DE10051833C2 - Planares Gassensorelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein planares Gassensorelement zur Be­ stimmung von Gaskomponenten, insbesondere eine Lambda-Sonde zur Analyse von Verbrennungsabgassen von Verbrennungsmoto­ ren, nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Ein planares Gassensorelement, wie es beispielsweise als Lambda-Sonde bzw. Nernst-Sensor zur Analyse von Verbren­ nungsabgassen von Verbrennungsmotoren eingesetzt wird, ist in DE 197 46 516 A1 beschrieben. Dieses Sensorelement weist eine elektrochemische Messzelle mit einer flächig ausgebil­ deten Referenzelektrode auf, die über einen Referenzgaskanal mit einem Referenzgas, beispielsweise Luft, in Verbindung steht. Weiter ist dort eine flächig ausgebildete Außenelek­ trode bzw. Messelektrode als Gegenelektrode zu der Referen­ zelektrode vorgesehen, wobei die Referenzelektrode und die Außenelektrode über einen sauerstoffionenleitenden Festelek­ trolyten voneinander getrennt sind. Schließlich ist daraus bekannt, die Fläche der Außenelektrode größer als die Fläche der Referenzelektrode zu gestalten.

Eine alternative Ausführungsform eines derartigen planaren Sensorelements ist in DE 199 06 908 A1 beschrieben. Das dort vorgeschlagene Sensorelement weist neben einer Referenzelektrode und einer Messelektrode zusätzlich eine Pumpzelle mit einer Außenelektrode und einer Innenpumpelektrode auf.

Bei beiden vorgenannten planaren Gassensorelementen ist jeweils weiter vorgesehen, dass die Elektroden von einem integrierten Heizelement auf einer möglichst gleichmäßi­ gen Temperatur gehalten werden.

Nachteilig bei solchen Gassensorelemente ist, dass die auftretenden Nernstspannungen von der Temperatur des jeweiligen Abgases, der Abgasströmung und der Heizleistung des Heizelementes abhängig sind. Weiter tritt bei planaren Gassensoren mit einer Pump­ zelle gemäß DE 199 06 908 A1 teilweise das Problem unerwünschter Signalverzerrungen durch eine Polarisation der Elektroden der Pumpzelle auf. Diese Signalverzerrungen bzw. unerwünschten Elektrodenpolarisationen sind besonders bei gealterten Sonden im Be­ reich der Außenelektrode verstärkt zu beobachten.

Aus US 4,670,128 ist ein planares Gassensorelement mit einer elektrochemischen Zelle bekannt, wobei die Referenzelektrode und die Außenelektrode flächig ausgebildet sind, und wobei die Referenzelektrode mehrere, elektrisch leitend miteinander verbundene Teilflächen aufweist. In DE 196 09 323 A1 wird ein Sensorelement, insbesondere für ei­ nen elektrochemischen Messfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasen, beschrieben, bei dem eine erste Elektrode einem Messgas und eine zweite Elektrode ei­ nem Referenzgas ausgesetzt ist, wobei weiter eine Heizeinrichtung für das Sensorelement und einen zwischen der Heizeinrichtung und der zweiten Elektrode verlaufenden Refe­ renzgaskanal vorgesehen ist, und wobei der Referenzgaskanal im Bereich der Heizein­ richtung verzweigt ausgeführt ist.

Ein weiteres planares Gassensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten, insbe­ sondere in Form einer Lambda-Sonde zur Analyse von Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren, mit einer elektrochemischen Zelle ist auch aus DE 44 08 504 A1 bekannt. Hier werden die Referenzelektrode und die Außenelektrode, die jeweils flächig ausgebildet sind, durch einen ebenfalls flächig ausgebildeten, Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten voneinander getrennt. Daneben ist dort ein Heizelement vorgesehen, mit dem ein erster heißer Bereich und ein zweiter heißer Bereich erzeugbar sind. Schließlich wird in EP 0 480 076 A1 ein planares Gassensorelement zur Bestimmung von Gaskom­ ponenten beschrieben, das eine elektrochemische Zelle und eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, die flächig ausgebildet sind und durch einen flächig ausgebildeten, Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten voneinander getrennt werden. Weiter ist ein Heizelement vorgesehen, wobei sich die erste Elektrode in einem heißen Bereich und die zweite Elektrode in einem anderen heißen Bereich befindet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindungen war die Bereitstellung eines planaren Gassensor­ elementes, bei dem die Abhängigkeit der Nernstspannung von der Abgastemperatur, der Abgasströmung und der Heizleistung des Heizelementes vermindert ist, so dass sich ein gleichmäßigeres Ausgangssignal einstellt. Zudem soll eine unerwünschte Elektrodenpola­ risation vermindert oder unterdrückt werden.

Vorteile der Erfindung

Durch das Heizelement, das einen ersten heißen Bereich und einen zweiten heißen Be­ reich erzeugt, wobei sich die Referenzelektrode im Bereich des ersten heißen Bereiches und die Außenelektrode im Bereich des zweiten heißen Bereiches befindet, wird vorteil­ haft eine Erhöhung des Innenwiderstandes der elektrochemischen Zelle erreicht.

Insbesondere ist vorteilhaft, wenn der Weg zwischen Referenzelektrode und Außenelekt­ rode durch den sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten möglichst lang und gleichzeitig kalt gestaltet wird.

Zudem wird damit vorteilhaft erreicht, dass die hinsichtlich einer unerwünschten Elektro­ denpolarisation kritischen großflächigen Elektroden weniger polarisationsempfindlich sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist vorteilhaft, wenn sich die Elektrodenflächen von Außenelektrode und Referenz­ elektrode deutlich unterscheiden, wobei bevorzugt die Außenelektrode die größere Elekt­ rode ist, da dort, insbesondere beim Betrieb als Außenpumpelektrode in einer Pumpzelle, eine höhere Elektrodenpolarisation als an der Referenzelektrode zu erwarten ist.

Weiter ist vorteilhaft, wenn die verschiedenen Teilflächen der Referenzelektrode derart angeordnet sind, dass sich min­ destens eine der Teilflächen im Bereich eines heißen Berei­ ches eines in einer Umgebung der Referenzelektrode, insbe­ sondere darunter oder darüber, angeordneten Heizelementes befindet, und dass sich weiter mindestens eine der Teilflä­ chen zumindest weitgehend außerhalb dieses heißen Bereiches, d. h. in einem kalten Bereich, befindet.

Auf diese Weise wird die Temperaturabhängigkeit der auftre­ tenden Nernstspannung weiter gesenkt, da in einer solchen großflächigen und gleichzeitig geteilten Referenzelektrode stets kalte und heiße Stellen vorliegen.

Dadurch, dass die Fläche der Referenzelektrode gegenüber der Fläche der Außenelektrode deutlich kleiner ist, wird zudem erreicht, dass die von Außenelektrode, Referenzelektrode und sauerstoffionenleitendem Festelektrolyten gebildete Nernst­ zelle einen hohen Innenwiderstand aufweist, was eine Tempe­ raturregelung des planaren Gassensorelementes über den In­ nenwiderstand erleichtert.

Daneben ist vorteilhaft, wenn die Aufteilung der Referenze­ lektrode in mehrere, elektrisch leitend miteinander verbun­ dene Teilflächen derart erfolgt, dass diejenigen Teilflächen der Referenzelektrode, die sich zumindest weitgehend in dem heißen Bereich befinden, einen zumindest näherungsweise gleichen Innenwiderstand aufweisen wie diejenigen Teilflä­ chen, die sich zumindest weitgehend außerhalb des heißen Be­ reiches befinden. Zudem ist die Referenzelektrode in ihrer Fläche bevorzugt möglichst klein gehalten, so dass der In­ nenwiderstand der Nernstzelle insgesamt steigt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zuleitung zu der Außenelektrode und/oder die Zuleitung zu der Referenzelektrode gegenüber dem Stand der Technik verbreitert ausge­ führt ist, so dass der elektrische Widerstand der Zuleitungen möglichst gering ist.

Im Übrigen sei betont, dass die vorgeschlagene Modifikation der Referenzelektrode, d. h. die Aufteilung in mehrere Teilflächen, sowie die Anordnung der Referenzelektrode in ei­ nem ersten heißen Bereich und die Anordnung der Außenelektrode in einem zweiten hei­ ßen Bereich sowohl bei einem planaren Sensorelement gemäß DE 197 46 516 A1 als auch bei einem Sensorelement gemäß DE 199 06 908 A1, d. h. einem Sensorelement mit Pumpzelle, anwendbar ist.

Der erste heiße Bereich und der zweite heiße Bereich sind zudem bevorzugt benachbart nebeneinander angeordnet, und können sich gegebenenfalls zum Teil auch überlappen.

Weiter ist es hinsichtlich des Ziels eines möglichst großen Weges zwischen Referenz­ elektrode und Außenelektrode vorteilhaft, wenn deren Abstand möglichst groß ist, was sich in einfacher Weise durch eine geeignete Anordnung der Elektroden und/oder durch eine Vergrößerung der Dicke des dazwischen befindlichen sauerstoffionenleitenden Fest­ elektroden realisieren lässt.

Schließlich ist vorteilhaft, dass sich die großflächige Referenzelektrode durch Aufteilung in mehrere Teilflächen nicht überall gleichmäßig erwärmt, so dass stets heiße und kalte Stellen über der Oberfläche der Referenzelektrode vorliegen, was den Einfluss der Ab­ gastemperatur, der Abgasströmung und der Heizleistung des Heizelementes auf die auf­ tretende Nernstspannung deutlich reduziert.

Daneben wird eine unerwünschte Elektrodenpolarisation durch nunmehr auftretende Ausgleichsströme von Elektronen und Ionen innerhalb bzw. an der Grenzfläche der E­ lektroden reduziert. Derartige Ausgleichsströme stellen sich aufgrund unterschiedlicher Nernstpotentiale an heißen und kalten Stellen der Elektroden ein.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung nä­ her erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein aus der Technik bekanntes planares Gassensorelement in Draufsicht, wobei eine mit der Außenelektrode versehene Schicht und eine mit der Re­ ferenzelektrode versehene Schicht des Sensorelements dargestellt ist,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel mit gegenüber Fig. 1 vergrößerter Außenelektrode und in mehrere Teilflächen aufgeteilter Referenzelektrode und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit ei­ ner Referenzelektrode in einem ersten heißen Bereich und ei­ ner Außenelektrode in einem zweiten heißen Bereich.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung geht zunächst aus von einem planaren Sensor­ element, wie es aus DE 197 46 516 A1 bekannt ist. Insofern soll auf eine ausführliche Darstellung an sich bekannter Einzelheiten eines derartigen Sensorelementes verzichtet werden. Alternativ kann jedoch ebenso von einem planaren Sensorelement gemäß DE 199 06 908 A1 ausgegangen werden.

Aus DE 197 46 516 A1 ist, wie mit Hilfe der Fig. 1 erläu­ tert wird, bekannt, eine elektrochemische Zelle als Messzel­ le zu realisieren, bei der auf einer zweiten Folie 15 eine Referenzelektrode 14 aufgebracht ist, die über eine Referen­ zelektrodenzuleitung 17 mit einer Anschlusskontaktierung 16 verbunden ist. Weiter ist vorgesehen, dass die Referenzelek­ trode 14 über einen Referenzgaskanal 18, der beispielsweise als gedruckter poröser Referenzgaskanal ausgeführt ist, mit einem Referenzgas wie Luft in Verbindung steht. Auf der zweiten Folie 15 und der darauf aufgedruckten Referenzelek­ trode 14 ist weiter dann eine erste Folie 13 aufgedruckt, die im erläuterten Beispiel aus einem sauerstoffionenleiten­ den Festelektrolyten, insbesondere aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid, besteht. Auf der ersten Folie 13 ist schließlich eine Außenelektrode 10 aufgedruckt, die über ei­ ne Außenelektrodenzuleitung 11 mit einer Kontaktfläche 12 in Verbindung steht.

Insgesamt wird durch das Stapeln der erläuterten Schichten ein planares Gassensorelement erhalten, wobei sich unterhalb der zweiten Folie 15 weitere, an sich bekannte Schichten be­ finden, in die auch ein Heizelement zur Beheizung der darüber befindlichen Bereiche bzw. Elektroden integriert ist. Weiter können auch auf der ersten Folie 13 bzw. auf der Au­ ßenelektrode 10 weitere Schichten, beispielsweise Schutz­ schichten oder Diffusionsbarrieren, vorgesehen sein.

Das Gassensorelement weist somit im grünen Zustand einen langgestreckten, plättchenförmigen Aufbau auf, der aus meh­ reren übereinander liegenden Lagen eines Schichtaufbaus be­ steht. Die Referenzelektrode 14, die Außenelektrode 10, die Elektrodenzuleitungen 11, 17 und die Anschlussflächen 12, 16 sind im Übrigen bevorzugt aus einem Platin-Cermet ausge­ führt.

Es sei betont, dass der beschriebene Aufbau des planaren Gassensorelementes nicht auf den sogenannten Nernst-Typ ge­ mäß Fig. 1 beschränkt ist, sondern auch bei einem sogenann­ ten Breitbandsensor, beispielsweise gemäß DE 199 06 908 A1, zur Verwendung kommt, bei dem als elektrochemische Zelle an­ stelle einer Messzelle eine Pumpzelle und eine Konzentrati­ onszelle (Nernstzelle) vorgesehen ist.

Die Fig. 2 erläutert, ausgehend von Fig. 1, die erfin­ dungsgemäß vorgenommene Modifikation der Außenelektrode bzw. der Referenzelektrode. Dort ist zunächst dargestellt, dass die Außenelektrode in Form einer vergrößerten Außenelektrode 10' mit deutlich vergrößerter Fläche ausgebildet ist. Insbe­ sondere ist die Fläche der Außenelektrode 10' soweit erhöht, wie dies die Fläche der ersten Folie 13 und eine zusätzlich erforderliche, nicht dargestellte Abdeckung in Form einer auf der ersten Folie 13 und auf der vergrößerten Außenelek­ trode 10' aufgebrachten Schutzschicht zulässt. Weiter ist vorgesehen, dass die vergrößerte Außenelektrode 10' mit ei­ ner verbreiterten Außenelektrodenzuleitung 11' mit der Kon­ taktfläche 12 verbunden ist. Dies führt zu einer Verminde­ rung des Widerstandes der Außenelektrodenzuleitung.

In Fig. 2 ist weiter dargestellt, dass die Referenzelektrode in Form einer geteilten Refe­ renzelektrode 14' mit mehreren, elektrisch leitend miteinander verbundenen Teilflächen 23, 24 ausgebildet ist. Dabei befindet sich eine zweite Teilfläche 24 etwa mittig im Be­ reich des Referenzgaskanals 18, während zwei erste Teilflächen 23 seitlich davon ange­ bracht sind. Da sich unterhalb der zweiten Folie 15 im Bereich der geteilten Referenz­ elektrode 14' in an sich bekannter Weise ein nicht dargestelltes Heizelement zur Behei­ zung der geteilten Referenzelektrode 14' befindet, das einen sogenannten "hot spot" im Bereich der zweiten Teilfläche 24 erzeugt, während sich die beiden ersten Teilflächen 23 etwas außerhalb dieses "hot spots" befinden, sind die Teilflächen 23, 24 der geteilten Re­ ferenzelektronen 14' unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt.

Im Übrigen ist vorteilhaft, wenn die Gesamtfläche der geteilten Referenzelektrode 14', die aus den Teilflächen 23, 24 gebildet ist, gegenüber der Referenzelektrode 14 gemäß Fig. 1 verkleinert ist, so dass der Innenwiderstand der geteilten Referenzelektrode 14' gegenüber der Referenzelektrode 14 erhöht ist. Weiter ist die Fläche der zweiten Teilflä­ che 24 und deren Anordnung bevorzugt so gewählt, dass sie einen zumindest näherungs­ weise gleichen Innenwiderstand aufweist wie die beiden ersten Teilflächen 23 zusammen. Schließlich zeigt Fig. 2, dass die Referenzelektrodenzuleitung gegenüber Fig. 1 zu ei­ ner verbreiterten Referenzelektrodenzuleitung 17' verbreitert ist, so dass deren elektri­ scher Widerstand sinkt.

Die Fig. 3 erläutert, dass das unterhalb der ersten Folie 13 vorgesehene, an sich bekannte Heizelement derart ausgestaltet ist, dass zwei benachbarte nebeneinander liegende heiße Bereiche auftreten, d. h. ein erster heißer Bereich 20 und ein zweiter heißer Bereich 21. Diese beiden heißen Bereiche 20, 21 weisen in Draufsicht im erläuterten Beispiel eine Kreisform oder Ellipsenform auf.

Weiter ist in Fig. 3 dargestellt, dass die Außenelektrode als modifizierte Außenelektrode 10" ausgeführt ist, die im Bereich des zweiten heißen Bereiches 21, d. h. des dort befind­ lichen zweiten "hot spots" des Heizelementes, angeordnet ist. Entsprechend ist gemäß Fig. 3 auch die Referenzelektrode als modifizierte Referenzelektrode 14" im Bereich des ersten heißen Bereiches 20, d. h. des dort befindlichen ersten "hot spots" des Heizele­ mentes, angeordnet.

Beim Stapeln und nachfolgenden Sintern der einzelnen, mit Elektrodenschichten verse­ henen Schichten des Gassensorelementes gemäß Fig. 3 ist schließlich die modifizierte Außenelektrode 10" von der modifizierten Referenzelektrode 14" durch die erste Folie 13 getrennt, die erneut als sauerstoffionenleitender Festelektrolyt ausgebildet ist. Auf die­ se Weise ist einerseits gewährleistet, dass der Abstand der modifizierten Referenzelektro­ de 14" von der modifizierten Außenelektrode 10" gegenüber Fig. 1 zunächst deutlich vergrößert und damit möglichst lang ist, und dass andererseits der Weg von der modifi­ zierten Außenelektrode 10" zu der modifizierten Referenzelektrode 14" gleichzeitig durch einen gegenüber Fig. 1 kälteren Bereich verläuft.

Im Übrigen sei betont, dass das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ohne weiteres auf ein planares Gassensorelement gemäß DE 199 06 908 A1 mit einer Konzentrationszelle und einer Pumpzelle übertragen werden kann.

Claims (9)

1. Planares Gassensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten, insbesondere Lambda-Sonde zur Analyse von Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren, mit einer elektrochemischen Zelle, einer flächig ausgebildeten, mit einem Referenzgaskanal (18) mit einem Referenzgas in Verbindung stehenden Referenzelektrode (14") und einer flächig ausgebildeten Außenelektrode (10"), wobei die Referenzelektrode (14") und die Außenelektrode (10") durch mindestens einen flächig ausgebildeten, Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten voneinander getrennt sind, sowie mit einem Heizelement, mit dem ein erster heißer Bereich (20) und ein zweiter heißer Bereich (21) erzeugbar ist, wo­ bei sich die Referenzelektrode (14") zumindest weitgehend im Bereich des ersten heißen Bereiches (20) befindet, und wobei sich die Außenelektrode (10") zumindest weitgehend im Bereich des zweiten heißen Bereiches (21) befindet.

2. Planares Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste heiße Bereich (20) und der zweite heiße Bereich (21) benachbart nebeneinander lie­ gen.

3. Planares Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (14") und die Außenelektrode (10") derart angeordnet sind, dass deren Abstand voneinander möglichst groß ist.

4. Planares Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine elektrochemische Pumpzelle vorgesehen ist, wobei die Außenelektro­ de (10") eine Elektrode dieser Pumpzelle ist.

5. Planares Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Größe der Fläche der Außenelektrode (10") verschieden von der Größe der Fläche der Referenzelektrode (14"), insbesondere deutlich größer, ist.

6. Planares Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Referenzelektrode (14") in Form mehrerer, elektrisch leitend mitein­ ander verbundener Teilflächen (23, 24) ausgebildet ist.

7. Planares Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Teilflächen (23, 24) derart angeordnet sind, dass sich mindestens eine der Teilflächen (24) zumindest weitgehend im Bereich des ersten heißen Bereiches (20) befindet, und dass sich weiter mindestens eine der Teilflächen (23) zumindest weitgehend außerhalb dieses ersten heißen Bereiches (20) befindet.

8. Planares Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Teilflächen (23, 24) derart dimensioniert und/oder angeordnet sind, dass diejenigen Teilflächen (24) der Referenzelektrode (14"), die sich zumindest weitge­ hend in dem heißen Bereich befinden, einen zumindest näherungsweise gleichen Innen­ widerstand aufweisen wie diejenigen Teilflächen (23), die sich zumindest weitgehend au­ ßerhalb des heißen Bereiches befinden.

9. Planares Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Außenelektrode (10") und die Referenzelektrode (14") jeweils elekt­ risch leitend über eine zugeordnete Elektrodenzuleitung (11', 17') mit einer Anschluss­ kontaktierung (12, 16) verbunden sind, wobei die Außenelektrodenzuleitung (11') und/oder die Referenzelektrodenzuleitung (17') einen möglichst geringen elektrischen Widerstand aufweist.