design. Another significant advantage is that the solid electrolyte layer can be significantly thinner than the sensor elements made from solid electrolyte foils, thereby reducing the internal resistance. This enables probe operation at lower temperatures, which means that less heating power is required and the probe life is increased.
Das erfindungs gemäße Sensorelement läßt sich anstelle bekannter Sensorelemente planarer Struktur in Grenzstromsensoren üblicher Bauart verwenden. In Frage kommen dabei Breitbandsensoren (fürλ≥ 1)
Magersensoren (für λ > 1 ). Das erfindungsgemäße Sensorelement kann somit allein als Pumpzelle, gegebenenfalls mit einem Heizelement, ausgebildet sein, z. B. als Magersensor für Dieselmotoren, und als solches in ein übliches Sensorgehäuse, z. B. The sensor element according to the invention can be used in place of known sensor elements with a planar structure in limit current sensors of conventional design. Broadband sensors come into question (for λ≥ 1) Lean sensors (for λ> 1). The sensor element according to the invention can thus be designed solely as a pump cell, optionally with a heating element, for. B. as a lean sensor for diesel engines, and as such in a conventional sensor housing, for. B.
des aus den DE-OS 52 06 903 und 35 37 051 bekannten Typs eingebaut und zur Messung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem of the type known from DE-OS 52 06 903 and 35 37 051 installed and for measuring the air-fuel ratio in one
mageren oder fetten Abgas verwendet werden. Das erfindungsgemäße Sensorelement kann jedoch auch außer der Pumpzelle zusätzlich noch eine Sensorzelle (Nernstzelle) aufweisen, die mit einem zusätzlichen Luftreferenzkanal versehen ist und deren eine lean or rich exhaust gas can be used. However, in addition to the pump cell, the sensor element according to the invention can also have a sensor cell (Nernst cell), which is provided with an additional air reference channel and one of them
Elektrode im Bereich der Pumpelektrode im Diffusionskanal der Pumpzelle angeordnet ist und deren andere Elektrode sich im Electrode is arranged in the area of the pump electrode in the diffusion channel of the pump cell and the other electrode is located in the
Luftreferenzkanal befindet. Air reference channel is located.
Zeichnung drawing
In der Zeichnung sind zwei vorteilhafte Ausführunes formen eines erfindungsgemäßen Sensorelementes beispielsweise dargestellt. In the drawing, two advantageous forms of a sensor element according to the invention are shown, for example.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den Elektrodenteil einer ersten Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Sensorelementes mit rechteckigen Elektroden; Figure 1 is a schematic cross section through the electrode part of a first embodiment of a sensor element according to the Invention with rectangular electrodes.
Fig. 2 das Layout eines Sensorelementes mit dem in Fig. 1 2 shows the layout of a sensor element with that in FIG. 1
dargestellten Elektrodenteil; illustrated electrode part;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch den Elektrodenteil einer zweiten Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Sensorelementes, bei dem die Elektroden ringförmig um die zentrale Meßgaseintrittsöffnung angeordnet sind; 3 shows a schematic cross section through the electrode part of a second embodiment of a sensor element according to the invention, in which the electrodes are arranged in a ring around the central measurement gas inlet opening;
Fig. 4 das Layout eines Sensorelementes mit dem in Fig. 3 dargestellten Elektrodenteil.
Die in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes besteht aus dem Träger oder Substrat 1, dem Diffusionsspalt 2, der inneren Pumpelektrode (Kathode) 3 mit dazugehöriger Leiterbahn 3', der Fig. 4 shows the layout of a sensor element with the electrode part shown in Fig. 3. The first embodiment of a sensor element according to the invention, shown schematically in FIGS. 1 and 2, consists of the carrier or substrate 1, the diffusion gap 2, the inner pump electrode (cathode) 3 with the associated conductor track 3 '
Festelektrolytschicht 4, der äußeren Pumpelektrode (Anode) 6 mit dazugehöriger Leiterbahn 6', der Isolationsschicht 5, der Engobe 8 und der Abdeckung 9. Der Meßgaseintritt erfolgt bei 7. Solid electrolyte layer 4, the outer pump electrode (anode) 6 with associated conductor track 6 ', the insulation layer 5, the engobe 8 and the cover 9. The sample gas entry occurs at 7.
Die in Fig. 3 und 4 schematisch dargestellte zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelementes besteht aus dem Träger oder Substrat 1, dem Diffusionsspalt 2, der inneren ringförmig um die zentrale Meßgaseintrittsöffnung 7 angeordneten Pumpelektrode (Kathode) 3 mit dazugehöriger Leiterbahn 3', der Festelektrolytschicht 4, der äußeren, ringförmig um die zentrale Meßgaseintrittsöffnung 7 angeordneten Pumpelektrode (Anode) 6 mit dazugehöriger Leiterbahn 6', der Isolationsschicht 5, der Engobe 8 und der Abdeckung 9. The second embodiment of a sensor element according to the invention, shown schematically in FIGS. 3 and 4, consists of the carrier or substrate 1, the diffusion gap 2, the inner pump electrode (cathode) 3 arranged in a ring around the central measuring gas inlet opening 7 with the associated conductor track 3 ', the solid electrolyte layer 4, the outer pump electrode (anode) 6 arranged in a ring around the central measurement gas inlet opening 7 with the associated conductor track 6 ', the insulation layer 5, the engobe 8 and the cover 9.
Der Träger oder das Substrat 1 der erfindungsgemäßen Sensorelemente besteht aus einem Keramikmaterial, wie es üblicherweise zur Herstellung von Sensorelementen verwendet wird, beisυielsweise auf ZrO2- oder Al2O3-Basis. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, zur Herstellung der Sensorelemente Folien aus ungesintertem Keramikmaterial mit einer Schichtstärke von 0,3 bis 2 ,0 mm, insbesondere von etwa 1,0 mm zu verwenden. The carrier or substrate 1 of the sensor elements according to the invention consists of a ceramic material, as is usually used for the production of sensor elements, for example based on ZrO 2 or Al 2 O 3 . It has proven to be advantageous to use films made of unsintered ceramic material with a layer thickness of 0.3 to 2.0 mm, in particular of approximately 1.0 mm, to produce the sensor elements.
Wird die zur Erzeugung des Diffusionsspaltes 2 auf den Träger 1 aufgedruckte Beschichtungsmasse bei Vorsinter- oder Sintertemper tur rückstandslos zersetzt, verdampft oder verbrannt, so weist er keine Füllung auf. In vorteilhafter Weise weist der Diffusion spalt jedoch eine Füllung aus grob porös sinterndem keramischemIf the coating composition printed on the carrier 1 to produce the diffusion gap 2 is decomposed without residue at pre-sintering or sintering temperature, evaporated or burned, then it has no filling. However, the diffusion gap advantageously has a filling of coarsely porous sintered ceramic
Material, z. B. auf Al2O3- oder ZrO2-Basis auf. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, zur Erzeugung des Diffusionsspaltes ein porös sinternes keramischer Material mit einem thermischen Ausdehnungsverhalten zu verwenden, das dem Ausdehnungsverhalten de
verwendeten Festelektrolytschicht 4 entspricht oder zumindest nahekommt. Die Porosität der Füllung kann durch Zusatz von Porenbildnern erzeugt werden, die beim Sinterprozeß verbrennen, sich zersetzen oder verdampfen. Typische Porenbildner, die verwendet werden können, sind z. B. Thermalrußpulver, Kunststoffe, z. B. Material, e.g. B. based on Al 2 O 3 or ZrO 2 . It has proven to be advantageous to use a porous sintered ceramic material with a thermal expansion behavior to generate the diffusion gap, which de the expansion behavior used solid electrolyte layer 4 corresponds or at least comes close. The porosity of the filling can be created by adding pore formers which burn, decompose or evaporate during the sintering process. Typical pore formers that can be used are e.g. B. thermal carbon black, plastics, e.g. B.
auf Polyurethanbais, Salze, z. B. Ammoniumcarbonat und organische Substanzen, wie z. B. Theobromin und Indanthrenblau. on polyurethane base, salts, e.g. B. ammonium carbonate and organic substances, such as. B. theobromine and indanthrene blue.
Derartige Porenbildner werden dem porös sinternden Ausgangsmaterial in einer solchen Menge zugesetzt, daß ein Material mit einer Porosität von z. B. 10 bis 50 % anfällt. Der mittlere Such pore formers are added to the porous sintering starting material in such an amount that a material with a porosity of z. B. 10 to 50%. The middle one
Porendurchmesser, der durch die Teilchengröße des verwendeten Porenbildners bestimmt werden kann, liegt vorzugsweise bei Pore diameter, which can be determined by the particle size of the pore former used, is preferably included
etwa 0, 1 bis 10 μm. about 0.1 to 10 μm.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Diffusionsspalt 2 eine Füllung auf, daß sowohl eine Knudsen- als auch eine Gasphasendiffusion stattfindet. Dies bedeutet, daß vor der inneren Pumpelektrode 3 ein als Diffusionsbarriere für das Meßgas wirkendes Kanalsystem für eine According to a further advantageous embodiment of the invention, the diffusion gap 2 has a filling that both a Knudsen and a gas phase diffusion take place. This means that in front of the inner pump electrode 3 acts as a diffusion barrier for the sample gas channel system for a
Mischdiffusion aus Knudsen- und Gasphasendiffusion angeordnet sein kann, wie es näher in der DE-OS 37 28 289 beschrieben wird. Mixed diffusion from Knudsen and gas phase diffusion can be arranged, as described in more detail in DE-OS 37 28 289.
Die Pumpelektroden 5 und 6 bestehen vorzugsweise aus einem The pump electrodes 5 and 6 preferably consist of a
Metall der Platingruppe, insbesondere Platin, oder aus Legierungen von Metallen der Platingruppe oder Legierungen von Metallen der Platingruppe mit anderen Metallen. Gegebenenfalls enthalten sie ein keramisches Stützgerüstmaterial, z. B. in Form eines YSZ- Pulvers, mit einem Volumenanteil von vorzugsweise etwa 40 Vol-%. Sie sind porös und möglichst dünn. Vorzugsweise weisen sie eine Dicke von 8 bis 15 μm auf. Die zu den Pumpelektroden gehörenden Leiterbahnen bestehen vorzugsweise ebenfalls aus Platin oder einer Platinlegierung des beschriebenen Typs. Sie können ferner ebenfalls ausgehend von einer Paste auf Edelmetall-Cermetbasis erzeugt werden.
Zum Aufdrucken der Elektroden und Leiterbahnen geeignete Pasten können in bekannter Weise unter Verwendung von organischen Platinum group metal, especially platinum, or alloys of platinum group metals or alloys of platinum group metals with other metals. They may contain a ceramic scaffold material, e.g. B. in the form of a YSZ powder, with a volume fraction of preferably about 40 vol%. They are porous and as thin as possible. They preferably have a thickness of 8 to 15 μm. The conductor tracks belonging to the pump electrodes preferably also consist of platinum or a platinum alloy of the type described. They can also be produced from a paste based on a precious metal cermet. Pastes suitable for printing on the electrodes and conductor tracks can be made in a known manner using organic ones
Bindemitteln und/oder Haftverbesserem, Weichmachern und organischen Lösungsmitteln hergestellt werden. Sollen dabei gleichzeitig isolierende Zwischenschichten erzeugt werden, so können den Pasten geringere Mengen von Verbindungen mit einem 5- wertigen oder höherwertigen Kation zugesetzt werden, z. B. Binders and / or adhesion promoters, plasticizers and organic solvents are produced. If at the same time insulating intermediate layers are to be produced, then smaller amounts of compounds with a 5-valent or higher-valent cation can be added to the pastes, e.g. B.
Nb2O5. Als haftverbessernde Zusätze eignen sich z. B. Al2O3 oder ZrO2. Nb 2 O 5 . As adhesion-improving additives are z. B. Al 2 O 3 or ZrO 2 .
Eine vorteilhafte Edelme tall-Cermetpaste zur Erzeugung einer Leiterbahn kann somit beispielsweise bestehen aus: 85 Gew.-Teilen Pt-Pulver (3m2/g) An advantageous precious metal cermet paste for producing a conductor track can thus consist, for example, of: 85 parts by weight of Pt powder (3 m 2 / g)
12,5 Gew.-Teilen Nb2O5-Pulver (8 m2/g) 12.5 parts by weight of Nb 2 O 5 powder (8 m 2 / g)
2,5 Gew.-Teilen Al2O3-Pulver (10 m2/g) 2.5 parts by weight of Al 2 O 3 powder (10 m 2 / g)
sowie Binder, Weichmacher und Lösungsmittel. as well as binders, plasticizers and solvents.
Die Festelektrolytschicht 4 besteht aus einem der bekannten, zur Herstellung von O2- -Ionen leitenden Festelektrolytfolien verwendeten Oxide vierwertiger Metalle, wie insbesondere ZrO2, CeO2, HfO2 und ThO2 mit einem Gehalt an zweiwertigen Erdalkalioxiden und/oder vorzugsweise dreiwertigen Oxiden der seltenen Erden. In typischer Weise kann die Schicht zu etwa 50 bis 97 Mol-% aus ZrO2, CeO2, HfO2 oder ThO2 und zu 50 bis 3 Mol-% aus CaO, MgO oder SrO und/oder Oxiden der seltenen Erden und insbesondere Y2O3 bestehen. In vorteilhafter Weise besteht dieThe solid electrolyte layer 4 consists of one of the known oxides of tetravalent metals used for the production of O 2- ion conductive solid electrolyte foils, such as in particular ZrO 2 , CeO 2 , HfO 2 and ThO 2 with a content of divalent alkaline earth oxides and / or preferably trivalent oxides Rare Earth. Typically, the layer can contain about 50 to 97 mol% of ZrO 2 , CeO 2 , HfO 2 or ThO 2 and 50 to 3 mol% of CaO, MgO or SrO and / or rare earth oxides and especially Y. 2 O 3 exist. Advantageously, there is
Schicht aus mit Y2O3 stabilisiertem ZrO2. Die Dicke der Schicht kann in vorteilhafter Weise bei 10 - 200 μm , insbesondere 15 bis 50 μ m liegen. Layer of ZrO 2 stabilized with Y 2 O 3 . The thickness of the layer can advantageously be 10-200 μm, in particular 15 to 50 μm.
Die zur Erzeugung der Festelektrolytschicht verwendeten Pasten können ebenfalls unter Verwendung von Bindemitteln und/oder Haftverbesserern, Weichmachern und organischen Lösungsmitteln hergestellt werden. Eine vorteilhafte Paste zur Erzeugung der Festelektrolytschicht hat z. B. folgende Zusammensetzung:
40 g Zirkondioxid und The pastes used to produce the solid electrolyte layer can also be produced using binders and / or adhesion promoters, plasticizers and organic solvents. An advantageous paste for producing the solid electrolyte layer has, for. B. The following composition: 40 g zirconium dioxide and
10 g einer Vorlösung aus 10 g of a preliminary solution
12,50 Gew.-% Polyvinylbutyral, 12.50% by weight of polyvinyl butyral,
3,91 Gew.-% Dibutylphthalat, 3.91% by weight of dibutyl phthalate,
80,59 Gew.-% Butylcarbitol und 80.59% by weight of butyl carbitol and
3,00 Gew.-% Sebacinsäurebutvlester. 3.00% by weight sebacic acid butyl ester.
Die Isolationsschicht 5, die die Leiterbahn 6' der äußeren Pumpelektrode 6 gegenüber der Festelektrolytschicht 4 isoliert, besteht aus einer isolierenden Schicht, z. B. auf Al2O3-Basis, wie sie bei der Herstellung von planaren Sensorelementen üblicherweise erzeugt werden, um Leiterbahnen gegenüber einem Festelektrolyten zu isolieren. Die Isolationsschicht 5 kann beispielsweise 15 - 20 μm stark sein. The insulation layer 5, which insulates the conductor 6 'of the outer pump electrode 6 from the solid electrolyte layer 4, consists of an insulating layer, for. B. based on Al 2 O 3 , as they are usually produced in the manufacture of planar sensor elements, to isolate conductor tracks from a solid electrolyte. The insulation layer 5 can be 15-20 μm thick, for example.
Gegebenenfalls kann eine derartige Isolationsschicht auch If necessary, such an insulation layer can also
zwischen dem Träger 1 und der Leiterbahn 3' der inneren Pumpelektrode 3 angeordnet sein, z. B. in dem Fall, in dem der be arranged between the carrier 1 and the conductor track 3 'of the inner pump electrode 3, for. B. in the case where the
Träger ein Träger auf Festelektrolytbasis, beispielsweise ein ZrO2-Träger ist. Zwingend erforderlich ist die Anordnung derartiger Isolationsschichten jedoch nicht, d. h. sie können Carrier is a carrier based on solid electrolytes, for example a ZrO 2 carrier. However, the arrangement of such insulation layers is not absolutely necessary, ie they can
auch fortgelassen werden. also be omitted.
Die Engobe oder Schutzschicht 8 ist porös und besteht beispielsweise aus einer Schicht auf Al2O3- oder Mg-Spinell-Basis, wie sie üblicherweise in planaren Sensorelementen zur Abdeckung von Elektroden verwendet wird. Die Stärke der Engobe liegt The engobe or protective layer 8 is porous and consists, for example, of a layer based on Al 2 O 3 or Mg spinel, as is usually used in planar sensor elements for covering electrodes. The strength of the engobe lies
beispielsweise bei 10 - 40μm . for example at 10 - 40μm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die poröse Engobe aus einer Al2O3- und/oder Mg-Spinell-Matrix mit darin eingelagerten ZrO2-Partikeln des aus der DE-OS 37 37 215 bekannten Typs. According to an advantageous embodiment of the invention, the porous engobe consists of an Al 2 O 3 and / or Mg spinel matrix with ZrO 2 particles of the type known from DE-OS 37 37 215 embedded therein.
Die Abdeckung 9 schließlich kann aus dem gleichen Material aufgebaut sein wie die Engobe. In der Regel verwendet man zur Erzeugung der Abdeckung jedoch ein etwas feinkörnigeres Material.
Beispiel Finally, the cover 9 can be constructed from the same material as the engobe. As a rule, however, a somewhat fine-grained material is used to produce the cover. example
Zur Herstellung eines Sensorelementes des in den Figuren 3 und 4 schematisch dargestellten Typs wurde als Träger eine Folie aus mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid einer Schicht- starke von 0,5 mm verwendet. Der Diffusionspalt wurde in Dickschichttechnik durch eine Siebdruckschicht aus einem Gemisch aus Theobromin und grobkörnigem ZrO2 mit einer Korngröße von 10 μm eingebracht, wobei das Theobromin beim späteren Sinterυrozeß im Temperaturbereich um 300 °C unter Hinterlassen eines etwa To produce a sensor element of the type shown schematically in FIGS. 3 and 4, a film made of zirconium dioxide stabilized with yttrium and having a layer thickness of 0.5 mm was used as the carrier. The diffusion gap was introduced in thick-film technology through a screen printing layer made from a mixture of theobromine and coarse-grained ZrO 2 with a grain size of 10 μm, the theobromine during the later sintering process in the temperature range around 300 ° C., leaving about
30 μm hohen und 1,3 mm tiefen Ringspaltes verdampfte. Die ZrO2- Fes telektrolytschicht wurde durch Aufdrucken einer Paste aus mit Y2O3-stabilisiertem ZrO2 einer Teilchengröße von ~ 1 - 2 μm erzeugt. Die aufgedruckte Schicht hatte eine Stärke von 80 vm . Das Aufbringen der aus Platin bestehenden Pumpelektroden erfolgte ebenfalls in bekannter Siebdrucktechnik, wobei auf die die äußere 30 μm high and 1.3 mm deep annular gap evaporated. The ZrO 2 solid electrolyte layer was produced by printing on a paste of ZrO 2 stabilized with Y 2 O 3 and having a particle size of ~ 1-2 μm. The printed layer had a thickness of 80 vm. The pump electrodes, which consist of platinum, were also applied using known screen printing technology, with the outer electrodes being applied to them
Pumpe lekt rode tragende Oberfläche der Festelektrolytschicht im Bereich der Leiterbahn der äußeren Pumpelektrode zuvor eine Pump electrode-carrying surface of the solid electrolyte layer in the area of the conductor track of the outer pump electrode beforehand
10 μm dicke Al2O3-Isolaticnsschicht aufgetragen wurde. Die ringförmiger. Pumpelektroden hatten einen Außendurchmesser von 2,8mm und einen Innendurchmesser von 1,4mm bei einer Dicke von 12 μm. 10 μm thick Al 2 O 3 insulating layer was applied. The ring-shaped. Pump electrodes had an outer diameter of 2.8 mm and an inner diameter of 1.4 mm with a thickness of 12 μm.
Die Leiterbahnen wurden ausgehend von einer üblichen Pt-Cermet- paste aus 85 Gew.-Teilen Pt-Pulver und 15 Gew.-Teilen YSZ-Pulver erzeugt. The conductor tracks were produced from a conventional Pt cermet paste from 85 parts by weight of Pt powder and 15 parts by weight of YSZ powder.
Zur Erzeugung der ringförmigen Engobe wurde eine Paste auf A paste was applied to create the ring-shaped engobe
Al2O3-Basis aufgedruckt. Die Engobe hatte eine Stärke von ca. Al 2 O 3 base printed. The engobe had a thickness of approx.
30 μm. 30 μm.
Die Abdeckung wurde ebenfalls ausgehend von einer Paste auf The cover was also based on a paste
Al2O3-Basis aufgedruckt. Sie hatte eine Stärke von ca. 10 μm. Al 2 O 3 base printed. It had a thickness of approx. 10 μm.
Die zentrale Meßgaseintrittsöffnung hatte einen Durchmesser von 0,25 mm. Nach Aufbringen der Elektroden, Leiterbahnen, Isolierschicht sowie Engobe und Abdeckung wurde der beschichtete Träger einem Sinterprozeß unterworfen, bei dem er etwa 3 Stunden lang
auf eine Temperatur im Bereich von 1380º C erhitzt wurde. The central sample gas inlet opening had a diameter of 0.25 mm. After the electrodes, conductor tracks, insulating layer, engobe and cover had been applied, the coated carrier was subjected to a sintering process in which it lasted for about 3 hours was heated to a temperature in the range of 1380 ° C.
Das hergestellte Sensorelement wurde in ein Gehäuse des aus der DF-OS 32 06 903 bekannten Typs eingesetzt und zur Bestimmung des λ-Wertes von Gasgemischen verwendet. Es wurden ausgezeichnet reproduzierbare Ergebnisse erhalten. The sensor element produced was inserted into a housing of the type known from DF-OS 32 06 903 and used to determine the λ value of gas mixtures. Excellent reproducible results have been obtained.
Vorzugsweise erfolgt die Herstellung eines erfindungs gemäßen Sensorelementes maschinell im Mehrfachnutzen. In vorteilhafter Weise liegt die Breite der Sonde bei etwa 4 bis 6 mm. Der Preferably, the manufacture of a sensor element according to the invention is carried out mechanically in multiple use. The width of the probe is advantageously approximately 4 to 6 mm. The
Elektrodendurchmesser beträgt dabei in vorteilhafter Weise 3 bis 4 mm , z. B. 3,6 mm.
Electrode diameter is advantageously 3 to 4 mm, z. B. 3.6 mm.
Claims
1. Sensorelement für Grenzstromsensoren zur Bestimmung des 1. Sensor element for limit current sensors for determining the
λ-Wertes von Gasgemischen, insbesondere den Abgasen von λ value of gas mixtures, especially the exhaust gases from
Verbrennungsmotoren mit auf einem O2--Ionen leitenden Internal combustion engines with an O 2- ion conducting
Festelektrolyten angeordneten äußeren und inneren Pumpelektroden, von denen die innere Pumpelektrode für das durch einen Diffusionsspalt zugeführte Meßgas zugänglich ist und der Diffusionsspalt von dem Festelektrolyten abgedeckt wird, sowie mit Leiterbahnen für die Pumpelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der die Abdeckung für den Solid electrolytes arranged outer and inner pump electrodes, of which the inner pump electrode is accessible for the measurement gas supplied through a diffusion gap and the diffusion gap is covered by the solid electrolyte, and with conductor tracks for the pump electrodes, characterized in that the cover for the
Diffusionsspalt bildende Festelektrolyt eine durch Bedrucken eines Keramikträgers in Siebdrucktechnik erzeugte Festelektrolytschicht ist. Diffusion gap-forming solid electrolyte is a solid electrolyte layer produced by printing a ceramic carrier using screen printing technology.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytschicht eine Schicht aus mit Y2O3 stabilisiertem ZrO2 ist. 2. Sensor element according to claim 1, characterized in that the solid electrolyte layer is a layer of ZrO 2 stabilized with Y 2 O 3 .
5. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstärke der Festelektrolytschicht 10 - 100 μm beträgt. 5. Sensor element according to claim 1 or 2, characterized in that the layer thickness of the solid electrolyte layer is 10 - 100 microns.
4. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 4. Sensor element according to one of claims 1 to 3, characterized
gekennzeichnet, daß der Diffusionsspalt mit einem grob porösen Sintermaterial auf Al2O3- oder ZrO2-Basis gefüllt ist. characterized in that the diffusion gap is filled with a coarsely porous sintered material based on Al 2 O 3 or ZrO 2 .
5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch 5. Sensor element according to one of claims 1 to 4, characterized
gekennzeichnet, daß die Pumpelektroden ringförmig um eine zentrale Meßgaseintrittsöffnung angeordnet sind. characterized in that the pump electrodes are arranged in a ring around a central measuring gas inlet opening.
6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch 6. Sensor element according to one of claims 1 to 5, characterized
gekennzeichnet, daß der Träger aus einer Folie auf ZrO2- oder Al2O3-Keramikbasis besteht. characterized in that the carrier consists of a film based on ZrO 2 or Al 2 O 3 ceramic.
7. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes nach einem 7. Method for producing a sensor element according to a
der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einen Träger aus ungesinterter Keramik zunächst eine Masse of claims 1 to 6, characterized in that a mass is first placed on a support made of unsintered ceramic
zur Ausbildung des Diffusionsspaltes, danach die innere to form the diffusion gap, then the inner one
Pumpelektrode mit zugehöriger Leiterbahn, über die innere Pump electrode with associated conductor track, over the inner one
Pumpelektrode eine Festelektrolytschicht mit Gaseintrittsöffnung, eine Isolationsschicht, die äußere Pumpelektrode Pump electrode a solid electrolyte layer with gas inlet opening, an insulation layer, the outer pump electrode
mit zugehöriger Leiterbahn, eine Engobe und schließlich eine Abdeckung in Siebdrucktechnik aufdruckt und daß man den with associated conductor track, an engobe and finally a cover using screen printing technology and that the
bedruckten Träger unter Ausbildung des Diffusionsspaltes printed carrier with formation of the diffusion gap
sintert. sinters.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man 8. The method according to claim 7, characterized in that one
zur Ausbildung des Diffusionsspaltes auf den Träger eine Masse aufdruckt, die sich beim Sinterprozeß zersetzt oder verbrennt. to form the diffusion gap, a mass is imprinted on the carrier, which decomposes or burns during the sintering process.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man 9. The method according to claim 7, characterized in that one
zur Ausbildung des Diffusionsspaltes auf dem Träger eine to form the diffusion gap on the carrier
Masse aufdruckt, die beim Sinterprozeß porös sintert. Imprints mass that sinters porous during the sintering process.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man 10. The method according to claim 9, characterized in that one
eine Masse verwendet, die im wesentlichen aus einem Gemisch aus feinteiligem Al2O3 oder gegebenenfalls stabilisiertem used a mass consisting essentially of a mixture of finely divided Al 2 O 3 or optionally stabilized
ZrO2 und einem Porenbildner besteht. ZrO 2 and a pore former.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man 11. The method according to claim 10, characterized in that
als Porenbildner eine beim Sinterprozeß verdampfende oder as a pore former which evaporates during the sintering process or
verbrennende Substanz verwendet. burning substance used.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man den bedruckten Träger durch 2- bis 6- stündiges Erhitzen auf eine Temperatur von 1340 bis 1400ºC sinter 12. The method according to any one of claims 7 to 11, characterized in that sintering the printed carrier by heating for 2 to 6 hours at a temperature of 1340 to 1400ºC
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