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Die
Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler nach dem Oberbegriff der
unabhängigen
Ansprüche.
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Ein
derartiger Gasmessfühler
ist aus der
DE 101
51 291 A1 bekannt. Der Gasmessfühler weist ein rohrförmiges metallisches
Gehäuse
auf, in dem ein in Planartechnik hergestelltes, längliches
Sensorelement mit rechteckigem Querschnitt angeordnet ist. Zur Herstellung
des Sensorelements werden ungesinterte keramische Folien (Grünfolien)
mit elektrischen Elementen (zum Beispiel Elektroden und Heizer)
und mit anderen Funktionsschichten (zum Beispiel Isolationsschichten
oder porösen,
gasdurchlässigen
Schichten) bedruckt, zusammenlaminiert und gesintert. Das Sensorelement
ist so im Gehäuse
des Gasmessfühlers
angeordnet, dass die Großflächen des
keramischen Schichtsystems des Sensorelements parallel zur Längsachse
des Gehäuses
angeordnet sind. Das Sensorelement weist ein dem zu bestimmenden
Messgas zugewandtes, messgasseitiges Ende und ein vom Messgas abgewandtes,
anschlussseitiges Ende auf.
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Am
anschlussseitigen Ende sind auf der Außenfläche des Sensorelements Kontaktflächen vorgesehen,
die mit den elektrischen Elementen am messgasseitigen Ende des Sensorelements
durch innerhalb des Schichtverbunds angeordnete Zuleitungen elektrisch.
verbunden sind. Diese Kontaktflächen
sind mittels einer Klemmkontaktierung mit Leiterelementen elektrische
kontaktiert, durch die das Sensorelement mit einer außerhalb
des Gasmessfühlers
befindlichen Auswerteelektronik elektrisch verbunden ist. Die Kontaktflächen sind
auf einer Großfläche des
Sensorelements vorgesehen, und die Klemmkraft, durch die die Leiterelemente
auf die Kontaktflächen
gedrückt
werden, wirkt Senkrecht zur Längsachse
des Gehäuses.
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Zur
Abdichtung des messgasseitigen Abschnitts vom anschlussseitigen
Abschnitt des Gehäuses
ist das Sensorelement entlang seiner Längserstreckung mittig von einem
Dichtelement umgeben, das zwei Steatitschichten und zwischen den Steatitschichten
eine Bornitridschicht enthält.
Das Dichtelement ist zwischen zwei keramischen Formteilen angeordnet,
die das Dichtelement zusammenpressen und so verformen, dass das
Dichtelement sich gasdicht an Sensorelement und Gehäuse anlegt.
Die Dichtfläche,
mit der das Dichtelement an dem Sensorelement und dem Gehäuse anliegt,
liegt parallel zur Längsachse
des Gehäuses.
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Bei
einem derartigen Gasmessfühler
ist nachteilig, dass durch die Abdichtung des Sensorelements entlang
seiner Längserstreckung
beziehungsweise durch die Kontaktierung des Sensorelements mittels
seitlich am Sensorelement aufgebrachter Kontaktflächen das
Sensorelement einen großen Platzbedarf
hat. Zudem muss zur Abdichtung und zur Kontaktierung des Sensorelements
an zwei Stellen, nämlich
mittig beim Dichtelement und bei den anschlussseitigen Kontaktflächen, durch
unterschiedliche Vorrichtungen eine Klemmbeziehungsweise Federkraft
aufgebracht werden, was fertigungstechnisch aufwendig und teuer
ist. Zudem ist die Abdichtung eines im Querschnitt rechteckigen
Körpers
aufwendig.
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Aus
der US 2002/0000337 A1 ist ein planares, schichtförmig aufgebautes
Sensorelement bekannt, das in einem Gehäuse angeordnet ist, dessen Längsachse
senkrecht zur den Schichtebenen des Sensorelements steht. Das Sensorelement
weist eine Dichtfläche
und eine Kontaktfläche
auf, die parallel zu der Schichtebene des Sensorelements angeordnet
ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den
Kennzeichen der unabhängigen
Ansprüche
hat demgegenüber
den Vorteil, dass ein platzsparendes Sondenkonzept realisiert werden
kann, bei dem die zur Abdichtung und zur Kontaktierung des Sensorelements
erforderliche Kraft senkrecht zur Längsachse des Gehäuses wirkt und
bei dem das Sensorelement gegenüber
dem Gehäuse
abgedichtet ist. Hierzu weist das Sensorelement eine Dichtfläche und/oder
eine Kontaktfläche
auf, die senkrecht zur Längsachse
des Gehäuses
ausgerichtet ist, wobei die Dichtfläche als eine auf das Sensorelement
aufgebrachte, Keramik enthaltende Isolationsschicht ausgebildet
ist. Alternativ oder zusätzlich
ist vorgesehen, dass das Sensorelement von einem hülsenförmigen Isolierkörper, beispielsweise
aus Aluminiumoxid, umgeben und so vom Gehäuse elektrisch isoliert ist.
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Alternativ
ist bei einem Sensorelement, dessen Schichtebenen senkrecht zur
Längsachse
des Gehäuses
angeordnet sind, die Dichtfläche
konisch geformt und weist zur Längsachse
des Gehäuses
einen Winkel von 45 bis 90 Grad, insbesondere von 60 bis 85 Grad,
auf. Durch die konische Formung wird eine besonders wirkungsvolle
Abdichtung erreicht.
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Durch
die platzsparende Bauweise ergibt sich gegenüber den herkömmlichen
Sensorkonzepten eine deutliche Einsparung von Platin und Zirkonoxid.
Zudem kann eine kleinbauende Sonde deutlich schneller auf die gewünschte Betriebstemperatur aufgeheizt
werden. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Gasmessfühler besonders stabil gegenüber Schwingbelastung.
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Durch
die Anordnung der Dichtfläche und/oder
der Kontaktfläche
senkrecht zur Längsachse
des Gehäuses
kann zudem die thermische Ausdehnung der den Gasmessfühler bildenden
Elemente ausgenutzt werden, um die zur Abdichtung und zur Kontaktierung
des Sensorelements notwendige Kraft parallel zur Längsachse
des Sensorelements durch die im Betrieb des Gasmessfühlers vorliegenden
hohen Temperaturen noch zu erhöhen.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Gasmessfühlers
möglich.
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Ist
sowohl die Dichtfläche
als auch die Kontaktfläche
des Sensorelements senkrecht zur Längsachse des Gehäuses angeordnet,
oder ist die Dichtfläche konisch
ausgestaltet, so genügt
ein Mittel zur Ausübung
einer Kraft parallel zur Längsachse
des Gehäuses,
um das Sensorelement abzudichten und zu kontaktieren. Dieses Mittel
ist vorteilhaft ein Federelement, das auf der der Dichtfläche des
Sensorelements abgewandten Seite des Sensorelements angeordnet ist.
Das Federelement drückt
das Leiterelement auf die Kontaktfläche und übt eine Kraft auf das Sensorelement
aus, durch die die Dichtfläche des
Sensorelements auf die Dichtfläche
des Dichtkörpers
gedrückt
wird.
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Vorteilhaft
ist zwischen dem Federelement und dem Sensorelement eine Kontaktierungsscheibe aus
einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen. Die Kontaktierungsscheibe
weist auf ihrer dem Sensorelement zugewandten Seite eine Aussparung zur
Aufnahme des Leiterelements auf, wobei ein Teilbereich des Leiterelements
aus der Aussparung herausragt und auf der Kontaktfläche aufliegt.
Durch die Kontaktierungsscheibe wird das Leiterelement fixiert und
gegenüber
dem Gehäuse,
dem Federelement und weiteren Leiterelementen isoliert. Liegt das
Leiterelement mit einem Teilbereich in der Aussparung der Kontaktierungsscheibe,
so wird verhindert, dass das Leiterelement aufgrund des Anpressdrucks
und der hohen Temperaturen verfließt, also seine ursprüngliche
Querschnittsform verliert.
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Vorteilhaft
weist die Kontaktierungsscheibe zur Führung und Fixierung in Richtung
der Längsachse
des Gehäuses
eine Durchführung
zur Aufnahme des Leiterelements auf. Sind mehrere Leiterelemente vorgesehen,
so weist die Kontaktierungsscheibe für jedes Leiterelement eine
Durchführung
und/oder eine Aussparung auf.
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Vorteilhaft
wird als Federelement eine Spiralfeder oder eine Tellerfeder verwendet,
die preisgünstig
ist und eine hohe Hitzebeständigkeit
aufweist. Bei Verwendung einer Tellerfeder lässt sich eine besonders große Kraft
auf das Sensorelement ausüben.
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Für eine besonders
kompakte Bauweise des Gasmessfühlers
liegt die Dichtfläche
des Sensorelements auf einem Dichtring auf, der am Gehäuse angeformt
ist oder an ein an das Gehäuse
angeformte Widerlager angrenzt.
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Eine
besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn sich direkt an das
Gehäuse
eine Metallmantelleitung anschließt, in der die Leiterelemente geführt sind.
Die Metallmantelleitung ist an dem Gehäuse beispielsweise durch Laserschweißen festgelegt,
oder das das Gehäuse
und die Metallmantelleitung umfassende Element ist einstückig ausgeführt. Fertigungstechnisch
besonders günstig
ist eine Ausführung,
bei der der Außendurchmesser
des Gehäuses
dem Außendurchmesser
der Metallmantelleitung entspricht, so dass das Gehäuse durch
den Endabschnitt der Metallmantelleitung gebildet wird.
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Weiterhin
wird eine kompakte Bauweise vorteilhaft durch ein zylinderförmiges Sensorelement
erreicht, das als keramischer Schichtverbund ausgebildet ist und
dessen Schichtebenen senkrecht zur Längsachse des Gehäuses angeordnet
sind. Die rotationssymmetrische Form des Sensorelements vereinfacht
die Herstellung und den Einbau in das Gehäuse.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Die 1 zeigt
als erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Gasmessfühler
zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eines Messgases in Schnittdarstellung, 2 zeigt
als zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Temperaturmessfühler in Schnittdarstellung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt
als erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Gasmessfühler 10 mit
einem in einem rohrförmigen
Gehäuse 21 angeordneten
zylinderförmigen
Sensorelement 20. Das Sensorelement 20 ist auf
seiner einen messgasseitigen Stirnfläche 28 dem zu bestimmenden
Messgas, beispielsweise einem Abgas eines Verbrennungsmotors, ausgesetzt.
Auf der gegenüberliegenden,
anschlussseitigen Stirnfläche 29 des
Sensorelements 20 erfolgt der elektrische Anschluss des
Sensorelements 20.
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Das
Sensorelement 20 ist in Planartechnik hergestellt und weist
eine erste, eine zweite und eine dritte Festelektrolytschicht 31, 32, 33 auf.
Auf der Außenfläche der
ersten dem Messgas ausgesetzten Festelektrolytschicht 31 und
damit auf der messgasseitigen Stirnfläche 28 des Sensorelements 20 ist eine
erste Elektrode 34 vorgesehen. In die an die erste Festelektrolytschicht 31 angrenzende
zweite Festelektrolytschicht 32 ist ein Referenzgasraum 38 eingebracht.
Im Referenzgasraums 38 ist auf der ersten Festelektrolytschicht 31 eine
zweite Elektrode 35 vorgesehen. Die erste und die zweite
Elektrode 34, 35 bilden zusammen mit der zwischen
den beiden Elektroden 34, 35 angeordneten ersten
Festelektrolytschicht 31 eine elektrochemische Nernstzelle.
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In
der dritten. an die zweite Festelektrolytschicht 32 angrenzenden
Festelektrolytschicht 33 ist eine Gaszutrittsöffnung 39 vorgesehen,
durch die der Referenzgasraum 38 mit einem Referenzgas
enthaltenden Bereich außerhalb
des Sensorelements 20 verbunden ist. Weiterhin sind auf
der anschlussseitigen Stirnfläche 29 des
Sensorelements 20, also auf der Außenfläche der dritten Festelektrolytschicht 33 eine
erste und eine zweite Kontaktfläche 36, 37 aufgebracht,
die mit der ersten beziehungsweise zweiten Elektrode 34, 35 durch
Durchkontaktierungen (nicht dargestellt) elektrisch verbunden sind.
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Auf
der messgasseitigen Stirnfläche 28 des Sensorelements 20 ist
nahe dem Außenrand
der messgasseitigen Stirnfläche 28 eine
ringförmige Dichtfläche 43 des
Sensorelements 20 vorgesehen, auf der eine entsprechende
Dichtfläche 42 eines Dichtrings 41 aufliegt.
Die Dichtfläche 43 des
Sensorelements 20 ist durch den entsprechenden Abschnitt der
ersten Festelektrolytschicht 31 gebildet. In einer nicht
dargestellten alternativen Ausführungsform
ist auf die erste Festelektrolytschicht 31 eine ringförmige Isolationsschicht
aufgebracht, die aus Keramik besteht, die Dichtfläche 43 des
Sensorelements 20 bildet und den Dichtring 41 und
damit das Gehäuse 21 gegen
die erste Festelektrolytschicht 31 elektrisch isoliert.
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Die
Festelektrolytschichten 31, 32, 33 des Sensorelements 20 bestehen
aus mit Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid. Die porösen Elektroden 34, 35 und
die Kontaktflächen 36, 37 bestehen
aus einem Cermet, das Platin und Zirkonoxid enthält.
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Das
zylinderförmige
Sensorelement 20 ist in dem rohrförmigen Gehäuse 21 derart festgelegt, dass
die Längsachsen
des Sensorelements 20 und des Gehäuses 21 zusammenfallen.
Das Sensorelement 20 ist an seiner Mantelfläche von
einem hülsenförmigen Isolierkörper 23 umgeben,
durch den das Sensorelement 20 von dem metallischen Gehäuse 21 isoliert
ist. Der Isolierkörper 23 besteht überwiegend
aus Aluminiumoxid.
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Am
messgasseitigen Ende des Gehäuses 21 ist
durch Laserschweißen
ein Schutzrohr 22 festgelegt. Auf der dem Sensorelement 20 zugewandten Seite
weist das Schutzrohr 22 einen nach innen weisenden Abschnitt 44 auf,
der als Widerlager für
den Dichtring 41 dient. Das Sensorelement 20 wird
mit seiner Dichtfläche 43 durch
ein Federelement 26 auf den Dichtring 41 gedrückt und
so im Gehäuse 21 abgedichtet.
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Das
Federelement 26 ist im Gehäuse 21 zwischen einem
am Gehäuse 21 angeformten
Widerlager und einer Kontaktierungsscheibe 24 angeordnet. Die
Kontaktierungsscheibe 24 weist zwei Durchführungen 52 auf,
durch die zwei Leiterelemente 25 geführt sind. Die Leiterelemente 25 weisen
zwischen der Kontaktierungsscheibe 24 und dem Sensorelement 20 einen
zur anschlussseitigen Stirnfläche 29 parallelen
Abschnitt auf. Dieser Abschnitt wird durch das Federelement 26 über die
Kontaktierungsscheibe 24 auf die jeweiligen Kontaktflächen 36, 37 gedrückt. Um
ein Verfließen
dieses Abschnittes der Leiterelemente 25 zu verhindern,
sind auf der dem Sensorelement 20 zugewandten Seite der
Kontaktierungsscheibe 24 für jedes Leiterelement 25 eine
Aussparung 51 vorgesehen, aus der das Leiterelement 25 mit
einem Teilabschnitt herausragt.
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An
das Gehäuse 21 schließt sich
eine Metallmantelleitung mit einem Metallmantel an, in dem die Leiterelemente 25 geführt sind.
Die Leiterelemente 25 sind durch eine Isolation von dem
Metallmantel elektrisch isoliert. Die Metallmantelleitung ist durch eine
Schweißverbindung
am Gehäuse 21 festgelegt oder
einstückig
mit dem Gehäuse 21 verbunden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung weist das Sensorelement einen Heizer auf, durch den
das Sensorelement auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur aufgeheizt
wird. Der Heizer ist zwischen der dritten Festelektrolytschicht
und einer vierten Festelektrolytschicht angeordnet und von den Festelektrolytschichten
durch eine Isolation elektrisch isoliert. Der Heizer ist durch zwei
Durchkontaktierungen mit weiteren Kontaktflächen auf der anschlussseitigen
Stirnfläche
des Sensorelements verbunden.
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2 zeigt
als zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung einen Gasmessfühler
zur Bestimmung der Temperatur eines Messgases. Das zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel
in der Ausgestaltung des Sensorelements 120. Der Verbau
des Sensorelements 120 in das Gehäuse 21 sowie Abdichtung
und Kontaktierung entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel. Daher wurden
einander entsprechende Elemente in 2 mit denselben
Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
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Das
Sensorelement 120 weist eine erste Keramikfolie 161 und
eine zweite Keramikfolie 162 auf, zwischen denen eine mäanderförmige Widerstandsschicht 165 sowie
eine erste Isolationsschicht 163 vorgesehen ist. Die erste
Isolationsschicht 163 umgibt die Widerstandsschicht 165 vollständig, so
dass die Widerstandsschicht 165 durch die erste Isolationsschicht 163 von
der ersten und der zweiten Keramikfolie 161, 162 elektrisch
isoliert ist.
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Auf
der dem Messgas abgewandten Seite des Sensorelements 120 ist
auf der ersten Keramikfolie 161 eine zweite Isolationsschicht 164 vorgesehen,
auf der die erste und die zweite Kontaktfläche 36, 37 vorgesehen
sind. Die Widerstandsschicht 165 ist durch nicht dargestellte
Durchkontaktierungen mit den beiden Kontaktflächen 36, 37 elektrisch
verbunden. Aus dem temperaturabhängigen
Widerstand der Widerstandsschicht 165 wird mittels einer
außerhalb des
Gasmessfühlers
angeordneten Auswerteelektronik (nicht dargestellt) die Temperatur
des Messgases bestimmt.
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Zum
Abgleich der Widerstandsschicht 165 ist in der zweiten
Keramikfolie 162 eine Öffnung
vorgesehen, die nach erfolgtem Abgleich durch den sogenannten Trimmlochverschluss 166 verschlossen wird.
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Die
erste und zweite Keramikfolie 161, 162 besteht überwiegend
aus Zirkonoxid, die erste und zweite Isolationsschicht 163, 164 aus
Aluminiumoxid. Die Widerstandsschicht 165 besteht überwiegend aus
Platin. Der Trimmlochverschluss 166 besteht aus einem Glas.
In einer alternativen Ausführung
kann der Trimmlochverschluss 166 auch eine Glaskeramik oder
eine Keramik aufweisen.
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Der
Verbau einschließlich
der Halterung, der Abdichtung und der Kontaktierung des Sensorelements 120 zur
Bestimmung der Temperatur des Messgases entspricht dem Verbau des
Sensorelements 20 des ersten Ausführungsbeispiels.
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Eine
alternative, nicht dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet
sich von dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel lediglich darin,
dass die Dichtfläche
des Sensorelements konisch ausgeführt ist, wobei die Symmetrieachse der
konischen Dichtfläche
parallel zur Symmetrieachse des rohrförmigen Gehäuses liegt und wobei die konische
Dichtfläche
einen Winkel zur Längsachse
des Gehäuses
von 75 Grad aufweist. Der Dichtring liegt bei dieser Ausführungsform
plan auf der Dichtfläche
auf und ist somit ebenfalls konisch geformt.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
beschriebenen Sensorelemente beschränkt, sondern allgemein auf
in Planartechnik hergestellte Sensorelemente übertragbar. Diese Sensorelemente
können
auch zum Nachweis von Sauerstoff oder einer anderen Gaskomponente
wie Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff oder Kohlendioxid
geeignet sein und mehr als eine elektrochemische Zelle, beispielsweise eine
Nernstzelle und eine Pumpzelle (Breitband-Lambda-Sonde) aufweisen.