WO2006120080A1 - Sensorelement für gassensoren enthaltend ltcc-substrat - Google Patents

Sensorelement für gassensoren enthaltend ltcc-substrat Download PDF

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WO2006120080A1
WO2006120080A1 PCT/EP2006/061231 EP2006061231W WO2006120080A1 WO 2006120080 A1 WO2006120080 A1 WO 2006120080A1 EP 2006061231 W EP2006061231 W EP 2006061231W WO 2006120080 A1 WO2006120080 A1 WO 2006120080A1
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WO
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sensor element
ceramic
element according
ltcc
ceramic substrate
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PCT/EP2006/061231
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Detlef Heimann
John Lloyd
John Day
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1466—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being a soot concentration or content

Definitions

  • the invention is based on a sensor element and its use according to the type defined in the term of the independent claims.
  • sensors are needed with which an accurate determination of the particle concentration present in a combustion exhaust gas can be made possible even in long-term operation.
  • a load prediction for example, provided in an exhaust system diesel particulate filter in order to achieve high system security and thereby be able to use cheaper filter materials can.
  • a sensor for the detection of particles in a fluid flow is known, which is designed on the basis of a ceramic multilayer substrate. It comprises two spaced-apart measuring electrodes, which are exposed to the combustion exhaust gas to be examined. If soot is deposited between the two measuring electrodes, a current flow between the measuring electrodes occurs when a voltage is applied to the measuring electrodes.
  • a layered heating element makes it possible to free the electrodes or their surroundings by thermal means from deposited soot particles.
  • the sensor further comprises a temperature measuring element with which the temperature of the sensor can be detected. The heating element is located within the laminate of the sensor between the Temperature measuring element and the measuring electrodes.
  • the ceramic multilayer substrate is made of a solid electrolyte material, which is subjected to a sintering process at temperatures of 1400 to 1600 0 C in its manufacture.
  • a sintering process at temperatures of 1400 to 1600 0 C in its manufacture.
  • only measuring electrodes made of a precious metal material such as platinum withstand these temperatures. Due to the material, this leads to high production costs.
  • Object of the present invention is to provide a sensor element for gas sensors in particular for determining the concentration of particles in gas mixtures, which has a good long-term stability in operation and yet can be produced inexpensively.
  • the sensor element with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the problem underlying the invention is achieved in an advantageous manner. This is based in particular on the fact that the sensor element has at least one ceramic substrate, which is made of a material that can already be converted at temperatures of up to 950 0 C of a green body in its ceramic form.
  • the comparatively low manufacturing temperature allows the use of functional layers such as measuring electrodes and resistor tracks, which are made of durable yet inexpensive materials such as silver, palladium or stainless steel.
  • LTCC materials low-temperature cofired ceramics
  • LTCC materials are preferably used as the material of the ceramic substrate, which can already be sintered at temperatures of less than 950 0 C and converted into their final ceramic form.
  • LTCC materials include a ceramic component and a glass component, which melts during the sintering process and leads to the sintering of the microstructure.
  • a further advantage of the use of LTCC materials is the fact that in the production of ceramic sensor elements, conventional processing techniques such as, for example, the thick-film technology can continue to be used without much adaptation.
  • the LTCC material as a ceramic component alumina, for example.
  • alumina for example.
  • substrates can be produced which exhibit limited ionic conductivity and, when using perovskites based on cerium, substrates capable of conducting protons are produced. In this way, if necessary, ceramic substrates with special properties can be achieved.
  • the glass component of the LTCC material used comprises silicon dioxide, calcium oxide and / or boron oxide.
  • particularly stable LTCC materials can be achieved, for example, with aluminum oxide as a ceramic component, since such glasses show a behavior comparable to aluminum oxide in terms of their reactivity and their thermal expansion coefficient.
  • this comprises substrates formed from an LTCC material, which have a surface coating of a solid electrolyte material.
  • a solid electrolyte material is used in the form of nanoparticles, since they have a relatively low sintering temperature.
  • the sensor element is advantageously suitable for the determination of oxygen, nitrogen oxides, particles and / or ammonia in exhaust gases of internal combustion engines. In this way, in particular the operation of a diesel engine or the functionality and / or the loading state of a particulate filter can be monitored.
  • FIG. 1 shows a sensor element according to a first embodiment in a - A -
  • Exploded view and Figure 2 is a sectional view of a sensor element according to a second exemplary embodiment in a longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a basic structure of an embodiment of the present invention.
  • a ceramic sensor element which serves to determine particles, such as soot particles, in a gas mixture surrounding the sensor element.
  • the sensor element 10 comprises, for example, a plurality of ceramic foils I Ia and Ib which form a planar ceramic body. They preferably consist of a suitable LTCC material.
  • the sensor element 10 furthermore has, for example, a plurality of electrically insulating ceramic layers 12a, 12b, 12c, 12d, 12e and 12f.
  • the layers 12a-12f are produced, for example, by screen printing of a pasty ceramic material on the ceramic films 11a, 11b.
  • the pasty material preferably also comprises a suitable LTCC material, which, however, is designed to be electrically insulating. If the ceramic foils I Ia, IIb are made on the basis of an electrically insulating LTCC material, at least the incorporation of the ceramic layers 12b-12e can also be dispensed with.
  • the integrated form of the planar ceramic body of the sensor element 10 is produced in a manner known per se by laminating together the ceramic films 11a, 11b printed with the ceramic layers 12a-12e and with functional layers, and then sintering the laminated structure.
  • the sensor element 10 furthermore has a ceramic heating element 40, which is designed in the form of an electrical resistance conductor track and serves to heat the sensor element 10 in particular to the respective operating temperature or burnup of the soot particles deposited on the large surfaces of the sensor element 10.
  • the resistance conductor track is furthermore preferably in the form of a meander and has through-connections 42, 44 as well as electrical contacts 46, 48 at both ends. By creating a corresponding Heating voltage to the contacts 46, 48 of the resistor track, the heating power of the heating element 40 can be regulated accordingly.
  • two measuring electrodes 14, 16 are applied, which are preferably designed as interdigitated interdigital electrodes and form an electrochemical measuring element.
  • the use of interdigital electrodes as measuring electrodes 14, 16 advantageously enables a particularly accurate determination of the electrical resistance or the electrical conductivity of the surface material located between the measuring electrodes 14, 16.
  • For contacting the measuring electrodes 14, 16 are in the region of a gas mixture facing away from the end of the sensor element contacts 18,
  • the supply regions of the electrodes 14, 16 are preferably shielded by the ceramic layers 12a, 12b from the influences of a gas mixture surrounding the sensor element 10.
  • a voltage is applied to the measuring electrodes 14, 16. Since the measuring electrodes 14, 16 are arranged on the surface of the electrically insulating ceramic layer 12c or of the ceramic foil 11a, substantially no current flow initially occurs between the measuring electrodes 14, 16.
  • soot has a certain electrical conductivity, sufficient loading of the surface of the sensor element 10 or of the porous protective layer with soot results in an increasing current flow between the measuring electrodes 14, 16, which correlates with the extent of the loading.
  • the electrical resistance between the measuring electrodes 14, 16 can be taken into account.
  • a calculation of the particle concentration is possible on the basis of the measured values, as long as the flow velocity of the gas mixture is known. This or the volume flow of the gas mixture can be determined, for example, by means of a suitable further sensor.
  • the sensor element 10 comprises a temperature measuring element 30, which is preferably designed in the form of an electrical resistance trace and has the shape of a meander, wherein one of the terminals of the resistance trace is preferably connected to the contact 46. Another electrical connection of the temperature measuring element 30 is formed by a further contact 22.
  • an LTCC material is used as the material of at least one of the ceramic films 11a, 11b or at least one of the ceramic layers 12a-12e.
  • This comprises a ceramic component and a glass component.
  • the ceramic component used is, for example, aluminum oxide, zirconium dioxide stabilized with yttrium oxide or calcium oxide, perovskites based on cobalt, or mixtures thereof.
  • the ceramic component has a proportion of 20 to 50 wt.% Of the film material.
  • glasses for example, glasses comprising silica, calcium oxide and / or boron oxide are used. In this way, for example with aluminum oxide as a ceramic component, particularly stable LTCC layers can be produced, since in this case
  • the ceramic films I Ia, I Ib are made of an aluminum oxide-containing LTCC material, since in this case can be dispensed with further insulation layers within the sensor element.
  • measuring elements 40, 30, which are made of resistant, yet inexpensive materials such as silver, palladium, silver-palladium alloys or stainless steel.
  • the use of stainless steels with a high proportion of chromium or nickel is preferred.
  • FIG. 2 A further embodiment is shown in FIG. 2, wherein the same reference symbols designate the same component components as in FIG. 1.
  • the sensor element 10 is preferably used for the determination of gaseous components of a gas mixture such as oxygen. It comprises ceramic foils 13a, 13b, 13c and 13d of at least one LTCC material.
  • the ceramic foils 13b-13d are made of an electrically insulating LTCC material and, for example, have alumina as the ceramic component, whereas the ceramic foil 13a is made on the basis of an LTCC material which is partially used as a ceramic component. or fully stabilized zirconia.
  • a printed layer of zirconia may be used, wherein the zirconia is at least predominantly in the form of nanoparticles.
  • the use of nanoparticles ensures that the ceramic film 13a can be sintered at relatively low temperatures because nanoparticles have a lower melting point than microparticles of the same material.
  • the sensor element 10 includes, for example, in the layer plane 13b an air reference channel 19, which leads out at one end of the planar body of the sensor element 10 and is in communication with the air atmosphere.
  • a measuring electrode 24 On the outer, the gas mixture directly facing side of the solid electrolyte layer 13a is a measuring electrode 24, which may be covered with a porous protective layer 26.
  • a reference electrode 28 is located on the side of the ceramic film 13a facing the air reference channel 19, a reference electrode 28 is located.
  • the electrodes 24, 28 are operated, for example, as a so-called Nernst cell.
  • the electromotive force EMF between the measuring and reference electrodes 24, 28 is measured as a voltage.
  • the EMF is due to different oxygen concentrations at the measuring and reference electrode 24, 28 caused (so-called Nernstkal).
  • the magnitude of the measured voltage provides information about the oxygen concentration at the measuring electrode 24.
  • Sensor element can be made.
  • additional ceramic layers in the sensor element or to simplify the multi-layer structure of the sensor element in relation to the application, as well as to provide further measuring electrodes.
  • the use of several heating and temperature measuring elements is possible as well as the use of electrochemical pumping cells for the determination of corresponding gas components of a gas mixture.

Abstract

Es wird ein Sensorelement für Gassensoren insbesondere zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen beschrieben, mit mindestens einem dem zu bestimmenden Gasgemisch ausge- setzten elektrochemischen Messelement und mindestens einem keramischen Substrat (11a, 11b, 12a - 12f, 13a - 13d). Das keramische Substrat (11a, 11b, 12a - 12h, 13 - 13d) enthält ein LTCC-Material.

Description

SENSORELEMENT FÜR GASSΞNSOREN ENTHALTEND LTCC-SUBSTRAT
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement sowie dessen Verwendung gemäß der im O- berbegriff der unabhängigen Ansprüche definierten Art.
Stand der Technik
Um die Funktionstüchtigkeit aktueller in Kraftfahrzeugen eingesetzter Abgasnachbehandlungssysteme zu überprüfen bzw. zu überwachen, werden Sensoren benötigt, mit denen auch im Langzeitbetrieb eine genaue Ermittlung der in einem Verbrennungsabgas vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise eines in einem Abgassystem vorgesehenen Dieselpartikelfilters ermöglicht werden, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere Filtermaterialien einsetzen zu können.
Aus der DE 10 2005 003118 ist ein Sensor zur Detektion von Partikeln in einem Fluidstrom bekannt, der auf der Basis eines keramischen Mehrlagensubstrats ausgeführt ist. Er umfasst zwei voneinander beabstandete Messelektroden, die dem zu untersuchenden Verbrennungsabgas ausgesetzt sind. Lagert sich zwischen den beiden Messelektroden Ruß ab, so kommt es beim Anlegen einer Spannung an die Messelektroden zu einem Stromfluss zwischen den Messelektroden. Ein schichtförmig ausgeführtes Heizelement ermöglicht es, die Elektroden bzw. deren Umgebung auf thermischem Wege von abgelagerten Rußpartikeln zu befreien. Der Sensor umfasst weiterhin ein Temperaturmesselement, mit dem die Temperatur des Sensors detektiert werden kann. Das Heizelement befindet sich innerhalb des Schichtverbundes des Sensors zwischen dem Temperaturmesselement und den Messelektroden. Nachteilig an diesem Aufbau des Sensors ist, dass das keramische Mehrlagensubstrat aus einem Festelektrolytmaterial ausgeführt ist, das bei seiner Herstellung einem Sinterprozess bei Temperaturen von 1400 bis 16000C unterworfen wird. Diesen Temperaturen halten jedoch nur Messelektroden stand, die aus einem Edelmetall- material wie Platin gefertigt sind. Dies führt materialbedingt zu hohen Fertigungskosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement für Gassensoren insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen bereitzustellen, das eine gute Langzeitbeständigkeit im Betrieb aufweist und dennoch kostengünstig hergestellt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Das Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in vorteilhafter Weise gelöst wird. Dies beruht insbesondere darauf, dass das Sensorelement mindestens ein keramisches Substrat aufweist, das aus einem Material ausgeführt ist, das bereits bei Temperaturen von bis zu 9500C von einem Grünkörper in seine keramische Form überführt werden kann. Die vergleichsweise niedrige Herstellungstemperatur ermöglicht den Einsatz von Funktionsschichten wie Messelektroden und Widerstandsleiterbahnen, die aus widerstandsfähigen und dennoch kostengünstigen Materialien wie Silber, Palladium oder Edelstahl ausgeführt sind.
Dazu werden als Material des keramischen Substrats vorzugsweise so genannte LTCC- Materialien (Low temperature cofired ceramics) eingesetzt, die bereits bei Temperaturen von weniger als 9500C gesintert und in ihre endgültige keramische Form überführt werden können.
LTCC-Materialien umfassen dabei einen keramischen Anteil sowie ein Glaskomponente, die während des Sintervorganges aufschmilzt und zur Versinterung des Gefüges führt. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von LTCC-Materialien ist darin zu sehen, dass in der Herstellung von keramischen Sensorelementen übliche Verarbeitungstechniken wie bspw. die Dickschichttech- nik praktisch ohne größere Anpassung weiterhin angewendet werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des vorliegenden Sensorelementes ergeben sich aus den Unteransprüchen. So ist von Vorteil, wenn das LTCC-Material als Keramikkomponente Aluminiumoxid, bspw. mit Yttriumoxid oder Calciumoxid stabilisiertes Zirkondioxid und/oder Strontium- bzw. Bari- umcerat mit Perowskitstruktur enthält, da sich bei Verwendung von Aluminiumoxid aufgrund dessen guter elektrischer Isolierfähigkeit Substrate erzeugen lassen, die als Isolationsschichten in Sensorelementen fungieren können. Bei Verwendung von Zirkondioxid können Substrate erzeugt werden, die eine begrenzte Ionenleitfähigkeit zeigen und bei Verwendung von Perowski- ten auf Cerbasis werden Substrate erzeugt, die leitfähig für Protonen sind. Auf diese Weise lassen sich bedarfsweise keramische Substrate mit besonderen Eigenschaften erzielen.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Glaskomponente des verwendeten LTCC-Materials Silici- umdioxid, Calciumoxid und/oder Boroxid umfasst. Auf diese Weise können besonders stabile LTCC-Materialien bspw. mit Aluminiumoxid als keramischer Komponente erzielt werden, da derartige Gläser hinsichtlich ihrer Reaktivität und ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein zu Aluminiumoxid vergleichbares Verhalten zeigen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Sensorelementes umfasst dieses aus einem LTCC- Material gebildete Substrate, die oberflächlich eine Beschichtung aus einem Festelektrolytmaterial aufweisen. Auf diese Weise kann bedarfsweise eine ausreichende Ionenleitfähigkeit des keramischen Substrates erreicht werden. Dabei ist von Vorteil, wenn das Festelektrolytmaterial in Form von Nanopartikeln eingesetzt wird, da diese eine verhältnismäßig niedrige Sintertemperatur aufweisen.
Das Sensorelement ist in vorteilhafter Weise geeignet zur Bestimmung von Sauerstoff, Stickoxiden, Partikeln und/oder Ammoniak in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Auf diese Weise kann insbesondere die Betriebsweise eines Dieselmotors oder die Funktionstüchtigkeit und/oder der Beladungszustand eines Partikelfilters überwacht werden.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Sensorelementes sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 ein Sensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer - A -
Explosionsdarstellung und Figur 2 eine Ausschnittsdarstellung eines Sensorelementes gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiels in einem Längsschnitt.
Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele
In Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit 10 ist ein keramisches Sensorelement bezeichnet, das der Bestimmung von Partikeln, wie beispielsweise Rußpartikeln, in einem das Sensorelement umgebenden Gasgemisch dient. Das Sensorelement 10 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von keramischen Folien I Ia und 1 Ib, die einen planaren keramischen Körper bilden. Sie bestehen vorzugsweise aus einem geeigneten LTCC-Material.
Sind die keramischen Folien 1 Ia, 1 Ib aus einem leitfähigen LTCC-Material ausgeführt, so weist das Sensorelement 10 weiterhin beispielsweise eine Vielzahl von elektrisch isolierenden keramischen Schichten 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f auf. Die Schichten 12a - 12f werden bspw. mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials auf den keramischen Folien I Ia, 1 Ib erzeugt. Das pastöse Material umfasst dabei vorzugsweise ebenfalls ein geeignetes LTCC- Material, das jedoch elektrisch isolierend ausgeführt ist. Sind die keramischen Folien I Ia, IIb auf der Basis eines elektrisch isolierenden LTCC-Materials ausgeführt, so kann zumindest auf einen Einbau der keramischen Schichten 12b - 12e auch verzichtet werden.
Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelementes 10 wird durch Zu- sammenlaminieren der mit den keramischen Schichten 12a - 12e und mit Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien I Ia, 1 Ib und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin ein keramisches Heizelement 40 auf, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist und der Aufheizung des Sensorelementes 10 insbesondere auf die jeweilige Betriebstemperatur bzw. dem Abbrand der auf den Großflächen des Sensorelementes 10 abgelagerten Rußpartikel dient. Die Widerstandsleiterbahn ist weiterhin vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgebildet und weist an beiden Enden Durchkontaktie- rungen 42, 44 sowie elektrische Kontakte 46, 48 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung an die Kontakte 46, 48 der Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelementes 40 entsprechend reguliert werden.
Auf einer Großfläche des Sensorelementes 10 sind beispielsweise zwei Messelektroden 14, 16 aufgebracht, die vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sind und ein elektrochemisches Messelement bilden. Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden 14, 16 ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 14, 16 befindenden Oberflächenmaterials. Zur Kontaktierung der Messelektroden 14, 16 sind im Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Endes des Sensorelementes Kontakte 18,
20 vorgesehen. Dabei sind die Zuleitungsbereiche der Elektroden 14, 16 vorzugsweise durch die keramischen Schichten 12a, 12b gegenüber den Einflüssen eines das Sensorelement 10 umgebenden Gasgemischs abgeschirmt.
Während des Betriebs des Sensorelementes 10 wird an die Messelektroden 14, 16 eine Spannung angelegt. Da die Messelektroden 14, 16 auf der Oberfläche der elektrisch isolierend ausgeführten keramischen Schicht 12c bzw. der keramischen Folie I Ia angeordnet sind, kommt es zunächst im wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16.
Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Gasgemisch Partikel, insbesondere Ruß, so lagern sich diese auf der Oberfläche des Sensorelementes 10 ab. Da Ruß eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Sensorelementes 10 bzw. der porösen Schutzschicht mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.
Wird nun an die Messelektroden 14, 16 eine vorzugsweise konstante Gleich- oder Wechselspannung angelegt und der zwischen den Messelektroden 14, 16 auftretende Stromfluss bzw. der Anstieg des Stromflusses über der Zeit ermittelt, so kann aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten des Stromflusses nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Alternativ kann anstelle des Stromflusses der elektrische Widerstand zwischen den Messelektroden 14, 16 berücksichtigt werden. Eine Berechnung der Partikelkonzentration ist auf der Basis der Messwerte möglich, sofern die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bekannt ist. Diese bzw. der Volumenstrom des Gasgemisches kann bspw. mittels eines geeigneten weiteren Sensors bestimmt werden.
Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 10 ein Temperaturmesselement 30, das vorzugswei- se in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist und die Form eines Mäanders aufweist, wobei einer der Anschlüsse der Widerstandsleiterbahn vorzugsweise mit dem Kontakt 46 verbunden ist. Ein weiterer elektrischer Anschluss des Temperaturmesselements 30 wird durch einen weiteren Kontakt 22 gebildet. Durch Anlegen einer geringen Messspannung an die Kontakte 22, 46 der Widerstandsleiterbahn und durch Bestimmen des elektrischen Wi- derstandes derselben kann auf die Temperatur des Sensorelementes 10 geschlossen werden.
Vorzugsweise wird als Material mindestens einer der keramischen Folien I Ia, 1 Ib bzw. mindestens einer der keramischen Schichten 12a - 12e ein LTCC-Material eingesetzt. Dieses umfasst einen keramischen Anteil sowie ein Glaskomponente. Dabei wird als keramische Kompo- nente beispielsweise Aluminiumoxid, vorzugsweise mit Yttriumoxid oder Calciumoxid stabilisiertes Zirkondioxid, cerbasierte Perowskite oder Mischungen derselben eingesetzt. Die keramische Komponente weist dabei einen Anteil von 20 bis 50 Gew. % am Folienmaterial auf. Als Glaskomponente werden beispielsweise Gläser verwendet, die Siliciumdioxid, Calciumoxid und/oder Boroxid umfassen. Auf diese Weise können beispielsweise mit Aluminiumoxid als ke- ramischer Komponente besonders stabile LTCC-Schichten erzeugt werden, da in diesem Fall
Glas- und Keramikkomponente hinsichtlich ihrer Reaktivität und ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein vergleichbares Verhalten zeigen.
Dabei werden insbesondere die keramischen Folien I Ia, 1 Ib aus einem aluminiumoxidhaltigen LTCC-Material ausgeführt, da in diesem Fall auf weitere Isolationsschichten innerhalb des Sensorelementes verzichtet werden kann.
Zur Herstellung der Folien I Ia, 1 Ib bzw. der keramischen Schichten 12a - 12h sind aufgrund der Verwendung von LTCC-Materialien bereits Sintertemperaturen von 850 bis 9000C ausrei- chend, da bei diesen Temperaturen die Glaskomponente des LTCC-Materials während des Sintervorganges aufschmilzt und zur Versinterung des Gefüges führt.
Die vergleichsweise niedrigen Sintertemperaturen ermöglichen den Einsatz von Funktionsschichten für Messelektroden 14, 16 bzw. Widerstandsleiterbahnen von Heiz- und Temperatur- messelementen 40, 30, die aus widerstandsfähigen und dennoch kostengünstigen Materialien wie beispielsweise Silber, Palladium, Silber-Palladiumlegierungen oder Edelstahl ausgeführt sind. Dabei ist die Verwendung von Edelstahlen mit einem hohen Anteil an Chrom bzw. Nickel bevorzugt.
Eine weitere Ausführungsform ist in Figur 2 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten bezeichnen wie in Figur 1.
Das Sensorelement 10 gemäß zweiter Ausführungsform dient vorzugsweise der Bestimmung von gasförmigen Bestandteilen eines Gasgemisches wie beispielsweise Sauerstoff. Es umfasst keramische Folien 13a, 13b, 13c und 13d aus mindestens einem LTCC-Material. Dabei sind die keramischen Folien 13b - 13d aus einem elektrisch isolierenden LTCC-Material ausgeführt und weisen bspw. als keramische Komponente Aluminiumoxid auf, während hingegen die keramische Folie 13a auf der Basis eines LTCC-Materials ausgeführt ist, das als keramische Kompo- nente teil- oder vollstabilisiertes Zirkondioxid umfasst. Alternativ kann als keramische Folie
13a eine gedruckte Schicht aus Zirkondioxid verwendet werden, wobei das Zirkondioxid zumindest zum überwiegenden Teil in Form von Nanopartikeln vorliegt. Die Verwendung von Nanopartikeln stellt sicher, dass die keramische Folie 13a bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen gesintert werden kann, da Nanopartikel einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen als Mikropartikel desselben Materials.
Das Sensorelement 10 beinhaltet beispielsweise in der Schichtebene 13b einen Luftreferenzkanal 19, der an einem Ende aus dem planaren Körper des Sensorelements 10 herausführt und mit der Luftatmosphäre in Verbindung steht. Auf der äußeren, dem Gasgemisch unmittelbar zugewandten Seite der Festelektrolytschicht 13a befindet sich eine Messelektrode 24, die mit einer porösen Schutzschicht 26 bedeckt sein kann.
Auf der dem Luftreferenzkanal 19 zugewandten Seite der keramischen Folie 13a befindet sich eine Referenzelektrode 28. Bei der Verwendung des Sensorelements 10 als Gassen- sor zur Bestimmung von sauerstoffhaltigen Verbindungen werden die Elektroden 24, 28 bspw. als so genannte Nernstzelle betrieben. Dabei wird die elektromotorische Kraft EMK zwischen Mess- und Referenzelektrode 24, 28 als Spannung gemessen. Die EMK wird durch unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen an Mess- und Referenzelektrode 24, 28 hervorgerufen (so genanntes Nernstprinzip). Die Höhe der gemessenen Spannung gibt Aufschluss über die Sauerstoffkonzentration an der Messelektrode 24.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungs- formen eines Sensorelementes beschränkt, sondern es können zahlreiche Abwandlungen dieses
Sensorelementes vorgenommen werden. So ist es beispielsweise möglich, zusätzliche keramische Schichten im Sensorelement vorzusehen oder den Mehrschichtaufbau des Sensorelementes anwendungsbezogen zu vereinfachen, sowie weitere Messelektroden vorzusehen. Auch die Verwendung mehrerer Heiz- und Temperaturmesselemente ist möglich sowie der Einsatz von elektrochemischen Pumpzellen zur Bestimmung entsprechender Gaskomponenten eines Gasgemisches.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement für Gassensoren insbesondere zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, mit mindestens einem dem zu bestimmenden Gasgemisch ausgesetzten elektrochemischen Messelement und mindestens einem keramischen Substrat (1 Ia, 1 Ib, 12a - 12f, 13a - 13d), dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Substrat (I Ia, 1 Ib, 12a - 12f, 13a - 13d) ein LTCC-Material enthält.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das LTCC-Material eine Glaskomponente und eine Keramikkomponente umfasst, wobei die Keramikkomponente AIu- miniumoxid, Zirkondioxid und/oder Cerdioxid enthält.
3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskomponente Silici- umdioxid, Calciumoxid und/oder Boroxid umfasst.
4. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Substrat (1 la,l Ib, 13a) ein Festelektrolytmaterial umfasst, wobei das Festelektrolytmaterial im wesentlichen durch Nanopartikel von Zirkondioxid gebildet ist.
5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Messelement Elektroden (14, 16, 24, 28) umfasst, die aus einem Material ausgeführt sind, das Silber, Palladium, einen Edelstahl und/oder Legierungen derselben aufweist.
6. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement (40) und/oder ein Temperaturmesselement (30) mit einer Widerstandsleiterbahn vorgesehen ist, wobei die Widerstandsleiterbahn ein Material enthält, das Silber, Palladium, einen Edelstahl und/oder Legierungen derselben aufweist.
7. Verwendung eines Sensorelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Bestimmung von Sauerstoff, Stickoxiden und/oder Ammoniak in Abgasen von Verbrennungsmotoren.
8. Verwendung eines Sensorelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Überwachung der Betriebsweise eines Dieselmotors oder der Funktionstüchtigkeit und/oder des Beladungszustands eines Partikelfϊlters.
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