DE2913866A1

DE2913866A1 - Messfuehler fuer die bestimmung von bestandteilen in stroemenden gasen

Info

Publication number: DE2913866A1
Application number: DE19792913866
Authority: DE
Inventors: Helmut Maurer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-04-06
Filing date: 1979-04-06
Publication date: 1980-10-23
Also published as: DE2913866C2; JPS55140145A; FR2453409A1; US4300990A; JPS6336463B2; GB2046921B; IT1141521B; FR2453409B1; GB2046921A; IT8021226A0

Description

^R· 540B

4.4.1979 Zr/Kö

ROBERT BOSCH GMBH₃ 7OOO Stuttgart 1

Meßfühler für die Bestimmung von Bestandteilen in strömenden Gasen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler zur Bestimmung von Bestandteilen in -strömenden Gasen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Derartige Meßfühler, die ein Trägerplättchen für mindestens ein Sensorelement und mindestens ein schichtförmiges Heizelement aufweisen, sind z.B. schon aus den deutschen Offenlegungsschriften 28 26 515 und 28 15 879 und aus der US-PS 3 989 6l4 bekannt^ die Heizelemente sind bei diesen Meßfühlern jeweils auf derjenigen Großseite des Trägerplättchens angeordnet, die der Großseite mit dem eigentlichen Sensorelement gegenüberliegt. Diese in strömenden Gasen befindlichen Meßfühler zeigen, daß die Randzonen gegenüber den mittleren Bereichen ihrer Trägerplättchen einen erheblichen Temperaturgradienten aufweisen; die Polgen davon s.ind sowohl starke Nutzsignalschwankungen als auch Brüche an den Trägerplättchen und damit Ausfälle von Meßfühlern.

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Vorteile der Erfindung

Der Meßfühler zur Bestimmung von Bestandteilen in strömenden Gasen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Heizelement bzw. die Heizelemente im Bereich der Sensorelemente für ausgeglichene thermische Verhältnisse sorgen und auch dem Entstehen von Brüchen am Trägerplättchen entgegenwirken. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen des im Hauptanspruch beschriebenen Meßfühlers beansprucht, die einen kostengünstigen, für die Massenproduktion gut geeigneten Aufbau besitzen und auch für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen einsetzbar sind.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Explosionsschaubild eines vergrößert dargestellten, inaktiven Meßfühler-Trägerplättchens, das auf jeder seiner beiden Großseiten ein Sensorelement und ein Heizelement trägt, Figur ein Explosionsschaubild eines vergrößert dargestellten aktiven Meßfühler-Trägerplättchens, das auf einer seiner Großseiten ein Sensorelement bildet und auf seinen beiden Großseiten je ein Heizelement trägt, und Figur ein Explosionsschaubild eines vergrößert dargestellten aktiven Meßfühler-Trägerplättchens, das auf seinen beiden Großseiten je eine Elektrode eines Sensorelementes und je ein Heizelement trägt.

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Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Figur 1 der Zeichnung zeigt ein Trägerplättchen 10, das sich aus einer Metallplatte 11 mit keramischem überzug 12 zusammensetzt; die Metallplatte 11 besteht dabei beispielsweise aus einer wärmebeständigen Nickel-Legierung, ist 5 mm breit, 0,6 mm dick und weist als überzug 12 eine Aluminiumoxidschicht von 0,15 mm Dicke auf. Anstelle dieser Ausführungsform eines Trägerplättchens 10 kann in anderen Fällen aber auch ein Trägerplättchen aus einem massiven elektrischen Isoliermaterial wie z.B. Keramik bestehen. Die eine Großseite dieser Trägerplatte 10 ist mit 13 und die andere mit 14 bezeichnet. Auf der Großseite 13 ist ein potentiometrisches Sensorelement zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in strömenden Gasen (z.B. im Abgas eines Verbrennungsmotors) aufgebracht, das aus einer Meßelektrode 16, einer Bezugselektrode 17 und einer gemeinsam auf die Meßelektrode 16 und die Bezugselektrode 17 aufgebrachten, sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht 18 (z.B. aus Zirkondioxid) besteht und etwa 0,5 mm dick ist. Die Meßelektrode 16 besteht dabei aus einer etwa 7 μπι dicken Schicht eines Platinmetalls und die Bezugselektrode 17 aus einer etwa ebenso dicken Goldschicht j beide Elektroden 16 und 17 sind dem nicht dargestellten Meßgas ausgesetzt. Die Meßelektrode 16 und die Bezugselektrode 17 verlaufen als nicht mit Bezugszahlen versehene Leiterbahnen bis zum meßgasfernen Endabschnitt des Trägerplättchens 10. Ein solches Sauerstoff-Sensorelement 15 wirkt bekanntlich als elektrochemische Zelle und erzeugt eine vom Sauerstoffpartialdruck des Meßgases abhängige Spannung als Nutzsignal. Der von diesem Sensorelement 15 einge-

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nommene Bereich läßt dabei auf der Trägerplättchen-Großseite 13 streifenförmig die Längsränder und den meßgasseitigen Randbereich der Großseite 13 frei, und zwar für das erfindungsgemäße Heizelement 19, das beispielsweise auch aus einem Platinmetall besteht und gleichzeitig mit der Meßelektrode 16 und/oder der Bezugselektrode 17 nach einem bekannten Verfahren wie Aufdrucken, Aufspritzen, Aufdampfen mit aufgebracht werden kann. Dieses Heizelement 19, das etwa 10 μΐη dick ist, bevorzugt mäanderförmige- oder zickzackförmige Konfiguration aufweist, ist möglichst nahe an dem Sensorelement 15 angeordnet, elektrisch jedoch nicht damit verbunden und schließt das Sensorelement 15 weitestgehend ein; das Heizelement 19 füllt den Randstreifen im wesentlichen in seiner gesamten Breite aus. Das Heizelement 19 ist über Leiterbahnen 19' mit dem meßgasfernen Endabschnitt des Trägerplättchens 10 verbunden und zum Schutz gegen Oxydation und damit gegen seine Zerstörung mittels einer Schutzschicht 20 abgedeckt, die elektrisch isolierend ist und z.B. aus Aluminiumoxid bestehen kann. Mittels dieses Heizelementes 19 wird gewährleistet, daß der Bereich des Sensorelementes 15 praktisch konstant erwärmt wird und demzufolge zuverlässige Nutzsignale bewirkt und daß die Randzonen des Trägerplättchens 10, die bei strömenden Gasen ja bekanntlich thermisch am stärksten beansprucht werden, vor Rissen und Brüchen bewahrt werden.

Um die thermischen Verhältnisse des Sensorelementes 15 noch stabiler zu machen, ist es in gewissen Anwendungsfällen zweckmäßig, auf der Großseite 14 des Trägerplättchens 10 ein zusätzliches schichtförmiges Heiz-

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element 21 aufzubringen; dieses Heizelement 21 kann ;e nach Anwendungsfall - die gesamte Breite des Trägerplättchens 10 einnehmen oder - wie in der Figur 1 dargestellt - von gleicher Konfiguration und Anordnung wie das Heizelement 19 sein; dieses Heizelement 21 ist ebenso wie das Heizelement 19 mit einer Schutzschicht 26 abgedeckt. Wird ein Heizelement 21 verwendet, das von gleicher Anordnung ist wie das Heizelement 19, dann kann noch ein zusätzliches Sensorelement 22 in dem vom Heizelement 21 begrenzten Bereich des Trägerplättchens 10 mit angeordnet werden, z.B. ein prinzipiell bekannter polarographiseher Sauerstoffsensor. Ein solcher polarographischer Sauerstoffsensor 22 hat - wie das potentiometrische Sauerstoffsensoielemertt 15 - ebenfalls eine Meßelektrode 23 und eine daneben, mit Abstand angeordnete Bezugselektrode 24. Beide Elektroden 23 und 24 können z.B. aus einem Platinmetall bestehen und sind dem Meßgas ausgesetzt; sie können gleichzeitig mit dem Heizelement 21 auf das Trägerplättchen 10 nach einem bekannten Verfahren aufgetragen werden, einschließlich der nicht mit Bezugszahl versehenen, zugehörigen Leiterbahnen. Auf diese Elektroden 23 und 24 ist eine beiden gemeinsame, sauerstoffionenleitende, für Sauerstoffmoleküle durchlässige Festelektrolytschicht 25 aufgebracht, die 0,6 μπι dick ist. Die Elektroden 23 und 24 sind an eine elektrische Spannung gelegt und dieses Sensorelement 22 gibt einen vom Sauerstoffgehalt des Meßgases abhängigen Strom als Nutzsignal ab. Anstelle eines polarographischen Sauerstoffsensors 22 - oder auch zusätzlich zu diesem polarographischen Sauerstoffsensor 22 - kann aber auch ein anderer Meßfühler auf dem Trägerplättchen 10 noch mit aufgebracht sein, z.B.

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ein Temperaturfühler, ein Rußsensor; dieses ist jedoch nicht Inhalt dieser Erfindung und deshalb auch nicht näher beschrieben.

Erwähnt sei noch, daß bei Anordnung von zwei Heizelementen 19 und 21 auf einem Trägerplättchen 10 jedes dieser Heizelemente 19 und 21 mit einem eigenen steuerbaren Stromkreis versehen werden kann und demzufolge diesbezügliche Sensorelemente 15 und/oder 22 noch individueller bzw. präziser beheizt werden können.

Trägerplättchen 10 mit Sensorelementen 15» 22 und Heizelementen 19, 21 können in bekannter Weise fest und dicht in die Längsbohrung eines nicht dargestellten Metallgehäuses eingebaut werden, wie es beispielsweise aus der US-PS 3 989 6l4 bekannt ist.

Die Figur 2 zeigt ein massives Trägerplättchen 27_S das selbst aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten wie z.B. Zirkondioxid besteht, etwa 0,8 mm dick ist und als aktives Bauteil von Sauerstoffsensoren dienen kann, wie sie im Beispiel nach Figur 1 beschrieben sind. Auf der (oberen) Großseite 28 des Trägerplättchens 27 ist entsprechend ein Elektrodenpaar 29, 29' mit nicht bezeichneten Leiterbahnen aufgebracht, die wiederum den Randbereich des Trägerplättchens 27 unbedeckt lassen. Über dieses Elektrodenpaar 29, 29' mit seinen Leiterbahnen ist eine elektrisch isolierende, jedoch für Sauerstoffmoleküle durchlässige Schutzabdeckung 30 angeordnet, die auf dem Trägerplättchen 27 nur diejenigen Leiterbahnbereich des Elektrodenpaares 29, 29' freiläßt, die dem elektrischen Anschluß dienen. Auf dieser Schutzabdeckung 30, die beispielsweise auch aus Aluminiumoxid bestehen

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kann, ist ein erfindungsgemäßen Heizelement 31 derart aufgebracht, daß es in seiner senkrechten Projektion zur Trägerplättchen-Großseite 28 bevorzugt den nicht vom Elektrodenpaar 29, 29' bedeckten Randbereich des Trägerplättchens 27 ausfüllt; ein teilweises Überdecken des Elektrodenpaares 29, 29' durch das Heizelement 31 kann in bestimmten Einsatzfällen von Vorteil sein. Dieses Heizelement 31 mit seinen nicht bezeichnetem zum meßgasfernen Endabschnitt führenden Leiterbahnen ist mittels einer Oxydation verhindernden Schutzschicht 32 bedeckt, die auch nur die Leiterbahn-Anschlußbereiche des Heizelementes 31 freiläßt.

Die (untere) Großseite 33 des Trägerplättchens 27 ist mit einer elektrisch isolierenden Schicht 3^ (z-B. Aluminiumoxid) bedeckt und trägt auf ihrem Randbereich auch ein erfindungsgemäßes Heizelement 35 mit nicht bezeichneten Leiterbahnen; auch dieses Heizelement 35 ist mit einer Oxydation verhindernden Schutzschicht 36 abgedeckt. Auf die vom Heizelement 35 nicht überdeckte Fläche kann gegebenenfalls noch ein anderer Meßfühler aufgebracht werden; falls kein anderer Meßfühler in diesem Bereich aufgebracht wird, ist es für die thermischen Verhältnisse des Meßfühlers besser, wenn ein Heizelement 35 gemäß der Erfindung verwendet wird anstelle eines die ganze Breite des Trägerplättchens 27 einnehmendes Heizelement. Die anderen Merkmale dieser Anordnung entsprechen denen aus dem Beispiel nach Figur 1.

Die Figur 3 enthält ein zu einem.Sauerstoffsensor gehörendes Trägerplättchen 37, das dem Trägerplättchen aus dem Beispiel nach Figur 2 entspricht, jedoch die eine Sensorelement-Elektrode 38 auf der einen (oberen)

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Großseite 39 und die andere Sensorelement-Elektrode 40 auf der anderen (unteren) Großseite 4l trägt. Beide Elektroden 38 und 40 sind - wie auch im Beispiel nach Figur 2 - mit je einer Sauerstoffmoleküle durchlassenden Schutzabdeckung 42, 42', je einem Heizelement 43 bzw. 43¹ und je einer Heizelement-Schutzschicht 44 bzw. 44' beschichtet. Die anderen Merkmale dieser Anordnung entsprechen denen nach dem Beispiel gemäß Figur 2.

Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Anordnungen mit den erfindungsgemäßen Heizelementen 31, 35* 43, 43' zeigen die vielseitige Anwendbarkeit der Erfindung.

Abschließend sei noch bemerkt, daß die in Figur 3 gezeigte Anordnung, bei der das Trägerplättchen 37 ein aktives Bauteil des Sensorelementes ist und auf jeder Großseite 39 bzw. 41 eine Elektrode 38 bzw. 40 trägt, auch für solche Sauerstoffmeßfühler geeignet ist, deren eine Elektrode (z.B. Eleketrode 40) in bekannter Weise einem Bezugsstoff mit bestimmtem Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt ist (z.B. Luftsauerstoff oder Metall-Metalloxid-Gemisch wie Nickel/Nickeloxid oder Eisen/Eisenoxid); eine solche Elektrode ist dann entsprechend einzukapseln und mit einer Luftzuführung bzw. mit einem geeigneten Metall-Metalloxid-Gemisch zu umgeben.

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Claims

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Ansprüche

l.J Meßfühler zur Bestimmung von Bestandteilen in strömenden Gasen, mit einem keramischen oder teilweise aus Keramik bestehendem Trägerplättchen für mindestens ein zu beheizendes Sensorelement und mindestens ein schichtförmiges Heizelement, dadurch gekennzeichnet, daß minstens ein Heizelement (19, 21; 31, 35; 43, 43') in seiner Projektion senkrecht zum Trägerplättchen (10; 27; 37) ein Sensorelement (15, 22; 27, 29, 29'; 37, 38, 40) weitestgehend umschließt und dabei möglichst nahe, jedoch elektrisch isoliert neben dem betreffenden Sensorelement (15, 22; 27, 29, 29', 37, 38, 40) angeordnet ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (19, 21; 31; 43, 43') auf dem Trägerplättchen (10; 27; 37) im Bereich des Sensorelementes (15, 22; 27, 29, 29'; 37, 38, 40) mäanderförmig, zickzackförmig oder ähnlich verläuft.

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3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erfindungsgemäße Heizelement (19» 21; 31) bevorzugt auf derjenigen Großseite (13, I²J; 28) des Trägerplättchens (10, 27) liegt, die das zu beheizende Sensorelement (15, 22; 27, 29, 29') trägt.

4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf beiden Großseiten (13, 14;

28, 33, 39, 41) des Trägerplättchens (10, 27; 37) jeweils ein Heizelement (19, 21; 31, 35; 43, 43') befindet.

5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerplättchen (10) ein inaktives Bauteil mindestens eines Sensorelementes (15, 22) ist.

6. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerplättchen (27; 37) ein aktives Bauteil mindestens eines Sensorelementes (27,

29, 29', 37, 38, 40) ist.

7. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der zu beheizenden Sensorelemente (15, 22; 27, 29, 29', 37, 38, 40) einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten wie z.B. Zirkondioxid aufweist.

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