[發明專利]用于陶瓷傳感器元件的結構化電極

有效

• 申請號: 200980150552.8
• 申請日: 2009-11-06
• 公開（公告）號: CN102246028A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: H-J·倫茨;J·施奈德
• 申請（專利權）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號: G01N27/407
• 分類號: G01N27/407
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 侯鳴慧

背景技術

本發明涉及公知的傳感器元件，它們基于特定固體的電解特性，即該固體傳導特定離子的能力。這種傳感器元件在自然科學和技術的不同領域中使用，其中，下面描述的發明不限于特定的應用領域。但是這種傳感器元件尤其可以用在廢氣分析領域中，例如用在機動車、固定的發動機或燃燒設備中。例如這種傳感器元件可以用在機動車中，用以測量空氣-燃料-混合氣體成分。這種傳感器元件尤其用在所謂的氧傳感器/λ傳感器中并且不僅在奧托發動機中而且在柴油技術中在減少廢氣中的有害物質時起到重要作用。作為這種傳感器元件的可能構造的例子可以參考Robert?Bosch?GmbH：“Sensoren?im?Kraftfahrzeug”，2001年六月，112至117頁。但是對于其他類型的包括所述類型的固體電解質的傳感器元件，即例如除了跳躍型探測器和/或寬帶探測器外對于顆粒傳感器或相似類型的具有固體電解質的傳感器，也可以使用本發明。在不限制根據本發明的傳感器元件的保護范圍或其他可能類型和用途的情況下，下面以氧傳感器為例解釋本發明，但是其中在以上說明的啟發下也可以制造其它類型的傳感器元件。

以使用固體電解質材料為基礎的陶瓷傳感器元件通常具有至少一個電極，借助所述電極直接或間接地、即通過直接接觸或通過中間連接一個或多個中間層來接通至少一個固體電解質層。因此，例如在氧傳感器(其作為所謂的“指形探測器”使用)的情況下通常以薄層技術、例如通過蒸鍍或噴鍍由鉑產生單層的、未結構化的外電極(OE)和內電極(IE)。印刷的電極，例如在薄層技術中通過軟布印刷(Tampondruck)制成的柵極，是已知的。例如作為電極材料使用金屬-陶瓷-電極材料(金屬陶瓷)。例如允許使用貴金屬-金屬陶瓷、例如鉑-金屬陶瓷。這種金屬陶瓷的陶瓷成分的一個例子是釔穩定二氧化鋯(YSZ)。

除指形探測器類型的氧傳感器外也已知其它類型的氧傳感器，例如平面型探測器(Planarsonden)，它以陶瓷薄膜技術構造。在此通常未結構化地、面狀地絲網印刷的內電極和外電極通過鉑-YSZ-金屬陶瓷以厚層技術構造。

此外可以通過選擇燒結參數、保護層特性或通過附加的工藝例如浸漬或者電活化來影響或者調節上述傳感器電極的特性。

但是在已知的傳感器元件、例如上述類型的傳感器元件中的電極結構在其制造中提出了技術上的挑戰。因此，尤其是在貴金屬價格急劇上升的背景下，尤其是對于貴金屬例如鉑，要求通過盡可能少地使用貴金屬量來產生有工作能力的電極。在此，工作能力通常通過電極活性(即催化活性)和電極(例如外電極)的每單位面積最大可能的物質轉換來定義。

但是電極上大的物質轉換的前提是電極的單位面-體積內部具有盡可能大量的催化活性中心以及整個電極系統具有良好的電子和/或離子傳導能力，例如在能斯特電池(Nernst-Zelle)中。

發明內容

因此，本發明從上述的問題出發提出了一種傳感器元件以及一種用于制造傳感器元件的方法，它們在對貴金屬的需求仍很小的情況下提供有工作能力的電極。

本發明的基本構思在于以下認知：電極的工作能力或效率與可供使用的在能傳導電子的電極材料、能傳導離子的固體電解質材料和周圍的氣體介質之間的三相邊界存在直接相關性。此外，在電極的效率與主要負責氣體進入的氣孔的數量、負責離子傳導的固體電解質材料(例如YSZ)以及電極的負責分解催化和氧化催化的貴金屬(例如鉑)之間存在關系。氣孔、固體電解質材料和電極金屬構成三相點作為電極或催化器的活性中心。在傳感器元件中，在減少貴金屬量的同時，電極效率和電極活性的最大化通過具有精細分布的氣孔、精細分布的貴金屬和固體電解質材料的大表面通過增大所述三相邊界并且通過增加活性中心在良好的氣體進入的情況下實現。

此外，電極系統應當穿過傳感器元件的該電池或這些電池(例如傳感器元件的能斯特電池)是良好傳導的并且因此具有低的內電阻。如果低的內電阻例如已經在低溫、尤其是小于350℃的溫度時達到，則可以考慮在非有源加熱的傳感器陶瓷中使用該電極系統，例如對于成本有利的兩輪傳感器應用。