專利名稱：固體電解質-氣體傳感器元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1前序部分所述的氣體傳感器元件。
背景技術：
氣體傳感器元件通常層式地構成。除了穩定層、所謂的載體膜以外這 種傳感器元件的結構還包括其它的、通常涂敷在一個或多個這種載體膜上 的附加功能層，如電極、加熱和供氣元件。它們負責提供對于電化學的氣 體傳感器元件的正常運行所需的運行手段、如通常以空氣形式的參考氣體 以及熱量，用于使由至少兩個電極和一設置在其間的固體電解質組成的傳
感器電池元件(Sensorzellenelement)置于運行溫度。
通常這種傳感器元件由至少三個設有相應的附加層的載體膜組成，其 中經常使用氧化鋯形成載體膜。第一外載體層或載體膜形成用于在兩個電 極之間傳導離子連接所需的、傳感器電池的固體電解質。傳感器元件的通 過第二、中間載體膜定義的空間伸展通常用于參考氣體供氣的安置，根據 一個或多個參考氣體通道形式的結構來進行。對傳感器電池供熱的加熱元 件在這些實施形式中設置在傳感器元件中中間載體膜的背離傳感器電池的 一側上，優選作為第三、同樣外載體層的內面上的薄的絲網印刷層。
由這樣加熱的電化學傳感器電池由于離子流通過固體電解質產生的并 且施加在兩個電極上的測量電壓是用于被測氣體與參考氣體之間的氧分壓 的量度。但是因為這個電壓附加地非常強地取決于測量電池的溫度，甚至 取決于測量電池的各個元件、第一和第二電極或固體電解質的溫度，因此 不僅溫度梯度而且溫度變化也非常強地附加誤差地影響相應的測量結果。 因此例如對于傳感器的一些確定結構，例如運行溫度在約70(TC至90(TC的 范圍時，求出圍繞運行溫度的在士4(TC范圍中的溫度變化。這種溫度變化相 應干擾地影響到電化學測量電池的測量結果。
為了減少這種由系統引起的測量誤差，在DE 196 09 323 Al中建議了
一種用于傳感器元件的結構，其中通過通常曲折形構成的加熱元件直接在 中間載體膜連接兩個外載體膜的區域下面的設置實現傳感器電池內阻的降 低。由此可以實現穿過中間載體膜到傳感器電池的快速熱傳遞，并由此降 低在這個內阻上降低的且對測量結果產生負面影響的損失功率。其它致力
于這個題目的文獻是DE 43 43 089 Al, DE 101 15 872 Al和DE 103 05 533 Al。
發明內容
因此，本發明的目的是，改進按照上述現有技術構成的傳感器元件。
這個目的通過權利要求1的特征得以實現。通過下面的從屬權利要求 的特征能夠實現合乎目的的且有利的進一步構型。
本發明涉及一種氣體傳感器元件、尤其是用于確定被測氣體的至少一 個氣體組分和/或至少一個氣體組分的濃度，具有一個傳感器電池，包括暴 露于被測氣體的第一電極、暴露于參考氣體的第二電極和設置在兩個電極 之間的固體電解質，并且具有一個加熱元件，其中一個面向加熱元件的電 極的跡道在空間的疊加中與加熱元件的跡道側向錯位地設置。其特征在于， 在所述暴露于參考氣體的電極與固體電解質之間設置一個參考空氣通道。
以有利的方式可以使所述參考空氣通道構造為所述暴露于參考氣體的 電極與固體電解質之間的透氣的絕緣層，例如由多敞開細孔的印刷層構成。
為了保證測量電池的功能性，優選側向地圍繞絕緣層在固體電解質與 暴露于參考氣體的電極之間構造一個導離子的連接。由此構成一個提高測 量電池內阻的且穩定測量信號的用于離子流的迂回路徑。
在這種電化學的氣體傳感器元件中，傳感器電池的參考氣體供氣以顯 著減小間距的效應在兩個外載體膜之間僅僅以薄印刷層施加到用作為用于 傳感器電池的載體元件的第一外載體層的底面上并且不再構造在一中間載 體膜的空間伸展中。現在通過去掉迄今常見的中間載體膜和伴隨而來的顯 著減少傳感器電池與加熱電池的加熱元件之間的間距實現各個傳感器電池 元件的更快速加熱。為了防止超過傳感器電池的空間伸展在加熱階段中在 靠近加熱裝置與遠離加熱裝置的傳感器電池元件之間產生高的溫度梯度， 還可以采取其它措施。
例如有利的是，使由電極構成的跡道與由加熱元件構成的跡道以無覆
蓋的疊加設置。通過這種傳感器元件結構可以在兩方面實現在測量結果中 的熱的加熱器耦合入的減少。 一方面由此可以起到減少靠近加熱裝置與遠 離加熱裝置的傳感器電池元件之間的溫度梯度的作用。另一方面由于可由 此實現的、在測量電池中相對更均勻及更恒定的溫度分布也能夠減少測量 電池的溫度變化范圍。
在兩個氣體傳感器元件層的疊加中，通過使由電極構成的跡道布置在 兩個通過一個轉彎連接的加熱元件區段之間的區域中可以起到附加地改善 盡可能均勻的在傳感器電池元件中的溫度分布的作用。
另一對于在傳感器電池區域中溫度均勻分布的支持可通過在由面向加 熱元件的電極構成的跡道與由加熱元件構成的跡道之間的直接連接中的一 個熱障的構成來實現，仍然以各個氣體傳感器元件層的疊加為基礎。
對于形成這種熱障特別有利的是在這些跡道之間的一空心空間。這個 空心空間起到盡可能隔熱的作用，因此通過一迂回路徑穿過兩個載體層、 和必要時其它中間層、如層合層或類似物的保留的結構元件實現在加熱元 件和/或承載加熱元件的另一傳感器元件與傳感器電池之間的熱傳遞的絕大 部分。這些層中的一些也可以替換所述空心空間。因此這些元件也承擔用 于支持在傳感器電池元件中更均勻的溫度分布的導熱元件功能。這個特性 尤其也適用于那些承載靠近加熱元件的電極或者與這些元件處于導熱連接 的元件。
為了進一步支持更均勻的溫度分布、尤其是也為了由于傳感器電池相 對較高的內阻而達到更好的測量結果，還建議至少一個電極的跡道的叉形 結構。優選該電極仍然是靠近加熱裝置的電極，通常是參考氣體電極。
一方面通過這種叉形跡道結構能夠良好地適配一個曲折形構成的加熱 元件的輪廓。另一方面，對于一個同樣叉形構成的設置在參考電極與固體 電解質之間的參考空氣通道，通過迫使測量電極與參考電極之間的離子導 電在迂回路徑上，能夠進一步提高傳感器電池的內阻。
可以通過參考空氣通道的絕緣特性與在固體電解質與相關的電極之間 的參考空氣通道的邊緣區域中的導離子連接的附加構造以及在所述電極下 面的導離子層一起實現這種對于離子流的強迫迂回路徑。
這種叉形電極的結構也基于這種認識，通過參考氣體通道的絕緣功能 根據所述電極下面的導離子層的厚度反正主要利用用于離子流的電極邊緣
區域。按照這個認識，電極的叉形結構一方面起到減少對于不必要的電極 面的不必要的鉑消耗的作用。另一方面由此也附加地起到加大電極邊緣面 積的作用，因此例如還可以實現縮短傳感器電池區域。
除了叉形電極輪廓外，其它輪廓也具有這些有利的特性，例如具有圓 形或橢圓形輪廓的環形電極。通過外部和內部邊緣區域的相加使它們也具 有幾乎倍增的邊緣輪廓。
借助于附圖和下面對于附圖的描述詳細解釋本發明。附圖中
圖1以放大圖示出對應于圖2剖切線I-I的傳感器元件的剖視圖，
圖2以對應于圖i的線n-n的俯視圖示出具有簡單示出的電極和加熱
裝置的傳感器元件，
圖3示出與圖1不同的傳感器元件的另一剖視圖。
具體實施例方式
圖1示出由兩個載體層11， 12構成的層式氣體傳感器元件1的示意性
剖視圖。兩個載體層ll， 12基本構成傳感器元件1的基本結構。這些載體 層設有其它層式構成的元件3至10，用于形成一個對于確定的運行溫度范 圍所設置的電化學傳感器電池2。
為了確定被測氣體的氣體組分和/或氣體組分的濃度，所述傳感器電池 2包括一個暴露于被測氣體的第一電極3、 一個暴露于參考氣體的第二電極 4和一個設置在其間的、導離子的固體電解質5。為了對參考電極4提供參 考氣體，具有一個設置在固體電解質5與參考電極4之間的參考氣體通道6。
為了可以使傳感器電池2到運行溫度，在下載體層11上構造了一個加 熱元件7。因為由測量電池2提供的、在兩個電極3， 4上抽取的測量電壓 非常強地與溫度相關，因此不僅通過傳感器電池的空間延伸出現的溫度梯 度而且測量電池本身的溫度變化都帶入誤差地作用于測量結果。
因此，為了減少這個誤差源建議，使靠近加熱裝置的電極、在這里是 參考電極4這樣構造和設置，使它相對于加熱元件7在氣體傳感器元件的 層結構中側向錯位。通過在由電極4構成的跡道8與由加熱裝置7構成的 跡道9之間的無覆蓋的錯位、必要時甚至這兩個元件的邊棱之間具有一個
間距可以明顯減少加熱元件7到參考電極4上的直接熱量供入。
由圖2可看出用于靠近加熱元件的參考電極4的有利幾何造型，其中
由電極4構成的跡道8在氣體傳感器元件層的疊加中設置在加熱元件7的 兩個通過一個轉彎13連接的區段14， 15之間的區域中。為了改善加熱作 用，可以使加熱元件5具有例如曲折形的延伸形狀，由此使電極4的跡道8 以有利的方式在兩個這樣的曲折形的加熱環之間叉形構成地設置在氣體傳 感器元件的層式疊加中。
在靠近加熱元件的電極4與加熱元件7之間的一個熱障16的形成起到 在傳感器電池2的溫度穩定方面的進一步改善。在此特別有利的是形成一 個空心空間16，它以簡單的方式以空氣充滿。空心空間16本身的形成可以 通過在傳感器元件固化時溶解的介質實現。通過氣體傳感器元件各個元件 的層式布置和/或尺寸設計使位于加熱元件5和/或所述承載加熱元件5的另 外的傳感器元件11與傳感器電池2之間的部件變成導熱元件，它們支持在 傳感器電池2中的均勻熱分布。尤其是通過穿過其延伸的從加熱裝置7到 傳感器電池2的熱流。在此，熱流路徑不僅通過相關傳感器部件的輪廓而 且通過在確定的空間延展中對其導熱性施加的影響實現。由此不僅通過相 應于圖2視圖的傳感器電池2的長度延伸，而且通過其對應于圖1中視圖 的橫向延伸實現相對均勻的調溫。
這種熱導送相對于加熱元件7的各個加熱節拍之間的溫度變化具有積 極影響，使得形成相對更長的并由此衰減溫度峰值的加熱路徑。
對應于參考電極4的叉形結構，參考空氣通道6也叉形地構成。為了 迫使形成離子流在測量電極3與參考電極4之間的迂回路徑，參考空氣通 道的跡道大于參考電極的跡道地構成并且使參考電極在與固體電解質5的 直接連接中完全絕緣。從固體電解質5到參考電極4的離子導電只能通過 在側向繞過這個絕緣的導離子的連接IO實現。這種結構同樣通過迫使形成 離子到參考電極4側棱邊的迂回路徑、穩定測量結果地提高測量電池的內 阻。
與圖1不同地，圖3示出一傳感器元件的可能實施形式的其它元件。 兩個附加地畫出的層19，20象征著加熱裝置7相對于傳感器電池的電絕緣。 在圖1中構造成電極4和參考空氣通道6的覆蓋結構的連接結構IO在這里 變化地構造成整個面的膜連接層10。
熱障16相應于圖1中的視圖在圖右半部中構造成空心空間地示出。作 為另外可能的實施形式，在左半部中示出一膜連接層21形式的熱障21，它 例如同樣作為平版印刷施加在下襯底11的頂層上、在這里具體地是絕緣層 19上。當然也可以使這個層連續地構造在傳感器元件的整個寬度上。在這 里示出的這些實施形式僅僅示例地示出不同的實施可能性。
因此，在一個或多個膜連接層10的相應厚的結構中，同樣能夠實現足
夠均勻的熱分布，盡管它可能比加入空心空間16時差，但是與其相比以有
利的方式在傳感器元件中帶入更高的機械強度、尤其是更高的溫度突變穩 定性。
試驗已經證實，不僅參考電極邊緣區域由于到傳感器元件的內阻中的
離子導電而記入內阻中。而且導離子層、在這里連接層10的層厚也起到決
定性作用。這個層越厚，內阻越小并且參考電極整面的貢獻越大。這個層
10的層厚可以燒結到厚度為20pm至80)im之間，在濕狀態中為40fim至 100(im之間。
權利要求
1.氣體傳感器元件(1)，尤其是用于確定被測氣體的至少一個氣體組分和/或至少一個氣體組分的濃度，具有一個傳感器電池(2)，包括暴露于被測氣體的第一電極(3)、暴露于參考氣體的第二電極(4)和設置在兩個電極(3，4)之間的固體電解質(5)，并且具有一個加熱元件(7)，其中一朝向加熱元件(7)的電極(4)的跡道(8)在空間的疊加中與加熱元件(7)的跡道(9)側向錯位地設置，其特征在于，在所述暴露于參考氣體的電極(4)與固體電解質(5)之間設置一個參考空氣通道(6)。
2. 如權利要求1所述的氣體傳感器元件，其特征在于，所述參考空氣 通道(6)構造成所述暴露于參考氣體的電極(4)與固體電解質(5)之間 的透氣的絕緣層。
3. 如權利要求1或2所述的氣體傳感器元件，其特征在于，在固體電 解質(5)與所述暴露于參考氣體的電極(4)之間構造了一個導離子的連 接結構(10)。
4. 如上述權利要求之一所述的氣體傳感器元件，其特征在于，所述電 極(4)的跡道(8)與由所述加熱元件(5)構成的跡道(9)以無覆蓋的 疊加設置。
5. 如上述權利要求之一所述的氣體傳感器元件，其特征在于，在一由 所述電極(4)構成的跡道(8)與一由所述加熱元件(5)構成的跡道(9) 之間的直接連接中構造了一個熱障(16)。
6. 如上述權利要求之一所述的氣體傳感器元件，其特征在于，所述熱 障(16)構造成空心空間(16)。
7. 如上述權利要求之一所述的氣體傳感器元件，其特征在于，在所述加熱元件(5)和/或承載該加熱元件(5)的另一傳感器元件(11)與傳感器電池(2)之間構造了一個導熱元件(17)。
8. 如上述權利要求之一所述的氣體傳感器元件，其特征在于，在加熱 元件(5)和/或承載該加熱元件(5)的另一傳感器元件(11)與承載該電 極(4)的元件(12)之間構造了一個導熱元件(17)。
9. 如上述權利要求之一所述的氣體傳感器元件，其特征在于，所述暴 露于參考氣體的電極(4)叉形地構成。
10. 如上述權利要求之一所述的氣體傳感器元件，其特征在于，所述 參考空氣通道(6)叉形地構成。
全文摘要
本發明涉及一種氣體傳感器元件(1)，尤其是用于確定被測氣體的至少一個氣體組分和/或至少一個氣體組分的濃度，具有一個傳感器電池(2)，包括暴露于被測氣體的第一電極(3)、暴露于參考氣體的第二電極(4)和設置在兩個電極(3，4)之間的固體電解質(5)，并且具有一個加熱元件(7)，其中一朝向加熱元件(7)的電極(4)的跡道(8)在空間的疊加中與加熱元件(7)的跡道(9)側向錯位地設置，其特征在于，在所述暴露于參考氣體的電極(4)與固體電解質(5)之間設置一個參考空氣通道(6)。
文檔編號G01N27/407GK101341397SQ200680048476
公開日2009年1月7日 申請日期2006年11月21日 優先權日2005年12月20日
發明者A·奧普, A·托伊伯, C·倫格爾, E·塔貝里, F·布澤, H·京舍爾, O·多特魏希 申請人:羅伯特·博世有限公司