WO2012084343A1 - Heizelement für einen gassensor - Google Patents

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WO2012084343A1
WO2012084343A1 PCT/EP2011/070118 EP2011070118W WO2012084343A1 WO 2012084343 A1 WO2012084343 A1 WO 2012084343A1 EP 2011070118 W EP2011070118 W EP 2011070118W WO 2012084343 A1 WO2012084343 A1 WO 2012084343A1
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heating element
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paths
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PCT/EP2011/070118
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Harald Guenschel
Christoph Peters
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • H05B2203/037—Heaters with zones of different power density

Definitions

  • the sensor elements may be sensor elements which are set up for the qualitative and / or quantitative detection of a gas in a measurement gas space, in particular a ceramic sensor element, for example with one or more functional ceramics.
  • sensor elements examples of such sensor elements, to which the invention is not limited, are sensor elements, in which at least two electrodes are provided, which are connected to one another via at least one solid electrolyte, in particular a ceramic solid electrolyte such as zirconia, in particular yttrium-stabilized zirconia or scandium-doped zirconia.
  • a ceramic solid electrolyte such as zirconia, in particular yttrium-stabilized zirconia or scandium-doped zirconia.
  • the at least one gas component whose proportion in the gas is to be detected qualitatively and / or quantitatively can be, in particular, oxygen and / or nitrogen oxides and / or hydrocarbons. However, other gas shares can also be recorded in principle.
  • Platinum heaters are designed, for example, as Bankfeld. In this case, different requirements are placed on the heating resistor of the heating elements. Thus, at low temperatures, the heater should exceed a minimum resistance. As a result, the output stages of a control device of the sensor element can usually be designed for lower currents. At high temperatures, however, the heating element should fall below a maximum resistance. In this case, even with a limited heating voltage, for example a maximum heating voltage of 10.5 V, sufficient heating power can be transferred into the sensor element. Due to the above requirements and the temperature dependence usual
  • Heating element materials such as platinum, however, result in practice usually strict restrictions on the geometric design of the
  • Heating element In some applications, the use of another heater metal, such as another heater alloy, is essential, so that, for example, in many lambda probes, in particular lambda probes for diesel applications, in many cases Pt / Pd heaters are used. However, this results in more of lambda probes, in particular lambda probes for diesel applications, in many cases Pt / Pd heaters are used. However, this results in more of lambda probes, in particular lambda probes for diesel applications, in many cases Pt / Pd heaters are used. However, this results in more of lambda probes, in particular lambda probes for diesel applications, in many cases Pt / Pd heaters are used. However, this results in more of lambda probes, in particular lambda probes for diesel applications, in many cases Pt / Pd heaters are used. However, this results in more of lambda probes, in particular lambda probes for diesel applications, in many cases Pt / Pd heaters are used.
  • perovskites as electrically conductive materials is generally known and also in exhaust gas probes, for example from WO 2001/044798 A1.
  • exhaust gas probes for example from WO 2001/044798 A1.
  • the at least one property of the gas in a measurement gas space can basically be any physically and / or chemically measurable property. Particularly preferred it, if the at least one property comprises a proportion of a gas component in the gas, so that the sensor element can be set up in particular for the qualitative and / or quantitative detection of the gas component.
  • the at least one property comprises a proportion of a gas component in the gas, so that the sensor element can be set up in particular for the qualitative and / or quantitative detection of the gas component.
  • other applications are possible in principle.
  • the heating element comprises at least two contact elements and at least two heating paths which can be acted upon by the contact elements with heating current. It is particularly preferred if exactly two contact elements are provided, wherein the two
  • the heating paths can generally share at least one of the contact elements, so that, for example, a contact element is provided for at least two heating paths.
  • a contact element is provided for at least two heating paths.
  • two contact elements may be provided, which are each connected to at least two Schupfaden.
  • Contact element is generally an element to understand, via which the heating paths are acted upon by an electric current and / or an electrical voltage.
  • the contact elements may, for example, contact pads for connecting
  • Heating paths are connected. Under a heating path is basically any
  • the heating paths can be printed heating paths of a layer structure, in particular of a ceramic layer structure.
  • the heating paths may preferably have a non-straight configuration equipped with one or more walls.
  • the Schupfade can be Walkerzeander.
  • the heating paths may each comprise at least one heating conductor loop.
  • the heating elements may comprise at least one first heating path and at least one second heating path, wherein a first current flows through the first heating path and wherein a second current l 2 flows through the second heating path, wherein at least two temperatures Ti, T 2 exist, with T 2 > Ti, for which applies: - ( 2 )> - ⁇ [).
  • the temperatures Ti, T 2 are in one Temperature range from 700 to 900 ° C.
  • said condition may apply to all temperatures Ti, T 2 within an operating range, for example the said range of 700 to 900 ° C.
  • the heating paths in particular the first heating path and the second heating path, can in particular be produced completely or partially from different materials and / or be connected to the contact elements (120) via different materials. This may in particular mean that the first heating path and / or a
  • connection between at least one of the contact elements and the first heating path at least one material, which the second heating path and / or a
  • connection between at least one of the contact elements and the second heating path Do not have connection between at least one of the contact elements and the second heating path, and / or that the second heating path and / or a connection between at least one of the contact elements and the second heating path comprise at least one material, which the first heating path and / or a connection between at least not having one of the contact elements and the first heating path.
  • the different materials can have resistors with a different temperature behavior, ie materials with one
  • the first heating path may be made entirely or partially of a material having a first temperature behavior
  • the second heating path is made wholly or partly with a material having a second temperature behavior or comprises such a material.
  • the different materials may comprise at least a first material having a positive temperature coefficient (PTC material) and at least one second material having a negative temperature coefficient
  • NTC material Temperature coefficient
  • Temperature coefficients exist. For example, this can be done in such a way that the first heating path overall has a positive temperature behavior, so that a resistance of the first heating path decreases with increasing temperature, for example within a predetermined temperature range. At least one second heating path of
  • Heating paths can be the at least one material with a negative
  • Temperature coefficient may for example form a portion of the second Schupfads and / or a switching element, via which the second heating path with one or is connected to several of the contact elements.
  • the material with the negative temperature coefficient can in particular
  • Metal oxide include. Preferably, the material may be negative
  • A, B, C, D, E are each, preferably independent
  • each other, metallic elements wherein preferably A is La, wherein B is preferably selected from the group consisting of Fe, Co, Ni and Cu, wherein C is preferably selected from the group consisting of La and Ba, wherein D is preferably selected from Group consisting of Ca and Sr and wherein E is preferably selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, and Co.
  • x ⁇ x 2 , X3, x 4 and x 5 are real numbers, and n and m are integers.
  • x is a real number greater than 0 and less than 1, preferably with 0 ⁇ x ⁇ 0.3
  • a portion of the second heating path may be made entirely of such a material.
  • the second heating path may also be made entirely of this material.
  • At least one switching element may be provided, as described above, which for example consists entirely or partially of the material with a negative temperature coefficient, and which determines the current application and / or voltage application of the second heating path.
  • at least one of the heating paths for example, the at least one second
  • Heating path to be connected to at least one of the contact elements via at least one switching element.
  • this switching element the material with the negative
  • Temperature coefficients include or be made entirely of this material.
  • this switching element can be connected between the heating path, for example the second heating path, and the contact element.
  • the switching element should be set up to effect a temperature-dependent distribution of the total current to the current paths.
  • a sensor element for detecting at least one property of a gas in a measuring gas space is proposed, in particular for detecting a portion of a gas
  • the sensor element has at least one heating element according to one or more of those described above or also below
  • the sensor element may in particular be a ceramic
  • the sensor element may comprise at least two electrodes, which are connected to one another via at least one solid electrolyte, for example a ceramic solid electrolyte material.
  • at least one of the electrodes can be acted upon with gas from the measuring gas space.
  • the sensor element may be or comprise a so-called lambda probe for detecting an oxygen content in a gas.
  • the sensor element may also comprise, for example, a NOx sensor or another type of sensor element.
  • the heating element and the sensor element according to one or more of the embodiments described above have numerous advantages over known heating elements and sensor elements.
  • the heating element can be designed in particular as a self-regulating heating element.
  • a self-regulation is preferably understood to mean a property in which the distribution of the currents onto the heating paths takes place independently and without external action, depending on the temperature prevailing at the location of the heating element.
  • the heating element may in particular consist of several Schuffleandern. Depending on the
  • the heating element may in particular be designed such that, depending on this operating temperature, a different number of heating paths involved in different degrees of the heating process.
  • additional heating paths for example one or more additional meanders
  • NTC negative temperature coefficient
  • Temperature coefficients usually have a characteristic temperature T NT c. In this case applies, for example, for the following operating temperatures T of
  • T ⁇ TNTC At a low operating temperature, the high-resistance NTC blocks the electrical wiring of the heating paths having these NTCs and / or the heating paths connected to the contact elements via this NTC. Thus, only by the or not energized via the NTC Schupfade a heating current flows. The resistance of the entire heating element is thus comparatively high. This meets the requirements described above for the design of the control unit. b) T> T NTC- With increasing operating temperature, however, the resistance of the
  • Heating paths in the heating process, and the resistance of the entire heating element is thus relatively small. This satisfies the second above-mentioned requirement regarding the limitation of
  • Total resistance of the heating element at low temperatures is an efficient design of a control device possible, which with the sensor element and
  • the heating element can be connected.
  • the heating voltage requirement remains limited even with a high cooling of the entire sensor element and / or a high heating power requirement.
  • the above-mentioned second condition is met in an excellent manner.
  • the concept described also offers many advantages in terms of usable materials.
  • the known and proven heater system for example based on platinum, can preferably continue to be used. Compared to a previous heater system according to the prior art, the use of the known and proven heater system, for example based on platinum, can preferably continue to be used. Compared to a previous heater system according to the prior art, the use of the known and proven heater system, for example based on platinum, can preferably continue to be used. Compared to a previous heater system according to the prior art, the use of the
  • inventive design usually to a greatly reduced, effective temperature coefficient a.
  • the invention can also be used advantageously in terms of interconnection technology. So usually no additional heater line is necessary, via the wiring of the different Schupfade can be realized.
  • the multiple heating paths can be contacted via the same contact elements. Instead, the heating element preferably regulates autonomously and autonomously the distribution of the current to the heating paths. As a rule, no fundamental changes are required at the control unit.
  • the at least two heating paths can be connected in parallel, completely or partially electrically. Due to the parallel connection, in particular the
  • the resulting total resistance of the heating element can be reduced.
  • a hot spot the resulting total resistance of the heating element can be reduced.
  • Heating voltage requirement, a FLO time (Fast Light-Off, Quick Start lambda probe) and / or a precious metal use can be reduced. Due to the parallel connection, for example, the parallel connection of a platinum heater (PTC) and an NTC heater, for example in a meander feed range, the resulting
  • Temperature coefficient can be reduced with a quick heating. Overall, a heating element with a lower thermal stress can also be realized. Further advantages arise with regard to the Rußleitpfade. Due to the generally higher temperature in the supply region, for example in the region of the contact elements and / or in the supply region of the heating paths, which extends for example close to a sealing packing of the sensor element, the formation of Rußleitpfaden to a housing, such as a probe housing, can be reduced.
  • FIG. 4 shows a resistance profile of the heating element as a function of
  • Figure 5 shows a resistance behavior of typical perovskite materials for the
  • FIGS. 1 to 3 Various embodiments are shown in FIGS. 1 to 3 according to the invention.
  • the entire sensor element 1 10 is only schematically and partially indicated in the figures 1 to 3. For example, this may be a
  • a sensor element for detecting at least a portion of a gas component in a sample gas space can generally be used preferably on motor vehicle sensors, for example sensors for detecting one or more gas fractions of one or more gas components in an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the invention can thus be used on lambda probes or on NOx sensors.
  • a possible construction of the sensor elements 110 apart from the construction of a heating element described below, reference may be made, for example, to the above-mentioned prior art.
  • the sensor element 110 comprises a ceramic layer structure, wherein FIGS. 1 to 3 each show plan views of a layer of the heating element 112 of the layer structure. On this further layers may be constructed, which are not shown in the figures.
  • the layer structure comprises, for example, one or more substrate materials 114, for example ceramic substrate materials, for example based on zirconium dioxide, for example yttrium-stabilized zirconium dioxide and / or scandium-doped zirconium dioxide.
  • one or more insulator materials 116 may be applied to these substrate materials 14
  • Heater insulation for example Al 2 0 3 .
  • a heating resistor 1 18 of the heating element 1 12 can be applied, for example by a printing process.
  • the heating resistor 1 18 includes in the illustrated embodiments contact elements 120, which here by way of example and without limitation further possible
  • Embodiments may each comprise two contact pads 122 and two leads 124. Furthermore, the heating resistor 118 in the illustrated
  • Embodiments several Schupfade, namely here an example of a first heating path 126 and a second heating path 128.
  • the first and the second heating path 126 and 128 may also be referred to as the first Schuffleander or second Schuffleander.
  • the heating element is arranged such that one over the
  • Contact elements 120 provided total current through the heating resistor 118 in a temperature-dependent manner to the at least two Schupfade 126, 128 is divided.
  • the heating paths preferably have a different one
  • Temperature behavior wherein at least one of the heating paths 126, 128 preferably has a temperature behavior with a positive temperature coefficient and at least one of the heating paths 126, 128 preferably a temperature behavior with a negative temperature coefficient.
  • the admission preferably takes place in such a way that the proportion of the current through the heating path with a negative temperature coefficient increases with increasing temperatures.
  • FIG. 1 shows an embodiment in which at least one switching element 130 may be provided.
  • this switching element 130 may be connected between the second heating path 128 and one or both of the leads 124, such that any current flowing through the second heating path 128 must pass the switching element 130.
  • This switching element 130 may be, for example, a switching element made of a material with a negative temperature coefficient.
  • the second heating path 128 may comprise at least one NTC resistor and / or via at least one NTC resistor.
  • the NTC resistor 132 may in principle be positioned anywhere in the second heating path 128. The position should preferably be selected according to a favorable transition temperature T NT c.
  • the NTC resistor 132 may, for example, by screen printing via a recess in the region between the feed line 124 and the second heating path 128 and / or in a recess within the second heating path 128th and / or printed over the entire area over and / or under the PTC heating path. Basically suitable materials with a negative temperature coefficient all ceramic, co-sinterable NTC materials into consideration.
  • the first heating path 126 and the second heating path 128 can also be connected to each other over a large area and / or one or more of the Schupfade can be made entirely of different materials.
  • the second heating path 128 is not
  • FIGS. 2 and 3 may be made entirely of the negative temperature coefficient material (although it may nevertheless be), in FIGS. 2 and 3 are different
  • Embodiments are shown in which the second heating path 128 is preferably made entirely of a negative temperature coefficient material and thus practically completely forms an NTC-Wderstand 132. In this case, too
  • a layer structure is shown in which the 5 heating paths 126, 128 lie over one another over a large area and thus over a large area
  • the second heating path 128 may be applied to the insulator material 116, for example printed on it, which may preferably be designed over a large area.
  • the first heating path 126 can then be applied to the latter, preferably in a narrower configuration, for example, printed on it, for example in one step with the production of the supply lines
  • the second heating path 128 is thus contacted over a large area by the first heating path 126.
  • a transition 134 between the leads 124 and the heating paths 126, 128 can be configured over a large area 5, so that a large, heatable transition between the heating paths 126, 128 and the region of the feed lines 124 is formed.
  • the transition 134 can be brought close to a (not shown) sealing packing of the sensor element 1 10. Due to the high temperature, so-called soot guide paths up to an optional sealing packing can be avoided, and overall there is a lesser temperature gradient in the feed line of the heating paths 126, 128.
  • Temperature coefficient such as platinum
  • This structure can also be produced for example by overprinting
  • the heating paths 126, 128 are sequentially printed on the insulator material 1 16, so that they are contacted in the region of the transition 134 through the leads 124.
  • the first heating path 126 which in turn may be designed as a PTC heater, and the narrow NTC resistor 132 may be configured such that a heat transfer between these Schupfaden 126, 128 takes place with a distance-dependent time constant.
  • the temporal effectiveness of the parallel circuit can be controlled and influence on a control characteristic and / or
  • FIG. 4 shows by way of example a schematic progression of the wears of the whole
  • R H designates the entire Wderstand of the heating resistor 118
  • R H, h the total resistance at high temperatures
  • R is H, k the overall resistance at low temperatures
  • R H, i and R H , 2 and R H, g denote the resistances of the first Schupfads 126 and the second Schupfads 128 and the composite total heating resistor 1 18. From this schematic course shows that a reduction to can reach about 50%, for example, if the two heating paths 126, 128 in the same length and with the same
  • Cable cross-section are designed. As shown above, the different distribution of currents through the first heating path 126 and l 2 through the second heating path 128, which is temperature dependent, in particular by the use of a material with negative
  • This material which may be preferably used as NTC resistor 132 in the second heating path 128, may
  • (La, Ca) Cr0 3 include.
  • Fuel cells is used and is there exposed to both reducing and oxidizing gases.
  • the temperature behavior of its conductivity ⁇ is shown in FIG. 5, the conductivity ⁇ being plotted logarithmically above the inverse of the temperature T.
  • the measurements are I. Yasuda, T. Hikita, Electrical conductivity and defect structure of calcium-doped lanthanum chromites. J. Electrochem. Soc. 140 (6), 1699-1704 (1993).
  • the measurements are carried out in air. For example, for the uppermost curve shown, there is a hot resistance R h of 2 ⁇ , and a cold resistance R k of 12 ⁇ .
  • R h hot resistance
  • R k cold resistance
  • (La, Ca) Cr0 3 it is also possible, for example, to use YCr0 3 , likewise as a representative of the preferred materials of the AB0 3 type.
  • materials of the type (La, Ca) Cr0 3 generally have numerous advantages. Thus, for example, these are co-sinterable to other layer materials of typical sensor elements 110.
  • the material can furthermore be applied by means of paste and / or screen printing, so that a classical workup and / or
  • Processing can be carried out according to conventional metal oxides. Furthermore, this material is chemically compatible with the other materials typically found in
  • Sensor elements 1 10 are used, compatible, for example, compatible with conventional substrate materials 114 such as yttria-stabilized zirconia.
  • these materials have high cold resistance and low hot resistance.
  • a width of 200 ⁇ and a height of 20 ⁇ results, for example, a cold resistance at a temperature of 25 ° C of about 12 ⁇ and a hot resistance at a temperature of 723 ° C of 2 ⁇ , as indicated in Figure 5.
  • the Wderstand this perovskite material over a wide range for example, 10 "10 bar and 1 bar) is also independent of one
  • Oxygen partial pressure which in sensor elements 1 10 for the detection of
  • Oxygen partial pressures is particularly advantageous.

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Abstract

Es werden ein Sensorelement (110) sowie ein Heizelement (112), insbesondere zum Einsatz in einem Sensorelement (110), vorgeschlagen. Das Sensorelement (110) kann insbesondere zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum eingerichtet sein. Das Heizelement (112) umfasst mindestens zwei Kontaktelemente (120) und mindestens zwei über die Kontaktelemente (120) mit einem Heizstrom beaufschlagbare Heizpfade (126, 128). Das Heizelement (112) ist derart ausgestaltet, dass ein über die Kontaktelemente (120) bereitgestellter Gesamtstrom bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen auf unterschiedliche Weise auf die Heizpfade (126, 128) aufgeteilt wird.

Description

Beschreibung Titel
HEIZELEMENT FÜR EINEN GASSENSOR
Stand der Technik Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Bauelemente oder Baugruppen bekannt, welche zur Erzeugung einer oder mehrerer Betriebstemperaturen über ein oder mehrere Heizelemente verfügen, beispielsweise integrierte Heizelemente. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen und Einsatzgebiete wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf Heizelemente in Sensorelementen zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Insbesondere kann es sich bei den Sensorelementen um Sensorelemente handeln, welche zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung eines Gases in einem Messgasraum eingerichtet sind, insbesondere um ein keramisches Sensorelement, beispielsweise mit einer oder mehreren Funktionskeramiken. Beispiele derartiger Sensorelemente, auf weiche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind Sensorelemente, bei welchen mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, die über mindestens einen Festelektrolyten miteinander verbunden sind, insbesondere einen keramischen Festelektrolyten wie beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid oder Scandium- dotiertes Zirkoniumdioxid. Ausführungsbeispiele derartiger Sensorelemente sind in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154-159 beschrieben. Bei der mindestens einen Gaskomponente, deren Anteil in dem Gas qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden soll, kann es sich insbesondere um Sauerstoff und/oder Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe handeln. Auch andere Gasanteile können jedoch grundsätzlich erfasst werden.
Die in der Regel vorhandene Notwendigkeit der Verwendung eines oder mehrerer Heizelemente in derartigen Abgassensoren, die auf der Basis von Funktionskeramiken aufgebaut sind, ergibt sich in der Regel daraus, dass die Funktionskeramiken eine Betriebstemperatur von typischerweise 700 bis 900 °C, beispielsweise 800 °C, benötigen. Typischerweise werden daher in derartigen Sensorelementen, beispielsweise
Sensorelementen mit einem keramischen Schichtaufbau, ein oder mehrere Platinheizer vorgesehen. Derartige Platinheizer werden beispielsweise als Heizmäander ausgeführt. Dabei werden an den Heizwiderstand der Heizelemente unterschiedliche Anforderungen gestellt. So sollte bei niedrigen Temperaturen der Heizer einen Mindestwiderstand überschreiten. Dadurch können die Endstufen eines Steuergeräts des Sensorelements in der Regel für geringere Ströme ausgelegt werden. Bei hohen Temperaturen hingegen sollte das Heizelement einen Maximalwiderstand unterschreiten. Dabei kann auch bei einer begrenzten Heizspannung, beispielsweise einer maximalen Heizspannung von 10,5 V, genügend Heizleistung in das Sensorelement überführt werden. Aufgrund der genannten Anforderungen und der Temperaturabhängigkeit üblicher
Heizelementmaterialien, wie beispielsweise Platin, ergeben sich jedoch in der Praxis in der Regel strikte Restriktionen bezüglich der geometrischen Auslegung des
Heizelements. In manchen Applikationen ist der Einsatz eines anderen Heizermetalls, beispielsweise einer anderen Heizerlegierung, unabdingbar, so dass beispielsweise bei vielen Lambdasonden, insbesondere Lambdasonden für Dieselanwendungen, in vielen Fällen Pt/Pd-Heizer eingesetzt werden. Hieraus ergeben sich jedoch weitere
Herausforderungen bezüglich einer Verkapselung des Heizelements. Allgemein wäre es wünschenswert, den Anteil an Edelmetallen, insbesondere Platin, im gesamten
Sensorelement und dabei insbesondere auch im Heizelement, zu reduzieren. Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus WO 2007/062969 A1 , ist grundsätzlich bekannt, Heizelemente derart auszugestalten, dass zwei Heizer parallelgeschaltet werden.
Weiterhin ist allgemein und auch in Abgassonden der Einsatz von Perowskiten als elektrisch leitfähige Materialien bekannt, beispielsweise aus WO 2001/044798 A1. Trotz der durch diese bekannten Ausgestaltungen erzielten Verbesserungen besteht jedoch weiterhin ein Verbesserungsbedarf, insbesondere hinsichtlich der oben beschriebenen unterschiedlichen Anforderungen an die Heizelemente und hinsichtlich des allgemeinen Edelmetallbedarfs der Heizelemente.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Heizelement sowie ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die oben genannten Nachteile bekannter Heizelemente und Sensorelemente zumindest weitgehend vermeiden. We oben beschrieben, kann es sich bei der mindestens einen Eigenschaft des Gases in einem Messgasraum grundsätzlich um eine beliebige physikalisch und/oder chemisch messbare Eigenschaft handeln. Besonders bevorzugt ist es, wenn die mindestens eine Eigenschaft einen Anteil einer Gaskomponente in dem Gas umfasst, so dass das Sensorelement insbesondere zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung der Gaskomponente eingerichtet sein kann. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
Das Heizelement umfasst mindestens zwei Kontaktelemente und mindestens zwei über die Kontaktelemente mit Heizstrom beaufschlagbare Heizpfade. Besonders bevorzugt ist es, wenn genau zwei Kontaktelemente vorgesehen sind, wobei über die zwei
Kontaktelemente beispielsweise eine Heizspannungsquelle und/oder Stromquelle mit den Heizpfaden verbindbar ist. Die Heizpfade können sich allgemein mindestens eines der Kontaktelemente teilen, so dass beispielsweise ein Kontaktelement für mindestens zwei Heizpfade vorgesehen ist. Beispielsweise können zwei Kontaktelemente vorgesehen sein, welche jeweils mit mindestens zwei Heizpfaden verbunden sind. Unter einem
Kontaktelement ist allgemein ein Element zu verstehen, über welches die Heizpfade mit einem elektrischen Strom und/oder einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind. Die Kontaktelemente können beispielsweise Kontaktpads zum Anschließen von
entsprechenden Kontakten umfassen und/oder auch Zuleitungen, welche mit den
Heizpfaden verbunden sind. Unter einem Heizpfad ist grundsätzlich eine beliebige
Leiteranordnung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um bei Beaufschlagung mit einer Spannung und/oder einem Strom Wärme oder Heizleistung zu generieren. Insbesondere kann es sich bei den Heizpfaden um gedruckte Heizpfade eines Schichtaufbaus handeln, insbesondere eines keramischen Schichtaufbaus. Die Heizpfade können dabei vorzugsweise eine mit einer oder mehreren Wndungen ausgestattete, nicht-gerade Ausgestaltung aufweisen. Insbesondere können die Heizpfade Heizmäander sein. Die Heizpfade können jeweils mindestens eine Heizleiterschleife umfassen.
Zur Lösung der oben beschriebenen Problematik wird vorgeschlagen, das Heizelement derart auszugestalten, dass ein über die Kontaktelemente bereitgestellter Gesamtstrom bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen auf unterschiedliche Weise auf die Heizpfade aufgeteilt wird. In anderen Worten soll die Aufteilung des Gesamtstroms auf die Heizpfade temperaturabhängig sein. Beispielsweise können die Heizpfade mindestens einen ersten Heizpfad und mindestens einen zweiten Heizpfad umfassen, wobei durch den ersten Heizpfad ein erster Strom fließt und wobei durch den zweiten Heizpfad ein zweiter Strom l2 fließt, wobei mindestens zwei Temperaturen Ti , T2 existieren, mit T2 > Ti , für die gilt:— ( 2) >— Ί[) . Vorzugsweise liegen die Temperaturen Ti , T2 dabei in einem Temperaturbereich von 700 bis 900 °C. Vorzugsweise kann die genannte Bedingung für alle Temperaturen Ti , T2 innerhalb eines Betriebsbereichs gelten, beispielsweise dem genannten Bereich von 700 bis 900 °C. Die Heizpfade, insbesondere der erste Heizpfad und der zweite Heizpfad, können insbesondere vollständig oder teilweise aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein und/oder über unterschiedliche Materialien mit den Kontaktelementen (120) verbunden sein. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der erste Heizpfad und/oder eine
Verbindung zwischen mindestens einem der Kontaktelemente und dem ersten Heizpfad mindestens ein Material aufweisen, welches der zweite Heizpfad und/oder eine
Verbindung zwischen mindestens einem der Kontaktelemente und dem zweiten Heizpfad nicht aufweisen, und/oder dass der zweite Heizpfad und/oder eine Verbindung zwischen mindestens einem der Kontaktelemente und dem zweiten Heizpfad mindestens ein Material aufweisen, welches der erste Heizpfad und/oder eine Verbindung zwischen mindestens einem der Kontaktelemente und dem ersten Heizpfad nicht aufweisen.
Insbesondere können die unterschiedlichen Materialien Widerstände mit einem unterschiedlichen Temperaturverhalten aufweisen, also Materialien mit einer
unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit ihrer elektrischen Wderstände. Beispielsweise kann der erste Heizpfad vollständig oder teilweise aus einem Material mit einem ersten Temperaturverhalten hergestellt sein, wohingegen der zweite Heizpfad vollständig oder teilweise mit einem Material mit einem zweiten Temperaturverhalten hergestellt ist oder ein derartiges Material aufweist. Insbesondere können die unterschiedlichen Materialien mindestens ein erstes Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC- Material) und mindestens ein zweites Material mit einem negativen
Temperaturkoeffizienten (NTC-Material) aufweisen. Beispielsweise kann mindestens ein erster Heizpfad der Heizpfade aus dem mindestens einen Material mit positivem
Temperaturkoeffizienten bestehen. Beispielsweise kann dies derart erfolgen, dass der erste Heizpfad insgesamt ein positives Temperaturverhalten aufweist, so dass ein Widerstand des ersten Heizpfads mit steigender Temperatur, beispielsweise innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs, abfällt. Mindestens ein zweiter Heizpfad der
Heizpfade kann das mindestens eine Material mit einem negativen
Temperaturkoeffizienten aufweisen und/oder über das mindestens eine Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten mit einem oder mehreren der Kontaktelemente verbunden sein. Dieses mindestens eine Material mit dem negativen
Temperaturkoeffizienten kann beispielsweise einen Abschnitt des zweiten Heizpfads bilden und/oder ein Schaltelement, über welches der zweite Heizpfad mit einem oder mehreren der Kontaktelemente verbunden ist. Verschiedene Ausgestaltungen werden unten noch exemplarisch näher beschrieben.
Das Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten kann insbesondere ein
Metalloxid umfassen. Vorzugsweise kann das Material mit negativem
Temperaturkoeffizienten ein Metalloxid nach einer der allgemeinen Formeln
Figure imgf000006_0001
und CX3Dx4Ex5Om sein. Dabei sind A, B, C, D, E jeweils, vorzugsweise unabhängig
voneinander, metallische Elemente, wobei vorzugsweise A La ist, wobei B vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fe, Co, Ni und Cu, wobei C vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus La und Ba, wobei D vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ca und Sr und wobei E vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cr, Mn, Fe, und Co. x^ x2, X3, x4 und x5 sind reelle Zahlen, und n und m sind ganze Zahlen. Insbesondere kann das Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten ein Material mit einer Perowskit-Struktur sein oder ein derartiges Material umfassen, vorzugsweise ein Material der allgemeinen Formel
Figure imgf000006_0002
wobei x eine reelle Zahl größer als 0 und kleiner als 1 ist, vorzugsweise mit 0 < x < 0,3, und wobei δ eine reelle Zahl mit 0 < δ < 1 ist, vorzugsweise mit 0 < δ < 0,3 und besonders bevorzugt δ = 0, 15. Ist mindestens ein Material mit negativem Temperaturkoeffizienten vorgesehen, so kann dies auf verschiedene Weise angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Abschnitt des zweiten Heizpfads vollständig aus einem derartigen Material hergestellt sein. Alternativ kann der zweite Heizpfad auch vollständig aus diesem Material hergestellt sein.
Wiederum alternativ kann mindestens ein Schaltelement vorgesehen sein, wie oben beschrieben, welches beispielsweise vollständig oder teilweise aus dem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten besteht, und welches die Strombeaufschlagung und/oder Spannungsbeaufschlagung des zweiten Heizpfads bestimmt. Insbesondere kann mindestens einer der Heizpfade, beispielsweise der mindestens eine zweite
Heizpfad, mit mindestens einem der Kontaktelemente über mindestens ein Schaltelement verbunden sein. Insbesondere kann dieses Schaltelement das Material mit dem negativen
Temperaturkoeffizienten umfassen oder vollständig aus diesem Material hergestellt sein. Beispielsweise kann dieses Schaltelement zwischen den Heizpfad, beispielsweise den zweiten Heizpfad, und das Kontaktelement geschaltet sein. Das Schaltelement soll eingerichtet sein, um eine temperaturabhängige Aufteilung des Gesamtstroms auf die Strompfade zu bewirken. Wie oben ausgeführt, wird in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer
Gaskomponente in dem Gas. Das Sensorelement weist mindestens ein Heizelement gemäß einer oder mehreren der oben oder auch im Folgenden beschriebenen
Ausgestaltungen auf. Das Sensorelement kann insbesondere ein keramisches
Sensorelement sein, vorzugsweise mit einem keramischen Schichtaufbau mit einer oder mehreren Funktionskeramiken. Insbesondere kann das Sensorelement mindestens zwei Elektroden umfassen, welche über mindestens einen Festelektrolyten miteinander verbunden sind, beispielsweise ein keramisches Festelektrolytmaterial. Insbesondere kann mindestens eine der Elektroden mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Verschiedene Ausgestaltungen derartiger Sensorelemente sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann das Sensorelement eine so genannte Lambdasonde sein oder umfassen, zur Erfassung eines Sauerstoffanteils in einem Gas. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement auch beispielsweise einen NOx-Sensor oder eine andere Art von Sensorelement umfassen.
Das Heizelement und das Sensorelement gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen weisen gegenüber bekannten Heizelementen und Sensorelementen zahlreiche Vorteile auf. So lässt sich das Heizelement insbesondere als selbstregulierendes Heizelement ausgestalten. Unter einer Selbstregulierung wird dabei vorzugsweise eine Eigenschaft verstanden, bei welcher die Aufteilung der Ströme auf die Heizpfade selbstständig und ohne äußere Einwirkung, in Abhängigkeit von der jeweils am Ort des Heizelements herrschenden Temperatur erfolgt. Das Heizelement kann insbesondere aus mehreren Heizmäandern bestehen. In Abhängigkeit von der
Betriebstemperatur kann das Heizelement insbesondere derart ausgestaltet sein, dass sich, in Abhängigkeit von dieser Betriebstemperatur, eine unterschiedliche Anzahl an Heizpfaden in unterschiedlich starker Weise am Heizprozess beteiligt. Beispielsweise kann die Kontaktierung zusätzlicher Heizpfade, beispielsweise eines oder mehrerer zusätzlicher Heizmäander, über ein heißleitendes Material, beispielsweise ein Material mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) erfolgen, um diese unterschiedliche
Stromverteilung zu gewährleisten. Derartige Materialien mit negativem
Temperaturkoeffizienten weisen üblicherweise eine charakteristische Temperatur TNTc auf. In diesem Fall gilt beispielsweise für folgende Betriebstemperaturen T des
Heizelements: a) T < TNTC: Bei geringer Betriebstemperatur sperrt der hochohmige NTC die elektrische Beschaltung der diesen NTC aufweisenden Heizpfade und/oder der über diesen NTC mit den Kontaktelementen verbundenen Heizpfade. Somit fließt lediglich durch den oder die nicht über den NTC mit Strom beaufschlagten Heizpfade ein Heizstrom. Der Widerstand des gesamten Heizelements ist damit vergleichsweise hoch. Dies erfüllt die oben beschriebenen Anforderungen seitens der Auslegung des Steuergeräts. b) T > T NTC- Mit steigender Betriebstemperatur sinkt hingegen der Widerstand des
NTCs, so dass zunehmend eine Strombeaufschlagung des über diesen NTC mit den Kontaktelementen verbundenen mindestens einen Heizpfads erfolgt, so dass ein zunehmender Heizstrom durch diesen mindestens einen zweiten Heizpfad fließen kann. Nun beteiligen sich mehrere
Heizpfade am Heizprozess, und der Widerstand des gesamten Heizelements ist damit vergleichsweise klein. Dies erfüllt die zweite oben genannte Anforderung bezüglich der Begrenzung des
Heizspannungsbedarfs.
Hieraus ergeben sich mehrere Vorteile. Aufgrund des vergleichsweise hohen
Gesamtwiderstands des Heizelements bei niedrigen Temperaturen ist eine effiziente Auslegung eines Steuergeräts möglich, welches mit dem Sensorelement und
insbesondere dem Heizelement verbunden werden kann. Aufgrund des vergleichsweise geringen Gesamtwiderstands des Heizelements hingegen bei hohen Temperaturen bleibt auch bei einer hohen Auskühlung des gesamten Sensorelements und/oder einem hohen Heizleistungsbedarf der Heizspannungsbedarf insgesamt begrenzt. Damit ist auch die oben genannte zweite Bedingung in hervorragender Weise erfüllt.
Weiterhin bietet das beschriebene Konzept auch hinsichtlich der einsetzbaren Materialien zahlreiche Vorteile. So lässt sich einerseits das bekannte und bewährte Heizersystem, beispielsweise auf der Basis von Platin, vorzugsweise weiter einsetzen. Gegenüber einem bisherigen Heizersystem gemäß dem Stand der Technik führt der Einsatz der
erfindungsgemäßen Ausgestaltung jedoch in der Regel zu einem stark reduzierten, effektiven Temperaturkoeffizienten a. Weiterhin lässt sich auch verschaltungstechnisch die Erfindung vorteilhaft nutzen. So ist in der Regel keine zusätzliche Heizerleitung nötig, über die eine Beschaltung der verschiedenen Heizpfade realisiert werden kann. Die mehreren Heizpfade können über dieselben Kontaktelemente kontaktiert werden. Stattdessen regelt das Heizelement vorzugsweise eigenständig und autonom die Verteilung des Stroms auf die Heizpfade. Am Steuergerät sind in der Regel keine prinzipiellen Änderungen erforderlich.
Die mindestens zwei Heizpfade können insbesondere vollständig oder teilweise elektrisch parallelgeschaltet werden. Durch die Parallelschaltung, insbesondere die
Parallelschaltung eines Materials mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), insbesondere eines Platinheizers, und eines Materials mit einem negativen
Temperaturkoeffizienten, beispielsweise eines NTC-Heizpfads mit mindestens einem
NTC-Material, vorzugsweise in einem Hot Spot, kann der resultierende Gesamtwiderstand des Heizelements verringert werden. Allgemein können beispielsweise ein
Heizspannungsbedarf, eine FLO-Zeit (Fast Light-Off, Schnellstart einer Lambdasonde) und/oder ein Edelmetalleinsatz reduziert werden. Durch die Parallelschaltung, beispielsweise die Parallelschaltung eines Platinheizers (PTC) und eines NTC-Heizers, beispielsweise in einem Mäander-Zuleitungsbereich, kann der resultierende
Temperaturkoeffizient bei einem schnellen Aufheizen reduziert werden. Insgesamt lässt sich auch ein Heizelement mit einem geringeren Thermostress realisieren. Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Rußleitpfade. Durch die allgemein höhere Temperatur im Zuleitungsbereich, beispielsweise im Bereich der Kontaktelemente und/oder im Zuleitungsbereich der Heizpfade, welcher sich beispielsweise bis nahe an eine Dichtpackung des Sensorelements heran erstreckt, kann die Entstehung von Rußleitpfaden zu einem Gehäuse, beispielsweise einem Sondengehäuse, reduziert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Heizelemente und Sensorelemente; Figur 4 einen Widerstandsverlauf des Heizelements als Funktion der
Betriebstemperatur; und
Figur 5 ein Widerstandsverhalten typischer Perowskit-Materialien für den
Einsatz als NTC-Materialien im Rahmen der vorliegenden
Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung In den Figuren 1 bis 3 sind verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Sensorelemente 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum sowie verschiedener Heizelemente 1 12 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das gesamte Sensorelement 1 10 ist dabei in den Figuren 1 bis 3 lediglich schematisch und teilweise angedeutet. Beispielsweise kann es sich dabei um ein
Sensorelement gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik handeln,
beispielsweise um ein Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum. Die Erfindung kann allgemein vorzugsweise auf Kraftfahrzeugsensoren eingesetzt werden, beispielsweise auf Sensoren zur Erfassung eines oder mehrerer Gasanteile einer oder mehrerer Gaskomponenten in einem Abgas einer Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann die Erfindung somit auf Lambdasonden oder auf NOx-Sensoren eingesetzt werden. Bezüglich eines möglichen Aufbaus der Sensorelemente 110, abgesehen von dem nachfolgend beschriebenen Aufbau eines Heizelements, kann beispielsweise auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden.
Das Sensorelement 1 10 umfasst einen keramischen Schichtaufbau, wobei in den Figuren 1 bis 3 jeweils Draufsichten auf eine Schicht des Heizelements 112 des Schichtaufbaus gezeigt sind. Auf diesem können weitere Schichten aufgebaut sein, welche in den Figuren nicht dargestellt sind. Der Schichtaufbau umfasst beispielsweise ein oder mehrere Substratmaterialien 114, beispielsweise keramische Substratmaterialien, beispielsweise auf Zirkoniumdioxid-Basis, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid. Auf diese Substratmaterialien 1 14 können beispielsweise ein oder mehrere Isolatormaterialien 116 aufgebracht werden als
Heizerisolation, beispielsweise Al203. Auf dieses Isolatormaterial 1 16 wiederum, beispielsweise auf diese mindestens eine Isolatorschicht, kann dann ein Heizwiderstand 1 18 des Heizelements 1 12 aufgebracht werden, beispielsweise durch ein Druckverfahren. Auch andere Herstellungstechniken sind jedoch grundsätzlich möglich. Der Heizwiderstand 1 18 umfasst in den dargestellten Ausführungsbeispielen Kontaktelemente 120, welche hier exemplarisch und ohne Beschränkung weiterer möglicher
Ausgestaltungen jeweils zwei Kontaktpads 122 und zwei Zuleitungen 124 umfassen können. Weiterhin umfasst der Heizwiderstand 118 in den dargestellten
Ausführungsbeispielen mehrere Heizpfade, nämlich hier exemplarisch einen ersten Heizpfad 126 und einen zweiten Heizpfad 128. Der erste und der zweite Heizpfad 126 bzw. 128 können auch als erster Heizmäander bzw. zweiter Heizmäander bezeichnet werden.
Wie oben beschrieben, ist das Heizelement derart eingerichtet, dass ein über die
Kontaktelemente 120 bereitgestellter Gesamtstrom durch den Heizwiderstand 118 auf eine Temperatur-abhängige Weise auf die mindestens zwei Heizpfade 126, 128 aufgeteilt wird. Allgemein haben die Heizpfade dabei vorzugsweise ein unterschiedliches
Temperaturverhalten, wobei mindestens einer der Heizpfade 126, 128 vorzugsweise ein Temperaturverhalten mit positivem Temperaturkoeffizienten aufweist und mindestens einer der Heizpfade 126, 128 vorzugsweise ein Temperaturverhalten mit negativem Temperaturkoeffizienten. Allgemein erfolgt die Beaufschlagung vorzugsweise dergestalt, dass der Anteil des Stroms durch den Heizpfad mit negativem Temperaturkoeffizienten bei steigenden Temperaturen zunimmt.
In den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist dies auf
unterschiedliche Weise realisiert. In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem mindestens ein Schaltelement 130 vorgesehen sein kann. Dieses Schaltelement 130 kann beispielsweise, wie in Figur 1 gezeigt, zwischen den zweiten Heizpfad 128 und eine oder beide der Zuleitungen 124 geschaltet sein, so dass jeglicher Strom, welcher durch den zweiten Heizpfad 128 fließt, das Schaltelement 130 passieren muss. Dieses Schaltelement 130 kann beispielsweise ein Schaltelement aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten sein. Allgemein kann somit der zweite Heizpfad 128 mindestens einen NTC-Widerstand umfassen und/oder über mindestens einen NTC-
Widerstand mit einem oder mehreren der Kontaktelemente 120 verbunden sein. Der NTC- Widerstand 132 kann grundsätzlich an beliebiger Stelle in dem zweiten Heizpfad 128 positioniert werden. Dabei sollte die Position vorzugsweise entsprechend einer günstigen Sprungtemperatur TNTc gewählt werden. Der NTC-Widerstand 132 kann beispielsweise mittels Siebdruck über eine Aussparung im Bereich zwischen der Zuleitung 124 und dem zweiten Heizpfad 128 und/oder in einer Aussparung innerhalb des zweiten Heizpfads 128 und/oder ganzflächig über bzw. über und unter dem PTC-Heizpfad gedruckt werden. Grundsätzlich kommen als Materialien mit negativem Temperaturkoeffizienten alle keramischen, co-sinterfähigen NTC-Materialien in Betracht. Weitere Voraussetzungen sind in der Regel eine chemische Kompatibilität mit den im Heizerverbund eingesetzten 5 Materialien und eine mit den übrigen Materialien des Heizwiderstands 1 18 vergleichbare Oxidationsstabilität, beispielsweise eine mit Platin vergleichbare Oxidationsstabilität. Wie unten noch näher ausgeführt wird, ist insbesondere der Einsatz von Perowskiten, wie beispielsweise (La,Ca)Cr03, vielversprechend. o Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines Schaltelements 130, vorzugsweise eines
Schaltelements mit negativem Temperaturkoeffizienten, können der erste Heizpfad 126 und der zweite Heizpfad 128 auch großflächig miteinander verbunden werden und/oder einer oder mehrere der Heizpfade können vollständig aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Während beispielsweise in Figur 1 der zweite Heizpfad 128 nicht
5 vollständig aus dem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten hergestellt sein muss (dies gleichwohl jedoch sein kann), sind in den Figuren 2 und 3 verschiedene
Ausführungsbeispiele gezeigt, bei welchen der zweite Heizpfad 128 vorzugsweise vollständig aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten hergestellt ist und somit praktisch vollständig einen NTC-Wderstand 132 bildet. Auch in diesem Fall
0 bewirken die Wderstandseigenschaften mit negativem Temperaturkoeffizienten, analog zu Figur 1 , eine temperaturabhängige Aufteilung des Gesamtstroms, und somit eine Schaltungseigenschaft.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist ein Schichtaufbau gezeigt, bei welchem die 5 Heizpfade 126, 128 großflächig aufeinander liegen und somit großflächig
parallelgeschaltet sind. Beispielsweise kann zunächst, wie in Figur 2 gezeigt, der zweite Heizpfad 128 auf das Isolatormaterial 116 aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt werden, welcher vorzugsweise großflächig ausgestaltet sein kann. Auf diesen kann dann, vorzugsweise schmaler ausgestaltet, der erste Heizpfad 126 aufgebracht, beispielsweise o aufgedruckt werden, beispielsweise in einem Schritt mit der Herstellung der Zuleitungen
126. Der zweite Heizpfad 128 wird somit großflächig von dem ersten Heizpfad 126 kontaktiert. Auch hierdurch kann, beispielsweise durch Überdrucken von NTC-Material durch Platin, eine großflächige Parallelschaltung erreicht werden. Vorzugsweise kann ein Übergang 134 zwischen den Zuleitungen 124 und den Heizpfaden 126, 128 großflächig5 ausgestaltet werden, so dass ein großer, heizbarer Übergang zwischen den Heizpfaden 126, 128 und dem Bereich der Zuleitungen 124 entsteht. Insgesamt lässt sich durch den beschriebenen Aufbau eine maximale Einsparung von Edelmetallen, beispielsweise eine Platineinsparung, erzielen. Weiterhin lässt sich, durch Einbeziehung der Zuleitungen 124, ein niedriger Gesamtwiderstand im hohen Temperaturbereich realisieren. Der Übergang 134 lässt sich bis nahe an eine (nicht dargestellte) Dichtpackung des Sensorelements 1 10 heranführen. Aufgrund der hohen Temperatur lassen sich somit Rußleitpfade bis hin zu einer optionalen Dichtpackung vermeiden, und es ergibt sich insgesamt ein geringerer Temperaturgradient in der Zuleitung der Heizpfade 126, 128.
In Figur 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem der erste Heizpfad 126, welcher vorzugsweise vollständig aus einem Material mit positivem
Temperaturkoeffizienten, beispielsweise Platin, hergestellt ist, und der zweite Heizpfad 128 mit dem NTC-Widerstand 132, lateral zueinander versetzt und vorzugsweise, außerhalb des Übergangsbereichs 134, gegeneinander elektrisch isoliert sind. Auch dieser Aufbau lässt sich beispielsweise wieder durch Überdrucken herstellen,
beispielsweise indem die Heizpfade 126, 128 sequenziell auf das Isolatormaterial 1 16 aufgedruckt werden, so dass diese im Bereich des Übergangs 134 durch die Zuleitungen 124 kontaktiert sind. Der erste Heizpfad 126, welcher wiederum als PTC-Heizer ausgestaltet sein kann, und der schmale NTC-Widerstand 132 können derart ausgestaltet sein, dass ein Wärmeübertrag zwischen diesen Heizpfaden 126, 128 mit einer abstandsabhängigen Zeitkonstante erfolgt. Hierdurch kann die zeitliche Wrksamkeit der Parallelschaltung gesteuert und Einfluss auf eine Regelcharakteristik und/oder
Regelstabilität von heizerspannungsgesteuerten Applikationen ohne eine
Innenwiderstandsregelung genommen werden. In Figur 4 ist exemplarisch ein schematischer Verlauf der Wderstände des gesamten
Heizwiderstands 118 dargestellt, aufgeteilt in den Heizwiderstand des ersten Heizpfads 126 und des zweiten Heizpfads 128. Dabei bezeichnet RH den gesamten Wderstand des Heizwiderstands 118, RH,h den Gesamtwiderstand bei hohen Temperaturen, und RH,k den Gesamtwiderstand bei niedrigen Temperaturen. RH,i bzw. RH,2 bzw. RH,g bezeichnen die Widerstände des ersten Heizpfads 126 bzw. des zweiten Heizpfads 128 bzw. des zusammengesetzten gesamten Heizwiderstands 1 18. Aus diesem schematischen Verlauf ergibt sich, dass sich eine Absenkung um ca. 50 % erreichen lässt, beispielsweise falls die beiden Heizpfade 126, 128 in der gleichen Länge und mit gleichem
Leitungsquerschnitt ausgelegt sind. Wie oben dargestellt, lässt sich die unterschiedliche Aufteilung von Strömen durch den ersten Heizpfad 126 und l2 durch den zweiten Heizpfad 128, welche temperaturabhängig ist, insbesondere durch die Verwendung eines Materials mit negativem
Temperaturkoeffizienten erzielen. Dieses Material, welches vorzugsweise als NTC- Widerstand 132 in dem zweiten Heizpfad 128 eingesetzt werden kann, kann
beispielsweise (La,Ca)Cr03 umfassen. Das Perowskit-Material der oben genannten allgemeinen Formeln
Figure imgf000014_0001
oder CX3Dx4Ex5Om (in der Literatur häufig auch dargestellt als allgemeine Formel AB03), insbesondere (La,Ca)Cr03, wird als Material in
Brennstoffzellen eingesetzt und ist dort sowohl reduzierenden als auch oxidierenden Gasen ausgesetzt. Das Temperaturverhalten seiner Leitfähigkeit σ ist in Figur 5 dargestellt, wobei die Leitfähigkeit σ logarithmisch über dem Inversen der Temperatur T aufgetragen ist. Die Messungen sind I. Yasuda, T. Hikita, Electrical conductivity and defect structure of calcium-doped lanthanum chromites. J. Electrochem. Soc. 140 (6), 1699-1704 (1993) entnommen. Die Messungen sind an Luft durchgeführt. Es ergibt sich beispielsweise für die oberste dargestellte Kurve ein Heißwiderstand Rh von 2 Ω, und ein Kaltwiderstand Rk von 12 Ω. Alternativ oder zusätzlich zum Perowskit vom Typ
(La,Ca)Cr03 lässt sich beispielsweise auch YCr03 einsetzen, ebenfalls als Vertreter der bevorzugten Materialien vom Typ AB03. Materialien vom Typ (La,Ca)Cr03 weisen jedoch allgemein zahlreiche Vorteile auf. So sind diese beispielsweise co-sinterfähig zu übrigen Schichtmaterialien typischer Sensorelemente 110. Das Material ist weiterhin per Paste und/oder Siebdruck aufbringbar, so dass eine klassische Aufarbeitung und/oder
Verarbeitung entsprechend üblicher Metalloxide erfolgen kann. Weiterhin ist dieses Material chemisch mit den übrigen Materialien, welche typischerweise in
Sensorelementen 1 10 eingesetzt werden, kompatibel, beispielsweise kompatibel mit üblichen Substratmaterialien 114 wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid.
Weiterhin weisen diese Materialien einen hohen Kaltwiderstand und einen geringen Heißwiderstand auf. Bei einer angenommenen Geometrie des Schaltelements 130 mit einer Länge von 50 μηι, einer Breite von 200 μηι und einer Höhe von 20 μηι ergibt sich beispielsweise ein Kaltwiderstand bei einer Temperatur von 25 °C von ca. 12 Ω und ein Heißwiderstand bei einer Temperatur von 723 °C von 2 Ω, wie auch in Figur 5 angedeutet. Weiterhin ist der Wderstand dieses Perowskit-Materials über einen weiten Bereich (beispielsweise 10"10 bar und 1 bar) auch unabhängig von einem
Sauerstoffpartialdruck, was in Sensorelementen 1 10 zur Erfassung von
Sauerstoffpartialdrücken besonders vorteilhaft ist. .

Claims

Patentansprüche
Heizelement (112), insbesondere zum Einsatz in einem Sensorelement (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, umfassend mindestens zwei Kontaktelemente (120) und mindestens zwei über die Kontaktelemente (120) mit Heizstrom beaufschlagbare Heizpfade (126, 128), wobei das Heizelement (1 12) derart ausgestaltet ist, dass ein über die
Kontaktelemente (120) bereitgestellter Gesamtstrom bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen auf unterschiedliche Weise auf die Heizpfade (126, 128) aufgeteilt wird.
Heizelement (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Heizpfade (126, 128) mindestens einen ersten Heizpfad (126) und mindestens einen zweiten Heizpfad (128) umfassen, wobei durch den ersten Heizpfad (126) ein erster Strom fließt und wobei durch den zweiten Heizpfad (128) ein zweiter Strom l2 fließt, wobei mindestens zwei Temperaturen Ti , T2 mit T2 > Ti existieren, für die gilt: - I {T2) > I {Tl) .
Heizelement (1 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizpfade (126, 128), insbesondere der erste Heizpfad (126) und der zweite Heizpfad (128), vollständig oder teilweise aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind und/oder über unterschiedliche Materialien mit den
Kontaktelementen (120) verbunden sind.
4. Heizelement (1 12) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
unterschiedlichen Materialien Widerstände mit einem unterschiedlichen
Temperaturverhalten aufweisen.
5. Heizelement (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die unterschiedlichen Materialien mindestens ein erstes Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und mindestens ein zweites Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen.
6. Heizelement (112) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein erster Heizpfad (126) der Heizpfade (126, 128) aus mindestens einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten besteht, wobei mindestens ein zweiter Heizpfad (128) der Heizpfade (126, 128) mindestens ein Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und/oder über das mindestens eine Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten mit einem oder mehreren der Kontaktelemente 120 verbunden ist.
7. Heizelement (112) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten ein Metalloxid umfasst, vorzugsweise ein Metalloxid nach einer der Formeln ausgewählt aus:
Figure imgf000016_0001
und CX3Dx4Ex5Om, wobei A, B, C, D, E jeweils metallische Elemente sind, wobei vorzugsweise A La ist, wobei B vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fe, Co, Ni und Cu, wobei C vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus La und Ba, wobei D vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ca und Sr und wobei E vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cr, Mn, Fe, und Co, wobei x^ x2, X3, x4 und x5 reelle Zahlen sind und wobei n und m ganze Zahlen sind.
8. Heizelement (112) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material mit dem negativen Temperaturkoeffizienten ein Material mit einer Perowskit-Struktur umfasst, vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Material der allgemeinen Formel
Figure imgf000016_0002
wobei x eine reelle Zahl größer als 0 und kleiner als 1 ist, vorzugsweise mit 0 < x < 0,3, und wobei δ eine reelle Zahl mit 0 < δ < 1 ist, vorzugsweise mit 0 < δ < 0,3 und besonders bevorzugt δ = 0,15.
9. Heizelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Heizpfade (126, 128) mit mindestens einem der Kontaktelemente (120) über mindestens ein Schaltelement (130) verbunden ist, insbesondere ein Schaltelement (130) mit negativem Temperaturkoeffizienten, wobei das
Schaltelement (130) eingerichtet ist, um eine temperaturabhängige Aufteilung des Gesamtstroms auf die Heizpfade (126, 128) zu bewirken.
10. Sensorelement (1 10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gas, wobei das Sensorelement (110) mindestens ein Heizelement (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
PCT/EP2011/070118 2010-12-20 2011-11-15 Heizelement für einen gassensor WO2012084343A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201180061305.8A CN103443620B (zh) 2010-12-20 2011-11-15 用于气体传感器的加热元件

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