DE102009055261A1

DE102009055261A1 - Gas sensor i.e. lambda sensor, element for determining oxygen concentration in exhaust gas of internal combustion engine, has conductor producing heating zone with increased temperature, where outer contour of end section is adapted to zone

Info

Publication number: DE102009055261A1
Application number: DE200910055261
Authority: DE
Inventors: Lothar 70839 Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-30

Abstract

The element has a ceramic sensor body (10) comprising an electrical resistor-heating conductor (14) that is connected to heating voltage over a conductor path (15), where the conductor path runs in the sensor body. The heating conductor produces a limited heating zone with increased temperature in a body end section (101), where an outer contour of the end section is adapted to the heating zone in such a manner that the distance between the outer contour and a circumferential line of the heating line less varies or is constant along a part of the circumferential line.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur im Messgas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a sensor element for a gas sensor for determining at least one physical property of a measurement gas, in particular the concentration of a gas component or the temperature in the measurement gas, according to the preamble of claim 1.

Ein bekanntes Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungsmotoren ( DE 199 41 051 A1 ), weist einen aus Festelektrolytschichten zusammengesetzten, keramischen Sensorkörper auf, in dessen dem Messgas ausgesetzten Körperendabschnitt gassensitive Elektroden sowie ein unterhalb der Elektrodenanordnung liegender, elektrischer Widerstandsheizer angeordnet sind. Elektroden und Widerstandsheizer sind über im Sensorkörper bis zu einem anschlussseitigen Körperendabschnitt des Sensorkörpers verlaufende, elektrische Leiterbahnen an eine zu einem Steuergerät führende Anschlussleitung anschließbar. Die Elektrodenanordnung umfasst eine Außen- und Innenelektrode, die mit dem Festelektrolyten eine Pumpzelle bilden, sowie eine Nernst- oder Messelektrode und eine Referenzelektrode, die mit dem Festelekrolyten eine elektrochemische Nernstzelle bilden. Die Außenelektrode ist auf der Oberfläche einer ersten Festelektrolytschicht und die Innenelektrode und Messelektrode in einem zwischen der ersten und einer zweiten Festelektrolytschicht begrenzten Hohlraum angeordnet, der über eine Diffusionsbarriere mit einem Gaszutrittsloch in Verbindung steht. Die Referenzelektrode ist in einem mit einem Referenzgas, z. B. Luft, beaufschlagten Referenzgaskanal angeordnet, der zwischen der ersten und zweiten Festelektrolytschicht ausgebildet ist. Der unterhalb der Elektrodenanordnung liegende Widerstandsheizer ist zusammen mit seinen beiden Zuleitungen in einer elektrischen Isolationsschicht aus Aluminiumoxid eingebettet, die zwischen der zweiten Elektrolytschicht und einer dritten Festelektrolytschicht angeordnet ist. Durch eine entsprechende Auslegung der Dicke der dritten Festelektrolytschicht ist der Widerstandsheizer so in den Sensorkörper integriert, dass er zu beiden Großflächen des Sensorkörpers den gleichen Abstand hat und somit symmetrisch angeordnet ist. Dies bewirkt eine starke Verringerung der während des Heizens auftretenden, mechanischen Spannungen im keramischen Sensorkörper, vor allem an den Kanten des Sensorkörpers.A known sensor element for determining the concentration of gas components in gas mixtures, in particular for determining the oxygen concentration in exhaust gases of internal combustion engines ( DE 199 41 051 A1 ), comprises a ceramic sensor body composed of solid electrolyte layers, in the body end section of which the measurement gas is exposed, gas-sensitive electrodes and an electrical resistance heater lying below the electrode arrangement are arranged. Electrodes and resistance heaters can be connected via an electrical conductor track extending in the sensor body to a connection-side body end section of the sensor body to a connecting line leading to a control unit. The electrode arrangement comprises an outer and inner electrode, which form a pump cell with the solid electrolyte, and a Nernst or measuring electrode and a reference electrode, which form an electrochemical Nernst cell with the Festelekrolyten. The outer electrode is arranged on the surface of a first solid electrolyte layer and the inner electrode and measuring electrode in a cavity bounded between the first and a second solid electrolyte layer, which communicates via a diffusion barrier with a gas access hole. The reference electrode is in a with a reference gas, for. As air, acted upon reference gas channel, which is formed between the first and second solid electrolyte layer. The resistance heater located below the electrode arrangement is embedded together with its two supply lines in an electrical insulation layer of aluminum oxide, which is arranged between the second electrolyte layer and a third solid electrolyte layer. By appropriate design of the thickness of the third solid electrolyte layer of the resistance heater is integrated into the sensor body, that it has the same distance to both large surfaces of the sensor body and is thus arranged symmetrically. This causes a strong reduction in the occurring during heating, mechanical stresses in the ceramic sensor body, especially at the edges of the sensor body.

Ein ebenfalls bekanntes Sensorelement für einen Gassensor ( DE 10 2008 002 200 A1 ) weist zusätzlich eine den Sensorkörper gegen Thermoschock schützende, poröse Schutzschicht auf, die die Körperoberfläche des Sensorkörpers im Bereich des dem Messgas ausgesetzten Körperendabschnitts mit Ausnahme des Gaszutrittslochs überdeckt. Das die Schutzschicht bildende Schichtmaterial ist Spinell, Aluminiumoxid oder poröses Zirkoniumoxid.A likewise known sensor element for a gas sensor ( DE 10 2008 002 200 A1 ) additionally has a porous protective layer which protects the sensor body against thermal shock and which covers the body surface of the sensor body in the region of the body end section exposed to the measurement gas, with the exception of the gas access hole. The protective layer forming layer material is spinel, alumina or porous zirconia.

Bei einem solchen Sensorelement erzeugt der elektrische Widerstandsheizer im Körperendabschnitt eine begrenzte Heißzone, allgemein Hot Spot genannt. Innerhalb dieser Heißzone dehnt sich das keramische Material aus, was zu mechanischen Druckspannungen in der Heißzone und Zugspannungen zwischen Heißzone und Außenkontur des Sensorkörpers führt. Das Maximum der Zugspannung tritt dabei im kürzesten Abstand der Außenkante des Sensorkörpers zur Grenz- oder Umfangslinie der Heißzone auf. Überschreitet das Maximum der Zugspannung einen kritischen Wert, so führt dies zu Rissbildungen im keramischen Sensorkörper, wobei die Risse vom Außenrand des Sensorkörpers hin zur Heißzone verlaufen, dort durch die Druckspannungen abgelenkt werden und sich in die Richtung der größten Zugspannungen, z. B. in Längsrichtung des Sensorkörpers, ausbreiten.In such a sensor element, the electrical resistance heater in the body end portion creates a limited hot zone, commonly called a hot spot. Within this hot zone, the ceramic material expands, resulting in mechanical compressive stresses in the hot zone and tensile stresses between the hot zone and the outer contour of the sensor body. The maximum of the tensile stress occurs at the shortest distance of the outer edge of the sensor body to the boundary or peripheral line of the hot zone. If the maximum of the tensile stress exceeds a critical value, this leads to cracking in the ceramic sensor body, the cracks extending from the outer edge of the sensor body to the hot zone, where they are deflected by the compressive stresses and in the direction of the largest tensile stresses, eg. B. in the longitudinal direction of the sensor body, spread.

Treffen im Messgas mitgeführte, kalte Wassertröpfchen auf die heiße Oberfläche des Sensorkörpers, lösen diese zusätzliche lokale Zugspannungen aus, die sich den durch Aufwärmen des Sensorkörpers hervorgerufenen Zugspannungen überlagern, so dass es leicht zu Überschreitung der kritischen Zugspannung und damit Rissbildung kommen kann. Durch die Thermoschock-Schutzschicht, die die auftreffenden Wassertröpfchen über die Körperoberfläche verteilt, wird eine thermische Isolation gegen Auskühlung durch das Wasser hergestellt und dadurch die zusätzlich auftretenden Zugspannungen reduziert, was die Gefahr der Rissbildung jedoch nicht beseitigt.Meet in the measuring gas entrained, cold water droplets on the hot surface of the sensor body, these trigger additional local tensile stresses, which are superimposed on the caused by warming up of the sensor body tensile stresses, so that it can easily exceed the critical tension and thus cracking can occur. The thermal shock protection layer, which distributes the impinging water droplets across the surface of the body, provides thermal insulation against water cooling, thereby reducing the additional tensile stresses, but does not eliminate the risk of cracking.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die symmetrische Anpassung der Außenkontur des Sensorkörpers, also des Verlaufs der Außenkante des Körperendabschnitts, an die Grenz- oder Umfangslinie der Heißzone, die außerhalb der Heißzone entstehenden Zugspannungen kleiner und homogen verteilt sind und Zugspannungsmaxima nicht oder nicht im nennenswerten Umfang auftreten. Die längs der Heißzone auftretenden, lokalen Zugspannungen bleiben deutlich unter der kritischen Zugspannung. Wenn gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Körperoberfläche des Körperendabschnitts noch mit einer porösen Schutzschicht, der sog. Thermoschock-Schutzschicht, bedeckt ist, führen auch zusätzliche lokale Zugspannungen, die durch fein verteilt die Schutzschicht durchdringende und auf die heiße Körperoberfläche auftreffende Wassertröpfchen ausgelöst werden, nicht zu einer Überschreitung der kritischen Zugspannung, so dass das erfindungsgemäße Sensorelement sehr robust und äußerst widerstandsfähig gegen Thermoschock ist.The sensor element according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that distributed by the symmetrical adjustment of the outer contour of the sensor body, ie the course of the outer edge of the body end portion, at the boundary or peripheral line of the hot zone, the tensile stresses arising outside the hot zone smaller and homogeneous and Zugspannungsmaxima not occur or not to a significant extent. The local tensile stresses occurring along the hot zone remain well below the critical tensile stress. If according to an advantageous embodiment of the invention, the body surface of the body end portion is still covered with a porous protective layer, the so-called. Thermal shock protection layer, also lead additional local Tensile stresses that are triggered by finely distributed penetrating the protective layer and impinging on the hot body surface water droplets, not to exceed the critical tensile stress, so that the sensor element according to the invention is very robust and extremely resistant to thermal shock.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Sensorelements möglich.The measures listed in the further claims advantageous refinements and improvements of the claim 1 sensor element are possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Außenkontur des Körperendabschnitts rund und der die beiden Leiterbahnen miteinander verbindende Heizleiter als mittensymmetrisch bzw. koaxial zur Außenkontur ausgerichteter Ring verlegt. Mit dieser geometrischen Ausrichtung und Ausbildung von Außenkontur und Heizleiter lässt sich die Anpassung der Außenkontur an die Heißzone in einfacher Weise erreichen, wobei idealerweise Außenkontur und Heizerring kreisrund sind. Die Herstellung des Sensorkörpers aus dem laminierten Keramikrohling erfolgt durch einen kreisförmig geführten Laserschnitt im Bereich des Körperendabschnitts des ansonsten quaderförmigen Sensorelements.According to an advantageous embodiment of the invention, the outer contour of the body end section is round and the heating conductors connecting the two conductor tracks are laid as a center-symmetrically or coaxially aligned ring to the outer contour. With this geometric orientation and formation of outer contour and heating conductor, the adaptation of the outer contour to the hot zone can be achieved in a simple manner, ideally the outer contour and the heating ring are circular. The production of the sensor body from the laminated ceramic blank is carried out by a circular guided laser cut in the region of the body end portion of the otherwise cuboid sensor element.

Ist ein kreisförmig zu führender Laserschnitt aus werkzeugtechnischen Gründen nicht ohne weiteres machbar, so kann bei Beibehaltung der Kreisform des Heizerrings die Außenkontur des Körperendabschnitts als Quadrat gefertigt und die Ecken abgeschrägt werden. Ein solches „eckgeschrägtes” Quadrat kommt der Kreisform relativ nahe, so dass das angestrebte Ziel mit Abstrichen erreicht wird.If a circular laser cutting to be performed for reasons of tool technology is not readily feasible, the outer contour of the body end section can be made as a square and the corners can be beveled while maintaining the circular shape of the heater ring. Such a "beveled" square comes relatively close to the circular shape, so that the desired goal is achieved with drawbacks.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind Außenkontur und Heizerring elliptisch geformt und mit deckungsgleichen Ellipsenachsen zueinander ausgerichtet. Dadurch kann bei einem aus bautechnischen Gründen gewünschten länglichen Heizer die Heißzone wandern, ohne weitere Zugspannungen in der Oberfläche des Körperendabschnitts auszulösen. Ein solches Wandern der Heißzone wird durch den sog. PTC-Effekt ausgelöst, der die Zunahme des Widerstands eines Platinheizleiters durch Erwärmung beschreibt. Da die lokal umgesetzte Heizleistung bei gleichem Strom im ganzen Heizleiter vom lokalen Widerstand bestimmt wird, wird bei höherem Widerstand mehr Heizleistung abgegeben. Durch lokales Auftreten eines kühlenden Messgasstrom sinkt der Widerstand und damit die nachgelieferte Wärmeleistung. Gleichzeitig steigt der Gesamtstrom des Heizleiters, wodurch an den nicht abgekühlten Stellen mehr Wärme abgegeben wird. Somit wandert die Heißzone von dem vom Gasstrom gekühlten Bereich des Heizleiters hin zum weniger gekühlten Bereich.In an alternative embodiment of the invention, the outer contour and the heater ring are elliptically shaped and aligned with congruent ellipse axes. As a result, in the case of an oblong heater desired for constructional reasons, the hot zone can migrate without triggering further tensile stresses in the surface of the body end section. Such migration of the hot zone is triggered by the so-called. PTC effect, which describes the increase in resistance of a platinum heating by heating. Since the locally converted heating power is determined by the local resistance at the same current in the entire heating conductor, more heating power is output at higher resistance. By local occurrence of a cooling sample gas flow decreases the resistance and thus the subsequent heat output. At the same time, the total current of the heating conductor increases, whereby more heat is given off at the non-cooled points. Thus, the hot zone migrates from the portion of the heating conductor cooled by the gas flow to the less cooled portion.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Außenkontur des Körperendabschnitts in seinem Abgangsbereich vom Sensorkörper mit einem Rundungsradius oder einer Abschrägung versehen, die unter einem spitzen Winkel von z. B. 45° zur Längsachse des Sensorelements verläuft. Durch diese Maßnahmen werden lokale Kerbwirkungen im Übergang vom Körperendabschnitt zu dem ansonsten quaderförmigen Sensorkörper des Sensorelements vermieden.According to an advantageous embodiment of the invention, the outer contour of the body end portion is provided in its outlet region from the sensor body with a radius of curvature or bevel, which at an acute angle of z. B. extends 45 ° to the longitudinal axis of the sensor element. By means of these measures, local notch effects in the transition from the body end section to the otherwise cuboid sensor body of the sensor element are avoided.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Heizleiter einen konstanten Querschnitt auf, der an den Übergangsstellen zu den beiden Leiterbahnen reduziert ist. Fertigungstechnisch wird dabei vorteilhaft die ansonsten konstante Breite des Heizleiters an den Übergangsstellen reduziert. Durch diese konstruktive Maßnahme wird eine Wärmeabfuhr in die Leiterbahnen gedrosselt und eine gleichmäßige Erwärmung auch in diesem Übergangsbereich gewährleistet.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating conductor has a constant cross section, which is reduced at the transition points to the two conductor tracks. In terms of manufacturing technology, the otherwise constant width of the heating conductor is advantageously reduced at the transition points. By this constructive measure a heat dissipation is throttled into the tracks and ensures uniform heating in this transition area.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Heizleiter soweit zur Außenkontur des Körperendabschnitts hin verlegt, dass bei an den Leiterbahnen anliegender Heizspannung die Körpertemperatur des Körperendabschnitts im Zentrum des vom Ring umschlossenen Bereichs kleiner ist als zwischen dem Ring und der Außenkante des Körperendabschnitts. Durch diese Maßnahme ist die Mitte des Körperendabschnitts kälter als der Randbereich. In diesem Fall bilden sich im Randbereich zwischen Heißzone und Außenkontur keine Zugspannungen sondern Druckspannungen aus, die die durch die kalten Wassertröpfchen ausgelösten Zugspannungen an der Oberfläche des Körperendabschnitts kompensieren. Dabei ist allerdings darauf zu achten, dass die Elektroden im Körperendabschnitt noch ausreichend erwärmt werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating conductor is laid so far to the outer contour of the body end portion that with voltage applied to the strip conductors, the body temperature of the Körperendabschnitts in the center of the area enclosed by the ring is smaller than between the ring and the outer edge of the Körperendabschnitts. By this measure, the center of the Körperendabschnitts is colder than the edge region. In this case, no tensile stresses but compressive stresses form in the edge region between hot zone and outer contour, which compensate for the tensile stresses on the surface of the body end section triggered by the cold water droplets. However, care must be taken that the electrodes in the body end section are still heated sufficiently.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Heizleiter in einer Isolationsschicht eingebettet, die möglichst dicht bis an die Außenkontur des Körperendabschnitts herangeführt ist, und der Abstand des Heizleiters von dem Isolationsrand, soweit wie fertigungstechnisch möglich, minimiert. Durch diese Maßnahmen kann der Ring des Heizleiters maximal nach außen verlegt werden, wodurch man sich dem Ziel der Gewinnung einer großen und gleichmäßigen Heißzone mit kühlerem Zentrum vorteilhaft annähern kann.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating element is embedded in an insulating layer, which is as close as possible brought to the outer contour of the body end, and the distance of the heating element of the insulation edge, as far as manufacturing technology possible, minimized. By these measures, the ring of the heating element can be moved to the outside maximum, which can be approached to the goal of obtaining a large and uniform hot zone with a cooler center advantageous.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Heizleiter mittig im Sensorkörper mit vorzugsweise gleichem Abstand von zwei voneinander abgekehrten Körperoberflächen angeordnet, von denen die eine Körperoberfläche eine Elektrode trägt. Durch diese symmetrische Anordnung des Heizers werden die beiden Körperoberflächen in gleicher Weise erwärmt, so dass nicht an den beiden Körperoberflächen unterschiedlich große Zugspannungen auftreten.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating conductor is arranged centrally in the sensor body with preferably the same distance from two mutually remote body surfaces, of which one body surface carries an electrode. By this symmetrical arrangement of the heater, the two body surfaces are heated in the same way, so that not at the two Body surfaces different levels of tensile stresses occur.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail in the following description with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawings. Show it:

1 ausschnittweise eine Längsschnitt eines Sensorelements für einen Gassensor, 1 1 shows a detail of a longitudinal section of a sensor element for a gas sensor,

2 einen Schnitt längs der Linie II-II in 1, verkleinert dargestellt, 2 a section along the line II-II in 1 , shown reduced,

3 einen Schnitt längs der Linie III-III in 1 mit schematisiert eingezeichneter, von einem integrierten Widerstandsheizer erzeugter Heißzone im Sensorkörper, verkleinert dargestellt, 3 a section along the line III-III in 1 with schematically drawn, generated by an integrated resistance heater hot zone in the sensor body, shown in reduced size,

4 eine gleiche Darstellung wie in 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 4 a same representation as in 2 according to a second embodiment,

5 eine gleiche Darstellung wie in 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, 5 a same representation as in 2 according to a third embodiment,

6 eine gleiche Darstellung wie in 2 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. 6 a same representation as in 2 according to a fourth embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Das in 1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur im Messgas, dient beispielsweise als Sensorelement für eine Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Das Sensorelement weist einen aus Festelektrolytschichten 11, 12, 13 zusammengesetzten langgestreckten, keramischen Sensorkörper 10 auf, der im Ausführungsbeispiel mit Ausnahme eines dem Messgas ausgesetzten Körperendabschnitts 101 quaderförmig ausgeführt ist. Der Sensorkörper 10 ist üblicherweise in einem hier nicht dargestellten Sensorgehäuse gasdicht aufgenommen und ragt mit dem Körperendabschnitt 101 aus dem Sensorgehäuse heraus. Der Körperendabschnitt 101 ist von einem hier ebenfalls nicht dargestellten Schutzrohr mit Gasdurchtrittsöffnungen umgeben, das am Sensorgehäuse festgelegt ist. Im Körperendabschnitt 101 sind messgassensitive Elektroden und ein unterhalb der Elektroden liegender, elektrischer Widerstands-Heizleiter 14 angeordnet, die alle über im Sensorkörper 10 verlaufende Leiterbahnen mit einem zu einem Steuergerät führenden Anschlussleitung verbunden sind. Dabei ist der Heizleiter 14 über zwei in 2 zu sehenden Leiterbahnen 15, 16, die im Sensorkörper 10 z. B. parallel verlaufen und sich von dem Heizleiterende 14 bis zu am anderen Ende des Sensorkörpers 10 erstrecken, mit dort angeordneten Kontaktierflächen verbunden.This in 1 For example, a sensor element for a gas sensor, which is shown in longitudinal section in section, for determining at least one physical property of a measurement gas, in particular the concentration of a gas component or the temperature in the measurement gas, serves as a sensor element for a lambda probe for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine. The sensor element has one of solid electrolyte layers 11 . 12 . 13 assembled elongated, ceramic sensor body 10 in the exemplary embodiment, with the exception of a body end section exposed to the measurement gas 101 is executed cuboid. The sensor body 10 is usually accommodated gas-tight in a sensor housing, not shown here, and protrudes with the body end portion 101 out of the sensor housing. The body end section 101 is surrounded by a protective tube also not shown here with gas passage openings, which is fixed to the sensor housing. In the body end section 101 are measuring gas-sensitive electrodes and a lying below the electrodes, electrical resistance heating conductor 14 arranged, all over in the sensor body 10 extending interconnects are connected to a leading to a control unit connection line. Here is the heating conductor 14 about two in 2 to be seen tracks 15 . 16 in the sensor body 10 z. B. parallel and extending from the Heizleiterende 14 up to the other end of the sensor body 10 extend, connected there arranged Kontaktierflächen.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die messgassensitiven Elektroden eine Außenelektrode 17, eine Innenelektrode 18, eine Mess- oder Nernstelektrode 19 und eine Referenzelektrode 20. Die ringförmige Außenelektrode 17 ist außen auf der die Körperoberfläche des Sensorkörpers 10 bildenden Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 11 konzentrisch zu einem in die erste Festelektrolytschicht 11 eingebrachten Gaszutrittsloch 21 angeordnet. Das Gaszutrittsloch 21 mündet in einem Hohlraum 22, der zwischen der ersten und zweiten Festelektrolytschicht 11, 12 angeordnet ist, von der Mündung des Gaszutrittslochs 21 durch eine poröse Diffusionsbarriere 23 getrennt und außen von einem Dichtrahmen 24 umschlossen ist. Innenelektrode 18 und Nernstelektrode 19 sind im Hohlraum 22 einander gegenüberliegend an der ersten bzw. zweiten Festelektrolytschicht 11 bzw. 12 angeordnet. Die Referenzelektrode 20 liegt in einem zwischen der ersten und zweiten Festelektrolytschicht 11, 12 ausgebildeten Referenzkanal 25 ein und wird von einem Referenzgas, z. B. Luft, beaufschlagt. Der Heizleiter 14 ist zusammen mit seinen Leiterbahnen 15, 16 in einer elektrischen Isolationsschicht 26 z. B. aus Aluminiumoxid eingebettet. Die Isolationsschicht 26 ist zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 12 und der dritten Festelektrolytschicht 13 angeordnet. Die Dicke der dritten Festelektrolytschicht 13 ist so gewählt, dass der Heizleiter 14 symmetrisch im Sensorkörper 10 angeordnet ist, also einen gleichen Abstand von den beiden einander gegenüberliegenden Körperoberflächen hat, von denen die eine Körperoberfläche die Außenelektrode 17 trägt. Damit wird eine gleiche Aufwärmung der Keramik bis hin zu den Körperoberflächen gewährleistet. Die gesamte Körperoberfläche des dem Messgas ausgesetzten Körperendabschnitts 101 des Sensorkörpers 10 ist von einer porösen Schutzschicht 27 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinell oder Zirkoniumoxid (ZrO₂) bedeckt, die jedoch das Gaszutrittsloch 21 ausspart.In the exemplary embodiment illustrated here, the measuring gas-sensitive electrodes comprise an outer electrode 17 , an inner electrode 18 , a measuring or Nernst electrode 19 and a reference electrode 20 , The annular outer electrode 17 is outside on the body surface of the sensor body 10 forming surface of the first solid electrolyte layer 11 concentric with one in the first solid electrolyte layer 11 introduced gas access hole 21 arranged. The gas entry hole 21 flows into a cavity 22 between the first and second solid electrolyte layers 11 . 12 is arranged, from the mouth of the gas inlet hole 21 through a porous diffusion barrier 23 separated and outside of a sealing frame 24 is enclosed. inner electrode 18 and Nernst electrode 19 are in the cavity 22 opposite to each other at the first and second solid electrolyte layer 11 respectively. 12 arranged. The reference electrode 20 lies in one between the first and second solid electrolyte layer 11 . 12 trained reference channel 25 and is from a reference gas, for. As air, applied. The heating conductor 14 is along with its tracks 15 . 16 in an electrical insulation layer 26 z. B. embedded in alumina. The insulation layer 26 is between the second solid electrolyte layer 12 and the third solid electrolyte layer 13 arranged. The thickness of the third solid electrolyte layer 13 is chosen so that the heating conductor 14 symmetrical in the sensor body 10 is arranged, that is, has an equal distance from the two opposite body surfaces, of which the one body surface, the outer electrode 17 wearing. This ensures the same warming of the ceramic up to the body surfaces. The entire body surface of the body end portion exposed to the measurement gas 101 of the sensor body 10 is from a porous protective layer 27 of alumina (Al ₂ O ₃ ), spinel or zirconium oxide (ZrO ₂ ), but covering the gas entry hole 21 spares.

Der Heizleiter 14 erzeugt bei Anlegen einer Heizspannung an die Leiterbahnen 15, 16 im Körperendabschnitt 101 des Sensorkörpers 10 eine begrenzte Heißzone 28 (3), üblicherweise Hot Spot genannt, wie sie von einem als kreisrunder Ring 29 verlegten Heizleiter 14 gemäß 2 erzeugt wird. In einer solchen Heißzone 28 dehnt sich das keramische Material aus, was im Randbereich des Körperendabschnitts 101 zwischen der Grenz- oder Umfangsinie 281 der Heißzone 28 und der Außenkante oder Außenkontur 30 des Körperendabschnitts 101 zu Zugspannungen führt, die an Stellen mit deutlich kürzerem Abstand zwischen Außenkontur 30 und Grenzlinie 281 lokale Maxima besitzen. In solchen Zugspannungsgebieten führen Thermoschocks zu Rissen in der Keramik, die die Funktionsgenauigkeit des Sensorelements beeinträchtigen bzw. das Sensorelement unbrauchbar werden lassen. Solche Thermoschocks entstehen, wenn im Messgas, insbesondere im Abgas von Brennkraftmaschinen, mitgeführte kalte Wassertröpfchen auf die Körperoberfläche auftreffen und dort zusätzliche Zugspannungen erzeugen. Zwar mindert die poröse Schutzschicht 27 die Gefahr der Rissbildung, schließt sie jedoch insbesondere an Stellen mit lokalen Maxima nicht aus. Um hier eine Verbesserung zu erreichen, ist die Außenkontur 30 des Körperendabschnitts 101 so an die Heißzone 28 angepasst, dass ihr Abstand von der Umfangslinie 281 der Heißzone 28 längs eines wesentlichen Teils der Umfangslinie 281 möglichst wenig differiert, also annähernd konstant ist. Das lässt sich dadurch realisieren, dass die Außenkontur 30 des Körperendabschnitts 101 rund ausgeführt ist und der die beiden Leiterbahnen 15, 16 miteinander verbindende Heizleiter 14 als Ring 29 mittensymmetrisch, also koaxial, zur Außenkontur 30 verlegt ist. In 2 sind Ring 29 und Außenkontur 30 kreisrund und konzentrisch zueinander ausgerichtet, und der kreisrunde Ring 29 erzeugt eine weitgehend kreisrunde Heißzone 28, so dass der radiale Abstand der Außenkontur 30 von der Umfangslinie 281 über die Umfangslinie 281 konstant ist. Im Abgangsbereich des Körperendabschnitts 101 vom Sensorkörper 10, also im Übergangsbereich von dem quaderförmigen Teil des Sensorkörpers 10 zu dem nunmehr zylinderförmigen Körperendabschnitt 101, ist die Außenkontur 30 mit einem Rundungsradius r (2) oder mit einer Abschrägung (3) versehen, die unter einem spitzen Winkel, z. B. von α = 45°, verläuft. Eine solche bogenförmig oder abgeschrägt verlaufende Einmündung des Körperendabschnitts 101 in den quaderförmigen Teil des Sensorkörpers 10 vermeidet eine lokale Kerbwirkung an dieser Stelle. Die Herstellung des Sensorkörpers 10 aus dem laminierten Keramikrohling erfolgt durch einen kreisförmig geführten Laserschnitt. Sind aus fertigungstechnischen Gründen nur Geradschnitte möglich, so wird die Außenkontur 30 des Körperendabschnitts 101 einem Quadrat mit abgeschrägten Ecken nachgebildet, wobei der Heizleiter 14 seine kreisrunde Ringform beibehält (5). Mit dieser Ausbildung der Außenkontur 30 lässt sich der optimale kreisrunde Verlauf der Außenkontur 30 näherungsweise nachbilden.The heating conductor 14 generated when applying a heating voltage to the tracks 15 . 16 in the body end section 101 of the sensor body 10 a limited hot zone 28 ( 3 ), commonly called a hot spot, as a circular ring 29 laid heating conductor 14 according to 2 is produced. In such a hot zone 28 The ceramic material expands, which is in the edge region of the body end section 101 between the boundary or perimeter line 281 the hot zone 28 and the outer edge or outer contour 30 of the body end section 101 leads to tensile stresses in places with significantly shorter distance between outer contour 30 and borderline 281 own local maxima. In Thermal shocks lead to cracks in the ceramic such tensile stress areas that affect the functional accuracy of the sensor element or make the sensor element unusable. Such thermal shocks occur when in the sample gas, especially in the exhaust gas of internal combustion engines, entrained cold water droplets impinge on the body surface and generate additional tensile stresses there. Although the porous protective layer reduces 27 the risk of cracking, however, does not rule them out, especially in places with local maxima. To achieve an improvement here, the outer contour 30 of the body end section 101 so to the hot zone 28 adjusted that distance from the perimeter line 281 the hot zone 28 along a substantial part of the circumferential line 281 as little as possible, so it is almost constant. This can be realized by the outer contour 30 of the body end section 101 is executed round and the two tracks 15 . 16 interconnecting heating conductors 14 as a ring 29 center symmetrical, ie coaxial, to the outer contour 30 is relocated. In 2 are ring 29 and outer contour 30 circular and concentric with each other, and the circular ring 29 creates a largely circular hot zone 28 , so that the radial distance of the outer contour 30 from the perimeter 281 over the circumference 281 is constant. In the exit area of the body end section 101 from the sensor body 10 , So in the transition region of the cuboid part of the sensor body 10 to the now cylindrical body end portion 101 , is the outer contour 30 with a radius of curvature r ( 2 ) or with a bevel ( 3 ) provided at an acute angle, z. B. of α = 45 °, runs. Such an arcuate or bevelled running confluence of the Körperendabschnitts 101 in the cuboid part of the sensor body 10 avoids a local notch effect at this point. The production of the sensor body 10 from the laminated ceramic blank is carried out by a circular guided laser cut. If, for manufacturing reasons, only straight cuts are possible, then the outer contour becomes 30 of the body end section 101 a square with beveled corners modeled, the heating conductor 14 maintains its circular ring shape ( 5 ). With this training of the outer contour 30 can be the optimal circular course of the outer contour 30 approximate.

Wird ein etwas länglicher Heizleiter 14 gewünscht, damit die Heißzone 28 wandern kann, erhalten Außenkontur 30 und der als Ring 29 verlegte Heizleiter 14 eine elliptische Form (4), wobei die beiden Ellipsenachsen deckungsgleich ausgerichtet sind. Auch hier ist wiederum zwischen dem elliptischen Ring 29 des Heizleiters 14 und der elliptischen Außenkontur 30 des Körperendabschnitts 101 ein weitgehend konstanter Abstand hergestellt. Sollte ein elliptischer Laserschnitt nicht durchführbar sein, so wird bei Beibehaltung der Verlegung des Heizleiters 14 als elliptischen Ring 29 die Außenkontur 30 des Körperendabschnitts 101 als Rechteck mit abgeschrägten Ecken ausgeführt (6). Vorzugsweise wird dabei die Breite der schmaleren Rechteckseite gleich der Breite des quaderförmigen Sensorkörpers 10 gemacht.Will be a somewhat elongated heating conductor 14 desired for the hot zone 28 can wander, get outer contour 30 and as a ring 29 laid heating conductor 14 an elliptical shape ( 4 ), wherein the two ellipse axes are aligned congruent. Again, again between the elliptical ring 29 of the heating conductor 14 and the elliptical outer contour 30 of the body end section 101 made a largely constant distance. Should an elliptical laser cut not be feasible, so while maintaining the installation of the heating element 14 as an elliptical ring 29 the outer contour 30 of the body end section 101 executed as a rectangle with bevelled corners ( 6 ). Preferably, the width of the narrower side of the rectangle is equal to the width of the cuboid sensor body 10 made.

Der aus Platin bestehende Heizleiter 14 weist eine konstanten Querschnitt auf, ist aber an den Übergangsstellen zu den beiden Leiterbahnen 15, 16 im Querschnitt reduziert, um die Wärmeabfuhr in die Leiterbahnen 15, 16 zu kompensieren und eine gleichmäßige Erwärmung auch der Übergangsstellen zu gewährleisten. Wie hier nicht zu sehen ist, weist der Heizleiter 14 eine konstante Dicke auf, so dass in den Übergangsstellen des Heizleiters 14 in die Leiterbahnen 15, 16 die Breite des Heizleiters 14 reduziert ist. Aus gründen der übersichtlichen Darstellung ist in den 2, 4, 5, 6 diese Breitenreduzierung nicht eingezeichnet.The platinum heating conductor 14 has a constant cross-section, but is at the transition points to the two interconnects 15 . 16 reduced in cross section to the heat dissipation in the tracks 15 . 16 to compensate and ensure even heating of the crossing points. As you can not see here, the heating conductor 14 a constant thickness so that in the transition points of the heating conductor 14 in the tracks 15 . 16 the width of the heating conductor 14 is reduced. For reasons of clear presentation is in the 2 . 4 . 5 . 6 this width reduction is not shown.

Bei allen Ausführungen des Sensorelements gemäß 1 bis 6 ist angestrebt, den Heizleiter 14 soweit zur Außenkontur 30 des Körperendabschnitts 101 hin zu verlegen, dass bei anliegender Heizspannung die Körpertemperatur des Körperendabschnitts 101 im Zentrum des Rings 29 des Heizleiters 14 kleiner ist als zwischen dem Ring 29 und der Außenkontur 30 des Sensorelements. Dies hat jedoch fertigungsbedingte Grenzen, so dass der in der Isolationsschicht 26 eingebettete Heizleiter 14 maximal dicht an die Außenkontur 30 herangeführt ist und der Abstand des Heizleiters 14 von dem Isolationsrand der Isolationsschicht 26, soweit wie fertigungstechnisch möglich, minimiert ist. Bei Aufbringen des Heizleiters 14 mittels Siebdruck ist dieses Minimum durch die Lagetoleranz des Siebdrucks von ca. 200 μm vorgegeben.In all embodiments of the sensor element according to 1 to 6 is the aim of the heating conductor 14 as far as the outer contour 30 of the body end section 101 to lay down that with applied heating voltage, the body temperature of the Körperendabschnitts 101 in the center of the ring 29 of the heating conductor 14 smaller than between the ring 29 and the outer contour 30 of the sensor element. However, this has production-related limits, so that in the insulation layer 26 embedded heating conductor 14 maximum close to the outer contour 30 is introduced and the distance of the heating conductor 14 from the insulation edge of the insulation layer 26 , as far as production technology possible, is minimized. When applying the heat conductor 14 By screen printing, this minimum is given by the positional tolerance of the screen printing of about 200 microns.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19941051 A1 [0002]
DE 102008002200 A1 [0003]

Claims

Sensor element for a gas sensor for determining at least one physical property of a measurement gas, in particular the temperature or the concentration of a gas component in the measurement gas, with an elongate, ceramic sensor body ( 10 ), which is in a body end section exposed to the measurement gas ( 101 ) measuring gas-sensitive electrodes ( 17 - 20 ) and one below the electrodes ( 17 - 20 ), electrical resistance heating conductors ( 14 ), which has two in the sensor body ( 10 ) running tracks ( 15 . 16 ) is connected to a heating voltage and in the body end portion ( 101 ) a limited hot zone ( 28 ) produced at a significantly elevated temperature, characterized in that the outer contour ( 30 ) of the body end portion ( 101 ) so to the hot zone ( 28 ) is adjusted so that its distance from the circumferential line of the hot zone ( 28 ) along a substantial part of the circumferential line ( 281 ) as little as possible.

Sensor element according to claim 1, characterized in that the outer contour ( 30 ) of the body end portion ( 101 ) is round and the two tracks ( 15 . 16 ) interconnecting heating conductors ( 14 ) as a ring ( 29 ) center symmetrical to the outer contour ( 30 ).

Sensor element according to claim 2, characterized in that outer contour ( 30 ) and ring ( 20 ) are each circular and concentric with each other.

Sensor element according to claim 2, characterized in that outer contour ( 30 ) and ring ( 29 ) are each elliptical and have a constant distance from each other.

Sensor element according to claim 1, characterized in that the outer contour ( 30 ) of the body end portion ( 101 ) corresponds to a square or rectangle with bevelled corners and the two printed conductors ( 15 . 16 ) interconnecting heating conductors ( 14 ) as a circular or elliptical ring ( 29 ).

Sensor element according to one of claims 2 to 5, characterized in that the outer contour ( 30 ) of the body end portion ( 101 ) in the exit region of the body end section ( 101 ) from the sensor body ( 10 ) is provided with a radius of curvature (r) or a chamfer running at an acute angle (α).

Sensor element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heating conductor ( 14 ) has a constant cross-section which at the transition points to the two interconnects ( 15 . 16 ) is reduced.

Sensor element according to claim 7, characterized in that the heating conductor ( 14 ) has a constant width and thickness and that the width of the heating conductor ( 14 ) at the transition points to the two tracks ( 15 . 16 ) is reduced.

Sensor element according to one of claims 2 to 8, characterized in that the heating conductor ( 14 ) as far as the outer contour ( 30 ) of the body end portion ( 101 ) is laid, that with applied heating voltage, the body temperature of the Körperendabschnitts ( 101 ) in the center of the ring ( 29 ) enclosed area smaller than between ring ( 29 ) and outer contour ( 30 ).

Sensor element according to one of claims 1 to 9, characterized in that the heating conductor ( 14 ) in an isolation layer ( 26 ) is embedded, the maximum to the outer contour ( 30 ) of the body end portion ( 101 ) and that the distance of the heating conductor ( 14 ) from the edge of the insulation layer ( 26 ), as far as manufacturing technology possible, is minimized.

Sensor element according to one of claims 1 to 10, characterized in that the heating conductor ( 14 ) in the middle of the sensor body ( 10 ) is arranged equidistant from two body surfaces facing away from each other, of which the one body surface is an electrode ( 17 ) wearing.

Sensor element according to one of claims 1 to 11, characterized in that the body surface in the body end portion ( 101 ) with the exception of a gas inlet opening in the body surface ( 21 ) with a porous protective layer ( 27 ) is covered.