專利名稱：固體電解質(zhì)-氣體傳感器元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的氣體傳感器元件。
背景技術(shù)：
氣體傳感器元件通常層式地構(gòu)成。除了穩(wěn)定層、所謂的載體膜以外這 種傳感器元件的結(jié)構(gòu)還包括其它的、通常涂敷在一個(gè)或多個(gè)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(fù)責(zé)提供對于電化學(xué)的氣 體傳感器元件的正常運(yùn)行所需的運(yùn)行手段、如通常以空氣形式的參考?xì)怏w 以及熱量，用于使由至少兩個(gè)電極和一設(shè)置在其間的固體電解質(zhì)組成的傳
感器電池元件(Sensorzellenelement)置于運(yùn)行溫度。
通常這種傳感器元件由至少三個(gè)設(shè)有相應(yīng)的附加層的載體膜組成，其 中經(jīng)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(gè)電 極之間傳導(dǎo)離子連接所需的、傳感器電池的固體電解質(zhì)。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?xì)怏w供氣的安置，根據(jù) 一個(gè)或多個(gè)參考?xì)怏w通道形式的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。對傳感器電池供熱的加熱元 件在這些實(shí)施形式中設(shè)置在傳感器元件中中間載體膜的背離傳感器電池的 一側(cè)上，優(yōu)選作為第三、同樣外載體層的內(nèi)面上的薄的絲網(wǎng)印刷層。
由這樣加熱的電化學(xué)傳感器電池由于離子流通過固體電解質(zhì)產(chǎn)生的并 且施加在兩個(gè)電極上的測量電壓是用于被測氣體與參考?xì)怏w之間的氧分壓 的量度。但是因?yàn)檫@個(gè)電壓附加地非常強(qiáng)地取決于測量電池的溫度，甚至 取決于測量電池的各個(gè)元件、第一和第二電極或固體電解質(zhì)的溫度，因此 不僅溫度梯度而且溫度變化也非常強(qiáng)地附加誤差地影響相應(yīng)的測量結(jié)果。 因此例如對于傳感器的一些確定結(jié)構(gòu)，例如運(yùn)行溫度在約70(TC至90(TC的 范圍時(shí)，求出圍繞運(yùn)行溫度的在士4(TC范圍中的溫度變化。這種溫度變化相 應(yīng)干擾地影響到電化學(xué)測量電池的測量結(jié)果。
為了減少這種由系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，其中通過通常曲折形構(gòu)成的加熱元件直接在 中間載體膜連接兩個(gè)外載體膜的區(qū)域下面的設(shè)置實(shí)現(xiàn)傳感器電池內(nèi)阻的降 低。由此可以實(shí)現(xiàn)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(gè)內(nèi)阻上降低的且對測量結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響的損失功率。其它致力
于這個(gè)題目的文獻(xiàn)是DE 43 43 089 Al, DE 101 15 872 Al和DE 103 05 533 Al。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是，改進(jìn)按照上述現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成的傳感器元件。
這個(gè)目的通過權(quán)利要求1的特征得以實(shí)現(xiàn)。通過下面的從屬權(quán)利要求 的特征能夠?qū)崿F(xiàn)合乎目的的且有利的進(jìn)一步構(gòu)型。
本發(fā)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(gè)氣體組分和/或至少一個(gè)氣體組分的濃度，具有一個(gè)傳感器電池，包括暴 露于被測氣體的第一電極、暴露于參考?xì)怏w的第二電極和設(shè)置在兩個(gè)電極 之間的固體電解質(zhì)，并且具有一個(gè)加熱元件，其中一個(gè)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(cè)向錯(cuò)位地設(shè)置。其特征在于， 在所述暴露于參考?xì)怏w的電極與固體電解質(zhì)之間設(shè)置一個(gè)參考空氣通道。
以有利的方式可以使所述參考空氣通道構(gòu)造為所述暴露于參考?xì)怏w的 電極與固體電解質(zhì)之間的透氣的絕緣層，例如由多敞開細(xì)孔的印刷層構(gòu)成。
為了保證測量電池的功能性，優(yōu)選側(cè)向地圍繞絕緣層在固體電解質(zhì)與 暴露于參考?xì)怏w的電極之間構(gòu)造一個(gè)導(dǎo)離子的連接。由此構(gòu)成一個(gè)提高測 量電池內(nèi)阻的且穩(wěn)定測量信號的用于離子流的迂回路徑。
在這種電化學(xué)的氣體傳感器元件中，傳感器電池的參考?xì)怏w供氣以顯 著減小間距的效應(yīng)在兩個(gè)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(gòu)造在一中間載 體膜的空間伸展中?，F(xiàn)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(shí)現(xiàn)各個(gè)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(yuǎn)離加熱裝置的傳感器電池元件之間產(chǎn)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(gòu)成的跡道與由加熱元件構(gòu)成的跡道以無覆
蓋的疊加設(shè)置。通過這種傳感器元件結(jié)構(gòu)可以在兩方面實(shí)現(xiàn)在測量結(jié)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(yuǎn) 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(shí)現(xiàn)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(gè)氣體傳感器元件層的疊加中，通過使由電極構(gòu)成的跡道布置在 兩個(gè)通過一個(gè)轉(zhuǎn)彎連接的加熱元件區(qū)段之間的區(qū)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(qū)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(gòu)成的跡道與由加熱元件構(gòu)成的跡道之間的直接連接中的一 個(gè)熱障的構(gòu)成來實(shí)現(xiàn)，仍然以各個(gè)氣體傳感器元件層的疊加為基礎(chǔ)。
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(gè) 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(gè)載體層、 和必要時(shí)其它中間層、如層合層或類似物的保留的結(jié)構(gòu)元件實(shí)現(xiàn)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(dān)用 于支持在傳感器電池元件中更均勻的溫度分布的導(dǎo)熱元件功能。這個(gè)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(dǎo)熱連接 的元件。
為了進(jìn)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(nèi)阻而達(dá)到更好的測量結(jié)果，還建議至少一個(gè)電極的跡道的叉形 結(jié)構(gòu)。優(yōu)選該電極仍然是靠近加熱裝置的電極，通常是參考?xì)怏w電極。
一方面通過這種叉形跡道結(jié)構(gòu)能夠良好地適配一個(gè)曲折形構(gòu)成的加熱 元件的輪廓。另一方面，對于一個(gè)同樣叉形構(gòu)成的設(shè)置在參考電極與固體 電解質(zhì)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(dǎo) 電在迂回路徑上，能夠進(jìn)一步提高傳感器電池的內(nèi)阻。
可以通過參考空氣通道的絕緣特性與在固體電解質(zhì)與相關(guān)的電極之間 的參考空氣通道的邊緣區(qū)域中的導(dǎo)離子連接的附加構(gòu)造以及在所述電極下 面的導(dǎo)離子層一起實(shí)現(xiàn)這種對于離子流的強(qiáng)迫迂回路徑。
這種叉形電極的結(jié)構(gòu)也基于這種認(rèn)識(shí)，通過參考?xì)怏w通道的絕緣功能 根據(jù)所述電極下面的導(dǎo)離子層的厚度反正主要利用用于離子流的電極邊緣
區(qū)域。按照這個(gè)認(rèn)識(shí)，電極的叉形結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)縮短傳感器電池區(qū)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(huán)形電極。通過外部和內(nèi)部邊緣區(qū)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(xì)解釋本發(fā)明。附圖中
圖1以放大圖示出對應(yīng)于圖2剖切線I-I的傳感器元件的剖視圖，
圖2以對應(yīng)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(shí)施例方式
圖1示出由兩個(gè)載體層11， 12構(gòu)成的層式氣體傳感器元件1的示意性
剖視圖。兩個(gè)載體層ll， 12基本構(gòu)成傳感器元件1的基本結(jié)構(gòu)。這些載體 層設(shè)有其它層式構(gòu)成的元件3至10，用于形成一個(gè)對于確定的運(yùn)行溫度范 圍所設(shè)置的電化學(xué)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(gè)暴露于被測氣體的第一電極3、 一個(gè)暴露于參考?xì)怏w的第二電極 4和一個(gè)設(shè)置在其間的、導(dǎo)離子的固體電解質(zhì)5。為了對參考電極4提供參 考?xì)怏w，具有一個(gè)設(shè)置在固體電解質(zhì)5與參考電極4之間的參考?xì)怏w通道6。
為了可以使傳感器電池2到運(yùn)行溫度，在下載體層11上構(gòu)造了一個(gè)加 熱元件7。因?yàn)橛蓽y量電池2提供的、在兩個(gè)電極3， 4上抽取的測量電壓 非常強(qiáng)地與溫度相關(guān)，因此不僅通過傳感器電池的空間延伸出現(xiàn)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(jié)果。
因此，為了減少這個(gè)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(gòu)造和設(shè)置，使它相對于加熱元件7在氣體傳感器元件的 層結(jié)構(gòu)中側(cè)向錯(cuò)位。通過在由電極4構(gòu)成的跡道8與由加熱裝置7構(gòu)成的 跡道9之間的無覆蓋的錯(cuò)位、必要時(shí)甚至這兩個(gè)元件的邊棱之間具有一個(gè)
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(gòu)成的跡道8在氣體傳感器元件層的疊加中設(shè)置在加熱元件7的 兩個(gè)通過一個(gè)轉(zhuǎn)彎13連接的區(qū)段14， 15之間的區(qū)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(gè)這樣的曲折形的加熱環(huán)之間叉形構(gòu)成地設(shè)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(gè)熱障16的形成起到 在傳感器電池2的溫度穩(wěn)定方面的進(jìn)一步改善。在此特別有利的是形成一 個(gè)空心空間16，它以簡單的方式以空氣充滿?？招目臻g16本身的形成可以 通過在傳感器元件固化時(shí)溶解的介質(zhì)實(shí)現(xiàn)。通過氣體傳感器元件各個(gè)元件 的層式布置和/或尺寸設(shè)計(jì)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(dǎo)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(guān)傳感器部件的輪廓而 且通過在確定的空間延展中對其導(dǎo)熱性施加的影響實(shí)現(xiàn)。由此不僅通過相 應(yīng)于圖2視圖的傳感器電池2的長度延伸，而且通過其對應(yīng)于圖1中視圖 的橫向延伸實(shí)現(xiàn)相對均勻的調(diào)溫。
這種熱導(dǎo)送相對于加熱元件7的各個(gè)加熱節(jié)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(yīng)于參考電極4的叉形結(jié)構(gòu)，參考空氣通道6也叉形地構(gòu)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(gòu)成并且使參考電極在與固體電解質(zhì)5的 直接連接中完全絕緣。從固體電解質(zhì)5到參考電極4的離子導(dǎo)電只能通過 在側(cè)向繞過這個(gè)絕緣的導(dǎo)離子的連接IO實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)同樣通過迫使形成 離子到參考電極4側(cè)棱邊的迂回路徑、穩(wěn)定測量結(jié)果地提高測量電池的內(nèi) 阻。
與圖1不同地，圖3示出一傳感器元件的可能實(shí)施形式的其它元件。 兩個(gè)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(gòu)造成電極4和參考空氣通道6的覆蓋結(jié)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)IO在這里 變化地構(gòu)造成整個(gè)面的膜連接層10。
熱障16相應(yīng)于圖1中的視圖在圖右半部中構(gòu)造成空心空間地示出。作 為另外可能的實(shí)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(dāng)然也可以使這個(gè)層連續(xù)地構(gòu)造在傳感器元件的整個(gè)寬度上。在這 里示出的這些實(shí)施形式僅僅示例地示出不同的實(shí)施可能性。
因此，在一個(gè)或多個(gè)膜連接層10的相應(yīng)厚的結(jié)構(gòu)中，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)足
夠均勻的熱分布，盡管它可能比加入空心空間16時(shí)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(jī)械強(qiáng)度、尤其是更高的溫度突變穩(wěn) 定性。
試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，不僅參考電極邊緣區(qū)域由于到傳感器元件的內(nèi)阻中的
離子導(dǎo)電而記入內(nèi)阻中。而且導(dǎo)離子層、在這里連接層10的層厚也起到?jīng)Q
定性作用。這個(gè)層越厚，內(nèi)阻越小并且參考電極整面的貢獻(xiàn)越大。這個(gè)層
10的層厚可以燒結(jié)到厚度為20pm至80)im之間，在濕狀態(tài)中為40fim至 100(im之間。
權(quán)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(gè)氣體組分和/或至少一個(gè)氣體組分的濃度，具有一個(gè)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?xì)怏w的第二電極(4)和設(shè)置在兩個(gè)電極(3，4)之間的固體電解質(zhì)(5)，并且具有一個(gè)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(cè)向錯(cuò)位地設(shè)置，其特征在于，在所述暴露于參考?xì)怏w的電極(4)與固體電解質(zhì)(5)之間設(shè)置一個(gè)參考空氣通道(6)。
2. 如權(quán)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(gòu)造成所述暴露于參考?xì)怏w的電極(4)與固體電解質(zhì)(5)之間 的透氣的絕緣層。
3. 如權(quán)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(zhì)(5)與所述暴露于參考?xì)怏w的電極(4)之間構(gòu)造了一個(gè)導(dǎo)離子的連 接結(jié)構(gòu)(10)。
4. 如上述權(quán)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(gòu)成的跡道(9)以無覆蓋的 疊加設(shè)置。
5. 如上述權(quán)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(gòu)成的跡道(8)與一由所述加熱元件(5)構(gòu)成的跡道(9) 之間的直接連接中構(gòu)造了一個(gè)熱障(16)。
6. 如上述權(quán)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(gòu)造成空心空間(16)。
7. 如上述權(quán)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(gòu)造了一個(gè)導(dǎo)熱元件(17)。
8. 如上述權(quán)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(gòu)造了一個(gè)導(dǎo)熱元件(17)。
9. 如上述權(quán)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?xì)怏w的電極(4)叉形地構(gòu)成。
10. 如上述權(quán)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(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)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(gè)氣體組分和/或至少一個(gè)氣體組分的濃度，具有一個(gè)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?xì)怏w的第二電極(4)和設(shè)置在兩個(gè)電極(3，4)之間的固體電解質(zhì)(5)，并且具有一個(gè)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(cè)向錯(cuò)位地設(shè)置，其特征在于，在所述暴露于參考?xì)怏w的電極(4)與固體電解質(zhì)(5)之間設(shè)置一個(gè)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(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)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