ES2564759A1 - Sensor de gas - Google Patents

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Abstract

Sensor de gas que comprende al menos: una lámina de YSZ (4) de circonia establizada con itrio, dos electrodos (2, 3) situados a cada lado de la lámina de YSZ (4), unas pistas conductoras (21, 31) que contactan con cada electrodo (2, 3), un calefactor (7) compuesto por una sección de calentamiento (75) configurada por una pista con forma de meandros y por una sección de alimentación (74) configurada por dos pistas (71) que contactan con cada extremo de la sección de calentamiento (75), dos capas de alúmina (81, 82) que embeben el calefactor (7), pads de conexión (23, 33, 73) comunicados eléctricamente con las pistas (21, 31, 71); donde el material que forma la sección de calentamiento (75) es únicamente platino, mientras que la sección de alimentación (74) contiene paladio.

Description

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DESCRIPCION
Sensor de gas.
Objeto de la invencion
El objeto de la invencion es un sensor de gas provisto de un calefactor y de elementos de conexionado configurados para mejorar la estabilidad y la precision en la medida, a la vez que reducen el coste de fabrication.
Campo de la invencion
Esta invencion es aplicable en la fabricacion de sensores de gas, existiendo un gran interes especialmente en el campo de los sensores de gas de escape de motores de combustion interna.
Antecedentes de la invencion
Una de las aplicaciones mas conocidas de los sensores de gas es la de determinar las concentraciones de los componentes del residuo gaseoso expulsado en una combustion. Sirven para influir en el ajuste de la mezcla de aire y combustible con la intention de reducir la cantidad de combustible empleado y la cantidad de gases contaminantes expulsados manteniendo la potencia requerida.
Un tipo muy comun de sensor de gas esta basado en laminas solidas de ceramica de circonia estabilizada con oxido de itrio (YSZ, del ingles “Yttria-Stabilized Zirconia”), las cuales actuan como material electrolltico conductor de iones de oxlgeno cuando se calientan por encima de los 400°C.
El dispositivo mostrado en la patente EP1800117 es un ejemplo de este sensor para su uso en motores de combustion interna. Este tipo de sensor comprende una celda electroqulmica con electrodos de platino impresos en cada lado de la lamina de YSZ, la cual se situa en el interior del tubo de escape. Entre los dos electrodos se genera una fuerza electromotriz que, de acuerdo con la ecuacion de Nernst, depende de la diferencia de concentration de oxlgeno existente entre el lado del electrolito donde se encuentra el gas a medir y el lado donde se encuentra el gas de referencia utilizado.
Debido a que este electrolito es aislante por debajo de los 400°C, se aprovecha la misma lamina de YSZ como soporte de las pistas conductoras que transmiten la senal hacia la zona de conexion del sensor, donde se encuentran las vlas metalicas. Estas son orificios rellenos de metal que atraviesan perpendicularmente las laminas de electrolito para contactar cada pista interna con un pad metalico situado en la superficie exterior del YSZ. Finalmente, estos pads contactan con cables electricos que envlan la senal a un dispositivo externo que se encarga de interpretar la medida y actuar en la gestion de la combustion.
Para mantener constante la temperatura del electrolito a la que se consigue la conductividad ionica requerida, se suele integrar en el cuerpo de YSZ una resistencia electrica que actua como calefactor. Para aislarlo electricamente del electrolito, el calefactor se suele embeber en dos capas serigrafiadas de alumina. Este tipo de calefactor acostumbra a estar compuesto por una pista continua de platino serigrafiado, material cuyo punto de fusion es superior a la temperatura de sinterizado del YSZ y de la alumina. La pista presenta por un lado una section de calentamiento, situada en la zona de medicion y configurada en forma de meandros con el fin de aumentar la transferencia de calor en dicha zona. Por otro lado presenta la seccion de alimentation, configurada por dos pistas que van desde cada extremo de la seccion de
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calentamiento hasta sus vlas correspondientes, las cuales se encuentran situadas en la zona de conexion opuesta a la zona de medicion. Estas dos vlas contactan con sus respectivos pads en la superficie de la estructura. A traves de estos pads se le suministra la energla al calefactor aplicandoles una tension de alimentacion.
Como se puede deducir, no es adecuado un aumento de temperatura por encima de los 400°C en la zona de conexion, ya que si el YSZ colindante aumenta su conductividad ionica, se generan corrientes parasitas entre las pistas y los pads de los electrodos, lo cual anade ruido a la medida. Usualmente se alslan las pistas de los electrodos respecto al sustrato de YSZ mediante una capa serigrafiada de alumina para evitar dichas corrientes parasitas. De todas formas, el aislamiento de las vlas es inviable a traves de las laminas de YSZ, por lo que se genera igualmente ruido en el caso de que aumente la temperatura en la zona de conexion. Desfavorablemente, el hecho de que el platino tenga un alto valor de Coeficiente de Temperatura en funcion de la Resistencia (RTC, por sus siglas en ingles “Resistance Temperature Coeficient”) hace que la seccion de alimentacion del calefactor aporte calor indebidamente a dicha zona. A la vez, el precio del platino es muy elevado, por lo que se han buscado alternativas de materiales para fabricar el calefactor.
En el estado de la tecnica se pueden encontrar estructuras de calefactores disenadas tanto para concentrar la transferencia de calor exclusivamente en la zona de medicion como para reducir sus costes de fabricacion sin disminuir su durabilidad.
Por ejemplo, en la patente US4952903 se describe un calefactor donde la seccion de calentamiento esta formada por un cermet que contiene ceramica y metal noble, y las pistas estan formadas por metal no noble con o sin ceramica. De esta forma se reduce la cantidad usada de metal noble a la vez que se aumenta la adhesion de las laminas de alumina que embeben el calefactor.
En la patente EP0963137 se define un ratio de resistencia entre la seccion calefactora y la seccion de las pistas para generar un gradiente de temperatura mas acusado en la zona de medicion. Este ratio esta determinado por la proporcion entre la alumina y los metales nobles usados en cada seccion.
En la patente US5787866 se describe un calefactor que contiene platino y otro metal del grupo consistente en rodio, paladio o iridio, con la intencion de facilitar su fabrication y aumentar su durabilidad.
El problema que tienen las dos primeras estructuras es que al anadir alumina a la pista del calefactor se genera una distribution heterogenea de la densidad de corriente, lo que se traduce en un calentamiento irregular del YSZ que produce ruido en la medida. A la vez, esta heterogeneidad puede dar lugar a concentraciones de corriente que eleven excesivamente la temperatura en zonas puntuales, provocando as! una degradation de la estructura a mayor velocidad o incluso roturas ya en la fase de testeado. En la ultima estructura, al usar el mismo material tanto en la seccion de alimentacion como en la seccion de calentamiento, la distribucion de temperatura del sensor no se encuentra optimizada para mejorar la precision de la medida.
Descripcion de la invention
El sensor de gas de la presente invencion comprende una zona de medicion y una zona de conexion. En la zona de medicion hay al menos una celda electroqulmica formada por electrodos de platino definidos a cada lado de al menos una lamina de YSZ (circonia estabilizada con itrio). En la zona de conexion hay unas pistas conductoras que dirigen la senal de los electrodos hacia el extremo opuesto del sensor, las cuales se encuentran serigrafiadas
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en la misma lamina de YSZ. Al menos uno de los electrodos se expone al gas a medir. La pista que contacta con este electrodo se aisla de dicho gas con dos capas de alumina. El otro electrodo se expone a un gas de referencia con una concentration de oxigeno constante. Este gas de referencia puede ser oxigeno generado por el mismo electrodo o puede ser aire limpio que entra desde la zona de conexion del sensor a traves de un canal definido entre otras laminas de YSZ adheridas a la primera.
Unas vias metalicas situadas en la zona de conexion atraviesan perpendicularmente las laminas de YSZ para contactar las pistas que se encuentren en el interior del cuerpo de YSZ con sus respectivos pads en la superficie externa del sensor.
Adicionalmente, el sensor de gas contiene un calefactor embebido entre laminas serigrafiadas de alumina que lo aislan del YSZ. Este calefactor se basa en una pista resistiva electrica definida por serigrafia. La pista se divide por una parte en la section de calentamiento, la cual esta situada en la zona de medicion y configurada en forma de meandros, y por otra parte la seccion de alimentation, la cual esta configurada por dos pistas que contactan cada extremo de la seccion de calentamiento con sus respectivas vias situadas en la zona de conexion, y estas con sus respectivos pads en la superficie del sensor.
La principal novedad de la presente invencion reside en que la seccion de calentamiento del calefactor esta hecha solo de platino y, en cambio, las pistas, las vias y los pads de todo el sensor de gas contienen paladio. Esto se justifica porque el platino tiene un valor de RTC mayor que el paladio, por lo que a temperaturas mayores a 400°C el platino ofrece mayor resistencia electrica y emite mas calor. En consecuencia, que la seccion de calentamiento solo tenga platino permite que la transferencia de calor en dicha zona sea mayor que conteniendo paladio y mas homogenea que conteniendo alumina. Por otro lado, el hecho de que la seccion de alimentacion del calefactor este formada con menos platino hace que la transferencia de calor en la zona de conexion sea menor que si estuviera formada solo por platino. Todo ello se traduce en una reduction de ruido en la medida y un consumo energetico optimizado.
A la vez, la sustitucion de al menos una parte del platino por paladio, tanto en las pistas de conexion de los electrodos como en las vias y los pads, permite reducir el coste del sensor. Es por ello que dichos componentes estan hechos al menos de paladio en una quinta parte, proportion a partir de la cual los costes de production de la mezcla empiezan a ser menores que el ahorro en materia prima durante la fabrication en masa del sensor de gas. En la situation mas rentable economicamente, dichos componentes estan hechos unicamente de paladio. En este caso la ceramica utilizada tiene una temperatura de sinterizado menor a la ceramica convencional utilizada en los sensores de gas, ya que la temperatura de fusion del paladio es muy cercana a la temperatura convencional de coccion y habria riesgo de degradation de los componentes durante este proceso.
Otra novedad anadida a la anterior invention es que el espesor de las capas serigrafiadas de alumina que embeben el calefactor es como maximo el doble del espesor del calefactor. Esto se justifica porque el calefactor no contiene alumina y este pierde adherencia con las capas que lo embeben. Ya que la expansion termica del platino y del paladio es diferente a la de la alumina, es adecuado que los espesores de las serigrafias de todos estos materiales sean parecidos para evitar la aparicion de grietas o de delaminacion entre capas. Finalmente, se anade otra capa de YSZ que embebe el conjunto de calefactor y alumina en el cuerpo de YSZ, reforzando asi la adhesion entre los componentes.
Description de las figuras
La figura 1 es una vista en perspectiva isometrica de una realization preferente del sensor de gas de la presente invencion.
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La figura 2 es una vista explosionada de la realization del sensor de gas mostrado en la figura 1.
Descripcion de una realizacion preferente
El sensor de gas que se describe a continuation es una posible ejecucion de la presente invention. Concretamente se detalla un sensor de gas con una unica celda electroqulmica, pero la invencion puede extrapolarse a otras configuraciones de sensores de gas con material electrolltico basado en YSZ. Dado que su estructura y funcionamiento han sido ampliamente reportados en la literatura, la siguiente descripcion hara mention principalmente a los componentes que ayuden a interpretar la invencion propuesta.
A la vista de las mencionadas figuras, se puede observar en ellas el ejemplo de realizacion preferente de la invencion que se describe a continuacion.
La figura 1 muestra una perspectiva isometrica del sensor de gas (1), donde se puede ver una zona de conexion (11) y una zona de medicion (12).
En la figura 2 se puede ver una vista explosionada del sensor de gas (1). Dos electrodos (2, 3) de platino definidos por serigrafla se situan a cada lado de una lamina de YSZ (4), formando una celda electroqulmica hallada en la zona de medicion (12).
Contactadas a los electrodos (2, 3) se encuentran unas pistas conductoras (21, 31) serigrafiadas en la misma lamina de YSZ (4) que dirigen la senal de los electrodos (2, 3) hacia la zona de conexion (11). En la superficie externa (41) de la lamina de YSZ (4) se encuentran serigrafiados dos pads (23, 33) de conexion. Uno de los pads (23) contacta con la pista externa (21) y el otro pad (33) contacta con la pista interna (31) a traves de una via metalica (32) que atraviesa la lamina de YSZ (4).
La pista conductora (21) externa se alsla tanto del gas a medir como de la lamina de YSZ (4) mediante dos capas serigrafiadas de alumina (5). El electrodo (3) interno y la pista conductora (31) interna estan situados en un canal de referencia (6) formado por dos capas de YSZ (61, 62), la primera de ellas (61) con un canal (6) troquelado y la segunda (62) cubriendo dicho canal. A traves de este canal (6) entra aire limpio, el cual sirve como gas de referencia con proportion de oxlgeno constante.
A continuacion de la anterior capa de YSZ (62) se encuentra emplazado un conjunto formado por un calefactor (7) aislado por dos capas serigrafiadas de alumina (81, 82). Este calefactor (7) esta configurado por un pista que se divide por una parte en una section de calentamiento (75), la cual esta configurada en forma de meandros y situada en la zona de medicion (12), y por otra parte una seccion de alimentation (74), la cual esta configurada por dos pistas (71) que contactan cada extremo de la seccion de calentamiento (75) con sus respectivas vlas (72) situadas en la zona de conexion (11). Una ultima capa de YSZ (9) refuerza la sujecion del conjunto (7, 8) a la anterior capa de YSZ (62). La capa mas externa de alumina (82) esta disenada para que no tape las vlas (72), por lo que estas solamente atraviesan la ultima capa de YSZ (9) hasta contactar con los respectivos pads (73).
El material que forma la seccion de calentamiento (75) es unicamente platino, mientras que en este ejemplo concreto las pistas conductoras (21, 31, 71), las vlas (32, 72) y los pads (23, 33, 73) de todo el sensor de gas (1) estan hechos unicamente de paladio.
El grosor de las dos capas de alumina (81, 82) que embeben al calefactor (7) es 1,5 veces el grosor de este, lo que evita grietas y delaminacion entre las dos capas de alumina (81, 82).

Claims (13)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sensor de gas (1) que comprende al menos una lamina de YSZ (circonia establizada
    con itrio), al menos dos electrodos (2, 3) situados a cada lado de la lamina de YSZ (4), unas
    pistas conductoras (21, 31) que contactan con cada electrodo (2, 3), un calefactor (7)
    compuesto por una seccion de calentamiento (75) configurada por una pista con forma de meandros y por una seccion de alimentacion (74) configurada por dos pistas conductoras (71) que contactan con cada extremo de la seccion de calentamiento (75), dos capas de alumina
    (81, 82) que embeben el calefactor (7), pads de conexion (23, 33, 73) comunicados
    electricamente con las pistas conductoras (21, 31, 71) por contacto directo o a traves de vlas metalicas (32, 72), caracterizado porque el material que forma la seccion de calentamiento (75) es unicamente platino, mientras que la seccion de alimentacion (74) contiene paladio.
  2. 2. Sensor de gas segun la reivindicacion 1, caracterizado porque las pistas (21, 31) que contactan con los electrodos (2, 3) contienen paladio.
  3. 3. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los pads (23, 33, 73) contienen paladio.
  4. 4. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las vlas (32, 72) contienen paladio.
  5. 5. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la seccion de alimentacion (74) del calefactor (7) esta hecha de al menos una quinta parte de paladio.
  6. 6. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las pistas (21, 31) estan hechas de al menos una quinta parte de paladio.
  7. 7. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los pads (23, 33, 73) estan hechos de al menos una quinta parte de paladio.
  8. 8. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las vlas (32, 72) estan hechas de al menos una quinta parte de paladio.
  9. 9. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la seccion de alimentacion (74) del calefactor (7) es de paladio.
  10. 10. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las pistas (21, 31) son de paladio.
  11. 11. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los pads (23, 33, 73) son de paladio.
  12. 12. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las vlas (32, 72) son de paladio.
  13. 13. Sensor de gas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grosor de las dos capas de alumina (81, 82) que embeben al calefactor (7) es como maximo el doble que el grosor del calefactor (7).
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4697165A (en) * 1984-11-01 1987-09-29 Ngk Insulators, Ltd. Ceramic heater and a method of manufacturing the same
EP1219960A1 (en) * 2000-12-19 2002-07-03 Delphi Technologies, Inc. Heater patterns for planar gas sensors

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