-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement mit einer Hot-Plate, die mithilfe von einem oder mehreren schmalen Armen am restlichen Teil des Elementes befestigt ist, die zur Gasdetektion erforderlichen elektrischen und sensorischen Funktionskomponenten aufweist und Elektroden, eine gassensitive Funktionsschicht, eine Diffusionsbarriere und eine Heizung besitzt.
-
Gassensorelemente werden beispielsweise als Sauerstoffsensoren im Ansaugtrakt von Verbrennungsmotoren eingesetzt und dienen dort der Erfassung der Abgasrückführungsrate. Ohne Abgasrückführung beträgt der Sauerstoffgehalt in der Ansaugluft etwa 21 %. Mit zunehmendem Abgasrückführungsanteil sinkt dieser. Es ist bekannt, als Sauerstoffsensoren herkömmliche lineare Lambdasonden zu verwenden. Alle herkömmlichen Sauerstoffsensoren haben eine Kathode P-, d. h. eine Elektrode, an der der Sauerstoff eindiffundiert. Der Kathode ist eine Diffusionsbarriere vorgeschaltet. Hierbei handelt es sich in der Regel um eine poröse Schicht. Die eigentliche gassensitive Funktionsschicht des Sensors, d. h. der Festkörperelektrolyt, besteht üblicherweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid YSZ, einem Sauerstoffleiter. Ferner weist der Sensor eine Anode P+ auf, an der der Sauerstoff austritt. Diese ist in der Regel gegen Schmutzbelag mehr oder weniger grobporig abgedeckt, ohne hierbei das Austreten des Sauerstoffes wesentlich zu behindern. Da die gassensitive Funktionsschicht (in der Regel aus YSZ) für eine ausreichende Ionenleitfähigkeit eine erhöhte Temperatur erfordert und das als Elektrodenmaterial eingesetzte Platin nur bei erhöhter Temperatur hinreichend katalytisch aktiv ist, weisen derartige Sensoren eine Heizung, beispielsweise einen elektrisch betriebenen Heizwiderstand, auf und werden hiermit auf Temperaturen in einem Bereich von 600–850 °C gebracht.
-
Bei solchen Gassensorelementen besteht das Problem, dass mit der Aufheizung des eigentlichen Sensorelementes infolge der Wärmeleitung vom Sensorelement in das Gehäuse eine Erwärmung des Gehäuses verbunden ist. Bei Abgassensoren ist eine derartige Erwärmung nicht störend, da der Auspuff ohnehin heiß ist. Im Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors werden jedoch häufig Kunststoffkomponenten eingesetzt, auf die sich eine derartige Erwärmung negativ auswirkt. So ist beispielsweise bei solchen Kunststoffkomponenten eine Erwärmung auf über 140 °C schädlich. Die üblichen Lambdasonden werden daher für einen Betrieb in einem Kunststoffansaugrohr zu heiß.
-
Ferner sind bereits YSZ-Sauerstoffsensoren nach dem Limited-Current-Prinzip entwickelt worden, die mit einer geringen Heizleistung auskommen. Solche Sauerstoffsensoren weisen ein kleines, meist quadratisches oder rundes mehrlagiges Keramikplättchen auf, das die notwendigen Strukturen für die YSZ-Pumplayer, Elektroden, Barriere und Heizung enthält. Es ist an Platindrähten in einem Gehäuse frei aufgehängt und zum Teil zusätzlich mit Keramikfasern gegen das Gehäuse isoliert. Dadurch ist die Wärmeableitung sehr gering. Solche Sensoren sind jedoch aufgrund der in Kraftfahrzeugen auftretenden Vibrationen für derartige Einsatzzwecke wenig geeignet und haben dort eine entsprechend geringe Lebensdauer.
-
Es ist daher ein Aufbau erforderlich, der die beheizte Sensorstruktur steif und wärmeentkoppelt in einem Rahmen oder Gehäuse so hält, dass freier Gaszutritt und elektrische Kontaktierung möglich sind. Dabei dürfen sich Rahmen bzw. Gehäuse nicht wesentlich erwärmen. Ein solches Gassensorelement ist aus der
DE 102 47 857 A1 bekannt. Dieses Gassensorelement besitzt eine sogenannte Hot-Plate, d. h. ein Plättchen, das mithilfe von einem oder mehreren schmalen Armen, insbesondere vier Armen, am restlichen Teil des Elementes befestigt ist. Auf dem Plättchen sind die zur Gasdetektion erforderlichen elektrischen und sensorischen Funktionskomponenten angeordnet. Auf der einen Seite des Plättchens befindet sich eine sensitive Schicht, während die Heizung auf der anderen Seite angeordnet ist. Die elektrischen Zuleitungen zur Sensorstruktur befinden sich auf der Oberseite, die Zuleitungen zur Heizung auf der Unterseite.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gassensorelement der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das sich durch eine besonders gute und energiearme Funktionsweise auszeichnet.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Gassensorelement der angegebenen Art dadurch gelöst, dass eine positive und eine negative Elektrode beidseitig eines von der gassensitiven Funktionsschicht gebildeten Substrates angeordnet sind und dass sich die Heizung ringförmig oder teilringförmig um die negative Elektrode erstreckt.
-
Die vorliegende Erfindung sieht ein Gassensorelement vor, das als Hot-Plate-Sensorelement ausgebildet ist. Das Sensorelement ist hinsichtlich seiner Funktion einem in Stäbchenform ausgebildeten Sensor gleichwertig, erfordert jedoch eine viel geringere Heizleistung. Dies bietet neben einer Energieeinsparung erhebliche Vorteile in Bezug auf die Ausbildung des Gehäuses, da dieses überwiegend aus Kunststoff ausgeführt werden kann und so eine Kombination mit einem Drucksensor, eventuell sogar mit einem Temperatursensor ermöglicht.
-
Die Hot-Plate ist beidseitig mit Elektroden ausgestattet. Das Substratmaterial der Hot-Plate ist gleichzeitig Funktionsmaterial für das als Ionenpumpen-Gassensor wirkende Gassensorelement.
-
Um trotz der eine schlechte Wärmeleitung aufweisenden gassensitiven Funktionsschicht eine gleichmäßige Temperatur zu erreichen, ist die vorgesehene Heizung ringförmig oder teilringförmig um die negative Elektrode ausgebildet. Dadurch wird auf dem gesamten Weg des zu detektierenden Gases
Diffusionsbarriere → negative Elektrode P– → Substrat als gassensitive Funktionsschicht → positive Elektrode P+
eine ausreichend hohe Temperatur sichergestellt. Zur mechanischen Anbindung und Kontaktierung ist die Hot-Plate analog zu dem aus der
DE 102 47 857 A1 bekannten System mithilfe von einem oder mehreren schalen Armen an einem Rahmen oder einem Gehäuse aufgehängt, wobei die elektrischen Zu- und Ableitungen in die vorgesehenen Arme integriert sein können.
-
Vorzugsweise ist das Substrat als YSZ-Keramikplatte ausgebildet. Trotz der relativ schlechten Wärmeleitung des Materiales YSZ wird mithilfe der erfindungsgemäß vorgesehen Heizung eine gleichmäßige Temperatur erreicht.
-
Die Hot-Plate ist zweckmäßigerweise an vier Armen aufgehängt. Die Arme sind gegenseitig beabstandet und gehen vorzugsweise von den Eckbereichen der Hot-Plate aus. Sie sind insbesondere mit der Hot-Plate monolithisch verbunden. Mithilfe einer derartigen Anordnung wird die Wärmeübertragung von der Hot-Plate auf das umgebende Gehäuse bzw. den Rahmen des Gassensorelementes minimiert. Die Dimensionierung der Arme ist so ausgeführt, dass die mechanische Stabilität der Arme möglichst groß, die Wärmeübertragung jedoch möglichst gering ist.
-
Die beiden Elektroden (negative Elektrode P– und positive Elektrode P+) sind vorzugsweise schichtförmig auf beiden Seiten des Substrates angeordnet. Das zu detektierende Gas dringt über die negative Elektrode P– in das Funktionsmaterial (YSZ) des Substrates ein und verlässt das Substrat über die positive Elektrode P+.
-
Die vorgesehene Diffusionsbarriere ist vorzugsweise ebenfalls als Schicht ausgebildet, die die negative Elektrode abdeckt. Die Diffusionsbarriere ist empfindlich und benötigt eine gleichmäßige Temperatur, die durch die sich ringförmig oder teilringförmig um die negative Elektrode erstreckende Heizung sichergestellt wird. Um eine Auskühlung, Verschmutzung oder Zerstörung der Diffusionsbarriere durch Wasserschlag zu vermeiden, ist bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung die Diffusionsbarriere von einer porösen Schutzschicht abgedeckt. Eine derartige poröse Schutzschicht kann auch die positive Elektrode abdecken.
-
Zweckmäßigerweise ist die vorgesehene Heizung U-förmig ausgebildet. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um eine elektrische Widerstandsheizung, wobei die entsprechenden Anschlussdrähte von den Enden der Schenkel des U ausgehen und vorzugsweise in die entsprechenden Arme der Hot-Plate integriert sein können.
-
Die Heizung ist auf der Seite der negative Elektrode P– über eine entsprechende Isolation auf dem Substrat angeordnet und weist insbesondere zusätzlich eine Abdeckung auf.
-
Das erfindungsgemäß ausgebildete Gassensorelement wird vorzugsweise so angeordnet bzw. eingebaut, dass die negative Elektrode mit Diffusionsbarriere und Heizung auf der Unterseite der Hot-Plate angeordnet ist, während sich die positive Elektrode auf der Oberseite befindet.
-
Der restliche Teil des Gassensorelementes (abgesehen von der Hot-Plate) besteht vorzugsweise vollständig oder zum überwiegenden Teil aus Kunststoff. Dieser Vorteil ergibt sich, weil das Sensorelement eine besonders geringe Heizleistung erfordert.
-
Das Gassensorelement ist daher als Limited-Current-Gassensor bzw. -Sauerstoffsensor ausgebildet.
-
Eine besonders bevorzugte Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäß ausgebildeten Gassensorelementes besteht im Einbau desselben in den Luftansaugtrakt eines Verbrennungsmotors. Da bei einem derartigen Ansaugtrakt vielfach Kunststoffkomponenten eingesetzt werden, ist das erfindungsgemäß ausgebildete Gassensorelement hierfür besonders geeignet, da es eine geringe Heizleistung erfordert und insbesondere nicht auf über 140 °C erwärmt werden muss.
-
Die Erfindung betrifft daher insbesondere einen Ionenpumpen-Sauerstoffsensor, bei dem nach dem Grenzstromprinzip Sauerstoffionen durch das vorgesehene Funktionsmaterial YSZ gepumpt werden. Ein solcher YSZ-Limited-Current-Sauerstoffsensor wird als Hot-Plate-Sensor für das Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors eingesetzt.
-
Die Herstellung des erfindungsgemäß ausgebildeten Gassensorelementes kann beispielsweise in Dickschichttechnik durch Bedrucken von Keramiksubstratplatten, insbesondere YSZ-Keramiksubstratplatten, und anschließendes Laserschneiden erfolgen. Für eine Serienproduktion kann die Fertigung aus ungebrannten Keramikfolien (Green Tape) durchgeführt werden, wozu mehrere Layer Green Tapes jeweils mit den erforderlichen Strukturen bedruckt, gestanzt, exakt positioniert übereinandergelegt, laminiert und gesintert werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgen anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Unteransicht eines Hot-Plate-Gassensorelementes; und
-
2 einen Schnitt entlang Linie A-A in 1 durch die Hot-Plate des Sensorelementes der 1.
-
Bei dem in den Figuren dargestellten Gassensorelement handelt es sich um ein Limited-Current-Sauerstoffsensorelement, das eine Hot-Plate 1 aufweist, welche mithilfe von vier Armen 3 an einem nur schematisch dargestellten Gehäuse 2 aufgehängt ist. Die Hot-Plate 1 weist die zur Sauerstoffdetektion erforderlichen elektrischen und sensorischen Funktionskomponenten auf, die hier nur schematisch dargestellt sind. Wesentlich ist, dass zum Betrieb des Sensorelementes ein Aufheizen der entsprechenden Funktionskomponenten erforderlich ist und dass aufgrund der Aufhängung der die Funktionskomponenten tragenden Hot-Plate mithilfe der dargestellten vier Arme 3 nur eine relativ geringe Wärmeübertragung auf das umgebende Gehäuse 2 stattfindet, so dass das Gehäuse 2 aus Materialien hergestellt sein kann, die nur eine relativ geringe Wärmefestigkeit besitzen, wie dies bei entsprechenden Kunststoffen der Fall ist. Auch der Einbauort für das hier beschriebene Sauerstoffsensorelement kann aus solchen Materialien bestehen, wie dies beispielsweise im Ansaugtrakt von Verbrennungsmotoren der Fall ist.
-
Die die Hot-Plate 1 haltenden Arme 3 weisen daher einen möglichst geringen Querschnitt auf, besitzen jedoch andererseits die erforderliche mechanische Stabilität, um die Hot-Plate sicher zu halten. In den Armen 3 sind die entsprechenden elektrischen Zu- und Ableitungen für das Sensorelement mit der zugehörigen Heizung untergebracht.
-
2 zeigt einen Schnitt entlang Linie A-A in 1 durch die Hot-Plate 1. Das Sauerstoffsensorelement funktioniert als Ionenpumpen-Sauerstoffsensor und pumpt nach dem Grenzstromprinzip Sauerstoffionen durch ein Funktionsmaterial, das hier von einem Substrat 6 gebildet wird. Bei dem Substrat 6 handelt es sich um eine Platte aus einer YSZ-Keramik (Yttrium-stabilisierter Zirkonoxid-Keramik). Auf der Oberseite des Substrates 6 befindet sich eine schichtförmig ausgebildete positive Elektrode 7, während sich auf der Unterseite des Substrates 6 eine schichtförmig ausgebildete negative Elektrode 4 befindet. Die Hot-Plate wird von unten nach oben von dem zu detektierenden Gas durchströmt, wie durch den Pfeil in 2 angedeutet.
-
Die auf der Unterseite des Substrates 6 angeordnete negative Elektrode 4 ist von einer Diffusionsbarriere 10 bedeckt. Um die negative Elektrode 4 herum erstreckt sich eine U-förmig ausgebildete Heizung 5, die über eine Isolation 8 an der Unterseite des Substrates 6 angeordnet ist. Die Heizung 5 weist eine entsprechende Abdeckung 9 auf. Sowohl die Diffusionsbarriere 10 als auch die positive Elektrode 7 sind von einer porösen Schutzschicht 11, 12 bedeckt.
-
Die Diffusionsschicht 10, die Schutzschicht 11 und die Heizungsabdeckung 9 sind in 1 nicht dargestellt.
-
Die in den Figuren dargestellte Ausführungsform zeigt einen YSZ-Limited-Current-Sauerstoffsensor als Hot-Plate-Sensor, der als nach dem Grenzstromprinzip arbeitender Ionenpumpen-Sauerstoffsensor ausgebildet ist und sich durch eine besonders gute und energiearme Funktionsweise auszeichnet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10247857 A1 [0005, 0010]
