DE10235195A1

DE10235195A1 - Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch

Info

Publication number: DE10235195A1
Application number: DE10235195A
Authority: DE
Inventors: Heiner Scheer; Harald Guenschel; Lothar Diehl; Stefan Rodewald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: US20060163064A1; WO2004017059A1; DE10235195B4; JP2005534935A

Abstract

Es wird ein Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, angegeben, das einen aus mehreren Festelektrolytschichten zusammengesetzten Laminatkörper (10) mit einer jeweils als Folie ausgebildeten Ober- und Unterschicht (13, 11) sowie einer Zwischenschicht (12) aufweist. Zur Vereinfachung der Herstellung und Reduzierung der Fertigungskosten sind die Folien von Ober- und Unterschicht (13, 11) gleich dick ausgebildet und die Zwischenschicht (12) durch mindestens eine Druckschicht eines Folienbinders aufgebracht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Sensorelement dieser Art ( DE 199 41 051 A1 ) sind Ober-, Unter- und Zwischenschicht als keramische Folien aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid, gegossen. Eine zwischen der Ober- und Zwischenschicht liegende weitere Festelektrolytschicht ist mittels Siebdruck eines pastösen, keramischen Materials beispielsweise auf die Oberschicht aufgebracht. Bevorzugt wird dabei das gleiche Material verwendet, aus dem auch die Oberschicht besteht, also z. B. Zirkoniumoxid. In der Ebene der weiteren Festelektrolytschicht liegen Funktionsschichten wie Elektroden einer Nernst- und Pumpzelle und ein Referenzkanal. Zwischen Unter- und Zwischenschicht ist noch ein in einer Isolationsschicht aus Aluminiumoxid eingebetteter elektrischer Widerstandsheizer angeordnet. Die integrierte Form des planaren keramischen Laminatkörpers wird durch Zusammenlaminieren der mit der weiteren Festelektrolytschicht und den Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien von Ober-, Unter- und Zwischenschicht unter Verwendung von Folienbindern und anschließendes Sintern hergestellt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Laminatkörpers eine Folie und damit zwei Folienbinderschichten entfallen. Die Laminationsebenen des Laminatkörpers werden von zwei Laminationsebenen bei dem bekannten Sensorelement, nämlich zwischen Oberschicht und Zwischenschicht einerseits und zwischen Unterschicht und Zwischenschicht andererseits, auf eine Laminationsebene nur noch zwischen Unter- und Oberschicht verringert, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Gasundichtigkeiten im Laminationsbereich reduziert wird und die Ausschußquote sinkt. Da die Anzahl der gegossenen Folien die Gestehungskosten des Sensorelements deutlich beeinflußt, reduzieren sich auch diese durch den Wegfall einer Folie. Des weiteren entfallen zwei zusätzliche Druckschritte zum Aufbringen der Folienbinder für die Zwischenschicht, was weiter die Herstellungskosten senkt.

Für Ober-, und Unterschicht werden einheitlich dicke Folien verwendet, so daß beim Fertigungsprozeß nur eine einzige Gießczharge hergestellt werden muß , somit die Folien gleiche Trocken-, Grün- und Sinterschwindung aufweisen. Durch die Verwendung dickerer Folien werden Handhabungsprobleme, wie sie beim Bedrucken dünner Folien mit den Funktionsschichten mittels Siebdruck auftreten, umgangen. Die gegenüber der beim bekannten Sensorelement dickere Oberschicht-Folie bringt zudem noch den Vorteil, daß in der meist aus Zirkoniumoxid bestehenden Folie infolge des Sauerstoffpumpens durch das Zirkoniumoxid langfristig weniger leicht Durchbrüche in Form von elektrisch leitenden Pfaden entstehen, die das Meßsignal verfälschen, so daß die Standzeit des Sensorelements sich erhöht.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Sensorelements möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält die Oberschicht-Folie ein diese vollständig durchdringendes Gaszutrittsloch, das vor dem Verbinden der Oberschicht-Folie zu dem Laminatkörper eingebracht worden ist. Durch das Vorsehen des Gaszutrittslochs in der noch nicht mit der Unterschicht-Folie verbundenen Oberschicht-Folie wird die Herstellung des Gaszutrittslochs vereinfacht, da das Gaszutrittsloch in die Oberschicht-Folie durchgängig eingebracht werden kann und nicht eine definierte Bohrtiefe im Laminatkörper eingehalten werden muß, wie dies bei dem bekannten Sensorelement der Fall ist.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung einen Längsschnitt eines Sensorelements zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in der Zeichnung schematisch im Längsschnitt zu sehende Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine als Ausführungsbeispiel für ein allgemeines Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch weist einen aus einer Unterschicht 11, einer Zwischenschicht 12 und einer Oberschicht 13 zusammengesetzten Laminatkörper 10 auf. Dabei sind die Unterschicht 11 und die Oberschicht 13 gegossene, keramische Folien aus einem Festelektrolytmaterial, vorzugsweise aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO₂), während die Zwischenschicht 12 aus mindestens einer Folienbinderschicht aus einem Festelektrolytmaterial besteht, die auf eine der Folien, beispielsweise auf die Folie der Oberschicht 13, im Siebdruck aufgedruckt ist. Vorzugsweise wird für die Folienbinderschicht Zirkonoxid-Paste verwendet. Mehrere Folienbinderschichten werden in aufeinanderfolgenden Druckschritten aufgebracht.
Die beiden Folien für Ober- und Unterschicht 13, 11 sind gleich dick ausgeführt und weisen eine Dicke zwischen 0,3 mm und 1,0 mm auf, während die Zwischenschicht aus einer oder mehreren Folienbinderschichten wesentlich dünner ausgeführt ist und ihre Dicke zwischen 25 μm und 100 μm gewählt wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der beiden Folien für Ober- und Unterschicht 13, 11 jeweils 0,5 mm und die Dicke der Zwischenschicht 12 50 μm. In der Folie der Oberschicht 13 ist ein Gaszutrittsloch 14 eingebracht, z. B. gestanzt oder gebohrt, das die Folie in ihrer gesamten Dicke vollständig durchdringt.
In bekannter Weise ist im Laminatkörper 10 eine Pumpzelle, bestehend aus einem Festelektrolyten und einer inneren und äußeren Pumpelektrode, sowie einer Nernstzelle, bestehend aus einem Festelektrolyten und einer Nernst- und Referenzelektrode, ausgebildet. Der Festelektrolyt der Pumpzelle wird von der Oberschicht 13 und der Festelektrolyt der Nernstzelle von der Zwischenschicht 12 gebildet. Die äußere Pumpelektrode 15 und die innere Pumpelektrode 16 der Pumpzelle sind jeweils koaxial zum Gaszutrittsloch 15 auf der Ober- bzw. Unterseite der Oberschicht 13 aufgedruckt. Die Nernstelektrode 17 der Nernstzelle ist zusammen mit der Pumpelektrode 16 in einem Hohlraum 23 angeordnet, der in die Zwischenschicht 12 eingebettet ist, während die Referenzelektrode 19 der Nernstzelle in einem in der Zwischenschicht 18 ausgebildeten Referenzgaskanal 18 angeordnet ist. Der Referenzgaskanal 18, der in bekannter Weise mit einem Referenzgas beaufschlagbar ist, kann mit einem porösen Material gefüllt sein. Die Referenzelektrode 19 ist zusammen mit der inneren Pumpelektrode 16 auf die Unterseite der Oberschicht 13 aufgedruckt. Der Hohlraum 23 ist durch eine im Siebdruckverfahren auf die Zwischenschicht 12 aufgebrachte Porenbildnerschicht hergestellt. Die innere Pumpelektrode 16 und die ebenfalls koaxial zum Gaszutrittsloch 14 angeordnete, von der inneren Pumpelektrode 16 axial beabstandete Nernstelektrode 17 stehen im Hohlraum 23 über eine ringförmige Diffusionsbarriere 20 mit dem Gaszutrittsloch 14 in Verbindung, so daß die äußere Pumpelektrode 15 direkt und die innere Pumpelektrode 16 sowie die Nernstelektrode 17 über die Diffusionsbarriere 20 von dem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar sind.
Zwischen der Unterschicht 11 und der Zwischenschicht 12 ist ein elektrischer Widerstandsheizer 21 angeordnet, der in eine elektrische Isolationsschicht 22, z. B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), eingebettet ist. Die Isolationsschicht 22 wird auf die Oberseite der Unterschicht 11 aufgedruckt. Durch Zusammenlaminieren der mit den Folienbinderschichten und den Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien und anschließenden Sintern der laminierten Struktur wird der Laminatkörper 10 hergestellt.

Claims

Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem aus mehreren Festelektrolytschichten zusammengesetzten Laminatkörper (10), der eine jeweils als keramische Folie ausgebildete Ober- und Unterschicht (13, 11) sowie eine Zwischenschicht (12) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- und Unterschicht (13, 11) gleich dick ausgebildet sind und die Zwischenschicht (12) aus mindestens einer Folienbinderschicht besteht.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Folienbinderschicht auf eine der Folien für die Ober- und Unterschicht (13, 11) aufgedruckt ist.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Folienbinderschicht aus einer Zirkonoxid-Paste besteht.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Ober- und Unterschicht (13, 11) jeweils zwischen 0,3 mm und 1,0 mm und die Dicke der Zwischenschicht zwischen 25 μm und 100 μm gewählt ist.
Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Ober- und Unterschicht (13, 11) jeweils 0,5 mm und die Dicke der Zwischenschicht 50 μm beträgt.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberschicht (13) ein diese vollständig durchdringendes Gaszutrittsloch (14) enthält, das vor Laminieren des Laminatkörpers (10) eingebracht ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß im Laminatkörper (10) eine Pumpzelle mit einer auf einem Festelektrolyten angeordneten äußeren und inneren Pumpelektrode (15, 16) und eine Nernstzelle mit einer auf einem Festelektrolyten angeordneten Nernstelektrode (17) und Referenzelektrode (19) ausgebildet sind und daß die Oberschicht (13) den Festelektrolyten der Pumpzelle und die Zwischenschicht (12) den Festelektrolyten der Nernstzelle bildet.
Sensorelement nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Pumpelektrode (16) und die Nernstelektrode (17) über eine Diffusionsbarriere (20) mit dem Gaszutrittsloch (14) in Verbindung stehen.
Sensorelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zwischenschicht (12) ein mit einem Referenzgas beaufschlagbarer Referenzgaskanal (18) ausgebildet ist, mit dem die Referenzelektrode (19) in Verbindung steht, und vorzugsweise daß der Referenzgaskanal (18) mit porösem Material gefüllt ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Unter- und Zwischenschicht (11, 12) ein in einer Isolationsschicht (22) eingebetteter elektrischer Widerstandsheizer (21) angeordnet ist.