WO2010043470A1 - Material einer elektrisch leitfähigen cermet-schicht für elektrochemische gassensoren - Google Patents

Material einer elektrisch leitfähigen cermet-schicht für elektrochemische gassensoren Download PDF

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ceramic
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Jens Schneider
Detlef Heimann
Frank Buse
Harald Koehnlein
Marten Mamey
Thorsten Ochs
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods

Definitions

  • the invention relates to a material of an electrically conductive, designed as a cermet layer for electrochemical gas sensors, on a sensor element containing this and its use according to the preamble of the independent claims.
  • Ceramic gas sensors which are used for the electrochemical determination of gas components in exhaust gases of internal combustion engines, are known.
  • DE 39 34 586 A1, DE 42 40 267 A1 and DE 198 33 087 A1 disclose sensors whose operating principle is based, for example, on the electrochemical reduction of oxygen or oxygen-containing compounds in an exhaust gas.
  • the sensor elements described include platinum metal cermet electrodes printed on substrates of yttrium stabilized zirconia.
  • these platinum metal cermet electrodes have a ceramic content of 40% by volume and a metal content of about 60% by volume. Due to the ceramic additive, a good bonding of the Cernnet electrode material to the surface of the ceramic sensor is ensured; at the same time, this causes a certain basic porosity of the Cernnet
  • Electrode material At the three-phase boundary between gas phase, metallic and ceramic phase, the electrochemical conversion of gas components to be detected of a gas mixture takes place.
  • cermet materials are also used to produce heating elements that are integrated into electrochemical gas sensors and serve to heat them to their operating temperature.
  • cermet materials are used not only for electrodes of ceramic gas sensors, which serve the electrochemical conversion of oxygen or oxygen-containing compounds, but also in electrochemical gas sensors, which operate on a resistive measuring principle.
  • Such sensors can be found, for example, in DE 101 24 907 A1.
  • These are used to detect soot in a fluid stream and comprise a plurality of spaced-apart measuring electrodes, which are exposed to the fluid flow to be examined. If soot is deposited between the measuring electrodes, the insulation resistance of the ceramic material is reduced
  • a heating element of the sensor element makes it possible to free the electrodes or their surroundings by thermal means from deposited soot.
  • the object of the present invention is to provide a cermet material for use in electrochemical gas sensors, which is a relatively has closed crystal structure and thus shows a high endurance stability or a low aging behavior.
  • the material according to the invention in addition to a ceramic portion additionally serving as a sintering aid further component, which during the manufacturing process, the crystal I it growth of the metallic contained
  • Advantageous sintering aids in the context of the invention are titanium dioxide or titanates.
  • the effect of titanium dioxide or of the titanates used as sintering aids is particularly pronounced when mixed oxides of an element oxide with titanium dioxide are used. In this case, preference is given to using alkaline earth titanates or aluminum titanates.
  • the metallic portion of the cermet material is formed by gold or by a gold alloy. It is particularly advantageous if the gold alloy contains platinum with a total weight fraction of the gold alloy of up to 15 wt.%.
  • the metallic portion of the cermet material is formed by platinum or a platinum alloy. It is particularly advantageous if the platinum alloy contains rhodium and / or palladium with a total weight fraction of the platinum alloy of 5 to 10 wt.% Or iridium, ruthenium and / or cobalt with a total weight fraction of the platinum alloy of up to 5 wt.%.
  • electrodes of an electrochemical gas sensor are made of such a cermet material
  • the material removal due to chemical or physical processes such as evaporation or formation of volatile metal compounds, for example, in the form of carbonyls or oxides, for example, is reduced.
  • the poisoning and corrosion resistance of the cermet material to reactive exhaust, oil ash or catalytic converter components increases and, moreover, the signal stability of an electrode made of this cermet material is improved.
  • the material according to the invention can advantageously be used to produce electrodes of a sensor element and to form a ceramic heating element for heating the same. Other applications are in the design of electrical leads for
  • Figure 1 is a plan view of a sensor element of an electrochemical
  • Figure 2 is a plan view of a layer plane of the illustrated in Figure 1
  • FIG. 1 shows a sensor element 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • This comprises a measuring electrode system 11, which is formed from a first and a second measuring electrode 12, 13.
  • the first and the second measuring electrode 12, 13 via a first or second electrode lead 14, 15 with a first and a second contact surface 17, 18 are electrically connected.
  • the electrode leads 14, 15 and the contact surfaces 17, 18 are used for electrical contacting of the measuring electrodes 12, 13.
  • the measuring electrodes 12, 13 are designed, for example, as interdigitated interdigital electrodes.
  • the measuring electrodes 12, 13, the leads 14, 15 and the contact surfaces 17, 18 are positioned, for example, on a ceramic, electrically insulating layer 20. This is preferably made of aluminum oxide.
  • the ceramic layer 20 may be applied to a ceramic carrier body 22. Alternatively, the ceramic layer 20 in turn serve as a ceramic carrier body.
  • the ceramic carrier body 22 may in turn be made of a plurality of ceramic layers, which are a planar ceramic
  • Form composite layer The integrated form of the planar ceramic body of the carrier element 22 is produced, for example, by laminating together the functional films printed with ceramic films and then sintering the laminated structure in a conventional manner.
  • a voltage is applied to the measuring electrodes 12, 13. Since the measuring electrodes 12, 13 are applied to the surface of the electrically insulating ceramic layer 20, substantially no current flow initially occurs between the measuring electrodes 12, 13. If a measuring gas flowing around the sensor element 10 contains electrically conductive particles, in particular carbon black, then they are deposited these on the surface of the ceramic layer 20 from. Since carbon black has a certain electrical conductivity, with sufficient loading of the surface of the ceramic layer 20 with carbon black, there is an increasing current flow between the measuring electrodes 12, 13, which correlates with the extent of the loading.
  • the integral of the current flow over time can be applied to the deposited particle mass or to the current one
  • Particle mass flow in particular soot mass flow, and be closed on the particle concentration in the gas mixture.
  • concentration of all those particles in a gas mixture is detected, which determines the electrical conductivity of the between Measuring electrodes 12, 13 located ceramic material positively or negatively influence.
  • Another possibility is to determine the increase in current flow over time and from the quotient of current flow increase and time or from the differential quotient of current flow over time on the deposited particle mass or on the current particle mass flow, in particular soot mass flow, and on the Close particle concentration in the gas mixture.
  • 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 furthermore preferably comprises a heating element 40 in a layer plane 24 of the carrier body 22. This is shown in FIG.
  • the sensor element 10 furthermore preferably comprises a heating element 40 in a layer plane 24 of the carrier body 22. This is shown in FIG. The
  • Heating element 40 comprises a heating meander 42 designed as a resistance element, which is electrically conductively connected to second contact surfaces 46, 47 via second feed lines 44, 45.
  • the supply lines 44, 45 and the second contact surfaces 46, 47 serve for the electrical contacting of the electrical resistance heating element 42.
  • this is preferably embedded in a layer 48 of an electrically insulating material such as alumina.
  • compartments of the present sensor element which due to operation must have a certain electrical conductivity, such as the measuring electrodes 12, 13 and the CambridgesSchetzleiterbahn 42 and their leads 14, 15, 44, 45 and their contact surfaces 17, 18, 46, 47 preferably from a Cermet material running, which is a suitable
  • Sintering aid or a metal alloy contains.
  • titanium dioxide or a suitable titanate is provided as a sintering aid.
  • the titanium compounds mentioned cause a lower porosity of the cermet material during the manufacturing process, since the platinum-crystallite growth is greatly reduced. As a consequence, a higher aging stability of the sensor element compartments made from this cermet material can be observed, together with a marked reduction in the electrical resistance of the cermet material thus produced.
  • titanium dioxide or a corresponding titanate of the general formula A x Ti x O 2 is used as a sintering aid for the production of the cermet material.
  • titanium dioxide or a corresponding titanate of the general formula A x Ti x O 2 is used as a sintering aid for the production of the cermet material.
  • magnesium titanate MgTiO 3 or aluminum titanate Al 2 TiO 5 having a weight fraction of titanium dioxide of, for example, up to 20% by weight, preferably up to 15% by weight, in particular up to 8% by weight, is suitable.
  • the metallic portion of the cermet material is formed in particular by platinum, gold and / or palladium, however, other elements of the platinum metal group are also suitable.
  • the metallic portion of the cermet material includes, for example, metal alloys, such as gold or platinum alloys.
  • metal alloys such as gold or platinum alloys.
  • gold alloys with a platinum content of, for example, up to 15% by weight, preferably up to 10% by weight and in particular of up to 8% by weight are used.
  • Possibility of execution is to provide an electrode of platinum or a platinum alloy on the surface with a coating of gold or a gold alloy.
  • gold-containing platinum alloys with a gold content of, for example, up to 10% by weight, preferably up to 5% by weight, are suitable.
  • the metallic portion of the cermet material comprises a platinum alloy with a total content of rhodium and / or palladium of, for example, up to 30% by weight, preferably from 3 to 15% by weight and in particular from 5 to 10% by weight. on.
  • the proportions chosen take into account that the volatility of platinum alloys is reduced by adding rhodium or palladium, so that the evaporation losses are kept low during sintering during the production of the underlying sensor element. Due to the lower material loss, a cost reduction in the production of the sensor element is realized.
  • electrodes of an electrochemical gas sensor made of such a cermet material so u.a. the poisoning and corrosion resistance of the cermet material to reactive exhaust gas oil ash or exhaust catalyst components such as magnesium, calcium, phosphorus, sulfur or silicon compounds substantially.
  • the cermet material described is also suitable for the formation of further compartments of ceramic electrochemical gas sensors, such as temperature measuring meanders, reference or pumping electrodes as well as their supply lines and contact surfaces.
  • the described cermet material can also be used in electrochemical sensors for the determination of particles in gas mixtures.
  • the described cermet material can also be used in electrochemical sensors for the determination of particles in gas mixtures.
  • Sensor elements are used for the determination of gaseous components of a gas mixture.

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Abstract

Es wird ein Material einer elektrisch leitfähigen, als Cermet ausgeführten Schicht für elektrochemische Gassensoren beschrieben, das einen metallischen und einen keramischen Anteil umfasst. Es ist vorgesehen, dass das Material ein Sinterhilfsmittel und/oder der metallische Anteil eine Metalllegierung enthält.

Description

Beschreibung
Titel MATERIAL EINER ELEKTRISCH LEITFÄHIGEN CERMET-SCHICHT
FÜR ELEKTROCHEMISCHE GAS SENSOREN
Die Erfindung bezieht sich auf ein Material einer elektrisch leitfähigen, als Cermet ausgeführten Schicht für elektrochemische Gassensoren, auf ein Sensorelement dieses enthaltend sowie auf dessen Verwendung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Keramische Gassensoren, die der elektrochemischen Bestimmung von Gaskomponenten in Abgasen von Verbrennungsmotoren dienen, sind bekannt. So sind beispielsweise der DE 39 34 586 Al, der DE 42 40 267 Al und der DE 198 33 087 Al Sensoren zu entnehmen, deren Wirkprinzip beispielsweise auf der elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff oder sauerstoffhaltiger Verbindungen in einem Abgas beruht.
Die beschriebenen Sensorelemente umfassen Platinmetall-Cermet- Elektroden, die auf Substrate aus yttriumstabilisiertem Zirkondioxid aufgedruckt werden.
Diese Platinmetall-Cermet-Elektroden weisen standardmäßig einen keramischen Anteil von 40 Vol.-% auf sowie einen Metallanteil von ca. 60 Vol.-%. Bedingt durch den keramischen Zusatz wird eine gute Anbindung des Cernnet- Elektrodenmaterials an die Oberfläche des keramischen Sensors gewährleistet; gleichzeitig bedingt dieser eine gewisse Grundporosität des Cernnet-
Elektrodenmaterials. An der Dreiphasengrenze zwischen Gasphase, metallischer und keramischer Phase findet die elektrochemische Umsetzung von zu detektierenden Gaskomponenten eines Gasgemisches statt. Cermet-Materialien werden jedoch auch zur Erzeugung von Heizelementen herangezogen, die in elektrochemische Gassensoren integriert sind und der Beheizung derselben auf ihre Betriebstemperatur dienen.
Letztlich werden jedoch Cermet- Materialien nicht nur für Elektroden von keramischen Gassensoren eingesetzt, die der elektrochemischen Umsetzung von Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigen Verbindungen dienen, sondern auch in elektrochemischen Gassensoren, die nach einem resistiven Messprinzip arbeiten. Derartige Sensoren sind beispielsweise der DE 101 24 907 Al zu entnehmen.
Diese dienen der Detektion von Ruß in einem Fluidstrom und umfassen mehrere voneinander beabstandete Messelektroden, die dem zu untersuchenden Fluidstrom ausgesetzt sind. Lagert sich zwischen den Messelektroden Ruß ab, so kommt es zu einer Reduzierung des Isolationswiderstands des keramischen
Materials zwischen den Elektroden. Diese Reduzierung des elektrischen Widerstands wird detektiert und einer Rußkonzentration im Fluidstrom zugeordnet. Ein Heizelement des Sensorelements ermöglicht es, die Elektroden bzw. deren Umgebung auf thermischem Wege von abgelagertem Ruß zu befreien.
Werden Messelektroden eines elektrochemischen Gassensors aus einem Cermet- Material mit Platin als metallischem Anteil und Aluminiumoxid als keramischem Anteil ausgeführt, so weisen z. B. Cermet- Elektroden mit einem keramischen Anteil von 10 Gew.-% eine erhebliche Porosität auf, sodass ein großflächiger Angriff korrosiver Gase erfolgen kann. Weiterhin ist erfahrungsgemäß die Porosität einer Cermet- Elektrode mit ihrem zu erwartenden elektrischen Widerstand korreliert.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Cermet- Material zur Anwendung in elektrochemischen Gassensoren bereitzustellen, das ein verhältnismäßig geschlossenes Kristallgefüge aufweist und somit eine hohe Dauerlaufstabilität bzw. ein geringes Alterungsverhalten zeigt.
Diese Aufgabe wird durch ein Material bzw. durch ein Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche in vorteilhafter
Weise gelöst.
Dazu weist das erfindungsgemäße Material neben einem keramischen Anteil zusätzlich eine als Sinterhilfsmittel dienende weitere Komponente, die während des Herstellungsprozesses das Kristal I itwachstum der enthaltenen metallischen
Phase vermindert, oder eine Metalllegierung auf. Diese führen zu einer geringeren Porosität des entstehenden Cermet- Materials. Auf diese Weise lässt sich eine Verringerung des elektrischen Widerstandes des Cermet- Materials und eine vergleichsweise hohe Alterungsstabilität ereichen, insbesondere bei Anwendung in Elektroden eines Sensorelements, die einem zu bestimmenden
Gasgemisch ausgesetzt sind.
Die Verringerung des elektrischen Widerstandes des auf diese Weise erzeugten Cermet- Materials führt zu einer direkten Kostenreduzierung bei der Herstellung entsprechender Sensorelemente. Während bei herkömmlichen, aus einem
Cermet- Material hergestellten Elektroden der aufgrund der höheren Porosität des Cermet- Materials hohe elektrische Widerstand beispielsweise durch einen höheren Platinanteil in der Elektrode kompensiert werden muss, erlaubt es das erfindungsgemäße Material, allein auf der Basis seiner geringen Porosität eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit einer aus diesem Cermet- Material erzeugten Elektrode eines Sensorelements zu gewährleisten.
Weiterhin wird, bedingt durch die kompakte Bauweise, die möglichen oxidativen Angriffen eines Gasgemischs ausgesetzte Oberfläche des Cermet- Materials reduziert und somit dessen thermische Stabilität verbessert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So ist es von Vorteil, wenn als keramische Komponente des erfindungsgemäßen Materials Aluminiumoxid und/oder Zirkondioxid herangezogen wird. Da übliche keramische Sensorelemente im Bereich der Abgassensorik aus Aluminiumoxid bzw. Zirkondioxid ausgeführt sind, ist der keramische Anteil des Cermet- Materials in diesem Fall aus einem identischen bzw. einem vergleichbaren
Material ausgeführt und es ist so eine gute thermische Anbindung des Cernnet- Materials an die keramische Oberfläche des Sensorelements gewährleistet.
Als vorteilhafte Sinterhilfsmittel im Sinne der Erfindung sind Titandioxid oder Titanate vorgesehen. Besonders ausgeprägt ist die Wirkung von Titandioxid bzw. der eingesetzten Titanate als Sinterhilfsmittel dann, wenn Mischoxide aus einem Elementoxid mit Titandioxid eingesetzt werden. Dabei kommen bevorzugt Erdalkalititanate bzw. Aluminiumtitanate zum Einsatz.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn der metallische Anteil des Cermet- Materials durch Gold oder durch eine Goldlegierung gebildet ist. Dabei ist insbesondere von Vorteil, wenn die Goldlegierung Platin mit einem Gesamtgewichtsanteil an der Goldlegierung von bis zu 15 Gew.% enthält.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist von Vorteil, wenn der metallische Anteil des Cermet- Materials durch Platin oder eine Platinlegierung gebildet ist. Dabei ist insbesondere von Vorteil, wenn die Platinlegierung Rhodium und/oder Palladium mit einem Gesamtgewichtsanteil an der Platinlegierung von 5 bis 10 Gew.% enthält oder Iridium, Ruthenium und/oder Cobalt mit einem Gesamtgewichtsanteil an der Platinlegierung von bis zu 5 Gew.%.
Werden bspw. Elektroden eines elektrochemischen Gassensors aus einem derartigen Cermet- Material ausgeführt, so wird bspw. der Materialabtrag aufgrund chemischer oder physikalischer Prozesse wie Verdampfung oder Bildung flüchtiger Metallver- bindungen bspw. in Form von Carbonylen oder Oxiden vermindert. Gleichzeitig erhöht sich die Vergiftungs- und Korrosionsbeständigkeit des Cermet- Materials gegenüber reaktiven Abgas-, Ölasche- oder Abgaskatalysatorbestandteilen und darüber hinaus wird die Signalstabilität einer aus diesem Cermet-Material ausgeführten Elektrode verbessert. Das erfindungsgemäße Material kann in vorteilhafter Weise zur Erzeugung von Elektroden eines Sensorelementes herangezogen werden sowie zur Ausbildung eines keramischen Heizelementes zur Beheizung desselben. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind in der Ausführung elektrischer Zuleitungen zur
Kontaktierung von Elektroden eines Sensorelementes zu sehen oder in der Erzeugung von Temperaturmesselementen, die in ein entsprechendes Sensorelement integriert sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 eine Aufsicht auf ein Sensorelement eines elektrochemischen
Gassensors, dessen Messelektroden aus dem erfindungsgemäßen Material ausgebildet sind und
Figur 2 eine Aufsicht auf eine Schichtebene des in Figur 1 dargestellten
Sensorelements, in der ein Heizelement des Sensorelementes vorgesehen ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Sensorelement 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses umfasst ein Messelektrodensystem 11, das aus einer ersten und einer zweiten Messelektrode 12, 13 gebildet ist. Dabei sind die erste bzw. die zweite Messelektrode 12, 13 über eine erste bzw. zweite Elektrodenzuleitung 14, 15 mit einer ersten bzw. einer zweiten Kontaktfläche 17, 18 elektrisch leitend verbunden. Die Elektrodenzuleitungen 14, 15 sowie die Kontaktflächen 17, 18 dienen der elektrischen Kontaktierung der Messelektroden 12, 13. Dabei sind die Messelektroden 12, 13 beispielsweise als ineinandergreifende Interdigitalelektroden ausgeführt. In der in Figur 1 verdeutlichten Ausführungsform sind die Messelektroden 12, 13, die Zuleitungen 14, 15 und die Kontaktflächen 17, 18 beispielsweise auf einer keramischen, elektrisch isolierenden Schicht 20 positioniert. Diese ist vorzugsweise aus Aluminiumoxid ausgeführt. Die keramische Schicht 20 kann auf einem keramischen Trägerkörper 22 aufgebracht sein. Alternativ kann die keramische Schicht 20 ihrerseits als keramischer Trägerkörper dienen.
Der keramische Trägerkörper 22 kann seinerseits aus einer Mehrzahl keramischer Schichten ausgeführt sein, die einen planaren keramischen
Schichtverbund bilden. Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Trägerelements 22 wird beispielsweise durch Zusammenlaminieren der mit Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
Während des Betriebs des Sensorelementes 10 wird an die Messelektroden 12, 13 eine Spannung angelegt. Da die Messelektroden 12, 13 auf der Oberfläche des elektrisch isolierenden keramischen Schicht 20 aufgebracht sind, kommt es zunächst im wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 12, 13. Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Messgas elektrisch leitfähige Partikel, insbesondere Ruß, so lagern sich diese auf der Oberfläche der keramischen Schicht 20 ab. Da Ruß eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche der keramischen Schicht 20 mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden 12, 13, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.
Wird nun an die Messelektroden 12, 13 eine vorzugsweise konstante Gleichoder Wechselspannung angelegt und der zwischen den Messelektroden 12, 13 auftretende Stromfluss ermittelt, so kann aus dem Integral des Stromflusses über der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen
Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Mit dieser Messmethode wird die Konzentration all derjenigen Partikel in einem Gasgemisch erfasst, die die elektrische Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 12, 13 befindenden keramischen Materials positiv oder negativ beeinflussen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Anstieg des Stromflusses über der Zeit zu ermitteln und aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten aus Stromfluss nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch zu schließen. 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 beispielsweise mittels eines geeigneten weiteren Sensors bestimmt werden.
Das Sensorelement 10 umfasst weiterhin vorzugsweise in einer Schichtebene 24 des Trägerkörpers 22 ein Heizelement 40. Dieses ist in Figur 2 dargestellt. Das
Heizelement 40 umfasst einen als Widerstandselement ausgeführten Heizmäander 42, der über zweite Zuleitungen 44, 45 mit zweiten Kontaktflächen 46, 47 elektrisch leitend verbunden ist. Dabei dienen die Zuleitungen 44, 45 bzw. die zweiten Kontaktflächen 46, 47 der elektrischen Kontaktierung des elektrischen Widerstandsheizelements 42.
Um eine ausreichende elektrische Isolierung des Heizelementes 40 zu gewährleisten, ist dieses vorzugsweise in eine Schicht 48 eines elektrisch isolierenden Materials wie beispielsweise Aluminiumoxid eingebettet.
Erfindungsgemäß werden Kompartimente des vorliegenden Sensorelementes, die betriebsbedingt eine gewisse elektrische Grundleitfähigkeit aufweisen müssen, wie die Messelektroden 12, 13 und die Widerstandsheizleiterbahn 42 bzw. deren Zuleitungen 14, 15, 44, 45 sowie deren Kontaktflächen 17, 18, 46, 47 vorzugsweise aus einem Cermet- Material ausgeführt, das ein geeignetes
Sinterhilfsmittel oder eine Metalllegierung enthält. Dabei ist als Sinterhilfsmittel bspw. Titandioxid oder ein geeignetes Titanat vorgesehen. Die genannten Titanverbindungen bewirken eine geringere Porosität des Cermet- Materials während des Herstellungsprozesses, da das Platin- Kristallitwachstum stark vermindert wird. AIs Folge ist eine höhere Alterungsstabilität der aus diesem Cermet- Material ausgeführten Kompartimente des Sensorelementes zu beobachten, zusammen mit einer deutlichen Verminderung des elektrischen Widerstandes des auf diese Weise ausgeführten Cermet- Materials.
Als Sinterhilfsmittel zur Herstellung des Cermet- Materials wird Titandioxid oder ein entsprechendes Titanat der allgemeinen Formel AxTixO2 verwendet. So eignet sich beispielsweise Magnesiumtitanat MgTiO3 bzw. Aluminiumtitanat AI2TiO5 mit einem Gewichtsanteil an Titandioxid von beispielsweise bis zu 20 Gew.-%, vorzugsweise von bis zu 15 Gew.-%, insbesondere von bis zu 8 Gew.-%.
Als keramischer Anteil des vorliegenden Cermet-Materials wird beispielsweise Zirkondioxid oder Aluminiumoxid mit einem Gewichtsanteil von bis zu 12 Gew.-% eingesetzt, vorzugsweise Aluminiumoxid mit einem Gesamtgewichtsanteil von 8 bis 12 Gew.-%.
Der metallische Anteil des Cermet-Materials wird insbesondere durch Platin, Gold und/oder Palladium gebildet, es eignen sich jedoch auch weitere Elemente der Platinmetallgruppe.
Darüber hinaus umfasst der metallische Anteil des Cermet-Materials beispielsweise Metalllegierungen, wie bspw. Gold- oder Platinlegierungen. Dazu werden bspw. Goldlegierungen mit einem Platinanteil von bspw. bis zu 15 Gew.%, vorzugsweise bis zu 10 Gew.% und insbesondere von bis zu 8 Gew.% herangezogen. Eine weitere
Möglichkeit der Ausführung besteht darin, eine Elektrode aus Platin oder einer Platinlegierung oberflächlich mit einem Überzug aus Gold oder einer Goldlegierung zu versehen. Darüber hinaus eignen sich goldhaltige Platinlegierungen mit einem Goldanteil von bspw. bis 10 Gew.%, vorzugsweise von bis zu 5 Gew.%.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist der metallische Anteil des Cermet- Materials eine Platinlegierung mit einem Gesamtanteil an Rhodium und/oder Palladium von bspw. bis zu 30 Gew.%, vorzugsweise von 3 bis 15 Gew.% und insbesondere von 5 bis 10 Gew.% auf. Die gewählten Anteile berücksichtigen, dass die Flüchtigkeit von Platinlegierungen durch einen Zusatz von Rhodium bzw. Palladium herabgesetzt wird, so dass die Verdampfungsverluste während einer Sinterung im Rahmen der Herstellung des zugrunde liegenden Sensorelements gering gehalten werden. Aufgrund des geringeren Materialverlusts wird eine Kostenreduzierung bei der Herstellung des Sensorelements realisiert.
Werden bspw. Elektroden eines elektrochemischen Gassensors aus einem derartigen Cermet- Material ausgeführt, so erhöht sich u.a. die Vergiftungs- und Korrosionsbeständigkeit des Cermet- Materials gegenüber reaktiven Abgas- Ölasche- oder Abgaskatalysatorbestandteilen wie Magnesium-, Calcium-, Phosphor-, Schwefel- oder Siliciumverbindungen wesentlich.
Neben der Verwendung des beschriebenen Cermet- Materials zur Ausbildung von Kompartimenten eines Sensorelements, das insbesondere der Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen dient, eignet sich das beschriebene Cermet- Material auch zur Ausbildung weiterer Kompartimente von keramischen elektrochemischen Gassensoren, wie beispielsweise Temperaturmessmäandern, Referenz- oder Pumpelektroden sowie deren Zuleitungen und Kontaktflächen.
Neben der Anwendung in elektrochemischen Sensoren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen kann das beschriebene Cermet- Material auch in
Sensorelementen zur Bestimmung von gasförmigen Komponenten eines Gasgemisches herangezogen werden.

Claims

Ansprüche
1. Material einer elektrisch leitfähigen, als Cermet ausgeführten Schicht für elektrochemische Gassensoren, das einen metallischen und einen keramischen Anteil umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Sinterhilfsmittel und/oder der metallische Anteil eine Metalllegierung enthält.
2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterhilfsmittel Titandioxid oder ein Titanat ist.
3. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanat ein
Mischoxid eines Elementoxids mit Titandioxid darstellt, wobei der Anteil an Titandioxid am Mischoxid bis zu 15 Gew.% beträgt.
4. Material nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanat ein Erdalkalititanat oder ein Aluminiumtitanat ist.
5. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Anteil durch Aluminiumoxid und/oder Zirkondioxid gebildet ist.
6. Material nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Aluminiumoxid und/oder Zirkondioxid am Material der als Cermet ausgeführten Schicht bis zu 12 Gew.% beträgt.
7. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil durch Gold oder durch eine Goldlegierung gebildet ist.
8. Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Goldlegierung
Platin mit einem Gesamtgewichtsanteil an der Goldlegierung von bis zu 15 Gew.% enthält.
9. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil durch Platin oder eine Platinlegierung gebildet ist.
10. Material nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinlegierung Rhodium und / oder Palladium mit einem Gesamtgewichtsanteil an der Platinlegierung von 5 bis 10 Gew.% enthält.
11. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinlegierung Gold mit einem Gesamtgewichtsanteil an der Platinlegierung von 5 bis 10 Gew.% enthält.
12. Sensorelement eines elektrochemischen Gassensors zur Bestimmung von Komponenten in Gasgemischen, insbesondere zur Bestimmung von Partikeln in einem Messgas, umfassend einen keramischen Grundkörper (22) mit mindestens einer Elektrode oder einem Heizelement (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode
(12, 13) oder das Heizelement (40) aus einem Material gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
13. Sensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei Messelektroden (12, 13) aufweist, die eine Widerstandsmesszelle
(11) bilden und aus einem Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet sind.
14. Sensorelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (12, 13) eine Beschichtung aus Gold oder Rhodium aufweist.
15. Verwendung eines Sensorelements nach einem der Ansprüche 12 bis 14 zur Bestimmung von Rußpartikeln in Abgasen von Verbrennungsmotoren.
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