DE102012217448A1

DE102012217448A1 - Gasmessfühler, gassensor und herstellungsverfahren dafor

Info

Publication number: DE102012217448A1
Application number: DE102012217448A
Authority: DE
Inventors: Masami Saitou; Namitsugu Fujii; Norikazu KAJIYAMA
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-03-28
Also published as: US20130075256A1; US8673128B2; CN103018308A; JP2013072671A; JP5500148B2; US20130152350A1; CN103018308B

Abstract

Ein Gasmessfühler (10) weist einen isolierenden Keramikträger (130), einen Festelektrolytkörper (100) und ein Heizelement (140) auf. Der Festelektrolytkörper (100) befindet sich in einer Öffnung (201) des isolierenden Keramikträgers (130) und hat an einer der Hauptflächen von ihm eine Messelektrode (110) und an der anderen Hauptfläche eine Bezugselektrode (120) befestigt. Die Messelektrode (110) ist einem zu messenden Gas ausgesetzt. Die Bezugselektrode (120) ist einem Bezugsgas ausgesetzt. Das Heizelement (140) dient dazu, den Festelektrolytkörper (100) zu aktivieren und ist auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen des isolierenden Keramikträgers (130) auf der gleichen Seite wie die Hauptfläche des Festelektrolytkörpers (100) angebracht, auf der sich die Bezugselektrode (120) befindet. Im Einzelnen befindet sich der isolierende Keramikträger (130) zwischen dem Festelektrolytkörper (100) und dem Heizelement (140), wodurch ein gewünschter Grad an elektrischer Isolation zwischen dem Heizelement (140) und der Bezugselektrode (120) gewährleistet wird.

Description

HINTERGRUND
1. Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Gasmessfühler, der in einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors eingebaut werden kann, um die Konzentration eines bestimmten Bestandteils von Abgasemissionen des Motors zu messen, und insbesondere auf einen Gasmessfühler, der mit einem Festelektrolytkörper ausgestattet ist, der zumindest Sauerstoffionenleitfähigkeit zeigt und ein Paar auf gegenüberliegenden Oberflächen von ihm ausgebildete Elektrodenschichten und eine elektrisch aktivierte Heizung hat. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Gassensor, der mit der obigen Art von Gasmessfühler ausgestattet ist, und ein Herstellungsverfahren dafür.
2. Stand der Technik
Es ist ein Gasmessfühler bekannt, der sich in einem Abgasweg befindet, der von einem Verbrennungsmotor wie einem Kraftfahrzeugmotor ausgeht, um zur Steuerung der Verbrennung von Kraftstoff in dem Motor oder eines Betriebs eines Abgasemissionssteuerungssystems einen bestimmten Gasbestandteil von Abgasemissionen wie Sauerstoff, Stickoxid (NOx), Ammoniak oder Wasserstoff zu messen.
Die JP 01-253649 A offenbart die obige Art von Gasmessfühler, die mit einem Festelektrolytkörper und einem auf dem Festelektrolytkörper aufgestapelten Heizelement ausgestattet ist. Der Festelektrolytkörper hat eine messgasseitige Elektrode und eine bezugsgasseitige Elektrode. Die messgasseitige Elektrode ist so auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet, dass sie einem zu messenden Gas (das im Folgenden auch als Messgas bezeichnet wird) ausgesetzt ist. Die bezugsgasseitige Elektrode ist so auf einer anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet, dass sie einer mit einem Bezugsgas gefüllten Bezugsgaskammer ausgesetzt ist. Der Gasmessfühler wird hergestellt, indem eine Sensorschicht und eine Heizungsschicht gebrannt werden, um eine Aufschichtung des Festelektrolytkörpers und des Heizelements anzufertigen. Das Heizelement dient dazu, die Gesamtheit des Festelektrolytkörpers rasch zu erwärmen, um ihn zu aktivieren. Diese Art von Gasmessfühler wird gewöhnlich Flächengasmessfühler genannt.
Die JP 2002-228626 A offenbart einen Festelektrolyt-Sauerstoffmessfühler, der aus einer Aufschichtung eines Fühlabschnitts, einer isolierenden Schicht und eines Heizabschnitts besteht, der über die isolierende Schicht auf dem Fühlabschnitt aufgestapelt ist. Der Heizabschnitt ist mit einem Heizelement ausgestattet, das dazu dient, den Fühlabschnitt zu aktivieren, damit die Sauerstoffkonzentration korrekt gemessen wird. Die isolierende Schicht vermeidet Kriechstrom vom Heizelement zum Fühlabschnitt.
Die JP 06-048258 B offenbart einen Sauerstoffkonzentrationssensor, der mit einem hohlen, isolierenden Keramikzylinder, einer Sauerstoffkonzentrationsmessvorrichtung, einer Lagenbaugruppe und einer isolierenden Schutzschicht ausgestattet ist. Der isolierende Keramikzylinder hat ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende. In dem isolierenden Keramikzylinder ist zudem eine Bezugsgaskammer definiert, die zum offenen Ende führt. Der isolierende Keramikzylinder hat auch eine in einer Umfangswand von ihm ausgebildete Öffnung, die mit der Bezugsgaskammer in Verbindung steht. Die Sauerstoffkonzentrationsmessvorrichtung ist in die Öffnung des isolierenden Keramikzylinders eingepasst und mit Elektroden ausgestattet, die an gegenüberliegenden Oberflächen von ihr befestigt sind. Eine der Elektroden weist zur Außenseite des isolierenden Keramikzylinders, während die andere Elektrode zur Innenseite des isolierenden Keramikzylinders weist. Die Lagenbaugruppe setzt sich aus einer isolierenden Lage und Heizungsleitungen und Elektrodenleitungen zusammen, die an der isolierenden Lage befestigt sind. Die Heizungsleitungen und die Elektrodenleitungen werden durch dünne metallische Schichten gebildet. Die isolierende Lage hat ebenfalls eine Öffnung. Die Lagenbaugruppe ist um den Umfang des isolierenden Keramikzylinders herumgewickelt, wobei die Öffnung der Sauerstoffkonzentrationsmessvorrichtung zugewandt ist. Die Schutzschicht ist porös und befindet sich über dem geschlossenen Ende und der Öffnung des isolierenden Keramikzylinders. Der isolierende Keramikzylinder und die Lagenbaugruppe werden gemeinsam gebrannt. Eine der gegenüberliegenden Oberflächen der Sauerstoffkonzentrationsmessvorrichtung ist der Bezugsgaskammer zugewandt, während die andere Oberfläche über die Schutzschicht dem zu messenden Gas zugewandt ist.
Die 8(a), 8(b) und 8(c) stellen einen Gasmessfühler 10z wie in der JP 01-253649 A dar. Der Gasmessfühler 10z wird später auch als Vergleichsbeispiel Nr. 1 beschrieben.
Der Gasmessfühler 10z ist von einer Flächenbauart und weist ein Heizelement 140z, eine Festelektrolytschicht 100 und eine zwischen dem Heizelement 140z und der Festelektrolytschicht 100 ausgebildete Bezugsgaskammer 130z auf. Luft, die stark elektrisch isolierend ist, wird in die Bezugsgaskammer 130z gelassen. Die Luft in der Bezugsgaskammer 130z behindert die Übertragung von Wärme, die von dem Heizelement 140z erzeugt wird, zur Festelektrolytschicht 100z, was zu einer Verzögerung beim Aktivieren der Festelektrolytschicht 100z führt, um das Gas korrekt zu messen.
Der Gasmessfühler 10z liegt in Form einer flächigen Platte vor, die typischerweise anfällig gegenüber Brüchen aufgrund von Wärmespannungen ist. Es ist daher nötig, die Dicke der isolierenden Schichten 150z und 160z zu erhöhen, um die Haltbarkeit des Gasmessfühlers 10z zu verbessern. Dies führt jedoch zu einer Erhöhung der Gesamtgröße des Gasmessfühlers 10z, was zu einer Senkung der Wärmeausnutzung und einer größeren Verzögerung beim Aktivieren des Gasmessfühlers 10z führt.
Wie in der oben beschriebenen JP 2002-228626 A gelehrt wird, hat der Sauerstoffgassensor die isolierende Schicht zwischen dem Fühlabschnitt und dem Heizabschnitt. Die isolierende Schicht wird durch Brennen einer Grünlage oder Verwendung von Siebdrucktechniken gebildet.
Ein dünner machen der isolierenden Schicht bei ihrer Herstellung kann zur Erzeugung von Fehlern wie Nadellöchern führen. Das Messgas geht demnach durch die Nadellöcher hindurch und erreicht das Heizelement. Das Heizelement kann mit Verunreinigungen in dem Messgas reagieren und dann sublimieren, was zu einer Schädigung von ihm führt. Ein Erhöhen der Dicke der isolierenden Schicht, um zur Gewährleistung einer erforderlichen Lebensdauer die Beständigkeit des Heizelements gegenüber Oxidation zu erhöhen, führt zu einer Erhöhung der Gesamtgröße des Sauerstoffgassensors. Es wird demnach viel Wärmeenergie benötigt, um die isolierende Schicht zu erwärmen. Mit anderen Worten wird viel Zeit verbraucht, um die Festelektrolytschicht zu erwärmen und zu aktivieren.
Wie in der oben beschriebenen JP 06-048258 B gelehrt wird, ist der Sauerstoffkonzentrationssensor mit dem isolierenden Keramikzylinder ausgestattet, in dessen Umfangswand die Öffnung ausgebildet ist. Die Öffnung hat eine Innenschulter, die als ein Sitz dient, auf den die aus einem Festelektrolytkörper bestehende Sauerstoffkonzentrationsmessvorrichtung gepasst wird. Die Sauerstoffkonzentrationsmessvorrichtung hat an den gegenüberliegenden Oberflächen von ihr die Elektroden befestigt. Eine solche Anordnung der Sauerstoffkonzentrationsmessvorrichtung führt zu einer komplexen Gestaltung der Elektrodenleitungen, was beim Brennen zu Rissen in den Elektrodenleitungen, dem isolierenden Keramikzylinder und dem Festelektrolytkörper führen kann.
Die JP 06-048258 B lehrt auch, dass sich die isolierende Lage aus zwei Einzellagen zusammensetzt, wovon eine Lage eine Heizungsträgerlage ist, auf der das Heizelement ausgebildet ist, und die andere Lage eine Elektrodenträgerlage ist, auf der die Heizungsleitungen und die Elektrodenleitungen ausgebildet sind. Die Heizungsträgerlage und die Elektrodenträgerlage werden einzeln am isolierenden Keramikzylinder befestigt, was zu einer mangelhaften Übertragung der von dem Heizelement erzeugten Wärmeenergie zur Elektrodenträgerlage führt. Dies führt auch zu einer Verzögerung beim Aktivieren des Sauerstoffkonzentrationssensors. Außerdem ist es notwendig, die Heizungsträgerlage und die Elektrodenträgerlage so am isolierenden Keramikzylinder zu befestigen, dass sie einander nicht überlappen. Dies trägt zu Unannehmlichkeiten bei der Herstellung des Sauerstoffkonzentrationssensors bei.
KURZDARSTELLUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Gasmessfühler zur Verfügung zu stellen, der dazu dient, einen bestimmten Gasbestandteil zu messen, und so gestaltet ist, dass er einen rasch aktivierbaren/leicht anzufertigenden Aufbau hat und/oder einen erhöhten Grad an Haltbarkeit zeigt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen mit der obigen Art von Gasmessfühler ausgestatteten Gassensor und ein Herstellungsverfahren des Gasmessfühlers zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Gasmessfühler vorgesehen, der in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, um zur Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor den Anteil von Sauerstoff (O₂) in Abgas zu messen, das von dem Motor abgegeben wird.
Der Gasmessfühler umfasst: (a) ein isolierendes Keramikbauteil, das einander gegenüberliegende Oberflächen und ein darin ausgebildetes Durchgangsloch hat; (b) einen Festelektrolytkörper, der sich in dem Loch des isolierenden Keramikbauteils befindet und dazu dient, zumindest ein bestimmtes Ion zu leiten, wobei der Festelektrolytkörper eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche hat; (c) eine Messelektrode, die sich auf der ersten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um dem Gas ausgesetzt zu sein; (d) eine Bezugselektrode, die sich auf der zweiten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um einem Bezugsgas ausgesetzt zu sein; und (e) ein Heizelement, das sich auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen des isolierenden Keramikbauteils auf der gleichen Seite wie die zweite Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet. Das Heizelement dient dazu, den Festelektrolytkörper zu aktivieren.
Im Einzelnen befindet sich das isolierende Keramikbauteil, das stark elektrisch isolierend ist, zwischen dem Festelektrolytkörper und dem Heizelement, wodurch zwischen dem Heizelement und der Bezugselektrode ein gewünschter Grad an elektrischer Isolation gewährleistet wird. Das minimiert den Kriechstrom vom Heizelement zur Bezugselektrode, so dass die Stabilität beim Betrieb des Gasmessfühlers gewährleistet wird.
Wenn das Heizelement betätigt wird, wird die vom Heizelement erzeugte Wärmeenergie über das isolierende Keramikbauteil, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, zum Festelektrolytkörper übertragen, was die Aktivierung des Festelektrolytkörpers beschleunigt und rasch die Stabilität beim Betrieb des Gasmessfühlers herstellt.
Das Heizelement befindet sich auf der Oberfläche des isolierenden Keramikbauteils auf der gleichen Seite wie die zweite Hauptfläche des Festelektrolytkörpers. Das isolierende Keramikbauteil dient somit als ein mechanischer Träger für das Heizelement und als ein Schutz- oder Abschirmbauteil, um das Heizelement vom Gas zu isolieren. Dieser Aufbau verbessert die Lebensdauer des Heizelements und erlaubt es, die Gesamtgröße des Gasmessfühlers zu verringern.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Gasmessfühler außerdem ein hohlzylinderförmiges Keramikbauteil aufweisen, das ein geschlossenes Ende hat und in sich eine Bezugsgaskammer definiert, in die das Bezugsgas eingelassen wird. Das hohlzylinderförmige Keramikbauteil hat zudem in einer Umfangsfläche von ihm ein Fenster ausgebildet, das mit der Bezugsgaskammer in Verbindung steht. Das isolierende Keramikbauteil ist mit dem über das Fenster zur Bezugsgaskammer freiliegenden Festelektrolytkörper auf dem hohlzylinderförmigen Bauteil aufgestapelt. Das Heizelement befindet sich zwischen dem hohlzylinderförmigen Keramikbauteil und dem isolierenden Keramikbauteil.
Mit anderen Worten ist das Heizelement mit dem isolierenden Keramikbauteil und dem zylinderförmigen Keramikbauteil bedeckt und wird somit vor dem Gas und dem Bezugsgas geschützt, wodurch die Stabilität beim Betrieb des Gasmessfühlers gesteigert wird. Außerdem verbessert die Verwendung des zylinderförmigen Keramikbauteils die mechanische Festigkeit des Gasmessfühlers und die Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch, der zum Beispiel durch Bespritzen mit Wasser entsteht.
Das Heizelement kann in einem bestimmten isolierenden Abstand von entweder dem Festelektrolytkörper oder der Bezugselektrode entfernt gelegen sein. Mit anderen Worten ist das Heizelement von der Bezugselektrode wie auch dem Festelektrolytkörper entfernt, was es dem Festelektrolytkörper ermöglicht, rasch aktiviert zu werden, ohne die elektrische Isolation gegenüber dem Heizelement aufzugeben. Der isolierende Abstand kann als ein Abstand definiert werden, der der Kürzere von einem Mindestabstand zwischen einer Umfangskante des Heizelements und einer Umfangskante des Festelektrolytkörpers und einem Mindestabstand zwischen der Umfangskante des Heizelements und einer Umfangskante der Bezugselektrode ist und größer oder gleich 0,1 mm und kleiner oder gleich 3 mm ist.
Falls der isolierende Abstand weniger als 0,1 mm beträgt, kann der Strom vom Heizelement zum Festelektrolytkörper und/oder der Bezugselektrode kriechen, was zu einer Instabilität beim Betrieb des Gasmessfühlers führt. Falls der isolierende Abstand alternativ mehr als 3,0 mm beträgt, erhöht sich die Gesamtgröße des Gasmessfühlers. Es braucht daher mehr Zeit, den Festelektrolytkörper über das Heizelement zu aktivieren.
Der Festelektrolytkörper kann aus einem teilstabilisierten Zirconiumoxid bestehen, wodurch eine rasche Aktivierung des Festelektrolytkörpers unterstützt und die Haltbarkeit des Gasmessfühlers verbessert wird.
Das isolierende Keramikbauteil kann aus Aluminiumoxid bestehen. Die Verwendung von Aluminiumoxid fördert die elektrische Isolierung und Wärmeleitfähigkeit, wodurch die rasche Aktivierung des Festelektrolytkörpers weiter unterstützt wird.
Gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Gassensor vorgesehen, der dazu dient, einen bestimmten Gasbestandteil zu messen, und der Folgendes umfasst: (1) einen Gasmessfühler mit (a) einem isolierenden Keramikbauteil, das einander gegenüberliegende Oberflächen und ein darin ausgebildetes Durchgangsloch hat, (b) einem Festelektrolytkörper, der sich in dem Loch des isolierenden Keramikbauteils befindet und dazu dient, zumindest ein bestimmtes Ion zu leiten, wobei der Festelektrolytkörper eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche hat, (c) einer Messelektrode, die sich auf der ersten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um dem Gas ausgesetzt zu sein, (d) einer Bezugselektrode, die sich auf der zweiten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um einem Bezugsgas ausgesetzt zu sein, und (e) einem Heizelement, das sich auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen des isolierenden Keramikbauteils auf der gleichen Seite wie die zweite Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, wobei das Heizelement dazu dient, den Festelektrolytkörper zu aktivieren; (2) eine erste und eine zweite Signalleitung, die zu der Bezugselektrode und der Messelektrode führen, um ein Sensorausgangssignal an eine externe Erfassungsschaltung zu übertragen; (3) einen ersten und einen zweiten Leiter, die zum Heizelement führen, um zur Steuerung der Zufuhr elektrischen Stroms zum Heizelement elektrische Verbindungen mit einer externen Stromversorgungssteuerungsschaltung herzustellen; und (4) ein Gehäuse, in dem der Gasmessfühler, die erste und zweite Signalleitung und die Stromversorgungsleiter untergebracht sind. Das Gehäuse ist so gestaltet, dass es den Gasmessfühler so hält, dass er dem Gas ausgesetzt ist.
Der obige Aufbau des Gassensors ist dazu imstande, den Gasmessfühler rasch zu aktivieren und die Stabilität beim Betrieb und mechanische Haltbarkeit des Gasmessfühlers zu gewährleisten. Der Aufbau lässt sich auch einfach zusammenbauen und erlaubt es, seine Größe zu verringern.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Gasmessfühler-Herstellungsverfahren vorgesehen, das Folgendes umfasst: (a) Ausbilden eines isolierenden Keramikbauteils, das flächig ist und aus einem elektrisch isolierenden Keramikwerkstoff besteht, wobei das isolierende Keramikbauteil gegenüberliegende Oberflächen und ein Durchgangsloch hat; (b) Ausbilden eines Festelektrolytkörpers in dem Durchgangsloch des isolierenden Keramikbauteils, wobei der Festelektrolytkörper aus einem Keramikwerkstoff besteht, der zumindest ein bestimmtes Ion leitet, und eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche hat; (c) Ausbilden einer Messelektrode, die sich auf der ersten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um dem Gas ausgesetzt zu sein; (d) Ausbilden einer Bezugselektrode, die sich auf der zweiten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um einem Bezugsgas ausgesetzt zu sein; (e) Anordnen eines Heizelements, das sich auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen des isolierenden Keramikbauteils befindet, auf der gleichen Seite wie die zweite Hauptfläche des Festelektrolytkörpers, wobei das Heizelement dazu dient, den Festelektrolytkörper zu aktivieren; (f) Anfertigen eines hohlzylinderförmigen Keramikbauteils, das aus einem elektrisch isolierenden Keramikwerkstoff besteht und ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende hat, wobei das hohlzylinderförmige Keramikbauteil zudem ein in einer Umfangsfläche von ihm ausgebildetes Fenster hat; (g) Wickeln des isolierenden Keramikbauteils um das hohlzylinderförmige Keramikbauteil, wobei die Bezugselektrode dem Fenster des hohlzylinderförmigen Keramikbauteils zugewandt ist; und (h) Brennen des hohlzylinderförmigen Keramikbauteils, um das das isolierende Keramikbauteil herumgewickelt ist.
Das obige Herstellungsverfahren erreicht eine rasche Aktivierung des Gasmessfühlers und verbessert seine Haltbarkeit.
Die Ausbildungsschritte für das isolierende Keramikbauteil und den Festelektrolytkörper können eine Aufstapelung eines flächigen Festelektrolytwerkstoffs und eines flächigen isolierenden Keramikwerkstoffs anfertigen und die Aufstapelung stanzen, um das Durchgangsloch im isolierenden Keramikbauteil und den aus dem flächigen Festelektrolytwerkstoff herausgeschnittenen Festelektrolytkörper dazu zu bringen, im Wesentlichen die gleiche Größe wie das Durchgangsloch zu haben, und gleichzeitig den Festelektrolytkörper in dem Durchgangsloch zu platzieren, wodurch der Herstellungsprozess des Gasmessfühlers vereinfacht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, die jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung auf bestimmte Ausführungsbeispiele verstanden werden sollten, sondern nur dem Zweck der Erläuterung und des Verständnisses dienen.
Die Zeichnungen zeigen Folgendes:
1(a) ist eine teilweise Längsschnittansicht, die einen Gasmessfühler gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
1(b) ist eine Perspektivansicht, die ein im Gasmessfühler von 1(a) eingebautes Heizelement zeigt;
1(c) ist eine teilweise Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1(a);
1(d) ist eine Ansicht, die eine Temperaturverteilung im Gasmessfühler von 1(c) darstellt;
2 ist eine Längsschnittansicht, die einen Gassensor darstellt, der mit dem Gasmessfühler der 1(a) bis 1(d) ausgestattet ist;
die 3(a-1), 3(b-1), 3(c-1) und 3(d-1) sind teilweise Längsschnittansichten, die eine Abfolge von Stanzschritten zum Herstellen einer Baugruppe eines Festelektrolytkörpers und eines isolierenden Keramikträgers darstellt, die in dem Gasmessfühler der 1(a) bis 1(d) eingebaut ist;
die 3(a-2), 3(b-2), 3(c-2) und 3(d-2) sind teilweise Perspektivansichten, die jeweils Produkte in den in den 3(a-1), 3(b-1), 3(c-1) und 3(d-1) dargestellten Stanzschritten darstellen;
4 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die den Gasmessfühler der 1(a) bis 1(d) darstellt;
5(a) ist eine Draufsicht, die eine Oberfläche eines isolierenden Keramikträgers des Gasmessfühlers der 1(a) bis 1(d) darstellt, auf der sich eine Messelektrode befindet;
5(b) ist eine Längsschnittansicht von 5(a);
5(c) ist eine Draufsicht, die eine Oberfläche eines isolierenden Keramikträgers des Gasmessfühlers der 1(a) bis 1(d) darstellt, auf der sich eine Bezugselektrode und ein Heizelement befinden;
5(d) ist eine Schnittansicht, die zeigt, wie der isolierende Keramikträger der 5(a) bis 5(c) um einen zylinderförmigen Keramikträger zu wickeln ist;
6(a) ist eine teilweise Draufsicht, die eine Oberfläche eines isolierenden Keramikträgers eines Gasmessfühlers abgewandelter Form darstellt, auf der sich ein Heizelement und eine Bezugselektrode befinden;
6(b) ist eine teilweise Längsschnittansicht von 6(a);
6(c) ist eine teilweise Draufsicht, die eine Oberfläche eines isolierenden Keramikträgers des Gasmessfühlers der 6(a) und 6(b) darstellt, auf der sich eine Messelektrode befindet;
6(d) ist eine teilweise Querschnittansicht des Gasmessfühlers der 6(a) bis 6(c);
6(e) ist eine teilweise Querschnittansicht, die den isolierenden Keramikträger der 6(a) bis 6(d) um einen zylinderförmigen Keramikträger herumgewickelt zeigt;
die 7(a) und 7(b) sind teilweise Seitenansichten, die Leitungen darstellen, die an einem isolierenden Keramikträger eines Gasmessfühlers abgewandelter Form befestigt sind;
7(c) ist eine Querschnittansicht, die den um einen zylinderförmigen Keramikträger gewickelten isolierenden Keramikträger und elektrische Verbindungen mit einer externen Stromversorgungssteuerungsschaltung und einer externen Erfassungsschaltung darstellen;
7(d) ist eine Längsschnittansicht, die ein Federanschlussstück zur Verwendung bei der Herstellung von elektrischen Verbindungen des Gasmessfühlers mit der externen Stromversorgungssteuerungsschaltung und der externen Erfassungsschaltung von 7(c) zeigt;
8(a) ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die ein Vergleichsbeispiel Nr. 1 eines Gasmessfühlers zeigt;
8(b) ist eine teilweise Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 8(a);
8(c) ist eine teilweise Querschnittansicht, die eine Temperaturverteilung im Gasmessfühler der 8(a) und 8(b) darstellt;
9(a) ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die ein Vergleichsbeispiel Nr. 2 eines Gasmessfühlers zeigt;
9(b) ist eine teilweise Querschnittansicht des Gasmessfühlers von 9(a);
9(c) ist eine teilweise Querschnittansicht, die eine Temperaturverteilung im Gasmessfühler der 9(a) und 9(b) darstellt;
10(a) ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die ein Vergleichsbeispiel Nr. 3 eines Gasmessfühlers zeigt;
10(b) ist eine teilweise Längsschnittansicht des Gasmessfühlers von 10(a);
10(c) ist eine Querschnittansicht des Gasmessfühlers von 10(a);
11(a) ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die ein Vergleichsbeispiel Nr. 4 eines Gasmessfühlers zeigt;
11(b) ist eine teilweise Querschnittansicht des Gasmessfühlers von 11(a);
12(a) ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die ein Vergleichsbeispiel Nr. 5 eines Gasmessfühlers zeigt;
12(b) ist eine teilweise Querschnittansicht des Gasmessfühlers von 12(a);
13(a) ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die ein Vergleichsbeispiel Nr. 6 eines Gasmessfühlers zeigt;
13(b) ist eine teilweise Querschnittansicht des Gasmessfühlers von 13(a);
14(a) ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die ein Vergleichsbeispiel Nr. 7 eines Gasmessfühlers zeigt; und
14(b) ist eine teilweise Querschnittansicht des Gasmessfühlers von 14(a).
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Zeichnungen, in denen sich in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszahlen auf gleiche Teile beziehen, zeigen insbesondere die 1(a) bis 1(b) einen Gasmessfühler 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Der Gasmessfühler 10 kann in einem sogenannten λ-Sensor, der zur Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor den Anteil von Sauerstoff (O₂) in Abgas (das nachstehend auch als Messgas bezeichnet wird) misst, das von dem Motor abgegeben wird, oder in einem Gassensor eingebaut werden, der bei der Messung der Konzentration von Stickoxid (NOx), Schwefeloxid (SOx), Kohlenwasserstoff (HC) oder Kohlenmonoxid (CO), die in dem Abgas enthalten sind, verwendet wird.
Die folgende Diskussion bezieht sich auf einen Gasmessfühler 10, der aus einem Festelektrolytwerkstoff mit Sauerstoffionenleitfähigkeit besteht, und in zum Beispiel einem Sauerstoffsensor eingebaut wird.
Wie in den 1(a) und 1(b) dargestellt ist, besteht der Gasmessfühler 10 aus einer Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 und einem mit Boden versehenen hohlzylinderförmigen Keramikträger 13. Die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 ist um den zylinderförmigen Keramikträger 13 herumgewickelt und besteht aus einem Festelektrolytkörper 100, einer Messelektrode 110, einer Messelektrodenleitung 111, einem Messelektrodenanschluss 112, einer Bezugselektrode 120, einer Bezugselektrodenleitung 121, einem Bezugselektrodenanschluss 122, einem Heizelement 140, Heizungsleitungen 141 und 142, Stromversorgungsanschlüssen 145 und 146, einer Messgaskammer 170, einer Diffusionswiderstandsschicht 180, einer abgeschrägten Messgaseinlassfläche 181, einer Abschirmschicht 190, einer Pufferschicht 191 und einem isolierenden Keramikträger 200. Der zylinderförmige Keramikträger 13 besteht aus einer Bezugsgaskammer 130, einer Umfangsseitenwand 131, einem Durchgangsloch 132 und einem geschlossenen Ende 133.
Der Festelektrolytkörper 100 hat gegenüberliegende Hauptflächen. Die Messelektrode 110, die dem Messgas auszusetzen ist, befindet sich auf einer der Hauptflächen des Festelektrolytkörpers 100. Die Bezugselektrode 120, die Luft, die in den Gasmessfühler 10 eingelassen wird, als einem Bezugsgas auszusetzen ist, ist auf der anderen Hauptfläche des Festelektrolytkörpers 100 angebracht. Der Festelektrolytkörper 100, die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 bilden einen Fühlmechanismus, der im Folgenden auch als Fühlabschnitt bezeichnet wird.
Der isolierende Keramikträger 200 besteht aus einem Keramikwerkstoff wie Aluminiumoxid, der elektrische Isolationseigenschaften hat. Der isolierende Keramikträger 200 hat die gleiche Dicke wie der Festelektrolytkörper 100. Der Festelektrolytkörper 100 liegt in der Form einer Schicht vor und ist in ein Durchgangsloch (d. h. ein Fenster) 201 eingepasst, das in dem isolierenden Keramikträger 200 ausgebildet ist. Die Hauptfläche des Festelektrolytkörpers 100 kann mit der Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 bündig sein, leicht vorstehen oder von ihr aus leicht eingesunken sein.
Der zylinderförmige Keramikträger 13 besteht aus einem Keramikwerkstoff wie Aluminiumoxid mit elektrischen Isolationseigenschaften und hat das geschlossene Ende 133 und ein dem geschlossenen Ende 133 gegenüberliegendes offenes Ende 134. In dem zylinderförmigen Keramikträger 13 ist die Bezugsgaskammer 130 definiert, in die die Luft als das Bezugsgas eingelassen wird. Der zylinderförmige Keramikträger 13 hat zudem in einem Abschnitt der Seitenwand 131, der sich näher am geschlossenen Ende 133 als am offenen Ende 134 befindet, das Durchgangsloch 112 ausgebildet.
Der isolierende Keramikträger 200 ist um den Außenumfang des zylinderförmigen Keramikträgers 13 herumgewickelt. Die Löcher 201 und 132 fallen miteinander zusammen. Die auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 befindliche Bezugselektrode 120 ist dem Loch 132 zugewandt und der Luft in der Bezugsgaskammer 130 direkt ausgesetzt.
Die auf dem Festelektrolytkörper 100 befindliche Messelektrode 110 ist der Messgaskammer 170 zugewandt. Im Einzelnen umgibt die Messgaskammer 170 die Gesamtheit einer Hauptfläche der Messelektrode 110. Die Messelektrode 110 ist dem Messgas in der Messgaskammer 170 direkt ausgesetzt.
Die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 sind jeweils an die Messelektrodenleitung 111 und die Bezugselektrodenleitung 121 gekoppelt, die mit einer externen Stromversorgung (nicht gezeigt) und einer Detektorschaltung oder einer Steuerung (nicht gezeigt) verbunden sind.
Das Heizelement 140 ist, wie deutlich in 4 dargestellt ist, im Wesentlichen C-förmig und an der Hauptfläche des isolierenden Keramikträgers 200 befestigt, die mit der Bezugselektrode 120 auf dem Festelektrolytkörper 100 bündig ist. Das Heizelement 140 befindet sich, wie in 1(c) zu erkennen ist, mit einem elektrisch isolierenden Abstand d von der Bezugselektrode 120 entfernt und umschließt, wie in 4 dargestellt ist, den Umfang der Messelektrode 110. Der Festelektrolytkörper 100 kann in Umfangsrichtung des Gasmessfühlers 10 eine größere Breite als die Bezugselektrode 120 haben. In diesem Fall ist der isolierende Abstand d der Abstand zwischen dem Heizelement 140 und dem Festelektrolytkörper 100. Mit anderen Worten ist der isolierende Abstand d der Kürzere von einem Mindestabstand zwischen der Innenkante des Heizelements 140 und der Außenkante der Bezugselektrode 120 und einem Mindestabstand zwischen der Innenkante des Heizelements 140 und der Außenkante des Festelektrolytkörpers 100.
Das Heizelement 140 befindet sich zwischen verbundenen Oberflächen des zylinderförmigen Keramikträgers 13 und des isolierenden Keramikträgers 200.
Das Heizelement 140 ist an seinen Enden mit den Heizungsleitungen 141 und 142 verbunden, die über Heizungsanschlüsse 143 und 144 mit der externen Stromversorgung und einer Strombeaufschlagungssteuerung (die nicht gezeigt ist und nachstehend auch als Stromversorgungssteuerungsschaltung bezeichnet wird) verbunden sind. Bei Energiebeaufschlagung erzeugt das Heizelement 140 Wärmeenergie, um die Temperatur des Fühlmechanismus (d. h. des Festelektrolytkörpers 100, der Messelektrode 110 und der Bezugselektrode 120) auf einen Wert anzuheben, bei dem sich der Fühlmechanismus in einem gewünschten aktivierten Zustand befindet.
Die Diffusionswiderstandsschicht 180 besteht aus einem porösen Werkstoff, der einen bestimmten Diffusionswiderstand hat und sich über der Gesamtheit der Messgaskammer 170 befindet. Die Abschirmschicht 190 ist so befestigt, dass sie die gesamte Außenfläche der Diffusionswiderstandschicht 180 ausgenommen der geneigten Messgaseinlassfläche 181 bedeckt.
Die geneigte Messgaseinlassfläche 181 wird von einem sich verjüngenden Ende der Diffusionswiderstandsschicht 180 gebildet, das direkt außerhalb des Gasmessfühlers 10 freiliegt und durch das das Messgas in die Messgaskammer 170 eingelassen wird. Die Abschirmschicht 190 und die Pufferschicht 191 dienen dazu, die Messelektrodenleitung 111 vor dem Messgas abzuschirmen sowie eine Leckage des durch die Diffusionswiderstandsschicht 180 strömenden Messgases zur Außenseite des Gasmessfühlers 10 zu vermeiden.
Es wurden Versuche durchgeführt, die später ausführlich beschrieben werden, und dabei wurden die folgenden Tatsachen festgestellt.
Der Festelektrolytkörper 100 ist, wie zuvor beschrieben wurde, in dem isolierenden Keramikträger 200 eingebettet. Das Heizelement 140 befindet sich auf der Hauptfläche des isolierenden Keramikträgers 200, die mit der Bezugselektrode 120 auf dem Festelektrolytkörper 100 bündig ist, sein Umfang liegt mit dem elektrisch isolierenden Abstand d (vorzugsweise größer oder gleich 0,1 mm und kleiner oder gleich 3 mm) von dem Umfang des Festelektrolytkörpers 100 entfernt, und es umschließt den Umfang des Festelektrolytkörpers 100. Dabei ist zu beachten, dass der isolierende Abstand d, wie zuvor beschrieben wurde, ein Abstand zwischen dem Heizelement 140 und der Bezugselektrode 120 ist, wenn die Bezugselektrode 120 größer als der Festelektrolytkörper 100 ist. Wenn das Heizelement 140 mit Energie beaufschlagt wird, wird der Festelektrolytkörper 100, wie in 1(d) dargestellt ist, direkt durch die Wärmeenergie erwärmt, die über den isolierenden Keramikträger 200 übertragen wird, und rasch aktiviert.
Das teilstabilisierte Zirconiumoxid, das der Werkstoff des Festelektrolytkörpers 100 ist, hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit (d. h. 2 bis 3 W/m·K). Der Bereich, in dem die Wärmeleitfähigkeit gering ist, wird um die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 herum minimiert, indem der Festelektrolytkörper 100 in dem isolierenden Keramikträger 200 eingebettet wird, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit (d. h. 20 bis 30 W/m·K) hat, wodurch ein höherer Grad an Wärmeleitfähigkeit des Gasmessfühlers 10 insgesamt erreicht wird. Dies beschleunigt den Temperaturanstieg des Gasmessfühlers 10. Das Aluminiumoxid, das der Werkstoff des isolierenden Keramikträgers 200 ist, hat eine hohe elektrische Isolierung, was bei Energiebeaufschlagung des Heizelements 140 das Kriechen des elektrischen Stroms zum Fühlmechanismus auch dann niedrig hält, wenn der isolierende Abstand d verkürzt wird. Dies erlaubt es dem Heizelement 140, nahe an dem Festelektrolytkörper 100 zu liegen, wodurch die Zeit, die zum Aktivieren des Festelektrolytkörpers 100 erforderlich ist, verkürzt wird.
Das Heizelement 140 befindet sich, wie zuvor beschrieben wurde, zwischen dem isolierenden Keramikträger 200 und dem zylinderförmigen Keramikträger 13, so dass es mit anderen Worten vor dem Messgas abgeschirmt wird, wodurch eine Schädigung von ihm durch in dem Messgas enthaltene Gifte vermieden und die Stabilität beim Betrieb des Gasmessfühlers 10 gewährleistet wird.
Falls das Heizelement 140 an der Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 befestigt würde, mit der die Messelektrode 110 bündig ist, würde eine Schutzschicht benötigt werden, um das Heizelement 140 vom Messgas zu isolieren, was zu einer Zunahme der Gesamtgröße des Gasmessfühlers 10 führen würde. Der obige Aufbau des Gasmessfühlers 10 benötigt keine solche Schutzschicht, was erlaubt, die Größe des Gasmessfühlers 10 zu verringern.
Der Keramikträger 13 hat eine Zylinderform und somit eine größere mechanische Festigkeit als der herkömmliche Aufbau, bei dem der Gasmessfühler 10 eine flächige Form hat, wodurch er eine Haltbarkeit zeigt, die groß genug ist, um einem thermischen Schock durch Bespritzen mit Wasser zu widerstehen.
Der Gasmessfühler 10 wurde als in einem Gassensor eingebaut beschrieben, der so gestaltet ist, dass er die Konzentration von Sauerstoff (O₂) misst, jedoch kann er auch so konstruiert werden, dass er eine andere Art an Gas misst. Der Gasmessfühler 10 kann alternativ hergestellt werden, indem als Werkstoff des Festelektrolytkörpers 100 ein Übergangsmetalloxid vom ABO₃-Typ wie SrZrO₃ oder SrC3O₃ mit Protonenleitfähigkeit, als Werkstoff des Heizelements 140 Wolframcarbid, Siliciumnitrid oder Rutheniumoxid oder als Werkstoff des isolierenden Keramikträgers 200 Titanoxid oder Spinell verwendet wird.
Die Oberfläche des Gasmessfühlers 10 kann mit einer porösen Schutzschicht bedeckt sein, die unter Verwendung von Tauch- oder Plasmasprühtechniken durch wärmebeständige Keramikteilchen gebildet wird, um das Bruchrisiko aufgrund des Bespritzens mit Wasser oder eine Schädigung aufgrund von Gifteinwirkung zu minimieren.
2 stellt einen Gassensor 1 dar, in dem der Gasmessfühler 10 angebracht ist.
Der Gasmessfühler 10 hat, wie oben beschrieben wurde, die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 um den zylinderförmigen Keramikträger 13 herumgewickelt. Der zylinderförmige Keramikträger 13 ist in dem Gassensor 1 mit dem geschlossenen Ende 133 zum Kopfende (d. h. dem Kopf) des Gassensors 1 hin und dem offenen Ende 134 zum Fußende (d. h. dem oberen Ende in 2) des Gassensors 1 hin orientiert. Der zylinderförmige Keramikträger 13 befindet sich innerhalb eines hohlzylinderförmigen Isolators 41, der aus einem elektrisch isolierenden Keramikwerkstoff wie Aluminiumoxid besteht, und wird in ihm fest durch eine wärmebeständige Verbindung 40 wie Keramikzement oder wärmebeständiges Glas gehalten. Die Baugruppe des Keramikträgers 13 und des Isolators 41 (d. h. des Gasmessfühlers 10) befindet sich in einem hohlzylinderförmigen Gehäuse 30. Der Gasmessfühler 10 hat einen Kopfendenabschnitt, der aus dem Gehäuse 30 herausragt und dem Messgas ausgesetzt ist. Der Kopfendenabschnitt dient als ein Fühlabschnitt, der gegenüber dem Messgas empfindlich ist.
Der Isolator 41 wird über ein Dichtungsmittel 42 wie Talk innerhalb des Gehäuses 30 festgehalten. Das Gehäuse 30 besteht aus einem hohlzylinderförmigen Metallbauteil wie rostfreier Stahl.
Das Gehäuse 30 hat ein Kopfende und ein Fußende. An dem Kopfende des Gehäuses 30 ist eine becherförmige, doppelwandige Schutzabdeckungsbaugruppe festgemacht. Die Abdeckungsbaugruppe besteht aus einer mit Boden versehenen Innenabdeckung 50 und einer mit Boden versehenen Außenabdeckung 60, die die Innenabdeckung 50 mittig umschließt. Die Innenabdeckung 50 und die Außenabdeckung 60 haben zu Flanschen 51 und 61 ausgeformte Fußenden. Die Flansche 51 und 61 werden fest gegriffen, indem eine zylinderförmige Verlängerung 35 (die nachstehend auch als Crimpabschnitt bezeichnet wird), die am Kopfende des Gehäuses 30 ausgebildet ist, elastisch gebogen oder gecrimpt wird, um eine feste Verbindung der Abdeckungsbaugruppe und des Gehäuses 30 herzustellen.
Der Gassensor 1 weist außerdem eine hohlzylinderförmige Ummantelung 47 aus einem Metallwerkstoff wie rostfreiem Stahl auf. Die Ummantelung 47 ist auf einen Ansatz 31 gepasst, der auf dem Fußende des Gehäuses 30 ausgebildet ist, und hält in sich Signalleitungen 81 und 82 und Stromversorgungsleitungen (die nachstehend auch als Stromversorgungsleiter bezeichnet werden) 83 und 84, die voneinander durch einen Isolator 43 zu isolieren sind. Die Signalleitungen 81 und 82 und die Stromversorgungsleitungen 83 und 84 sind in der Ummantelung 47 außerdem durch einen Dichtungsgummi 46, einen wasserabweisenden Filter 45 und einen Träger 44 luftdicht untergebracht. Der wasserabweisende Filter 45 ist auf den Träger 44 gepasst. Die Signalleitungen 81 und 82 und die Stromversorgungsleitungen 83 und 84 sind über Verbindungsanschlüsse 113, 123, 147 und 148 und metallische Anschlussstücke (z. B. Crimpanschlüsse) 114, 124, 149 und 150 jeweils mit dem Messelektrodenanschluss 112, dem Bezugselektrodenanschluss 122 und den Stromversorgungsanschlüssen 145 und 146 elektrisch verbunden, die vom Fußende des Gasmessfühlers 10 ausgehen. Die Signalleitungen 81 und 82 werden wie oben beschrieben dazu verwendet, ein Sensorausgangssignal zur Erfassungsschaltung zu übertragen. Die Stromversorgungsleitungen 83 und 84 werden dazu verwendet, dem Heizelement 140 von der externen Stromversorgung elektrischen Strom zuzuführen.
Die Ummantelung 47 hat in einer Seitenwand von ihr Bezugsgaseinlasslöcher 471 ausgebildet. Der Abdichtgummi 46 hat durch eine Seitenwand von ihm Bezugsgaseinlasslöcher 461 ausgebildet. Der Träger 44 hat ebenfalls in einer Seitenwand von ihm Bezugsgaseinlasslöcher 441 ausgebildet. Die Bezugsgaseinlasslöcher 471, 461 und 441 stehen miteinander in Verbindung, so dass sie einen Bezugsgaseinlassweg definieren, durch den die Luft (d. h. das Bezuggas) in die Bezugsgaskammer 130 eingelassen wird. Der wasserabstoßende Filter 45 dient dazu, Wasser oder Feuchtigkeit daran zu hindern, in die Bezugsgaskammer 130 einzudringen.
Die Innen- und Außenabdeckungen 50 und 60 sind, wie zuvor beschrieben wurde, becherförmig und haben jeweils Bodenflächen 54 und 64 (d. h. Kopfendenflächen in 2). Die Innen- und Außenabdeckungen 50 und 60 liegen mittig zueinander, so dass sie die doppelwandige Schutzabdeckungsbaugruppe bilden. Die Innenabdeckung 50 hat in einer Seitenfläche 53 und der Bodenfläche 54 Gaseinlasslöcher 52 und 55 ausgebildet. Entsprechend hat die Außenabdeckung 60 in einer Seitenfläche 63 und der Bodenfläche 64 Gaseinlasslöcher 62 und 65 ausgebildet. Die Gaseinlasslöcher 52, 55, 62 und 65 dienen dazu, die Geschwindigkeit des Messgases zu steuern, das in die oder aus der Abdeckungsbaugruppe der Innen- und Außenabdeckungen 50 und 60 strömt. Der Kopfendenabschnitt (d. h. der Fühlabschnitt) des Gasmessfühlers 10 ist innerhalb der Abdeckungsbaugruppe dem Messgas ausgesetzt, um als Funktion der Konzentration von beispielsweise O₂ des Messgases ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Das Gehäuse 30 hat auf einem Kopfendenabschnitt von ihm ein Außengewinde 34 ausgebildet. Das Gewinde 34 wird in einer Wand eines Gasdurchflussrohrs 70 (d. h. eines von einem Verbrennungsmotor ausgehenden Abgasrohrs) festgemacht, damit der Fühlabschnitt des Gasmessfühlers 10 dem Messgas 700 ausgesetzt ist.
Der Isolator 41, das Gehäuse 30, die Ummantelung 47 und die Innen- und Außenabdeckungen 50 und 60 sind nicht auf den obigen Aufbau beschränkt, sondern können jeweils auch mit einem anderen bekannten Aufbau gestaltet werden.
Wenn der Gassensor 1 im Betrieb über die externe Stromversorgungssteuerungsschaltung mit dem elektrischen Strom versorgt wird, erzeugt das Heizelement 140 Wärme, die wiederum über den isolierenden Keramikträger 200 zum Festelektrolytkörper 100 übertragen wird, so dass der Festelektrolytkörper 100 aktiviert wird. Bei Aktivierung des Festelektrolytkörpers 100 entwickelt sich zwischen der Messelektrode 110 und der Bezugselektrode 120 als Funktion der Differenz der Konzentration an Sauerstoff (O₂) zwischen dem Messgas, das über die Diffusionswiderstandsschicht 180 in die Messgaskammer 170 eingeleitet worden ist, und dem Bezugsgas (d. h. der Luft), die in die Bezugsgaskammer 130 eingeleitet worden ist, eine Potentialdifferenz. Die Potentialdifferenz wird die Konzentration des Sauerstoffs in dem Messgas darstellend über die Signalleitungen 81 und 82 zur (nicht gezeigten) Erfassungsschaltung ausgegeben. Alternativ kann die Erfassungsschaltung die Spannung an die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 anlegen und den sich ergebenden Strom überwachen, der als Funktion der Sauerstoffkonzentration im Messgas durch den Festelektrolytkörper 100 fließt.
Unter Bezugnahme auf die 3(a-1) bis 5(d) wird nun ein Herstellungsverfahren des Gasmessfühlers 10 beschrieben.
Es wird der aus einer isolierenden Keramiklage bestehende isolierende Keramikträger 200 angefertigt. In den isolierenden Keramikträger 200 wird ein Fenster gebohrt, um das Loch 201 herzustellen. In das Loch 201 wird der Festelektrolytkörper 100 eingebettet oder eingepasst. An den gegenüberliegenden Hauptflächen des Festeelektrolytkörpers 100 werden die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 140 befestigt. Am Umfang des zylinderförmigen Keramikträgers 13, in dem die Bezugsgaskammer 130 ausgebildet ist, wird die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 festgeklebt, die mit dem isolierenden Keramikträger 200 und dem Heizelement 140 ausgestattet ist, das an der Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 befestigt ist, mit der die Bezugselektrode 120 bündig liegt. Die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 ist, wie aus der obigen Diskussion hervorgeht, mit einer Sensorfunktion und einer Heizungsfunktion ausgestattet und weist zumindest den Festelektrolytkörper 100, die Messelektrode 110, die Bezugselektrode 120, das Heizelement 140 und den isolierenden Keramikträger 200 auf. Genauer gesagt wird die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20, die durch mindestens zwei Lagen (d. h. den isolierenden Keramikträger 200 und die Abschirmschicht 190) gebildet wird, an dem zylinderförmigen Keramikträger 13 anhaften gelassen und dann gebrannt, um den Gasmessfühler 10 herzustellen. Die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 kann alternativ aus einer einzelnen Lage ausgebildet werden. Dies wird erreicht, indem, ohne die Abschirmschicht 190 zu verwenden, eine Lage des isolierenden Keramikträgers 200, in der der Festelektrolytkörper 100 eingepasst ist, um den zylinderförmigen Keramikträger 13 gewickelt wird und dann auf dem isolierenden Keramikträger 200 unter Verwendung von Beschichtungs-, Plattier- oder thermischen Spritztechniken das Heizelement 140, die Messelektrode 110, die Bezugselektrode 120, die Messgaskammer 170 usw. ausgebildet werden.
Das Elektrodenmuster (d. h. die Messelektrode 110, die Bezugselektrode 120, das Heizelement 140 usw.) wird auf der flächigen Keramiklage (d. h. dem isolierenden Keramikträger 200) ausgebildet, was die Wahrscheinlichkeit von elektrischen Unterbrechungen oder Verbindungsfehlern minimiert. Dies verbessert die Zuverlässigkeit beim Betrieb des Gasmessfühlers 10.
Das Herstellungsverfahren des Gasmessfühlers 10 wird im Folgenden ausführlicher erläutert.
Der Festelektrolytkörper 100 besteht aus einem Festelektrolytwerkstoff, der beispielsweise einen Hauptbestandteil aus Zirconiumoxid (d. h. Zirconiumdioxid ZrO₂) und einen Zusatzstoff aus Yttriumoxid (d. h. Y₂O₃, 4–8 Mol-%) enthält.
Der Festelektrolytwerkstoff kann auch Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid und/oder Calciumoxid enthalten. Diese Hilfsmittel dienen dazu, das Sinterverhalten von Zirconiumoxid zu verbessern, den Schrumpfungsgrad (auch Kontraktionsverhältnis genannt) oder den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Festelektrolytwerkstoffs mit dem des Werkstoffs des isolierenden Keramikträgers 200 in Übereinstimmung zu bringen oder die Haftfestigkeit zwischen dem Festelektrolytkörper 100, dem isolierenden Keramikträger 200, dem zylinderförmigen Keramikträger 13, der Messelektrode 110 und der Bezugselektrode 120 zu steigern.
Der isolierende Keramikträger 200 besteht aus einem isolierenden Keramikwerkstoff, der zum Beispiel vorzugsweise einen Hauptbestandteil aus 90 Gew.-% oder mehr Aluminiumoxid (d. h. Al₂O₃) enthält, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung hat. Das Aluminiumoxid kann Zirconiumoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid und/oder Siliciumoxid enthalten. Diese Hilfsmittel dienen dazu, das Sintervermögen von Aluminiumoxid zu verbessern, den Schrumpfungsgrad oder Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiumoxids mit dem des Werkstoffs des Festelektrolytkörpers 100 in Übereinstimmung zu bringen oder die Haftfestigkeit zwischen dem isolierenden Keramikträger 200, dem zylinderförmigen Keramikträger 13, dem Festelektrolytkörper 100, der Messelektrode 110, der Messelektrodenleitung 111, dem Messelektrodenanschluss 112, der Bezugselektrode 120, der Bezugselektrodenleitung 121 und dem Bezugselektrodenanschluss 122 zu steigern.
Zunächst wird eine ungebrannte Keramiklage SH₂₀₀ (d. h. eine ungebrannte Aluminiumoxidlage), die der isolierende Keramikträger 200 sein wird, hergestellt. Die ungebrannte Keramiklage SH₂₀₀ wird im Folgenden auch als flächiger isolierender Keramikwerkstoff oder Aluminiumoxidlage bezeichnet.
Die Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ wird ausgebildet, indem Aluminiumoxidpulver mit Sinterhilfsmittel wie Magnesiumoxidpulver, Bindemittel wie Butyralharz und Weichmacher wie BBP (Butylbenzylphthalat) gemischt oder kombiniert wird, um eine Aluminiumoxidschlämme herzustellen, die Aluminiumoxidschlämme unter Verwendung einer Rakel zu einer Lage geformt wird und dann daraus organisches Lösungsmittel verdampft wird.
In der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ wird das Loch 201 ausgebildet, in das der Festelektrolytkörper 100 einzupassen ist. Außerdem werden in die Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ Durchgangslöcher 202, 203 und 204 gebohrt, um die Durchgangsleiter 144, 122 und 143 herzustellen. Der Durchgangsleiter 122 ist, wie oben beschrieben wurde, der Bezugselektrodenanschluss und wird im Folgenden auch als Bezugselektrodendurchgangsleiter bezeichnet.
Es wird eine ungebrannte Festelektrolytlage SH₁₀₀ (d. h. eine ungebrannte Zirconiumoxidlage), die der Festelektrolytkörper 100 sein wird, hergestellt. Die ungebrannte Festelektrolytlage SH₁₀₀ wird im Folgenden auch als flächiger Festelektrolytwerkstoff oder Zirconiumoxidlage bezeichnet.
Die Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ wird ausgebildet, indem Zirconiumoxidpulver mit Yttriumoxidpulver, Bindemittel wie Butyralharz und Weichmacher wie BBP (Butylbenzylphthalat) gemischt oder kombiniert wird und damit ein organisches Lösungsmittel gemischt wird, um Zirconiumoxidschlämme herzustellen, die Zirconiumoxidschlämme unter Verwendung einer Rakel zu einer Lage geformt wird und dann daraus organisches Lösungsmittel verdampft wird.
Die Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ und die Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ haben eine identische Dicke (z. B. eine Dicke von 200 μm nach dem Brennen). Die Korngrößenverteilungen und Mischungsverhältnisse der Zusammensetzungen der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ und der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ werden so eingestellt, dass ihre Schrumpfungsverhältnisse zueinander passen, wenn sie gebrannt werden.
Die Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ wird in eine Größe und Form (z. B. eine Rechteckform) gestanzt, die mit der des in der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ ausgebildeten Durchgangslochs 201 identisch ist. Der ausgestanzte Abschnitt der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ wird in dem Loch 201 eingebettet.
Wie der ausgestanzte Abschnitt der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ in dem Loch 201 der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ eingebettet wird, wird im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die 3(a-1) bis 3(d-2) beschrieben.
Die Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ und die Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ werden, wie in den 3(a-1) und 3(a-2) dargestellt ist, übereinander gelegt und dann in einer Stanzpresse platziert, die mit einer oberen Form D_UP, einem oberen Stanzstempel P_UP, einer unteren Form D_LO, einem unteren Stanzstempel P_LO und einem Sockel DS ausgestattet ist.
Die obere Form D_UP wird, wie in den 3(b-1) und 3(b-2) dargestellt ist, nach unten bewegt, um das Loch 201 in die Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ zu stanzen und gleichzeitig einen Abschnitt der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ in eine Form auszustanzen, die so umrissen ist, dass sie mit dem Loch 201 übereinstimmt. Der ausgestanzte Abschnitt der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ wird nach dem Brennen der Festelektrolytkörper 100 werden. Wenn die obere Form D_UP weiter nach unten bewegt wird, wird der ausgestanzte Abschnitt der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ durch den unteren Stanzstempel P_LO in das Loch 201 gedrückt.
Das Stück WST₂₀₀ aus dem Werkstoff, der aus der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ herausgeschnitten wurde, um das Loch 201 herzustellen, wird gegen den oberen Stanzstempel P_UP, der von einer oberen Feder SP_UP nach unten gedrückt wird, hochgehoben und in die obere Form D_UP ausgestoßen.
Der verbleibende rahmenförmige Abschnitt der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ drückt die untere Form D_LO gegen eine untere Feder SP_LO nach unten.
Danach wird die obere Form D_UP, wie in den 3(c-1) und 3(c-2) dargestellt ist, nach oben bewegt, der verbleibende rahmenförmige Abschnitt der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀, aus dem der Abschnitt der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ herausgeschnitten wurde, der in die Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ eingebettet worden ist und der Festelektrolytkörper 100 sein wird, wird durch die untere Form D_LO hochgehoben. Das Stück WST₂₀₀ des Werkstoffs, der aus der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ herausgeschnitten und in die obere Form D_UP gezwängt worden ist, wird durch den sich nach unten bewegenden oberen Stanzstempel P_UP aus der oberen Form D_UP ausgestoßen.
Auf die oben beschriebene Weise wird, wie in den 3(d-1) und 3(d-2) dargestellt ist, eine Festelektrolytkörper-/Aluminiumoxidlage 20' hergestellt, die eine Baugruppe der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ und des ausgestanzten Abschnitts der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ ist, die nach dem Brennen zu der Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 wird.
Um die übereinander liegende Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ und Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ zu pressen, um gleichzeitig das Loch 201 in der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ herzustellen und den ausgestanzten Abschnitt der Zirconiumoxidlage SH₁₀₀ in dem Loch 201 einzubetten und um die Festelektrolytkörper-/Aluminiumoxidlage 20' herzustellen, wird die Stanzpresse verwendet, die, wie in den 3(a-1) bis 3(d-1) zu erkennen ist, einen einfachen Aufbau hat. Allerdings kann in dem Loch 201 der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ auch eine Zirconiumoxidlage geformt werden, die nach dem Brennen zu dem Festelektrolytkörper 100 wird, indem eine Zirconiumoxidschlämme in das Loch 201 gegeben und daraus organisches Lösungsmittel verdampft wird, um die Festelektrolytkörper-/Aluminiumoxidlage 20' herzustellen.
Allerdings schrumpft die in dem Loch 201 geformte Zirconiumoxidlage gewöhnlich nach dem Trocknen, so dass ein zentraler Abschnitt von ihr dünner wird. Es ist daher unerlässlich, dass die Zirconiumoxidlage unter Ausnutzung der Oberflächenspannung der Zirconiumoxidschlämme in der Mitte eine größere Dicke als der Rest hat, so dass die Dicke der Zirconiumoxidlage nach dem Brennen konstant sein wird.
Alternativ kann die Festelektrolytkörper-/Aluminiumoxidlage 20' auch hergestellt werden, indem eine rechteckige Zirconiumoxidlage angefertigt wird, die eine ähnliche Form wie das Loch 201 hat, aber etwas kleiner als das Loch 201 ist, diese in das Loch 201 gesetzt wird und in einem Zwischenraum zwischen dem Loch 201 und der in das Loch 201 gesetzten Zirconiumoxidlage als ein Haftmittel ein Gemisch aus einer Zirconiumoxidschlämme und einer Aluminiumoxidschlämme, das durch organisches Lösungsmittel verdünnt ist, eingebracht wird.
Nachdem die Festelektrolytkörper-/Aluminiumoxidlage 20' auf die oben beschriebene Weise hergestellt wurde, werden auf der Festelektrolytkörper-/Aluminiumoxidlage 20', wie in den 4 und 5(d) dargestellt ist, unter Verwendung von beispielsweise bekannten Dickschichtdrucktechniken die Messelektrode 110, die Messelektrodenleitung 111, der Messelektrodenanschluss 112, die Bezugselektrode 120, die Bezugselektrodenleitung 121, der Bezugselektrodendurchgangsleiter 122, der Bezugselektrodenanschluss 123, das Heizelement 140, die Heizleitungen 141 und 142, die Heizungsdurchgangsleiter 143 und 144, die Stromversorgungsanschlüsse 145 und 146, die Messgaskammer 170, die Diffusionswiderstandsschicht 180, die Abschirmschicht 190 und die Pufferschicht 191 ausgebildet, um die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 herzustellen.
Die Messelektrode 110, die Messelektrodenleitung 111, der Messelektrodenanschluss 112, die Bezugselektrode 120, die Bezugselektrodenleitung 121, der Bezugselektrodendurchgangsleiter 122, der Bezugselektrodenanschluss 123, die Heizleitungen 141 und 142, die Heizungsdurchgangsleiter 143 und 144 und die Stromversorgungsanschlüsse 145 und 146 können aus einem bekannten leitenden Werkstoff wie Gold, Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium oder einer Legierung von ihnen bestehen. Der leitende Werkstoff kann Zirconiumoxid, das ein Hauptbestandteil des Festelektrolytkörpers 100 ist, oder Aluminiumoxid enthalten, das ein Hauptbestandteil des isolierenden Keramikträgers 200 ist.
Das Heizelement 140 kann aus einem Widerstandsheizwerkstoff wie Platin, Rhodium, Wolfram, Rhenium oder einer Legierung von ihnen bestehen. Der Widerstandsheizwerkstoff kann Aluminiumoxid enthalten, das der Hauptbestandteil des isolierenden Keramikträgers 200 ist.
Die Messelektrode 110 hat, wie in den 4, 5(a) und 5(b) dargestellt ist, eine im Wesentlichen rechteckige Form und wird über der Gesamtheit einer der Hauptflächen des Festelektrolytkörpers 100 aufgedruckt.
Die Messelektrodenleitung 111 wird mit dem einen Ende der Messelektrode 110 verbunden, das dem Fußende des Gasmessfühlers 10 zugewandt ist, und verläuft in einer Längsrichtung des isolierenden Keramikträgers 200 (d. h. des Gasmessfühlers 10). Die Messelektrodenleitung 111 wird auf der einen Hauptfläche des isolierenden Keramikträgers 200 aufgedruckt, die mit der Messelektrode 110 bündig ist.
Die Bezugselektrode 120 hat, wie in den 4, 5(b) und 5(c) dargestellt ist, eine im Wesentlichen rechteckige Form und wird über der Gesamtheit der anderen Hauptfläche des Festelektrolytkörpers 100 aufgedruckt. Mit anderen Worten liegen die Bezugselektrode 120, der Festelektrolytkörper 100 und die Messelektrode 110 so, dass sie sich in ihrer Dickenrichtung überlappen.
Die Bezugselektrodenleitung 121 wird mit dem einen Ende der Bezugselektrode 120 verbunden, das dem Fußende des Gasmessfühlers 10 zugewandt ist, und verläuft in der Längsrichtung des isolierenden Keramikträgers 200 (d. h. des Gasmessfühlers 10). Die Messelektrodenleitung 111 wird auf der einen Hauptfläche des isolierenden Keramikträgers 200 aufgedruckt, die mit der Bezugselektrode 120 bündig ist.
Der Durchgangsleiter 122 wird unter Verwendung bekannter Vakuumdrucktechniken innerhalb des Lochs 203 des isolierenden Keramikträgers 200 ausgebildet. Das Loch 203 läuft durch die gegenüberliegenden Hauptflächen des isolierenden Keramikträgers 200, auf denen sich jeweils die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 befinden. Der Durchgangsleiter 122 wird elektrisch an ein Fußende der Bezugselektrodenleitung 121 gekoppelt.
Der Bezugselektrodenanschluss 123 wird auf der Hauptfläche des isolierenden Keramikträgers 200 aufgedruckt, die mit der Messelektrode 110 bündig ist. Der Bezugselektrodenanschluss 123 wird elektrisch mit dem Durchgangsleiter 122 verbunden.
Die Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200, die sich auf der gleichen Seite wie die Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 befindet, auf der sich die Messelektrode 110 befindet, wird im Folgenden auch als messelektrodenseitige Oberfläche bezeichnet. Entsprechend wird die Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200, die sich auf der gleichen Seite wie die Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 befindet, auf der sich die Bezugselektrode 110 befindet, im Folgenden auch als bezugselektrodenseitige Oberfläche bezeichnet. Auf der bezugselektrodenseitigen Oberfläche wird, wie deutlich in 5(c) dargestellt ist, das Heizelement 140 aufgedruckt. Das Heizelement 140 besteht aus einem im Wesentlichen C-förmigen Leiter, der mit einem konstanten Abstand d von dem Festelektrolytkörper 100 und/oder der Bezugselektrode 120 entfernt mindestens drei von vier Seiten der Bezugselektrode 120 umschließt. Der Abstand d ist größer oder gleich 0,1 mm und kleiner oder gleich 3 mm.
Die Heizungsleitungen 141 und 142 werden in elektrischer Verbindung mit den Enden des Heizelements 140 auf der bezugselektrodenseitigen Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 aufgedruckt.
Die Durchgangsleiter 143 und 144 werden unter Verwendung der bekannten Vakuumdrucktechniken innerhalb der Löcher 202 und 204 des isolierenden Keramikträgers 200 ausgebildet. Die Löcher 202 und 204 gehen durch die messelektrodenseitige Oberfläche und die bezugselektrodenseitige Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200. Die Durchgangsleiter 143 und 144 werden jeweils elektrisch an Fußenden der Heizungsleitungen 141 und 142 gekoppelt.
Die Heizungsanschlüsse 145 und 146 (die auch als Stromversorgungsanschlüsse bezeichnet werden) werden auf einem Fußendenabschnitt der messelektrodenseitigen Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 aufgedruckt. Die Heizungsanschlüsse 145 und 146 werden jeweils elektrisch mit den Durchgangsleitern 143 und 144 verbunden.
Die Messgaskammer 170 hat, wie in den 4, 5(b) und 5(d) dargestellt ist, eine im Wesentlichen rechteckige Form und bedeckt die Gesamtheit der Oberfläche der Messelektrode 110. Die Messgaskammer 170 wird ausgebildet, indem über der Messelektrode 110 eine Paste aufgebracht wird, die aus einem Gemisch aus Bindemittel und organischem Lösungsmittel besteht, und dieses ausgebrannt wird, wenn die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 auf die später beschriebene Weise gebrannt wird.
Die Diffusionswiderstandsschicht 180 wird aus einer eine Diffusionsschicht ergebenden Paste hergestellt, die nach dem Brennen zu einer porösen Schicht wird. Die die Diffusionsschicht ergebende Paste wird hergestellt, indem Aluminiumoxidpulver, Harzpulver und Bindemittel miteinander gemischt werden und damit organisches Lösungsmittel gemischt wird. Das Verhältnis dieser Zusammensetzungen wird so gewählt, dass die poröse Schicht einen bestimmten Grad an Diffusionswiderstand hat. Die die Diffusionsschicht ergebende Paste wird über der Gesamtheit der Oberfläche der Messgaskammer 170 aufgedruckt, so dass sie bis zu einer Kante des Kopfendes (d. h. des linken Endes in 4) des isolierenden Keramikträgers 200 läuft.
Das Ende der Diffusionswiderstandsschicht 180 wird, wie in den 4, 5(a) und 5(b) dargestellt ist, geschnitten oder geschliffen, um eine sich verjüngende Oberfläche (d. h. die geneigte Messgaseinlassfläche 181) auszubilden, die nicht mit der Abschirmschicht 190 bedeckt ist und durch die das Messgas in die Diffusionswiderstandsschicht 180 einzuleiten ist.
Die geneigte Messgaseinlassfläche 181 ist gegenüber der Länge des Gasmessfühlers 10 in einem bestimmten Winkel geneigt, um eine Einlassöffnung zu definieren, um es einem Strom des Messgases, der sich im Wesentlichen senkrecht zur Länge des Gasmessfühlers 10 bewegt, zu erleichtern, in die Diffusionswiderstandsschicht 180 und dann in die Messgaskammer 170, die einen geringeren Diffusionswiderstand als die Diffusionswiderstandsschicht 180 hat, eingelassen zu werden.
Die geneigte Messgaseinlassfläche 181 kann ausgebildet werden, entweder bevor oder nachdem die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 um den zylinderförmigen Keramikträger 13 gewickelt wird/wurde oder nachdem eine Baugruppe der Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 und des zylinderförmigen Keramikträgers 13 gebrannt wurde.
Die Abschirmschicht 190 wird, wie in den 4, 5(a) und 5(b) dargestellt ist, unter Verwendung einer isolierenden Paste wie Aluminiumoxid über der Diffusionswiderstandsschicht 180 und der Pufferschicht 191 aufgedruckt. Die Abschirmschicht 190 bedeckt nicht die Anschlüsse 145, 112, 123 und 146. Die Pufferschicht 191 wird unter Verwendung einer isolierenden Paste wie Aluminiumoxid auf der messelektrodenseitigen Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 in der Längsrichtung des Gasmessfühlers 10 in Ausrichtung mit der Diffusionswiderstandsschicht 180 aufgedruckt.
Die Abschirmschicht 190 kann unter Verwendung der Aluminiumoxidlage SH₂₀₀ hergestellt werden.
Auf die oben beschriebene Weise wird die flächige Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 hergestellt, die eine Aufstapelung des Festelektrolytkörpers 100, der Messelektrode 110, der Bezugselektrode 120, des Heizelements 140, der Messgaskammer 170, der Diffusionswiderstandsschicht 180, der Abschirmschicht 190, der isolierenden Keramikschicht 200 usw. ist.
Der zylinderförmige Keramikträger 13 wird von einem hohlen Keramikzylinder gebildet, der aus einem isolierenden Keramikwerkstoff wie Aluminiumoxid besteht. Der hohle Keramikzylinder kann unter Verwendung bekannter Strangpress-, Spritzguss-, CIP- oder HIP-Techniken (CIP: kaltisostatisches Pressen; HIP: heißisostatisches Pressen) hergestellt werden. Der zylinderförmige Keramikträger 13 kann so geformt werden, dass er einen Außendurchmesser von 2,5 mm, einen Innendurchmesser von 2,1 mm und eine Länge von 50 mm hat. Der zylinderförmige Keramikträger 13 hat das geschlossene Ende 133, das das Kopfende des Gasmessfühlers 10 ist, und das offene Ende 134, das dem Fußende des Gassensors 1 zugewandt sein soll. Im zylinderförmigen Keramikträger 13 ist die zylinderförmige Bezugsgaskammer 130 definiert, in die als das Bezugsgas Luft eingelassen wird. Der zylinderförmige Keramikträger 13 hat außerdem ein rechteckiges Loch oder Fenster 132, das durch die Seitenwand 131 geht. Das Fenster 132 befindet sich näher am geschlossenen Ende als am offenen Ende 134.
Die Herstellung des zylinderförmigen Keramikträgers 13 erfolgt unter Verwendung eines Strangpressvorgangs, in dem Aluminiumoxidpulver mit Bindemittel, Trennmittel (auch Entformungsmittel genannt) und entionisiertem Wasser gemischt wird, um einen Grünkörper herzustellen, der Grünkörper zu einem hohlen Keramikzylinder stranggepresst wird, der hohle Keramikzylinder auf eine bestimmte Länge geschnitten wird, eines der offenen Enden des hohlen Keramikzylinders unter Verwendung eines ähnlichen Grünkörpers verschlossen wird, der hohle Keramikzylinder getrocknet wird, damit er eine höhere mechanische Festigkeit hat, und das Seitenfenster 132 gebohrt wird.
Die Herstellung des zylinderförmigen Keramikträgers 13 erfolgt unter Verwendung des Spritzgieß-, CIP- oder HIP-Vorgangs, indem ein Satz Formen und ein Kern verwendet werden. Die Verwendung der Formen und des Kerns ermöglicht es, gleichzeitig die Bezugsgaskammer 130, die Seitenwand 131, das Seitenfenster 132 und das geschlossene Ende 133 auszubilden.
Nachdem die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 und der zylinderförmige Keramikträger 13 auf die oben beschriebene Weise hergestellt wurden, wird die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20, wie in 5(d) dargestellt ist, um die Umfangswand des zylinderförmigen Keramikträgers 13 gedreht oder gewickelt und dann bei einer bestimmten Temperatur gebrannt. Zum Beispiel wird eine solche Baugruppe vier Stunden lang in der Atmosphäre bei 400°C (Celsius) erhitzt, um sie zu entfetten, und dann zwei Stunden lang bei ungefähr 1500°C gebrannt, um den Gasmessfühler 10 fertigzustellen.
Wenn die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 um den zylinderförmigen Keramikträger 13 gewickelt wird, wird die Bezugselektrode 110, wie in 1(c) zu erkennen ist, in der Radiusrichtung des zylinderförmigen Keramikträgers 13 in Übereinstimmung mit seinem Seitenfenster 132 positioniert.
Bei dem Keramikträgerwickelvorgang ist es ratsam, dass auf die bezugselektrodenseitige Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 mit Ausnahme der Bezugselektrode 120 eine Verbindungspaste aufgebracht wird, um die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 mit dem zylinderförmigen Keramikträger 200 zu verkleben. Die Verbindungspaste kann hergestellt werden, indem Aluminiumoxid und Bindemittel in organischem Lösungsmittel verteilt werden.
Das Aufwickeln der Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 um den zylinderförmigen Keramikträger 13 kann erreicht werden, nachdem der zylinderförmige Keramikträger 13 getrocknet wurde, nachdem das Bindemittel aus dem zylinderförmigen Keramikkörper 13 entfernt wurde oder nachdem der zylinderförmige Keramikkörper 13 zeitweise oder vollständig gebrannt wurde. Das Trocknen des zylinderförmigen Keramikträgers 13 führt zu einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit, was es erleichtert, die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 um den zylinderförmigen Keramikträger 13 zu wickeln.
Wenn das Bindemittel aus dem zylinderförmigen Keramikträger 13 entfernt wird, wird der zylinderförmige Keramikträger 13 porös und wird somit mit der Verbindungspaste getränkt, wodurch es zu einer festen Verbindung des zylinderförmigen Keramikträgers 13 mit der Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 kommt. Dies verringert das Risiko einer Ablösung des zylinderförmigen Keramikträgers 13 und der Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20.
Wenn der zylinderförmige Keramikträger 13 zeitweise bei einer Temperatur gebrannt wird, die geringer als die ist, bei der die Baugruppe des zylinderförmigen Keramikträgers 13 und der Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 gebrannt wird, ruft dies Halswachstum zwischen Aluminiumoxidteilchen in dem zylinderförmigen Keramikträger 13 hervor, was zu einer Erhöhung der mechanischen Festigkeit des zylinderförmigen Keramikträgers 13 führt. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit, dass der zylinderförmige Keramikträger 13 bricht, um den die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 herumgewickelt wird.
Das Brennen des zylinderförmigen Keramikträgers 13 führt zu einer Erhöhung seiner mechanischen Festigkeit, was es erleichtert, die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 um den zylinderförmigen Keramikträger 13 herumzuwickeln.
Das Brennen des zylinderförmigen Keramikträgers 13 führt auch zu einer Erhöhung des Schrumpfungsgrads der Baugruppe des zylinderförmigen Keramikträgers 13 und der Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20, wenn sie gebrannt wird, um den Gasmessfühler 10 fertigzustellen. Die auf die Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 wirkenden Wärmespannungen werden daher gering sein, was die Wahrscheinlichkeit von Rissen in oder der Ablösung der Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20 von dem zylinderförmigen Keramikträger 13 verringert. Allerdings sollte darauf geachtet werden, den zylinderförmigen Keramikträger 13 nicht übermäßig zu brennen.
Die 6(a) bis 7(d) zeigen Abwandlungen des Gasmessfühlers 10.
Das Heizelement 140 hat wie zuvor beschrieben eine C-Form, die die Bezugselektrode 120 umgibt, jedoch kann es auch, wie in 6(a) dargestellt ist, in der Form eines Balgs 140a aufgedruckt werden.
Die geneigte Messgaseinlassfläche 181 der Diffusionswiderstandsschicht 180, die als die Gaseinlassöffnung dient, wird durch ihre sich verjüngende Endfläche definiert, jedoch können sich alternativ auch, wie in den 6(b), 6(c), 6(d) und 6(e) dargestellt ist, Seitenflächen der Diffusionswiderstandsschicht 180 verjüngen, um Gaseinlassöffnungen zu bilden, durch die das Messgas in die Diffusionswiderstandsschicht 180 eingelassen wird. Die sich verjüngenden Seitenflächen verlaufen in der Längsrichtung des isolierenden Keramikträgers 200. Die Gaseinlassöffnungen sind im Wesentlichen senkrecht zur Länge des Gasmessfühlers 10 orientiert.
Der Messelektrodenanschluss 112, der Bezugselektrodenanschluss 123 und die Heizungsanschlüsse 145 und 146 werden, wie in 2 dargestellt ist, auf einem Bereich der Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 gesammelt, der einen Teilabschnitt des Umfangs des isolierenden Keramikträgers 200 belegt, der an dem Fühlmechanismus, mit anderen Worten der Länge der Diffusionswiderstandsschicht 180, ausgerichtet ist und der sich näher am Fußende des zylinderförmigen Keramikträgers 13 als an seinem Kopfende befindet, jedoch können sie sich auch, wie durch die Ziffern 112b, 123b, 145b und 146b in den 7(a) bis 7(c) angegeben ist, in der Umfangsrichtung des isolierenden Keramikträgers 200 (d. h. des zylinderförmigen Keramikträgers 13) in regelmäßigen oder gleichen Abständen voneinander entfernt angeordnet sein und näher am Fußende des isolierenden Keramikträgers 200 als an seinem Kopfende gelegen sein. In diesem Fall können die Anschlüsse 112b, 123b, 145b und 146b, wie in den 7(c) und 7(d) dargestellt ist, mit der oben beschriebenen Stromversorgungssteuerungsschaltung und der Erfassungsschaltung, über im Wesentlichen U-förmige Federanschlussstücke verbunden werden, wie in 7(d) dargestellt ist. Die Federanschlussstücke sind jeweils mit Sätzen eines Kontakts 113b und eines Anschlusses 114b, eines Kontakts 124b und eines Anschlusses 125b, eines Kontakts 147b und eines Anschlusses 149b, eines Kontakts 148b und eines Anschlusses 150b ausgestattet. Die Kontakte 113b, 124b, 147b und 148b befinden sich jeweils elastisch in elektrischem Kontakt mit den Anschlüssen 112b, 123b, 145b und 146b auf dem isolierenden Keramikträger 200. Dieser Aufbau erleichtert es, den Gasmessfühler 10 im Gassensor 1 einzubauen und verbessert die Stabilität der elektrischen Verbindung der Anschlüsse 112b, 123b, 145b und 146b mit den Kontakten 113b, 124b, 147b und 148b gegenüber externen mechanischen Schwingungen.
Die Heizungsanschlüsse 145b und 146b sind, wie in 7(c) zu erkennen ist, jeweils über die Anschlüsse 149b und 150b und Leitungen elektrisch mit der Stromversorgungssteuerungsschaltung verbunden. Die Stromversorgungssteuerungsschaltung dient dazu, die Zufuhr elektrischen Stroms zum Heizelement 140 zu steuern, und sie ist mit einem Halbleiterschalter SW wie einem MOSFET, einem SCR oder einem IGBT und einem Treiber DRV ausgestattet. Der Halbleiterschalter SW dient dazu, gezielt die Zufuhr von Strom von einer Speicherbatterie BATT zu den Heizungsanschlüssen 145b und 146b herzustellen oder zu blockieren. Der Treiber DRV dient dazu, den Betrieb des Halbleiterschalters SW in einem PWM-Steuerungsmodus oder einem Ein-/Ausschalt-Steuerungsmodus zu steuern.
Die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 sind jeweils über die Anschlüsse 114b und 125b und Leitungen elektrisch mit der Erfassungsschaltung DTC verbunden. Die Erfassungsschaltung DTC dient als eine Gaskonzentrationsbestimmungsschaltung, um eine Differenz der elektromotorischen Kraft zwischen der Messelektrode 110 und der Bezugselektrode 120 oder einen zwischen der Messelektrode 110 und der Bezugselektrode 120 fließenden elektrischen Strom zu überwachen und als Funktion der überwachten Differenz oder des Stroms die Konzentration eines bestimmten, im Messgas enthaltenden Bestandteils (z. B. O₂) zu bestimmen.
Unter Bezugnahme auf die 8(a) bis 13(b) werden nun die Nachteile von Gasmessfühlern 10z, 10g und 10f, die mit einem herkömmlichen Aufbau ausgestattet sind, und von Gasmessfühlern 10c, 10d und 10e beschrieben, die technische Einschränkungen gegenüber den vorteilhaften Wirkungen haben, die der Aufbau des Gasmessfühlers 10 bietet.
Die 8(a), 8(b) und 8(c) stellen als Vergleichsbeispiel Nr. 1 den Gasmessfühler 10z dar, der einen typischen flachen Aufbau hat, wie ihn die JP 01-253649 A lehrt, die in der Beschreibungseinleitung diskutiert wird.
In den 8(a) bis 8(c) beziehen sich die mit der Endung ”z” versehenen Bezugszahlen auf gleiche oder ähnliche Teile wie zuvor, und eine ausführliche Erläuterung von ihnen wird weggelassen.
Der flächige Festelektrolytkörper 100z hat zwei gegenüberliegende Hauptflächen. Auf einer der Hauptflächen sind die Messelektrode 110z, die Messelektrodenleitung 111z, die Messgaskammer 170z, die Diffusionswiderstandsschicht 180z, die Abschirmschicht 190z, die Pufferschicht 191z und der Bezugselektrodenanschluss 123z ausgebildet. Auf der anderen Hauptfläche sind die Bezugselektrode 120z und die Bezugselektrodenleitung 121z ausgebildet. In dem Festelektrolytkörper 100z ist das Loch 101z ausgebildet, in dem der Durchgangsleiter 122z ausgebildet ist, um für eine Verbindung zwischen dem Ende der Bezugselektrodenleitung 121z und dem Bezugselektrodenanschluss 123z zu sorgen.
Auf dem Festelektrolytkörper 100z ist die Bezugsgaskammerschicht 131z aufgestapelt. Auf der Bezugsgaskammerschicht 131z ist außerdem die flächige isolierende Schicht 150z aufgestapelt, um entlang der Bezugsgaskammerschicht 131z die Bezugsgaskammer 130z zu definieren. An der isolierenden Schicht 150z ist die Heizungsträgerschicht 160z befestigt, auf der das Heizelement 140z und die Heizungsleitungen 141z und 142z ausgebildet sind. In der Heizungsträgerschicht 160z sind Löcher 161z und 162z ausgebildet, in denen Durchgangsleiter 144z und 143z ausgebildet sind, um jeweils die Heizungsleitungen 141z und 142z und die Heizungsanschlüsse 145z und 146z zu verbinden.
Die Abschirmschicht 181z hat an ihren Seiten die geneigten Messgaseinlassflächen 181z ausgebildet.
Wenn das Heizelement 140z aktiviert wird, wärmt, wie in 8(c) dargestellt ist, Wärme aus thermischer Energie, die von dem Heizelement 140z erzeugt wird, über die isolierende Schicht 150z die in die Bezugsgaskammer 130z eingelassene Luft und wird über die Luft und die Bezugsgaskammerschicht 131z auch zum Festelektrolytkörper 100z übertragen.
Die Luft liegt in der Bezugsgaskammer 130z in der Form einer Schicht vor. Eine solche Luftschicht hat eine hohe Wärmeisolation und eine geringe Wärmeleitfähigkeit (0,15 bis 0,25 W/m·K).
Die von dem Heizelement 140z erzeugte Wärmeenergie wird über die isolierende Schicht 150z, die aus Aluminiumoxid besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit hoch ist (20 bis 30 W/m·K) und die Bezugsgaskammerschicht 131z teilweise zum Festelektrolytkörper 100z übertragen. Der aus der Messelektrode 100z, der Bezugselektrode 120z usw. bestehende Fühlmechanismus wird somit durch die Wärmeenergie erwärmt, die über den Festelektrolytkörper 100z übertragen wird, der aus Zirconiumoxid besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit gering ist (2 bis 3 W/m·K).
Die meiste von dem Heizelement 140z erzeugte Wärmeenergie wird zunächst beim Erwärmen der Luft in der Bezugsgaskammer 130z verbraucht. Die Luft überträgt dann nach Erhöhung ihrer Temperatur die Wärme zum Festelektrolytkörper 100z.
Die vom Heizelement 140z abgestrahlte Wärme wird auch direkt zum Festelektrolytkörper 100z übertragen. Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid, das typischerweise als Werkstoff des Festelektrolytkörpers 100z verwendet wird, hat eine weiße Farbe und reflektiert daher die meiste abgestrahlte Wärme. Die von dem Heizelement 140 erzeugte Wärmeenergie wird daher unmittelbar nach Energiebeaufschlagung des Heizelements 140 nicht zum Aktivieren des Festelektrolytkörpers 100z genutzt, was zu einer Verzögerung führt, um den Gasmessfühler 10z in einen Zustand zu bringen, der die Gaskonzentration korrekt misst.
Das Heizelement 140z befindet sich, wie zuvor beschrieben wurde, zwischen der isolierenden Schicht 150z und der Heizungsträgerschicht 160z, um einen Heizmechanismus zu bilden. Der Fühlmechanismus (d. h. der Festelektrolytkörper 100z, die Messelektrode 110z, die Bezugselektrode 120z und die Bezugsgaskammer 130z) und der Heizmechanismus (d. h. das Heizelement 140z, die isolierende Schicht 150z und die Heizungsträgerschicht 160z) befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Bezugsgaskammer 130z. Die Temperatur des Heizmechanismus wird somit mehr als die des Fühlmechanismus gesteigert. Das führt dazu, dass der Heizmechanismus einen höheren Grad an Wärmeausdehnung als der Fühlmechanismus hat, was zu Zugspannungen führt, die auf die Außenfläche des Heizmechanismus wirken, was in der isolierenden Schicht 150z und der Heizungsträgerschicht 160z zu Rissen führen kann.
Um das Risiko solcher Risse zu minimieren, können die isolierende Schicht 150z und die Heizungsträgerschicht 160z dicker gemacht werden, um die Wärmespannungen zu absorbieren, jedoch führt dies zu einer Erhöhung der Gesamtgröße des Gasmessfühlers 10z, mit anderen Worten zu einer Erhöhung des zu erwärmenden Volumens des Gasmessfühlers 10z. Dies führt auch zu einer Verzögerung beim Aktivieren des Gasmessfühlers 10z.
Der Festelektrolytkörper 100z ist, wie in 8(a) dargestellt ist, vollständig flächenförmig und hat elektrische Leitfähigkeit. Auf dem Festelektrolytkörper 100z sind die Messelektrodenleitung 111z, die Bezugselektrodenleitung 121z, der Messelektrodenanschluss 112z, der Durchgangsleiter 122z und der Bezugselektrodenanschluss 123z ausgebildet. Das Anlegen einer Spannung zwischen dem Messelektrodenanschluss 112z und dem Bezugselektrodenanschluss 123z führt daher dazu, dass durch den Festelektrolytkörper 100z ein elektrischer Strom fließt, was bei der Messung der Gaskonzentration zu einer Verringerung der Genauigkeit führt.
Die 9(a), 9(b) und 9(c) stellen als Vergleichsbeispiel Nr. 2 den Gasmessfühler 10g dar, der einen ähnlichen Aufbau wie der der JP 01-253649 A hat, die in der Beschreibungseinleitung diskutiert wird. In den 9(a) bis 9(c) beziehen sich die mit der Endung ”g” versehenen Bezugszahlen auf gleiche oder ähnliche Teile wie zuvor, und eine ausführliche Erläuterung von ihnen wird weggelassen.
Der Festelektrolytkörper 100 des Gasmessfühlers des Ausführungsbeispiels ist, wie in 4 dargestellt ist, in dem isolierenden Keramikträger 200 eingebettet, während der Festelektrolytkörper 100g des Gasmessfühlers 10g flächig ist und direkt um den zylinderförmigen, isolierenden Träger 13 herumgewickelt wird. Genauer gesagt hat der Festelektrolytkörper 100g auf gegenüberliegenden Hauptflächen von ihm die Messeelektrode 110g, die Messelektrodenleitung 111g, den Messelektrodenanschluss 112g, die Bezugselektrode 120g, die Bezugselektrodenleitung 121g, den Durchgangsleiter 122g und den Bezugselektrodenanschluss 123g ausgebildet. Der Festelektrolytkörper 100g wird um den zylinderförmigen isolierenden Träger 13b herumgewickelt, wobei die Bezugselektrode 120g dem Loch 132g zugewandt ist. Das Heizelement 140g, die Heizungsleitungen 141g und 142g und die Heizungsanschlüsse 145g und 146g befinden sich über die isolierende Schicht 150g auf einem Bereich des Festelektrolytkörpers 100 um die Messelektrode 110g herum. Die Öffnung 151g ist in einem Abschnitt der isolierenden Schicht 150 ausgebildet, der mit der Messelektrode 110g zusammenfällt. Die Öffnung 151g definiert, wie in 9(b) dargestellt ist, die Messgaskammer 170g. Auf der isolierenden Schicht 150g befindet sich die Diffusionswiderstandsschicht 180g, um die zur Öffnung 151g freiliegende Messelektrode 110g zu bedecken. Über der Diffusionswiderstandsschicht 180g liegt die Abschirmschicht 190g. Diese Anordnung ermöglicht es, den Abstand (d. h. den isolierenden Abstand d) zwischen der Messelektrode 100g und der Innenkante des Heizelements 140 zu verkürzen, um die Aktivierung des Festelektrolytkörpers 100g zu beschleunigen, jedoch erfordert das Sicherstellen eines gewünschten Grads an elektrischer Isolation zwischen dem Heizelement 140g und dem Festelektrolytkörper 100g eine Erhöhung der Dicke t₁₅₀ der isolierenden Schicht 150g, um den isolierenden Abstand d auf zum Beispiel größer oder gleich 100 μm einzustellen.
Der Festelektrolytkörper 100g wird um den gesamten Umfang des zylinderförmigen Keramikträgers 13 herumgewickelt. Mit anderen Worten wird die isolierende Schicht 150 um die Gesamtheit des Umfangs des zylinderförmigen Keramikträgers 13 herumgewickelt. Die Abschirmschicht 190g bedeckt den gesamten Umfang der isolierenden Schicht 150g. Die geneigte Messgaseinlassfläche 181g wird somit zwangsläufig am Kopfende der Diffusionswiderstandsschicht 180g ausgebildet. Der Außendurchmesser des Gasmessfühlers 10g erhöht sich daher, was zu einer Erhöhung der Wärmekapazität des Gasmessfühlers 10g insgesamt führt.
Das Heizelement 140g erwärmt, wie in 9(c) zu erkennen ist, den Festelektrolytkörper 100g in der Umfangsrichtung des Festelektrolytkörpers 100g von der Außenseite her. Die durch das Heizelement 140g erzeugte Wärmeenergie geht daher wie beim Vergleichsbeispiel Nr. 1 durch den Festelektrolytkörper 100g hindurch, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, und erreicht dann zwei Seiten des Fühlmechanismus.
Das Heizelement 140g befindet sich nahe am Außenumfang des Gasmessfühlers 10g, so dass viel Wärmeenergie zum Messgas um den Gasmessfühler 10g herum diffundiert, was zu einem Verlust an Wärmeenergie führt, die die Luft in der Bezugsgaskammer 130 erwärmt.
Der Aufbau des Vergleichsbeispiels Nr. 2 hat daher einen geringen Energiewirkungsgrad und braucht Zeit, um den Fühlmechanismus vollständig zu aktivieren.
Die 10(a), 10(b) und 10(c) stellen als Vergleichsbeispiel Nr. 3 den Gasmessfühler 10f dar. In den 10(a) bis 10(c) beziehen sich mit der und ohne die Endung ”f” versehenen Bezugszahlen auf gleiche oder ähnliche Teile wie zuvor, und eine ausführliche Erläuterung von ihnen wird weggelassen.
Der Gasmessfühler 10f ähnelt dem Gasmessfühler 10 insofern, als dass der Festelektrolytkörper 100 in dem isolierenden Keramikträger 200f eingebettet ist und sich das Heizelement 140f auf der Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200f befindet, auf der sich die Bezugselektrode 120 befindet, jedoch wird die Bezugsgaskammer 130f ohne Verwendung des zylinderförmigen Keramikträgers 13 durch eine Aufstapelung der C-förmigen Bezugsgaskammerschicht 131f und der flächigen isolierenden Schicht 150f definiert.
Dementsprechend ist der Gasmessfühler 10f, wie in 10(b) zu erkennen ist, im Längsschnitt mit dem Gasmessfühler 10 identisch, während er jedoch, wie in 10(c) zu erkennen ist, im Querschnitt von dem Gasmessfühler 10 verschieden ist. Es kann daher angenommen werden, dass über den isolierenden Keramikträger 200f, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, wie beim Gasmessfühler 10 eine rasche thermische Aktivierung des Festelektrolytkörpers 100 erreicht werden kann, wenn das Heizelement 140 auf der gleichen Seite des isolierenden Keramikträgers 200f wie die Bezugselektrode 120 angebracht wird.
Da das Heizelement 140 jedoch auf dem isolierenden Keramikträger 200f, der flächig ist, außerhalb der Seiten der Bezugselektrode 120f verläuft, hat der Gasmessfühler 10f eine größere Breite. Dies führt zu einer höheren Empfindlichkeit des Gasmessfühlers 10f gegenüber Wärmespannungen, die beispielsweise durch Bespritzen mit Wasser entstehen, was die Haltbarkeit des Gasmessfühlers 10f verringert.
Die 11(a), 11(b) und 11(c) stellen als Vergleichsbeispiel Nr. 4 den Gasmessfühler 10c dar. In den 11(a) bis 11(c) beziehen sich die mit der oder ohne die Endung ”c” versehenen Bezugszahlen auf gleiche oder ähnliche Teile wie zuvor, und eine ausführliche Erläuterung von ihnen wird weggelassen.
Der Gasmessfühler 10f unterscheidet sich von dem Gasmessfühler 10 von 1 nur dadurch, dass der isolierende Abstand d zwischen der Kante des Festelektrolytkörpers 100 und dem Heizelement 140c kürzer als 0,1 mm, also kürzer als die Untergrenze eines Einstellbereichs des isolierenden Abstands d in dem Gasmessfühler 10, ist.
Der Aufbau des Gasmessfühlers 10c hat die gleiche Wirkung wie der des Gasmessfühlers 10, den Fühlmechanismus rasch zu aktivieren, jedoch führt der geringere isolierende Abstand d bei Energiebeaufschlagung zu einem Kriechstrom vom Heizelement 140c, was beim Betrieb des Gasmessfühlers 10c zur Instabilität führt.
Die 12(a), 12(b) und 12(c) stellen als Vergleichsbeispiel Nr. 5 den Gasmessfühler 10d dar. In den 12(a) bis 12(c) beziehen sich die mit der und ohne die Endung ”d” versehenen Bezugszahlen auf gleiche oder ähnliche Teile wie zuvor, und eine ausführliche Erläuterung von ihnen wird weggelassen.
Der Aufbau des Gasmessfühlers 10d ähnelt dem des Gasmessfühlers 10 von 1 insofern, als der Festelektrolytkörper 100 in dem isolierenden Keramikträger 200 eingebettet ist, wobei die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 an gegenüberliegenden Hauptflächen von ihm befestigt sind, und um den zylinderförmigen Keramikträger 13 herumgewickelt ist, jedoch unterscheidet er sich dadurch, dass sich das Heizelement 140d auf der Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 befindet, die sich auf der gleichen Seite wie die Messelektrode 110 befindet, und dass über dem Heizelement 140d als Schutzschichten die isolierenden Schichten 192d und 193d aufgedruckt sind, die das Heizelement 140d vom Messgas isolieren. Die isolierenden Schichten 192d und 193d haben eine Dicke von 20 μm.
Es wird daher davon ausgegangen, dass eine rasche thermische Aktivierung des Festelektrolytkörpers 100 erreicht wird, indem der isolierende Abstand zwischen der Messelektrode 110 und dem Heizelement 140d verkürzt wird, jedoch sind die isolierenden Schichten 192d und 193d, die so aufgedruckt werden, dass sie das Heizelement 140d bedecken, dünn, was zu größerem Bedenken hinsichtlich einer Beeinträchtigung des Betriebs des Heizelements 140d aufgrund von Einwirkung von Giften in dem Messgas führt, wenn sie in Nadellöcher in den isolierenden Schichten 192d und 193d eingedrungen sind.
Das Heizelement 140d ist wie im Vergleichsbeispiel Nr. 2 nahe am Außenumfang des Gasmessfühlers 10d gelegen, so dass viel Wärmeenergie, die von dem Heizelement 140d erzeugt wird, zu dem Messgas um den Gasmessfühler 10d herum diffundiert, was zu einem Fehlen an Wärmeenergie führt, um die Luft in der Bezugsgaskammer 130 zu erwärmen.
Die 13(a), 13(b) und 13(c) stellen als Vergleichsbeispiel Nr. 6 den Gasmessfühler 10e dar. In den 13(a) bis 13(c) beziehen sich die mit der und ohne die Endung ”e” versehenen Bezugszahlen auf gleiche oder ähnliche Teile wie zuvor, und eine ausführliche Erläuterung von ihnen wird weggelassen.
Der Aufbau das Gasmessfühlers 10e ähnelt dem des Gasmessfühlers 10 von 1 insofern, als der Festelektrolytkörper 100 in dem isolierenden Keramikträger 200 eingebettet ist, wobei die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 auf gegenüberliegenden Hauptflächen von ihm befestigt sind, und um den zylinderförmigen Keramikträger 13 herumgewickelt ist, jedoch unterscheidet er sich dadurch, dass sich das Heizelement 140e auf der Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 befindet, die sich auf der gleichen Seite wie die Messelektrode 110 befindet, und dass über dem Heizelement 140d als Schutzschichten isolierende Schichten 192e und 193e aufgedruckt sind, die das Heizelement 140d vom Messgas isolieren. Die isolierenden Schichten 192e und 193e werden durch Rakeltechniken ausgebildet, so dass sie eine Dicke von 220 μm haben. Es wird daher davon ausgegangen, dass eine rasche thermische Aktivierung des Festelektrolytkörpers 100 erreicht wird, indem der isolierende Abstand zwischen der Messelektrode 110 und dem Heizelement 140e verkürzt wird. Darüber hinaus sind die isolierenden Schichten 192e und 193e dicker als die isolierenden Schichten 192d und 193d in dem Vergleichsbeispiel Nr. 5, was das Risiko einer Schädigung des Betriebs des Heizelements 140d aufgrund von Einwirkung von Giften in dem Messgas minimiert, wenn sie in Nadellöcher in den isolierenden Schichten 192e und 193e eingedrungen sind. Allerdings befindet sich das Heizelement 140d wie in den Vergleichsbeispielen Nr. 2 und 5 nahe am Außenumfang des Gasmessfühlers 10e, so dass viel Wärmeenergie, die von dem Heizelement 140e erzeugt wird, zu dem Messgas um den Gasmessfühler 10e herum diffundiert, was zu einem Fehlen der Wärmeenergie führt, um die Luft in der Bezugsgaskammer 130 zu erwärmen.
Die größere Dicke der isolierenden Schichten 192e und 193e absorbiert jedoch ungewollt die von dem Heizelement 140e erzeugte Wärmeenergie, was zu einer Verzögerung bei der Aktivierung des Gasmessfühlers 10e führt.
Die 14(a), 14(b) und 14(c) stellen als Vergleichsbeispiel Nr. 7 den Gasmessfühler 10h dar. In den 14(a) bis 14(c) beziehen sich die mit der oder ohne die Endung ”h” versehenen Bezugszahlen auf gleiche oder ähnliche Teile wie zuvor, und eine ausführliche Erläuterung von ihnen wird weggelassen.
Der Gasmessfühler 10h unterscheidet sich vom Gasmessfühler 10 der 1(a) bis 1(c) lediglich dadurch, dass der isolierende Abstand d zwischen der Kante des Festelektrolytenkörpers 100 und dem Heizelement 140h 3,5 mm, also um 0,5 mm mehr als die Obergrenze des Einstellbereichs des isolierenden Abstands d in dem Gasmessfühler 10, beträgt.
Der größere isolierende Abstand d führt zu einer Erhöhung der Zeit, die erforderlich ist, um den Gasmessfühler 10h vollständig zu aktivieren.
Es wurden wie unten diskutiert Versuche durchgeführt, um die Vorteile zu beurteilen, die der Aufbau des Gasmessfühlers 10 bietet.
Es wurden Versuchsprobenkörper angefertigt, die den gleichen Aufbau wie der Gasmessfühler 10 und die Vergleichsbeispiele Nr. 1 bis 6 (d. h. die Gasmessfühler 10z, 10g, 10f, 10c, 10d und 10e) hatten, und es wurden drei Versuchsgegenstände untersucht: 1) Aktivierungszeit, d. h., die Zeit, die erforderlich ist, um die Versuchsprobenkörper zu aktivieren, 2) Heizungshaltbarkeit und 3) Wärmespannungsbruch.
AKTIVIERUNGSZEIT
An das Heizelement jedes Versuchsprobekörpers wurden 6,5 V angelegt, zwischen der Messelektrode und der Bezugselektrode wurden 0,4 V angelegt, und es wurde die Zeit gemessen, die verstrich, bevor ein Wert des sich ergebenden Stroms, der durch die Mess- und Bezugselektrode fließt, in einen Bereich von ±2% eines konstanten oder stetigen Stroms fiel. Es stellte sich heraus, dass weniger als 6 Sekunden akzeptabel sind.
HEIZUNGSHALTBARKEIT
Es wurden 1000 Stunden lang 6,5 V an das Heizelement angelegt, und dann wurde die Widerstandsänderung des Heizelements gemessen. Es wurde festgelegt, dass ein Heizelement, dessen Widerstand sich nicht änderte, akzeptabel war.
WÄRMESPANNUNGSBRUCH
Das Heizelement wurde mit Energie beaufschlagt, und Wassertropfen wurden auf jeden Versuchsprobekörper aufgebracht. Es wurde das Gesamtvolumen an aufgebrachtem Wasser gemessen, bis der Versuchsprobekörper brach. Das auf den Versuchsprobekörper des Vergleichsbeispiels Nr. 1 (d. h. den Gasmessfühler 10z) aufgebrachte Gesamtvolumen an Wasser wurde als 10 Bezugsvolumeneinheiten definiert, und das auf jeden Versuchsprobekörper aufgebrachte Gesamtvolumen an Wasser wurde bezogen auf die 10 Bezugsvolumeneinheiten berechnet. Dabei ist zu beachten, dass das Gesamtvolumen an Wasser umso höher ist, je höher die mechanische Festigkeit des jeweiligen Versuchsprobekörpers ist.
Die Ergebnisse der obigen Versuche sind in TABELLE 1 angegeben, die weiter unten erscheint.
Es stellte sich heraus, dass die Aktivierungszeit für den Versuchsprobenkörper des Gasmessfühlers 10 des Ausführungsbeispiels 4 Sekunden betrug, dass der Wert des Widerstands des Heizelements sowohl vor als auch nach dem 1000-stündigen Haltbarkeitsversuch 1,9 Ω betrug und dass das aufgebrachte Gesamtvolumen an Wasser viel größer als die 10 Bezugseinheiten war. Es stellte sich somit heraus, dass der Gasmessfühler 10 im Wesentlichen den gleichen Grad an Heizungshaltbarkeit wie das Vergleichsbeispiel Nr. 1 hatte, jedoch eine hervorragende Aktivierungszeit und eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch hatte. Der Gasmessfühler 10 erhielt in TABELLE 1 eine gute Gesamtnote ”o”.
VERGLEICHSBEISPIEL NR. 1
Die Aktivierungszeit des Vergleichsbeispiels Nr. 1 (d. h. des Gasmessfühlers 10z) betrug 10 Sekunden. Allerdings wurde eine Aktivierungszeit von weniger als 10 Sekunden als erforderlich angesehen, um akzeptabel zu sein. Der Wert des Widerstands des Heizelements betrug sowohl vor als auch nach dem 1000-stündigen Haltbarkeitstest 2,0 Ω.
VERGLEICHSBEISPIEL NR. 2
Die Aktivierungszeit des Vergleichsbeispiels Nr. 2 (d. h. des Gasmessfühlers 10g) betrug 6 Sekunden, was weniger als die des Vergleichsbeispiels Nr. 1, aber länger als die des Gasmessfühlers 10 war. Der Wert des Widerstands des Heizelements betrug vor und nach dem 1000-stündigen Haltbarkeitsversuch jeweils 1,9 Ω und 2,0 Ω, was beinahe das gleiche Ergebnis wie beim Gasmessfühler 10 war. Das aufgebrachte Gesamtvolumen an Wasser war kleiner als das des Gasmessfühlers 10, obwohl der Außendurchmesser größer als der des Gasmessfühlers 10 ist. Dies liegt daran, dass sich das Heizelement näher an der Außenfläche des Gasmessfühlers 10g befindet, so dass die Temperatur der Außenfläche steigt, was zu einer Erhöhung der Wärmespannungen führt, die auf die Oberfläche des Gasmessfühlers 10g wirken, wenn er mit Wasser bespritzt wird. Es stellte sich heraus, dass die Aktivierungszeit des Vergleichsbeispiels Nr. 2 verglichen mit dem vorherigen Vergleichsbeispiel besser war, dass aber die Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch geringer als die des Vergleichsbeispiels Nr. 1 war, was somit in TABELLE 1 eine schlechte Gesamtnote ”x” ergab.
VERGLEICHSBEISPIEL NR. 3
Die Aktivierungszeit des Vergleichsbeispiels Nr. 3 (d. h. des Gasmessfühlers 10f) betrug 4 Sekunden, was ungefähr die gleiche wie die des Gasmessfühlers 10 war. Der Wert des Widerstands des Heizelements betrug vor und nach dem 1000-stündigen Haltbarkeitsversuch jeweils 1,9 Ω und 2,0 Ω, was beinahe das gleiche Ergebnis wie das des Gasmessfühlers 10 war. Das aufgebrachte Gesamtvolumen an Wasser war ungefähr halb so groß wie das des Vergleichsbeispiels Nr. 1. Dies liegt daran, dass der Gasmessfühler 10f flächenförmig und breit ist und somit eine geringe Beständigkeit gegenüber Wärmespannungen hat.
Es stellte sich heraus, dass die Aktivierungszeit des Vergleichsbeispiels Nr. 3 verglichen mit Vergleichsbeispiel Nr. 1 stark verbessert war, jedoch ist die Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch viel geringer als die des Vergleichsbeispiels Nr. 1, was in TABELLE 1 eine schlechte Gesamtnote ”x” ergab.
VERGLEICHSBEISPIEL NR. 4
Die Aktivierungszeit des Vergleichsbeispiels Nr. 4 (d. h. des Gasmessfühlers 10c) betrug 4 Sekunden, was ungefähr die gleiche wie die des Gasmessfühlers 10 war, jedoch wurde ein Kriechstrom vom Heizelement in Form eines deutlichen elektrischen Rauschens beobachtet. Das Stromausgangssignal wurde nicht im Bereich von ±2% des stetigen Stroms gehalten. Der Wert des Widerstands des Heizelements betrug sowohl vor als auch nach dem 1000-stündigen Haltbarkeitsversuch 1,9 Ω. Das aufgebrachte Gesamtvolumen an Wasser war ungefähr das gleiche wie das des Gasmessfühlers 10.
Es stellte sich heraus, dass die Aktivierungszeit und Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch stark verbessert waren, jedoch war das Rauschen groß und die Zuverlässigkeit beim Betrieb des Gasmessfühlers 10c war nicht akzeptabel. Dies ergab daher in TABELLE 1 eine schlechte Gesamtnote ”x”.
VERGLEICHSBEISPIEL NR. 5
Die Aktivierungszeit des Vergleichsbeispiels Nr. 5 (d. h. des Gasmessfühlers 10d) betrug 4 Sekunden, was ungefähr die gleiche wie die des Gasmessfühlers 10 war, jedoch änderte sich der Wert des Widerstands des Heizelements nach dem 1000-stündigen Haltbarkeitsversuch stark von 2,0 Ω auf 28 Ω. Dies liegt daran, dass die Schutzschichten 192d und 193d dünn sind, was die Schädigung des Heizelements 140d beschleunigt. Die Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch war ungefähr die gleiche wie die des Gasmessfühlers 10.
Es stellte sich heraus, dass die Aktivierungszeit und die Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch beim Vergleichsbeispiel Nr. 5 stark verbessert waren, jedoch war die Heizungshaltbarkeit gering, was in TABELLE 1 eine schlechte Gesamtnote ”x” ergab.
VERGLEICHSBEISPIEL NR. 6
Die Aktivierungszeit des Vergleichsbeispiels Nr. 6 (d. h. des Gasmessfühlers 10e) betrug 6 Sekunden, was länger als die des Gasmessfühlers 10 war. Dies liegt daran, dass sich das Heizelement 140e näher an der Außenfläche des Gasmessfühlers 10e befindet, so dass die vom Heizelement 140e erzeugte Wärmeenergie von den Schutzschichten 192e und 193d absorbiert wird. Der Wert des Widerstands des Heizelements betrug vor und nach dem 1000-stündigen Haltbarkeitsversuch jeweils 1,9 Ω und 2,0 Ω, was etwa das gleiche Ergebnis wie das des Gasmessfühlers 10 war. Die Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch war ungefähr die gleiche wie die des Gasmessfühlers 10.
Es stellte sich heraus, dass sich die Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch für das Vergleichsbeispiel Nr. 6 stark erhöhte, die Aktivierungszeit leicht verbessert war und die Heizungshaltbarkeit akzeptabel war, was in TABELLE 1 eine mittelmäßige Gesamtnote ”Δ” ergab.
VERGLEICHSBEISPIEL NR. 7
Die Aktivierungszeit des Vergleichsbeispiels Nr. 7 (d. h. des Gasmessfühlers 10h) betrug 6 Sekunden, was länger als die des Gasmessfühlers 10 war. Dies lag daran, dass sich das Heizelement 140h weit weg vom Festelektrolytkörper befand.
Der Gasmessfühler 10h hat eine Zylinderform. Eine leichte Erhöhung des isolierenden Abstands d führt somit zu einer Erhöhung des Volumens eines Teilabschnitts des Gasmessfühlers 10h, durch das die von dem Heizelement 140h erzeugte Wärmeenergie zum Festelektrolytkörper 100 übertragen wird. Es wird davon ausgegangen, dass diese Volumenerhöhung zur Erhöhung der Aktivierungszeit beiträgt.
Der Wert des Widerstands des Heizelements betrug vor und nach dem 1000-stündigen Haltbarkeitsversuch jeweils 1,9 Ω und 2,0 Ω, was etwa das gleiche Ergebnis wie das des Gasmessfühlers 10 war. Die Beständigkeit gegenüber dem Wärmespannungsbruch war ungefähr die gleiche wie die des Gasmessfühlers 10.
Es stellte sich heraus, dass die Beständigkeit gegenüber Wärmespannungsbruch für das Vergleichsbeispiel Nr. 7 verglichen mit dem Vergleichsbeispiel Nr. 1 stark erhöht war, dass die Aktivierungszeit leicht verbessert war und dass die Heizungshaltbarkeit akzeptabel war, was in TABELLE 1 eine mittelmäßige Gesamtnote ”Δ” ergab.

Wie aus der obigen Diskussion hervorgeht, besteht der Gasmessfühler 10 des Ausführungsbeispiels aus dem zylinderförmigen Keramikträger 13 und der auf dem zylinderförmigen Keramikträger 13 aufgestapelten Sensor-/Heizungsaufschichtungslage 20. Die Sensor-/Heizungsausschichtungslage 20 hat den Festelektrolytkörper 100 in dem isolierenden Keramikträger 200 angeordnet. Der Festelektrolytkörper 100 dient dazu, zumindest ein bestimmtes Gasion (z. B. ein Sauerstoffion) zu leiten. Der zylinderförmige Keramikträger 13 hat das offene Ende 134 (d. h. den Einlass für die Luft) und das geschlossene Ende 133. In dem zylinderförmigen Keramikträger 13 ist die Bezugsgaskammer 130 definiert und das Fenster 132 ausgebildet, zu dem die an einer der Hauptflächen des Festelektrolytkörpers 100 befestigte Bezugselektrode 120 freiliegt. Die Messelektrode 110 ist an der anderen Hauptfläche des Festelektrolytkörpers 100 befestigt und dem Messgas ausgesetzt. Das Heizelement 140 befindet sich auf der Oberfläche des isolierenden Keramikträgers 200 auf der gleichen Seite wie die des Festelektrolytkörpers 100, auf der die Bezugselektrode 120 angebracht ist. Das Heizelement 140 dient dazu, den Festelektrolytkörper 100 zu aktivieren, um als Funktion der Konzentration eines bestimmten Bestandteils des Messgases ein Signal zu erzeugen. Das Heizelement 140 befindet sich nahe an der Längsmitte des Gasmessfühlers 10. Dies erreicht eine rasche Aktivierung des Gasmessfühlers 10 und gewährleistet einen erforderlichen Grad an Haltbarkeit. Der isolierende Abstand d ist, wie zuvor beschrieben wurde, der Kürzere eines Mindestabstands zwischen der Innenkante des Heizelements 140 und der Außenkante der Bezugselektrode 120 und eines Mindestabstands zwischen der Innenkante des Heizelements 140 und der Außenkante des Festelektrolytkörpers 100 und ist so gewählt, dass er größer oder gleich 0,1 mm und kleiner oder gleich 3 mm ist. TABELLE 1

AKTIVIERUNGSZEIT		WIDERSTANDSÄNDERUNG	AUFGEBRACHTES WASSER	NOTE
Ausführungsbeispiel	4	0,0 Ω	41	o
Vergleichsbeispiel Nr. 1	10	0,0 Ω	10	x
Vergleichsbeispiel Nr. 2	6	0,1 Ω	17	x
Vergleichsbeispiel Nr. 3	4	–0,1 Ω	6	x
Vergleichsbeispiel Nr. 4	4	0,0 Ω	40	x
Vergleichsbeispiel Nr. 5	4	26,0 Ω	39	x
Vergleichsbeispiel Nr. 6	6	–0,1 Ω	37	Δ
Vergleichsbeispiel Nr. 7	6	0,1 Ω	37	Δ

Die Erfindung ist anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben worden, um das Verständnis zu erleichtern, jedoch versteht sich, dass die Erfindung auf verschiedene Weise ausgeführt werden kann, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen. Die Erfindung sollte daher so verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsbeispiele und Abwandlungen der gezeigten Ausführungsbeispiele einschließt, die sich ausführen lassen, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Prinzip der Erfindung abzuweichen.
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

JP 01-253649 A [0003, 0006, 0166, 0179]
JP 2002-228626 A [0004, 0009]
JP 06-048258 B [0005, 0011, 0012]

Claims

Gasmessfühler, der gegenüber einem bestimmten Gasbestandteil empfindlich ist, mit: einem isolierenden Keramikbauteil, das einander gegenüberliegende Oberflächen und ein darin ausgebildetes Durchgangsloch hat; einem Festelektrolytkörper, der sich in dem Loch des isolierenden Keramikbauteils befindet und dazu dient, zumindest ein bestimmtes Ion zu leiten, wobei der Festelektrolytkörper eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche hat; einer Messelektrode, die sich auf der ersten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um dem Gas ausgesetzt zu sein; einer Bezugselektrode, die sich auf der zweiten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um einem Bezugsgas ausgesetzt zu sein; und einem Heizelement, das sich auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen des isolierenden Keramikbauteils auf der gleichen Seite wie die zweite Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, wobei das Heizelement dazu dient, den Festelektrolytkörper zu aktivieren.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, mit außerdem einem hohlzylinderförmigen Keramikbauteil, das ein geschlossenes Ende hat und in sich eine Bezugsgaskammer definiert, in die das Bezugsgas eingelassen wird, wobei das hohlzylinderförmige Keramikbauteil zudem in einer Umfangsfläche von ihm ein Fenster ausgebildet hat, das mit der Bezugsgaskammer in Verbindung steht, wobei das isolierende Keramikbauteil mit dem über das Fenster zur Bezugsgaskammer freiliegenden Festelektrolytkörper auf dem hohlzylinderförmigen Bauteil aufgestapelt ist und wobei sich das Heizelement zwischen dem hohlzylinderförmigen Keramikbauteil und dem isolierenden Keramikbauteil befindet.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, wobei das Heizelement in einem bestimmten isolierenden Abstand von entweder dem Festelektrolytkörper oder der Bezugselektrode entfernt gelegen ist, wobei der isolierende Abstand der Kürzere von einem Mindestabstand zwischen einer Umfangskante des Heizelements und einer Umfangskante des Festelektrolytkörpers und einem Mindestabstand zwischen der Umfangskante des Heizelements und einer Umfangskante der Bezugselektrode ist und größer oder gleich 0,1 mm und kleiner oder gleich 3 mm ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, wobei der Festelektrolytkörper aus einem teilstabilisierten Zirconiumoxid besteht.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, wobei das isolierende Keramikbauteil aus Aluminiumoxid besteht.
Gassensor, der dazu dient, einen bestimmten Gasbestandteil zu messen, mit: einem Gasmessfühler, der (a) ein isolierendes Keramikbauteil, das einander gegenüberliegende Oberflächen und ein darin ausgebildetes Durchgangsloch hat, (b) einen Festelektrolytkörper, der sich in dem Loch des isolierenden Keramikbauteils befindet und dazu dient, zumindest ein bestimmtes Ion zu leiten, wobei der Festelektrolytkörper eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche hat, (c) eine Messelektrode, die sich auf der ersten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um dem Gas ausgesetzt zu sein, (d) eine Bezugselektrode, die sich auf der zweiten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um einem Bezugsgas ausgesetzt zu sein, und (e) ein Heizelement aufweist, das sich auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen des isolierenden Keramikbauteils auf der gleichen Seite wie die zweite Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, wobei das Heizelement dazu dient, den Festelektrolytkörper zu aktivieren; einer ersten und einer zweiten Signalleitung, die jeweils zu der Bezugselektrode und der Messelektrode führen, um ein Sensorausgangssignal an eine externe Erfassungsschaltung zu übertragen; einem ersten und einem zweiten Leiter, die zum Heizelement führen, um zur Steuerung der Zufuhr elektrischen Stroms zum Heizelement elektrische Verbindungen mit einer externen Stromversorgungssteuerungsschaltung herzustellen, um die Zufuhr elektrischen Stroms zum Heizelement zu steuern; und einem Gehäuse, in dem der Gasmessfühler, die erste und zweite Signalleitung und die Stromversorgungsleiter untergebracht sind, wobei das Gehäuse so gestaltet ist, dass es den Gasmessfühler so hält, dass er dem Gas ausgesetzt ist.
Gasmessfühler-Herstellungsverfahren, das Folgendes umfasst: Ausbilden eines isolierenden Keramikbauteils, das flächig ist und aus einem elektrisch isolierenden Keramikwerkstoff besteht, wobei das isolierende Keramikbauteil gegenüberliegende Oberflächen und ein Durchgangsloch hat; Ausbilden eines Festelektrolytkörpers in dem Durchgangsloch des isolierenden Keramikbauteils, wobei der Festelektrolytkörper aus einem Keramikwerkstoff besteht, der zumindest ein bestimmtes Ion leitet, und eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche hat; Ausbilden einer Messelektrode, die sich auf der ersten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um dem Gas ausgesetzt zu sein; Ausbilden einer Bezugselektrode, die sich auf der zweiten Hauptfläche des Festelektrolytkörpers befindet, um einem Bezugsgas ausgesetzt zu sein; Anordnen eines Heizelements, das sich auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen des isolierenden Keramikbauteils befindet, auf der gleichen Seite wie die zweite Hauptfläche des Festelektrolytkörpers, wobei das Heizelement dazu dient, den Festelektrolytkörper zu aktivieren; Anfertigen eines hohlzylinderförmigen Keramikbauteils, das aus einem elektrisch isolierenden Keramikwerkstoff besteht und ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende hat, wobei das hohlzylinderförmige Keramikbauteil zudem ein in einer Umfangsfläche von ihm ausgebildetes Fenster hat; Wickeln des isolierenden Keramikbauteils um das hohlzylinderförmige Keramikbauteil, wobei die Bezugselektrode dem Fenster des hohlzylinderförmigen Keramikbauteils zugewandt ist; und Brennen des hohlzylinderförmigen Keramikbauteils, um das das isolierende Keramikbauteil herumgewickelt ist.
Gasmessfühler-Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, wobei die Ausbildungsschritte für das isolierende Keramikbauteil und den Festelektrolytkörper eine Aufstapelung eines flächigen Festelektrolytwerkstoffs und eines flächigen isolierenden Keramikwerkstoffs anfertigen und die Aufstapelung stanzen, um das Durchgangsloch im isolierenden Keramikbauteil herzustellen und den aus dem flächigen Festelektrolytwerkstoff herausgeschnittenen Festelektrolytkörper dazu zu bringen, im Wesentlichen die gleiche Größe wie das Durchgangsloch zu haben, und gleichzeitig den Festelektrolytkörper in dem Durchgangsloch zu platzieren.