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Die
Erfindung geht aus von einem Sensorelement nach dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs.
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Ein
derartiges Sensorelement ist beispielsweise aus der
DE 102 49 466 A1 bekannt.
Das längliche
Sensorelement ist in Planartechnik schichtförmig aufgebaut und weist eine
elektrochemische Messzelle auf, die zwei Elektroden sowie einen
zwischen den Elektroden angeordneten Festelektrolyten umfasst. Zur
Beheizung der Messzelle ist ein Heizer vorgesehen. Der Heizer ist
durch eine Heizerisolation von den umliegenden Festelektrolytschichten
elektrisch isoliert. Der Heizer ist mit zwei Heizerzuleitungen elektrisch
verbunden, die in derselben Schichtebene wie der Heizer angeordnet
sind. Die Heizerzuleitungen sind jeweils mittels einer Durchkontaktierung
mit einer auf einer Außenfläche des
Sensorelements angeordneten Kontaktfläche elektrisch verbunden. Über die
Kontaktflächen
ist der Heizer mit einer außerhalb
des Sensorelements angeordneten Spannungsquelle verbunden.
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Es
ist bekannt, den Heizer und die Heizerzuleitungen so auszulegen,
dass der Widerstand des Heizers ungefähr das zwei- bis dreifache
der Summe der Widerstände
der beiden Heizerzuleitungen beträgt.
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Hierbei
ist nachteilig, dass die zur Beheizung des Messbereichs des Sensorelement
auf eine vorgegebene Solltemperatur notwendige Heizleistung insbesondere
dann nicht erreichbar ist, wenn das Sensorelement mit hoher Strömungsgeschwindigkeit von
einem vergleichsweise kalten Messgas umströmt wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Sensorelement
mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass eine optimale Heizleistung für den Messbereich des Sensorelements
mit einer möglichst
niedrigen Spannung bereitgestellt wird. Damit steht auch dann für die Beheizung
des Sensorelements eine ausreichende Heizleistung zu Verfügung, wenn
das Sensorelement aufgrund der äußeren Bedingungen
einem starken Wärmeverlust,
beispielsweise durch Strahlung oder Konvektion, unterliegt.
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Das
erfindungsgemäße Sensorelement weist
in einem Messbereich einen Heizer auf, der mit zwei Heizerzuleitungen
elektrisch verbunden ist. Die Heizerzuleitungen sind in einem Zuleitungsbereich des
Sensorelements angeordnet. Durch Anlegen einer Heizspannung an die
Heizerzuleitungen beziehungsweise an mit den beiden Heizerzuleitungen elektrisch
verbundene, beispielsweise auf einer Außenfläche des Sensorelements angeordnete
Kontaktflächen
wird der Messbereich des Sensorelements auf eine vorgegebene Solltemperatur,
beispielsweise auf 800 Grad Celsius, geheizt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Verhältnis
a zwischen der Summe der elektrischen Widerstände der ersten und der zweiten
Heizerzuleitung und dem elektrischen Widerstand des Heizers im Bereich
von 0,9 bis 1,4 liegt. Im Rahmen dieser Schrift ist das Verhältnis a
jeweils bei Zimmertemperatur angegeben.
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Im
Zusammenwirken theoretischer Überlegungen
und experimenteller Ergebnisse hat sich herausgestellt, dass mit
dem angegebenen Verhältnis
a bei Anlegen einer vergleichsweise niedrigen Spannung eine hohe
Heizleistung erzielt werden kann. Hierbei war zu berücksichtigen,
dass durch die Beheizung des Messbereichs eine große Temperaturdifferenz
zwischen Messbereich und Zuleitungsbereich auftritt. Aufgrund dieser
hohen Temperaturdifferenz erfolgt ein Wärmeübergang aus dem Messbereich
in den Zuleitungsbereich. Zudem war bei der Ermittlung des optimalen
Verhältnisses
a zu berücksichtigen,
dass bei der Aufheizung des Sensorelements von Zimmertemperatur
auf die vorgegebene Betriebstemperatur der elektrische Widerstand
des Heizers sich stärker
verändert
als der elektrische Widerstand der Heizerzuleitungen.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch
genannten Sensorelements möglich.
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Um
eine optimale Beheizung des Sensorelements zu erreichen, liegt das
Verhältnis
a besonders vorteilhaft im Bereich von 1,05 bis 1,3, besonders vorzugsweise
im Bereich von 1,1 bis 1,2.
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Um
im Messbereich, dessen Länge
bezogen auf die Längsachse
des Sensorelements deutlich geringer ist als die Länge des
Zuleitungsbereichs, eine möglichst
hohe Temperatur zu erreichen, weist der Heizer einen Widerstand
pro Länge
auf, der vorteilhaft mindestens doppelt so groß ist wie der Widerstand pro
Länge der
ersten oder zweiten Heizerzuleitung. Hierzu kann beispielsweise
vorgesehen sein, dass die Querschnittsfläche des Heizers höchstens 50
Prozent der Querschnittsfläche
der ersten oder zweiten Heizerzuleitung beträgt. Ebenso kann beispielsweise
vorgesehen sein, dass der Heizer einen spezifischen Widerstand aufweist,
der mindestens doppelt so groß wie
der spezifische Widerstand der ersten oder zweiten Heizerzuleitung
ist. Die genannten Maßnahmen
können
kombiniert werden oder auch unabhängig voneinander realisiert
sein.
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Vorteilhaft
liegt der Widerstand des Heizers im Bereich von 0,9 Ohm bis 1,2
Ohm, und die Summe der Widerstände
der ersten oder zweiten Heizerzuleitung im Bereich von 0,9 Ohm bis
1,6 Ohm.
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Vorteilhaft
sind der Heizer und die erste und zweite Heizerzuleitung als Leiterbahnen
ausgebildet. Der Heizer ist mäanderförmig, und
die erste und die zweite Heizerzuleitung verlaufen entlang der Längsachse
des Sensorelements.
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Ebenfalls
vorteilhaft sind die erste und die zweite Heizerzuleitung mittels
je einer durch eine Festelektrolytfolie geführte Durchkontaktierung mit
je einer auf einer Außenfläche des
Sensorelements aufgebrachten Kontaktfläche verbunden, so dass durch
Anlegen einer Spannung an die Kontaktflächen der Messbereich des Sensorelements
und damit die mindestens eine elektrochemische Messzelle beheizbar
ist. Bei einem derartigen Aufbau ist bei der Bestimmung des Verhältnisses
a der Widerstand der Durchkontaktierung und gegebenenfalls der Kontaktflächen in
den Widerstand der ersten und zweiten Heizerzuleitung einzurechnen.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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1 zeigt
als Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement
gemäß der Linie
I – I
in 2,
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2 zeigt
einen in einer Großfläche des Sensorelements
liegenden Längsschnitt
durch das Ausführungsbeispiel
gemäß der Linie
II – II
in 1,
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3 zeigt
eine Aufsicht auf eine Großfläche des
Ausführungsbeispiels
der Erfindung in Richtung III in 1, und
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4 zeigt
die zum Erreichen einer bestimmten Heizleistung erforderliche Heizspannung
U in Abhängigkeit
des Widerstandsverhältnisses
a.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die 1 bis 3 zeigen
als Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein planares, schichtförmig aufgebautes Sensorelement
mit einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten
Festelektrolytschicht 21, 22, 23, 24.
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Zwischen
der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 ist
ein Heizer 41 vorgesehen, der mittels einer Heizerisolierung 36 von
der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 21, 22 elektrisch
isoliert ist. An die zweite Festelektrolytschicht 22 schließt sich
eine dritte und eine vierte Festelektrolytschicht 23, 24 an.
In die dritte Festelektrolytschicht 23 ist ein Referenzgasraum 35 eingebracht, der
mit einem Referenzgas, beispielsweise mit Umgebungsluft oder mit
einem Gas mit hohem Sauerstoffgehalt, gefüllt ist. Im Referenzgasraum 35 ist
auf der vierten Festelektrolytschicht 24 eine erste Elektrode 31 aufgebracht.
Auf der der ersten Elektrode 31 gegenüberliegenden Seite der vierten
Festelektrolytschicht 24 ist eine zweite Elektrode 32 vorgesehen, die
dem Messgas ausgesetzt ist. Die zweite Elektrode 32 ist
mit einer nicht dargestellten Schutzschicht überzogen. Die erste und die
zweite Elektrode 31, 32 sowie der zwischen erster
und zweiter Elektrode 31, 32 angeordnete Festelektrolyt 24 bilden
eine elektrochemische Zelle 33, die beispielsweise als
Nernstzelle oder als Pumpzelle betrieben wird.
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Die
elektrochemische Messzelle 33 mit der ersten und der zweiten
Elektrode 31, 32 ist in einem Messbereich 11 des
Sensorelements 10 angeordnet, in dem auch der mäanderförmige Heizer 41 vorgesehen
ist. Der Heizer 41 ist mit einer ersten und mit einer zweiten
Heizerzuleitung 51, 52 elektrisch verbunden. Die
Heizerzuleitungen 51, 52 sind in einem Zuleitungsbereich 12 des
Sensorelements 10 angeordnet. Auf der dem Messbereich 11 abgewandten
Seite des Sensorelements 10 sind auf der Außenseite
der ersten Festelektrolytschicht 21 zwei Kontaktflächen 56 vorgesehen,
die mittels zweier die erste Festelektrolytschicht 21 durchgreifender
Durchkontaktierungen 55 mit der ersten beziehungsweise
der zweiten Heizerzuleitung 51, 52 elektrisch
verbunden sind.
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Mittels
der Kontaktfläche 56 ist
das Sensorelement 10 mit einer Beschaltung (nicht dargestellt) verbunden,
durch die der Heizer 41 über die Kontaktflächen 56,
die Durchkontaktierungen 55 und die Heizerzuleitungen 51, 52 mit
einer Heizerspannung beaufschlagt wird.
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In 4 ist
die zur Erreichung einer vorbestimmten Heizleistung erforderlichen
Heizspannung in Abhängigkeit
von dem Verhältnis
a dargestellt. Unter a ist der Quotient aus der Summe der Widerstände der
Heizerzuleitungen 51, 52 und dem Widerstand des
Heizers 41 zu verstehen. Es hat sich erwiesen, dass eine
besonders niedrige Heizerspannung erforderlich ist, wenn a im Bereich
von 1,05 bis 1,3 liegt. Das Minimum der Heizerspannung liegt bei
a ungefähr
gleich 1,14.
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Um
eine optimale Heizleistung zu erzielen, wurden die Widerstände von
Heizer 41 und Heizerzuleitungen 51, 52 bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wie folgt gewählt:
Der Widerstand pro Länge des
Heizers 41 beträgt
0,08 Ohm/mm bis 0,12 Ohm/mm, während
der Widerstand pro Länge
der ersten und zweiten Heizerzuleitung 51, 52 im
Bereich von 0,019 Ohm/mm bis 0,021 Ohm/mm liegt.
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Da
der Heizer 41 und die Heizerzuleitungen 51, 52 aus
demselben Material bestehen, wurden Heizer 41 und Heizerzuleitungen 51, 52 so
ausgestaltet, dass die Querschnittsfläche des Heizers 41 bei
ungefähr
0,005 mm2 und die Querschnittsfläche der
Heizerzuleitungen 51, 52 bei ungefähr 0,016
mm2 liegen. Die unterschiedlichen Querschnittsflächen können durch
eine entsprechende Änderung
von Breite und/oder Dicke des Heizers und der Heizerzuleitungen
erreicht werden. Bei einer alternativen Ausführungsform können die
gewünschten
Widerstandswerte realisiert werden, indem für den Heizer und die Heizerzuleitungen
Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen gewählt werden.
Der Übergang
zwischen Heizer 41 und Heizerzuleitung 51, 52 erfolgt
damit in dem Bereich, in dem sich der Widerstand pro Länge der
Leiterbahn entsprechend verändert.
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Die
elektrochemische Zelle 33 sowie der Heizer 41 sind
in dem Messbereich 11 des Sensorelements 10 angeordnet,
die Heizerzuleitungen 51, 52, die Durchkontaktierungen 55,
die Kontaktflächen 56 sowie
die nicht dargestellten Zuleitungen für die erste und zweite Elektrode 31, 32 in
dem Zuleitungsbereich 12. Da der Messbereich 11 der
Bereich des Sensorelements ist, der durch den Heizer 41 beheizt wird,
wird der Übergang
vom Messbereich 11 zum Zuleitungsbereich 12 durch
den Bereich gebildet, in dem der Übergang vom Heizer 41 zu
den beiden Heizerzuleitungen 51, 52 liegt.
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Die
Erfindung ist nicht auf ein Sensorelement mit einer elektrochemischen
Zelle beschränkt
und lässt
sich allgemein übertragen
auf beheizte Sensorelemente mit einer oder mehreren elektrochemischen
Zellen, beispielsweise auf eine sogenannte Breitband-Lambdasonde zum Nachweis
des Sauerstoffpartialdrucks, die zwei elektrochemische Messzellen
enthält,
die als Pumpzelle und als Nernstzelle betrieben werden.