专利名称：固体电解质-气体传感器元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的气体传感器元件。
背景技术：
气体传感器元件通常层式地构成。除了稳定层、所谓的载体膜以外这 种传感器元件的结构还包括其它的、通常涂敷在一个或多个这种载体膜上 的附加功能层，如电极、加热和供气元件。它们负责提供对于电化学的气 体传感器元件的正常运行所需的运行手段、如通常以空气形式的参考气体 以及热量，用于使由至少两个电极和一设置在其间的固体电解质组成的传
感器电池元件(Sensorzellenelement)置于运行温度。
通常这种传感器元件由至少三个设有相应的附加层的载体膜组成，其 中经常使用氧化锆形成载体膜。第一外载体层或载体膜形成用于在两个电 极之间传导离子连接所需的、传感器电池的固体电解质。传感器元件的通 过第二、中间载体膜定义的空间伸展通常用于参考气体供气的安置，根据 一个或多个参考气体通道形式的结构来进行。对传感器电池供热的加热元 件在这些实施形式中设置在传感器元件中中间载体膜的背离传感器电池的 一侧上，优选作为第三、同样外载体层的内面上的薄的丝网印刷层。
由这样加热的电化学传感器电池由于离子流通过固体电解质产生的并 且施加在两个电极上的测量电压是用于被测气体与参考气体之间的氧分压 的量度。但是因为这个电压附加地非常强地取决于测量电池的温度，甚至 取决于测量电池的各个元件、第一和第二电极或固体电解质的温度，因此 不仅温度梯度而且温度变化也非常强地附加误差地影响相应的测量结果。 因此例如对于传感器的一些确定结构，例如运行温度在约70(TC至90(TC的 范围时，求出围绕运行温度的在士4(TC范围中的温度变化。这种温度变化相 应干扰地影响到电化学测量电池的测量结果。
为了减少这种由系统引起的测量误差，在DE 196 09 323 Al中建议了
一种用于传感器元件的结构，其中通过通常曲折形构成的加热元件直接在 中间载体膜连接两个外载体膜的区域下面的设置实现传感器电池内阻的降 低。由此可以实现穿过中间载体膜到传感器电池的快速热传递，并由此降 低在这个内阻上降低的且对测量结果产生负面影响的损失功率。其它致力
于这个题目的文献是DE 43 43 089 Al, DE 101 15 872 Al和DE 103 05 533 Al。
发明内容
因此，本发明的目的是，改进按照上述现有技术构成的传感器元件。
这个目的通过权利要求1的特征得以实现。通过下面的从属权利要求 的特征能够实现合乎目的的且有利的进一步构型。
本发明涉及一种气体传感器元件、尤其是用于确定被测气体的至少一 个气体组分和/或至少一个气体组分的浓度，具有一个传感器电池，包括暴 露于被测气体的第一电极、暴露于参考气体的第二电极和设置在两个电极 之间的固体电解质，并且具有一个加热元件，其中一个面向加热元件的电 极的迹道在空间的叠加中与加热元件的迹道侧向错位地设置。其特征在于， 在所述暴露于参考气体的电极与固体电解质之间设置一个参考空气通道。
以有利的方式可以使所述参考空气通道构造为所述暴露于参考气体的 电极与固体电解质之间的透气的绝缘层，例如由多敞开细孔的印刷层构成。
为了保证测量电池的功能性，优选侧向地围绕绝缘层在固体电解质与 暴露于参考气体的电极之间构造一个导离子的连接。由此构成一个提高测 量电池内阻的且稳定测量信号的用于离子流的迂回路径。
在这种电化学的气体传感器元件中，传感器电池的参考气体供气以显 著减小间距的效应在两个外载体膜之间仅仅以薄印刷层施加到用作为用于 传感器电池的载体元件的第一外载体层的底面上并且不再构造在一中间载 体膜的空间伸展中。现在通过去掉迄今常见的中间载体膜和伴随而来的显 著减少传感器电池与加热电池的加热元件之间的间距实现各个传感器电池 元件的更快速加热。为了防止超过传感器电池的空间伸展在加热阶段中在 靠近加热装置与远离加热装置的传感器电池元件之间产生高的温度梯度， 还可以采取其它措施。
例如有利的是，使由电极构成的迹道与由加热元件构成的迹道以无覆
盖的叠加设置。通过这种传感器元件结构可以在两方面实现在测量结果中 的热的加热器耦合入的减少。 一方面由此可以起到减少靠近加热装置与远 离加热装置的传感器电池元件之间的温度梯度的作用。另一方面由于可由 此实现的、在测量电池中相对更均匀及更恒定的温度分布也能够减少测量 电池的温度变化范围。
在两个气体传感器元件层的叠加中，通过使由电极构成的迹道布置在 两个通过一个转弯连接的加热元件区段之间的区域中可以起到附加地改善 尽可能均匀的在传感器电池元件中的温度分布的作用。
另一对于在传感器电池区域中温度均匀分布的支持可通过在由面向加 热元件的电极构成的迹道与由加热元件构成的迹道之间的直接连接中的一 个热障的构成来实现，仍然以各个气体传感器元件层的叠加为基础。
对于形成这种热障特别有利的是在这些迹道之间的一空心空间。这个 空心空间起到尽可能隔热的作用，因此通过一迂回路径穿过两个载体层、 和必要时其它中间层、如层合层或类似物的保留的结构元件实现在加热元 件和/或承载加热元件的另一传感器元件与传感器电池之间的热传递的绝大 部分。这些层中的一些也可以替换所述空心空间。因此这些元件也承担用 于支持在传感器电池元件中更均匀的温度分布的导热元件功能。这个特性 尤其也适用于那些承载靠近加热元件的电极或者与这些元件处于导热连接 的元件。
为了进一步支持更均匀的温度分布、尤其是也为了由于传感器电池相 对较高的内阻而达到更好的测量结果，还建议至少一个电极的迹道的叉形 结构。优选该电极仍然是靠近加热装置的电极，通常是参考气体电极。
一方面通过这种叉形迹道结构能够良好地适配一个曲折形构成的加热 元件的轮廓。另一方面，对于一个同样叉形构成的设置在参考电极与固体 电解质之间的参考空气通道，通过迫使测量电极与参考电极之间的离子导 电在迂回路径上，能够进一步提高传感器电池的内阻。
可以通过参考空气通道的绝缘特性与在固体电解质与相关的电极之间 的参考空气通道的边缘区域中的导离子连接的附加构造以及在所述电极下 面的导离子层一起实现这种对于离子流的强迫迂回路径。
这种叉形电极的结构也基于这种认识，通过参考气体通道的绝缘功能 根据所述电极下面的导离子层的厚度反正主要利用用于离子流的电极边缘
区域。按照这个认识，电极的叉形结构一方面起到减少对于不必要的电极 面的不必要的铂消耗的作用。另一方面由此也附加地起到加大电极边缘面 积的作用，因此例如还可以实现縮短传感器电池区域。
除了叉形电极轮廓外，其它轮廓也具有这些有利的特性，例如具有圆 形或椭圆形轮廓的环形电极。通过外部和内部边缘区域的相加使它们也具 有几乎倍增的边缘轮廓。
借助于附图和下面对于附图的描述详细解释本发明。附图中
图1以放大图示出对应于图2剖切线I-I的传感器元件的剖视图，
图2以对应于图i的线n-n的俯视图示出具有简单示出的电极和加热
装置的传感器元件，
图3示出与图1不同的传感器元件的另一剖视图。
具体实施例方式
图1示出由两个载体层11， 12构成的层式气体传感器元件1的示意性
剖视图。两个载体层ll， 12基本构成传感器元件1的基本结构。这些载体 层设有其它层式构成的元件3至10，用于形成一个对于确定的运行温度范 围所设置的电化学传感器电池2。
为了确定被测气体的气体组分和/或气体组分的浓度，所述传感器电池 2包括一个暴露于被测气体的第一电极3、 一个暴露于参考气体的第二电极 4和一个设置在其间的、导离子的固体电解质5。为了对参考电极4提供参 考气体，具有一个设置在固体电解质5与参考电极4之间的参考气体通道6。
为了可以使传感器电池2到运行温度，在下载体层11上构造了一个加 热元件7。因为由测量电池2提供的、在两个电极3， 4上抽取的测量电压 非常强地与温度相关，因此不仅通过传感器电池的空间延伸出现的温度梯 度而且测量电池本身的温度变化都带入误差地作用于测量结果。
因此，为了减少这个误差源建议，使靠近加热装置的电极、在这里是 参考电极4这样构造和设置，使它相对于加热元件7在气体传感器元件的 层结构中侧向错位。通过在由电极4构成的迹道8与由加热装置7构成的 迹道9之间的无覆盖的错位、必要时甚至这两个元件的边棱之间具有一个
间距可以明显减少加热元件7到参考电极4上的直接热量供入。
由图2可看出用于靠近加热元件的参考电极4的有利几何造型，其中
由电极4构成的迹道8在气体传感器元件层的叠加中设置在加热元件7的 两个通过一个转弯13连接的区段14， 15之间的区域中。为了改善加热作 用，可以使加热元件5具有例如曲折形的延伸形状，由此使电极4的迹道8 以有利的方式在两个这样的曲折形的加热环之间叉形构成地设置在气体传 感器元件的层式叠加中。
在靠近加热元件的电极4与加热元件7之间的一个热障16的形成起到 在传感器电池2的温度稳定方面的进一步改善。在此特别有利的是形成一 个空心空间16，它以简单的方式以空气充满。空心空间16本身的形成可以 通过在传感器元件固化时溶解的介质实现。通过气体传感器元件各个元件 的层式布置和/或尺寸设计使位于加热元件5和/或所述承载加热元件5的另 外的传感器元件11与传感器电池2之间的部件变成导热元件，它们支持在 传感器电池2中的均匀热分布。尤其是通过穿过其延伸的从加热装置7到 传感器电池2的热流。在此，热流路径不仅通过相关传感器部件的轮廓而 且通过在确定的空间延展中对其导热性施加的影响实现。由此不仅通过相 应于图2视图的传感器电池2的长度延伸，而且通过其对应于图1中视图 的横向延伸实现相对均匀的调温。
这种热导送相对于加热元件7的各个加热节拍之间的温度变化具有积 极影响，使得形成相对更长的并由此衰减温度峰值的加热路径。
对应于参考电极4的叉形结构，参考空气通道6也叉形地构成。为了 迫使形成离子流在测量电极3与参考电极4之间的迂回路径，参考空气通 道的迹道大于参考电极的迹道地构成并且使参考电极在与固体电解质5的 直接连接中完全绝缘。从固体电解质5到参考电极4的离子导电只能通过 在侧向绕过这个绝缘的导离子的连接IO实现。这种结构同样通过迫使形成 离子到参考电极4侧棱边的迂回路径、稳定测量结果地提高测量电池的内 阻。
与图1不同地，图3示出一传感器元件的可能实施形式的其它元件。 两个附加地画出的层19，20象征着加热装置7相对于传感器电池的电绝缘。 在图1中构造成电极4和参考空气通道6的覆盖结构的连接结构IO在这里 变化地构造成整个面的膜连接层10。
热障16相应于图1中的视图在图右半部中构造成空心空间地示出。作 为另外可能的实施形式，在左半部中示出一膜连接层21形式的热障21，它 例如同样作为平版印刷施加在下衬底11的顶层上、在这里具体地是绝缘层 19上。当然也可以使这个层连续地构造在传感器元件的整个宽度上。在这 里示出的这些实施形式仅仅示例地示出不同的实施可能性。
因此，在一个或多个膜连接层10的相应厚的结构中，同样能够实现足
够均匀的热分布，尽管它可能比加入空心空间16时差，但是与其相比以有
利的方式在传感器元件中带入更高的机械强度、尤其是更高的温度突变稳 定性。
试验已经证实，不仅参考电极边缘区域由于到传感器元件的内阻中的
离子导电而记入内阻中。而且导离子层、在这里连接层10的层厚也起到决
定性作用。这个层越厚，内阻越小并且参考电极整面的贡献越大。这个层
10的层厚可以烧结到厚度为20pm至80)im之间，在湿状态中为40fim至 100(im之间。
权利要求
1.气体传感器元件(1)，尤其是用于确定被测气体的至少一个气体组分和/或至少一个气体组分的浓度，具有一个传感器电池(2)，包括暴露于被测气体的第一电极(3)、暴露于参考气体的第二电极(4)和设置在两个电极(3，4)之间的固体电解质(5)，并且具有一个加热元件(7)，其中一朝向加热元件(7)的电极(4)的迹道(8)在空间的叠加中与加热元件(7)的迹道(9)侧向错位地设置，其特征在于，在所述暴露于参考气体的电极(4)与固体电解质(5)之间设置一个参考空气通道(6)。
2. 如权利要求1所述的气体传感器元件，其特征在于，所述参考空气 通道(6)构造成所述暴露于参考气体的电极(4)与固体电解质(5)之间 的透气的绝缘层。
3. 如权利要求1或2所述的气体传感器元件，其特征在于，在固体电 解质(5)与所述暴露于参考气体的电极(4)之间构造了一个导离子的连 接结构(10)。
4. 如上述权利要求之一所述的气体传感器元件，其特征在于，所述电 极(4)的迹道(8)与由所述加热元件(5)构成的迹道(9)以无覆盖的 叠加设置。
5. 如上述权利要求之一所述的气体传感器元件，其特征在于，在一由 所述电极(4)构成的迹道(8)与一由所述加热元件(5)构成的迹道(9) 之间的直接连接中构造了一个热障(16)。
6. 如上述权利要求之一所述的气体传感器元件，其特征在于，所述热 障(16)构造成空心空间(16)。
7. 如上述权利要求之一所述的气体传感器元件，其特征在于，在所述加热元件(5)和/或承载该加热元件(5)的另一传感器元件(11)与传感器电池(2)之间构造了一个导热元件(17)。
8. 如上述权利要求之一所述的气体传感器元件，其特征在于，在加热 元件(5)和/或承载该加热元件(5)的另一传感器元件(11)与承载该电 极(4)的元件(12)之间构造了一个导热元件(17)。
9. 如上述权利要求之一所述的气体传感器元件，其特征在于，所述暴 露于参考气体的电极(4)叉形地构成。
10. 如上述权利要求之一所述的气体传感器元件，其特征在于，所述 参考空气通道(6)叉形地构成。
全文摘要
本发明涉及一种气体传感器元件(1)，尤其是用于确定被测气体的至少一个气体组分和/或至少一个气体组分的浓度，具有一个传感器电池(2)，包括暴露于被测气体的第一电极(3)、暴露于参考气体的第二电极(4)和设置在两个电极(3，4)之间的固体电解质(5)，并且具有一个加热元件(7)，其中一朝向加热元件(7)的电极(4)的迹道(8)在空间的叠加中与加热元件(7)的迹道(9)侧向错位地设置，其特征在于，在所述暴露于参考气体的电极(4)与固体电解质(5)之间设置一个参考空气通道(6)。
文档编号G01N27/407GK101341397SQ200680048476
公开日2009年1月7日 申请日期2006年11月21日 优先权日2005年12月20日
发明者A·奥普, A·托伊伯, C·伦格尔, E·塔贝里, F·布泽, H·京舍尔, O·多特魏希 申请人:罗伯特·博世有限公司