DE10045550A1

DE10045550A1 - Ausgangssignaleinstellverfahren für Gasfühler

Info

Publication number: DE10045550A1
Application number: DE10045550A
Authority: DE
Inventors: Keigo Moriguchi; Makoto Nakae
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2001-08-09
Also published as: JP2001153835A; US20030201193A1; US6569303B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Ausgangssignals eines Gasfühlerelements. Das Gasfühlerelement (1) umfasst eine Aufschichtung eines Festelektrolytkörpers (12), einer Zielgaselektrode (121), einer Bezugsgaselektrode (122) und einer Diffusionswiderstandsschicht (11), in der ein zu messendes Zielgas diffundiert. Die Zielgaselektrode (121) ist dem Zielgas ausgesetzt und auf einer ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers (12) angeordnet. Die Bezugsgaselektrode (122) ist einem Bezugsgas ausgesetzt und auf einer zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers (12) angeordnet. Die Diffusionswiderstandsschicht (11) ist auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers (12) angeordnet. Die Zielgaselektrode (121) und die Bezugsgaselektrode (122) erzeugen ein Fühlerausgangssignal. Die Einstellung des Fühlerausgangssignals wird dadurch erreicht, dass eine Diffusionslänge des Zielgases in der Diffusionswiderstandsschicht (11) als Funktion des einzustellenden Werts des Fühlerausgangssignals verkürzt wird, indem beispielsweise ein Abschnitt (DELTAt) der Diffusionswiderstandsschicht (11) entfernt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Einstellen eines Ausgangssignals eines Gasfühlerelements, das zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors eingesetzt werden kann.

Ein typisches zur Steuerung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses von Kraftfahrzeugen eingesetztes Gasfühler element umfasst einen Festelektrolytkörper aus einem Sauerstoffionen leitenden Material, eine Zielgaselektrode und eine Bezugsgaselektrode sowie eine Diffusionswider standsschicht. Die Diffusionswiderstandsschicht ist auf einer Oberfläche der Zielgaselektrode angeordnet, die einem zu messenden Zielgas ausgesetzt ist. Das Zielgas erreicht somit die Zielgaselektrode über die Diffusionswiderstands schicht.

Wenn an die Zielgaselektrode und die Bezugsgaselektrode eine Spannung angelegt wird, ist der durch diese Elektroden bestimmte Strom als Funktion der Anzahl der durch die Diffusionswiderstandsschicht hindurchgehenden Sauerstoff moleküle bestimmt. Sofern die Sauerstoffkonzentration in dem Zielgas konstant ist, zeigt der durch die Elektroden fließende Strom daher bei einem gegebenen Wert eine Sättigungskennlinie.

Fig. 16 stellt die Beziehung zwischen der Spannung, die an die Zielgaselektrode und an die Bezugsgaselektrode angelegt ist, und dem von den Elektroden abgegriffenen Strom ausgangssignal für verschiedene Sauerstoffkonzentrationen a bis d (a < b < c < d) dar. Die Zeichnung zeigt, dass das Anlegen einer geeigneten Spannung, z. B. einer Spannung V, an die Zielgaselektrode und an die Bezugsgaselektrode den Strom als Funktion der Sauerstoffkonzentration durch die Elektroden fließen lässt. Bei einer Sauerstoffkonzentration von zum Beispiel a fließt ein Strom Ia durch die Elektroden. Auf diesem Prinzip beruht die Messung der Sauerstoffkonzentration bei dem oben genannten Gasfühler element.

Wenn jedoch die Gasfühlerelemente der obigen Bauart in Masse gefertigt werden, können zwischen den einzelnen Einheiten Kennlinienabweichungen auftreten. Falls zwischen den Einheiten keine Abweichung auftritt, führt das Anlegen einer Spannung an die Zielgaselektrode und die Bezugsgas elektrode der Gasfühlerelemente, das einem Zielgas mit einer Sauerstoffkonzentration a ausgesetzt ist, jeweils zu einem wie in Fig. 16 gezeigten, von den Elektroden erzeugten Strom Ia. Wenn zwischen den Einheiten jedoch eine Abweichung auftritt, zeigen die Gasfühlerelemente eine wie in Fig. 17 gezeigte Verteilung. Dabei erzeugen einige der Gasfühlerelemente Ströme außerhalb des Bereichs ΔIa, was zu Messfehlern führt, die in der praktischen Anwendung nicht tolerierbar sind.

Um den durch Produktionsfehler verursachten Abweichungen der Gasfühlerelemente zu begegnen, wird in der zweiten Offenlegungsschrift des japanischen Gebrauchsmusters Nr. 7-27391 die Verwendung einer Korrekturschaltung vorge schlagen, die den Ausgangssignalstrom jedes Gasfühler elements korrigiert. Diese Vorgehensweise führt jedoch zu einem insgesamt komplexen Schaltungsaufbau des Gasfühlers und zu einer Erhöhung der Herstellungskosten.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und kostengünstiges Einstellverfahren zur Einstellung eines Ausgangssignals eines Gasfühlers bereitzustellen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist folgendes Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren zum Einstellen eines Fühlerausgangssignals eines Gasfühlerelements vorgesehen: Das Gasfühlerelement umfasst eine Aufeinander schichtung eines Festelektrolytkörpers, einer Zielgas elektrode, einer Bezugsgaselektrode und einer Diffusions widerstandsschicht, in der ein zu messendes Zielgas diffundiert. Die Zielgaselektrode ist dem Zielgas ausgesetzt und auf einer ersten Oberfläche des Fest elektrolytkörpers angeordnet. Die Bezugsgaselektrode ist einem Bezugsgas ausgesetzt und auf einer zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet. Die Diffusionswider standsschicht ist auf der ersten Oberfläche des Fest elektrolytkörpers angeordnet. Die Zielgaselektrode und die Bezugsgaselektrode erzeugen das Fühlerausgangssignal. Die Einstellung des Fühlerausgangssignals wird durch Verkürzen einer Diffusionslänge des Zielgases in der Diffusionswider standsschicht als Funktion eines einzustellenden Werts des Fühlerausgangssignals erreicht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird die Verkürzung der Diffusionslänge durch Entfernen eines Abschnitts der Diffusionswiderstandsschicht erreicht.

Die Diffusionswiderstandsschicht umfasst eine poröse Schicht und eine dichte Schicht. Die Verkürzung der Diffusionslänge kann durch Entfernen eines Abschnitts der porösen Schicht erreicht werden.

Die Diffusionswiderstandsschicht kann auch nur die poröse Schicht umfassen.

Die Verkürzung der Diffusionslänge kann wahlweise auch durch Entfernen eines Abschnitts der dichten Schicht erreicht werden, um so die Fläche der dem Zielgas ausge setzten porösen Schicht zu verbreitern.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist folgen des Gasfühlausgangssignaleinstellverfahren zum Einstellen eines Fühlerausgangssignals eines Gasfühlerelements vorgesehen: Das Gasfühlerelement umfasst eine Aufschichtung eines Festelektrolytkörpers, einer Zielgaselektrode, einer Bezugsgaselektrode und einer Diffusionswiderstandsschicht, in der ein zu messendes Zielgas diffundiert. Die Zielgas elektrode ist dem Zielgas ausgesetzt und auf einer ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet. Die Bezugsgaselektrode ist einem Bezugsgas ausgesetzt und auf einer zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet. Die Diffusionswiderstandsschicht ist auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet. Die Zielgaselektrode und die Bezugsgaselektrode erzeugen das Fühlerausgangssignal. Die Einstellung des Fühlerausgangs signals wird dadurch erreicht, dass ein Gasdiffusions querschnitt der Diffusionswiderstandsschicht, innerhalb der das Zielgas diffundiert, als Funktion eines einzustellenden Werts des Fühlerausgangssignals verkleinert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung umfasst die Diffusionswiderstandsschicht eine poröse Schicht und eine dichte Schicht. Die Verkleinerung des Gasdiffusions querschnitts der Diffusionswiderstandsschicht wird dadurch erreicht, dass eine Oberfläche der dem Zielgas ausgesetzten porösen Schicht teilweise versiegelt wird.

Die Verkleinerung des Gasdiffusionsquerschnitts der Diffusionswiderstandsschicht kann wahlweise auch durch Ausbilden einer Vielzahl von zu der porösen Schicht führenden Ausgangssignaleinstelllöchern in der dichten Schicht und Versiegeln einer gegebenen Anzahl der Ausgangs signaleinstelllöcher als Funktion des einzustellenden Werts des Fühlerausgangssignals erreicht werden.

Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist folgen des Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren zum Einstellen eines Fühlerausgangssignals eines Gasfühlerelements vorgesehen: Das Gasfühlerelement umfasst eine Aufschichtung eines Festelektrolytkörpers, einer Zielgaselektrode, einer Bezugsgaselektrode und einer Diffusionswiderstandsschicht, in der ein zu messendes Zielgas diffundiert. Die Zielgas elektrode ist dem Zielgas ausgesetzt und auf einer ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet. Die Bezugsgaselektrode ist einem Bezugsgas ausgesetzt und auf einer zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet. Die Diffusionswiderstandsschicht weist eine dem Zielgas ausgesetzte Außenfläche, eine zu der Außenfläche entgegengesetzte und auf der ersten Oberfläche des Fest elektrolytkörpers angeordnete Innenfläche und zwischen der Außen- und der Innenfläche ausgebildete Seitenflächen auf, die Seitenflächenabschnitte der Aufschichtung definieren. Die Zielgaselektrode und die Bezugsgaselektrode erzeugen das Fühlerausgangssignal. Die Einstellung des Fühler ausgangssignals wird durch Verkürzen einer Diffusionslänge des Zielgases in der Diffusionswiderstandsschicht als Funktion eines einzustellenden Werts des Fühlerausgangs signals erreicht, indem schräg zu mindestens einer der Seitenflächen der Aufschichtung ein Abschnitt der Diffusionswiderstandsschicht entfernt wird.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgt nun eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, die jedoch keineswegs als einschränkend anzusehen sind, sondern lediglich zur Erläuterung und zum Verständnis dienen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1(a) eine Teildraufsicht auf ein Gasfühlerelement, dessen Ausgangssignal durch ein erfindungsgemäßes Verfahren eingestellt ist;

Fig. 1(b) eine vertikale Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1(a);

Fig. 2 eine vertikale Teilschnittansicht eines Gasfühler elements;

Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht eines Gasfühler elements;

Fig. 4 eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang einer entfernten Dicke eines Gasfühlerelements und eines entsprechenden Ausgangssignalstroms zeigt;

Fig. 5 eine grafische Darstellung, die eine Abweichung des Ausgangssignalstroms bei in Masse gefertigten Gasfühler elementen zeigt;

Fig. 6 eine Perspektivansicht eines Gasfühlerelements, dessen Ausgangssignal durch ein Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung eingestellt ist;

Fig. 7 eine vertikale Schnittansicht von Fig. 6;

Fig. 8 eine grafische Darstellung, die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel den Zusammenhang einer entfernten Dicke eines Gasfühlerelements und eines entsprechenden Ausgangs signalstroms zeigt;

Fig. 9 eine vertikale Schnittansicht eines Gasfühler elements, dessen Ausgangssignal durch eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels eingestellt ist;

Fig. 10 eine vertikale Schnittansicht eines Gasfühler elements, dessen Ausgangssignal durch ein Verfahren gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung eingestellt ist;

Fig. 11 eine vertikale Schnittansicht eines Gasfühler elements, dessen Ausgangssignal durch ein Verfahren gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung eingestellt ist;

Fig. 12(a) eine Teildraufsicht auf ein Gasfühlerelement, dessen Ausgangssignal durch ein Verfahren gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung eingestellt ist;

Fig. 12(b) eine vertikale Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 12(a);

Fig. 13(a) eine Teildraufsicht auf ein Gasfühlerelement, dessen Ausgangssignal durch ein Verfahren gemäß einer Abwandlung des fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung eingestellt ist;

Fig. 13(b) eine vertikale Schnittansicht entlang der Linie C-C in Fig. 13(a);

Fig. 14(a) eine Teildraufsicht auf ein Fühlerelement gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 14(b) eine vertikale Schnittansicht entlang der Linie D-D in Fig. 14(a);

Fig. 15(a) eine Teildraufsicht auf ein Fühlerelement gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 15(b) eine vertikale Schnittansicht entlang der Linie E-E in Fig. 15(a);

Fig. 16 eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Spannung, die an einer Zielgaselektrode und einer Bezugsgaselektrode eines herkömmlichen Fühlerelements angelegt ist, und dem an den Elektroden abgegriffenen Stromausgangssignal bei unterschiedlichen Sauerstoff konzentrationen a bis d (a < b < c < d) zeigt; und

Fig. 17 eine grafische Darstellung, die eine Abweichung des Ausgangssignalstroms in Masse gefertigter herkömmlicher Gasfühlerelemente zeigt.

In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile in verschiedenen Ansichten bezeichnen, zeigen die Fig. 1(a) und 1(b) einen Gasfühlers, dessen Ausgangs signal durch ein Ausgangssignaleinstellverfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gesteuert ist.

Der Gasfühler kann mit einem Fahrzeugsteuerungssystem verwendet werden, das so ausgelegt ist, dass es die in einen Verbrennungsmotor eingespritzte Kraftstoffmenge als Funktion der Konzentration eines in Abgasen enthaltenen Gases wie Sauerstoff oder Stickoxid, die durch den Gasfühler gemessen wird, regelt, um das Luft-Kraftstoff- Verhältnis in Übereinstimmung mit einem Zielwert zu bringen. Der Gasfühler kann aber auch zur Messung der Konzentration von CO oder HC ausgelegt sein.

Der Gasfühler umfasst ein Gasfühlerelement 1, das sich, wie in den Fig. 1(a) und 1(b) gezeigt ist, aus einem Fest elektrolytkörper 12, einer Bezugsgaselektrode 122, einer Zielgaselektrode 121 und einer Diffusionswiderstandsschicht 11 aufbaut. Die Zielgaselektrode 121 und die Bezugsgas elektrode 122 sind auf entgegengesetzten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 12 ausgebildet. Die Diffusionswider standsschicht 11 ist auf der Oberfläche des Festelektrolyt körpers 12 ausgebildet, sodass sie dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, das im Folgenden als Zielgas bezeichnet wird. Die Diffusionswiderstandsschicht 11 kann wahlweise auch so angeordnet sein, dass sie nur die Zielgaselektrode 121 bedeckt.

Die Einstellung eines Ausgangssignals des Gasfühlerelements 1 wird durch Verkürzen der Diffusionslänge des Zielgases in der Diffusionswiderstandsschicht 11 erreicht, d. h. durch Entfernen einer gewünschten Dicke Δt von jeder Seitenfläche 101 des Gasfühlerelements 1 senkrecht dazu.

Das Gasfühlerelement 1 ist, wie in Fig. 1(b) zu erkennen ist, ein flaches Element, das durch Aufschichtung eines Heizsubstrats 14 aus beispielsweise einem Keramikmaterial, eines isolierenden Abstandshalters 13, des Festelektrolyt körpers 12 und der Diffusionswiderstandsschicht 11 aufgebaut ist. Auf dem Heizsubstrat 14 ist ein Heizelement 140 angeordnet, das bei Strombeaufschlagung Wärme erzeugt. Der isolierende Abstandshalter 13 weist in sich eine Bezugsgaskammer 130 auf, die der Umgebungsluft ausgesetzt ist, damit die Luft als Bezugsgas eingeleitet wird. Der Festelektrolytkörper 13 besteht aus einem Sauerstoffionen leitenden Material wie etwa einem Keramikmaterial und weist, wie vorstehend beschrieben wurde, auf seinen entgegengesetzten Oberflächen ausgebildet die Elektroden 121 und 122 auf. Die Diffusionswiderstandsschicht 11 ist auf dem Festelektrolytkörper 12 ausgebildet, sodass sie die gesamte Elektrode 121 bedeckt, und besteht beispielsweise aus einem Keramikmaterial.

Die Diffusionswiderstandsschicht 11 befindet sich auf einem Abschnitt des Gasfühlerelements 1, der einem Zielgas ausgesetzt ist, dessen Konzentration zu messen ist, und besteht aus einer Aufschichtung einer dichten Schicht 111 und einer porösen Schicht 112. Die dichte Schicht 111 ist so ausgelegt, dass sie das Zielgas nicht durch sich hindurch lässt, während die poröse Schicht 112 den Durch gang des Zielgases erlaubt.

Auf dem Heizsubstrat 14 sind, wie in Fig. 3 gezeigt ist, das Heizelement 140, eine Heizleitung 141 und Heiz anschlüsse 145 und 146 angeordnet. Auf der Rückseite des Heizsubstrats 14 sind außerdem (nicht gezeigte) Außen anschlüsse ausgebildet, die die Heizanschlüsse 145 und 146 jeweils mit einer (nicht gezeigten) Stromversorgung verbinden.

Auf dem Festelektrolytkörper 12 sind Leitungen 123 und 124, ein Innenanschluss 126, Außenanschlüsse 125 und 128 und ein Durchgangsloch 127 angeordnet. Die Leitung 123 verbindet die Zielgaselektrode 121 und den Außenanschluss 125. Die Leitung 124 verbindet die Bezugsgaselektrode 122 und den Innenanschluss 126. Der Innenanschluss 126 ist elektrisch mit dem Außenanschluss 128 über das Loch 127 verbunden. Die Außenanschlüsse 125 und 128 sind mit einer (nicht gezeigten) externen Spannungsquelle verbunden. Das Anlegen einer Spannung an die Außenanschlüsse 125 und 128 führt dazu, dass das Gasfühlerelement 1 als Funktion der Gas konzentration einen Ausgangssignalstrom erzeugt.

Der Weg des in dem Gasfühlerelement 1 diffundierenden Zielgases ist in Fig. 2 gezeigt.

Das Zielgas tritt von der Seitenfläche 101 des Gasfühler elements 1 in die poröse Schicht 112 ein, bewegt sich in der porösen Schicht 112 wie durch den Pfeil gezeigt und erreicht die Zielgaselektrode 121. Genauer gesagt gibt der Pfeil in Fig. 2 den Diffusionsweg an. Der Abstand zwischen der Seitenfläche 101 und der Zielgaselektrode 121 entspricht der Diffusionslänge.

Die Verkürzung der Diffusionslänge führt dazu, dass das Ausgangssignals des Gasfühlerelements 1 zunimmt.

Die Einstellung des Ausgangssignals des Gasfühlerelements 1 erfolgt also, wie vorstehend beschrieben ist, durch Entfernen der gewünschten Dicke Δt von jeder Seitenwand 101 des Gasfühlerelements 1, d. h. von den Seiten des Heiz substrats 14, des Abstandhalters 13, des Festelektrolyt körpers 12 und der Diffusionswiderstandsschicht 11 in einer Richtung senkrecht zu den Seitenwänden 101. Das Entfernen erfolgt, indem unter Verwendung eines Schleifsteins aus Diamantpulver, wie in den Fig. 1(a) und 1(b) gezeigt ist, lediglich Seitenabschnitte des Gasfühlerelements 1 bearbeitet werden, in denen die Diffusionswiderstands schicht 11 angeordnet ist. Um einen Bruch des Gasfühler elements 1 während des Schleifens oder der Verwendung zu vermeiden, verjüngt sich ein Vorderabschnitt des Gasfühler elements 1 nahe der Grenze 190 zwischen dem Vorderabschnitt und einem Hinterabschnitt des Gasfühlerelements 1, der keine Diffusionswiderstandsschicht aufweist. Das Entfernen der Seitenabschnitte des Gasfühlerelements 1 kann wahlweise auch unter Verwendung eines Lasers oder chemischer Ätz techniken erfolgen.

Falls das gewünschte Maß, um das das Ausgangssignal des Gasfühlerelements 1 einzustellen ist, nicht groß ist, kann auch nur eine der Seitenflächen 101 des Gasfühlerelements 1 entfernt werden.

Es folgt eine Beschreibung des Herstellungsverfahrens des Gasfühlerelements 1.

Zunächst werden unter Verwendung von Keramikmaterial und Bindemittel eine Heizsubstratlage, eine Abstandshalter votform, eine Festelektrolytkörperlage, eine poröse Schichtlage und eine Versiegelungsschichtlage angefertigt.

Auf die Heizsubstratlage werden wie in Fig. 3 gezeigt das Heizelement 140, die Heizleitungen 141, die Anschlüsse 145 und 146 und die (nicht gezeigten) mit der Stromversorgung zu verbindenden Außenanschlüsse aufgedruckt. Auf der Fest elektrolytkörperlage werden die Elektroden 121 und 122, die Leitungen 123 und 124 und die Anschlüsse 125, 126 und 128 aufgedruckt. Anschließend werden die Heizsubstratlage, die Abstandshaltervorform, die Festelektrolytkörperlage, die poröse Schichtlage und die Versiegelungsschichtlage zu einer Aufschichtung zusammengepresst.

Die auf diese Weise ausgebildete Aufschichtung wird in einem Ofen entsprechend einem gegebenen Temperaturprofil gebrannt, um das Gasfühlerelement 1 herzustellen.

Anschließend wird ein Ausgangssignal des Gasfühlerelements 1 auf die folgende Weise eingestellt.

Das Gasfühlerelement 1 wird zunächst an eine Prüfschaltung angeschlossen. An die Zielgaselektrode 121 und die Bezugs gaselektrode 122 wird, während diese einem Gas mit einer ausgewählten Sauerstoffkonzentration ausgesetzt sind, eine Spannung angelegt. Es wird ein Ausgangssignalstrom des Gasfühlerelements 1 gemessen und mit einer tabellarischen Auflistung des Zusammenhangs zwischen einem Schleifbetrag (d. h. einer entfernten Dicke) und einer Stromänderung verglichen, um für jede Seite des Gasfühlerelements 1 die zu entfernende Dicke in beispielsweise Millimetereinheiten zu bestimmen.

Unter Verwendung eines Schleifsteins aus Diamantpulver wird schließlich jede Seite des Gasfühlerelements 1 unter Entfernung der festgelegten Dicke bearbeitet, um das Ausgangssignal des Gasfühlerelements 1 in Übereinstimmung mit einem Zielwert zu bringen.

Nachstehend wird erklärt, wie die obige Tabelle aufgestellt wird.

Zunächst wird ein Prüfkörper des Gasfühlerelements 1 angefertigt. Dann wird die Änderung des Ausgangssignal stroms gemessen, während jede Seitenwand 101 des Prüf körpers geschliffen wird.

Der Ausgangssignalstrom ist der beim Anlegen einer gegebenen Spannung an die Elektroden 121 und 122 gemessene Strom. Das Ausgangssignal des Gasfühlerelements 1, das gemessen wird, wenn keine Spannung angelegt ist, ist als Bezugsausgangssignal definiert. Die entfernte Dicke Δt jeder Seitenfläche 101 und die entsprechende Änderung des Ausgangssignalstroms werden wie in Fig. 4 gezeigt aufge tragen, um die Tabelle aufzustellen.

Es folgt eine Beschreibung der Funktion des Gasfühler elements 1.

Das Anlegen einer gegebenen Spannung an die Zielgas elektrode 121 und die Bezugsgaselektrode 122 führt dazu, dass der Strom durch die Elektroden 121 und 122 fließt. Der Strom bestimmt sich als Funktion der Anzahl an Sauerstoff molekülen, die durch die Diffusionswiderstandsschicht 11 hindurchgehen.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, entspricht die Diffusionslänge des Zielgases in der Diffusionswiderstandsschicht 11 der Länge des sich von jeder Seitenfläche 101 zu der Zielgas elektrode 121 erstreckenden Wegs. Die Verkürzung der Diffusionslänge wird daher allein dadurch erreicht, dass die Dicke Δt von jeder Seitenfläche 101 entfernt wird, was zu einer Zunahme des durch die Elektroden 121 und 122 fließenden Ausgangssignalstroms führt.

Für den Fall, dass die Spannung V an einer Vielzahl von in Masse gefertigten Fühlerelementen 1 angelegt wird, wird bei einer Sauerstoffkonzentration a in dem Zielgas die mit G in Fig. 5 bezeichnete Verteilung an Ausgangssignalströmen erhalten, die über Ia einen zulässigen Messbereich ΔIa beschreibt. Die Seitenflächen einiger Fühlerelemente 1, die Stromausgangssignale innerhalb des durch die schraffierten Linien gekennzeichneten Bereichs erzeugen, werden dann um die Dicke Δt geschliffen, um die Diffusionslänge zu verkürzen. Dies führt dazu, dass sich die Verteilung ihrer Stromausgangssignale wie durch G' gekennzeichnet über Ia' ändert, wodurch die Abweichung der Stromausgangssignale der Fühlerelemente 1 in den zulässigen Messbereich ΔIa fällt. Genauer gesagt gleicht diese Einstellung eine Abweichung zwischen einzelnen Einheiten der in Masse gefertigten Fühlerelemente 1 aus, was zu geringen Kosten die Herstellung von Fühlerelementen 1 mit gewünschten Ausgangs signalkennwerten ermöglicht.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 9 folgt nun die Beschreibung des Ausgangssignaleinstellverfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Um das Ausgangssignal des Gasfühlerelements 1 bei diesem Ausführungsbeispiel einzustellen, wird, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, die Diffusionslänge der Diffusions widerstandsschicht 11 dadurch eingestellt, dass die Ecke C jeder Seitenfläche 101 der Diffusionswiderstandsschicht 11 abgeschrägt wird, sodass die abgeschrägten Seitenflächen 101 jeweils einen Winkel θ mit der Seitenfläche vor der Abschrägung (d. h. mit der Seitenflächen 101 des isolieren den Abstandshalters 13) bilden. Die Maximaldicke des von jeder Seitenfläche 101 entfernten Abschnitts beträgt Δt. Falls keine größere Anpassung des Ausgangssignals des Gasfühlerelements 1 erforderlich ist, kann auch nur eine der Seitenflächen 101 des Gasfühlerelements 1 entfernt werden.

Fig. 8 stellt den Zusammenhang zwischen der entfernten Dicke Δt jeder Seitenfläche 101 und einer entsprechenden Änderung des Ausgangssignalstroms des Gasfühlerelements 1 dar, die auf ähnliche Weise wie bei Fig. 4 diskutiert gemessen wird. Es wurde festgestellt, dass die Dicke Δt zwischen 0 bis 0,6 mm gewählt werden kann und dass sich der Ausgangssignalstrom des Gasfühlerelements 1 um immerhin 40% ändert, wenn die Seitenflächen 101 um 0,6 mm entfernt werden. Genauer gesagt ermöglicht die Abschrägung der Seitenflächen 101 der Diffusionswiderstandsschicht 11, das Ausgangssignal des Gasfühlerelements 1 in einem großen Bereich einzustellen, und führt außerdem zu einer deutlichen Volumenverringerung der Diffusionswiderstands schicht 11, sodass die Diffusionslänge des Zielgases in der Diffusionswiderstandsschicht stärker verkürzt wird und die Herstellung eines schnell ansprechenden Gasfühlerelements 1 ermöglicht wird.

Wie in Fig. 9 gezeigt ist, kann die Verkürzung der Diffusionslänge der Diffusionswiderstandsschicht 11 wahl weise auch dadurch erreicht werden, dass nur die Seiten flächen 101 der Diffusionswiderstandsschicht 11 senkrecht dazu um die Dicke Δt geschliffen werden. Falls keine starke Anpassung des Ausgangssignals des Gasfühlerelements 1 erforderlich ist, kann auch nur eine der Seitenflächen 101 des Gasfühlerelements 1 entfernt werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 10 folgt nun die Beschreibung des Ausgangssignaleinstellverfahrens gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Verkürzung der Diffusionslänge der Diffusionswiderstandsschicht 11 dadurch erreicht, dass die Seitenflächen 101 von nur der porösen Schicht 112 senkrecht dazu um die Dicke Δt geschliffen werden. Falls keine starke Anpassung des Ausgangssignals des Gasfühlerelements 1 erforderlich ist, kann auch nur eine der Seitenflächen 101 des Gasfühlerelements 1 entfernt werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 11 folgt nun die Beschreibung des Ausgangssignaleinstellverfahrens gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Diffusionswider standsschicht 11 des Fühlerelements aus lediglich der porösen Schicht 112. Das Zielgas diffundiert daher von der Oberseite 119 der porösen Schicht 112 zu der Zielgas elektrode 121. Um das Ausgangssignal des Gasfühlerelements 11 einzustellen, kann die Verkürzung der Diffusionslänge des Diffusionswiderstands 11 dementsprechend dadurch erreicht werden, dass die poröse Schicht 112 in ihrer Dickenrichtung, d. h. parallel zu der Oberseite 119, geschliffen wird.

Es folgt nun unter Bezugnahme auf die Fig. 12(a) bis 13(b) die Beschreibung des Ausgangssignaleinstellverfahrens gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel.

Die Verkürzung der Diffusionslänge wird dadurch erreicht, dass ein Teil der dichten Schicht 111 der Diffusionswider standsschicht 11 entfernt wird.

Genauer gesagt wird, wie in den Fig. 12(a) und 12(b) deutlich zu erkennen ist, ein rechteckiges Fenster 161 in der dichten Schicht 111 ausgebildet, das die poröse Schicht 112 erreicht. Das Fenster 161 dient dazu, das Zielgas, wie durch den Pfeil in Fig. 12(b) angegeben ist, zu der porösen Schicht 112 gelangen zu lassen, wodurch die Diffusionslänge um den Abstand Δm zwischen der Seitenfläche 101 des Gas fühlerelements 1 und dem Fenster 161 verkürzt wird.

Wie in den Fig. 13(a) und 13(b) gezeigt ist, kann in der dichten Schicht 111 wahlweise auch ein Aussparungsabschnitt 162 ausgebildet werden, der die poröse Schicht 112 erreicht. Der Aussparungsabschnitt 162 lässt, wie durch den Pfeil in Fig. 13(b) angegeben ist, das Zielgas zu der porösen Schicht 112 gelangen, wodurch die Diffusionslänge um einen Abstand Δn zwischen der Seitenfläche 101 des Gasfühlerelements 1 und dem Aussparungsabschnitt 162 verkürzt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 14(a) und 14(b) erfolgt nun die Beschreibung des Ausgangssignaleinstellverfahrens gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel.

Die Verkürzung der Diffusionslänge wird bei diesem Ausfüh rungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Seitenfläche der Diffusionswiderstandsschicht 11 verkleinert wird, an der das Zielgas eintritt.

Genauer gesagt wird auf einer der Seitenflächen 101 ein Abschirmelement 171 angebracht, um die Seitenfläche der Diffusionswiderstandsschicht 11 (d. h. der porösen Schicht 112) zu verkleinern, wodurch die Querschnittsfläche der Diffusionswiderstandsschicht 11 verkleinert wird, innerhalb der das Zielgas diffundiert. Dies führt zu einer Verringerung des in die Diffusionswiderstandsschicht 11 eindringenden Zielgasvolumens, sodass der Ausgangssignal strom des Gasfühlerelements 1 verringert wird.

Die Länge Δl des Abschirmabschnitts 171 ist als Funktion des gewünschten Werts des anzupassenden Ausgangssignal stroms des Gasfühlerelements 1 bestimmt. Der Abschirm abschnitt 171 besteht aus einem Kristallglas, das ein Eindringen des Zielgases verhindert und das vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der nahe an dem der porösen Schicht 112 liegt, um die Entstehung von Wärmespannungen zu vermeiden.

Das Abschirmelement 171 kann auch auf beiden Seitenflächen 101 aufgebracht werden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 15(a) und 15(b) folgt nun eine Beschreibung des Ausgangssignaleinstellverfahrens gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel.

Die Verkürzung der Diffusionslänge wird bei diesem Ausfüh rungsbeispiel wie bei dem sechsten Ausführungsbeispiel durch Verkleinerung der Querschnittsfläche der Diffusions widerstandsschicht 11 erreicht.

Genauer gesagt wird in der dichten Schicht 111 eine Anordnung von Ausgangssignaleinstelllöchern 175 gebildet, die zu der porösen Schicht 112 führen. Eine gewünschte Anzahl der Ausgangssignaleinstelllöcher 175 wird mit einem Kristallglas versiegelt, das ein Eindringen des Zielgases verhindert.

Wenn keines der Ausgangssignaleinstelllöcher 175 versiegelt ist, entspricht die Diffusionsquerschnittsfläche des Gasfühlerelements 1, innerhalb der das Zielgas diffundiert, der Summe der Fläche der porösen Schicht 112, die dem Zielgas zugewandt ist, und der Gesamtquerschnittsfläche der Ausgangssignaleinstelllöcher 175. Wenn eines der Ausgangs signaleinstelllöcher 175 geschlossen ist, verringert sich daher die Gasdiffusionsquerschnittsfläche des Gasfühler elements 1 um die Querschnittsfläche des einen Ausgangs signaleinstelllochs 175. Die Anzahl der zu schließenden Ausgangssignaleinstelllöcher 175 ist als Funktion des einzustellenden Werts des Ausgangssignalstroms bestimmt.

Über die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele hinaus sind innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung weitere Ausführungen und Abwandlungen möglich, ohne vom Erfindungsprinzip abzuweichen.

Claims

1. Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren mit den Schritten:
Herstellen eines Gasfühlerelements (1), das eine Aufschichtung umfasst eines Festelektrolytkörpers (12), einer Zielgaselektrode (121), einer Bezugsgaselektrode (122) und einer Diffusionswiderstandsschicht (11), in der ein zu messendes Zielgas diffundiert, wobei die Zielgas elektrode (121) dem Zielgas ausgesetzt ist und auf einer ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers (12) angeordnet ist, die Bezugsgaselektrode (122) einem Bezugsgas ausgesetzt ist und auf einer zweiten Oberfläche des Fest elektrolytkörpers (12) angeordnet ist, die Diffusionswider standsschicht (11) auf der ersten Oberfläche des Fest elektrolytkörpers (12) angeordnet ist und die Zielgas elektrode (121) und die Bezugsgaselektrode (122) ein Fühlerausgangssignal erzeugen; und
Verkürzen einer Diffusionslänge des Zielgases in der Diffusionswiderstandsschicht (11) als Funktion eines einzustellenden Werts des Fühlerausgangssignals.

2. Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren nach Anspruch 1, wobei das Verkürzen der Diffusionslänge durch Entfernen eines Abschnitts der Diffusionswiderstandsschicht (11) erreicht wird.

3. Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren nach Anspruch 1, wobei die Diffusionswiderstandsschicht (11) eine poröse Schicht (112) und eine dichte Schicht (111) umfasst und die Verkürzung der Diffusionslänge durch Entfernen eines Abschnitts der porösen Schicht (112) erreicht wird.

4. Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren nach Anspruch 1, wobei die Diffusionswiderstandsschicht (11) eine poröse Schicht (112) umfasst und die Verkürzung der Diffusions länge durch Entfernen eines Abschnitts der porösen Schicht (112) erreicht wird.

5. Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren nach Anspruch 1, wobei die Diffusionswiderstandsschicht (11) eine poröse Schicht (112) und eine dichte Schicht (111) umfasst und die Verkürzung der Diffusionslänge durch Entfernen eines Abschnitts der dichten Schicht (111) erreicht wird.

6. Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren mit den Schritten:
Herstellen eines Gasfühlerelements (1), das eine Aufschichtung umfasst eines Festelektrolytkörpers (12), einer Zielgaselektrode (121), einer Bezugsgaselektrode (122) und einer Diffusionswiderstandsschicht (11), in der ein zu messendes Zielgas diffundiert, wobei die Zielgas elektrode (121) dem Zielgas ausgesetzt ist und auf einer ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers (12) angeordnet ist, die Bezugsgaselektrode (122) einem Bezugsgas ausgesetzt ist und auf einer zweiten Oberfläche des Fest elektrolytkörpers (12) angeordnet ist, die Diffusionswider standsschicht (11) auf der ersten Oberfläche des Fest elektrolytkörpers (12) angeordnet ist und die Zielgas elektrode (121) und die Bezugsgaselektrode (122) ein Fühlerausgangssignal erzeugen; und
Verkleinern einer Gasdiffusionsquerschnittsfläche der Diffusionswiderstandsschicht (11), innerhalb der das Zielgas diffundiert, als Funktion eines einzustellenden Werts des Fühlerausgangssignals.

7. Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren nach Anspruch 6, wobei die Diffusionswiderstandsschicht (11) eine poröse Schicht (112) und eine dichte Schicht (111) umfasst und das Verkleinern der Gasdiffusionsquerschnittsfläche der Diffusionswiderstandsschicht (11) dadurch erreicht wird, dass eine dem Zielgas ausgesetzte Oberfläche (101) der porösen Schicht (112) teilweises versiegelt wird.

8. Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren nach Anspruch 6, wobei die Diffusionswiderstandsschicht (11) eine poröse Schicht (112) und eine dichte Schicht (111) umfasst und das Verkleinern der Gasdiffusionsquerschnittsfläche der Diffusionswiderstandsschicht (11) dadurch erreicht wird, dass in der dichten Schicht (111) eine Vielzahl von zu der porösen Schicht (112) führenden Ausgangssignaleinstell löchern (175) ausgebildet wird und eine gegebene Anzahl der Ausgangssignaleinstelllöcher (175) als Funktion des einzustellenden Werts des Fühlerausgangssignals versiegelt wird.

9. Gasfühlerausgangssignaleinstellverfahren, mit den Schritten:
Herstellen eines Gasfühlerelements (1), das eine Aufschichtung umfasst eines Festelektrolytkörpers (12), einer Zielgaselektrode (121), einer Bezugsgaselektrode (122) und einer Diffusionswiderstandsschicht (11), in der ein zu messendes Zielgas diffundiert, wobei die Zielgas elektrode (121) dem Zielgas ausgesetzt ist und auf einer ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers (12) angeordnet ist, die Bezugsgaselektrode (122) einem Bezugsgas ausgesetzt ist und auf einer zweiten Oberfläche des Fest elektrolytkörpers (12) angeordnet ist, die Diffusionswider standsschicht eine dem Zielgas ausgesetzte Außenfläche, eine zu der Außenfläche entgegengesetzte und auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers (12) angeordnete Innenfläche und zwischen der Außen- und der Innenfläche ausgebildete und Seitenflächenabschnitte der Aufschichtung definierende Seitenflächen (101) aufweist und die Zielgas elektrode (121) und die Bezugsgaselektrode (122) ein Fühlerausgangssignal erzeugen; und
Verkürzen einer Diffusionslänge des Zielgases in der Diffusionswiderstandsschicht (11) als Funktion des einzustellenden Werts des Fühlerausgangssignals, indem schräg zu mindestens einer der Seitenflächen (101) der Aufschichtung ein Abschnitt (C) der Diffusionswiderstands schicht (11) entfernt wird.