DE102009029415A1 - Sensor element with multipart diffusion barrier - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Sensorelement (110) zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (122) vorgeschlagen, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum (122). Das Sensorelement (110) umfasst mindestens eine erste Elektrode (112), mindestens eine zweite Elektrode (114) und mindestens einen die erste Elektrode (112) und die zweite Elektrode (114) verbindenden Festelektrolyten (116). Die erste Elektrode (112) ist über einen Gaszutrittsweg (124) mit Gas aus dem Messgasraum (122) beaufschlagbar. Der Gaszutrittsweg (124) weist mindestens eine Diffusionsbarriere (130) auf, welche mindestens einen ersten Diffusionsbarrierenbereich (138) und mindestens einen zweiten Diffusionsbarrierenbereich (142) aufweist. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich (142) ist feinporiger ausgestaltet als der erste Diffusionsbarrierenbereich (138).A sensor element (110) for determining at least one property of a gas in a measurement gas space (122) is proposed, in particular for determining a proportion of a gas component in the measurement gas space (122). The sensor element (110) comprises at least one first electrode (112), at least one second electrode (114) and at least one solid electrolyte (116) connecting the first electrode (112) and the second electrode (114). The first electrode (112) can be supplied with gas from the measurement gas space (122) via a gas access path (124). The gas access path (124) has at least one diffusion barrier (130) which has at least one first diffusion barrier area (138) and at least one second diffusion barrier area (142). The second diffusion barrier area (142) is configured with more pores than the first diffusion barrier area (138).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Dabei kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Eigenschaft des Gases, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft handeln. Insbesondere wird die Erfindung im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf Sensorelemente, mittels derer ein Anteil mindestens einer Gaskomponente in dem Gas bestimmt werden kann, also beispielsweise ein Partialdruck und/oder eine Konzentration dieser Gaskomponente, insbesondere von Sauerstoff. Das Sensorelement kann insbesondere eingesetzt werden, um eine Luftzahl λ in einem Abgas einer Brennkraftmaschine zu messen. Derartige Sensorelemente werden auch als Lambdasonden bezeichnet und sind beispielsweise in
Für die Messung einer Gaszusammensetzung im Dieselabgas werden beispielsweise Grenzstrom-Magersonden als Einzellersonden benötigt, welche durch eine eindeutige Magerkennlinie gekennzeichnet sind. Voraussetzung hierfür ist eine Abschirmung einer Pumpzellenanode vom Abgas und die damit einhergehende Eigenschaft der Sonde, anodische Oxidationsreaktionen von Brenngaskomponenten auszuschließen. Diesbezüglich kann beispielsweise auf
Im Vergleich zu Lambdasonden zur Messung von Abgaszusammensetzungen von Benzinmotoren müssen insbesondere Lambdasonden für Messungen im Dieselabgas zusätzliche Forderungen erfüllen, welche aus der speziellen Betriebsweise, den Betriebsbedingungen und den Auswertemechanismen resultieren. Diesbezüglich ergeben sich bei herkömmlichen Lambdasonden jedoch zahlreiche technische Herausforderungen. Eine erste technische Herausforderung besteht in Fertigungsstreuungen, welche insbesondere auf ein vergleichsweise komplexes Design zurückzuführen sind. Beispielsweise ergeben sich Streuungen hinsichtlich der Grenzströme und hinsichtlich der so genannten k-Werte, welche das Verhältnis eines Knudsen-Anteils zu einem Gasphasen-Anteil bei der Diffusion des in die Sonde eintretenden Gases charakterisieren (siehe diesbezüglich beispielsweise
Eine weitere Herausforderung besteht in der Einstellung der benötigten k-Werte, der Mittelwertverschiebung (MWV) und der dynamischen Druckabhängigkeit (DDA) für die geforderte Messgenauigkeit. Unter der dynamischen Druckabhängigkeit ist dabei die Zeit- und/oder Frequenzabhängigkeit des Sondensignals bei einer Gesamtdruckänderung zu verstehen. Als Folge von dynamischen Druckpulsen treten Schwankungen im Pumpstrom Ip bei Breitbandlambdasonden auf (dynamische Druckabhängigkeit, DDA). Der Mittelwert des Pumpstroms ist gegenüber dem bei gleichem Mitteldruck gemessenen statischen Mitteldruck erhöht. Um dieses Phänomen zu beschreiben wurde der Begriff der Mittelwertverschiebung (MWV) eingeführt. Um insbesondere im Dieselabgas die geforderten Messgenauigkeiten einhalten zu können, ist es erforderlich, die statische Druckabhängigkeit, d. h. den k-Wert, zu reduzieren, wobei der Einfluss auf andere funktionelle Größen, wie beispielsweise die Mittelwertverschiebung und/oder die dynamische Druckabhängigkeit gering bleiben soll. Funktionell bedingt vergrößern sich jedoch mit Abnahme des k-Wertes andere, die Genauigkeit der Sonde beeinflussende Größen, wie beispielsweise die Mittelwertverschiebung. Die Realisierung kleiner k-Werte, insbesondere für Dieselanwendungen, bzw. die gezielte Einstellung von k-Werten über einen großen Bereich, beispielsweise generell für spezielle Einsatzbedingungen, insbesondere im Benzinmotor, vor einem Turbolader oder Ähnlichem, ohne dass die Werte für die Mittelwertverschiebung bzw. die dynamische Druckabhängigkeit bestimmte, an die Genauigkeit angepasste Grenzen überschreiten, bedarf der Entwicklung eines neuen, innovativen Diffusionsbarrieren-Designs.Another challenge is the adjustment of the required k values, the mean value shift (MWV) and the dynamic pressure dependence (DDA) for the required measurement accuracy. The dynamic pressure dependence is the time and / or frequency dependence of the probe signal in a total change in pressure to understand. As a result of dynamic pressure pulses, fluctuations in the pump current Ip occur in the case of broadband lambda probes (dynamic pressure dependence, DDA). The mean value of the pumping current is increased compared with the static mean pressure measured at the same mean pressure. To describe this phenomenon, the term mean value shift (MWV) was introduced. In order to be able to meet the required measuring accuracies, in particular in diesel exhaust gas, it is necessary to reduce the static pressure dependence, ie. H. the k value, whereby the influence on other functional quantities, such as the mean value shift and / or the dynamic pressure dependence, should remain low. Functionally, however, as the k-value decreases, other magnitudes influencing the accuracy of the probe, such as the mean value shift, increase. The realization of small k values, in particular for diesel applications, or the targeted adjustment of k values over a large range, for example generally for special operating conditions, especially in the gasoline engine, in front of a turbocharger or the like, without the values for the mean value shift or dynamic pressure dependence exceeds certain limits adapted to accuracy requires the development of a new, innovative diffusion barrier design.
Eine dritte Herausforderung besteht insbesondere in einer Versottungs- und/oder Vergiftungsresistenz der Sensorelemente. Der Versottungs- und/oder Vergiftungsmechanismus und die Versottungs- und/oder Vergiftungsanfälligkeit im Dieselabgas sind aufgrund der Abgaszusammensetzung, der Abgastemperatur, des Drucks und ähnlicher Größen unterschiedlich zu den entsprechenden Mechanismen bzw. Anfälligkeiten im Abgas eines Benzinmotors. Das Design der Sensorelemente muss dieser Tatsache Rechnung tragen und sowohl hinsichtlich der Versottung im Diffusionsweg als auch hinsichtlich der Vergiftung im Elektrodendesign und/oder im Elektrodenhohlraumdesign entsprechend angepasst werden.A third challenge is in particular a sooting and / or poisoning resistance of the sensor elements. The mocking and / or poisoning mechanism and the soot and / or poisoning susceptibility in the diesel exhaust are different due to the exhaust gas composition, the exhaust gas temperature, the pressure and similar sizes different from the corresponding mechanisms or vulnerabilities in the exhaust gas of a gasoline engine. The design of the sensor elements must take this fact into account and be adapted accordingly both with respect to the sooting in the diffusion path and with respect to the poisoning in the electrode design and / or in the electrode cavity design.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird dementsprechend ein Sensorelement zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, insbesondere ein Sensorelement gemäß einem oder mehreren der oben beschriebenen Sensorelemente. Insbesondere kann das Sensorelement zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum eingesetzt werden. Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Die erste Elektrode ist über einen Gaszutrittsweg mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Beispielsweise kann die erste Elektrode im Inneren des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise im Inneren eines Schichtaufbaus. Der Gaszutrittsweg kann beispielsweise einen oder mehrere Kanäle und/oder Bohrungen umfassen, durch welche insgesamt das Gas und/oder eine Gaskomponente aus dem Messgasraum zu der ersten Elektrode gelangen kann, beispielsweise durch Strömungs- und/oder Diffusionsmechanismen.Accordingly, a sensor element is proposed for determining at least one property of a gas in a measurement gas space, in particular a sensor element according to one or more of the sensor elements described above. In particular, the sensor element can be used to determine a proportion of a gas component in the measurement gas space. The sensor element comprises at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. The first electrode can be acted upon with gas from the measuring gas space via a gas inlet path. For example, the first electrode can be arranged in the interior of the sensor element, for example, in the interior of a layer structure. The Gaszutrittsweg may include, for example, one or more channels and / or holes through which a total of the gas and / or a gas component from the sample gas space can reach the first electrode, for example by flow and / or diffusion mechanisms.
Der Gaszutrittsweg weist mindestens eine Diffusionsbarriere auf. Unter einer Diffusionsbarriere ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ein Element zu verstehen, mittels dessen, durch Einstellung entsprechender Diffusions- und/oder Strömungsmechanismen, beispielsweise ein Grenzstrom einstellbar ist. Insbesondere kann die Diffusionsbarriere, wie unten näher ausgeführt wird, mindestens ein poröses Material umfassen. Die Diffusionsbarriere soll insgesamt eingerichtet sein, um ein einfaches Einströmen von Gas zu der ersten Elektrode zumindest zu begrenzen und kann somit beispielsweise auch oder vornehmlich als Strömungsbarriere wirken, damit nachgelagerte offene Kanäle als Diffusionswiderstand überhaupt fungieren können und nicht durch Durchströmung überwunden werden.The gas access path has at least one diffusion barrier. In the context of the present description, a diffusion barrier means an element by means of which, for example, a limiting current can be set by setting appropriate diffusion and / or flow mechanisms. In particular, the diffusion barrier, as explained in more detail below, comprise at least one porous material. The diffusion barrier is intended to be set up overall in order to at least limit a simple inflow of gas to the first electrode and thus can act, for example, or primarily as a flow barrier, so that downstream open channels can function as diffusion resistance at all and can not be overcome by throughflow.
Im Unterschied zu herkömmlichen Diffusionsbarrieren wird bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement vorgeschlagen, die Diffusionsbarriere mindestens zweiteilig auszugestalten. So weist die Diffusionsbarriere mindestens einen ersten Diffusionsbarrierenbereich und mindestens einen zweiten Diffusionsbarrierenbereich auf. Diese mindestens zwei Diffusionsbarrierenbereiche können vorzugsweise unmittelbar aneinander angrenzen, können jedoch auch beabstandet voneinander in dem Gaszutrittsweg angeordnet sein.In contrast to conventional diffusion barriers, it is proposed in the sensor element according to the invention to design the diffusion barrier at least in two parts. Thus, the diffusion barrier has at least one first diffusion barrier region and at least one second diffusion barrier region. These at least two diffusion barrier regions may preferably adjoin one another directly, but may also be arranged at a distance from one another in the gas inlet path.
Das Sensorelement kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass Gas aus dem Messgasraum zunächst durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich oder einen ersten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs hindurchtritt, dann durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich und anschließend erneut durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich bzw. einen zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs. Die Anordnung kann derart ausgestaltet sein, dass das Gas senkrecht durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich hindurchtritt, beispielsweise hindurchströmt und/oder hindurchdiffundiert, insbesondere senkrecht zu einer Schichtstruktur eines Schichtaufbaus des Sensorelements, und lateral durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich, beispielsweise parallel zur Schichtstruktur. So kann das Sensorelement beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass zunächst ein senkrechtes Durchströmen und/oder eine senkrechte Gasdiffusion durch einen ersten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs erfolgt, gefolgt von einer lateralen Durchströmung und/oder Gasdiffusion durch den ersten Diffusionsbarrierenbereich, gefolgt von einem erneuten senkrechten Durchströmen und/oder einer erneuten senkrechten Diffusion durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich oder einen zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs.The sensor element may in particular be configured such that gas from the measurement gas space first passes through the second diffusion barrier region or a first part of the second diffusion barrier region, then through the first diffusion barrier region and then again through the second diffusion barrier region or a second part of the second diffusion barrier region. The arrangement may be configured such that the gas passes through the second diffusion barrier region perpendicularly, for example through and / or diffused, in particular perpendicular to a layer structure of a layer structure of the sensor element, and laterally through the first diffusion barrier region, for example parallel to the layer structure. For example, the sensor element may be configured such that first a vertical flow and / or a vertical gas diffusion through a first part of the second diffusion barrier region, followed by a lateral flow and / or gas diffusion through the first diffusion barrier region, followed by a renewed vertical flow and or a renewed vertical diffusion through the second diffusion barrier region or a second part of the second diffusion barrier region.
Die Diffusionsbarriere kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass der erste Diffusionsbarrierenbereich zu einem überwiegenden Anteil zu einem Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere beiträgt, wobei der zweite Diffusionsbarrierenbereich als Strömungsbarriere und/oder Homogenisator am Anfang und/oder Ende der Diffusionsbarriere wirkt.In particular, the diffusion barrier may be designed such that the first diffusion barrier region contributes to a majority to a diffusion resistance of the diffusion barrier, wherein the second diffusion barrier region acts as a flow barrier and / or homogenizer at the beginning and / or end of the diffusion barrier.
In Richtung des Gaszutrittswegs kann insbesondere die Anordnung des ersten Diffusionsbarrierenbereichs und des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs auf geeignete Weise erfolgen, so dass der zweite Diffusionsbarrierenbereich oder Teile des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs als Strömungsbarriere und/oder als Homogenisator wirken und dass der erste Diffusionsbarrierenbereich als eigentliche Diffusionsbarriere bewirkt. Dabei kann beispielsweise ein erster Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs am Anfang der Diffusionsbarriere angeordnet sein, welcher beispielsweise eine poröse Struktur als Strömungsbarriere aufweist und welcher den geringsten Anteil am Gesamtdiffusionswiderstand aufweist. Diesem kann der erste Diffusionsbarrierenbereich folgen, welcher beispielsweise eine offene Struktur umfassen kann und welcher einen Hauptanteil am Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere bewirken kann. An diesen wiederum kann sich ein zweiter Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs anschließen, der als Homogenisator wirken kann und damit eine homogene Elektrodenanbindung an die offene Struktur des ersten Diffusionsbarrierenbereichs bewirken kann. Der zweite Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs kann beispielsweise eine geringere poröse Struktur aufweisen als der erste Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs. Der zweite Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs kann auch ganz oder teilweise mit dem ersten Teil identisch sein, beispielsweise indem der zweite Diffusionsbarrierenbereich als Schicht ausgebildet ist, welche mehrfach durchströmt wird.In particular, the arrangement of the first diffusion barrier region and the second diffusion barrier region can take place in the direction of the gas access path, so that the second diffusion barrier region or parts of the second diffusion barrier region act as flow barrier and / or as homogenizer and the first diffusion barrier region acts as the actual diffusion barrier. In this case, for example, a first part of the second diffusion barrier region may be arranged at the beginning of the diffusion barrier, which has, for example, a porous structure as a flow barrier and which has the least share of the total diffusion resistance. This may be followed by the first diffusion barrier region, which may comprise, for example, an open structure and which may comprise a first diffusion barrier region Main contribution to the diffusion resistance of the diffusion barrier can cause. In turn, a second part of the second diffusion barrier region, which can act as a homogenizer and thus bring about a homogeneous electrode connection to the open structure of the first diffusion barrier region, can adjoin it. For example, the second part of the second diffusion barrier region may have a smaller porous structure than the first part of the second diffusion barrier region. The second part of the second diffusion barrier region can also be wholly or partially identical to the first part, for example in that the second diffusion barrier region is designed as a layer through which multiple flows.
Ist nach dem als Homogenisator wirkenden zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs ein Elektrodenanbindungshohlraum vorgesehen, welcher jedoch auch entfallen kann, so dass eine direkte Anbindung an die Elektrode erfolgen kann, so sollte der Diffusionswiderstand dieses Homogenisators allgemein so gewählt werden, dass eine möglichst homogene Beaufschlagung der ersten Elektrode mit Gas erfolgt. Insbesondere können die erste Elektrode und/oder der Elektrodenanbindungshohlraum einen Bereich der ersten Diffusionsbarriere überdecken, dessen Gaskonzentrationsgradient, z. B. Sauerstoffkonzentrationsgradient, durch den Homogenisator homogenisiert werden soll, beispielsweise in Längsrichtung der Kanäle.If an electrode connection cavity is provided after the second part of the second diffusion barrier region which acts as a homogenizer, which however can also be omitted, so that a direct connection to the electrode can take place, then the diffusion resistance of this homogenizer should generally be selected such that a preferably homogeneous application of the first Electrode with gas. In particular, the first electrode and / or the electrode connection cavity can cover a region of the first diffusion barrier whose gas concentration gradient, eg. B. oxygen concentration gradient, is to be homogenized by the homogenizer, for example in the longitudinal direction of the channels.
Der Gaszutrittsweg soll dabei derart ausgestaltet sein, dass der zweite Diffusionsbarrierenbereich dem ersten Diffusionsbarrierenbereich vorgelagert und/oder nachgelagert ist. Dies bedeutet, dass beispielsweise das Gas auf dem Weg vom Messgasraum zur ersten Elektrode zunächst den zweiten Diffusionsbarrierenbereich passieren muss, um in den ersten Diffusionsbarrierenbereich zu gelangen (vorgelagert) und/oder dass das Gas auf dem Weg vom Messgasraum zur ersten Elektrode den ersten Diffusionsbarrierenbereich durchtritt, um dann durch den zweiten Diffusionsbarrierenbereich hin zur ersten Elektrode zu gelangen. Auch eine Kombination der genannten Möglichkeiten ist möglich, so dass beispielsweise das Gas zunächst einen ersten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs durchtritt, bevor das Gas dann in den ersten Diffusionsbarrierenbereich eintritt, um schließlich durch einen zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs zur ersten Elektrode zu gelangen.In this case, the gas access path should be designed such that the second diffusion barrier region is located upstream of and / or downstream of the first diffusion barrier region. This means that, for example, the gas on the way from the measuring gas space to the first electrode first has to pass through the second diffusion barrier region in order to reach the first diffusion barrier region (upstream) and / or the gas passes the first diffusion barrier region on the way from the measuring gas chamber to the first electrode to then pass through the second diffusion barrier region to the first electrode. A combination of the options mentioned is also possible, so that, for example, the gas first passes through a first part of the second diffusion barrier region before the gas then enters the first diffusion barrier region in order finally to reach the first electrode through a second part of the second diffusion barrier region.
Der zweite Diffusionsbarrierenbereich soll dabei feinporiger ausgestaltet sein als der erste Diffusionsbarrierenbereich. Dies bedeutet allgemein, dass in dem zweiten Diffusionsbarrierenbereich der Anteil an Knudsen-Diffusion höher sein soll als im ersten Diffusionsbarrierenbereich, wohingegen im ersten Diffusionsbarrierenbereich der Anteil an Gasphasendiffusion größer sein soll als im zweiten Diffusionsbarrierenbereich. Der Begriff der Porosität bedeutet dabei nicht notwendigerweise, dass auch der erste Diffusionsbarrierenbereich vollständig mit einem porösen Material ausgestaltet ist. Wie unten noch näher ausgeführt wird, kann der erste Diffusionsbarrierenbereich grundsätzlich porös (jedoch grob poröser als der zweite Diffusionsbarrierenbereich) ausgestaltet sein oder, alternativ, auch offenporig und/oder vollständig offen, jedoch nach wie vor eine Diffusion begrenzend. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich, welcher feinporig ausgestaltet ist, wirkt somit zumindest überwiegend als Strömungsbegrenzung, wohingegen der erste Diffusionsbarrierenbereich zumindest überwiegend als Diffusionsbarriere wirkt. Es wird also eine Diffusionsbarriere vorgeschlagen, welche funktionell eine Strömungsbarrieren-Diffusionsbarrierenkombination darstellt.The second diffusion barrier region is intended to have a finer pored design than the first diffusion barrier region. This generally means that in the second diffusion barrier region the proportion of Knudsen diffusion should be higher than in the first diffusion barrier region, whereas in the first diffusion barrier region the fraction of gas phase diffusion should be greater than in the second diffusion barrier region. The term porosity does not necessarily mean that the first diffusion barrier region is also completely configured with a porous material. As will be explained in more detail below, the first diffusion barrier region may be basically porous (but more porous than the second diffusion barrier region) or, alternatively, also open pore and / or fully open, but still confining diffusion. The second diffusion barrier region, which has a fine-pored configuration, thus acts at least predominantly as a flow restriction, whereas the first diffusion barrier region at least predominantly acts as a diffusion barrier. Thus, a diffusion barrier is proposed which functionally represents a flow barrier diffusion barrier combination.
Der zweite Diffusionsbarrierenbereich kann, wie oben beschrieben, insbesondere ein poröses Material mit mindestens einer der folgenden Eigenschaften aufweisen: Eine Porengröße zwischen 0,03 μm und 3 μm; eine Porosität zwischen 5% und 60%, insbesondere eine Porosität kleiner als 40%. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich kann insbesondere eine Dicke, also eine Erstreckung parallel zur lokalen Richtung des Gaszutrittswegs, zwischen 10 μm und 200 μm, insbesondere zwischen 20 μm und 100 μm, aufweisen.As described above, the second diffusion barrier region may in particular comprise a porous material having at least one of the following properties: a pore size between 0.03 μm and 3 μm; a porosity between 5% and 60%, in particular a porosity less than 40%. The second diffusion barrier region may in particular have a thickness, ie an extent parallel to the local direction of the gas access path, between 10 μm and 200 μm, in particular between 20 μm and 100 μm.
Der erste Diffusionsbarrierenbereich kann insbesondere eine Mehrzahl, d. h. beispielsweise 2, 3, 4 oder mehrere, von sich längs des Gaszutrittswegs erstreckenden Kanälen umfassen. Diese Kanäle haben vorzugsweise eine Höhe von 5 bis 50 Mikrometer, insbesondere von 10 bis 25 Mikrometer, eine Breite von 50 bis 500 Mikrometer, insbesondere von 100 bis 150 Mikrometer, und eine Länge von 500 bis 5000 Mikrometer, insbesondere von 1200 bis 3000 Mikrometer. Dabei kann der Gaszutrittsweg derart ausgestaltet sein, dass Gas aus dem Messgasraum auf dem Weg zur ersten Elektrode im Wesentlichen senkrecht zu den Kanälen in diese Kanäle eintritt. Beispielsweise kann der Gaszutrittsweg zu diesem Zweck gewinkelt ausgestaltet sein. Auch eine leichte Abweichung von einem senkrechten Eintritt ist jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise eine Abweichung unter einem Winkel von nicht weniger als 45°.The first diffusion barrier region may in particular be a plurality, i. H. For example, include 2, 3, 4 or more, extending along the Gaszutrittswegs channels. These channels preferably have a height of 5 to 50 micrometers, more preferably 10 to 25 micrometers, a width of 50 to 500 micrometers, more preferably 100 to 150 micrometers, and a length of 500 to 5000 micrometers, more preferably 1200 to 3000 micrometers. In this case, the gas inlet path can be designed in such a way that gas from the measuring gas chamber enters these channels on the way to the first electrode substantially perpendicular to the channels. For example, the Gaszufrittsweg be designed for this purpose angled. However, a slight deviation from a vertical entry is also possible in principle, for example a deviation at an angle of not less than 45 °.
Der zweite Diffusionsbarrierenbereich kann beispielsweise zumindest teilweise als Strömungsbarrierenschicht ausgebildet sein und/oder mindestens eine derartige Strömungsbarrierenschicht umfassen. Diese Strömungsbarrierenschicht kann insbesondere eine laterale Erstreckung aufweisen, welche im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckung der Kanäle ist. Die Strömungsbarrierenschicht kann dabei die Kanäle insbesondere zumindest teilweise bedecken. Der Gaszutrittsweg kann derart ausgestaltet sein, dass Gas aus dem Messgasraum auf dem Weg zur ersten Elektrode zunächst die Strömungsbarrierenschicht mindestens einmal durchtritt, dann die Kanäle durchtritt und anschließend optional die Strömungsbarrierenschicht mindestens ein weiteres Mal durchtritt. Auch eine Ausgestaltung, bei welcher das Gas aus dem Messgasraum auf dem Weg zur ersten Elektrode gleich in die Kanäle eintritt, ohne zuvor die Strömungsbarrierenschicht zu durchtreten, um dann nach Austritt aus den Kanälen die Strömungsbarrierenschicht zu durchdringen, um zur ersten Elektrode zu gelangen, ist denkbar.The second diffusion barrier region may for example be formed at least partially as a flow barrier layer and / or comprise at least one such flow barrier layer. In particular, this flow barrier layer can have a lateral extension which is substantially parallel to a longitudinal extension of the channels. The flow barrier layer can in this case, in particular, at least the channels partially cover. The Gaszutrittsweg may be configured such that gas from the measurement gas space on the way to the first electrode first passes through the flow barrier layer at least once, then passes through the channels and then optionally passes through the flow barrier layer at least one more time. Also, an embodiment in which the gas from the measuring gas chamber on the way to the first electrode enters the channels immediately, without first pass through the flow barrier layer, and then to penetrate after exiting the channels, the flow barrier layer to reach the first electrode is conceivable.
Das Sensorelement kann insbesondere einen Schichtaufbau aufweisen, mit mehreren Schichtebenen. Der erste Diffusionsbarrierenbereich und der zweite Diffusionsbarrierenbereich können dabei in unterschiedlichen, vorzugsweise aneinander angrenzenden, Schichtebenen angeordnet sein. Beispielsweise kann der erste Diffusionsbarrierenbereich ganz oder teilweise auf den zweiten Diffusionsbarrierenbereich aufgedruckt sein oder umgekehrt. Beispielsweise kann die Strömungsbarrierenschicht des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs auf die Kanäle des ersten Diffusionsbarrierenbereichs aufgedruckt werden. Der Gaszutrittsweg kann darüber hinaus einen in einer weiteren, vorzugsweise von den genannten Schichtebenen verschiedenen Schichtebene angeordneten Elektrodenhohlraum der ersten Elektrode aufweisen. Unter einem Elektrodenhohlraum ist dabei ein an die Elektrode angrenzender offener oder mit einem gasdurchlässigen, porösen Medium gefüllter Hohlraum zu verstehen, welcher ein Gasreservoir vor der Elektrode bildet. Der Elektrodenhohlraum sollte in diesem Fall der Diffusionsbarriere nachgelagert sein.The sensor element may in particular have a layer structure, with several layer planes. The first diffusion barrier region and the second diffusion barrier region can be arranged in different, preferably adjacent, layer planes. For example, the first diffusion barrier region may be wholly or partly printed on the second diffusion barrier region or vice versa. For example, the flow barrier layer of the second diffusion barrier region can be printed on the channels of the first diffusion barrier region. The gas access path can moreover have an electrode cavity of the first electrode arranged in a further layer plane, which is preferably different from the layer planes mentioned. Under an electrode cavity is an adjacent to the electrode open or filled with a gas-permeable, porous medium cavity to understand, which forms a gas reservoir in front of the electrode. The electrode cavity should in this case be downstream of the diffusion barrier.
Weiterhin kann der Gaszutrittsweg einen in einer weiteren Schichtebene, welche auch mit der Schichtebene des Elektrodenhohlraums identisch sein kann, angeordneten Anbindungshohlraum aufweisen. Dieser Anbindungshohlraum ist der Diffusionsbarriere vorgelagert und steht, vorzugsweise ohne Diffusionsbegrenzung und/oder Strömungsbegrenzung, mit dem Messgasraum in Verbindung. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Gaszutrittsbohrung senkrecht zu den Schichtebenen und/oder parallel zu den Schichtebenen vorgesehen sein, beispielsweise an einer Stirnseite des Sensorelements. Wie oben bereits ausgeführt, kann der zweite Diffusionsbarrierenbereich, insbesondere ein dem ersten Diffusionsbarrierenbereich nachgelagerter Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs, vorzugsweise einen größeren Diffusionswiderstand aufweisen als ein Gasdiffusionswiderstand des Anbindungshohlraums.Furthermore, the gas access path may have a connection cavity arranged in a further layer plane, which may also be identical to the layer plane of the electrode cavity. This connection cavity is preceded by the diffusion barrier and, preferably without diffusion limitation and / or flow limitation, is connected to the measurement gas space. For this purpose, for example, a gas inlet bore can be provided perpendicular to the layer planes and / or parallel to the layer planes, for example on an end face of the sensor element. As already explained above, the second diffusion barrier region, in particular a part of the second diffusion barrier region downstream of the first diffusion barrier region, may preferably have a greater diffusion resistance than a gas diffusion resistance of the attachment cavity.
Das Sensorelement gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen weist gegenüber bekannten Sensorelementen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Vorgeschlagen wird ein neues Diffusionsbarrierenkonzept, welches sowohl in der Fertigbarkeit als auch bezüglich der Einstellung statischer und/oder dynamischer Funktionsmessgrößen sowie den erhöhten Anforderungen an die Versottungsresistenz und/oder Vergiftungsresistenz den Ansprüchen zukünftiger Sensorelementgenerationen entspricht. Die vorgeschlagene Strömungsbarrieren-Diffusionsbarrierenkombination, verbunden mit optimierten Elektrodenhohlraumanbindungen und Anbindungen ans Abgas, kann diesen Forderungen Rechnung tragen. Der Hauptdiffusionswiderstand, also der größere Anteil des gesamten Diffusionswiderstands der Diffusionsbarriere, soll an dem ersten Diffusionsbarrierenbereich abfallen. Dieser kann, wie oben beschrieben, beispielsweise durch Kanäle, insbesondere durch offene Kanäle, realisiert werden. Der zweite Diffusionsbarrierenbereich hingegen kann insbesondere als feinporöse Schicht (Strömungsbarrierenschicht), beispielsweise mit Porengrößen zwischen 0,03 μm und 3 μm und/oder einer Porosität zwischen 5% und 60%, ausgestaltet sein und kann beispielsweise die Kanäle großflächig abdecken. Durch die Ausgestaltung dieser Strömungsbarrierenschicht im Diffusionsweg wird sowohl ein großer Eintrittsbereich für das Gas als auch eine minimale Diffusionsweglänge realisiert. Dadurch wirkt diese Strömungsbarrierenschicht vornehmlich als Strömungsbarriere, also als Dämpfungselement, mit einem geringen, jedoch durch die Schichtdicke einstellbaren Anteil am Gesamtdiffusionswiderstand. Der Gaszutritt zum Diffusionsweg wird beispielsweise durch Öffnungen in einer diese Strömungsbarrieren-Diffusionsbarrieren-Kombination abdeckenden, gasdichten Abdeckschicht realisiert. Diese Öffnungen ermöglichen beispielsweise einerseits über einen Anbindungshohlraum und insbesondere ein Gaszutrittsloch (beispielsweise seitlich, stirnseitig und/oder gebohrt) die abgasseitige Anbindung und andererseits über den optionalen Elektrodenhohlraum die Anbindung zur ersten Elektrode. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Sensorelements liegen insbesondere in einer verbesserten Fertigbarkeit, einer Möglichkeit einer Einstellung des k-Werts sowie einer erhöhten Versottungsresistenz und/oder Vergiftungsresistenz.The sensor element according to one or more of the embodiments described above has a multiplicity of advantages over known sensor elements. A new diffusion barrier concept is proposed, which corresponds to the requirements of future generations of sensor elements both in terms of manufacturability and with regard to the setting of static and / or dynamic functional measured variables as well as the increased requirements for sooting resistance and / or poisoning resistance. The proposed flow barrier diffusion barrier combination, combined with optimized electrode cavity connections and connections to the exhaust gas, can take these demands into account. The main diffusion resistance, ie the larger proportion of the total diffusion resistance of the diffusion barrier, should drop off at the first diffusion barrier region. This can, as described above, for example, by channels, in particular by open channels, can be realized. In contrast, the second diffusion barrier region can in particular be configured as a finely porous layer (flow barrier layer), for example with pore sizes between 0.03 μm and 3 μm and / or between 5% and 60% porosity, and can, for example, cover the channels over a large area. The design of this flow barrier layer in the diffusion path realizes both a large inlet area for the gas and a minimal diffusion path length. As a result, this flow barrier layer mainly acts as a flow barrier, that is to say as a damping element, with a small proportion of the total diffusion resistance that can be adjusted by the layer thickness. The access of gas to the diffusion path is realized, for example, by openings in a gastight covering layer covering this flow barrier diffusion barrier combination. These openings allow, for example, on the one hand via a connection cavity and in particular a gas inlet hole (for example, laterally, frontally and / or drilled) the exhaust side connection and on the other hand via the optional electrode cavity, the connection to the first electrode. The advantages of the configuration of the sensor element according to the invention are, in particular, an improved manufacturability, a possibility of setting the k value and an increased sooting resistance and / or poisoning resistance.
Insgesamt trägt das vorgeschlagene Design den erhöhten Anforderungen an eine neue Grenzstromsensorengeneration bzw. Sensorelementgeneration für Diesel- und Benzinmotoren Rechnung. Für Dieselanwendungen lassen sich insbesondere kleine k-Werte einstellen, bzw. für andere Anwendungen lassen sich k-Werte in einem großen Bereich einstellen. Geringe Diffusionswiderstände über ein feinporöses Medium (Knudsendiffusion) werden durch das vorgeschlagene Design sicher reproduzierbar gewährleistet, aufgrund eines großen Eintrittsbereichs, eines kleinen Diffusionswegs senkrecht zur Druckrichtung der Strömungsbarriere. In Kombination mit einer offenen Kanalstruktur und dem höheren Diffusionswiderstand (Gasphasendiffusion) sind kleine k-Werte realisierbar. Diese unabhängig voneinander bezüglich des k-Wertes und des Diffusionswiderstands einstellbaren Strömungs- und Diffusionswiderstände ermöglichen aufgrund der speziellen Anordnung der Strömungs-Diffusionsbarrieren-Kombination eine Anpassung und/oder Einstellung der statischen und dynamischen Größen über einen weiten Bereich. Weiterhin ergeben sich geringe Mittelwertverschiebungen und/oder dynamische Druckabhängigkeiten bei kleinen k-Werten. So kann beispielsweise der vorgelagerte zweite Diffusionsbarrierenbereich einen k-Wert von größer als 0,2 bar oder mehr aufweisen. Der nachgelagerte erste Diffusionsbarrierenbereich kann beispielsweise einen k-Wert von weniger als 0,2 bar aufweisen. Bei einem kleinen Gesamt-k-Wert kann durch die dem Hauptdiffusionswiderstand in Form des ersten Diffusionsbarrierenbereichs beispielsweise nachgelagerte Strömungsbarriere in Form des nachgelagerten zweiten Diffusionsbarrierenbereichs mit an eine abgedeckte Fläche angepasstem Diffusionswiderstand die Strömungsbelastung des Elektrodenanbindungshohlraums im Bereich des Übergangs zur Diffusionsbarriere homogenisiert und das Volumen entsprechend minimiert werden. Dadurch kann bei der Realisierung von kleinen k-Werten der Anstieg der DDA/MWV gedämpft werden, da das Elektrodenhohlraumvolumen direkt mit den dynamischen Größen korreliert. Neben dieser Wirkung über das Elektrodenhohlraumvolumen wirkt die Strömungsbarriere als dem Hauptdiffusionswiderstand vorgelagerter und optional auch nachgelagerter Knudsen-Diffusionswiderstand (Strömungsbarriere) generell als Dämpfungselement. Ist nach dem als Homogenisator wirkenden zweiten Teil des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs ein Elektrodenanbindungshohlraum vorgesehen, welcher jedoch auch entfallen kann, so dass eine direkte Anbindung an die Elektrode erfolgen kann, so sollte der Diffusionswiderstand dieses Homogenisators allgemein so gewählt werden, dass eine möglichst homogene Beaufschlagung der ersten Elektrode mit Gas erfolgt. Insbesondere können die erste Elektrode und/oder der Elektrodenanbindungshohlraum einen Bereich der ersten Diffusionsbarriere überdecken, dessen Gaskonzentrationsgradient, z. B. Sauerstoffkonzentrationsgradient, durch den Homogenisator homogenisiert werden soll, beispielsweise in Längsrichtung der Kanäle.Overall, the proposed design takes into account the increased demands on a new generation of limit current sensors or sensor element generation for diesel and gasoline engines. For diesel applications, in particular, small k values can be set, or for other applications, k values can be set in a wide range. Small diffusion resistances via a finely porous medium (Knudsendiffusion) are ensured by the proposed design reliably reproducible, due to a large inlet area, a small diffusion path perpendicular to the Pressure direction of the flow barrier. In combination with an open channel structure and the higher diffusion resistance (gas phase diffusion) small k-values can be realized. These flow and diffusion resistances, which can be set independently of each other with respect to the k value and the diffusion resistance, allow adjustment and / or adjustment of the static and dynamic variables over a wide range due to the special arrangement of the flow-diffusion barrier combination. Furthermore, there are small mean value shifts and / or dynamic pressure dependencies at low k values. For example, the upstream second diffusion barrier region can have a k value of greater than 0.2 bar or more. The downstream first diffusion barrier region may, for example, have a k value of less than 0.2 bar. With a small total k value, the flow load of the electrode connection cavity in the region of the transition to the diffusion barrier can be homogenized and the volume correspondingly minimized by the flow barrier in the form of the second diffusion barrier region with the diffusion resistance adapted to a covered surface, for example downstream from the main diffusion resistor in the form of the first diffusion barrier region become. Thus, in the realization of small k values, the increase in DDA / MWV can be attenuated because the electrode void volume correlates directly with the dynamic quantities. In addition to this effect on the electrode cavity volume, the flow barrier acts as a damping element upstream of the main diffusion resistance and optionally also downstream Knudsen diffusion resistance (flow barrier). If an electrode connection cavity is provided after the second part of the second diffusion barrier region which acts as a homogenizer, which however can also be omitted, so that a direct connection to the electrode can take place, then the diffusion resistance of this homogenizer should generally be selected such that a preferably homogeneous application of the first Electrode with gas. In particular, the first electrode and / or the electrode connection cavity can cover a region of the first diffusion barrier whose gas concentration gradient, eg. B. oxygen concentration gradient, is to be homogenized by the homogenizer, for example in the longitudinal direction of the channels.
Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Versottungsresistenz. Eine vorgelagerte, feinporöse Strömungsbarriere in Form des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs, beispielsweise mit einer Porosität von weniger als 40%, wirkt wie ein vorgelagerter Filter. Das vorgeschlagene Design bietet die Möglichkeit, den Eingangsbereich großflächig zu gestalten und damit eine kleine Strömungsdichte zu erzielen und durch die Realisierung von Strömungsgradienten im Filter den Einfluss der Versottung, d. h. der Verstopfung der Filterporen, auf die Kennlinie zu minimieren. Durch Strömungsdichtegradienten im vorgelagerten Filter können parallele Leitungspfade geschaffen werden, die bis zu einem gewissen Grad der Versottung, d. h. durch Partikel zugesetzte Poren im Eingangsbereich, diese Versottung kompensieren können, ohne über die Lebensdauer des Sensorelements die funktionellen Größen über die erlaubte Toleranz hinaus zu beeinflussen.Further advantages arise with regard to the resistance to sooting. An upstream, finely porous flow barrier in the form of the second diffusion barrier region, for example with a porosity of less than 40%, acts like an upstream filter. The proposed design offers the possibility to design the entrance area over a large area and thus to achieve a small flow density and by the realization of flow gradients in the filter the influence of the sooting, d. H. the clogging of the filter pores, to minimize the characteristic. Through flow density gradients in the upstream filter, parallel conduction paths can be created which, to some degree of sooting, i. H. By adding pores in the input area, these soot can compensate without affecting over the life of the sensor element, the functional variables beyond the allowable tolerance addition.
Weiterhin ergibt sich durch das vorgeschlagene Design eine erhöhte Vergiftungsresistenz. Eine homogene Elektrodenbelastung und damit eine verbesserte Vergiftungsresistenz werden durch eine homogene Strömungsbelastung des Elektrodenhohlraums, welcher auch als Elektrodenanbindungshohlraum bezeichnet wird, gewährleistet. Diese wird dadurch gewährleistet, dass dem als eigentliche Diffusionsbarriere wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich der als Strömungsbarriere wirkende erste Diffusionsbarrierenbereich nachgelagert ist, dessen Diffusionswiderstand der Elektrodenhohlraumgeometrie und/oder insbesondere an den Diffusionswiderstand der durch die Elektrode und/oder den Elektrodenanbindungshohlraum überdeckten Kanalenden in lateraler Richtung angepasst sein kann. Weitere Voraussetzung kann dabei die grundsätzlich durch das Design realisierbare zentrale Anordnung der ersten Elektrode über dem Gasaustritt sein.Furthermore, the proposed design results in increased poisoning resistance. A homogeneous electrode load and thus an improved poisoning resistance are ensured by a homogeneous flow load of the electrode cavity, which is also referred to as the electrode connection cavity. This is ensured by virtue of the fact that the first diffusion barrier region which acts as a flow barrier is located downstream of the first diffusion barrier region acting as the actual diffusion barrier, whose diffusion resistance of the electrode cavity geometry and / or in particular to the diffusion resistance of the channel ends covered by the electrode and / or the electrode connection cavity can be adjusted laterally , Another prerequisite here may be the central arrangement of the first electrode above the gas outlet that can basically be implemented by the design.
Weitere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Grenzstrom-Streuung und/oder der k-Wert-Streuung, welche in vielen Fällen eine Voraussetzung für einen Schubabgleich ist. Die verbesserte Fertigbarkeit des Gasdiffusionsweges und damit bedingt die geringere Streuung des Grenzstroms und des k-Wertes wird durch die vorgeschlagene neue Anordnung der Bestandteile der Diffusionsbarriere gesichert. Die Minimierung des Einflusses von Verschmierungen und/oder Überlappungen, welche bei herkömmlichen Sensorelementen insbesondere in den Randbereichen der Druckschichten auftreten, auf die Streuung der Grenzströme und/oder der k-Werte wird durch die optionale, zur Druckrichtung senkrechte Durchströmung der gedruckten Bestandteile der Diffusionsbarriere und/oder weiterer Bestandteile des Gaszutrittswegs, insbesondere der Anbindungselemente, erreicht.Further advantages arise with respect to the limiting current scattering and / or the k-value scattering, which in many cases is a prerequisite for thrust balance. The improved manufacturability of the gas diffusion path and thus the lower scattering of the limiting current and the k value is ensured by the proposed new arrangement of the components of the diffusion barrier. The minimization of the influence of smudges and / or overlaps which occur in conventional sensor elements, in particular in the edge regions of the printed layers on the scattering of the boundary currents and / or the k-values by the optional, perpendicular to the printing direction flow through the printed components of the diffusion barrier and / or other components of the gas access path, in particular the connection elements achieved.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Ausführungsbeispieleembodiments
In den
Weiterhin weist das Sensorelement
Die zweite Elektrode
Die erste Elektrode
Die Diffusionsbarriere
Der erste Diffusionsbarrierenbereich
Die Strömungsbarrierenschicht
Im Gegensatz zu herkömmlichen Sondengeometrien, bei welchen beispielsweise der Anbindungshohlraum
Insgesamt weist das beschriebene Sensorelement
Das in den
Der Elektrodenhohlraum
Verbleibende Differenzen in den Öffnungsgeometrien, fertigungstechnisch verursacht beispielsweise durch ein Auslaufen und/oder Verschmieren beim Druck der Abdeckschicht
Weiterhin kann das in den
Das Design kann so ausgelegt werden, dass der Diffusionswiderstand der porösen Diffusionsbarriereschicht
Der Elektrodenhohlraum
Die Strömungsbarrierenschicht
Je nach Schichtdicke und Porosität der Strömungsbarrierenschicht
Mit dem Design der unabhängig voneinander variierbaren Diffusionsbarrierenbereiche
Das vorgeschlagene Design des Sensorelements
Um dabei ein Versotten des Eintrittsbereichs, der als Filter wirkt, zu minimieren, ermöglicht das vorgeschlagene Design, den Eingangsbereich der als Strömungsbarriere wirkenden Strömungsbarrierenschicht
Die verbesserte Vergiftungsresistenz, also die geringere Anfälligkeit der Elektrode
Für eine homogene Elektrodenbelastung und eine geringe MWV ist es optimal, wenn insbesondere im Bereich der zweiten Öffnung
Alternativ können Strömungsinhomogenitäten an der Anbindungsfläche des Elektrodenhohlraums
Das vorgeschlagene Design bietet also die Möglichkeit, trotz einer minimalen Elektrodenhohlraumhöhe und dadurch bedingt geringer MWV, die Vergiftungsresistenz zu erhöhen, indem eine nachgelagerte, als Strömungswiderstand wirkende Diffusionsbarriereschicht
Aus den obigen Ausführungen ist auch ersichtlich, dass die Anforderungen an den als Strömungsbarriere wirkenden ersten Diffusionsbarrierenbereich
Beispielsweise können die Anforderungen an den zweiten Diffusionsbarrierenbereich
Die Ausgestaltung des zweiten Diffusionsbarrierenbereichs
Auch diese Überlegung kann bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement
Alternativ können, je nach Auslegung des Diffusionswiderstands der Kanäle
In
Im Unterschied zum obigen Ausführungsbeispiel zeigt
Weiterhin ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den
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2010
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Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
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