DE10154869C1 - Gasmessfühler - Google Patents

Abstract

Es wird ein Gasmeßfühler, vorzugsweise zum Nachweis einer physikalischen Eigenschaft mindestens einer Gaskomponente eines Meßgases, insbesondere eines Abgases eines Verbrennungsmotors, mit einem Sensorelement (10) vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) weist einen ersten Festelektrolytkörper (21) auf, auf dem eine erste Elektrode (41a, 41b, 41c) angeordnet ist, die mit einer porösen Schutzschicht (44a, 44b, 44c) bedeckt ist. Zwischen der porösen Schutzschicht (44a, 44b, 44c) und dem ersten Festelektrolytkörper (21) ist in einem Bereich neben der ersten Elektrode (41a, 41b, 41c) eine Isolationsschicht (50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c) angeordnet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Gasmeßfühler nach dem Oberbegriff der unabhängigen Anspüche 1 und 2.

Ein derartiger Gasmeßfühler ist beispielsweise in der DE 100 35 036 C1 zum Einsatz in der Abgasanalyse von Verbrennungsmotoren beschrieben. Der Gasmeßfühler dient der Regelung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses von Verbrennungsgemischen in Kraftfahrzeugmotoren und ist als Breitband-Lambdasonde bekannt.

Der Gasmeßfühler enthält ein Sensorelement, in dem eine Konzentrationszelle (Nernstzelle) mit einer elektrochemischen Pumpzelle kombiniert wird. Die Konzentrationszelle weist eine in einem Meßgasbereich angeordnete Meßelektrode und eine in einem Referenzgasbereich angeordnete Referenzelektrode auf. Die beiden Elektroden sind über einen sauerstoffionenleitenden ersten Festelektrolytkörper elektrisch verbunden. Der Meßgasbereich ist über ein Gaszutrittsloch und eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas außerhalb des Sensorelements verbunden. Der Referenzgasbereich steht über eine auf der dem Meßgasbereich abgewandten Seite des Sensorelements gelegenen Öffnung mit einer Referenzatmosphäre in Verbindung. Meßgasbereich und Referenzgasbereich liegen in derselben Schichtebene des als Schichtsystem aufgebauten Sensorelements und sind durch einen Trennkörper gasdicht getrennt. Zwischen der Meßelektrode und der Referenzelektrode bildet sich eine sogenannte Nernstspannung aus, aus der sich das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks im Meßgasbereich zu dem Sauerstoffpartialdruck im Referenzgasbereich ermitteln läßt.

Die Pumpzelle weist eine im Meßgasbereich auf dem ersten Festelektrolytkörper angeordnete Innenpumpelektrode und eine auf einer dem Abgas zugewandten Fläche des ersten Festelektrolytkörpers angeordnete Außenpumpelektrode auf. Dabei können die Innenpumpelektrode und die Meßelektrode zusammenfallen oder elektrisch verbunden sein. Durch Anlegen einer Pumpspannung werden Sauerstoffionen über die beiden Pumpelektroden und den ersten Festelektrolytkörper aus dem Meßgasbereich in das Abgas oder umgekehrt aus dem Abgas in den Meßgasbereich gepumpt. Die Pumpspannung wird durch eine äußere Beschaltung so geregelt, daß im Meßgasbereich ein vorbestimmter Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird, der einer bestimmten Nernstspannung entspricht. Da die Pumpspannung so gewählt wird, daß der in der Pumpzelle fließende Pumpstrom durch den Diffusionsstrom der sich durch die Diffusionsbarriere bewegenden Sauerstoffmoleküle begrenzt ist, und da der Diffusionsstrom proportional zur Sauerstoffkonzentration des Abgases ist, läßt sich aus dem Pumpstrom der Sauerstoffpartialdruck des Abgases ermitteln.

Aus der DE 198 53 601 A1 ist weiterhin bekannt, die zweite Außenpumpelektrode mit einer Schutzschicht zu überdecken, die porös ausgebildet ist und damit den Zutritt des Abgases zur Außenpumpelektrode erlaubt. Die Schutzschicht enthält ein Festelektrolytmaterial, beispielsweise mit Yttrium dotiertes Zirkonoxid, und ist damit sauerstoffionenleitend.

Aus der DE 38 11 713 C2 ist ein Sensorelement bekannt, bei dem auf eine äußere Festelektrolytschicht eine ringförmige Elektrode angeordnet ist. Die Elektrode wird von einer porösen Schutzschicht überdeckt. An den Außenrand der Elektrode grenzt eine Isolationsschicht an, die zwischen der Schutzschicht und der Festelektrolytschicht angeordnet ist. Die Schutzschicht grenzt im Bereich des Innenrandes der Elektrode direkt an die Festelektrolytschicht.

Bei dem bekannten Gasmeßfühler ist nachteilig, daß die Schutzschicht an den Festelektrolytkörper elektrisch angekoppelt ist. Hierdurch zeigt das Sondensignal insbesondere bei einem Wechsel der Abgaszusammensetzung von einem Wert von λ < 1 zu einem Wert von λ < 1 oder umgekehrt einen Überschwinger (sogenannte λ < 1- Welligkeit). Durch diese Signalstörung wird die Auswertung des Sondensignals erschwert. Zudem ist die Schutzschicht produktionstechnisch bedingten Fertigungsstreuungen unterworfen. Bei einer Variation der Eigenschaften der Schutzschicht können sich die Potentialverhältnisse des Sensorelements verändern, wodurch das Meßsignal verfälscht werden kann.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gasmeßfühler gemäß den unabhängigen Ansprüchen hat den Vorteil, daß eine poröse Schutzschicht über einer auf einem ersten Festelektrolytkörper angeordneten ersten Elektrode elektrisch von dem ersten Festelektrolytkörper wenigstens weitgehend entkoppelt ist. Hierzu ist eine Isolationsschicht vorgesehen, die auf dem ersten Festelektrolytkörper angeordnet ist und die erste Elektrode seitlich umgibt. Damit ist sichergestellt, daß zumindest bereichsweise die poröse Schutzschicht von dem ersten Festelektrolytkörper elektrisch entkoppelt ist.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Gasmeßfühlers möglich.

Grenzt die Isolationsschicht direkt an die erste Elektrode, so wird die elektrische Ankopplung der porösen Schutzschicht an den ersten Festelektrolytkörper besonders wirkungsvoll vermindert, da die Ankopplung im Bereich direkt neben der ersten Elektrode bei Fehlen einer Isolationsschicht besonders groß ist.

Gemäß einer Variante der Erfindung überdeckt die poröse Schutzschicht die erste Elektrode und die Isolationsschicht und steht in einem Bereich neben der ersten Elektrode und der Isolationsschicht in direktem Kontakt zum ersten Festelektrolytkörper. Durch den direkten Kontakt der porösen Schutzschicht zum ersten Festelektrolytkörper ist eine sichere Verbindung von erster Elektrode und Isolationsschicht auf dem ersten Festelektrolytkörper gewährleistet. Durch die Isolationsschicht wird weiterhin der Bereich, über den die poröse Schutzschicht elektrisch mit dem ersten Festelektrolytkörper verbunden ist, verringert. Damit wird der Einfluß der porösen Schutzschicht auf das Sensorsignal in ausreichendem Maße verringert.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Sensorelements nach dem Stand der Technik, Fig. 2a eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorelements nach der Linie IIa-IIa in Fig. 2b, Fig. 2b eine Schnittdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensorelements nach der Linie IIb-IIb in Fig. 2a, Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines zweiten und Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensorelements.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Sensorelement 10 einer Breitband- Lambdasonde nach dem Stand der Technik. Das Sensorelement 10 ist als Schichtsystem aufgebaut und enthält einen ersten, einen zweiten und einen dritten Festelektrolytkörper 21, 22, 23. In den ersten Festelektrolytkörper 21 ist eine Gaszutrittsöffnung 36 eingebracht. Zwischen dem ersten und dem zweiten Festelektrolytkörper 21, 22 ist ein Meßgasbereich 31, ein Referenzgasbereich 32, ein Trennkörper 33, eine Diffusionsbarriere 34 und ein Dichtrahmen 35 angeordnet. Der Trennkörper 33 bildet eine gasdichte Barriere zwischen dem Meßgasbereich 31 und dem Referenzgasbereich 32. In der Mitte des flachen, hohlzylinderförmigen Meßgasbereichs 31 ist die ebenfalls hohlzylinderförmige Diffusionsbarriere 34 angeordnet, in deren Mitte die Gaszutrittsöffnung 36 mündet. Das Meßgas kann durch die Gaszutrittsöffnung 36 über die Diffusionsbarriere 34 in den Meßgasbereich 31 gelangen. Der kanalförmige Referenzgasbereich 32 enthält ein poröses Material und steht auf der dem Meßbereich des Sensorelements 10 abgewandten Seite mit einer Referenzatmosphäre in Verbindung. Meßgasbereich 31 und Referenzgasbereich 32 sind seitlich von dem gasdichten Dichtrahmen 35 umgeben.

Auf einer Außenfläche 24 des ersten Festelektrolytkörpers 21 ist eine ringförmige erste Elektrode 41 (Außenpumpelektrode) angeordnet, die von einer porösen Schutzschicht 44 überdeckt ist. Auf einer der Außenfläche 24 gegenüberliegenden Großfläche 25 des ersten Festelektrolytkörpers 21 ist eine ringförmige zweite Elektrode 42 (Meßelektrode, Innenpumpelektrode) vorgesehen, die in Kontakt zum Meßgasbereich 31 steht. Im Referenzgasbereich 32 ist in der Schichtebene der zweiten Elektrode 42 eine dritte Elektrode 43 (Referenzelektrode) vorgesehen. Die erste Elektrode 41 bildet zusammen mit der zweiten Elektrode 42 eine Pumpzelle, die durch eine äußere Beschaltung Sauerstoff in den oder aus dem Meßgasbereich 31 pumpt. Die durch die äußere Beschaltung an der Pumpzelle anliegende Pumpspannung wird so geregelt, daß im Meßgasbereich 31 ein vorbestimmter Sauerstoffpartialdruck vorliegt. Vorzugsweise wird ein Sauerstoffpartialdruck von λ = 1 eingeregelt, das heißt, der Sauerstoffpartialdruck entspricht dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis.

Der im Meßgasbereich 31 vorliegende Sauerstoffpartialdruck wird durch eine Nernstzelle bestimmt, die durch die zweite Elektrode 42 und die dritte Elektrode 43 gebildet wird. Mit der Nernstzelle wird eine durch unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke im Meßgasbereich 31 und im Referenzgasbereich 32 hervorgerufene Nernstspannung gemessen, die - wie oben beschrieben - zur Regelung der Pumpspannung verwendet wird.

Zwischen dem zweiten und dem dritten Festelektrolytkörper 22, 23 ist ein Heizer 37 angeordnet, der durch eine Heizerisolation 38 von den umgebenden Festelektrolytkörpern 22, 23 elektrisch isoliert ist.

Bei den in den Fig. 2a, 2b, 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Sensorelements wurden einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 gekennzeichnet. Die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensorelements unterscheiden sich von dem in Fig. 1 dargestellten Sensorelement nach dem Stand der Technik dadurch, daß auf dem ersten Festelektrolytkörper 21 eine äußere Isolationsschicht 50a, 50b, 50c und eine innere Isolationsschicht 51a, 51b, 51c vorgesehen sind, die die auf dem ersten Festelektrolytkörper 21 angeordnete erste Elektrode 41a, 41b, 41c seitlich umgeben. Die erste Elektrode 41a, 41b, 41c ist mit einer porösen Schutzschicht 44a, 44b, 44c überdeckt. Die poröse Schutzschicht 44a, 44b, 44c überdeckt auch zumindest bereichsweise die sich direkt an die erste Elektrode 41a, 41b, 41c anschließende äußere und innere Isolationsschicht 50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c. Damit ist die Schutzschicht 44a, 44b, 44c zumindest bereichsweise durch die erste Elektrode 41a, 41b, 41c sowie die äußere und die innere Isolationsschicht 50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c vom ersten Festelektrolytkörper 21 getrennt. Durch die äußere und innere Isolationsschicht 50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c ist die Schutzschicht 44a, 44b, 44c zudem vom ersten Festelektrolytkörper 21 elektrisch isoliert.

Die Fig. 2a und 2b zeigen als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung das Sensorelement 10 mit der auf der Außenfläche 24 aufgebrachten ringförmigen ersten Elektrode 41a mit einer Zuleitung 45 zur ersten Elektrode 41. Benachbart zur ersten Elektrode 41a ist außen und innen je eine ebenfalls ringförmige äußere und innere Isolationsschicht 50a, 51a auf dem ersten Festelektrolytkörper 21 aufgebracht. Die äußere und innere Isolationsschicht 50a, 51a umgeben somit die erste Elektrode 41a seitlich ohne Zwischenraum. Die innere Isolationsschicht 51a reicht bis zur Gaszutrittsöffnung 36. Die äußere Isolationsschicht 50a kann im Bereich der Zuleitung 45 zur ersten Elektrode 41a eine Aussparung aufweisen. Es ist ebenfalls denkbar, daß die Zuleitung 45 die äußere Isolationsschicht 50a überdeckt. Auf die Isolationsschichten 50a, 51a und die erste Elektrode 41a ist die Schutzschicht 44a aufgebracht. Die Schutzschicht 44a ist an jeder Stelle durch die erste Elektrode 41a oder die äußere oder innere Isolationsschicht 50a, 51a vom ersten Festelektrolytkörper 21 getrennt und nur über die erste Elektrode 41a elektrisch an den ersten Festelektrolytkörper 21 angekoppelt.

Das in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2a und 2b dadurch, daß die Schutzschicht 44b breiter als der von der ersten Elektrode 41b und der äußeren und inneren Isolationsschicht 50b, 51b bedeckte Bereich ausgelegt ist. Damit ist die Schutzschicht 44b im Bereich neben der äußeren Isolationsschicht 50b und zwischen der inneren Isolationsschicht 51b und der Gaszutrittsöffnung 36 direkt auf den ersten Festelektrolytkörper 21 aufgebracht.

Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2a und 2b dadurch unterscheidet, daß die erste Elektrode 41c bereichsweise die äußere und die innere Isolationsschicht 50c, 51c überdeckt. Die erste Elektrode 41c ist also in einem ringförmigen Bereich direkt auf dem ersten Festelektrolytkörper 21 aufgebracht und überlappt zumindest bereichsweise die an diesen ringförmigen Bereich angrenzende äußere und innere Isolationsschicht 50c, 51c. Die erste Elektrode 41c und die äußere und innere Isolationsschicht 50c, 51c sind wie im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Schutzschicht 44c überdeckt.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann seitlich neben der ersten Elektrode 41a, 41b, 41c nur die äußere Isolationsschicht 50a, 50b, 50c oder nur die innere Isolationsschicht 51a, 51b, 51c vorgesehen sein. Ebenso kann die äußere und/oder innere Isolationsschicht 50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c nur bereichsweise von der Schutzschicht 44a, 44b, 44c überdeckt sein.

Die erste Elektrode 41a, 41b, 41c, die Isolationsschichten 50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c und die Schutzschicht 44a, 44b, 44c werden in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch Siebdruckverfahren, auf einen Grünkörper (erster Festelektrolytkörper 21 in ungesintertem Zustand) aufgebracht und anschließend gesintert.

Claims (11)

1. Gasmeßfühler, vorzugsweise zum Nachweis einer physikalischen Eigenschaft mindestens einer Gaskomponente eines Meßgases, insbesondere eines Abgases eines Verbrennungsmotors, mit einem Sensorelement (10), das einen ersten Festelektrolytkörper (21) aufweist, auf dem eine erste Elektrode (41a, 41c) angeordnet ist, die mit einer porösen Schutzschicht (44a, 44c) bedeckt ist, wobei zwischen der porösen Schutzschicht (44a, 44c) und dem ersten Festelektrolytkörper (21) in einem Bereich neben der ersten Elektrode (41a, 41c) eine Isolationsschicht (50a, 50c, 51a, 51c) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schutzschicht (44a, 44c) durch die erste Elektrode (41a, 41c) und die Isolationsschicht (50a, 50c, 51a, 51c) von dem ersten Festelektrolytkörper (21) vollständig getrennt ist.

2. Gasmeßfühler, vorzugsweise zum Nachweis einer physikalischen Eigenschaft mindestens einer Gaskomponente eines Meßgases, insbesondere eines Abgases eines Verbrennungsmotors, mit einem Sensorelement (10), das einen ersten Festelektrolytkörper (21) aufweist, auf dem eine erste Elektrode (41a, 41b, 41c) angeordnet ist, die mit einer porösen Schutzschicht (44a, 44b, 44c) bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (41a, 41b, 41c) eine Aussparung aufweist, wobei im Bereich des die Aussparung bildenden Innenrandes der ersten Elektrode (41a, 41b, 41c) eine innere Isolationsschicht (51a, 51b, 51c) angeordnet ist, die zwischen der porösen Schutzschicht (44a, 44b, 44c) und dem ersten Festelektrolytkörper (21) angeordnet ist.

3. Gasmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schutzschicht (44a, 44b, 44c) an die erste Elektrode (41a, 41b, 41c) angrenzt.

4. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schutzschicht (44a, 44b, 44c) im Bereich der Isolationsschicht (50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c) von dem ersten Festelektrolytkörper (21) elektrisch isoliert ist.

5. Gasmeßfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schutzschicht (44b) die erste Elektrode (41b) und die Isolationsschicht (50b) überdeckt und in einem Bereich neben der ersten Elektrode (41b) und der Isolationsschicht (50b) in direktem Kontakt zum ersten Festelektrolytkörper (21) steht.

6. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Festelektrolytkörper (21) eine Gaszutrittsöffnung (36) aufweist, über die das Gas in einen Meßgasbereich (31) gelangen kann, und daß die Gaszutrittsöffnung (36) in der Aussparung der ersten Elektrode (41a, 41b, 41c) angeordnet ist.

7. Gasmeßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrand der ersten Elektrode (41a, 41b, 41c) von einer äußere Isolationsschicht (50a, 50b, 50c) umgeben ist.

8. Gasmeßfühler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (41a, 41b, 41c) und/oder die innere Isolationsschicht (51a, 51b, 51c) und/oder die Schutzschicht (44a, 44b, 44c) bis an den Rand der Gaszutrittsöffnung (36) reichen.

9. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schutzschicht (44a, 44b, 44c) ein ionenleitendes Material, insbesondere mit Yttrium dotiertes Zirkonoxid aufweist, daß die erste Elektrode (41a, 41b, 41c) Platin und ein keramisches Material enthält, und daß die Isolationsschicht (50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c) Aluminiumoxid aufweist.

10. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des ersten Festelektrolytkörpers (21), auf dem die ringförmige erste Elektrode (41a, 41b, 41c) angeordnet ist, eine Außenfläche (24) des Sensorelements (10) bildet, daß auf einer der Außenfläche (24) gegenüberliegenden Großfläche (25) des ersten Festelektrolytkörpers (21) in dem Meßgasbereich (31) eine ringförmige zweite Elektrode (42) vorgesehen ist und daß der Meßgasbereich (31) über eine Diffusionsbarriere (34) und die in den ersten Festelektrolytkörper (12) eingebrachte Gaszutrittsöffnung (36) in Kontakt zu einem außerhalb des Sensorelements (10) befindlichen Meßgas steht.

11. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß in der Schichtebene des Meßgasbereichs (31) ein Referenzgasbereich (32) vorgesehen ist, der durch einen Trennkörper (33) gasdicht vom Meßgasbereich (31) getrennt ist, daß im Referenzgasbereich (32) in der Schichtebene der zweiten Elektrode (42) eine dritte Elektrode (43) vorgesehen ist, daß Meßgasbereich (31) und Referenzgasbereich (32) zwischen dem ersten und einem zweiten Festelektrolytkörper (21, 22) angeordnet sind, und daß zwischen dem zweiten Festelektrolytkörper (22) und einem dritten Festelektrolytkörper (23) ein Heizer (37) vorgesehen ist, der durch eine Heizerisolation (38) von den umgebenden Festelektrolytkörpern (22, 23) elektrisch isoliert ist.