DE102013217198A1

DE102013217198A1 - Sensor element for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space

Info

Publication number: DE102013217198A1
Application number: DE201310217198
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmid; Thilo Lehre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-03-05
Also published as: CN105518445A; WO2015028268A1

Abstract

Es wird ein Sensorelement (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Sensorelement (10) umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht (12), mindestens ein Funktionselement und ein Heizelement (16) zum Erzeugen von Wärme. Das Heizelement (16) ist zumindest teilweise aus einem Material hergestellt, das zumindest Aluminiumoxid umfasst. Ein Anteil des Aluminiumoxids ist von 1,5 Gew.-% bis 8,5 Gew.-%, bevorzugt von 2,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-% und noch bevorzugter von 3,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-%.A sensor element (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, is proposed. The sensor element (10) comprises at least one solid electrolyte layer (12), at least one functional element and a heating element (16) for generating heat. The heating element (16) is at least partially made of a material comprising at least alumina. A content of the alumina is from 1.5% by weight to 8.5% by weight, preferably from 2.0% by weight to 8.0% by weight, and more preferably from 3.0% by weight. to 6.0% by weight.

Description

Stand der Technik State of the art

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise andere Abgasbestandteile, insbesondere Wasser, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe usw., oder die Temperatur. A large number of sensor elements and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, these can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more properties being able to be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a portion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas are detectable, such as other exhaust gas constituents, in particular water, nitrogen oxides, hydrocarbons, etc., or the temperature.

Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 , bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. For example, such sensor elements can be configured as so-called lambda probes, as they are made, for example Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 , are known. With broadband lambda probes, in particular with planar broadband lambda probes, it is possible, for example, to determine the oxygen concentration in the exhaust gas over a large range and thus to deduce the air-fuel ratio in the combustion chamber. The air ratio λ describes this air-fuel ratio.

Derartige Sensorelemente weisen üblicherweise ein Heizelement auf. Das Heizelement kann in das Sensorelement integriert sein. Die Sensorelemente werden mittels des Heizelements nach Motorstart innerhalb weniger Sekunden auf eine Betriebstemperatur von ungefähr 700 °C bis 800 °C erwärmt. Die Zeit bis zum Erreichen der Betriebstemperatur, d. h. der so genannte „Light off“, hängt stark von der in dem Heizelement umgesetzten Heizleistung ab. Außerdem sinkt der Light Off je lokaler die Heizenergie in der Nähe der Nernstelektroden eingebracht wird, da hier die Temperaturbestimmung über lnnenwiderstandsmessung erfolgt. Such sensor elements usually have a heating element. The heating element can be integrated in the sensor element. The sensor elements are heated by the heating element after engine start within a few seconds to an operating temperature of about 700 ° C to 800 ° C. The time to reach the operating temperature, d. H. The so-called "light off" depends strongly on the heating power converted in the heating element. In addition, the light off decreases the more locally the heating energy is introduced in the vicinity of the Nernst electrodes, since here the temperature is determined by means of internal resistance measurement.

Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So wird die maximale Heizleistung, die im Heizelement eingebracht werden kann, unter anderem durch zwei Faktoren limitiert: Die maximale Stromstärke der Endstufe im Motorsteuergerät und die maximal zulässige Temperatur im Heizbereich des Heizelements ohne Materialschädigung. Aus der maximal zulässigen Stromstärke der Endstufe leitet sich ein minimaler Heizwiderstand von ca. 2,5 Ω ab. Der Wunsch nach einem schnellen Light Off bedingt, dass die Heizschlaufe möglichst kurz ausgelegt wird und möglichst lokal die Nernstelektroden beheizt. Unter Verwendung der bekannten platinhaltigen Pasten der Serienproduktion ergeben sich aus der Verknüpfung der beiden oben genannten Forderungen, d. h. ein Widerstand < 2,5 Ω und eine möglichst kurze Länge, sehr kleine Querschnitte der Heizschlaufe. Dies limitiert die Wärmeübertragungsfläche der Heizschlaufe. Dabei kann es zu einem Wärmestau kommen und die maximal zulässige Temperatur im Platin des Heizelements kann überschritten werden. Der Heizer kann lokal verglühen, die Leiterbahn unterbrochen werden und somit die Funktion Stromleiten verlieren. Despite the numerous advantages of the sensor elements known from the prior art, these still contain room for improvement. Thus, the maximum heating power that can be introduced in the heating element is limited, among other things, by two factors: the maximum current level of the output stage in the engine control unit and the maximum permissible temperature in the heating area of the heating element without material damage. From the maximum permissible current level of the output stage, a minimum heating resistance of approx. 2.5 Ω is derived. The desire for a fast light off requires that the heating loop be designed as short as possible and heated as locally as possible Nernstelektroden. Using the known platinum-containing pastes of series production results from the combination of the two above-mentioned requirements, d. H. a resistance <2.5 Ω and a shortest possible length, very small cross sections of the heating loop. This limits the heat transfer surface of the heating loop. This can lead to a build-up of heat and the maximum permissible temperature in the platinum of the heating element can be exceeded. The heater can burn up locally, the track can be interrupted and thus lose the function of conduction.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es wird daher ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Sensorelemente zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere die Wärmeübertragungsfläche bei gegebenem Gesamtwiderstand bzw. gegebener Länge des Heizbereichs des Heizelements deutlich erhöht ist. Therefore, a sensor element is proposed for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space which at least largely avoids the disadvantages of known sensor elements and in which, in particular, the heat transfer area is significantly increased given the total resistance or given length of the heating region of the heating element.

Das erfindungsgemäße Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht, mindestens ein Funktionselement und ein Heizelement zum Erzeugen von Wärme. Das Heizelement ist zumindest teilweise aus einem Material hergestellt, das zumindest Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfasst. Ein Anteil des Aluminiumoxids ist von 1,5 Gew.-% bis 8,5 Gew.-%, bevorzugt von 2,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-% und noch bevorzugter von 3,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-%, beispielsweise 5 Gew.-%. The sensor element according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas comprises at least one solid electrolyte layer, at least one functional element and a heating element for generating heat. The heating element is at least partially made of a material comprising at least alumina (Al ₂ O ₃ ). A content of the alumina is from 1.5% by weight to 8.5% by weight, preferably from 2.0% by weight to 8.0% by weight, and more preferably from 3.0% by weight. to 6.0% by weight, for example 5% by weight.

Das Heizelement kann einen spezifischen Widerstand von 0,21 Ω·mm²/m bis 0,70 Ω·mm²/m, bevorzugt von 0,24 Ω·mm²/m bis 0,50 Ω·mm²/m und noch bevorzugter von 0,30 Ω·mm²/m bis 0,40 Ω·mm²/m aufweisen, beispielsweise 0,34 Ω·mm²/m bis 0,38 Ω·mm²/m, insbesondere 0,36 Ω·mm²/m. The heating element may have a resistivity of from 0.21 Ω · mm ² / m to 0.70 Ω · mm ² / m, preferably from 0.24 Ω · mm ² / m to 0.50 Ω · mm ² / m and still more preferably from 0.30 Ω · mm ² / m to 0.40 Ω · mm ² / m, for example 0.34 Ω · mm ² / m to 0.38 Ω · mm ² / m, in particular 0.36 Ω · mm ² / m.

Widerstandswerte und spezifische Widerstände beziehen sich im Rahmen dieser Anmeldung wo nicht anders vermerkt auf eine Temperatur von 20°C. Resistance values and specific resistances in the context of this application refer, unless otherwise stated, to a temperature of 20 ° C.

Das Material des Heizelements kann weiter Platin umfassen. Ein Anteil des Platins kann von 92 Gew.-% bis 97 Gew.-% und bevorzugt von 93 Gew.-% bis 96 Gew.-%, beispielsweise 94 Gew.-%, sein. Das Funktionselement kann eine erste Elektrode sein. Die Festelektrolytschicht, die erste Elektrode und das Heizelement bilden einen Schichtaufbau. Die Festelektrolytschicht weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche und mindestens zwei parallel zu dem Schichtaufbau angeordnete Seitenflächen auf. Das Heizelement weist einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn auf. Das Heizelement ist so in dem Schichtaufbau angeordnet, dass der Heizbereich zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht angeordnet ist. Die erste Elektrode ist so in dem Schichtaufbau angeordnet ist, dass die erste Elektrode in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich überlappt. The material of the heating element may further comprise platinum. A proportion of the platinum may be from 92% to 97%, and preferably from 93% to 96%, for example 94%, by weight. The functional element may be a first Be electrode. The solid electrolyte layer, the first electrode and the heating element form a layer structure. The solid electrolyte layer has an end face facing the measurement gas space and at least two side faces arranged parallel to the layer structure. The heating element has a heating area and at least one supply track. The heating element is arranged in the layer structure such that the heating region is arranged at least in the vicinity of the side surfaces of the solid electrolyte layer. The first electrode is arranged in the layer structure such that the first electrode overlaps at least partially with the heating region when viewed in a direction parallel to the layer structure.

Die erste Elektrode kann so in dem Schichtaufbau angeordnet sein, dass mindestens 60 % einer dem Heizelement zugwandten Fläche der ersten Elektrode in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen mit dem Heizbereich überlappen. Die erste Elektrode kann zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht angeordnet sein. Das Heizelement kann so in dem Schichtaufbau angeordnet sein, dass der Heizbereich in der Nähe der dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche angeordnet ist. Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die Festelektrolytschicht eine Pumpzelle bilden, wobei die erste Elektrode im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet ist und die zweite Elektrode auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Außenseite des Schichtaufbaus angeordnet ist. Die erste Elektrode kann zumindest abschnittsweise ringförmig ausgebildet sein. Die erste Elektrode kann beispielsweise als Ringsegment ausgebildet sein. Die erste Elektrode kann alternativ als Ringelektrode ausgebildet sein. Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine dritte Elektrode umfassen. Die erste Elektrode, die dritte Elektrode und die Festelektrolytschicht können eine Nernstzelle bilden. Die dritte Elektrode kann so in dem Schichtaufbau angeordnet sein, dass die Nernstzelle von dem Heizbereich erwärmbar ist. Die dritte Elektrode kann in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen teilweise mit dem Heizbereich überlappen. Der Heizbereich kann mindestens einen Abschnitt aufweisen, der sich von mindestens einer der Seitenflächen in Richtung zu der dritten Elektrode erstreckt. Das Sensorelement kann sich in einer Längserstreckungsrichtung in den Messgasraum erstrecken. Der Heizbereich kann so ausgebildet sein, dass er in Längserstreckungsrichtung gesehen auf Höhe der dritten Elektrode eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als auf Höhe der ersten Elektrode. Das Sensorelement kann sich in einer Längserstreckungsrichtung in den Messgasraum erstrecken. In Längserstreckungsrichtung gesehen kann die dritte Elektrode näher an der Stirnfläche angeordnet sein als die erste Elektrode. Die Längserstreckungsrichtung kann senkrecht zu der Stirnfläche der Festelektrolytschicht sein. Das Sensorelement kann weiterhin einen Gaszutrittsweg aufweisen. Die erste Elektrode kann mittels des Gaszutrittswegs mit dem Messgas beaufschlagbar sein. Die erste Elektrode kann sich zwischen der Stirnfläche der Festelektrolytschicht und dem Gaszutrittsweg befinden. Die erste Elektrode und/oder die dritte Elektrode können im Wesentlichen rechteckig in einer Ansicht parallel zu dem Schichtaufbau ausgebildet sein. Je nach Funktionsweise des Sensors können weitere Elektroden enthalten sein. The first electrode may be arranged in the layer structure such that at least 60% of a surface of the first electrode facing the heating element overlaps with the heating region in a direction parallel to the layer structure. The first electrode may be arranged at least in the vicinity of the side surfaces of the solid electrolyte layer. The heating element may be arranged in the layer structure such that the heating region is arranged in the vicinity of the end face facing the measuring gas chamber. The sensor element further comprises at least one second electrode, wherein the first electrode, the second electrode and the solid electrolyte layer form a pump cell, wherein the first electrode is arranged in the interior of the layer structure and the second electrode is arranged on an outside of the layer structure which can be exposed to the measurement gas space. The first electrode may be at least partially annular. The first electrode may be formed, for example, as a ring segment. The first electrode may alternatively be formed as a ring electrode. The sensor element may further comprise at least a third electrode. The first electrode, the third electrode and the solid electrolyte layer may form a Nernst cell. The third electrode may be arranged in the layer structure such that the Nernst cell can be heated by the heating region. The third electrode can partly overlap with the heating area in a direction parallel to the layer structure. The heating region may include at least a portion extending from at least one of the side surfaces toward the third electrode. The sensor element may extend in a longitudinal direction in the measuring gas space. The heating region may be formed so that it has a smaller cross-sectional area at the level of the third electrode, viewed in the longitudinal direction, than at the level of the first electrode. The sensor element may extend in a longitudinal direction in the measuring gas space. Seen in the longitudinal direction of extension, the third electrode can be arranged closer to the end face than the first electrode. The longitudinal direction can be perpendicular to the end face of the solid electrolyte layer. The sensor element can furthermore have a gas access path. The first electrode can be acted on by means of the Gaszutrittswegs with the sample gas. The first electrode may be located between the end face of the solid electrolyte layer and the gas access path. The first electrode and / or the third electrode may be formed substantially rectangular in a view parallel to the layer structure. Depending on how the sensor works, additional electrodes may be included.

Unter einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannten Grünling oder Braunling, die erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten werden. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Festelektrolytschicht yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder scandiumstabilisiertes Zirkoniumdioxid enthalten. In the context of the present invention, a solid electrolyte layer is to be understood as meaning a body or article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties, for example oxygen-ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green or brown, which become a solid electrolyte after sintering. In particular, the solid electrolyte may be formed as a solid electrolyte layer or of a plurality of solid electrolyte layers. For example, the solid electrolyte layer may contain yttrium stabilized zirconia and / or scandium stabilized zirconia.

Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt. In the context of the present invention, a layer is to be understood as a uniform mass in a planar extent at a certain height, which lies above, below or between other elements.

Unter einem Schichtaufbau ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei übereinander angeordnete Schichten und/oder Schichtebenen aufweist. Die Schichten können dabei durch die Herstellung des Schichtaufbaus unterscheidbar und/oder aus unterschiedlichen Materialien und/oder Ausgangsstoffen hergestellt sein. Insbesondere kann der Schichtaufbau vollständig oder teilweise als keramischer Schichtaufbau ausgestaltet sein. Die Richtung des Schichtaufbaus bestimmt sich dabei senkrecht zu den jeweiligen Schichten bzw. Schichtebenen. In the context of the present invention, a layer structure is generally to be understood as meaning an element which has at least two layers and / or layer planes arranged one above the other. The layers can be distinguished by the production of the layer structure distinguishable and / or made of different materials and / or starting materials. In particular, the layer structure can be designed completely or partially as a ceramic layer structure. The direction of the layer structure is determined perpendicular to the respective layers or layer planes.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einem spezifischen Widerstand der spezifische elektrische Widerstand eines Bauteils zu verstehen. Der spezifische Widerstand ist eine temperaturabhängige Materialkonstante. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der spezifische Widerstand überwiegend für ein Heizelement angegeben. Da das Heizelement als elektrische Widerstandsbahn bzw. elektrischer Leiter ausgebildet ist, wird der spezifische Widerstand vor allem zur Berechnung des elektrischen Widerstands des elektrischen Leiters genutzt. Die abgeleitete SI-Einheit ist Ω·m, die sich aus der dimensionsbezogenen Kürzung von Ω·m²/m ergibt. Da das Heizelement eine vergleichsweise kleine Querschnittsfläche aufweist, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der spezifische Widerstand mit Ω·mm²/m angegeben. Der Kehrwert des spezifischen Widerstands ist die spezifische elektrische Leitfähigkeit. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der spezifische Widerstand des Heizelements insbesondere auf einen gesinterten Zustand des Heizelements sofern nicht anders angegeben. Das Heizelement wird üblicherweise mittels einer Paste auf die Festelektrolytschicht aufgebracht und weist einen deutlich höheren Widerstand auf bzw. ist viel hochohmiger als das gesinterte Heizelement. Sofern im Rahmen der vorliegenden Erfindung Bezuggenommen wird auf einen spezifischen Widerstand der Paste, so bezieht sich dieser im Wesentlichen auf den Feststoffgehalt der Paste. Da beim Sintern nur die organischen Bestandteile der Paste verschwinden, ist die Zusammensetzung des gesinterten Heizelements entsprechend der Zusammensetzung des Feststoffanteils der Paste. In the context of the present invention, a specific resistance means the specific electrical resistance of a component. The specific resistance is a temperature-dependent material constant. In the context of the present invention, the specific resistance is given predominantly for a heating element. Since the heating element is designed as an electrical resistance path or electrical conductor, the specific resistance is used primarily for calculating the electrical resistance of the electrical conductor. The derived SI unit is Ω · m, which consists of the dimension-related reduction of Ω · m ² / m. Since the heating element has a comparatively small cross-sectional area, in the context of the present invention the specific resistance is given as Ω.mm ² / m. The reciprocal of the resistivity is the specific electrical conductivity. In the context of the present invention, the specific resistance of the heating element relates in particular to a sintered state of the heating element, unless stated otherwise. The heating element is usually applied by means of a paste to the solid electrolyte layer and has a much higher resistance or is much higher impedance than the sintered heating element. If reference is made in the context of the present invention to a specific resistance of the paste, this relates essentially to the solids content of the paste. Since only the organic constituents of the paste disappear during sintering, the composition of the sintered heating element is corresponding to the composition of the solids content of the paste.

Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, die Festelektrolytschicht derart zu kontaktieren, dass durch die Festelektrolytschicht und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in die Festelektrolytschicht eingebaut und/oder aus der Festelektrolytschicht ausgebaut werden können. Die Elektrode befindet sich dabei an einer Stelle der Festelektrolytschicht, an der die Ionenleitung während des Betriebs stattfindet bzw. ein bestimmter Minimalwert der Ionenleitfähigkeit der Festelektrolytschicht vorliegt. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf der Festelektrolytschicht aufgebracht sein oder auf andere Weise mit der Festelektrolytschicht in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Die eigentliche Elektrode lässt sich von ihrer Zuleitung dadurch unterscheiden, dass sie einen größeren Querschnitt als die Zuleitung aufweist. Die Zuleitung befindet sich an einer Stelle der Festelektrolytschicht, an der keine oder nur eine sehr geringfügige Ionenleitung während des Betriebs stattfindet. An electrode in the context of the present invention is generally to be understood as an element which is able to contact the solid electrolyte layer in such a way that a current can be maintained through the solid electrolyte layer and the electrode. Accordingly, the electrode may comprise an element on which the ions can be incorporated into the solid electrolyte layer and / or removed from the solid electrolyte layer. The electrode is located at a position of the solid electrolyte layer at which the ion conduction takes place during operation or a certain minimum value of the ionic conductivity of the solid electrolyte layer is present. Typically, the electrodes comprise a noble metal electrode which may, for example, be deposited on the solid electrolyte layer as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte layer. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable. The actual electrode can be distinguished from its supply line in that it has a larger cross section than the supply line. The supply line is located at a location of the solid electrolyte layer at which no or only a very small ion conduction takes place during operation.

Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen der Festelektrolytschicht und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der die Festelektrolytschicht für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 600 °C bis 950 °C sein. In the context of the present invention, a heating element is to be understood as meaning an element which serves to heat the solid electrolyte layer and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature. The functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte layer becomes conductive to ions and is about 350 ° C. Of this, the operating temperature is to be distinguished, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the operating temperature. The operating temperature may be, for example, from 600 ° C to 950 ° C.

Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit der ersten Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitungsbahn sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Die stärkere Erwärmung des Heizbereichs im Vergleich zu der Widerstandsbahn kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand als die Zuleitungsbahn aufweist. Dies kann durch Wahl des Materials und/oder eine kleinere Querschnittsfläche als die Zuleitungsbahn realisiert werden. The heating element may comprise a heating area and at least one feed track. In the context of the present invention, a heating region is to be understood as meaning that region of the heating element which overlaps the first electrode in the layer structure along a direction perpendicular to the surface of the sensor element. The heating area usually heats up more during operation than the supply track. The heating area and / or the supply track are formed, for example, as an electrical resistance path and heat up by applying an electrical voltage. The heating element may for example be made of a platinum cermet. The greater heating of the heating area compared to the resistance path can be realized, for example, in that the heating area has a higher electrical resistance than the supply track. This can be realized by selecting the material and / or a smaller cross-sectional area than the supply track.

Unter einer Anordnung eines Bauteils oder Funktionselements zumindest in der Nähe der Seitenflächen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung des Bauteils zu verstehen, bei der das Bauteil oder Funktionselement so nahe wie technisch möglich an den Seitenflächen angeordnet wird. Das Bauteil wird dabei bevorzugt in einem bestimmten maximalen Abstand von den Seitenflächen angeordnet. Der Abstand wird dabei senkrecht zu einer der Seitenflächen von der Seitenfläche ausgehend bis zu einer der Seitenfläche zugewandten Seite des Bauteils oder Funktionselements bestimmt. Der maximale Abstand von den Seitenfläche ist von 0 µm bis 100 µm, beispielsweise 10 µm, und bevorzugt 0 µm. In the context of the present invention, an arrangement of a component or functional element at least in the vicinity of the side surfaces means an arrangement of the component in which the component or functional element is arranged as close as technically possible to the side surfaces. The component is preferably arranged at a certain maximum distance from the side surfaces. The distance is determined perpendicular to one of the side surfaces starting from the side surface up to a side surface facing the component or functional element. The maximum distance from the side surface is from 0 μm to 100 μm, for example 10 μm, and preferably 0 μm.

Unter einer Anordnung des Heizbereichs zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung des Heizbereichs zu verstehen, bei der der Heizbereich so nahe wie technisch möglich an den Seitenflächen angeordnet wird. Üblicherweise wird eine derartige Anordnung technisch durch das Vorsehen eines so genannten Dichtrahmens aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid, begrenzt, der das Heizelement und den Heizbereich gegenüber der Außenumgebung des Sensorelements abschirmt. Der maximale Abstand von den Seitenfläche ist von 0 µm bis 100 µm, beispielsweise 10 µm, und bevorzugt 0 µm. In the context of the present invention, an arrangement of the heating region at least in the vicinity of the side surfaces of the solid electrolyte layer is to be understood as an arrangement of the heating region in which the heating region is arranged as close as technically possible to the side surfaces. Typically, such an arrangement is technically limited by the provision of a so-called sealing frame made of an electrically insulating material, such as alumina or zirconia, which shields the heating element and heating area from the outside environment of the sensor element. The maximum distance from the side surface is from 0 μm to 100 μm, for example 10 μm, and preferably 0 μm.

Unter einer Anordnung der ersten Elektrode zumindest in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung der ersten Elektrode zu verstehen, bei der die erste Elektrode so nahe wie technisch möglich an den Seitenflächen angeordnet wird. Der maximale Abstand von den Seitenfläche ist von 0 µm bis 100 µm, beispielsweise 10 µm, und bevorzugt 0 µm. In the context of the present invention, an arrangement of the first electrode at least in the vicinity of the side surfaces of the solid electrolyte layer is understood to mean an arrangement of the first electrode in which the first electrode is arranged as close as technically possible to the side surfaces. The maximum distance from the side surface is from 0 μm to 100 μm, for example 10 μm, and preferably 0 μm.

Unter einer teilweisen Überlappung in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau gesehen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen, bei der sich das erste Element mit mindestens 30 % seiner dem Heizelement zugewandten Fläche bei einer Projektion der ersten Elektrode auf das Heizelement in Richtung des Schichtaufbaus auf dem Heizbereich befindet. In the context of the present invention, a partial overlap in a direction parallel to the layer structure is understood to mean an arrangement in which the first element projects with at least 30% of its surface facing the heating element when the first electrode projects onto the heating element in the direction of the heating element Layer structure is located on the heating area.

Unter einem Funktionselement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Elektrode, Heizelement, Pumpzelle, Nernstzelle, Diffusionsbarriere. Insbesondere sind unter Funktionselement diejenigen Elemente eines Sensorelements zu verstehen, die für die chemischen, physikalischen, elektrischen, elektrophysikalischen, und/oder elektrochemischen Funktionen von Bedeutung sind. In the context of the present invention, a functional element is to be understood as meaning an element which is selected from the group consisting of: electrode, heating element, pumping cell, Nernst cell, diffusion barrier. In particular, functional elements are those elements of a sensor element that are important for the chemical, physical, electrical, electrophysical, and / or electrochemical functions.

Unter einer Dicke eines Bauteils oder eines Elements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung in der Richtung des Schichtaufbaus und somit senkrecht zu den einzelnen Schichtebenen des Schichtaufbaus zu verstehen. In the context of the present invention, a thickness of a component or an element is to be understood as meaning a dimension in the direction of the layer structure and thus perpendicular to the individual layer planes of the layer structure.

Unter einem Gaszutrittsloch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine kanalförmige Öffnung mit einem beliebigen Querschnitt, wie beispielsweise rechteckig, quadratisch oder kreisförmig, zu verstehen, die geeignet ist, ein Messgas aus dem Messgasraum in einen im Inneren des Sensorelements bzw. der Festelektrolytschicht angeordneten eigentlichen Messraum eindringen zu lassen. In the context of the present invention, a gas-access hole is to be understood as meaning a channel-shaped opening with an arbitrary cross-section, such as rectangular, square or circular, which is suitable for transferring a sample gas from the sample gas space into an actual measurement space arranged in the interior of the sensor element or the solid electrolyte layer to let in.

Unter einer dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Fläche einer Festelektrolytschicht zu verstehen, die am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Die Position der Stirnfläche wird dabei in einer Erstreckungsrichtung des Sensorelements gesehen, so dass die Stirnfläche diejenige Fläche des Sensorelements ist, die in der Erstreckungsrichtung gesehen am weitesten innerhalb des Messgasraums angeordnet ist. Beispielsweise definiert das Sensorelement eine Längserstreckungsrichtung, die eine Richtung ist, in der sich das Sensorelement in den Messgasraum hinein erstreckt, wobei sich die Stirnfläche senkrecht zu dieser Erstreckungsrichtung erstreckt. Da die Erstreckungsrichtung üblicherweise parallel zu der größten Oberfläche des Sensorelements ist, wird diese auch als Längserstreckungsrichtung bezeichnet. In the context of the present invention, an end face facing the measuring gas space is to be understood as that area of a solid electrolyte layer which is arranged furthest within the measuring gas space. The position of the end face is seen in an extension direction of the sensor element, so that the end face is that surface of the sensor element which, viewed in the extension direction, is arranged furthest within the measurement gas space. For example, the sensor element defines a longitudinal extension direction, which is a direction in which the sensor element extends into the measurement gas space, wherein the end face extends perpendicular to this extension direction. Since the extension direction is usually parallel to the largest surface of the sensor element, this is also referred to as the longitudinal direction.

Unter einer Anordnung einer elektrochemischen Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch ist eine Anordnung zu verstehen, die im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen mit einem Gaszutrittsloch invertiert ist. Bei herkömmlichen Sensorelementen befindet sich das Gaszutrittsloch zwischen der Stirnfläche und der elektrochemischen Zelle. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, das Gaszutrittsloch in Richtung der Anschlusskontaktelektroden verschoben anzuordnen, so dass sich die elektrochemische Zelle zwischen der Stirnfläche und dem Gaszutrittsloch befindet, d. h. das Gaszutrittsloch ist weiter von der Stirnfläche entfernt angeordnet als die elektrochemische Zelle. Die Anordnung wird dabei in Erstreckungsrichtung des Sensorelements gesehen. An arrangement of an electrochemical cell between the end face and the gas access hole is understood to mean an arrangement that is inverted with a gas access hole compared with conventional sensor elements. In conventional sensor elements, the gas access hole is located between the end face and the electrochemical cell. According to the invention, it is provided to arrange the gas inlet hole displaced in the direction of the terminal contact electrodes so that the electrochemical cell is located between the end face and the gas inlet hole, ie. H. the gas inlet hole is located farther from the end face than the electrochemical cell. The arrangement is seen in the direction of extension of the sensor element.

Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Breitband-Lambdasonden beschrieben. Bei derartigen Breitband-Lambdasonden wird die in den Messhohlraum eindiffundierende Menge an Sauerstoff oder Fettgas entweder anhand eines Grenzstroms oder anhand des zur Regelung der Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms gemessen. Der fließende Messstrom ist proportional zum Sauerstoff- oder Fettgasgehalt im Abgas. The invention will be described below in particular with reference to so-called broadband lambda probes. In such broadband lambda probes, the amount of oxygen or fatty gas diffusing into the measuring cavity is measured either by means of a limiting current or by means of the pumping current necessary for controlling the cavity concentration to λ = 1. The flowing measuring current is proportional to the oxygen or fat gas content in the exhaust gas.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die Geometrie des Heizelements und der Messzelle des Sensorelements so aufeinander anzupassen, dass eine lokale Beheizung der Messzelle bei gleichzeitiger Minimierung der Zugspannungen möglich ist und somit die Aufheizgeschwindigkeit gesteigert werden kann. Dies kann durch eine Anordnung des Heizelements in der Nähe der Seitenflächen der Festelektrolytschicht erreicht werden. Dabei wird auch eine teilweise Überlappung der ersten Elektrode und des Heizbereichs des Heizelements vorgeschlagen. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die erste Elektrode bei dem Heizbereich des Heizelements bzw. umgekehrt der Heizbereich des Heizelements bei der ersten Elektrode angeordnet wird, so dass insgesamt die erste Elektrode in dem Hotspot des Heizelement angeordnet wird. Diese Art der Anordnung ist dabei in einer Projektionsebene in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau zu verstehen. A basic idea of the present invention is to adapt the geometry of the heating element and the measuring cell of the sensor element to one another such that local heating of the measuring cell is possible while minimizing the tensile stresses and thus the heating rate can be increased. This can be achieved by an arrangement of the heating element in the vicinity of the side surfaces of the solid electrolyte layer. In this case, a partial overlap of the first electrode and the heating region of the heating element is also proposed. This can be achieved by arranging the first electrode at the heating region of the heating element or, conversely, the heating region of the heating element at the first electrode, so that overall the first electrode is arranged in the hotspot of the heating element. This type of arrangement is to be understood in a projection plane in a direction parallel to the layer structure.

Die maximalen Zugspannungen treten typischerweise an den Seitenkanten bzw. Seitenflächen des Sensorelements auf Höhe eines von dem Heizelement erzeugten Hotspots auf, da die Zugspannungen proportional zu einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Hotspots und der Temperatur an der Seitenfläche sind. Durch ein gezieltes Aufheizen der Seitenflächen bzw. der Seitenkanten wird daher erfindungsgemäß eine Möglichkeit vorgeschlagen, mit der die Zugspannungen minimiert werden können. The maximum tensile stresses typically occur at the side edges of the sensor element at the level of a hotspot generated by the heating element, since the tensile stresses are proportional to a temperature difference between the temperature of the hotspot and the temperature at the side surface. Through a targeted Heating the side surfaces or the side edges is therefore inventively proposed a possibility with which the tensile stresses can be minimized.

Die schnell auf die üblichen Betriebstemperaturen von 600 °C bis 850 °C aufzuheizenden Funktionselemente sind die Pumpzelle, die Nernstzelle und die Diffusionsbarriere. Die Pumpzelle hat die höchste Temperaturanforderung. Um eine ausreichend hohe Sauerstoffionen-Leitfähigkeit und ausreichende Dynamik zu erreichen, sind nämlich Mindesttemperaturen von ungefähr 700 °C erforderlich. Die Nernstspannung zur Messung bzw. Regelung des Sauerstoffpartialdrucks im Hohlraum ist temperaturabhängig. Zur Messung der Nernstspannung sind Temperaturen oberhalb von 350 °C erforderlich. Die Nernstzelle hat darüber hinaus eine Temperaturmessfunktion bzw. Temperaturregelfunktion. Die Diffusionsbarriere ist von untergeordneter Bedeutung. Für die Gasdiffusion ist nämlich grundsätzlich keine hohe Temperatur erforderlich. Die Diffusion durch die Diffusionsbarriere ist jedoch temperaturabhängig. Um ein möglichst genaues Messsignal zu liefern, ist die Temperatur der drei genannten Funktionselemente, d. h. Pumpzelle, Nernstzelle und Diffusionsbarriere, im Betrieb konstant zu halten. Herkömmliche Messzellenanordnungen bei herkömmlichen Sensorelementen lassen den oben genannten Aspekt unberücksichtigt, dass zur Minimierung der Zugspannungen die Sensorelementseitenkante schnell aufgeheizt werden muss. Pumpzelle, Nernstzelle und Diffusionsbarriere sind üblicherweise in der Mitte des Sensorelements angeordnet und nicht an die konkrete Geometrie des Heizelements angepasst. The functional elements to be heated quickly to the usual operating temperatures of 600 ° C. to 850 ° C. are the pump cell, the Nernst cell and the diffusion barrier. The pump cell has the highest temperature requirement. In order to achieve a sufficiently high oxygen-ion conductivity and sufficient dynamics, namely minimum temperatures of about 700 ° C are required. The Nernst voltage for measuring or regulating the oxygen partial pressure in the cavity is temperature-dependent. Temperatures above 350 ° C are required to measure the Nernst voltage. The Nernst cell also has a temperature measuring function or temperature control function. The diffusion barrier is of secondary importance. In principle, no high temperature is required for gas diffusion. However, diffusion through the diffusion barrier is temperature dependent. In order to deliver as accurate a measurement signal as possible, the temperature of the three mentioned functional elements, i. H. Pump cell, Nernst cell and diffusion barrier to keep constant during operation. Conventional measuring cell arrangements in conventional sensor elements disregard the above-mentioned aspect in that in order to minimize the tensile stresses, the sensor element side edge has to be heated up quickly. Pump cell, Nernst cell and diffusion barrier are usually arranged in the middle of the sensor element and not adapted to the specific geometry of the heating element.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Temperaturverteilung während des Aufheizvorgangs durch geeignete Auslegung des Heizelements bezüglich Geometrie und Material so eingestellt, dass die thermomechanischen Spannungen minimal sind. Zu diesem Zweck muss die Energie vom äußeren Rand des Sensorelements eingebracht werden, um Zugspannungen an den Seitenkanten zu vermeiden. Dies ermöglicht ein schnelles Aufheizen des Sensorelements. Die Messzellengeometrie wird der vorliegenden Temperaturverteilung angepasst. Die Pumpzelle wird im heißesten Bereich platziert, so dass die innere Pump- und Nernstelektrode großflächig an der heißesten Stelle des Heizelements zu liegen kommt. Die Nernstzelle und die Diffusionsbarriere mit geringeren Temperaturanforderungen können in kälteren bzw. langsamer aufgeheizten Bereichen des Sensorelements angeordnet werden. In the context of the present invention, the temperature distribution during the heating process by suitable design of the heating element with respect to geometry and material is adjusted so that the thermo-mechanical stresses are minimal. For this purpose, the energy from the outer edge of the sensor element must be introduced to avoid tensile stresses on the side edges. This allows a fast heating of the sensor element. The measuring cell geometry is adapted to the existing temperature distribution. The pump cell is placed in the hottest area, so that the inner pumping and Nernst electrode comes to lie over a large area at the hottest point of the heating element. The Nernst cell and the diffusion barrier with lower temperature requirements can be arranged in colder or slower heated areas of the sensor element.

Lediglich beispielhaft und nicht abschließend werden nun einige mögliche Ausführungsbeispiele kurz erläutert. By way of example and not limitation, some possible embodiments will now be briefly explained.

Ein ringförmiger bzw. omegaförmiger Heizer stellt die ideale Geometrie dar, um die Leiterbahnen des Heizelements, welche die Energie ins Sensorelement einbringen, so weit wie möglich an die Ränder des Sensorelements zu legen. Auf diese Weise wird das Sensorelement ausschließlich von außen nach innen aufgeheizt, so dass die thermomechanischen Zugspannungen minimal sind. Ebenso ist die „Omega“-Geometrie des Heizelements ideal an eine ringförmige Pumpelektrode anpassbar. Dies belegt die Temperaturverteilung im Sensorelement bei Erreichen der Betriebsbereitschaft. Dadurch ist ein optimal kurzer Wärmefluss vom Heizelement zu der Pumpelektrode gewährleistet. Dies bewirkt ein schnellstmögliches Aufheizen der Pumpelektrode. An annular or omega-shaped heater is the ideal geometry to place the conductor tracks of the heating element, which bring the energy into the sensor element, as far as possible to the edges of the sensor element. In this way, the sensor element is heated exclusively from the outside in, so that the thermo-mechanical tensile stresses are minimal. Likewise, the "omega" geometry of the heating element is ideally adaptable to an annular pumping electrode. This proves the temperature distribution in the sensor element when it is ready for operation. This ensures an optimally short heat flow from the heating element to the pumping electrode. This causes the fastest possible heating of the pump electrode.

Alternativ kann die Elektrode als Ringsegment ausgebildet sein. Das Heizelement gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist optimal an die stirnseitige sowie seitliche Geometrie der inneren Pumpelektrode angepasst. Lediglich der kontaktseitige Bereich wird nicht optimal aufgeheizt. Als mögliche Alternative könnte dieser Elektrodensektor entfallen, so dass sich ein geöffneter Elektrodenring ergibt und die Referenzelektrode näher zur Stirn positioniert werden könnte. Dies hätte den Vorteil, dass auch die Nernstzelle weiter in den heißen Bereich verlegt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements im Fahrzeug nicht nur der lnnenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann. Alternatively, the electrode may be formed as a ring segment. The heating element according to the embodiment described above is optimally adapted to the frontal and lateral geometry of the inner pumping electrode. Only the contact-side area is not optimally heated. As a possible alternative, this electrode sector could be omitted, so that an opened electrode ring results and the reference electrode could be positioned closer to the forehead. This would have the advantage that the Nernst cell is also moved further into the hot area. The latter opens up the possibility that not only the internal resistance of the pump cell, but also the Nernst cell can be used for the release of the sensor element in the vehicle.

Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein ringförmiges Heizelement mit zusätzlicher Beheizung der Nernstzelle. Will man den vollen Elektrodenring der inneren Pumpelektrode beibehalten und gleichzeitig mit einem omegaförmigen Heizelement die Nernstzelle schnell erwärmen, so kann diese als Ergänzung zu dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel durch eine Verjüngung des Heizbereichs auf der Höhe der Nernstzelle schneller aufgeheizt werden. Als weitere Alternative könnte der Heizbereich auf Höhe der Nernstzelle stärker in die Mitte des Sensorelements verlegt werden. Dies hätte den Vorteil, dass auch die Nernstzelle schneller beheizt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe der Sonde im Fahrzeug nicht nur der lnnenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann. Another possible embodiment is an annular heating element with additional heating of the Nernst cell. If one wishes to maintain the full electrode ring of the inner pumping electrode and simultaneously heat the Nernst cell rapidly with an omega-shaped heating element, then this can be heated up more quickly by supplementing the embodiment described above by tapering the heating area at the height of the Nernst cell. As a further alternative, the heating area at the level of the Nernst cell could be laid more strongly in the middle of the sensor element. This would have the advantage that the Nernst cell is heated faster. The latter opens the possibility that not only the internal resistance of the pump cell, but also the Nernst cell can be used for the release of the probe in the vehicle.

Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Lineardesign des Sensorelements mit invertierter Anordnung der Diffusionsbarriere und der Pumpelektrode. Für ein Sensorelement mit linearer Anordnung von Diffusionsbarriere und Pumpelektrode, d.h. Lineardesign im Vergleich zu dem bisher betrachteten Radialdesign mit ringförmiger Pumpelektrode und Diffusionsbarriere, lässt sich die thermomechanische Robustheit beim schnellen Aufheizen erhöhen, indem die Pumpelektrode direkt an der Stirnkante angeordnet wird. Daran schließen sich dann anschlusskontaktseitig Diffusionsbarriere und Gaszutritt an. Im Vergleich zum herkömmlichen Aufbau des Lineardesigns resultiert also eine invertierte Anordnung von Pumpelektrode und Diffusionsbarriere. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Sensorelement durch ein omegaförmiges Heizelement von außen beheizt werden kann, was für eine hohe thermomechanische Robustheit sorg, und trotzdem die Pumpelektrode direkt beheizt wird, was für ein schnelles Fast-Light-Off sorgt. Another possible embodiment is a linear design of the sensor element with inverted arrangement of the diffusion barrier and the pumping electrode. For a sensor element with a linear arrangement of diffusion barrier and pumping electrode, ie linear design in comparison to the previously considered radial design with annular pumping electrode and diffusion barrier, the thermomechanical robustness during rapid heating can be increase by placing the pump electrode directly on the front edge. This is followed by the connection contact side diffusion barrier and gas access. In comparison to the conventional structure of the linear design thus results in an inverted arrangement of pumping electrode and diffusion barrier. The advantage of this arrangement is that the sensor element can be heated by an omega-shaped heating element from the outside, which ensures a high thermo-mechanical robustness, and yet the pump electrode is heated directly, which ensures a fast fast light-off.

Zudem ist die von der Elektrode eingeschlossene Fläche wegen des linearen Messzellenaufbaus im Vergleich zum ringförmigen Aufbau, d.h. Radialdesign, verkleinert. Durch dieses Design werden also Vorteile von Linear- und Radialdesign kombiniert und der Gedanke aus einer Ausführung der Pumpelektrode als Ringsegment weitergeführt. In addition, the area enclosed by the electrode is smaller than that of the annular structure because of the linear measuring cell structure. Radial design, downsized. This design combines the advantages of linear and radial design and continues the idea of designing the pump electrode as a ring segment.

Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Sandwichaufbau aus Pumpzelle und Nernstzelle. Der klassische Aufbau eines Sensorelementes einer Breitband-Lambdasonde sieht eine Anordnung der inneren Pump- und Nernstelektrode und der Referenzelektrode auf einer Ebene vor. Durch einen sandwichförmigen Aufbau, bei dem die Referenzelektrode zwischen der inneren Pump- und Nernstelektrode und der äußeren Pumpelektrode angeordnet wird, kann die Referenzelektrode Richtung Stirnkante in den Hotspot gerückt werden und so eine schnellere Innenwiderstandsregelbereitschaft also Temperaturregelbereitschaft erreicht werden. Da die Nernstzelle mit Hilfe der Innenwiderstandsmessung als Thermometer des Sensorelementes dient, kann durch diese Anordnung gewährleistet werden, dass die Temperatur im heißesten Bereich gemessen wird, und so eine Überhitzung des Sensorelementes verhindert werden. Dies würde ermöglichen, zur Freigabe der Sonde die Temperaturmessung über die Nernstzelle beizubehalten, statt das Innenwiderstands-Signal der Pumpzelle zu verwenden. Im Bereich zwischen innerer Pump- und Nernstelektrode und äußerer Pumpelektrode muss der Referenzkanal schmal sein, damit die Elektroden nicht zueinander isoliert werden. Another possible embodiment is a sandwich construction of pumping cell and Nernst cell. The classical structure of a sensor element of a broadband lambda probe provides for an arrangement of the inner pumping and Nernst electrode and the reference electrode on one level. By a sandwich-like construction, in which the reference electrode is arranged between the inner pumping and Nernst electrode and the outer pumping electrode, the reference electrode can be moved in the direction of the front edge in the hotspot and so a faster internal resistance control readiness so temperature control readiness can be achieved. Since the Nernst cell with the help of the internal resistance measurement serves as a thermometer of the sensor element, it can be ensured by this arrangement that the temperature is measured in the hottest region, and thus an overheating of the sensor element can be prevented. This would allow the measurement of the temperature to be maintained via the Nernst cell to release the probe instead of using the internal resistance signal of the pumping cell. In the area between inner pumping and Nernst electrode and outer pumping electrode, the reference channel must be narrow, so that the electrodes are not isolated from each other.

Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist ein Sensorelement mit seitlichem oder stirnseitigem Gaszutritt. Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel mit der invertierten Anordnung der Diffusionsbarriere und der Pumpelektrode sowie das klassische Lineardesign lassen sich auch mit seitlichem oder stirnseitigem Gaszutritt realisieren. Dies hat den Vorteil, dass sich so gleichzeitig die Wasserschlagrobustheit erhöhen lässt. Wenn dabei ein offener Gaszutritt vermieden wird, indem die poröse Diffusionsbarriere bis nach außen gezogen wird, kann zudem die thermomechanische Robustheit des Sensorelementes erhöht werden. Another possible embodiment is a sensor element with lateral or front gas inlet. The embodiment described above with the inverted arrangement of the diffusion barrier and the pumping electrode as well as the classic linear design can also be realized with lateral or frontal gas access. This has the advantage that at the same time the Wasserschlagrobustheit can be increased. In this case, if an open gas access is avoided by the porous diffusion barrier is pulled to the outside, also the thermo-mechanical robustness of the sensor element can be increased.

Ein Grundgedanke der Erfindung ist eine Erhöhung des Stützgerüstanteils (Al₂O₃) von 1 Gew.-%, wie er bei Pasten für herkömmliche Sensorelemente vorhanden ist, auf 5 Gew.-%. Die Wärmeübertragungsfläche wird dadurch bei gegebenem Gesamtwiderstand bzw. gegebener Länge des Mäanders des Heizelements deutlich erhöht. Dies führt zu einer Absenkung der Maximaltemperaturen im Heizmäander und dadurch zu einer verlängerten Lebensdauer im Heizerdauerglühen und Heizerdauerschalten. A basic idea of the invention is an increase of the supporting framework proportion (Al ₂ O ₃ ) from 1 wt.%, As it is present in pastes for conventional sensor elements, to 5 wt.%. The heat transfer surface is thereby significantly increased at a given total resistance or given length of the meander of the heating element. This leads to a lowering of the maximum temperatures in Heizmäander and thereby to a longer life in Heizerdauerglühen and Heizerdauerschalt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen: Show it:

1 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 1 a sectional view of a sensor element according to a first embodiment of the invention,

2 eine Verteilung der Temperatur bei dem Sensorelement gemäß der ersten Ausführungsform während des Betriebs, 2 a distribution of temperature in the sensor element according to the first embodiment during operation,

3 eine Verteilung der Zugspannung bei dem Sensorelement gemäß der ersten Ausführungsform während des Betriebs, 3 a distribution of tensile stress in the sensor element according to the first embodiment during operation,

4 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, 4 a sectional view of a sensor element according to a second embodiment of the invention,

5 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, 5 a sectional view of a sensor element according to a third embodiment of the invention,

6 eine Verteilung der Temperatur bei dem Sensorelement gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs, 6 a distribution of temperature in the sensor element according to the third embodiment during operation,

7 eine Verteilung der Zugspannung bei dem Sensorelement gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs, 7 a distribution of tensile stress in the sensor element according to the third embodiment during operation,

8 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, 8th a sectional view of a sensor element according to a fourth embodiment of the invention,

9 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, 9 a sectional view of a sensor element according to a fifth embodiment of the invention,

10 eine Schnittansicht eines Sensorelements gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung und 10 a sectional view of a sensor element according to a sixth embodiment of the invention and

11 eine Schnittansicht des Sensorelements gemäß der sechsten Ausführungsform. 11 a sectional view of the sensor element according to the sixth embodiment.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Schnitt verläuft parallel zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10. Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas. 1 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a first embodiment of the invention. The cut runs parallel to one of the largest surfaces of the sensor element 10 and a longitudinal direction of extension of the sensor element 10 , This in 1 illustrated sensor element 10 can be used to detect physical and / or chemical properties of a sample gas, wherein one or more properties can be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. In principle, however, other types of gas components are detectable, such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas can also be detected. The invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measuring gas chamber can be, in particular, an exhaust gas tract of an internal combustion engine, with the measuring gas in particular being an exhaust gas.

Das Sensorelement 10 umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht 12 mit mindestens einem Funktionselement 13, das bei diesem Ausführungsbeispiel eine erste Elektrode 14 ist, und ein Heizelement 16. Das Heizelement 16 ist zumindest teilweise aus einem Material hergestellt, das zumindest Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfasst. Der Anteil des Aluminiumoxids bezogen auf die Feststoffe des Materials des Heizelements 16 ist von 1,5 Gew.-% bis 8,5 Gew.-%, bevorzugt von 2,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-% und noch bevorzugter von 3,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-%, beispielsweise 5 Gew.-%: Das Heizelement 16 weist einen spezifischen Widerstand von 0,21 Ω·mm²/m bis 0,70 Ω·mm²/m, bevorzugt von 0,24 Ω·mm²/m bis 0,50 Ω·mm²/m und noch bevorzugter von 0,30 Ω·mm²/m bis 0,40 Ω·mm²/m auf. Insbesondere kann der spezifische Widerstand des Heizelements von 0,34 Ω·mm²/m bis 0,38 Ω·mm²/m sein, beispielsweise 0,36 Ω·mm²/m. Das Material des Heizelements 16 umfasst weiter Platin. Ein Anteil des Platins kann von 92 Gew.-% bis 97 Gew.-% und bevorzugt von 93 Gew.-% bis 96 Gew.-% sein, beispielsweise 94 Gew.-%. Des Weiteren kann das Material des Heizelements 16 1 Gew.-% Rhodium aufweisen. The sensor element 10 comprises at least one solid electrolyte layer 12 with at least one functional element 13 , which in this embodiment, a first electrode 14 is, and a heating element 16 , The heating element 16 is at least partially made of a material comprising at least alumina (Al ₂ O ₃ ). The proportion of alumina based on the solids of the material of the heating element 16 is from 1.5 wt% to 8.5 wt%, preferably from 2.0 wt% to 8.0 wt%, and more preferably from 3.0 wt% to 6.0 Wt .-%, for example, 5 wt .-%: The heating element 16 has a resistivity of 0.21 Ω · mm ² / m to 0.70 Ω · mm ² / m, preferably from 0.24 Ω · mm ² / m to 0.50 Ω · mm ² / m, and more preferably from 0.30 Ω · mm ² / m to 0.40 Ω · mm ² / m. In particular, the resistivity of the heating element may be from 0.34 Ω · mm ² / m to 0.38 Ω · mm ² / m, for example, 0.36 Ω · mm ² / m. The material of the heating element 16 includes platinum. A proportion of the platinum may be from 92% to 97% by weight, and preferably from 93% to 96% by weight, for example 94% by weight. Furthermore, the material of the heating element 16 1 wt .-% rhodium.

Die Festelektrolytschicht 12, die erste Elektrode 14 und das Heizelement 16 bilden einen Schichtaufbau 18, dessen Orientierung durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Ansicht der 1 ist eine Ansicht in der Richtung des Schichtaufbaus 18, so dass der Schichtaufbau 18 in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus orientiert ist. Die erste Elektrode 14 ist in der Ansicht der 1 parallel zu dem Schichtaufbau 18 auf die Festelektrolytschicht 12 und das Heizelement 16 projiziert. Die erste Elektrode 14 ist zumindest abschnittsweise ringförmig ausgebildet. Bei der ersten Ausführungsform ist die erste Elektrode 14 als Ringelektrode ausgebildet. Die erste Elektrode 14 ist im Inneren des Schichtaufbaus 18 angeordnet. Die Festelektrolytschicht 12 weist eine dem Messgasraum zugewandte Stirnfläche 20 und mindestens zwei parallel zu dem Schichtaufbau 18 angeordnete Seitenflächen 22, 24 auf. The solid electrolyte layer 12 , the first electrode 14 and the heating element 16 form a layer structure 18 whose orientation is indicated by an arrow. The view of 1 is a view in the direction of layer construction 18 so that the layer structure 18 into or out of the plane of the drawing. The first electrode 14 is in the view of 1 parallel to the layer structure 18 on the solid electrolyte layer 12 and the heating element 16 projected. The first electrode 14 is at least partially annular. In the first embodiment, the first electrode 14 designed as a ring electrode. The first electrode 14 is inside the layer structure 18 arranged. The solid electrolyte layer 12 has an end face facing the measuring gas chamber 20 and at least two parallel to the layer structure 18 arranged side surfaces 22 . 24 on.

Das Heizelement 16 weist einen Heizbereich 26 und mindestens eine Zuleitungsbahn 28 auf. Das Heizelement 16 ist als Widerstandsbahn ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform weist das Heizelement 16 daher zwei Zuleitungsbahnen 28 auf. Das Heizelement 16 ist so in dem Schichtaufbau 18 angeordnet, dass der Heizbereich 26 zumindest in der Nähe der Seitenflächen 22, 24 der Festelektrolytschicht 12 angeordnet ist. Zwischen dem Heizbereich 26 und den Seitenflächen 22, 24 sowie optional auch der Stirnfläche 20 ist beispielsweise lediglich ein sogenannter Dichtrahmen 29 angeordnet, so dass der Heizbereich 26 mit möglichst geringem Abstand zu den Seitenflächen 22, 24 sowie optional auch zu der Stirnfläche 20 angeordnet ist. Die erste Elektrode 14 ist so in dem Schichtaufbau 18 angeordnet, dass die erste Elektrode 14 in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen zumindest teilweise mit dem Heizbereich 26 überlappt. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform überlappt die erste Elektrode 14 mit dem Heizbereich 26 beispielsweise zu mindestens 60 %. Wird mit anderen Worten die erste Elektrode 14 parallel zu dem Schichtaufbau auf das Heizelement 16 projiziert, so befinden sich mindestens 60 % der dem Heizelement 16 zugewandte Fläche der ersten Elektrode 14 auf dem Heizbereich 26 und sind deckungsgleich. Ferner ist das Heizelement 16 so in dem Schichtaufbau 18 angeordnet, dass der Heizbereich 26 zusätzlich in der Nähe der dem Messgasraum zugewandten Stirnfläche 20 angeordnet ist. Die erste Elektrode 14 ist ebenfalls in der Nähe zumindest der Seitenflächen 22, 24 angeordnet. The heating element 16 has a heating area 26 and at least one feeder track 28 on. The heating element 16 is designed as a resistance path. In this embodiment, the heating element 16 therefore two supply lines 28 on. The heating element 16 is so in the layer structure 18 arranged that the heating area 26 at least near the side surfaces 22 . 24 the solid electrolyte layer 12 is arranged. Between the heating area 26 and the side surfaces 22 . 24 as well as optionally the front surface 20 is for example only a so-called sealing frame 29 arranged so that the heating area 26 with the smallest possible distance to the side surfaces 22 . 24 as well as optionally to the face 20 is arranged. The first electrode 14 is so in the layer structure 18 arranged that the first electrode 14 in a direction parallel to the layer structure 18 Seen at least partially with the heating area 26 overlaps. At the in 1 In the embodiment shown, the first electrode overlaps 14 with the heating area 26 for example, at least 60%. In other words, becomes the first electrode 14 parallel to the layer structure on the heating element 16 projected, there are at least 60% of the heating element 16 facing surface of the first electrode 14 on the heating area 26 and are congruent. Further, the heating element 16 so in the layer structure 18 arranged that the heating area 26 additionally in the vicinity of the end face facing the measuring gas chamber 20 is arranged. The first electrode 14 is also near at least the side surfaces 22 . 24 arranged.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin mindestens eine zweite Elektrode 30 auf, die in der Ansicht der 1 nicht zu sehen ist, aber beispielsweise der 9 zu entnehmen ist. Die zweite Elektrode 30 ist auf einer dem Messgasraum aussetzbaren Außenseite bzw. Oberfläche des Schichtaufbaus 18 angeordnet. Die erste Elektrode 14, die zweite Elektrode 30 und die Festelektrolytschicht 14 zwischen diesen bilden eine Pumpzelle. Die zweite Elektrode 30 ist folglich eine äußere Pumpelektrode. Das Sensorelement 10 weist weiterhin mindestens eine dritte Elektrode 32 auf. Die erste Elektrode 14, die dritte Elektrode 32 und die Festelektrolytschicht 14 zwischen diesen bilden eine Nernstzelle. Die dritte Elektrode 32 ist folglich eine Referenzelektrode. Die erste Elektrode 14 ist eine innere Pump- und Nernstelektrode, d.h. eine Kombination aus innerer Pumpelektrode und Nernstelektrode. The sensor element 10 furthermore has at least one second electrode 30 in the view of the 1 not to be seen, but for example the 9 can be seen. The second electrode 30 is on a the measuring gas space exposable outside or surface of the layer structure 18 arranged. The first electrode 14 , the second electrode 30 and the solid electrolyte layer 14 between these form a pumping cell. The second electrode 30 is therefore an outer pumping electrode. The sensor element 10 also has at least one third electrode 32 on. The first electrode 14 , the third electrode 32 and the solid electrolyte layer 14 between these form a Nernst cell. The third electrode 32 is thus a reference electrode. The first electrode 14 is an inner pumping and Nernst electrode, ie a combination of inner pumping electrode and Nernst electrode.

2 zeigt die Verteilung der Temperatur des Sensorelements 10 gemäß der ersten Ausführungsform während des Betriebs, d.h. mit eingeschaltetem Heizelement 16. Wie der 2 zu entnehmen ist, gibt es einen deutlich erkennbaren Bereich 34, in dem die Temperatur am höchsten ist und der sich parallel zu dem Heizbereich 26 erstreckt. Die Temperatur nimmt dahingegen in Richtung zu der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16 ab. Ferner ist der 2 zu entnehmen, dass die erste Elektrode 14 in diesem heißesten Bereich 34 angeordnet ist und sich somit in einem so genannten Hotspot befindet. 2 shows the distribution of the temperature of the sensor element 10 according to the first embodiment during operation, ie with the heating element switched on 16 , Again 2 it can be seen, there is a clearly recognizable area 34 in which the temperature is highest and which is parallel to the heating area 26 extends. The temperature, on the other hand, increases towards the third electrode 32 and the supply lines 28 of the heating element 16 from. Furthermore, the 2 to take that the first electrode 14 in this hottest area 34 is arranged and thus located in a so-called hotspot.

3 zeigt die Verteilung der Zugspannung während des Betriebs des Sensorelements gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 3 zu erkennen ist, ist in Bereichen 35 in der Nähe der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 die Zugspannung in der Festelektrolytschicht 12 höher als in Bereichen 36 in der Nähe der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16, allerdings sind diese Zugspannungen in den Bereichen 35 im Vergleich zu den bei herkömmlichen Sensorelementen auftretenden Zugspannungen minimal bzw. deutlich niedriger. Entsprechend werden beim Aufheizen des Sensorelements 10 die Zugspannungen in den kritischen Bereichen der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 deutlich minimiert. 3 shows the distribution of tensile stress during operation of the sensor element according to the first embodiment. As in 3 It is evident in areas 35 near the side surfaces 22 . 24 and the face 20 the tensile stress in the solid electrolyte layer 12 higher than in areas 36 near the third electrode 32 and the supply lines 28 of the heating element 16 However, these tensile stresses are in the areas 35 in comparison to the tensile stresses occurring in conventional sensor elements minimal or significantly lower. Accordingly, when heating the sensor element 10 the tensile stresses in the critical areas of the side surfaces 22 . 24 and the face 20 clearly minimized.

Als konkretes Ausführungsbeispiel für das Heizelement 16 wird beispielsweise das oben genannte Material in Form einer Paste verwendet. Die Paste wird auf die Festelektrolytschicht 12 aufgebracht und das Sensorelement 10 nach Aufbringen bzw. Aufdrucken der weiteren Funktionselemente 13 wie die Elektrode 14 gesintert. Da die Herstellung an sich bekannt ist, wird nicht näher darauf eingegangen, sondern auf den oben beschriebenen Stand der Technik verwiesen. Mit einer derartigen Paste ergibt sich für einen Heizbereich 26 mit einem Widerstand von 1,67 Ω und einer Länge von 30,9 mm in einem gesinterten Zustand beispielsweise eine Querschnittsfläche von 0,0063 bis 0,0067 mm². Eine Leiterbahnbreite des Heizbereichs 26 ist beispielsweise 535 µm bis 566 µm. Diese Abmessungen ergeben sich bei einer Länge von 37,3 mm und einer Dicke von 16,5 µm in einem ungesinterten Zustand. Dabei ist eine Sinterschwindung von ungefähr 20 % bezogen auf die Länge zu berücksichtigen, d.h. das Heizelement 16 schrumpft beim Sintern, weshalb die Länge im gesinterten Zustand kürzer als im ungesinterten Zustand ist. As a concrete embodiment of the heating element 16 For example, the above-mentioned material is used in the form of a paste. The paste is applied to the solid electrolyte layer 12 applied and the sensor element 10 after application or printing of the other functional elements 13 like the electrode 14 sintered. Since the preparation is known per se, it is not discussed in more detail, but referred to the above-described prior art. With such a paste results for a heating area 26 with a resistance of 1.67 Ω and a length of 30.9 mm in a sintered state, for example, a cross-sectional area of 0.0063 to 0.0067 mm ² . A trace width of the heating area 26 is for example 535 microns to 566 microns. These dimensions result in a length of 37.3 mm and a thickness of 16.5 microns in an unsintered state. In this case, a sintering shrinkage of about 20% based on the length to be considered, ie the heating element 16 shrinks during sintering, which is why the length in the sintered state is shorter than in the unsintered state.

Eine bekannte Materialzusammensetzung für herkömmliche Sensorelemente und insbesondere für herkömmliche Heizelemente weisen beispielsweise 98 Gew.-% Platin, 1 Gew.-% Aluminiumoxid und 1 Gew.-% Rhodium auf. Dadurch ergibt sich ein spezifischer Widerstand von 0,16 Ω·mm²/m bis 0,20 Ω·mm²/m. In einem gesinterten Zustand ergibt sich für einen Heizbereich 26 mit einem Widerstand von 1,67 Ω und einer Länge von 30,9 mm eine Querschnittsfläche von 0,0030 bis 0,0037 mm². Eine Leiterbahnbreite eines derartigen Heizbereichs ist beispielsweise 252 µm bis 315 µm. Diese Abmessungen ergeben sich bei einer Länge von 37,3 mm und einer Dicke von 16,5 µm in einem ungesinterten Zustand ist. A known material composition for conventional sensor elements and in particular for conventional heating elements comprise, for example, 98% by weight of platinum, 1% by weight of aluminum oxide and 1% by weight of rhodium. This results in a specific resistance of 0.16 Ω · mm ² / m to 0.20 Ω · mm ² / m. In a sintered state results for a heating area 26 with a resistance of 1.67 Ω and a length of 30.9 mm, a cross-sectional area of 0.0030 to 0.0037 mm ² . A conductor track width of such a heating region is, for example, 252 μm to 315 μm. These dimensions result in a length of 37.3 mm and a thickness of 16.5 microns in an unsintered state.

Eine andere bekannte Materialzusammensetzung für herkömmliche Sensorelemente und insbesondere für herkömmliche Heizelemente umfasst beispielsweise 91 Gew.-% Platin und 9 Gew.-% Aluminiumoxid. Daraus ergibt sich ein spezifischer Widerstand von 0,87 Ω·mm²/m bis 0,91 Ω·mm²/m. In einem gesinterten Zustand ist die Querschnittsfläche für einen Heizbereich mit einem Widerstand von 1,67 Ω und einer Länge von 30,9 mm 0,0161 bis 0,0169 mm². Eine Leiterbahnbreite für einen derartigen Heizbereich ist von 1368 bis 1431 µm. Diese Abmessungen ergeben sich bei einer Länge von 37,3 mm und einer Dicke von 16,5 µm in einem ungesinterten Zustand. Insbesondere bei der zuletzt beschriebenen Zusammensetzung mit 9 Gew.-% Aluminiumoxid ergibt sich der Nachteil, dass der spezifische Widerstand sehr stark von der Sinterdauer, der Temperatur, der Korngröße des Aluminiumoxids usw. abhängt. Dies ergibt sich durch stark schwankende Perkolation der Platinkörner. In einem derartigen Material ist der Stützgerüstanteil des Aluminiumoxids so stark erhöht, dass die Eigenschaften des Materials wenig robust sind. Another known material composition for conventional sensor elements and in particular for conventional heating elements comprises, for example, 91% by weight of platinum and 9% by weight of aluminum oxide. This results in a specific resistance of 0.87 Ω · mm ² / m to 0.91 Ω · mm ² / m. In a sintered state, the cross-sectional area for a heating region having a resistance of 1.67 Ω and a length of 30.9 mm is 0.0161 to 0.0169 mm ² . A trace width for such a heating region is from 1368 to 1431 μm. These dimensions result in a length of 37.3 mm and a thickness of 16.5 microns in an unsintered state. In particular, in the last-described composition with 9 wt .-% alumina, there is the disadvantage that the resistivity very much on the sintering time, the temperature, the grain size of the alumina, etc. depends. This results from strongly fluctuating percolation of the platinum grains. In such a material, the scaffold portion of the alumina is increased so much that the properties of the material are not very robust.

Durch die erfindungsgemäße Materialzusammensetzung des Heizelements wird jedoch bei gegebenem Gesamtwiderstand bzw. gegebener Länge des Heizbereichs 26 die Wärmeübertagungsfläche deutlich erhöht. Dies führt zu einer Absenkung der Maximaltemperaturen im Heizbereich und dadurch zu einer verlängerten Lebensdauer im Heizerdauerglühen und Heizerdauerschalten. Due to the material composition of the heating element according to the invention, however, given a total resistance or given length of the heating area 26 significantly increased the heat transfer area. This leads to a lowering of the maximum temperatures in the heating area and thereby to a prolonged life in Heizerdauerglühen and Heizerdauerschalt.

4 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schnitt der Ansicht der 4 verläuft analog dem Schnitt der Ansicht der 1. Wie der Darstellung der 4 zu entnehmen ist, ist die erste Elektrode 14 als Ringsegment oder geöffnete Ringelektrode ausgebildet. Die dritte Elektrode 32 ist so angeordnet, dass sie in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen teilweise mit dem Heizbereich 26 überlappt und im vergleich zu der ersten Ausführungsform näher zu der ersten Elektrode 14 angeordnet. Dadurch wird auch die dritte Elektrode 32, d.h. die Referenzelektrode, in den heißesten Bereich 34 verlegt. Folglich befindet sich auch die Nernstzelle in dem heißesten Bereich 34. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements 10 durch eine nicht gezeigte Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs nicht nur der Innenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann. 4 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a second embodiment of the invention. Hereinafter, only the differences from the first embodiment will be described and the same components are given the same reference numerals. The section of the view of the 4 is analogous to the section of the view of 1 , As the representation of 4 it can be seen is the first electrode 14 formed as a ring segment or open ring electrode. The third electrode 32 is arranged so that it is in a direction parallel to the layer structure 18 partly seen with the heating area 26 overlaps and closer to the first electrode compared to the first embodiment 14 arranged. This also becomes the third electrode 32 , ie the reference electrode, in the hottest area 34 laid. Consequently, the Nernst cell is also in the hottest area 34 , This opens up the possibility of releasing the sensor element 10 not only the internal resistance of the pump cell, but also the Nernst cell can be used by an engine control, not shown, of the motor vehicle.

5 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schnitt der Ansicht der 5 verläuft analog dem Schnitt der Ansicht der 1. Das Sensorelement 10 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung 38 in dem Messgasraum. Die Längserstreckungsrichtung 38 ist senkrecht zu der Stirnfläche 20 der Festelektrolytschicht 12. Die erste Elektrode 14 ist wie bei der ersten Ausführungsform als Ringelektrode ausgebildet. Die dritte Elektrode 32 überlappt nicht mit dem Heizbereich in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen. Der Heizbereich 26 ist bei der in 5 gezeigten dritten Ausführungsform so ausgebildet, dass er in Längserstreckungsrichtung 38 gesehen auf Höhe der dritten Elektrode 32 eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als auf Höhe der ersten Elektrode 14. Mit anderen Worten weist die elektrische Widerstandsbahn des Heizbereichs 26 des Heizelements 16 auf Höhe der dritten Elektrode 32 eine kleiner Querschnittsfläche auf als auf Höhe der ersten Elektrode 14. Die Querschnittsfläche der Widerstandsbahn des Heizbereichs 26 des Heizelements 16 nimmt somit von der dritten Elektrode 32 in Richtung zu der Stirnfläche 20 hin zu. Die Zunahme der Querschnittsfläche kann gleichmäßig oder ungleichmäßig, wie beispielsweise gestuft, sein. Eine kleinere Querschnittsfläche bewirkt einen größeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu einer größeren Querschnittsfläche, so dass im Bereich der kleineren Querschnittsfläche eine stärkere Erwärmung als im Bereich der größeren Querschnittsfläche auftritt. Dies hat den Vorteil, dass auch die Nernstzelle schneller beheizt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements 10 im Fahrzeug nicht nur der lnnenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann. 5 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a third embodiment. In the following, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components will be given the same reference numerals. The section of the view of the 5 is analogous to the section of the view of 1 , The sensor element 10 extends in a longitudinal direction 38 in the sample gas space. The longitudinal direction 38 is perpendicular to the face 20 the solid electrolyte layer 12 , The first electrode 14 is formed as a ring electrode as in the first embodiment. The third electrode 32 does not overlap with the heating area in a direction parallel to the layer structure 18 seen. The heating area 26 is at the in 5 shown third embodiment designed so that it in the longitudinal direction 38 seen at the height of the third electrode 32 has a smaller cross-sectional area than at the level of the first electrode 14 , In other words, the electrical resistance path of the heating area 26 of the heating element 16 at the height of the third electrode 32 a small cross-sectional area than at the level of the first electrode 14 , The cross-sectional area of the resistance path of the heating area 26 of the heating element 16 thus takes from the third electrode 32 towards the face 20 towards. The increase in cross-sectional area may be uniform or nonuniform, such as stepped. A smaller cross-sectional area causes a greater electrical resistance compared to a larger cross-sectional area, so that in the region of the smaller cross-sectional area more heating than in the region of the larger cross-sectional area occurs. This has the advantage that the Nernst cell is heated faster. The latter opens up the possibility that for the release of the sensor element 10 Not only the internal resistance of the pump cell, but also the Nernst cell can be used in the vehicle.

6 zeigt die Verteilung der Temperatur des Sensorelements 10 gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs. Wie der 6 zu entnehmen ist, wird durch den Heizbereich 26 wieder der heißeste Bereich 34 gebildet, der sich parallel zu dem Heizbereich 26 erstreckt. Die Temperatur nimmt dahingegen in Richtung zu der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16 ab. In diesem heißesten Bereich 34 ist die erste Elektrode 14 angeordnet, so dass sie sich in einem Hotspot des Heizelements 16 befindet. 6 shows the distribution of the temperature of the sensor element 10 according to the third embodiment during operation. Again 6 it can be seen by the heating area 26 again the hottest area 34 formed, which is parallel to the heating area 26 extends. The temperature, on the other hand, increases towards the third electrode 32 and the supply lines 28 of the heating element 16 from. In this hottest area 34 is the first electrode 14 arranged so that they are in a hotspot of the heating element 16 located.

7 zeigt die Verteilung der Zugspannung des Sensorelements 10 gemäß der dritten Ausführungsform während des Betriebs. Wie der 7 zu entnehmen ist, ist in Bereichen 35 in der Nähe der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 die Zugspannung in der Festelektrolytschicht 12 höher als in Bereichen 36 in der Nähe der dritten Elektrode 32 und den Zuleitungsbahnen 28 des Heizelements 16, allerdings sind diese Zugspannungen in den Bereichen 35 im Vergleich zu den bei herkömmlichen Sensorelementen auftretenden Zugspannungen minimal bzw. deutlich niedriger. Entsprechend werden beim Aufheizen des Sensorelements 10 die Zugspannungen in den kritischen Bereichen der Seitenflächen 22, 24 und der Stirnfläche 20 deutlich minimiert. 7 shows the distribution of the tensile stress of the sensor element 10 according to the third embodiment during operation. Again 7 it can be seen in areas 35 near the side surfaces 22 . 24 and the face 20 the tensile stress in the solid electrolyte layer 12 higher than in areas 36 near the third electrode 32 and the supply lines 28 of the heating element 16 However, these tensile stresses are in the areas 35 in comparison to the tensile stresses occurring in conventional sensor elements minimal or significantly lower. Accordingly, when heating the sensor element 10 the tensile stresses in the critical areas of the side surfaces 22 . 24 and the face 20 clearly minimized.

8 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schnitt der Ansicht der 8 verläuft analog dem Schnitt der Ansicht der 1. Das Sensorelement 10 gemäß der vierten Ausführungsform ist eine Alternative zu dem Sensorelement 10 gemäß der dritten Ausführungsform. Der Heizbereich 26 ist so ausgebildet, dass er mindestens einen Abschnitt 40 aufweist, der sich von mindestens einer der Seitenflächen 22, 24 in Richtung zu der dritten Elektrode 32 erstreckt. Bei der Ausführungsform der 8 sind zwei Abschnitte 40 vorgesehen, die sich bezüglich der Längserstreckungsrichtung 38 hinweg symmetrisch gegenüberliegen und von der dritten Elektrode 32 teilweise überlappt werden. Bei der vierten Ausführungsform ist somit im vergleich zu der dritten Ausführungsform der Heizbereich 26 auf Höhe der Nernstzelle stärker in die Mitte des Sensorelements 10 verlegt. Eine größere Länge der Widerstandsbahn bewirkt einen größeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu einer kürzeren Länge der Widerstandsbahn, so dass bei der größeren Länge eine stärkere Erwärmung als bei der kürzeren Länge auftritt Dies hat den Vorteil, dass auch die Nernstzelle schneller beheizt wird. Letzteres eröffnet die Möglichkeit, dass für die Freigabe des Sensorelements 10 im Fahrzeug nicht nur der lnnenwiderstand der Pumpzelle, sondern auch der Nernstzelle verwendet werden kann. 8th shows a sectional view of a sensor element 10 according to a fourth embodiment of the present invention. In the following, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components will be given the same reference numerals. The section of the view of the 8th is analogous to the section of the view of 1 , The sensor element 10 according to the fourth embodiment is an alternative to the sensor element 10 according to the third embodiment. The heating area 26 is designed so that it has at least a section 40 which extends from at least one of the side surfaces 22 . 24 towards the third electrode 32 extends. In the embodiment of the 8th are two sections 40 provided, with respect to the longitudinal direction 38 symmetrically opposite and from the third electrode 32 partially overlapped. Thus, in the fourth embodiment, the heating area is compared with the third embodiment 26 at the level of the Nernst cell stronger in the middle of the sensor element 10 laid. A greater length of the resistance path causes a greater electrical resistance compared to a shorter length of the resistance path, so that at the greater length greater heating than at the shorter length occurs This has the advantage that the Nernst cell is heated faster. The latter opens up the possibility that for the release of the sensor element 10 Not only the internal resistance of the pump cell, but also the Nernst cell can be used in the vehicle.

9 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer fünften Ausführungsform. Der Schnitt verläuft senkrecht zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. 9 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a fifth Embodiment. The cut is perpendicular to one of the largest surfaces of the sensor element 10 and a longitudinal direction of extension of the sensor element 10 , In the following, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components will be given the same reference numerals.

Das Sensorelement 10 weist einen Gaszutrittsweg 42 auf. Der Gaszutrittsweg 42 weist ein Gaszutrittsloch 44 auf, das sich von einer Außenseite oder Oberfläche 46 der Festelektrolytschicht 12, auf der die zweite Elektrode 30 angeordnet ist, ins Innere des Schichtaufbaus 18 erstreckt. In der Festelektrolytschicht 12 kann ein Elektrodenhohlraum 48 vorgesehen sein, der an das Gaszutrittsloch 44 angrenzt und mit diesem verbunden ist. Der Elektrodenhohlraum 48 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 48 ist Teil des Gaszutrittswegs 42 und kann über das Gaszutrittsloch 44 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 44 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 46 der Festelektrolytschicht 12 in das Innere des Schichtaufbaus 18. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 48 von drei Seiten von der Festelektrolytschicht 12 bezogen auf die Ansicht der 9 begrenzt und zu dem Gaszutrittsloch 44 hin offen. Zwischen dem Gaszutrittsloch 44 und dem Elektrodenhohlraum 48 ist ein Kanal 50 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 42 ist. In diesem Kanal 50 ist eine Diffusionsbarriere 52 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 48 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. Über diese Diffusionsbarriere 52 lässt sich ein Grenzstrom einer Pumpzelle 54 einstellen. Die Pumpzelle 54 umfasst die auf der Oberfläche 46 angeordnete zweite Elektrode 30, die erste Elektrode 14, die in dem Elektrodenhohlraum 48 angeordnet ist, und den Bereich der Festelektrolytschicht 12 zwischen diesen beiden Elektroden. Der oben genannte Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der zweiten Elektrode 30 und der ersten Elektrode 14 über die Festelektrolytschicht 12 dar. In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 44 ist das Heizelement 16 in dem Schichtaufbau 18 angeordnet. The sensor element 10 has a gas access path 42 on. The gas access route 42 has a gas entry hole 44 on, extending from an outside or surface 46 the solid electrolyte layer 12 on which the second electrode 30 is arranged, inside the layer structure 18 extends. In the solid electrolyte layer 12 can be an electrode cavity 48 be provided, which at the gas access hole 44 is adjacent and connected to this. The electrode cavity 48 is formed, for example cuboid. The electrode cavity 48 is part of the gas access route 42 and can via the gas entry hole 44 communicate with the sample gas space. For example, the gas access hole extends 44 as a cylindrical blind hole perpendicular to the surface 46 the solid electrolyte layer 12 into the interior of the layer structure 18 , In particular, the electrode cavity 48 from three sides of the solid electrolyte layer 12 referring to the view of 9 limited and to the gas access hole 44 open. Between the gas access hole 44 and the electrode cavity 48 is a channel 50 arranged, which is also part of the Gaszutrittswegs 42 is. In this channel 50 is a diffusion barrier 52 arranged, which a subsequent flow of gas from the sample gas space into the electrode cavity 48 diminished or even prevented and only allows diffusion. About this diffusion barrier 52 can be a limiting current of a pump cell 54 to adjust. The pump cell 54 includes those on the surface 46 arranged second electrode 30 , the first electrode 14 in the electrode cavity 48 is arranged, and the area of the solid electrolyte layer 12 between these two electrodes. The above-mentioned limiting current thus provides a current flow between the second electrode 30 and the first electrode 14 over the solid electrolyte layer 12 In the extension of the extension direction of the gas access hole 44 is the heating element 16 in the layer structure 18 arranged.

Ferner umfasst der Schichtaufbau 18 die dritte Elektrode 32, die als gepumpte Referenz in einem so genannten Referenzgaskanal 56 angeordnet ist. Der Referenzgaskanal 56 ist kein makroskopischer Referenzgaskanal, sondern eine gepumpte Referenz, d. h. eine künstliche Referenz. Die erste Elektrode 14, die dritte Elektrode 32 und der Teil der Festelektrolytschicht 12 zwischen diesen beiden Elektroden bilden eine Nernstzelle 58. Mittels der Pumpzelle 54 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 48 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 58 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode 14 und der dritten Elektrode 32 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 56 oder an der dritten Elektrode 32, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 48 geschlossen werden. Furthermore, the layer structure comprises 18 the third electrode 32 as a pumped reference in a so-called reference gas channel 56 is arranged. The reference gas channel 56 is not a macroscopic reference gas channel but a pumped reference, ie an artificial reference. The first electrode 14 , the third electrode 32 and the part of the solid electrolyte layer 12 between these two electrodes form a Nernst cell 58 , By means of the pumping cell 54 For example, a pumping current through the pumping cell can be adjusted such that in the electrode cavity 48 the condition λ = 1 or another known composition prevails. This composition in turn is from the Nernst cell 58 detected by applying a Nernst voltage between the first electrode 14 and the third electrode 32 is measured. As in the reference gas channel 56 or at the third electrode 32 , which serves as a reference electrode, an excess of oxygen prevails, can be determined by the measured voltage on the composition in the electrode cavity 48 getting closed.

Wie in 9 gezeigt, befindet sich im Unterschied zum heutigen Stand der Technik das Gaszutrittsloch 44 zwischen der Pumpzelle 54 und der Nernstzelle 58. Insbesondere ist die erste Elektrode 14 näher an der Stirnfläche 20 angeordnet als der Gaszutrittsweg 42. Deshalb kann bei dieser Anordnung von einer invertierten Anordnung des Gaszutrittswegs 42 gesprochen werden. Da die dritte Elektrode 32 und die vierte Elektrode 36, die die Pumpelektroden bilden, und die Stirnkanten, die den Übergang von der Stirnfläche 19 in die angrenzenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 14, wie beispielsweise die Oberseite 23, bilden, bei dieser Gestaltung nahe beieinander liegen, ist außerdem die thermische Masse, die bei einem Fast-Light-Off durch das Heizelement 38 beheizt werden muss, gering. Der wesentliche Anteil der von dem Heizelement 16 erzeugten Wärme wird somit in einem Bereich eingebracht, der in einer Richtung parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen, mit der Pumpzelle 54 überlappt. Das Gaszutrittsloch 44 befindet sich außerhalb dieses Bereichs, wie in 9 gut zu erkennen ist. Mit anderen Worten wird der Hotspot des Heizelements 16 im Bereich der Pumpzelle 54 angeordnet und ein zweiter Hotspot, der bei herkömmlichen Sensorelementen das Gaszutrittsloch 44 erwärmt, entfällt oder fällt mit dem ersten Hotspot zusammen. As in 9 In contrast to the state of the art, the gas access hole is shown 44 between the pumping cell 54 and the Nernst cell 58 , In particular, the first electrode 14 closer to the face 20 arranged as the gas access path 42 , Therefore, in this arrangement, an inverted arrangement of the gas access path 42 to be spoken. Because the third electrode 32 and the fourth electrode 36 that form the pumping electrodes, and the end edges that form the transition from the end face 19 in the adjacent surfaces of the solid electrolyte layer 14 such as the top 23 In addition, in this design are close to each other, is also the thermal mass at a near-light-off by the heating element 38 has to be heated, low. The essential part of the heating element 16 generated heat is thus introduced in an area in a direction parallel to the layer structure 18 seen with the pump cell 54 overlaps. The gas entry hole 44 is outside of this range, as in 9 easy to recognize. In other words, the hotspot of the heating element 16 in the area of the pump cell 54 arranged and a second hotspot, which in conventional sensor elements, the gas inlet hole 44 heats, drops or coincides with the first hotspot.

10 zeigt eine Schnittansicht eines Sensorelements 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform. Der Schnitt verläuft senkrecht zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. 10 shows a sectional view of a sensor element 10 according to a sixth embodiment. The cut is perpendicular to one of the largest surfaces of the sensor element 10 and a longitudinal direction of extension of the sensor element 10 , In the following, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components will be given the same reference numerals.

Die sechste Ausführungsform ist eine Alternative zu dem Sensorelement 10 gemäß der fünften Ausführungsform. Bei dem Sensorelement 10 gemäß der sechsten Ausführungsform ist eine sandwichförmige Anordnung der Pumpzelle 54 und der Nernstzelle 58 realisiert, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Dabei befindet sich die dritte Elektrode 32 näher an der Stirnfläche 20 als die erste Elektrode 14. Die dritte Elektrode 32 befindet sich auch in einer Richtung parallel zu einer Richtung des Schichtaufbaus 18 gesehen oberhalb der ersten Elektrode 14. Genauer ist die dritte Elektrode 32 zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 30 in einer Richtung parallel zu einer Richtung des Schichtaufbaus 18 gesehen angeordnet. The sixth embodiment is an alternative to the sensor element 10 according to the fifth embodiment. In the sensor element 10 According to the sixth embodiment, a sandwiched arrangement of the pumping cell 54 and the Nernst cell 58 realized as will be described in more detail below. This is the third electrode 32 closer to the face 20 as the first electrode 14 , The third electrode 32 is also located in a direction parallel to a direction of the layer structure 18 seen above the first electrode 14 , More precisely, the third electrode 32 between the first electrode 14 and the second electrode 30 in a direction parallel to a direction of the layer structure 18 arranged arranged.

11 zeigt eine Schnittansicht des Sensorelements 10 gemäß der sechsten Ausführungsform. Der Schnitt verläuft parallel zu einer der größten Oberflächen des Sensorelements 10 und einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements 10. Wie in 11 zu sehen ist, sind die erste Elektrode 14 und die dritte Elektrode 32 als rechteckige Elektroden in einer Ansicht parallel zu dem Schichtaufbau 18 gesehen ausgebildet. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau eines Sensorelements in Form einer Breitband-Lambdasonde sieht die sechste Ausführungsform der 11 keine Anordnung der ersten Elektrode 14 und der dritten Elektrode 32 auf einer Ebene vor, sondern auf verschiedenen Ebenen. Lediglich zur Vereinfachung ist die Projektion der ersten Elektrode 14 auf die Ebene der dritten Elektrode 32 gezeigt. 11 shows a sectional view of the sensor element 10 according to the sixth embodiment. The cut runs parallel to one of the largest surfaces of the sensor element 10 and a longitudinal direction of extension of the sensor element 10 , As in 11 can be seen, are the first electrode 14 and the third electrode 32 as rectangular electrodes in a view parallel to the layer structure 18 seen trained. Compared to a conventional structure of a sensor element in the form of a broadband lambda probe, the sixth embodiment of the 11 no arrangement of the first electrode 14 and the third electrode 32 at one level, but at different levels. For simplicity only, the projection is the first electrode 14 to the level of the third electrode 32 shown.

Durch den in den 10 und 11 gezeigten sandwichförmigen Aufbau, bei dem die dritte Elektrode 32 zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 30 angeordnet ist, kann die dritte Elektrode 32 in Richtung zu der Stirnfläche 20 in den Hotspot des Heizbereichs 26 gerückt werden und so eine schnellere Widerstandsmessung und Temperaturregelbereitschaft erreicht werden. Da die Nernstzelle 58 als Thermometer des Sensorelements 10 dient, kann durch diese Anordnung gewährleistet werden, dass die Temperatur im heißesten Bereich 34 des Heizbereichs 26 gemessen wird und so eine Überhitzung des Sensorelements 10 verhindert werden kann. Dabei kann die Temperaturmessung über die Nernstzelle 58 beibehalten werden statt das Widerstandssignal der Pumpzelle 54 zu verwenden. Im Bereich zwischen der ersten Elektrode 14 und der zweiten Elektrode 30 muss der Referenzgaskanal 56 schmal sein, damit die erste Elektrode 14, die zweite Elektrode 30 und die dritte Elektrode 32 nicht zueinander isoliert werden. By in the 10 and 11 shown sandwich structure in which the third electrode 32 between the first electrode 14 and the second electrode 30 can be arranged, the third electrode 32 towards the face 20 into the hotspot of the heating area 26 be moved and so a faster resistance measurement and temperature control readiness can be achieved. Because the Nernst cell 58 as a thermometer of the sensor element 10 serves, can be ensured by this arrangement that the temperature in the hottest area 34 of the heating area 26 is measured and so overheating of the sensor element 10 can be prevented. The temperature measurement can be done via the Nernst cell 58 be maintained instead of the resistance signal of the pumping cell 54 to use. In the area between the first electrode 14 and the second electrode 30 must be the reference gas channel 56 be narrow so that the first electrode 14 , the second electrode 30 and the third electrode 32 not be isolated to each other.

Als weitere mögliche Ausführungsformen lassen sich alle oben gezeigten Sensorelemente 10 mit einem seitlichen oder stirnseitigen Gaszutrittsweg 42 realisieren. Dies hat den Vorteil, dass sich so gleichzeitig die Wasserschlagrobustheit erhöhen lässt. Wenn dabei ein offener Gaszutritt vermieden wird, indem die poröse Diffusionsbarriere 52 bis nach außen gezogen wird, kann zudem die thermomechanische Robustheit des Sensorelements 10 erhöht werden. As further possible embodiments, all sensor elements shown above can be 10 with a lateral or front gas access path 42 realize. This has the advantage that at the same time the Wasserschlagrobustheit can be increased. When doing so, an open gas access is avoided by the porous diffusion barrier 52 is drawn to the outside, also the thermo-mechanical robustness of the sensor element 10 increase.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 [0002]

Claims

Sensor element ( 10 ) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprising at least one solid electrolyte layer ( 12 ), at least one functional element and a heating element ( 16 ) for generating heat, wherein the heating element ( 16 ) is at least partially made of a material comprising at least alumina, wherein a proportion of the alumina of from 1.5 wt .-% to 8.5 wt .-%, preferably from 2.0 wt .-% to 8.0 wt % and more preferably from 3.0% to 6.0% by weight.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the heating element ( 16 ) has a resistivity of from 0.21 Ω · mm ² / m to 0.70 Ω · mm ² / m, preferably from 0.24 Ω · mm ² / m to 0.50 Ω · mm ² / m, and more preferably from 0.30 Ω · mm ² / m to 0.40 Ω · mm ² / m.

Sensor element ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the material of the heating element further comprises platinum, wherein a proportion of the platinum of 92 wt .-% to 97 wt .-%, and preferably from 93 wt .-% to 96 wt .-% is.

Sensor element ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the functional element ( 13 ) a first electrode ( 14 ), wherein the solid electrolyte layer ( 12 ), the first electrode ( 14 ) and the heating element ( 16 ) a layer structure ( 18 ), wherein the solid electrolyte layer ( 12 ) an end face facing the measurement gas space ( 20 ) and at least two parallel to the layer structure ( 18 ) arranged side surfaces ( 22 . 24 ), wherein the heating element ( 16 ) a heating area ( 26 ) and at least one supply line ( 28 ), wherein the heating element ( 16 ) so in the layer structure ( 18 ) is arranged that the heating area ( 26 ) at least in the vicinity of the side surfaces ( 22 . 24 ) of the solid electrolyte layer ( 12 ), wherein the first electrode ( 14 ) so in the layer structure ( 18 ) is arranged, that the first electrode ( 14 ) in a direction parallel to the layer structure ( 18 ) seen at least partially with the heating area ( 26 ) overlaps.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the first electrode ( 14 ) so in the layer structure ( 18 ) is arranged that at least 60% of the heating element ( 16 ) facing surface of the first electrode ( 14 ) in a direction parallel to the layer structure ( 18 ) seen with the heating area ( 26 ) overlaps.

Sensor element ( 10 ) according to one of the two preceding claims, wherein the first electrode ( 14 ) at least in the vicinity of the side surfaces ( 22 . 24 ) of the solid electrolyte layer ( 12 ) is arranged.

Sensor element ( 10 ) according to one of the three preceding claims, wherein the heating element ( 16 ) so in the layer structure ( 18 ) is arranged that the heating area ( 26 ) in the vicinity of the face facing the measuring gas chamber ( 20 ) is arranged.

Sensor element ( 10 ) according to one of the four preceding claims, wherein the sensor element ( 10 ) at least one second electrode ( 30 ), wherein the first electrode ( 14 ), the second electrode ( 30 ) and the solid electrolyte layer ( 12 ) a pump cell ( 54 ), wherein the first electrode ( 14 ) inside the layer structure ( 18 ) and the second electrode ( 30 ) on a side exposed to the sample gas space ( 46 ) of the layer structure ( 18 ) is arranged.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the first electrode ( 14 ) Is at least partially annular.

Sensor element ( 10 ) according to one of the six preceding claims, wherein the sensor element ( 10 ) at least one third electrode ( 32 ), wherein the first electrode ( 14 ), the third electrode ( 32 ) and the solid electrolyte layer ( 12 ) a Nernst cell ( 58 ), the third electrode ( 32 ) so in the layer structure ( 18 ) is arranged that the Nernst cell ( 58 ) from the heating area ( 26 ) is heated.

Sensor element ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the third electrode ( 32 ) in a direction parallel to the layer structure ( 18 ) partially with the heating area ( 26 ) overlaps.

Sensor element ( 10 ) according to claim 8, wherein the heating area ( 26 ) at least one section ( 40 ) extending from at least one of the side surfaces ( 22 . 24 ) towards the third electrode ( 32 ).

Sensor element ( 10 ) according to one of the three preceding claims, wherein the sensor element ( 10 ) in a longitudinal direction ( 38 ) extends into the sample gas space, wherein the heating area ( 26 ) is designed so that it in the longitudinal direction ( 38 ) seen at the level of the third electrode ( 32 ) has a smaller cross-sectional area than at the level of the first electrode ( 14 ).

Sensor element ( 10 ) according to claim 8, wherein the sensor element ( 10 ) in a longitudinal direction ( 38 ) extends into the measuring gas space, wherein in the longitudinal direction ( 38 ) seen the third electrode ( 32 ) closer to the face ( 20 ) is arranged as the first electrode ( 14 ).

Sensor element ( 10 ) according to one of the previous claims, wherein the sensor element ( 10 ) continue a gas access path ( 42 ), wherein the first electrode ( 14 ) by means of the gas access path ( 42 ) can be acted upon with the sample gas, wherein the first electrode ( 14 ) between the end face ( 20 ) of the solid electrolyte layer ( 12 ) and the gas access path ( 42 ) is located.