DE8815370U1 - Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung von Bestandteilen in strömenden Gasen - Google Patents

Description

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S. 22250
30.11.1988 St/Pi

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 10

Keßfühler, insbesondere zur Bestimmung von Bestandteilen in strömenden Gasen

Stand der Technik

Die F*findung geht aus von einem Meßfühler, insbesondere zur Bestinmung vcn 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 bereits durch die EP-A-O 167 297 bekannt geworden. Das Sensorelement und das Heizelement üind «& gegenüberliegenden Seiten des Tragerplattchens angeordnet. Das Heizelement besteht aus schleifen- oder mäanderförmigen Leiterbahnen mit zur Plättchenmitte hin vergrößertem Leiterbahnquerschnitt, der durch unterschiedliche Leiterbahnbreite bei gleicher Dicke oder durch unterschiedliche Dicke der Leiterbahnen bei gleicher Breite und gleichem Zsolationsabstand derselben erzielt ist. Durch diese Ausgestaltung sorgt das Heizelement im Bereich des Sensorelements für ausgeglichene thermische Verhältnisse. Es schützt den zentralen Teil der beheizten Region gegen überhitzung und wirkt dadurch dem Entstehen von thermisch bedingten Brüchen und Spannungsrissen im Trägerplättchen entgegen. Gewisse Schwierigkeiten bestehen darin, die Form des mit zwei Außenanschlüssen versehenen Heizelements an die

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• jeweilige Elektrodenform des Sensorelements so anzupassen, daß eine

gleichmäßige Beheizung der Elektroden mit geringem Härmeverlust ge-

i' währleistet ist.

' Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorheil, daß die Form des Heiz-&iacgr; f\ elements in optimaler Heise an die jeweilige Form des Sensorelements

angepaßt werden kann, ohne daß eine Überhitzung des zentralen Teils

der beheizten Region zu befürchten ist. So können, abhängig von der

f Formgebung der Elektroden des Sensorelements runde, ovale oder

rechteckige Heizspulen mit archimedischem oder logarythmischem Ver-

\ lauf verwendet werden, wobei die Spule jeweils mit einem dur inneren

'. Leiterbahn bzw. der äußeren Leiterbahn zugeordneten Anschluß versehen ist. Damit ist eine thermisch ausgewogene Beheizung der gesamten, vom Heizelement überdeckten Fläche des Tsägerplättchens mit geringen Härmeverlusten gewährleistet.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor- <> teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch

angegebenen Meßfühlers möglich. Besonders vorteilhaft ist es, zwisehen den Leiterbahnen des Heizelements und den Elektrodea des Sensorelements eine mit den Leiterbahnen elektrisch verbundene Masseelektrode anzuordnen. Diese Masseelektrode bewirkt eine Abschirmung gegenüber den Elektroden des Sensorelements, so daß keine Beeinflussung des Potentials der Sensorelektroden durch das Potential des Heizelements, auch bei einer Unterbrechung der Leiterbahnen erfolgen kaaa. Vorzugsweise sind hierzu die Masseelektrode des Heizelements und die Elektroden des Sensorelements als Vollflächenelektroden von zumindest annähernd gleicher Form und Größe ausgebildet.

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Zeichnung

lin Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert· Es | seigen Figur 1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Meßfühler in einem Längsschnitt/ Figur 2 das Heiselement des Meßfühlers in einer Draufsicht. j

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die Figur 1 zeigt ein massives Irägerplättchen 1/ das aus einem \

sauerstoffionenleitenden Festelektrolytan, wie z.B. Zirkondioxyd, besteht und als aktives Bauteil von Sauerstoffsensoren dient. Die |

eine Großseite des Plättchens 1 ist mit 2 und die andere mit 3 be- '

zeichnet. Auf die Größseite 2 ist eine Meßelektrode 4 und auf die ;

Großseite 3 eine Bezugselektrode 5 aufgebracht. Die Meßelektrode 4 \

besteht dabei aus einer Platinmetallschicht und die Besugselektrode aus einer Goldschicht. Die Dicke jeder Schicht liegt in der Größenordnung von etwa 7 um. Die Meßelektrode 4 ist dem nicht dargestellten Meßgas ausgesetzt. Die Elektroden 4 und 5 sind im Ausführungsbeispiel als kreisscheibenförmige Vollfllcheneiektroäen gleicher Größe ausgebildet, die in ihrer Projektion senkrecht zum Trägerplättchen 1 übereinanderliegen. Jede Elektrode hat eine Anschluß-Leiterbahn 6 bzw. 7, die aus dem gleichen Material besteht wie die Elektrode,

Das beschriebene, potentiometrische Sensorelement wirkt als elektro-

? chemische Zelle und erzeugt eine vom Sauerstoff-Partialdruck des I

Meßgases abhängige Spannung als Nutzsignal. ■

Um eine genaue und zuverlässige Arbeitsweise der Zelle auch dann sicherzustellen, wenn die Temperatur des Meßgases relativ niedrig |

ist, hat der Meßfühler ein schichtförmiges Heizelement 8, mittels '-

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welchem die Temperatur des Tragerplattchens und der Elektroden 4, 5 angehoben werden kann. Das Heizelement &bgr; hat zwei Anschluß-Leiterbahnen 9, 10/ die mit je einem Pol einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden sind. Heizelement und Leiterbahnen sind beispielsweise im Druckverfahren auf eine Isölierstoffolie 11 aufgebracht. Diese besteht im Ausführungsbeispiel aus einer Keramikschicht 12, beispielsweise aus Aluminiumoxyd oder Zirkondioxyd, die beiderseits mit einer Schicht 13 bsw. 14 aus einem isolierenden

(■ Material belegt ist. Auf die Schicht 13 ist die mit Masse verbundene

Leiterbahn 9 des Heizelements 8 aufgedruckt, während auf der gegenüberliegenden Isolierschicht 14 die Leiterbahn 10 und das Heiselement 8 angebracht sind. Die an Masse liegende Leiterbahn 9 ist im Bereich der Elektroden 4, 5 des Sensorelements als vollflächige Kreisscheibe 15 ausgebildet, deren Form und Größe zumindest annähernd derjenigen der Sensorelektroden 4, 5 entspricht. Diese Masseelektrode 15 schirmt die Sensorelektroden 4, 5 gegenüber dem Heizelement 8 ab und verhindert eine Beeinflussung des Potentials der Sensorelektroden durch das Potential des Heizelements.

Die Isolierstoffolie 11 ist über eine isolierende Zwischenschicht mit der öroöseite 3 des xrägerpiättchens 1 verouaueB.

Das Heizelement 8 und die Anschlüsse 9, 10 bestehen aus elektrisch leitenden Bahnen mit vorgegebenem Querschnitt. Die Leiterbahnen können aus einer Mischung von Elementen der Platingruppe und einem keramischen Material bestehen. Die Anschluß-Leiterbahnen 9, 10 und die Leiterbahnen des Heizelements &bgr; haben unterschiedliehe elektrische Widerstandswerte. Im einzelnen haben die Leiterbahnen 9, 10 einen erheblich größeren Querschnitt als die Leiterbahnen des Heizelements 8. Dadurch werden die Leiterbahnen des Heizelements 8 beim Stromdurchfluß stärker erwärmt als die Anschluß-Leiterbahnen 9, 10.

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Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist das Heizelement 8 als flächenhafte Spule mit spiralförmiger Konfiguration der Leiterbahnen ausgebildet« wobei der Querschnitt dor Leiterbahnen von innen nach außen abnimmt. Damit wird einerseits eine optimale Anpassung des Heiselements an die Form und Größe der Elektroden 5» 6 des Sensorelements ermöglicht und andererseits eine gleichmäßige Beheisung der Sensorelektroden sichergestellt.

&ldquor; Im Ausführungsbeispiel besteht das Heizelement &bgr; aus drei konsen-

trisch zueinander angeordneten, ringförmigen Leiterbahnen 17, IB und 19, die unterschiedliche Radien haben. Die den größten Radius aufweisende Leiterbahn 17 hat ihren Anfang in der Anschlußleiterbahn 10 und geht in die mittlere Leiterbahn 18 über. Das Ende der mittleren Leiterbahn wiederum ist mit dem Anfang der inneren Leiterbahn 19 verbunden. Die Übergangszonen swischen den Leiterbahnen sind mit 20 bsw. 21 bezeichnet. Die gezeigte Ausbildung des Heiselements kann als Stufenspirale bezeichnet werden, bei welcher swischen konzentrisch zueinander angeordneten Leiterbahnen jeweils ein stufenförmiger Übergang vorhanden ist. Der Außendurchmesser der äußeren Leiterbahn 17 entspricht dabei zumindest annähernd dem Außendurchmes-SeE &iacgr;&bgr;&Ggr; MäääBölöktrode IS üüä der Sssscrslsfctrcdss 4, E.

Das Ende der inneren Leiterbahn 19 ist mittels eines kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisenden Zwischenstücks 22 mit der Masseelektrode 15 elektrisch leitend verbunden. Für das Zwischenstück 15 ist in der Isolierstoffolie 11 im Zentrum des Heizelements 8 «in kreisförmiger Durchbruch 23 (Figur 1) ausgebildet.

Erfindungsgemäß nimmt der Querschnitt der Leiterbahnen 17, IS, 19 des Heizelements 8 von innen nach außen ab. Zm Ausführungsbeispiel haben alle Leiterbahnen die gleiche Dicke und den gleichen spezifischen Widerstand. Die Querschnittsabnahme ist dadurch erreicht, daß die Leiterbahnen bei gleichem Isolationsabstand unterschiedliche

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Breite haben. Die innere Leiterbahn 19 hat die größte Breite/ während die Breite der äußeren Leiterbahn 17 etwa halb so groß ist wie diejenige der Leiterbahn 19 und die Breite der mittleren Leiterbahn 18 größer ist ala die Breite der äußeren Leiterbahn jedoch Meiner ala diejenige der inneren Leiterbahn. Jede Leiterbahn iat durchgehend gleich breit. Der tibergang auf eine Leiterbahn anderer

, Breite erfolgt sprunghaft im Bereich der Zonen 20, 21. Alternativ

't biersu könnte die Breite der Leiterbahnspiraie auch Kontinuierlich

i-v von innen nach außen abnehmen. Außerdem könnte das Heiselement/ abhängig von der Form der Sensorelektroden, auch ovale oder rechteckige Spiralen haben, deren Querschnitt durch Veränderung der Leiterbahnbreite bei gleicher Dicke oder der Leiterbahndicke bei

j gleicher Breit« von innen nach außen abnimmt. In jedem Falle sind

t die Parameter der Heizspirale 8 (spezifischer Widerstand, Quer-

schnitt und Isolationsabstand der Leiterbahnen) so gewählt, daß eine gleichmäßige, flächenhafte Erwärmung der Sensorregion, insbesondere auch des zentralen Bereichs derselben, gewährleistet ist.

Claims (7)

R. 22250 30.11.1988 St/Pi ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 10 Ansprüche

1. Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung von Bestandteilen in
strömenden Gasen, mit einem keramischen oder teilweise aus Keramik
bestehenden Trägerplättchen für mindestens ein su beheizendes Sensorelement und mindestens ein davon elektrisch isoliertes, schichtförmiges Heizelement, die in ihrer Projektion senkrecht zum Trägerplättchen zumindest teilweise übereinanderliegen, wobei die Leiterbahnen des Heizelements einheitliche oder unterschiedliche Bahnbreite aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (8)
als flächenhafte Spule mit beliebiger, spiralförmiger Konfiguration der Leiterbahnen (17, 18, 19) ausgebildet ist, und daß der Querschnitt der Leiterbahnen von innen nach außen abnimmt.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Leiterbahnen (17, 18, 19) sprunghaft von innen nach
außen abnimmt·

3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt kontinuierlich von ionen nach außen abnimmt.

4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (4, 5) und das Heizelement (8) zumindest annähernd gleiche Form und Größe haben.

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5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Leiterbahnen (17, 18, 19) des Heizelements (8) und den Elektroden (4, 5) des Sensorelements eine mit den Leiterbahnen elektrisch verbundene Masseelektrode (15) angeordnet ist.

6. H«ßfübler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (17, 18, 19) des Heizelemente (3) und die Masseelektrode

(~) (15) an gegenüberliegenden Seiten einer mit dem Tragerplättchen (1) verbindbaren Zeolierstoffolie (9) angeordnet sind, und daß diese Folie (9) einen im Zentrum des Heizelements (8) befindlichen Eurchbruch (23) für die elektrische Kontaktierung der inneren Leiterbahn (19) des Heizelements (8) mit der Masseelektrode (15) versehen ist.

7. Meßfühler naca Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode (IS des Heizelements (8) und die Elektroden (4, 5) des Sensorelements als Vollflächenelektroden mit zumindest annähernd gleicher Form und Größe ausgebildet sind.