DE102008042616A1 - Gassensor - Google Patents

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Philipp Spies
Ulrich Eisele
Thomas Loibl
Imke Heeren
Lothar Diehl
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Robert Bosch GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

Abstract

Es wird ein Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases angegeben, das ein Sensorelement (11) und ein das Sensorelement (11) zum Einbau des Gassensors aufnehmendes, metallisches Gehäuse (12) aufweist. Das Sensorelement (11) besitzt einen hohlen Keramikkörper (15) mit einem rohrförmigen, endseitig geschlossenen messgasseitigen Endabschnitt (151), der auf seiner Außenseite eine vom Messgas beaufschlagte Messelektrode (16) und auf seiner Innenseite eine von einem Referenzgas beaufschlagte Referenzelektrode (11) im Gehäuse (12) vorbereiteten Mittelabschnitt (152) und einen anschlussseitigen Endabschnitt (153). Zur fertigungstechnisch günstigen Herstellung des Gassensors mit deutlichen betrieblichen Vorteilen, wie schnelle Betriebsbereitschaft nach Inbetriebnahme, ist der messgasseitige Endabschnitt (151) in seiner axialen Länge deutlich kürzer als die über den Mittelabschnitt (152) und anschlussseitigen Endabschnitt (153) gemessene Körperlänge und dünnwandig mit einer Wandstärke (d) ausgeführt, die im Bereich von 150 µm bis 350 µm liegt (Fig. 1).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei einem bekannten Gassensor oder elektrochemischen Messfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas von Brennkraftmaschinen ( DE 2 326 086 A1 ), weist der Keramikkörper aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie Zirkoniumoxid, einen langgestreckten, hohlen, fingerartigen, messgasseitigen Endabschnitt und einen Mittel- und anschlussseitigen Endabschnitt auf, deren beider Gesamtlänge etwa so groß wie die des messgasseitigen Endabschnitts ist. Der Keramikkörper ist mit seinem Mittelabschnitt in einem Fühlergehäuse festgelegt, das ein Einschraubgewinde und Angriffsflächen für ein Schraubwerkzeug aufweist. Der Mittelabschnitt des Keramikkörpers weist einen umlaufenden Flansch mit voneinander abgekehrten, nach außen abgeschrägten Flanschflächen auf. Mit der einen schrägen Flanschfläche liegt der Mittelabschnitt des Keramikkörpers auf einer am Fühlergehäuse ausgebildeten, umlaufenden Schrägschulter auf. Auf die andere schräge Flanschfläche ist unter Zwischenlage von Ausgleichselementen der Rand des Fühlergehäuses aufgebördelt, und der Mittelabschnitt ist durch Warmschrumpfen zwischen Bördelrand und Schrägschulter abdichtend fixiert. Der anschlussseitige Endabschnitt ist von einer das Ende des Keramikkörpers weit überragenden, metallischen Hülse umschlossen, die ebenfalls über die Bördelung am Fühlergehäuse festgelegt ist. Das vom Gehäuse abgekehrte, freie Ende der metallischen Hülse ist von einer Isolierstoffscheibe abgedeckt, durch die ein mit einem Kontakt versehenes, rohrförmiges Anschlussteil hindurchgeführt ist, das in den hohlen Keramikkörper eintaucht und im Bereich des anschlussseitigen Endabschnitts des Keramikkörpers eine Referenzelektrode kontaktiert. Die aus Platin bestehende Referenzelektrode verläuft auf der Innenwand des Keramikkörpers bis in den messgasseitigen Endabschnitt. Eine ebenfalls aus Platin bestehende Messelektrode ist auf die Außenwand des messgasseitigen Endabschnitts des Keramikkörpers aufgebracht. Die Messelektrode ist auf das metallische Fühlergehäuse kontaktiert, wozu zwischen der Schrägschulter des Fühlergehäuses und der auf dieser aufliegenden Schrägfläche des Flansches am Mittelabschnitt ein weicher metallischer Ring, z. B. aus Rein-Nickel, eingelegt ist, der sowohl für eine Abdichtung als auch für einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Fühlergehäuse und der Messelektrode sorgt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße, kurzbauende, fertigungstechnisch sehr kostengünstige Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Kürze und Dünnwandigkeit des rohrförmigen messgasseitigen Endabschnitts des vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestellten Keramikkörpers die Keramik innerhalb des vom Messgas beaufschlagten Endabschnitts und insbesondere die innenliegende Referenzelektrode sehr schnell durch das heiße Messgas auf die erforderliche Temperatur von z. B. ca. 400°C aufgeheizt wird und damit der Gassensor sehr schnell betriebsbereit wird. Durch die schlechte Wärmeleitung des Keramikmaterials verbleibt die Wärme im messgasseitigen Endabschnitt und wird nicht über den sehr viel dickeren Mittelabschnitt in das metallische Gehäuse abgeleitet. Für den spritzgegossenen Keramikkörper bestehen fertigungsseitig keine Symmetrieanforderungen, so dass die Formgebung des Keramikkörpers an die funktionellen Anforderungen angepasst werden kann. So kann der messgasseitige Endabschnitt ganz oder teilweise abgeflacht werden, um kostengünstige Drucktechniken für das Aufbringen der Elektroden und/oder von Heizwiderstandsbahnen für einen elektrischen Heizer anzuwenden. Der im Wesentlichen aus Zirkoniumoxid bestehende Werkstoff des Keramikkörpers ist so gewählt, das einerseits eine ausreichende elektrische Isolierung bei guter Sauerstoffionenleitfähigkeit und andererseits eine hohe mechanische Festigkeit zum Schutz gegen Steinschlag und Thermoschock vorhanden ist.
  • Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gassensors möglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Mittelabschnitt des Keramikkörpers einen einstückig ausgeformten, zum messgasseitigen Endabschnitt des Keramikkörpers sich verjüngenden Konus mit einer zum anschlussseitigen Endabschnitt weisenden Radialschulter auf. Das metallische Gehäuse besitzt eine konusförmige Aufnahmeöffnung zur formschlüssigen Aufnahme des am Mittelabschnitt ausgebildeten Konus und ist kurzbauend mit einer axialen Länge ausgeführt, die wenig größer ist als der Konus am Mittelabschnitt des Keramikkörpers. Mittels des am Mittelabschnitt des Keramikkörpers angeformten Konus wird durch Verstemmung eine axiale und radiale Fixierung des Keramikkörpers in dem kurzbauenden Metallgehäuse erreicht, die außerdem die Dichtfunktion gegenüber dem Messgas übernimmt. Bei der Montage wird vor der Verstemmung eine axiale Verpressung von Keramikkörper und Gehäuse vorgenommen. Vorzugsweise wird die Verstemmung auf ein auf der Radialschulter des Konus aufliegendes, elastisches Element, z. B. eine Tellerfeder, vorgenommen. Dadurch wird zusätzlich elastische Energie im Verstemmverbund gespeichert, die ein Lösen der Verbindung verhindert. Ferner können Verpressung und Verstemmung bei einer etwa der Betriebstemperatur des Gassensors entsprechenden, erhöhten Temperatur durchgeführt werden. Dadurch kann sich beim Aufheizen des Gassensors die Verbindung zwischen Keramikkörper und Gehäuse nicht lösen, obwohl der Wärmeausdehnungskoeffizient des metallischen Gehäuses größer ist als der des Keramikkörpers. Eine Reduktion der Verstemmkraft durch Aufheizen ist unkritisch, da die eigentliche Halterung des Sensorelements über den Konus erfolgt. Durch das sehr kurzbauende Gehäuse und die schlechte Wärmeleitung der Keramik reduziert sich auch der Wärmetransport von der heißen Abgasseite zur Kontaktierung, wodurch kostengünstige Niedertemperatur-Kontaktierungen möglich werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der am Mittelabschnitt des Keramikkörpers ausgeformte Konus einen Konuswinkel auf, der gleich oder kleiner 15° ist. Durch diese Festlegung des Konuswinkels wird eine Selbsthemmung der Verbindung zwischen Keramikkörper und Gehäuse erreicht, so dass ein Losschütteln dieser Verbindung durch Vibrationen zuverlässig ausgeschlossen ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das freie Ende des anschlussseitigen hohlen Endabschnitts des Keramikkörpers von einem Dichtungsstopfen abgedeckt, durch den eine Kontaktfeder zur Kontaktierung der Referenzelektrode hindurchgeführt ist. Der Dichtungsstopfen ist mittels einer auf dem anschlussseitigen Endabschnitt verstemmten Metallkappe festgelegt, die nur wenig das Ende des anschlussseitigen Endabschnitts übergreift. Dadurch, dass die axiale Länge des anschlussseitigen Endabschnitts größer ist als die axiale Länge des am Mittelabschnitt ausgeformten Konus und die Metallkappe den Endabschnitt nur wenig übergreift, besteht zwischen dem Gehäuse und der Metallkappe keine Verbindung, so dass aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Keramik eine gute Wärmeentkopplung von dem heißen Messgas zu dem am Kabelabgang liegenden Dichtungsstopfen und der vor dem Dichtungsstopfen vorgenommenen Kontaktierung gegeben ist. Der axiale Abstand der beiden metallischen Teile beträgt vorzugsweise 5 mm bis 15 mm. Durch diesen Abstand wird eine wesentliche Temperaturreduzierung im Kontaktierbereich und im Kabelabgang erreicht.
  • Der erfindungsgemäße Gassensor kann als λ=1-Sonde oder Sprungsonde und bei Aufbringen einer Diffusionsbarriere auf die Messelektrode auch als Breitbandsonde für Hochtemperaturanwendung eingesetzt werden. Wird im letztgenannten Fall der von der Diffusionsbarriere abgedeckten Außenelektrode gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Heizwiderstandsbahn eines elektrischen Heizers zugeordnet, so ist der Gassensor auch als Breitbandsonde im normalen Temperaturbereich von ca. 450°C–600°C einsetzbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Außenelektrode auf das metallische Gehäuse kontaktiert. Der Gassensor ist dann über ein nur einadriges Anschlusskabel mit einem Steuergerät verbunden. Dies trägt zur Senkung der Fertigungskosten bei und reduziert die Anzahl der Steckerpins, was sich günstig am Steuergerät auswirkt. Im Betrieb als Breitbandsonde bei Hochtemperatur ist das informationstragende Signal der Grenzstrom der von den beiden Elektroden mit Keramikkörper gebildeten Pumpspannung. Da dieses Signal nur durch den Sauerstoffpartialdruck bestimmt wird, kann eine Einkopplung in das Anschlusskabel den niederohmigen Strom nicht stören. Selbst die Schwankung der Pumpzelle, die aufgrund der Spannungsabfälle über das Gehäuse auftritt, geht im Gegensatz zu dem herkömmlichen, potenzialbehafteten Fingersonden nur geringfügig in das Ausgangssignal ein.
  • Bei Vorsehen eines elektrischen Heizers auf der Außenseite des messgasseitigen Endabschnitts wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der eine Bahnanschluss der Heizwiderstandsbahn ebenfalls auf das metallische Gehäuse kontaktiert. Dies ist möglich, da die entstehende Heizereinkopplung nur in der Pumpspannung zwischen den beiden Elektroden wirkt und nicht in dem über die Messleitung fließenden Messstrom. Bei dieser Ausführung des Gassensors ist nur ein zweiadriges Anschlusskabel zum Steuergerät erforderlich, was wiederum einen Kostensenkungsbeitrag liefert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
  • 1 einen hälftigen Längsschnitt eines Gassensors,
  • 2 eine perspektivische Draufsicht des Ausschnitts II in 1,
  • 3 eine gleiche Darstellung wie in 1 eines modifizierten Gassensors,
  • 4 ausschnittweise eine Draufsicht eines modifizierten Sensorelements im Gassensor gemäß 1,
  • 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in 4 mit zusätzlich auf das Sensorelement aufgebrachter Diffusionsbarriere.
  • Der in 1 schematisiert im hälftigen Längsschnitt dargestellte Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases dient beispielsweise als sog. Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Der Gassensor weist ein Sensorelement 11 und ein das Sensorelement 11 aufnehmendes Gehäuse 12 auf, das mit Einbaumitteln zum Einbau des Gassensors am Einbauort, z. B. im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine, versehen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Einbaumittel ein Außengewinde 13, mit dem der Gassensor in einen Einbaustutzen am Abgasrohr eingeschraubt werden kann, und ein Schlüsselsechskant 14 zum Eindrehen des Gassensors.
  • Das Sensorelement 11 hat einen langgestreckten, hohlen Keramikkörper 15 mit einem rohrförmigen, endseitig geschlossen messgasseitigen Endabschnitt 151, einem Mittelabschnitt 152 und einem anschlussseitigen Endabschnitt 153. Der messgasseitige Endabschnitt 151 trägt gassensitive Elektroden, und zwar auf seiner Außenseite eine im Einbauzustand dem Messgas ausgesetzte Messelektrode 16 und auf der Innenseite eine einem Referenzgas, vorzugsweise Umgebungsluft, ausgesetzte Referenzelektrode 17. Der Mittelabschnitt 152 dient zur Festlegung des Sensorelements 11 im Gehäuse 12, und im anschlussseitigen Endabschnitt 153 ist eine Kontaktierung des Sensorelements 11 mit einem zu einem elektronischen Steuergerät führenden Anschlusskabel 42 vorgenommen. Der messgasseitige Endabschnitt 151 ist dabei in seiner axialen Länge deutlich kürzer als die über den Mittelabschnitt 152 und den anschlussseitigen Endabschnitt 153 gemessene Körperlänge des Keramikkörpers 15 und dünnwandig ausgeführt, wobei die Wandstärke d des messgasseitigen Endabschnitts 151 in einem Bereich von 150 μm bis 350 μm liegt. Der messgasseitige Endabschnitt 151 ist von einem Schutzrohr 18 abgedeckt, das an dem Gehäuse 12 befestigt ist. Das Schutzrohr 18 ist mit Gasdurchtrittslöchern 19 versehen, so dass die auf der Außenseite des messgasseitigen Endabschnitts 151 angeordnete Messelektrode 16 von einem Messgasstrom bestrichen werden kann.
  • Am Mittelabschnitt 152 des Keramikkörpers 15 ist ein Konus 20 einstückig ausgeformt, der sich zum messgasseitigen Endabschnitt 151 hin verjüngt und eine zum anschlussseitigen Endabschnitt 153 weisende Radialschulter 21 besitzt. Das Gehäuse 12 ist aus Metall und sehr kurzbauend mit einer axialen Länge ausgeführt, die wenig größer ist als der Konus 20 am Mittelabschnitt 152, und ist mit einer zentralen, konusförmigen Aufnahmeöffnung 22 zur formschlüssigen Aufnahme des am Mittelabschnitt 152 ausgebildeten Konus 20 versehen. Der Konuswinkel von Konus 20 und Aufnahmeöffnung 22 beträgt maximal 15°, ist aber vorzugsweise etwas kleiner gewählt, um eine sichere Selbsthemmung der Verbindung zwischen Konus 20 und Gehäuse 12 zu gewährleisten. Das Sensorelement 11 ist in das Gehäuse 12 so eingeführt, dass der Konus 20 passgenau in der Aufnahmeöffnung 22 einliegt und ist im Gehäuse 12 verstemmt, indem ein vom Gehäuse 12 am Innenrand des Schlüsselsechskants 14 abgebogener Verstemmungsrand 23 die Radialschulter 21 am Konus 20 übergreift. Vor Verstemmung wird das Sensorelement 11 im Gehäuse 12 axial verpresst. Die Verstemmung wird bei erhöhter Temperatur, z. B. zwischen 400°C und 600°C, durchgeführt, damit sich durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramikkörper 15 und Gehäuse 12 die Verbindung nicht löst.
  • Das freie Ende des anschlussseitigen Endabschnitts 153 ist von einem Dichtungsstopfen 24 verschlossen, durch den eine Kontaktfeder 25 hindurchgeführt ist. Der Dichtungsstopfen 24 ist mittels einer auf dem anschlussseitigen Endabschnitt 153 verstemmten Metallkappe 26 festgelegt, wobei die Metallkappe 26 das Ende des anschlussseitigen Endabschnitts 153 nur wenig übergreift. Dadurch, dass die axiale Länge des anschlussseitigen Endabschnitts 153 deutlich größer ist als die axiale Länge des an den Mittelabschnitt 152 angeformten Konus 20, ist ein Abstand zwischen Metallkappe 26 und Gehäuse 12 vorhanden, in dem der Keramikkörper 15 freiliegt. Dadurch ist eine gute Wärmeentkopplung von dem über das Messgas aufgeheizten Gehäuse 12 und dem Kabelabgang gegeben, so dass in diesem Bereich kostengünstige Werkstoffe für Anschlusskabel 42 und Dichtungsstopfen 24 eingesetzt werden können. Der im Wesentlichen aus einem Festelektrolyten, z. B. yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid, bestehende Werkstoff des Keramikkörpers 15 ist so gewählt, dass einerseits eine ausreichende elektrische Isolierung gewährleistet und zum anderen eine hohe mechanische Festigkeit zum Schutz vor Steinschlag und Thermoschock vorhanden ist, so dass durch den zwischen Gehäuse 12 und Metallkappe 26 freiliegenden Bereich des Keramikkörpers 15 keine diesbezüglichen Nachteile entstehen.
  • Für den elektrischen Anschluss des Sensorelements 11 an das Steuergerät ist von der Messelektrode 16 eine Leiterbahn 27 bis auf den Außenmantel des Konus 20 geführt, so dass nach Zusammenbau von Sensorelement 11 und Gehäuse 12 die Messelektrode 16 auf das Gehäuse 12 kontaktiert ist. Im Innern des hohlen Keramikkörpers 15 führt eine Leiterbahn 28 von der Referenzelektrode 17 bis in den anschlussseitigen Endabschnitt 153. Hier liegt die Kontaktfeder 25 mit Federdruck auf der Leiterbahn 28 auf, somit die Referenzelektrode 17 über das einadrige Anschlusskabel 42 mit dem Steuergerät verbunden ist.
  • In den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 3 sind Messelektrode 16 und Referenzelektrode 17 jeweils als Ringfläche 29 bzw. 30 ausgebildet, die auf der Außenfläche bzw. Innenfläche des messgasseitigen Endabschnitts 151 umlaufen. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Gassensor als Sprung- oder λ=1-Sonde eingesetzt. Im Ausführungsbeispiel der 3 wird der Gassensor als Breitbandsonde betrieben, wozu die Messelektrode 16 mit einer auf die Außenfläche des messgasseitigen Endabschnitts 151 aufgebrachten Diffusionsbarriere 31 abgedeckt ist. Diese Breitbandsonde ist für Hochtemperaturanwendung geeignet.
  • Für den Einsatz bei weniger hohen Betriebstemperaturen ist das Sensorelement 11 mit einem elektrischen Heizer versehen, wie dies in 2 bzw. 4 und 5 dargestellt ist. Hierzu ist der Messelektrode 16 auf der Außenseite des messgasseitigen Endabschnitts 151 eine elektrische Heizwiderstandsbahn 32 zugeordnet, die über zwei Bahnanschlüsse 33, 34 mit einem Heizstrom versorgt wird (4). Wie nicht weiter dargestellt ist, ist der eine Bahnanschluss 33 zu dem anschlussseitigen Endabschnitt 153 geführt und dort auf eine weitere Kabelader des nunmehr zweiadrigen Anschlusskabels 42 kontaktiert. Der andere Bahnanschluss 34 ist – wie auch die Messelektrode 16 – auf das Gehäuse 12 kontaktiert und hierzu, wie dies in 4 dargestellt ist, an die Leiterbahn 27 angeschlossen.
  • Im Ausführungsbeispiel der 2 besteht die Heizwiderstandsbahn 32 aus zwei parallel zur Ringfläche 29 der Messelektrode 16 verlaufenden Kreisringen 35, 36, die durch einen axial sich erstreckenden Quersteg 37 miteinander verbunden sind. Im Bereich des Querstegs 37 ist die Ringfläche 29 unterbrochen, weist also eine Lücke 38 auf.
  • Im Ausführungsbeispiel der 4 und 5 ist die Messelektrode 16 – und ebenso die Referenzelektrode 17 – als Kreisfläche 39 bzw. 40 ausgebildet, die auf die Außen- bzw. Innenfläche des messgasseitigen Endabschnitts 151 aufgebracht ist. Um die Elektroden 16, 17 in kostengünstiger Drucktechnik auf den Keramikkörper 15 aufzubringen, ist der messgasseitige Endabschnitt 151 zumindest im Bereich der Elektroden 16, 17 abgeflacht. Werden die Elektroden 16, 17 mittels Transferdruck, Tampondruck oder Dispensverfahren aufgebracht, so kann auf eine solche Abflachung verzichtet werden. Anstelle einer Kreisform können auch andere Formen für die Elektroden 16, 17 gewählt werden, z. B. Viereckform oder Ellipsenform. Die Heizwiderstandsbahn 32 ist auf die Außenfläche des messgasseitigen Endabschnitts 151 so aufgebracht, dass sie die Kreisfläche 39 (oder Mehreckfläche) der Messelektrode 16 umschließt und lediglich eine Lücke 41 aufweist, durch die die zur Messelektrode 16 führende Leiterbahn 27 hindurchgeführt ist. In 5 ist nochmals die Anordnung von Elektroden 16, 17 und Heizwiderstandsbahn 32 im Schnitt etwas vergrößert dargestellt, wobei die auf die Außenfläche des messgasseitigen Endabschnitts 151 aufgebrachte, Messelektrode 16 und Heizwiderstandsbahn 32 abdeckende Diffusionsbarriere 31 eingezeichnet ist, auf deren Darstellung in 2 und 4 der Übersichtlichkeit halber verzichtet worden ist.
  • Wie hier nicht weiter dargestellt ist, kann sich der elektrische Heizer auch im Innern des Keramikkörpers befinden. In diesem Fall liegt dann die Heizwiderstandsbahn unter der Referenzelektorde und ist gegenüber der Referenzelektrode durch Isolationsschichten elektrisch entkoppelt. Die beiden Bahnanschlüsse der Heizwiderstandsbahn sind in den anschlussseitigen Endabschnitt des Keramikkörpers geführt und dort über eine erweiterte Kontaktierung mit Kabeladern des Anschlusskabels verbunden.
  • Die im Innern des hohlen Keramikkörpers 15 befindlichen elektrisch leitenden Strukturen, wie Heizwiderstandsbahn mit Bahnanschlüssen und Referenzelektrode 17 und Leiterbahn 28 werden vorzugsweise über ein Transferdruckverfahren eingebracht, bei dem während des Spritzgusses des Keramikkörpers 15 eine Transferfolie eingelegt wird. Dadurch können sehr maßhaltige und dünne Strukturen realisiert werden, die zugleich gegenüber heutigen Fingersonden kostengünstig sind.
  • Das Transferdruckverfahren kann auch – wie bereits erwähnt – für die auf die außen auf den Keramikkörper 15 aufzubringenden elektrisch leitenden Strukturen wie Messelektrode 16 und Leiterbahn 27 angewendet werden.
  • 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 2326086 A1 [0002]

Claims (15)

  1. Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente des Messgases, mit einem Sensorelement (11), das einen hohlen Keramikkörper (15) mit einem rohrförmigen, endseitig geschlossenen messgasseitigen Endabschnitt (151), einem Mittelabschnitt (152) und einem anschlussseitigen Endabschnitt (153) aufweist, wobei der messgasseitige Endabschnitt (151) auf seiner Außenseite eine vom Messgas beaufschlagte Messelektrode (16) und auf seiner Innenseite eine von einem Referenzgas, insbesondere Luft, beaufschlagte Referenzelektrode (17) trägt, und mit einem den Mittelabschnitt (152) aufnehmenden, metallischen Gehäuse (12), das mit Einbaumitteln für den Gassensor versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der messgasseitige Endabschnitt (151) in seiner axialen Länge deutlich kürzer als die über Mittelabschnitt (152) und anschlussseitigen Endabschnitt (153) gemessene Körperlänge und dünnwandig mit einer Wandstärke (d) ausgeführt ist, die im Bereich von 150 μm bis 350 μm liegt.
  2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (152) des Keramikkörpers (15) einen einstückig angeformten, zum messgasseitigen Endabschnitt (151) sich verjüngenden Konus (20) mit einer zum anschlussseitigen Endabschnitt (153) weisenden Radialschulter (21) aufweist und dass das Gehäuse (12) eine konusförmige Aufnahmeöffnung (22) zur formschlüssigen Aufnahme des am Mittelabschnitt (152) ausgebildeten Konus (20) aufweist und kurzbauend mit einer axialen Länge ausgeführt ist, die wenig größer als der Konus (20) am Mittelabschnitt (152) ist.
  3. Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Konus (20) und Konusöffnung (22) jeweils einen Konuswinkel aufweisen, der gleich oder kleiner 15° ist.
  4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenwand des hohlen Keramikkörpers (15) eine zur Referenzelektrode (17) führende Leiterbahn (28) angeordnet ist und dass die Leiterbahn (28) im anschlussseitigen Endabschnitt (153) von einer mit einem Anschlusskabel (42) in Verbindung stehenden Kontaktfeder (25) kontaktiert ist.
  5. Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des anschlussseitigen Endabschnitts (153) von einem Dichtungsstopfen (24) abgedeckt ist, durch den die Kontaktfeder (25) hindurchgeführt ist.
  6. Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsstopfen (24) mittels einer auf dem anschlussseitigen Endabschnitt (153) verstemmten Metallkappe (26) festgelegt ist.
  7. Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des anschlussseitigen Endabschnitts (153) größer ist als die axiale Länge des an den Mittelabschnitt (152) angeformten Konus (20) und dass die Metallkappe (26) nur wenig das Ende des anschlussseitigen Endabschnitts (153) übergreift, vorzugsweise so, dass zwischen der Metallkappe (26) und dem metallischen Gehäuse (12) ein Abstand verbleibt, der zwischen 5 mm und 15 mm liegt.
  8. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Messelektrode (16) und Referenzelektrode (17) als auf der Außen- bzw. Innenwand des messgasseitigen Endabschnitts (151) umlaufende Ringflächen (29, 30) ausgebildet sind.
  9. Gassensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messelektrode (16) eine Heizwiderstandsbahn (32) eines elektrischen Heizers zugeordnet ist, die aus zwei parallel zur Ringfläche (29) der Messelektrode (16) verlaufenden, über einen axial sich erstreckenden Quersteg (37) miteinander verbundenen Kreisringen (35, 36) besteht, und das die Ringfläche (29) der Messelektrode (16) im Bereich des Querstegs (37) eine Lücke (40) aufweist.
  10. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Messelektrode (16) und Referenzelektrode (17) als eine auf der Außen- bzw. Innenwand des messgasseitigen Endabschnitts (151) aufgebrachte Kreisfläche (39, 40) oder Mehreckfläche ausgebildet ist.
  11. Gassensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der messgasseitige Endabschnitt (151) zumindest im Bereich der Mess- und Referenzelektrode (16, 17) abgeflacht ist.
  12. Gassensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messelektrode (16) eine Heizwiderstandsbahn (32) eines elektrischen Heizers zugeordnet ist, die die Kreisfläche (39) oder Mehreckfläche der Messelektrode (16) umgibt.
  13. Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (16) über eine bis auf den Konus (20) am Mittelabschnitt (152) des Keramikkörpers (15) sich erstreckende Leiterbahn (27) auf das Gehäuse (12) kontaktiert ist.
  14. Gassensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwiderstandsbahn (32) zwei Bahnanschlüsse (33, 34) aufweist, von denen einer auf die mit der Messelektrode (16) verbundenen Leiterbahn (27) kontaktiert ist.
  15. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (16) von einer Diffusionsbarriere (31) abgedeckt ist.
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DE102010055016A1 (de) * 2010-12-17 2012-06-21 Continental Automotive Gmbh Hochtemperatursensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge
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DE2326086A1 (de) 1973-05-23 1974-12-12 Bosch Gmbh Robert Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren

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