DE102007001562A1 - Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases - Google Patents

Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases Download PDF

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Abstract

Es wird ein Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente im Messgas, angegeben, der einen aus mindestens zwei Keramikschichten (11 bis 15) zusammengesetzten Sensorkörper (10), einen im Sensorkörper (10) ausgebildeten Messgasraum (27) mit einem über eine Diffusionsbarriere (31) erfolgenden Messgaszutritt, eine dem Messgas ausgesetzte erste Elektrode (23), eine im Messgasraum (27) angeordnete zweite Elektrode (29) und ein Heizelement (16) eines elektrischen Heizers aufweist. Zur Erzielung kurzer Aufheizzeiten bis zum Erreichen der Betriebstemperatur ist die vom Messgas beaufschlagte erste Elektrode (23) in einer zwischen dem Messgasraum (27) und dem Heizelement (16) liegenden Schichtebene des Sensorkörpers (10) angeordnet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente im Messgas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein bekanntes Sensorelement für eine λ = 1-Sonde ( DE 100 54 828 A1 ) weist einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper auf, in dem ein Referenzgaskanal und ein Heizelement einer elektrischen Widerstandsheizung angeordnet sind. Auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers ist eine Außenelektrode und im Referenzgaskanal eine Referenzelektrode angeordnet, die zusammen mit dem dazwischenliegenden Festelektrolyten eine elektrochemische Mess- oder Nernstzelle bildet, die potentiometrisch betrieben ist. Bei unterschiedlichen Sauerstoffpartialdruck im Mess- und Referenzgas liegt zwischen der Außenelektrode und der Referenzelektrode die sog. Nernstspannung an, mit der der Sauerstoffpartialdruck im Messgas und damit die Sauerstoffkonzentration im Messgas bestimmt werden kann. Um den Festelektrolyten und die beiden Elektroden der Nernstzelle gleichmäßig und in der Startphase schneller aufzuheizen, ist das Heizelement der elektrischen Heizeinrichtung, das vorzugsweise als mäanderförmige Widerstandsbahn ausgebildet ist, im Festelektrolytkörper mittig zwischen den beiden Elektroden angeordnet.
  • Ein bekanntes Sensorelement für eine Breitband-Lambdasonde ( DE 199 41 051 A1 ) weist einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper auf, in dem in einer Schichtebene ein Messgasraum und ein Referenzgaskanal ausgebildet sowie in einer Schichtebene unterhalb der Schichtebene von Messgasraum und Referenzgaskanal ein als mäanderförmige Widerstandsbahn ausgebildetes Heizelement einer elektrischen Heizeinrichtung angeordnet ist. In dem Messgasraum ist eine innere Pumpelektrode und eine Mess- oder Nernstelektrode angeordnet, die jeweils mit einer Kontaktfläche an den den Messgasraum begrenzenden Festelektrolyten liegen. Der Messgaszutritt zum Messgasraum erfolgt über eine Diffusionsbarriere. In dem Referenzgaskanal, der mit einem Referenzgas beaufschlagt ist, ist eine Referenzelektrode angeordnet, die mit der Nernstelektrode und dem Festelektrolyten die Nernstzelle bildet. Die innere Pumpelektrode bildet zusammen mit einer auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers angeordnete, dem Messgas ausgesetzten äußere Pumpelektrode und dem Festelektrolyten eine Pumpzelle. Die Pumpzelle bewirkt einen Sauerstofftransport aus dem Messgasraum hinaus bzw. in den Messgasraum hinein. Die Nernst- oder Konzentrationszelle ermöglicht einen direkten Vergleich des von der Sauerstoffkonzentration im Messgas abhängigen Sauerstoffpotentials der Messelektrode mit dem konstanten Sauerstoffpotential der Referenzelektrode in Form einer messbaren elektrischen Spannung. Die Höhe der an die Pumpzelle angelegten Pumpspannung ist so gewählt, dass sich an der Nernstzelle eine konstante Spannung von beispielsweise 450 mV einstellt. Der zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließende Pumpstrom bildet ein Messsignal, das proportional der Sauerstoffkonzentration im Messgas ist. Bei diesem konstruktiven Aufbau des Sensorelements ist die dem Abgas ausgesetzte äußere Pumpelektrode deutlich weiter von dem integrierten Heizelement der Heizeinrichtung entfernt als die innere Pumpelektrode. Während des Aufheizvorgangs entsteht ein Temperaturgradient von dem integrierten Heizelement über die innere Pumpelektrode zur äußeren Pumpelektrode. Da die Pumpzelle zur Funktionsfähigkeit prinzipbedingt eine bestimmte Temperatur überschreiten muss, muss auch jede der beiden Pumpelektroden eine Mindesttemperatur überschreiten, um die Betriebsfähigkeit der Messgassonde sicherzustellen. Da die Sauerstoffionenleitung bei dem üblicherweise aus yttriumstabilisierten Zirkoniumoxid bestehenden Festelektrolyten erst bei Temperaturen einsetzt, die sehr viel größer als 250°C sind, ist die erforderliche Mindesttemperatur bei ca. 750°C festgelegt. Die am weitesten vom Heizelement entfernte Pumpelektrode bzw. die am schlechtesten hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit angekoppelte Elektrode der Pumpzelle bestimmt während der Aufheizphase die Aufheizzeit, die sog. light off-Zeit des Gassensors.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Sensorelement mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Verbringung der dem Messgas ausgesetzten äußeren Pumpelektrode in das Innere des Sensorkörpers auf die von der inneren Pumpelektrode und der Referenzelektrode abgekehrte Seite des Heizelements des elektrischen Heizers die äußere Pumpelektrode deutlich näher am Heizelement liegt und so der Temperaturgradient zwischen Heizelement und Elektroden und zwischen den Elektroden der Pumpzelle und den Elektroden der Nernstzelle geringer ist, so dass die Aufheizzeit des Sensorelements bis zur Betriebsbereitschaft deutlich kürzer wird. Darüber hinaus ergibt sich als weiterer Vorteil eine Reduktion der Impedanz der Nernstzelle, so dass sich auch die zum Betrieb notwendige Pumpspannung reduziert. Ein verringerter Pumpspannungsbedarf ist vorteilhaft für die Betriebselektronik, da der Ohmsche Spannungsabfall infolge der Verringerung der Pumpzellenimpedanz in der Größenordnung des Faktors 2 reduziert wird. Die vorstehend genannten Vorteile werden unabhängig davon erzielt, ob ein erheblicher Teil des Sensorkörpers aus Aluminiumoxid oder sauerstoffionenleitenden Zirkoniumoxid besteht. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Sensorelements kann sowohl bei der Zweizellen-Breitbandsonde (Breitband-Lambdasonde mit einem Referenzgas ausgesetzter Referenzelektrode oder mit gepumpter Referenz) oder bei einer Einzellen-Breitbandsonde, aber auch bei der Magersonde nach dem Grenzstromprinzip eingesetzt werden.
  • Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Sensorelements möglich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
  • 1 einen Längsschnitt eines Sensorelements für eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde,
  • 2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II in 1,
  • 3 einen Längsschnitt eines Sensorelements für eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde,
  • 4 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts IV in 3,
  • 5 eine gleiche Darstellung wie in 4 eines Sensorelements für eine Zweizellen-Breitband-Lambdasonde mit modifizierter Nernstzelle.
  • Das in 1 schematisiert im Längsschnitt dargestellte Sensorelement für eine Einzellen-Breitband-Lambdasonde als Ausführungsbeispiel für ein allgemeinen Gassensor, dient zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Messgas, vorzugsweise im Abgas einer Brennkraftmaschine. Das Sensorelement weist einen planaren, keramischen Sensorkörper 10 auf, der aus Keramikschichten zusammengesetzt ist. Die Keramikschichten sind dabei in Form von Keramikfolien oder von Druckschichten ausgeführt, die auf die Keramikfolien aufgedruckt sind. Die Keramikschichten bestehen aus einem sauerstoffionenleitendem Festelektrolyten, z. B. aus einem yttriumstabilisierten oder -teilstabilisierten Zirkoniumoxid (ZrO2), wobei die unterste Keramikschicht 11 als Träger für das Heizelement eines elektrischen Heizers auch aus einem keramischen Isolationsmaterial, z. B. aus Aluminiumoxid (Al2O3), bestehen kann. Auf die unterste, als Folie ausgebildete erste Keramikschicht 11 ist ein als mäanderförmige Widerstandsbahn ausgebildetes Heizelement 16 eines elektrischen Heizers angeordnet, das in einer elektrischen Isolierung 17, z. B. aus Aluminiumoxid (Al2O3), eingebettet ist. Das Heizelement 16 ist über zwei parallel verlaufende Leiterbahnen 18, die ebenfalls in der elektrischen Isolierung 17 eingebettet sind und zwei Durchkontaktierungen 19 mit zwei Anschlusskontakten 20 elektrisch verbunden, die auf der von dem Heizelement 16 abgekehrten Oberfläche der ersten Keramikschicht 11, die eine Außenfläche des Sensorkörpers 10 bildet, angeordnet sind. Die elektrische Isolierung 17 ist von einem Rahmen 21 aus einem Festelektrolyten umgeben. Auf die Isolierung 17 und den Rahmen 21 ist eine zweite Keramikschicht 12 aufgedruckt, und die zweite Keramikschicht 12 ist von einer dritten, als Folie ausgebildeten Keramikschicht 13 überdeckt. In der zweiten Keramikschicht 12 ist ein parallel zur Schichtebene verlaufender Kanal 22 ausgebildet, der in einer quer zu den Schichtebenen sich erstreckenden Außenwandfläche 101 des Sensorkörpers 10 frei mündet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt diese Außenwandfläche 101 des Sensorkörpers 10 an dessen Stirnseite. Der Kanal 22 kann jedoch auch in einer Längsseite des Sensorkörpers 10 münden. Im Kanal 22 ist eine erste Elektrode 23 angeordnet, die mit einer Elektrodenfläche auf der den Kanal 22 begrenzenden Oberfläche der dritten Keramikschicht 13 aufliegt. Zu der ersten Elektrode 23 führt eine auf der gleichen Oberfläche der dritten Keramikschicht 13 verlaufende Leiterbahn 24, die über eine Durchkontaktierung 25 mit einem Anschlusskontakt 26 verbunden ist. Der der ersten Elektrode 23 vorgelagerte Bereich des Kanals 22 ist vorzugsweise mit relativ kleinem Querschnitt ausgeführt, wobei seine in der Schichtebene verlaufende Breite deutlich kleiner ist als die der Elektrodenoberfläche der ersten Elektrode 23. Auf die dritte Keramikschicht 13 ist die vierte Keramikschicht 14 aufgedruckt, und die vierte Keramikschicht 14 ist von der fünften und letzten, als Folie ausgeführten Keramikschicht 15 überdeckt, deren Oberfläche eine weitere Außenfläche des Sensorkörpers 10 bildet. In der vierten Keramikschicht 14 ist ein Messgasraum 27 ausgebildet, zu dem ein in die fünfte Keramikschicht 15 eingebrachtes Messgaszutrittsloch 28 mündet. In dem Messgasraum 27 ist eine zweite Elektrode 29 und eine dritte Elektrode 30 angeordnet, die miteinander elektrisch verbunden sind und damit stets auf dem gleichen Spannungspotential liegen. Die zweite Elektrode 29 liegt mit ihrer einen Elektrodenfläche auf der von der ersten Elektrode 23 abgekehrten Oberfläche der dritten Keramikschicht 13 und die dritte Elektrode 30 liegt mit ihrer einen Elektrodenfläche auf der dem Messgasraum 27 begrenzenden Oberfläche der fünften Keramikschicht 15 auf. Dabei sind die erste Elektrode 23 und zweite Elektrode 29 so ausgeführt, dass die aufeinanderprojizierten Elektrodenflächen eine Mindestüberdeckung aufweisen, die größer ist als 25% der Elektrodenfläche der kleineren der beiden Elektroden 23, 29. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die erste Elektrode 23 flächenkleiner als die zweite Elektrode 29 und die dritte Elektrode 30 ist flächengleich mit der zweiten Elektrode 29. Zwischen der Mündung des Messgaszutrittslochs 28 im Messgasraum 27 und den beiden Elektroden 29, 30 ist eine Diffusionsbarriere 31 angeordnet.
  • Die zweite und die dritte Elektrode 29, 30 sind über eine Leiterbahn 32 und eine Durchkontaktierung 33 mit einem Anschlusskontakt 34 verbunden. Die Anschlusskontakte 26 für die erste Elektrode 23 und der Anschlusskontakt 34 für die zweite und dritte Elektrode 29, 30 sind auf der die Außenfläche des Sensorkörpers 10 bildenden Oberfläche der fünften Keramikschicht 15 angeordnet, wobei die Durchkontaktierung 25 zur Leiterbahn 24 der ersten Elektrode 23 durch die dritte, vierte und fünfte Keramikschicht 13, 14, 15 und die Durchkontaktierung 33 zur Leiterbahn 32 der zweiten Elektrode 29 durch die vierte und fünfte Keramikschicht 14, 15 hindurchgeführt ist.
  • Die erste Elektrode 23 und die zweite Elektrode 29 (ebenso wie die mit dieser elektrisch verbundenen dritte Elektrode 30) bilden zusammen mit dem Festelektrolyten eine elektrochemische Messzelle, die mittels eines externen Steuergeräts als Pumpzelle betrieben wird. Steuergerät und Sensorelement bilden hierbei den Gassensor, der je nach Auslegung des Steuergeräts eine Einzellen-Breitbandsonde oder eine Magersonde nach Grenzstromprinzip ist.
  • Als Einzellen-Breitbandsonde erfolgt durch das Steuergerät eine getaktete Beschaltung der Elektroden 23 und 29. Diese ist so ausgelegt, dass bei fettem Messgas (λ < 1) in einem ersten Zyklusabschnitt Sauerstoff in den Messgasraum 27 gepumpt wird, der dort mit dem eindiffundierten fetten Messgas reagiert, und in einem zweiten Zyklusabschnitt der aus der Reaktion übrig gebliebene Sauerstoff wieder aus dem Messgasraum 27 gepumpt wird. Der Mittelwert der zwei Pumpströme ist ein Maß für die Luftzahl λ. Bei magerem Messgas wird durch Anlegen einer äußeren Beschaltung an die Elektroden 23, 29 durch das Steuergerät in einem ersten Zyklusabschnitt ein definierter Sauerstoffstrom in den Messgasraum 27 gepumpt, der mit dem in den Messgasraum 27 einströmenden, mageren Messgas überschüssigen Sauer stoff ergibt. Dieser Sauerstoff wird in einem zweiten Zyklusabschnitt wieder aus dem Messgasraum 27 gepumpt. Der Mittelwert der beiden Pumpströme ist ein Maß für die Luftzahl λ.
  • Alternativ kann der Betrieb einer Einzellen-Breitbandsonde derart gestaltet werden, dass in einem ersten Zeitabschnitt durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 23 und 29 Sauerstoff von der Mess- oder Abgasseite in den Messgasraum 27 im Überschuss hineingepumpt wird, so dass sich auch bei fettem Messgas nach Reaktion von Sauerstoff mit den Fettgaskomponenten immer eine magere Gasatmosphäre ausbildet. In einem zweiten Zeitabschnitt wird dann die Nernstspannung zwischen den Elektroden 23 und 29 gemessen. Daraus lässt sich ableiten, ob das Messgas einer fetten (Nernstspannung > 450 mV) oder einer mageren (Nernstpannung < 450 mV) Gaszusammensetzung entspricht. In einem dritten Zeitabschnitt wird entsprechend der gemessenen Nernstspannung durch Anlegen einer Spannung Sauerstoff von der Messgasseite in den Messgasraum 27 hinein gepumpt (im Fall fetten Messgases) oder aus dem Messgasraum 27 hinaus gepumpt (im Fall mageren Messgases). In einem vierten Zeitabschnitt wird wieder die Nernstspannung zwischen den Elektroden 23 und 29 gemessen. Ist diese > 450 mV, wird im nachfolgenden Zeitabschnitt der Pumpstrom von der Messgasseite in den Messgasraum 27 hinein erhöht bzw. der Pumpstrom aus dem Messgasraum 27 hinaus reduziert, je nach vorvorletztem Zeitabschnitt bzw. letztem Pumpvorgang. Ist die gemessene Pumpspannung < 450 mV wird der Pumpstrom in einem fünften Zeitabschnitt in den Messgasraum 27 hinein reduziert bzw. der Pumpstrom aus dem Messgasraum 27 hinaus erhöht. Die Betriebszustände in den Zeitabschnitten vier und fünf wiederholen sich fortwährend derart, dass die jeweils gemessene Pumpspannung möglichst nahe bei 450 mV liegt. Die Höhe und Polring des Pumpstroms sind ein Maß für die Luftzahl λ des Messgases.
  • Als Magersonde wird von dem Steuergerät eine äußerte Spannung an die erste und zweite Elektrode 23, 29 gelegt, wodurch überschüssiger Sauerstoff aus dem Messgasraum 27 gepumpt wird. Der Pumpstrom ist ein Maß für die Luftzahl λ. Eine Messung der Sauerstoffkonzentration ist nur bei sauerstoffreichem (magerem) Messgas möglich.
  • Um eine bis zur Betriebsbereitschaft der Sonde möglichst kurze Aufheizzeit des Sensorelements zu erzielen, sind zwischen dem Heizelement 16 einerseits und den Elektroden 23, 29, 30 andererseits definierte Abstände eingehalten. Wie 2 zeigt, sind diese definierten Abstände, die Abstände zwischen der an einem Festelektrolyten anliegenden Elektrodenfläche der Elektroden 23, 29, 30, die dem Heizelement 16 näher liegt als die andere Elektrodenfläche, und der den Elektroden 23, 29, 30 zugekehrten Oberfläche des Heizelements 16. Die den Abstand zum Heizelement 16 bestimmende Elektrodenfläche liegt bei der ersten Elektrode 23 und bei der zweiten Elektrode 29 an der dritten Keramikschicht 13 und bei der dritten Elektrode 30 an der fünften Keramikschicht 15 an. Diese Abstände sind in 2 für die erste Elektrode 23 mit „s", für die zweite Elektrode 29 mit „t" und für die dritte Elektrode 30 mit „u" bezeichnet. Diese Abstände sind so gewählt, dass gilt:
    s ≤ 300 μm, vorzugsweise s ≤ 15O μm,
    t ≤ 450 μm, vorzugsweise t ≤ 250 μm,
    u ≤ 500 μm, vorzugsweise u ≤ 300 μm.
  • In diesem Bemessungsrahmen sind die Abstände s, t, u so gewählt, dass die Bedingungen
    1,5 t ≥ s und 1,5 u ≥ s
    erfüllt sind.
  • Beispielhaft sind die entsprechenden Abstände wie folgt gewählt: s = 100 μm, t = 140 μm, u = 170 μm. Bei dieser Bemessung der Elektroden/Heizer-Abstände hat sich erwiesen, dass die Aufheizzeit der Sonde um 16% kürzer ist als die einer herkömmlichen Sonde mit einer auf der Außenfläche des Sensorkörpers 10 liegenden ersten Elektrode.
  • Das in 3 schematisiert im Längsschnitt skizzierte Sensorelement unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Sensorelement durch eine im Sensorkörper 10 zusätzlich integrierte, separate Nernstzelle, die von der dritten Elektrode 30 und einer Referenzelektrode 35 in Verbindung mit dem Festelektrolyten der Keramikschichten 14, 15 gebildet ist. Die Referenzelektrode 35 ist auf der der vierten Keramikschicht 14 zugekehrten Oberfläche der fünften Keramikschicht 15 angeordnet und über eine auf der gleichen Oberfläche verlaufende Leiterbahn 36 und eine die fünfte Keramikschicht 15 quer zur Schichtrichtung durchdringende Durchkontaktierung 37 mit einem Anschlusskontakt 38 verbunden, der auf der die Außenfläche des Sensorkörpers 10 bildenden Oberfläche der fünften Keramikschicht 15 angeordnet ist. Die Leiterbahn 36 ist bevorzugt in eine elektrische Isolation 39 eingebettet. Die Nernstzelle arbeitet mit einer gepumpten Referenz in an sich bekannter Weise. Die Referenzelektrode 35 ist so angeordnet, dass der Abstand „v" (4) ihrer an dem Festelektrolyten anliegenden einen Elektrodenfläche, die dem Heizelement 16 näher liegt als die andere Elektrodenfläche (das ist die an der vierten Keramikschicht 14 anliegende Elektrodenfläche), von der der Referenzelektrode 35 zugekehrten Oberfläche des Heizelements 16 den Bedingungen
    v ≤ 500 μm, vorzugsweise v ≤ 300 μm, und
    1,5 t ≥ v und 1,5 u ≥ v
    genügt. Bei den gleichen wie zu 1 und 2 angeführten Abstandsangaben für s, u und t ist v = 160 μm gewählt und erfüllt somit die vorstehenden Bedingungen.
  • Wie bei dem modifizierten Ausführungsbeispiel in 5 dargestellt ist, kann anstelle einer gepumpten Referenz die Referenzelektrode 35 auch in einem mit einem Referenzgas, vorzugsweise Umgebungsluft, beaufschlagten Referenzgaskanal 40 angeordnet sein. Der Referenzgaskanal 40 ist ebenso wie der Messgasraum 27 in der vierten Keramikschicht 14 ausgebildet und wird in der Schichtebene von der fünften Keramikschicht 15 und der dritten Keramikschicht 13 begrenzt. Die Referenzelektrode 35 ist im dargestellten Beispiel auf die den Referenzgaskanal 40 begrenzende Oberfläche der fünften Keramikschicht 15 aufgedruckt. Das Maß „v" ist in gleicher Weise definiert wie in 4 ist aber, da der dem Heizerelement 16 nächstliegende Festelektrolyt, an dem die Elektrodenfläche der Referenzelektrode 35 anliegt, die fünfte Keramikschicht 15 ist, etwas größer als das Maß „v" in 4. Die zu 4 angegebenen Bedingungen sind aber auch hier erfüllt. Vorzugsweise wird die Referenzelektrode 35 auf der den Referenzgaskanal 40 begrenzenden Oberfläche der dritten Keramikschicht 13 angeordnet, da dann ein besserer Wärmeübergang von dem Heizelement 16 zu der Referenzelektrode 35 besteht. In diesem Fall würde das Maß „v" kleiner als in 4.
  • In beiden Fällen bildet das Sensorelement gemäß 3, 4 und 5 zusammen mit einem Steuergerät, das an die Anschlusskontakte 20, 26, 34 und 38 des Sensorelement angeschlossen ist eine Breitbandsonde die die Sauerstoffkonzentration im Messgas sowohl bei sauerstoffreichem (magerem) Messgas als auch bei sauerstoffarmem (fettem) Messgas erfaßt. Von dem Steuergerät wird die Nernstspannung zwischen Referenzelektrode und Innenelektrode gemessen und ein Stauerstoffstrom aus dem Messgasraum 27 gepumpt, der geeignet ist, die Nernstspannung auf 450 mV zu regeln. Bei einer Nernstspannung von 450 mV wird im Messgasraum 27 ein stöchometrisches Verhältnis des Messgases eingestellt. Der Pumpstrom ist ein Maß für die Luftzahl λ.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10054828 A1 [0002]
    • - DE 19941051 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente im Messgas, mit einem aus mindestens zwei Keramikschichten (11 bis 15) zusammengesetzten Sensorkörper (10), der einen Messgasraum (27) mit einen über eine Diffusionsbarriere (31) erfolgenden Messgaszutritt aufweist, mit einer dem Messgas ausgesetzten ersten Elektrode (23) und einer im Messgasraum (27) angeordneten zweiten Elektrode (29) und mit einem im Sensorkörper (10) angeordneten Heizelement (16), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (23) in einer zwischen dem Messgasraum (27) und dem Heizelement (16) liegenden Schichtebene angeordnet ist.
  2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (23) in einem parallel zur Schichtung der Keramikschichten (11 bis 15) verlaufenden Kanal (22) angeordnet ist, der in einer quer zur Schichtung sich erstreckenden Außenwandfläche (101) des Sensorkörpers (10) frei mündet.
  3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Elektrode (23, 29) planparallel zueinander angeordnet und so bemessen sind, dass die aufeinanderprojizierten Elektrodenflächen eine Mindestüberdeckung aufweisen die größer als 25% der Elektrodenfläche der kleineren der beiden Elektroden (23, 29) ist.
  4. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Messgasraum (27) eine dritte Elektrode (30) planparallel zu der zweiten Elektrode (29) angeordnet ist und vorzugsweise dass die Elektrodenfläche der dritten Elektrode (30) gleich der Elektrodenfläche der zweiten Elektrode (29) bemessen ist.
  5. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messgasraum (27) in einer zwischen zwei Keramikschichten (13, 15) liegenden Zwischenschicht (14) ausgebildet ist, dass die erste und zweite Elektrode (23, 29) an der dem Heizelement (16) näher liegenden Keramikschicht (13) auf deren voneinander abgekehrten Oberflächen und die dritte Elektrode (30) auf der den Messgasraum (27) begrenzenden Oberfläche der vom Heizelement (16) weiter entfernt liegenden Keramikschicht (15) angeordnet ist.
  6. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (14) aus einem Festelektrolyten besteht.
  7. Sensorelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Anordnung von Heizelement (16) und Elektroden (23, 29, 30) zueinander so getroffen ist, dass die an einem Festelektrolyten anliegende Elektrodenfläche der Elektroden (23, 29, 30), die dem Heizelement (16) näher liegt als die andere Elektrodenfläche, von der den Elektroden (23, 29, 30) zugekehrten Oberfläche des Heizelements (16) jeweils einen Abstand s, t, u aufweisen, der für die erste Elektrode (29) s ≤ 300 μm vorzugsweise s ≤ 150 μm, für die zweite Elektrode (29) t ≤ 450 μm, vorzugsweise t ≤ 250 μm und für die dritte Elektrode (30) u ≤ 500 μm, vorzugsweise u ≤ 300 μm, ist und die Abstände s, t, u den Bedingungen 1,5 t ≥ s und 1,5 u ≥ s genügen.
  8. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorkörper (10) eine Referenzelektrode (35) so angeordnet ist, dass der Abstand v ihrer dem Heizelement (16) nächstliegenden, an dem Festelektrolyten anliegenden Elektrodenfläche von der der Referenzelektrode (35) zugekehrten Oberfläche des Heizelements (16) v ≤ 500 μm, vorzugsweise v ≤ 300 μm, ist und den Bedingungen 1,5 t ≥ v und 1,5 u ≥ v genügt.
  9. Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenschicht (14) ein Referenzgaskanal (40) ausgebildet ist und dass die Referenzelektrode (35) innerhalb des Referenzgaskanals (40) an einer den Referenzgaskanal (40) begrenzenden Oberfläche der die Zwischenschicht (14) einschließenden Keramikschichten (13; 15) angeordnet ist.
  10. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (23) mit der zweiten Elektrode (29) und den dazwischenliegendem Festelektrolyten als Pumpzelle betrieben ist.
  11. Sensorelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (35) mit der dritten Elektrode (30) und den Festelektrolyten eine Mess- oder Nernstzelle bildet.
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