DE10235195A1 - Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch - Google Patents
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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 Zwischenschicht12 und einer Oberschicht13 zusammengesetzten Laminatkörper10 auf. Dabei sind die Unterschicht11 und die Oberschicht13 gegossene, keramische Folien aus einem Festelektrolytmaterial, vorzugsweise aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2), während die Zwischenschicht12 aus mindestens einer Folienbinderschicht aus einem Festelektrolytmaterial besteht, die auf eine der Folien, beispielsweise auf die Folie der Oberschicht13 , 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 Unterschicht13 ,11 jeweils 0,5 mm und die Dicke der Zwischenschicht12 50 μm. In der Folie der Oberschicht13 ist ein Gaszutrittsloch14 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 Oberschicht13 und der Festelektrolyt der Nernstzelle von der Zwischenschicht12 gebildet. Die äußere Pumpelektrode15 und die innere Pumpelektrode16 der Pumpzelle sind jeweils koaxial zum Gaszutrittsloch15 auf der Ober- bzw. Unterseite der Oberschicht13 aufgedruckt. Die Nernstelektrode17 der Nernstzelle ist zusammen mit der Pumpelektrode16 in einem Hohlraum23 angeordnet, der in die Zwischenschicht12 eingebettet ist, während die Referenzelektrode19 der Nernstzelle in einem in der Zwischenschicht18 ausgebildeten Referenzgaskanal18 angeordnet ist. Der Referenzgaskanal18 , der in bekannter Weise mit einem Referenzgas beaufschlagbar ist, kann mit einem porösen Material gefüllt sein. Die Referenzelektrode19 ist zusammen mit der inneren Pumpelektrode16 auf die Unterseite der Oberschicht13 aufgedruckt. Der Hohlraum23 ist durch eine im Siebdruckverfahren auf die Zwischenschicht12 aufgebrachte Porenbildnerschicht hergestellt. Die innere Pumpelektrode16 und die ebenfalls koaxial zum Gaszutrittsloch14 angeordnete, von der inneren Pumpelektrode16 axial beabstandete Nernstelektrode17 stehen im Hohlraum23 über eine ringförmige Diffusionsbarriere20 mit dem Gaszutrittsloch14 in Verbindung, so daß die äußere Pumpelektrode15 direkt und die innere Pumpelektrode16 sowie die Nernstelektrode17 über die Diffusionsbarriere20 von dem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar sind. - Zwischen der Unterschicht
11 und der Zwischenschicht12 ist ein elektrischer Widerstandsheizer21 angeordnet, der in eine elektrische Isolationsschicht22 , z. B. aus Aluminiumoxid (Al2O3), eingebettet ist. Die Isolationsschicht22 wird auf die Oberseite der Unterschicht11 aufgedruckt. Durch Zusammenlaminieren der mit den Folienbinderschichten und den Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien und anschließenden Sintern der laminierten Struktur wird der Laminatkörper10 hergestellt.
Claims (10)
- 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.
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