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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung mindestens
einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration
einer Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases, nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
bekannter Gassensor oder Messfühler zur Bestimmung des
Sauerstoffgehalts in einem Gasgemisch, insbesondere im Abgas von
Brennkraftmaschinen (
DE
44 36 222 A1 ) weist eine elektrochemische Messzelle und
eine elektrochemische Referenzzelle sowie einen als Träger
der Mess- und Referenzzelle fungierenden Keramikkörper
auf, der z. B. aus Aluminiumdioxid besteht. Mess- und Referenzzelle
sind auf der Oberfläche des Keramikkörpers angeordnet.
Die Messzelle besteht aus einer ersten und aus einer zweiten Elektrode
mit einem dazwischenliegenden Festelektrolyten. Die erste Elektrode
ist auf einer auf dem Keramikkörper aufgebrachten Diffusionsbarriere
angeordnet, die über ein Diffusionsloch mit dem Gasgemisch
in Verbindung steht. Die zweite Elektrode ist direkt dem Gasgemisch
ausgesetzt. Die Referenzzelle besteht aus einer ersten und einer
zweiten Elektrode mit dazwischenliegendem Festelektrolyten. Die
erste Elektrode steht mit einem Referenzgasraum in Verbindung, die
zweite Elektrode ist dem Gasgemisch direkt ausgesetzt. Alle Elektroden
sind aus Platin, die Festelektolyten aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid.
Die Elektroden sind mit nach außen geführten Kontaktstellen
verbunden, an die eine Steuerelektronik mit Auswerteschaltung anschließbar
ist.
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Ein
ebenfalls bekannter Gassensor, z. B. eine Lambdasonde (
DE 195 42 650 A1 ), weist
ein metallisches Sensorgehäuse mit einem Gewinde als Verbauungsmittel zum
Einbau in ein an einem Messgasrohr, z. B. Abgasrohr, angeordneten
Einbaustutzen auf. Im Sensorgehäuse ist ein Sensorelement
mit einem messgasseitigen Endabschnitt und einem anschlussseitigen
Endabschnitt angeordnet. Das Sensorelement ist mittig im Sensorgehäuse
mittels einer Dichtung gehalten. Der aus dem Sensorgehäuse
herausragende, messgasseitige Endabschnitt ist von einem Schutzrohr
umgeben. Auf dem ebenfalls aus dem Gehäuse vorstehenden
anschlussseitigen Endabschnitt des Sensorelements befinden sich
Anschlusskontakte, die mittels eines zweiteiligen Steckers kontaktiert
werden. Der Stecker verfügt über eine der Anzahl
der Anschlusskontakte entsprechende Zahl von Kontaktfahnen mit jeweils
einer Crimpverbindung zu einem elektrischen Leiter eines Anschlusskabels.
Der Stecker ist von einer metallischen Gehäusehülse
umgeben, die mit dem Gehäuse gasdicht verschweißt
ist.
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Bei
einem als sog. Fingersonde ausgeführten bekannten Gassensor
zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas von Brennkraftmaschinen (
DE 2 326 086 A1 )
besteht der Keramikkörper aus einem sauerstoffionenleitendem
Festelektrolytmaterial, wie Zirkoniumoxid, und weist einen rundstabartigen,
hohlen, messgasseitigen Endabschnitt, einen hohlen Mittelabschnitt
und einen hohlen, anschlussseitigen Endabschnitt auf. Mit dem Mittelabschnitt
ist der Keramikkörper in einem Sensorgehäuse festgelegt,
das ein Einschraubgewinde und Angriffsflächen für
ein Schraubwerkzeug aufweist. Der hohle, anschlussseitige Endabschnitt
des Keramikkörpers bildet zusammen mit einer auf ihm außen
angeordneten Messelektrode und mit einer an ihm innen angeordneten
Referenzelektrode das Sensorelement einer λ = 1 – Sonde
oder Sprungsonde. Stirnseitig in den hohlen, anschlussseitigen Endabschnitt
taucht ein rohrförmiges Anschlussteil ein, das über
eine in dem hohlen Mittelabschnitt und den hohlen, messgasseitigen
Endabschnitt verlaufende, elektrische Leiterbahn die Referenzelektrode
kontaktiert. Die äußere Messelektrode ist auf
das metallische Sensorgehäuse kontaktiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Messfunktion, die Halterung
und die Kontaktierung des Gassensors in einem einzigen keramischen
Bauteil vereinigt ist. Der Gassensor kann in beliebiger Formgestaltung
aus nur wenigen Komponenten, im wesentlichen Ke ramikkörper
und Messzelle, in nur wenigen Fertigungs- und Montageschritten hergestellt
und somit kostengünstig gefertigt werden. Der Keramikkörper
entsteht als Grünling in einem keramischen Spritzgussverfahren
oder durch Heißgießen und wird unmittelbar mit
der Messzelle versehen. Letztere kann als eigenständige
Komponente durch Auflaminieren auf den Trägerteil des Keramikkörpers,
aber auch als mehrlagiges Schichtpakete im Transfer- oder Direktdruck
auf den Trägerteil aufgebracht werden. In einem anschließenden
Sinterprozess können Keramikkörper und Messzelle
gemeinsam entbindert und gesintert werden. Alternativ ist es möglich,
den gegossenen Keramikkörper zunächst zu entbindern
und anzusintern und erst den dadurch entstandenen Bräunling
mit der Messzelle zu belegen, die beispielsweise als Schichtpaket
um den Trägerteil des Bräunlings gewickelt wird.
Bei der Messzelle kann es sich um eine solche handeln, mit welcher
der Sauerstoffgehalt, der Stickoxidgehalt, der Partikelgehalt oder
die Temperatur des Messgases oder des Abgases von Brennkraftmaschinen
bestimmt werden kann.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Gassensors möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der über
den Tragteil vorstehenden Schulterbereich des Halterungsteils von
mindestens einem im Hohlraum des Halterungsteils mündender Durchgangskanal
durchdrungen, und durch den Durchgangskanal verläuft eine
die elektrische Verbindung zwischen der mindestens einen Kontaktfläche
an der Hohlraumwand und dem mindestens einen Anschlusskontakt der
Messzelle herstellende elektrische Leiterbahn. Die elektrische Leiterbahn kann,
z. B. durch Dispensen von leitfähigen Pasten realisiert
werden. Auf diese Weise lässt sich in fertigungstechnisch
einfacher Weise eine Umkontaktierung des mindestens einen Anschlusskontakts
der auf dem Trägerteil angeordneten Messzelle ins Innere
des Halterungsteils vornehmen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der aus
dem Durchlasskanal austretende, hin zu der mindestens einen Kontaktfläche der
Messzelle verlaufende Abschnitt der Leiterbahn von einer gasdichten,
isolierenden Abdeckschicht, die vorzugsweise aus Aluminiumoxid besteht,
abgedeckt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Anschlussstecker
im Hohlraum des Halterungsteils festlegbar, z. B. durch Einklipsen und
weist mindestens eine Kontaktfeder auf, die zum Anpressen an die
Kontaktfläche ausgebildet ist. Dabei ist vorzugsweise das
freie Ende der Kontaktfeder hakenartig umgebogen und im Hohlraum
ein von dessen Boden zentral in den Hohlraum hineinragender Führungszapfen
angeformt, an dem die mindestens eine Kontaktfeder beim Einsetzen
des Anschlusssteckers entlanggleitet und in ihrer Endposition ihr
hakenartiges Federende auf die Kontaktfläche aufpresst.
Damit ist eine sichere Kontaktierung der mindestens einen Messzelle
beim Einsetzen des Anschlusssteckers in den Hohlraum gewährleistet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen in schematisierter Darstellung:
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1 einen
Längsschnitt eines Gassensors,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Keramikkörpers des Gassensors
in 1,
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3 einen
Längsschnitt des Keramikkörpers in 2,
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4 eine
Draufsicht des Keramikkörpers in Richtung Pfeil IV in 3,
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5 eine
gleiche Darstellung wie in 2 mit einer
auf den Keramikkörper aufgesetzten elektrochemischen Messzelle,
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6 einen
Schnitt längs der Linie VI-VI in 5,
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7 eine
gleiche Darstellung wie in 3 eines
modifizierten Keramikkörpers,
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8 einen
Längsschnitt eines weiteres Ausführungsbeispiels
eines Keramikkörpers.
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Der
in 1 schematisiert im Längsschnitt dargestellte
Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft
eines Messgases dient beispielsweise als sog. Lambdasonde zur Bestimmung
der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Ein
solcher Gassensor kann aber auch zur Bestimmung des Stickoxidgehalts,
des Partikelgehalts oder der Temperatur von Abgasen von Brennkraftmaschinen
herangezogen werden.
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Der
Gassensor weist hierzu eine elektrochemische Messzelle 11 mit
Anschlusskontakten 16 zum Verbinden mit einer Auswerteelektronik
auf. Die elektrochemische Messzelle 11, die in 1 nur
schematisiert dargestellt ist, weist im einfachsten Fall – wie bekannt – zwei
vorzugsweise aus Platin bestehende Elektroden mit einem dazwischenliegenden
Festelektrolyten auf. Jeweils eine Elektrode ist an einem Anschlusskontakt 16 angebunden.
Als Träger für die Messzelle 11 dient
ein Keramikkörper 12, der einen Trägerteil 121 zur
Aufnahme der Messzelle 11 und einen sich daran mit größeren
Querabmessungen einstückig anschließenden Halterungsteil 122 zum
Festlegen in einem Sensorgehäuse 13 aufweist.
Der Halterungsteil 122 ist mit einem zum freien Ende hin
offenen Hohlraum 14 versehen, in den ein Anschlussstecker 15 einsetzbar
ist.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Keramikkörper 12 rotationssymmetrisch mit
einem langgestreckten, rundstabförmigen Trägerteil 121 und
einem glocken- oder topfförmigen Halterungsteil 122 ausgebildet,
wobei der Außendurchmesser des Halterungsteils 122 deutlich
größer ist als der des rundstabförmigen
Trägerteils 121, so dass sich im Übergangsbereich
vom Trägerteil 121 zum Halterungsteil 122 ein
ringförmiger Schulterbereich 123 ergibt. In 3 ist
der Keramikkörper 12 im Längsschnitt
dargestellt.
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Die
Messzelle 11 ist außen auf dem Trägerteil 121 angeordnet.
Für die Art der Aufbringung der Messzelle 11 gibt
es unterschiedliche Möglichkeiten. So kann der rundstabförmige
Trägerteil 121 mit einem die Messzelle 11 darstellenden
Schichtpaket umwickelt werden. Dieses Schichtpaket ist ein grüner,
gedruckter Messzellenaufbau mit oder ohne elektrischen Heizer. Die
Messzelle 11 kann auch als eigenständige Komponente
auf den rundstabförmigen Trägerteil 121 auflaminiert
werden oder aber auch im Transferdruck oder Direktdruck als ein
mehrlagiges Schichtpaket direkt auf den Trägerteil 121 aufgebracht
werden.
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Selbstverständlich
ist es möglich, mehr als eine Messzelle auf dem Trägerteil
aufzubringen wobei jede Messzelle auch mehr als einen Anschlusskontakt
aufweisen kann. Von den außen an der oder den Messzellen 11 zugänglichen
Anschlusskontakten 16 wird eine elektrische Verbindung
zu dem in den Hohlraum 14 eingesetzten Anschlussstecker 15 herstellt,
wobei die elektrische Verbindung durch den Halterungsteil 122 hindurchgeführt
ist. Hierzu ist an der Hohlrauminnenwand 141 mindestens
eine Kontaktfläche 17 vorhanden und in den über
den Trägerteil 121 radial vorstehenden Schulterbereich 123 des Halterungsteils 122 mindestens
ein Durchgangskanal 18 eingebracht, der im Hohlraum 14 mündet. Durch
den Durchgangskanal 18 ist eine elektrische Leiterbahn 19 hindurchgeführt,
die einerseits an den Anschlusskontakt 16 anschließt
und andererseits endseitig in die Kontaktfläche 17 an
der Hohlrauminnenwand 141 übergeht. Die elektrische
Leiterbahn 19 mit endseitiger Kontaktfläche 17 kann
z. B. durch Dispensen von leitfähigen Pasten realisiert
werden. Der auf dem Trägerteil 121 offenliegende
Abschnitt der Leiterbahn 19 ist durch eine elektrisch isolierende,
gasdichte Abdeckschicht 20 abgedeckt. Auch diese Abdeckschicht 20 kann
mittels Dispensen z. B. aus Aluminiumoxid hergestellt werden. Die
Zahl der Durchgangskanäle 18, Leiterbahnen 19 und
Kontaktflächen 17 erhöht sich entsprechend
der Anzahl der vorhandenen Anschlusskontakte 16.
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In 2 bis 6 ist
der Gassensor in verschiedenen Fertigungsstadien darstellt. 2 zeigt den
rotationssymmetrischen Keramikkörper 12 mit rundstabförmigem
Trägerteil 121 und glocken- oder topfförmigem
Halterungsteil 122 in perspektivischer Ansicht und 3 im
Längsschnitt. In dem Schulterbereich 123 zwischen
Trägerteil 121 und Halterungsteil 122 sind
die Durchgangskanäle 18 eingebracht. Die Zahl
der Durchgangskanäle 18 entspricht der Anzahl
der an der Messzelle 11 vorhandenen Anschlusskontakte 16.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Messzelle 11 insgesamt
vier Anschlusskontakte 16, und entsprechend sind im Keramikkörper 12 vier
Durchgangskanäle 18 vorgesehen, die im Grunde
des Hohlraums 14 in den Hohlraum 14 münden.
Der Keramikkörper 12 wird im Spitzguss- oder keramischen
Heißgießverfahren aus keramischem Material z.
B. auf Aluminiumoxid-Basis hergestellt. Wie die Schnittdarstellung
des Keramikkörpers 12 in 3 zeigt,
ragt vom Hohlraumgrund des Hohlraums 14 ein Führungszapfen 21 in
den Hohlraum 14 hinein. Der Führungszapfen 21 ist
kegelförmig ausgebildet und dient als Gegendruckfläche
für später noch erläuterte Kontaktfedern
des Anschlusssteckers 15. Vorzugsweise sind zwischen der
Hohl rauminnenwand 141 und dem kegelförmigen Führungszapfen 21 Kavernen 22 ausgebildet
(3 und 4), wobei jeweils im Grunde
einer Kaverne 22 ein Durchgangskanal 18 mündet.
Die Kavernen 22 dienen zum räumlichen Trennen
des Einschiebewegs der angesprochenen Kontaktfedern des Anschlusssteckers 15,
so dass diese beim Einsetzen des Anschlusssteckers 15 in
den Hohlraum 14 sich nicht gegenseitig berühren
können.
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Der
so geformt hergestellte, als sog. Grünling oder als entbindeter
oder angesinterter Bräunling vorliegende Keramikkörper 12 wird
nunmehr mit der Messzelle 11, den Leiterbahnen 19 mit
Kontaktflächen 17 und den Abdeckschichten 20 versehen.
Dies ist in 5 und 6 illustriert.
Im Ausführungsbeispiel der 5 und 6 ist
die Messzelle 11 als eigenständiges Schichtpaket
um den rundstabförmigen Trägerteil 121 gewickelt.
Danach werden die Anschlusskontakte 16 der Messzelle 11 in
das Innere des Hohlraums 14 im Halterungsteil 122 „umkontaktiert”.
Hierzu werden z. B. durch Dispensen von leitfähigen Pasten
die Leiterbahnen 19 erstellt, wobei jede Leiterbahn 19 eine
der Anschlusskontakte 16 der Messzelle 11 überdeckt,
durch einen Durchgangskanal 18 im Halterungsteil 121 hindurchgeht und
endseitig eine an der Hohlrauminnenwand 141 angeordnete
Kontaktfläche 17 bildet. Dabei liegt jeweils eine
Kontaktfläche 17 mit zugehörigem Abschnitt
der Leiterbahn 19 in eine der im Hohlraum 14 vorhandenen
Kavernen 22 ein. Der auf dem Trägerteil 121 freiliegende
Abschnitt der Leiterbahn 19 wird dann mit der gasdichten,
isolierenden Abdeckschicht 20, z. B. aus Aluminiumoxid,
versehen, was ebenfalls durch Dispensen vorgenommen werden kann.
Der so beschichtete Keramikkörper 12 (6)
wird abschließend gesintert.
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Bei
der weiteren Montage des Gassensors wird der Anschlussstecker 15 in
den Hohlraum 14 des Halterungsteils 122 eingesetzt,
wobei der Anschlussstecker 15 teilweise in den Hohlraum 14 eintaucht
und diesen stirnseitig abschließt. Durch eine entsprechende
Formgebung der Hohlrauminnenwand 141 kann der Anschlussstecker 15 einfach
in das Halterungsteil 122 so eingeklipst werden, dass eine
Verdrehung des Anschlusssteckers 15 zuverlässig
verhindert ist. Der Anschlussstecker 15 weist eine der
Anzahl der Kontaktflächen 17 entsprechende Zahl
von Kontaktfedern 23 auf, die zum Anpressen an die Kontaktflächen 17 ausgebildet
sind. Hierzu weist jede Kontaktfeder 23 ein hakenartig
abgebogenes Federende 231 auf und ist im Anschlussstecker 15 so
gehaltert, dass sie bei in den Hohlraum 14 eingesetztem
Anschlussstecker 15 unter Vorspannung am Führungszapfen 21 anliegt
und dadurch ihr hakenartiges Federende 231 auf die Kontaktfläche 17 aufgepresst
ist. Die im Hohlraum 14 ausgebildeten Kavernen 22 stellen
beim Einführen des Anschlusssteckers 15 Führungshilfen
dar, mittels derer die einzelnen Kontaktfedern 23 zuverlässig
auf die jeweilige Kontaktfläche 17 aufgleitet.
Die Kontaktfedern 23 sind an ihrem vom hakenartigen Federende 231 abgekehrten
Ende mit einem elektrischen Leiter 24 eines Anschlusskabels 25 elektrisch
und mechanisch, z. B. durch Crimpen, verbunden. Das Anschlusskabel 25 verbindet
die Messzelle 11 mit einer Auswerteelektronik.
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Zur
Verbauung am Messort ist der Halterungsteil 122 des Keramikkörpers 12 in
dem hülsenartigen Sensorgehäuse 13 axial
unverschieblich aufgenommen. Das Sensorgehäuse 13 ist
mit einem Dichtflansch 27 versehen, der zur gasdichten
Auflage des Gassensors auf einer entsprechenden Auflageschulter
in einem hier nicht dargestellten Anschlussstutzen dient. Der Anschlussstutzen
ist in bekannter Weise an einem Messgas führenden Messrohr,
z. B. Abgasrohr einer Brennkraftmaschine, angeordnet und so ausgebildet,
dass der in den Anschlussstutzen eingesetzte Gassensor mit dem die Messzelle 11 tragenden
Trägerteil 121 in den Messgasstrom hineinragt.
Zum Schutz des mit der Messzelle 11 belegten Trägerteils 121 ist
dieses von einem Schutzrohr 28 umgeben, das am metallischen
Sensorgehäuse 13, z. B. durch Schweißen,
befestigt ist. Dabei kann das Schutzrohr 28 – wie
dies in 1 dargestellt ist – endseitig
auf das Sensorgehäuse 13 bis hin zum Dichtflansch 27 aufgeschoben
oder zwischen Sensorgehäuse 28 und Trägerteil 121 des
Keramikkörpers 12 eingespannt sein. Zur Festlegung des
Gassensors im Anschlussstutzen ist auf das Sensorgehäuse 13 eine
Hohlschraube 29 aufgeschoben, die mittels ihres Außengewindes 30 in
dem Anschlussstutzen so verschraubbar ist, dass sich ihre Stirnseite
auf den Dichtflansch 27 aufpresst und diesen auf der Auflageschulter
des Anschlussstutzens gasdicht festsetzt.
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Der
in 7 im Längsschnitt dargestellte Keramikkörper 12 ist
insoweit gegenüber dem vorstehend beschriebenen Keramikkörper 12 modifiziert, als
im rundstabförmigen Trägerteil 121 noch
ein zentraler Referenzgaskanal 31 eingebracht ist, der
an einem Ende verschlossen ist und am anderen Ende im Hohlraum 14 mündet.
Dieser Referenzgaskanal 31 wird dann vorgesehen, wenn die
Konzeption der Messzelle 11 ein Referenzgas, z. B. Umgebungsluft, erfordert
und eine Elektrode der Messzelle 11 dem Referenzgas ausgesetzt
werden muss. In diesem Fall wird von der entsprechenden Elektrode
der Messzelle 11 durch den keramischen Trägerteil 121 hindurch
eine Verbindung zu dem Referenzgaskanal 31 hergestellt.
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Der
in 8 dargestellte, modifizierte Keramikkörper 12 wird
in Verbindung mit einer als sog. Tablette ausgebildete Messzelle 11 verwendet.
Der Keramikkörper 12 ist insoweit modifiziert,
als der Trägerteil 121 pilzartig geformt ist und
an seinem vom Halterungsteil 122 abgekehrten Ende einen
stirnseitig abgeflachten, einstückig angeformten Kopf 121a aufweist.
Die in 8 nicht dargestellte Messzelle mit ihren Anschlusskontakten
wird auf die ebene Stirnfläche des Kopfes 121a aufgebracht.
Die Anschlusskontakte sind über leitfähige Brücken 32,
die auf der Oberfläche des Trägerteils 121 verlaufen,
mit den durch die Durchgangskanäle 18 hindurchgeführten
Leiterbahnen 19 elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch
leitfähigen Brücken 32 sind von den zu diesem
Zweck verlängerten Abdeckschichten 20 gasdicht
und elektrisch isolierend abgedeckt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4436222
A1 [0002]
- - DE 19542650 A1 [0003]
- - DE 2326086 A1 [0004]