用于陶瓷传感器元件的结构化电极制造技术

本发明专利技术涉及一种传感器元件（１１０），尤其是用于检测测量气体室中的气体的特性。该传感器元件（１１０）包括至少一个具有至少一种陶瓷固体电解质材料（１１８）的固体电解质层（１１６）和至少一个直接或间接接触所述固体电解质层（１１６）的电极（１１２）。所述电极（１１２）包括至少一种陶瓷材料（１２２）和至少一种金属材料（１２０）。所述电极（１１２）具有横向延伸尺寸并且在所述横向延伸尺寸内部具有一平行于和／或垂直于所述横向延伸尺寸延伸的结构化部（１２６，１４０）。所述结构化部（１２６，１４０）被设置用于增大所述电极（１１２）的电极面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于陶瓷传感器元件的结构化电极
技术介绍
本专利技术涉及公知的传感器元件，它们基于特定固体的电解特性，即该固体传导特定离子的能力。这种传感器元件在自然科学和技术的不同领域中使用，其中，下面描述的专利技术不限于特定的应用领域。但是这种传感器元件尤其可以用在废气分析领域中，例如用在机动车、固定的发动机或燃烧设备中。例如这种传感器元件可以用在机动车中，用以测量空气-燃料-混合气体成分。这种传感器元件尤其用在所谓的氧传感器/λ传感器中并且不仅在奥托发动机中而且在柴油技术中在减少废气中的有害物质时起到重要作用。作为这种传感器元件的可能构造的例子可以参考Robert Bosch GmbH “Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001年六月，112至117页。但是对于其他类型的包括所述类型的固体电解质的传感器元件，即例如除了跳跃型探测器和/或宽带探测器外对于颗粒传感器或相似类型的具有固体电解质的传感器，也可以使用本专利技术。在不限制根据本专利技术的传感器元件的保护范围或其他可能类型和用途的情况下，下面以氧传感器为例解释本专利技术，但是其中在以上说明的启发下也可以制造其它类型的传感器元件。以使用固体电解质材料为基础的陶瓷传感器元件通常具有至少一个电极，借助所述电极直接或间接地、即通过直接接触或通过中间连接一个或多个中间层来接通至少一个固体电解质层。因此，例如在氧传感器(其作为所谓的“指形探测器”使用)的情况下通常以薄层技术、例如通过蒸镀或喷镀由钼产生单层的、未结构化的外电极(OE)和内电极(IE)。 印刷的电极，例如在薄层技术中通过软布印刷(Tampondruck)制成的栅极，是已知的。例如作为电极材料使用金属-陶瓷-电极材料(金属陶瓷)。例如允许使用贵金属-金属陶瓷、 例如钼-金属陶瓷。这种金属陶瓷的陶瓷成分的一个例子是钇稳定二氧化锆(YSZ)。除指形探测器类型的氧传感器外也已知其它类型的氧传感器，例如平面型探测器 (Planarsonden)，它以陶瓷薄膜技术构造。在此通常未结构化地、面状地丝网印刷的内电极和外电极通过钼-YSZ-金属陶瓷以厚层技术构造。此外可以通过选择烧结参数、保护层特性或通过附加的工艺例如浸渍或者电活化来影响或者调节上述传感器电极的特性。但是在已知的传感器元件、例如上述类型的传感器元件中的电极结构在其制造中提出了技术上的挑战。因此，尤其是在贵金属价格急剧上升的背景下，尤其是对于贵金属例如钼，要求通过尽可能少地使用贵金属量来产生有工作能力的电极。在此，工作能力通常通过电极活性(即催化活性)和电极(例如外电极)的每单位面积最大可能的物质转换来定义。但是电极上大的物质转换的前提是电极的单位面-体积内部具有尽可能大量的催化活性中心以及整个电极系统具有良好的电子和/或离子传导能力，例如在能斯特电池 (Nernst-Zelle)中。
技术实现思路
因此，本专利技术从上述的问题出发提出了一种传感器元件以及一种用于制造传感器元件的方法，它们在对贵金属的需求仍很小的情况下提供有工作能力的电极。本专利技术的基本构思在于以下认知电极的工作能力或效率与可供使用的在能传导电子的电极材料、能传导离子的固体电解质材料和周围的气体介质之间的三相边界存在直接相关性。此外，在电极的效率与主要负责气体进入的气孔的数量、负责离子传导的固体电解质材料(例如YSZ)以及电极的负责分解催化和氧化催化的贵金属(例如钼)之间存在关系。气孔、固体电解质材料和电极金属构成三相点作为电极或催化器的活性中心。在传感器元件中，在减少贵金属量的同时，电极效率和电极活性的最大化通过具有精细分布的气孔、精细分布的贵金属和固体电解质材料的大表面通过增大所述三相边界并且通过增加活性中心在良好的气体进入的情况下实现。此外，电极系统应当穿过传感器元件的该电池或这些电池(例如传感器元件的能斯特电池)是良好传导的并且因此具有低的内电阻。如果低的内电阻例如已经在低温、尤其是小于350°C的温度时达到，则可以考虑在非有源加热的传感器陶瓷中使用该电极系统， 例如对于成本有利的两轮传感器应用。相应地提出一种用于制造传感器元件的设计方案，在该设计方案中，例如通过使用印刷方法，借助最少量的电极材料通过水平的和/或竖直的结构化部，实现提高的工作能力。在此本专利技术在下面基本上参照钼-YSZ-金属陶瓷-电极描述。但是其它构造方案原则上也是可以的，例如以其它贵金属作为金属组分和/或以其它类型的陶瓷作为陶瓷组分的构造方案。例如电极系统允许由贵金属例如钯(Pd)和/或钌(Ru)和/或铱(Ir)和/ 或铑0 )制成以及由金属混合物或金属合金例如Pt/Pd合金和/或Pt/Au合金制成。这些构造方案可毫无问题地转用到这种电极系统中。相应地根据本专利技术提出一种传感器元件，它尤其是可用于检测测量气体室中的气体的特性。对于该传感器元件的可能的构造方案和用途，尤其是可以参考以上说明。因此， 传感器元件例如可以构造为氧传感器、例如构造为单电池型和/或多电池型的氧传感器， 用以例如在内燃机的废气中确定测量气体室中的氧浓度和/或氧分压。但是其他构造方案原则上也是可以的，例如用于测量气体中的一种或多种其它类型的气体组分的浓度和/或分压和/或用于检测气体的其它参数，例如用于检测颗粒污染或类似参数。传感器元件包括至少一个具有至少一种陶瓷固体电解质材料的固体电解质层。在此，原则上可以使用任意的固体电解质材料和/或任意的固体电解质层几何形状。特别优选地使用能传导氧离子的固体电解质材料，尤其是钇稳定二氧化锆(YSZ)。但是原则上也可以使用其它的陶瓷固体电解质材料。传感器元件还包括至少一个直接或间接接触所述固体电解质层的电极。电极在此原则上是一个元件，在该元件上可以使离子渗入固体电解质层中或从固体电解质层中渗出并且该元件提供相应的导电接触。直接或间接的接触在此是一个构造方案，其中电极直接或在中间连接至少一个中间层的情况下与固体电解质层接触。电极包括至少一种陶瓷材料和至少一种金属材料。就此而言，电极尤其可以构造为金属陶瓷电极。在这里，对于陶瓷材料基本上也可以使用固体电解质材料，优选如固体电解质层的固体电解质材料一样具有传导相同的离子类型的能力的固体电解质材料。例如对于电极的陶瓷材料又可以使用钇稳定二氧化锆。但是变换地附加地作为用于二氧化锆的相稳定添加剂也可以使用其它材料，例如其它氧化物，尤其是金属氧化物，例如Ce203、MgO、Sc203> CaO或者所述的和/或其它的氧化物的混合物。对于金属材料原则上允许使用任意类型的金属、金属混合物或金属合金。特别优选使用以下材料中的一种或多种钼、钯、铑、金。所述的和/或其它的金属的混合物以及所述的和或其它的金属的合金例如钼-钯合金和/或钼-金合金是可想到的。但是原则上其它构型方案也是可以的。传感器元件在此可以包括所述的固体电解质层中的一个或多个以及所述电极中的一个或多个。传感器元件内部的电极的不同构型方案也是可想到的，例如至少一个根据本专利技术的电极构型方案与至少一个根据现有技术的另一电极的构型方案组合。 原则上，例如平面型探测器类型的传感器元件是可制造的，例如简单的跳跃型探测器 (Sprimgsonden)、宽带探测器或类似类型的平面型探测器。由现有技术已知的指形探测器构造原则上也可根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．传感器元件（１１０），尤其是用于检测测量气体室中的气体的特性，包括至少一个具有至少一种陶瓷固体电解质材料（１１８）的固体电解质层（１１６）和至少一个直接或间接接触所述固体电解质层（１１６）的电极（１１２），所述电极具有至少一种陶瓷材料（１２２）和至少一种金属材料（１２０），其中，所述电极（１１２）具有横向延伸尺寸，所述电极（１１２）在所述横向延伸尺寸内部具有一平行于和／或垂直于所述横向延伸尺寸延伸的结构化部（１２６，１４０），所述结构化部（１２６，１４０）被设置用于增大所述电极（１１２）的电极面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：HJ·伦茨，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：DE