DE10248033A1

DE10248033A1 - Gassensorelement mit mindestens zwei Zellen

Info

Publication number: DE10248033A1
Application number: DE10248033A
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Mabuchi; Yoshiaki Kuroki; Shinya Awano; Hiroyuki Hayashi; Kunio Yanagi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: US6936148B2; US20030183520A1; DE10248033B4

Abstract

Ein Sensorelement mit einem isolierenden Unterteil (11), einem Heizwiderstand (12), einer Sauerstoffpumpzelle (13), einer Sauerstofffeststellzelle (14) und einem diffusionskammerbildenden Bauteil (161), der ein geschwindigkeitsregelndes Einleitteil (163) aufweist und eine Diffusionskammer (16) zusammenwirkend mit Elektroden (1321, 1421) ausbildet, wobei diese Bestandteile gleichzeitigem Brennen (d. h. gemeinsamem Brennen) unterzogen wurden, um ein einstückiges Sensorelement auszubilden. Eine Trennwand (162), welche sich von dem diffusionskammerbildenden Bauteil erstreckt und aus Aluminiumoxid gefertigt ist, ist mit einer Oberfläche eines Festelektrolyts (131) zwischen zwei Elektroden (1321, 1322) einer Ip-Zelle verbunden. Vorzugsweise enthält ein Bereich innerhalb von 20 mum von der Übergangsebene, welche die Trennwand (162) mit dem Festelektrolyt (131) verbindet, keinen Abschnitt, dessen Menge an Nichtaluminiumoxidsubstanzen um 2 Masseprozent (Gewichtsprozent) oder mehr die Menge der Nichtaluminiumoxidsubstanzen des diffusionskammerbildenden Bauteils (161) übersteigt.

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement sowie einen Gassensor unter Verwendung desselben, insbesondere ein Gassensorelement mit mindestens einer Zweizellenkonfiguration, die zur Verwendung als zum Beispiel Vollbereichs- Luft-/Kraftstoffverhältnissensor (ein Sensor, der ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis eines Verbrennungsmotors über den gesamten Bereich desselben messen kann), Stickstoffoxidsensor, Sensor für brennbares Gas (ein Sensor, der Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffgas oder anderes brennbares Gas messen kann) oder als Mischgassensor (ein Sensor, der mehrere aus Sauerstoff, Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffgas und anderen brennbaren Gasen gewählte Gase messen kann) geeignet ist.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Die Emissionsmenge von Schadstoffen (z. B. Kohlenwasserstoffgas, Kohlenmonoxid und Stickstoffoxide), die in den von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs etc. abgegebenen Abgasen enthalten sind, unterliegt ständig strengeren Bestimmungen. Im Hinblick auf den Treibhauseffekt und weitere Probleme ist die Notwendigkeit der Verringerung der Emission von Kohlendioxid zudem größer geworden, wodurch sich ein großer Bedarf nach einem Verfahren für das weitere Verringern des Kraftstoffverbrauchs von Verbrennungsmotoren entwickelt hat.

Unter diesen Umständen werden strengere Anforderungen an Gassensoren gestellt, welche für die Verringerung der in Abgasen enthaltenen Schadstoffe und die Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit unverzichtbar sind, und es werden Gassensoren mit verbesserter Leistung und Zuverlässigkeit gefordert. Insbesondere in den letzten Jahren hat sich eine Nachfrage nach einem Gassensor, der schnell aktiviert werden kann und Strom sparen kann und dabei verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit aufweist, gezeigt. Zudem haben Kohlenmonoxidgassensoren und Stickstoffoxidsensoren, die Schadstoffe direkt selbst nachweisen können, viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Die nachstehend erwähnten Patentschriften 1 und 2 sowie weitere Druckschriften offenbaren ein Zweizellen-Gassensorelement, welches eine Sauerstoffpumpzelle mit einem auf einer Festelektrolytschicht vorgesehenen Elektrodenpaar und eine Sauerstofffeststellzelle mit ähnlicher Konfiguration aufweist. Das Gassensorelement erlaubt eine Vollbereichsmessung des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, um so die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Verbrennungsmotors zu verbessern. Bei einem Gassensorelement dieser Art müssen sich Ione, beispielsweise Sauerstoffione, schnell durch die Festelektrolytschicht bewegen. Daher ist ein Heizwiderstand für das Heizen der Festelektrolytschicht in der Nähe der Zellen angeordnet, um die Sauerstoffpumpzelle auf eine Temperatur von zum Beispiel 700°C oder höher zu erhitzen und bei dieser Temperatur zu halten. Da Keramikmaterial, welches das Festelektrolyt bildet, im Allgemeinen aber eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann der Vorgang des Erhitzens der Zellen auf eine hohe Temperatur, insbesondere für eine schnelle Aktivierung der Zellen, nicht schnell und effizient durchgeführt werden. Da die Verwendung einer großen Menge an teurem Zirkoniumoxidmaterial aber die Kosten eines solchen Gassensors erhöht, ist dessen Anwendungsbereich begrenzt, selbst wenn dieser Gassensor eine ausgezeichnete Leistung bietet. Die nachstehend erwähnten Patentschriften 3 und 4 offenbaren insbesondere ein Verfahren für das gleichzeitige Brennen von Zirkoniumoxidkeramik und Aluminiumoxidkeramik. Ferner offenbart die nachstehend erwähnte Patentschrift 5 ein Verfahren für das Verhindern einer Wanderung. Patentschrift 1 Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 62-148849 Patentschrift 2 Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 11-14594 Patentschrift 3 Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2001-66280 Patentschrift 4 Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2000-292406 Patentschrift 5 Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 62-44971

3. Durch die Erfindung gelöste Probleme

Von den oben beschriebenen Problemen lässt sich das Problem bezüglich der Heizeffizienz durch ein in Patentschrift 2 offenbartes Gassensorelement lösen. Das Gassensorelement verwendet ein Substrat, bei welchem ein Heizwiderstand in einem Keramikmaterial, das Aluminiumoxid mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit als Hauptbestandteil enthält, eingebettet ist. Dieser Gassensor hat jedoch den folgenden Nachteil. Da das Substrat aus Aluminiumoxid gebildet wird, das sich bezüglich der Wärmeausdehnung stark von Zirkoniumoxid unterscheidet, das als Material für eine Festelektrolytschicht verwendet wird, kommt es bei Verbinden des Substrats und der Festelektrolytschicht durch gleichzeitiges Brennen zu Rissbildung in der Festelektrolytschicht oder die Festelektrolytschicht zerbricht in Stücke.

Weiterhin offenbaren die Patentschriften 4 und 5 einen Gassensor, der durch gleichzeitiges Brennen (also gemeinsames Brennen) eines Aluminiumoxidsubstrat und einer Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid enthaltenden Festelektrolytschicht hergestellt wird. Wenige Untersuchungen berichten jedoch über einen Sensoraufbau, bei welchem sowohl eine Sauerstoffkonzentrationsfeststellzelle als auch eine Sauerstoffpumpzelle an der gleichen Fläche einer Festelektrolytschicht ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden jeder Zelle innerhalb einer gemeinsamen Gasdiffusionskammer angeordnet ist und die andere Elektrode außerhalb der Gasdiffusionskammer ausgebildet ist und wobei die Pumpzelle, welche Sauerstoffione verwendet, die in eine Richtung der ebenen Fläche der Festelektrolytschicht strömen, auf einer gemeinsamen Ebene des Aluminiumoxidsubstrats angeordnet ist. Zudem berichten wenige Untersuchungen über technische Probleme, die sich aus einem solchen Zweizellensensoraufbau mit mindestens einem auf einer ebenen Elektrolytschichtfläche ausgebildeten Paar Pumpzellenelektroden ergeben.

ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung kann die oben beschriebenen Probleme sowie mögliche Probleme lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gassensorelement zur Hand zu geben, welches eine hinsichtlich der baulichen Festigkeit günstige Form annimmt, welches schnell aktiviert werden kann und eine genaue Messung bei geringem Stromverbrauch durchführen kann und welches bei relativ niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Ein erfindungsgemäßes Gassensorelement weist mindestens eines der folgenden Hauptmerkmale auf. Die hier eingefügten Bezugszeichen dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die jeweiligen Zeichnungen.

1. Wie in Fig. 1 gezeigt werden mindestens eine Sauerstoffpumpzelle (13) und eine Sauerstofffeststellzelle (14) jeweils mit unterschiedlichen Festelektrolytschichten (131,141), die durch einen Teil eines isolierenden Keramikunterteils (11) ionisch getrennt sind, ausgebildet.
2. Elektroden der Pumpzelle (13) werden auf einer gemeinsamen Fläche der Festelektrolytschicht (131) koplanar ausgebildet, so dass Sauerstoffione in einer Schicht-Ebene-Richtung der Festelektrolytschicht (131), nicht in einer Dickenrichtung derselben senkrecht zur Schicht-Ebene-Richtung strömen.
3. Ein isolierendes Unterteil (11) mit einem Keramikbauteil, das vorzugsweise einen Heizwiderstand (12) abdeckt, ist mit den Festelektrolytschichten (131, 141) einstückig ausgeführt.
4. Ein diffusionskammerbildendes Bauteil (161) ist mit dem isolierenden Unterteil einstückig ausgeführt, um eine Diffusionskammer 16 und eine Trennwand (162) auszubilden, so dass ein Ende der sich von dem diffusionskammerbildenden Bauteil (161) erstreckenden Trennwand (162) mit einer Fläche der Festelektrolytschicht (131) verbunden ist, wobei die Fläche zwischen den Elektroden (1321/1322) der Pumpzelle (13) angeordnet ist.
5. Eine Elektrode (1421) der Sauerstofffeststellzelle (14) ist in der Diffusionskammer (16) einer Gasatmosphäre ausgesetzt und die andere Elektrode (1422) ist als Sauerstoffbezugselektrode außerhalb der Diffusionskammer (16) angeordnet.
6. Die Festelektrolytschicht enthält Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid, und wenn die Gesamtmenge an Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid als 100 Masseprozent festgelegt ist, beträgt der Aluminiumoxidgehalt 10 bis 80 Masseprozent und das Aluminiumoxid hat eine mittlere Korngröße von nicht mehr als 1,0 µm.
7. Ein Grenzteil innerhalb von 20 µm von einer Übergangsebene zwischen der Festelektrolytschicht (131) und der Trennwand (162) enthält keinen Teil, in welchem die Menge der anderen Substanzen als Aluminiumoxid die Menge der anderen Substanzen als Aluminiumoxid des diffusionskammerbildenden Bauteils (161) um 2 Masseprozent oder mehr übersteigt.
8. Das isolierende Unterteil (11), der Heizwiderstand (12), die Festelektrolytschichten (131, 132), die Elektroden (1321, 1322, 1421, 1422) und das diffusionskammerbildende Bauteil (161) sind durch gleichzeitiges Brennen oder gemeinsames Brennen einstückig ausgeführt.
9. Ein Teil der Trennwand innerhalb von 20 µm von einer Übergangsebene zwischen der Trennwand (162) und der Festelektrolytschicht (131) der Sauerstoffpumpzelle (13) ist als Trennwandübergangsteil definiert, wobei die gesamte Menge an in dem Trennwandübergangsteil enthaltenen Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium reduziert auf ihre jeweiligen Oxide 2 Masseprozent oder weniger bezüglich des gesamten Trennwandübergangsteils ausmacht.
10. Ein Wanderungsverhinderungsleiter (152) zum Verhindern eines Abbaus des Heizwiderstands (12) ist an der Fläche des bzw. innerhalb des isolierenden Unterteils (11) vorgesehen (wie in Fig. 5 gezeigt).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird in einer ersten Ausführung durch Vorsehen des Folgenden verwirklicht: eines Gassensorelements, welches einen isolierenden Unterteil mit einem isolierenden Keramikbauteil und einem an einer Fläche des oder innerhalb des isolierenden Keramikbauteils ausgebildeten Heizwiderstand umfasst; einer oder mehrerer Sauerstoffpumpzellen und einer oder mehrerer Sauerstofffeststellzellen, wobei die Zellen direkt mit dem isolierenden Unterteil oder indirekt über ein anderes Bauteil mit dem isolierenden Unterteil verbunden sind und jeweils eine Festelektrolytschicht sowie ein an einer Fläche der Festelektrolytschicht ausgebildetes Paar Elektroden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Keramikbauteil als Hauptbestandteil Aluminiumoxid enthält; eine Diffusionskammer durch ein diffusionskammerbildendes Bauteil mit einem geschwindigkeitsregelnden Einleitteil für das Einleiten eines zu messenden Gases ausgebildet ist; und eine der Elektroden der mindestens einen Sauerstoffpumpzelle und eine der Elektroden der mindestens einen Sauerstofffeststellzelle an einer gemeinsamen Wandfläche der Diffusionskammer angeordnet sind.

Mindestens eine Sauerstoffpumpzelle kann so konfiguriert sein, dass beide Elektroden der Sauerstoffpumpzelle an der gleichen Fläche der Festelektrolytschicht der Sauerstoffpumpzelle angeordnet sind und eine Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltende Trennwand so zwischen den Elektroden vorgesehen ist, dass ein Ende der Trennwand mit der Fläche der Festelektrolytschicht verbunden ist. Das diffusionskammerbildende Bauteil kann Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthalten. Die Trennwand kann einen Teil des diffusionskammerbildenden Bauteils bilden. Das Gassensorelement kann durch gleichzeitiges Brennen (oder vielmehr gemeinsames Brennen) hergestellt werden. Wenn ein Teil der Trennwand innerhalb von 20 µm von einer Übergangsebene zwischen der Trennwand und der Festelektrolytschicht der Sauerstoffpumpzelle als Trennwandübergangsteil definiert ist, beträgt die gesamte Menge an in dem Trennwandübergangsteil enthaltenen Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium reduziert auf ihre jeweiligen Oxide 2 Masseprozent oder weniger bezüglich des gesamten Trennwandübergangsteils.

Wenn ferner ein Teil der Trennwand ausschließlich des Trennwandübergangsteils als verbleibender Trennwandteil festgelegt ist, beträgt die gesamte Menge an in dem verbleibenden Trennwandteil enthaltenen Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium reduziert auf ihre jeweiligen Oxide 1 Masseprozent (oder Gewichtsprozent) oder weniger bezüglich des gesamten verbleibenden Trennwandteils. Die Festelektrolytschicht kann Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid enthalten, und wenn die Gesamtmenge an Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid als 100 Masseprozent festgelegt ist, kann der Aluminiumoxidgehalt 10 bis 80 Masseprozent betragen und das Aluminiumoxid kann eine mittlere Korngröße von nicht mehr als 1,0 µm aufweisen. Das isolierende Keramikbauteil kann Aluminiumoxid in einer Menge von 70 Masseprozent oder mehr enthalten. Weiterhin kann das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid in einer Menge von 99 Masseprozent oder mehr enthalten. Ferner kann das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid in einer Menge von nicht weniger als 70, aber weniger als 99 Masseprozent enthalten; der Heizwiderstand kann einen Wärmeerzeugungsteil, welcher bei Anlegen von Spannung daran Wärme erzeugt, sowie einen mit dem Wärmeerzeugungsteil verbundenen vorderen Teil, der eine größere Breite als das Wärmeerzeugungsteil aufweist, umfassen; und ein Wanderungsverhinderungsleiter kann an der Fläche des bzw. innerhalb des isolierenden Unterteils vorgesehen sein, wobei der Wanderungsverhinderungsleiter bei einem Potenzial gleich oder niedriger als ein Potenzial an der Grenze zwischen dem Wärmeerzeugungsteil und dem vorderen Teil gehalten wird.

Eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung sieht ein Gassensorelement vor, das einen isolierenden Unterteil (11); einen in dem isolierenden Unterteil (11) ausgebildeten Heizwiderstand (12); mehrere an einer Seite des isolierenden Unterteils (11) angeordnete Festelektrolytschichten (131, 141); eine Sauerstoffpumpzelle (13) mit einem an einer gemeinsamen Fläche einer Festelektrolytschicht (131) angeordneten Paar Elektroden (1321/1322); eine Sauerstofffeststellzelle (14) mit einem an einer gemeinsamen Fläche der anderen Festelektrolytschicht (141) angeordneten Paar Elektroden (1421/1422) sowie ein diffusionskammerbildendes Bauteil (161), das ein geschwindigkeitsregelndes Einleitteil (163), durch welchen ein zu messendes Gas strömt, aufweist und eine Diffusionskammer (16) zusammenwirkend mit einer Elektrode (1321) der Sauerstoffpumpzelle und einer Elektrode (1421) der Sauerstofffeststellzelle ausbildet, umfasst, wobei das isolierende Unterteil, der Heizwiderstand, die Festelektrolytschichten, die Sauerstoffpumpzelle, die Sauerstofffeststellzelle und das diffusionskammerbildende Bauteil durch gleichzeitiges Brennen einstückig ausgeführt wurden, dadurch gekennzeichnet, dass

a) sowohl das isolierende Unterteil (11) als auch das diffusionskammerbildende Bauteil (161) Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthalten;
b) eine Trennwand (162), welche sich von dem diffusionskammerbildenden Bauteil (161) erstreckt, mit einer Fläche eines Festelektrolyts (131) zwischen einem Paar Elektroden (1321/1322) der Sauerstofffeststellzelle verbunden ist; und
c) ein Grenzteil innerhalb von 20 µ~m von einer Übergangsebene zwischen der Festelektrolytschicht (131) und der Trennwand (162) keinen Teil enthält, in welchem die Menge der anderen Substanzen als Aluminiumoxid die Menge der anderen Substanzen als Aluminiumoxid des diffusionskammerbildenden Bauteils (163) um 2 Masseprozent oder mehr übersteigt.

Die Festelektrolyte (131, 132) können Zirkoniumoxidkeramik in einer Menge von 20 bis 90 Masseprozent und Aluminiumoxid in einer Menge von 10 bis 80 Masseprozent enthalten.

Ferner kann der isolierende Unterteil (11) Aluminiumoxid in einer Menge von nicht weniger als 70, aber weniger als 99 Masseprozent enthalten; der Heizwiderstand (12) kann einen Wärmeerzeugungsteil (121), welcher bei Anlegen von Spannung daran Wärme erzeugt, sowie einen mit dem Wärmeerzeugungsteil verbundenen vorderen Teil (122), der eine größere Breite als das Wärmeerzeugungsteil aufweist, enthalten; und ein Wanderungsverhinderungsleiter (152) kann an der Fläche des isolierenden Unterteils (11) bzw. innerhalb des isolierenden Unterteils (11) vorgesehen sein, wobei der Wanderungsverhinderungsleiter (152) bei einem Potenzial gleich oder niedriger als ein Potenzial an der Grenze zwischen dem Wärmeerzeugungsteil (121) und dem vorderen Teil (122) gehalten wird.

Ein erfindungsgemäßer Gassensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gassensorelement mit einem der oben beschriebenen Merkmale oder eine Kombination derselben umfasst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Gassensorelement kann einen Aufbau einnehmen, bei dem mindestens zwei Zellen Seite an Seite an einem Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltenden isolierenden Unterteil vorgesehen sind (nämlich ein Aufbau, bei dem Zellen nicht aufeinander geschichtet sind). Daher erfordert das erfindungsgemäße Gassensorelement im Gegensatz zu einem Gassensorelement mit geschichteten Zellen kein Vorsehen einer dünnen Schicht für das Trennen von Diffusionskammern und kann daher einen Aufbau einnehmen, der in Bezug auf Festigkeit stabiler und vorteilhafter ist. Insbesondere kann der Abstand zwischen dem Heizwiderstand und jeder Festelektrolytschicht verkürzt werden, um so die Übertragungsgeschwindigkeit der Wärme zu erhöhen und eine Heizzeit für das Aktivieren jeder Zelle zu verkürzen. Daher kann das erfindungsgemäße Gassensorelement seinen Betrieb schnell aufnehmen. Da die Temperatur der Festelektrolytschichten schnell geregelt werden kann, kann zudem eine genauere Messung vorgenommen werden. Weiterhin kann der Stromverbrauch verringert werden. Verglichen mit einem Gassensorelement mit geschichteten Zellen kann während der Herstellung des erfindungsgemäßen Gassensorelements zudem eine Reihe von Vorgängen für das Schichten und Drucken reduziert werden, so dass das oben beschriebene ausgezeichnete Gassensorelement einfach und stabil erzeugt werden kann.

Da eine Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltende Trennwand für das Paar Elektroden der Sauerstoffpumpzelle, die eine große Menge Strom für das Pumpen von Sauerstoff benötigt, vorgesehen ist, kann ein Leckstrom zwischen den Zellelektroden entlang der Fläche des Festelektrolyts verhindert werden, wodurch ein zuverlässiges Gassensorelement erhalten werden kann.

Da das diffusionskammerbildende Teil, das mindestens eine Wandfläche der Diffusionskammer bildet, Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält, sind die Zellen und die Diffusionskammer zwischen zwei Bauteilen angeordnet, die jeweils Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthalten; d. h. das diffusionskammerbildende Bauteil und das isolierende Unterteil, die Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthalten und den Heizwiderstand umfassen. Demgemäß wird die Wärmeübertragung zwischen Hauptteilen des Elements stark verbessert und es kann insbesondere in der ganzen Diffusionskammer eine konstante Temperatur gehalten werden. Daher kann das Gleichgewicht der Gasbestandteile zwischen den Elektroden der Sauerstoffpumpzelle und der Sauerstofffeststellzelle, die in der Diffusionskammer angeordnet sind, mühelos gehalten werden, wodurch eine genauere Messung (z. B. Messung eines Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses) durchgeführt werden kann.

Wenn die Trennwand ein Teil des diffusionskammerbildenden Bauteils ist, wird der Aufbau verglichen mit dem Fall, bei dem die Trennwand unabhängig von dem diffusionskammerbildenden Bauteil vorgesehen ist, einfacher, so dass die Erzeugung des Gassensorelements vereinfacht werden kann, während eine ausgezeichnete Wärmeübertragung gewahrt wird.

Das isolierende Unterteil, dessen Hauptteil aus einem Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltenden isolierenden Keramikbauteil gebildet ist, die Zellen, deren Hauptteile aus Festelektrolytschichten gebildet sind, das Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltende diffusionskammerbildende Bauteil, das die Diffusionskammer bildet, etc. sind durch gleichzeitiges Brennen einstückig ausgeführt. Daher kann die für das Aktivieren der Zellen erforderliche Heizzeit weiter verkürzt werden, wodurch das Gassensorelement seinen Betrieb schneller aufnehmen kann. Zudem wird eine ausgezeichnete Wärmeübertragung erreicht, die Temperatur der Festelektrolytschichten kann schnell geregelt werden und es kann eine genauere Messung (z. B. Messung des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses) durchgeführt werden.

Da die gesamte Menge an in dem Trennwandübergangsteil enthaltenen Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium reduziert in einer vorbestimmten Weise 2 Masseprozent oder weniger beträgt, kann ein Leckstrom zwischen dem Paar Elektroden der Ip-Zelle (erste Ip-Zelle) effektiver verhindert werden, wodurch ein zuverlässiges Gassensorelement erhalten werden kann.

Da die gesamte Menge an in dem verbleibenden Trennwandteil enthaltenen Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium reduziert in einer vorbestimmten Weise 1 Masseprozent oder weniger beträgt, kann die Menge der in dem Trennwandübergangsteil und dem Festelektrolytschichtübergangsteil enthaltenen oben beschriebenen Bestandteile zuverlässig bei 2 Masseprozent oder weniger gehalten werden.

Da die Festelektrolytschichten jeweils Aluminiumoxid in einer vorbestimmten Menge enthalten und das Aluminiumoxid eine vorbestimmte Korngröße aufweist, kommt es bei den Festelektrolytschichten zu keiner Rissbildung bzw. Brechen, was andernfalls bei einstückigen Ausführen der Zellen durch Brennen mit dem isolierenden Unterteil eintreten würde, dessen Hauptteil aus einem isolierenden Keramikbauteil gebildet ist, das Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält. Wenn das Festelektrolyt Zirkoniumoxid als Hauptbestandteil enthält, kann ferner dessen Phasenübergang effektiv verhindert werden, wodurch ein höchst zuverlässiger Gassensor zur Hand gegeben wird.

Da das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid in einer Menge von 70 Masseprozent enthält, wird ein Leckstrom in dem Heizwiderstand verhindert, die Isolierung zwischen den auf dem isolierenden Unterteil gebildeten Zellen kann zuverlässiger gehalten werden und die mechanische Festigkeit des gesamten Gassensorelements kann auf ein ausreichendes Maß erhöht werden.

Wenn das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid in einer Menge von 99 Masseprozent oder mehr enthält, wird Leckstrom innerhalb des Heizwiderstands zuverlässiger verhindert und die Isolierung zwischen den auf dem isolierenden Unterteil ausgebildeten Zellen kann zuverlässiger gehalten werden. Ferner kann von dem Heizwiderstand erzeugte Wärme auf stabile Weise gleichmäßig auf die Zellen übertragen werden und der Stromverbrauch kann verringert werden. Ferner kann ein Dünnerwerden oder Brechen des Heizwiderstands aufgrund Wanderung verhindert werden.

Zudem kann Dank Verwendung des erfindungsgemäßen Gassensorelements der erfindungsgemäße Gassensor die oben beschriebenen Vorteile erreichen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die einen Längsquerschnitt eines Beispiels des; erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts des in Fig. 1 bzw. 6 gezeigten Gassensorelements entlang der Linie A-A' darin.
Fig. 3 ist eine veranschaulichende Ansicht zur Veranschaulichung des Trennwandübergangsteils und des Festelektrolytschichtübergangsteils.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, welche einen Längsquerschnitt eines weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, welche einen Längsquerschnitt eines noch weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht, welche einen Längsquerschnitt eines noch weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts des in Fig. 6 gezeigten Gassensorelements entlang der Linie B-B' darin.
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, welche einen Längsquerschnitt eines noch weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 9 ist eine schematische Ansicht, welche einen Längsquerschnitt eines noch weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 10 ist eine schematische Ansicht, welche einen Längsquerschnitt eines noch weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht, welche einen Längsquerschnitt eines noch weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 12 ist eine schematische Ansicht, welche einen Längsquerschnitt eines noch weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 13 ist eine schematische Ansicht, welche einen Längsquerschnitt eines noch weiteren Beispiels des erfindungsgemäßen Gassensorelements zeigt.
Fig. 14 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form des in den Beispielen verwendeten ungesinterten diffusionskammerbildenden Bauteils zeigt.
Fig. 15 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form der in den Beispielen verwendeten ungesinterten oberen Schicht des isolierenden Unterteils zeigt.
Fig. 16 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form der in den Beispielen verwendeten ungesinterten unteren Schicht des isolierenden Unterteils zeigt.
Fig. 17 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form des in den Beispielen verwendeten ungesinterten geschwindigkeitsregelnden Einleitteils zeigt.
Fig. 18 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form des in den Beispielen verwendeten zu brennenden Bauteils für die Diffusionskammer zeigt.
Fig. 19 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planaren Formen der ungesinterten gemeinsamen negativen Elektrode für die Ip- und Vs-Zellen und der ungesinterten positiven Elektrode für die Vs-Zellen zeigt, die in den Beispielen verwendet werden.
Fig. 20 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planaren Formen der in den Beispielen verwendeten ungesinterten unteren Ip-Zellen-Festelektrolytschicht und der ungesinterten unteren Vs-Zellen-Festelektrolytschicht zeigt.
Fig. 21 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form der in den Beispielen verwendeten ungesinterten ersten Isolierschicht zeigt.
Fig. 22 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planaren Formen der ungesinterten oberen Schicht des Ip-Zellenfestelektrolyts und der ungesinterten oberen Schicht des Vs-Zellenfestelektrolyts zeigt.
Fig. 23 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form der in den Beispielen verwendeten ungesinterten zweiten Isolierschicht zeigt.
Fig. 24 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form der in den Beispielen verwendeten ungesinterten positiven Elektrode für die Ip-Zelle zeigt.
Fig. 25 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form des in den Beispielen verwendeten ungesinterten Heizwiderstands zeigt.
Fig. 26 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planaren Formen der in den Beispielen verwendeten ungesinterten Leitungselektroden für den Heizwiderstand zeigt.
Fig. 27 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planaren Formen der in den Beispielen verwendeten ungesinterten Leitungselektroden für die Ip- und Vs-Zellen zeigt.
Fig. 28 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form der in den Beispielen verwendeten ungesinterten dritten Isolierschicht zeigt.
Fig. 29 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form der in den Beispielen verwendeten ungesinterten Trennwand zeigt.
Fig. 30 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche die planare Form der in den Beispielen verwendeten ungesinterten vierten Isolierschicht zeigt.
Fig. 31 ist eine veranschaulichende Ansicht, welche das ungesinterte Gassensorelement von seiner Seite zeigt, um das Verhältnis der in Fig. 14 bis 30 aufgeschichteten Schichten zu zeigen.
Fig. 32 ist eine Schnittansicht eines Beispiels des das erfindungsgemäße Gassensorelement umfassenden Gassensors. Beschreibung der Bezugszeichen 1 (1a-1j) Gassensorelement
11 isolierendes Unterteil
111 ungesinterte untere Schicht des isolierenden Unterteils
112 ungesinterte obere Schicht des isolierenden Unterteils
12 Heizwiderstand (ungesinterter Heizwiderstand)
121 Wärmeerzeugungsteil
122 vorderer Teil
13 Ip-Zelle
131 Festelektrolytschicht für die Ip-Zelle
132 Elektroden für die Ip-Zelle
1321 negative Elektrode für die Ip-Zelle
1322 positive Elektrode (ungesinterte positive Elektrode) für die Ip-Zelle
13-1 erste Ip-Zelle
131-1 Festelektrolytschicht für die erste Ip-Zelle
132-1 Elektroden für die erste Ip-Zelle
1321-1 negative Elektrode für die erste Ip-Zelle
1322-1 positive Elektrode für die erste Ip-Zelle
13-2 zweite Ip-Zelle
131-2 Festelektrolytschicht für die zweite Ip-Zelle
132-2 Elektroden für die zweite Ip-Zelle
1321-2 negative Elektrode für die zweite Ip-Zelle
1322-2 positive Elektrode für die zweite Ip-Zelle
133 Festelektrolytschichtübergangsteil
1311 ungesinterte untere Schicht des Ip-Zellenfestelektrolyts
1312 ungesinterte obere Schicht des Ip-Zellenfestelektrolyts
134 ungesinterte gemeinsame negative Elektrode für die Ip- und Vs-Zelle
14 Vs-Zelle
141 Festelektrolytschicht für die Vs-Zelle
142 Elektroden für die Vs-Zelle
1421 negative Elektrode für die Vs-Zelle
1422 positive Elektrode (ungesinterte positive Elektrode) für die Vs-Zelle
1411 ungesinterte untere Schicht des Vs-Zellenfestelektrolyts
1412 ungesinterte obere Schicht des Vs-Zellenfestelektrolyts
151 Hilfselektrode
152 Wanderungsverhinderungsleiter
153 Elektrodenabdichtteil
154 ungesinterte Leitungselektroden für den Heizwiderstand
155 ungesinterte Leitungselektroden für die Ip- und Vs-Zellen
16 Diffusionskammer
16-1 erster Diffusionskammerabschnitt
16-2 zweiter Diffusionskammerabschnitt
161 diffusionskammerbildendes Bauteil (ungesinterte diffusionskammerbildendes Bauteil)
162 Trennwand (ungesinterte Trennwand)
1621 Trennwandübergangsteil
163 geschwindigkeitsregelnder Einleitteil (ungesinterter geschwindigkeitsregelnder Einleitteil)
164 stickstoffoxidgeschwindigkeitsregelnder Teil
165 zu brennendes Bauteil für die Diffusionskammer
166 ungesinterte vierte Isolierschicht
17 Bezugsgaseinleitkanal
18 zusätzliches Bauteil
181 erste ungesinterte Isolierschicht
182 zweite ungesinterte Isolierschicht
183 dritte ungesinterte Isolierschicht
2 Gassensor
21 Metallummantelung
211 Befestigungsgewindeteil
22 Doppelschutzeinrichtung
23 äußere Hülse
24 Elementhalterung
25 Puffermaterial
26 Hülse
27 Trägerstreifen
28 Anschlussdraht
29 Vielfachdichtung
30 Gummidichtung

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Die vorliegende Erfindung wird als Nächstes unter Bezug auf die Zeichnungen eingehend beschrieben; die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht als hierauf beschränkt ausgelegt werden.
Das erfindungsgemäße Gassensorelement (nachstehend auch als ein "Element" bezeichnet) umfasst um Wesentlichen die folgenden vier Bauteile: ein isolierendes Unterteil, eine Sauerstoffpumpzelle, eine Sauerstofffeststellzelle und eine Diffusionskammer.
Das oben beschriebene "isolierende Unterteil" umfasst ein isolierendes Keramikbauteil und einen Heizwiderstand. Das isolierende Unterteil, welches als das die unten erwähnte Sauerstoffpumpzelle und Sauerstofffeststellzelle tragendes Substrat dient, isoliert die Zellen elektrisch und dient als Heizvorrichtung für das Betreiben der Zellen.
Das oben beschriebene "isolierende Keramikbauteil" bildet einen Hauptteil des isolierenden Unterteils und enthält Aluminiumoxid als Hauptbestandteil. Das Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltende Keramikbauteil weist bessere Isoliereigenschaften bei hohen Temperaturen auf als Zirkoniumoxidmaterial, welches weit verbreitet als isolierendes Bauteil herkömmlicher Heizelemente verwendet wird. Bei 800°C zum Beispiel kann das Teil einen elektrischen Widerstand zwischen einem Heizwiderstand und einer Zelle von 1 MΩ oder mehr, vorzugsweise 10 MΩ oder mehr bieten. Das Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltende isolierende Keramikbauteil kann seine Wärmeleitfähigkeit verbessern, was bei Erwärmen jeder Zelle vorteilhaft ist.
Vorzugsweise enthält das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid in einer Menge von 70 Masseprozent oder mehr (wobei die Gesamtheit des isolierenden Keramikbauteils 100 Masseprozent beträgt), bevorzugter 90 bis 100 Masseprozent, noch bevorzugter 95 bis 100 Masseprozent. Wenn die Menge unter 70 Masseprozent liegt, kann es schwierig werden, Eigenschaften wie Isoliereigenschaften, Wärmebeständigkeit und Wärmestoßfestigkeit gleichzeitig zu erreichen.
Der Rest (d. h. andere Bestandteile als Aluminiumoxid) kann den gleichen Bestandteil wie den Hauptbestandteil eines anderen Bauteils (z. B. Zirkoniumoxid, welches der Hauptbestandteil jeder Zelle ist), der direkt auf dem isolierenden Keramikbauteil zu schichten ist, in einer Menge von 20 Masseprozent oder weniger enthalten. Die Menge liegt vorzugsweise bei 0,5 bis 10 Masseprozent, bevorzugter bei 1 bis 5 Masseprozent. Das Aufnehmen des obigen Bestandteils verhindert das übermäßige Wachstum von Aluminiumoxidkörnern während des Sinterns, wodurch die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten des isolierenden Keramikbauteils und eines anderen direkt darauf aufzuschichtenden Bauteils reduziert wird.
Vorzugsweise enthält das isolierende Keramikbauteil im Wesentlichen keine Alkalimetalle (insbesondere Li, Na und K) bzw. Erdalkalimetalle (insbesondere IMg, Ca und Ba). Zu große Mengen dieser Metalle sind nicht bevorzugt, da wie nachstehend beschrieben eine während des Betriebs des Heizwiderstand erzeugte Wanderung der ionisierten Alkalimetallionen bzw. Erdalkaliionen den Heizwiderstand zerstören kann. Vorzugsweise wird die Menge der in dem isolierenden Keramikbauteil enthaltenen Alkalimetalle und Erdalkalimetalle - reduziert auf ihre jeweiligen Oxide - auf 1 Masseprozent oder weniger verringert (wobei die Gesamtheit des isolierenden Keramikbauteils 100 Masseprozent beträgt).
Das isolierende Unterteil kann durch Aufschichten einschichtiger ungesinterter Lagen aus einer isolierenden Keramik, um dadurch ein ungesintertes Laminat zu erzeugen, und durch Brennen des ungesinterten Laminats erzeugt werden (zu beachten ist, dass ein ungesinterter Heizwiderstand, der ein Heizwiderstand werden soll, auf einer Fläche des Laminats bzw. in dem Laminat getrennt ausgebildet wird). Die einschichtigen ungesinterten Lagen können aus Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen gebildet werden. Dies ermöglicht das Bilden eines Aufbaus, in welchem der gleiche Bestandteil wie der Hauptbestandteil des anderen direkt auf dem isolierenden Unterteil zu bildenden Teils (z. B. Zirkoniumoxidmaterial, welches ein Festelektrolyt jeder Zelle bildet) in das isolierende Unterteil aufgenommen wird, so dass der Anteil des aufgenommenen Bestandteils vom Inneren des ungesinterten Laminats zu dessen Oberfläche hin abgestuft ist. Durch eine solche abgestufte Zusammensetzung kann mühelos ein gleichzeitiges Sintern des isolierenden Unterteils und anderer direkt darauf auszubildender Teile verbessert werden.
Der oben erwähnte "Heizwiderstand" erzeugt Wärme, wenn ihm Strom zugeführt wird. Der Heizwiderstand ist an einer Oberfläche des bzw. innerhalb des isolierenden Keramikbauteils vorgesehen. Im Allgemeinen dient die Oberfläche bzw. das Innere des isolierenden Keramikbauteils als Oberfläche bzw. Inneres des isolierenden Unterteils. Die Form des Heizwiderstands unterliegt keiner besonderen Beschränkung und der Widerstand kann in jeder herkömmlichen Form ausgeführt sein. Vorzugsweise weist der Widerstand eine Form auf, welche ein effektives und ausreichendes Erwärmen einer oder mehrerer Sauerstoffpumpzellen und Sauerstofffeststellzellen ermöglicht. Ein in Fig. 25 gezeigter Heizwiderstand (12) hat zum Beispiel eine Zickzackform, so dass die Strukturdichte direkt unter jeder Zelle höher ist. Alternativ kann der Widerstand in einer anderen Form ausgeführt sein, so dass sich der Widerstand entlang des Umfangs einer Festelektrolytschicht jeder Zelle (z. B. eine U-Form) erstreckt. Die Maße des Heizwiderstands unterliegen keiner bestimmten Einschränkung und die Maße können denen jeder Zelle entsprechen.
Das Material für das Ausbilden des Heizwiderstands unterliegt keiner bestimmten Einschränkung und Beispiele für das Material umfassen Edelmetalle, Wolfram, Molybdenium und Rhenium. Wenn der Heizwiderstand vorrangig Platin umfasst, kann der Widerstand Rhodium in einer Menge von etwa 5 bis 20 Masseprozent basierend auf der Gesamtmenge des Widerstands enthalten. Ein solcher Rhodium enthaltender Heizwiderstand ist bevorzugt, da der Widerstand sich während des Herstellungsprozesses mühelos zusammen mit Festelektrolytschichten brennen lässt. Ein solcher Widerstand weist einen verringerten Wärmebeständigkeitskoeffizienten auf und kann seinen Betrieb schnell aufnehmen.
Der Heizwiderstand kann durch Mischen von Materialien, wie ein die obigen Materialien enthaltendes Rohmaterialpulver oder metallhaltige organische Rohmaterialverbindungen (flüssig), ein Bindemittel, ein Plastifizierungsmittel, ein Dispergiermittel und ein Lösungsmittel, um so einen Schlicker bzw. eine Paste zu erzeugen; durch Ausbilden einer Schlicker- oder Pastenschicht (z. B. durch Drucken); durch Trocknen der Schicht, um so einen ungesinterten Heizwiderstand zu erhalten, und durch Brennen des ungesinterten Heizwiderstands erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße isolierende Unterteil kann neben dem isolierenden Keramikbauteil und dem Heizwiderstand andere Bauteile, wie einen Wanderungsverhinderungsleiter und ein Keramikbauteil für das Tragen des Wanderungsverhinderungsleiters enthalten.
Dabei ist der oben erwähnte "Wanderungsverhinderungsleiter" ein auf einer Oberfläche vorgesehener Leiter (z. B. 152 in Fig. 4) eines bzw. in einem (z. B. 152 in Fig. 5) isolierenden Keramikbauteil (allgemein auf einer Oberfläche des bzw. in dem isolierenden Unterteil). Der Wanderungsverhinderungsleiter wird bei einem Potenzial gleich oder niedriger als ein Potenzial an der Grenze zwischen einem Wärmeerzeugungsteil und einem vorderen Teil des Heizwiderstands gehalten. Bei Vorsehen innerhalb des isolierenden Keramikbauteils kann der Wanderungsverhinderungsleiter an einer imaginären Ebene, die identisch zu oder unterschiedlich zur Ebene des Heizwiderstands ist, vorgesehen werden.
Durch Vorsehen des Wanderungsverhinderungsleiters können in dem isolierenden Keramikbauteil enthaltene ionisierte Arten, beispielsweise ionisierte Alkalimetalle und ionisierte Erdalkalimetalle, zum Wanderungsverhinderungsleiter gezogen werden, so dass die ionisierten Arten kaum zum Heizwiderstand wandern. Somit kann ein Dünnerwerden und Zerbrechen des Heizwiderstands verhindert werden.
Der Wanderungsverhinderungsleiter kann allein vorgesehen werden oder kann von einem Teil des Heizwiderstands abgezweigt werden. Wenn der Wanderungsverhinderungsleiter allein vorgesehen ist, wird der Leiter geerdet (so dass das Potenzial des Leiters zum Beispiel auf 1 V oder weniger sinkt) und dem Leiter wird kein Strom zugeführt. Somit dient der Leiter als Wanderungsverhinderungsleiter. Wenn der Wanderungsverhinderungsleiter als Teil des Heizwiderstands vorgesehen wird, wird ein Leiter von dem Ende des Heizwiderstands an der niedrigeren Potenzialseite abgezweigt und von der Seite höheren Potenzials des Heizwiderstands elektrisch isoliert. Somit dient der Leiter als Wanderungsverhinderungsleiter.
Die Form des Wanderungsverhinderungsleiters unterliegt keiner bestimmten Einschränkung und der Leiter kann ein geradliniges Muster oder ein Zickzackmuster der Heizwiderstand annehmen. Alternativ kann der Leiter die Form des Heizwiderstands annehmen (ein Ende des Leiters wird jedoch nicht mit dem Heizwiderstand bzw. den anderen Bestandteilen verbunden); z. B. die Form eines in Fig. 25 gezeigten Heizwiderstands (12) oder eines im Allgemeinen U-förmigen Widerstands. Das Material für das Ausbilden des Wanderungsverhinderungsleiters unterliegt keiner bestimmten Einschränkung und der Leiter wird im Allgemeinen aus einem ähnlichen Material wie für das Bilden eines Heizwiderstands gebildet.
Der Wanderungsverhinderungsleiter kann unabhängig von der Zusammensetzung des isolierenden Keramikbauteils vorgesehen werden. Selbst wenn das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid in einer Menge von 99 Masseprozent oder mehr enthält (wobei die Gesamtheit des isolierenden Keramikbauteils 100 Masseprozent beträgt), kann der Wanderungsverhinderungsleiter vorgesehen werden. Insbesondere ist der Leiter wirksam, wenn der Aluminiumoxidgehalt nicht unter 70 Masseprozent, aber unter 99 Masseprozent liegt. Weiterhin ist der Leiter wirksamer, wenn die Gesamtmenge der Alkalimetalle und Erdalkalimodelle reduziert auf ihre Oxide 1 Masseprozent oder mehr, vorzugsweise 3 Masseprozent oder mehr, bevorzugter 4 Masseprozent oder mehr beträgt (allgemein 10 Masseprozent oder weniger). Mit dem Ausdruck "reduziert auf ihre Oxide", so wie er hier verwendet wird, ist eine auf der Grundlage von M₂O durchgeführte Berechnung gemeint, wenn M ein Alkalimetall ist, und MO, wenn M ein Erdalkalimetall ist.
Die oben erwähnte "Sauerstoffpumpzelle" (nachstehend auch als Ip-Zelle bezeichnet) pumpt Sauerstoff in die und aus der Diffusionskammer und ermöglicht das Feststellen des für das Hinein- und Herauspumpen erforderlichen Stroms.
Die oben erwähnte "Sauerstofffeststellzelle" (nachstehend auch als Vs-Zelle bezeichnet) stellt die Sauerstoffkonzentration in der Diffusionskammer fest und gibt die festgestellte Sauerstoffkonzentration in Form einer elektrischen Potenzialdifferenz aus.
Diese Ip- und Vs-Zellen können parallel oder in Reihe entlang der Längsrichtung des Elements angeordnet sein. Die Art der Anordnung kann zum Beispiel entsprechend des Orts, an dem ein Sensorelement untergebracht werden soll, oder des Orts, an dem ein das Sensorelement enthaltender Sensor angebracht wird, entsprechend bestimmt werden. Unter den oben beschriebenen Arten der Anordnung ist eine Reihenanordnung bevorzugt, da größere Festelektrolytschichten einfach ausgebildet werden können.
Sowohl die Ip-Zelle als auch die Vs-Zelle enthalten eine Festelektrolytschicht sowie ein an der Festelektrolytschicht ausgebildetes Paar Elektroden. Die Festelektrolytschichten der Ip- und Vs-Zellen können jedoch zusammengelegt werden bzw. die Elektroden der Ip- und Vs-Zellen können zusammengelegt werden, solange die Funktionen der Ip-Zelle und der Vs-Zelle zur Hand gegeben werden können. Die Ip-Zelle und die Vs-Zelle können mit anderen Worten eine einzige Festelektrolytschicht teilen. Das Gleiche trifft auf die Elektroden zu. Eine eine Ip-Zelle bildende Festelektrolytschicht und eine eine Vs-Zelle bildende Festelektrolytschicht sind jedoch vorzugsweise getrennt und diese Festelektrolytschichten sind voneinander isoliert. Diese Isolierung gewährleistet die elektrische Isolierung zwischen Zellen.
Das erfindungsgemäße Sensorelement kann eine oder mehrere Ip-Zellen und eine oder mehrere Vs-Zellen enthalten. Das Sensorelement kann zum Beispiel eine Ip- Zelle und eine Vs-Zelle enthalten. Ein solches Element kann als Vollbereichs- Luft-/Kraftstoffverhältnissensor verwendet werden. Alternativ kann das Sensorelement zwei Ip-Zellen und eine Vs-Zelle enthalten. Ein solches Element kann als Stickstoffoxidsensorelement oder als Sensorelement für brennbares Gas (d. h. Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffgas) verwendet werden. Alternativ kann das Sensorelement drei Ip-Zellen und zwei Vs-Zellen enthalten. Ein solches Element kann als Sensorelement für Mischgas verwendet werden, welches das Feststellen mehrerer Gassorten einschließlich Sauerstoff, Stickstoffoxide und brennbares Gas ermöglicht (z. B. gleichzeitiges Feststellen von Kohlenmonoxid und Stickstoffoxiden). Durch weiteres Erhöhen der Anzahl dieser Zellen kann ein Gassensor erzeugt werden, der das gleichzeitige Feststellen von zwei oder mehr Gassorten einschließlich Sauerstoff, Stickstoffoxide, brennbares Gas und Dampf ermöglicht.
Die oben erwähnte "Festelektrolytschicht" bildet eine Ip-Zelle und eine Vs-Zelle. Das Festelektrolytmaterial für das Ausbilden der Festelektrolytschicht unterliegt keiner besonderen Beschränkung und es können eine Vielzahl von Festelektrolytmaterialien verwendet werden. Beispiele für Festelektrolytmaterialien schließen Zirkoniumoxidmaterialien und Perovskitmaterialien (z. B. LaGaO₃) ein. Von diesen sind Zirkoniumoxidmaterialien bevorzugt. Insbesondere sind Zirkoniumoxidsorten, die durch mindestens ein Element gewählt aus Y, Mg, Ca, Sc und Seltenerdelementen (einschließlich stabilisiertes Zirkoniumoxid und teils stabilisiertes Zirkoniumoxid) stabilisiert sind, bevorzugter. Y-stabilisiertes Zirkoniumoxid (nachstehend einfach als "YSZ" bezeichnet) ist besonders bevorzugt, da YSZ eine gut ausgewogene Sauerstoffionenleitfähigkeit und mechanische Festigkeit aufweist. Vorzugsweise enthält das YSZ Y (reduziert auf Y₂O₃) in einer Menge von 2 bis 9 Molprozent, bevorzugter 4 bis 9 Molprozent (wobei die Gesamtmenge der in der Festelektrolytschicht enthaltenen Zirkoniumoxidsorten 100 Molprozent beträgt). Wenn die Y-Menge innerhalb des oben beschriebenen Bereichs fällt, kommt es kaum zu einem Phasenübergang von Zirkoniumoxid, selbst wenn die Temperatur während eines Brennvorgangs und eines Kühl-Heiz-Zyklus steigt und fällt. Die obigen Zirkoniumoxidmaterialien können Hafnium enthalten.
Vorzugsweise enthält die Festelektrolytschicht Aluminiumoxid, welches ein Hauptbestandteil des das isolierende Unterteil bildenden isolierenden Keramikbauteils ist. Durch Aufnahme von Aluminiumoxid kann die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Festelektrolytschicht und des isolierenden Keramikbauteils verringert werden.
Vorzugsweise enthält die Festelektrolytschicht Aluminiumoxid in einer Menge von 10 bis 80 Masseprozent, bevorzugter 15 bis 60 Masseprozent, besonders bevorzugt 15 bis 50 Masseprozent. Vorzugsweise weist das in der Festelektrolytschicht enthaltene Aluminiumoxid eine mittlere Korngröße von 1,0 µm oder weniger, bevorzugter 0,05 bis 0,8 µm, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,6 µm auf. Wenn der Aluminiumoxidgehalt und die mittlere Korngröße des Aluminiumoxids in die obigen Bereiche fallen, wird die Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten effektiv verringert. Insbesondere wenn die Festelektrolytschicht gleichzeitig mit dem isolierenden Unterteil gebrannt wird, kann eine Rissbildung und ein Brechen der Festelektrolytschicht verhindert werden.
Der Aluminiumoxidgehalt und die mittlere Korngröße können in Kombination gewählt werden, solange diese beiden in die oben beschriebenen jeweiligen Bereiche fallen. Der Aluminiumoxidgehalt liegt zum Beispiel vorzugsweise bei 10 bis 80 Masseprozent und die mittlere Korngröße des Aluminiumoxids bei 1,0 µm oder weniger, bevorzugter bei 15 bis 60 Masseprozent und 0,05 bis 0,8 µm, besonders bevorzugt bei 15 bis 50 Masseprozent und 0,1 bis 0,6 µm.
Durch Aufnahme von Aluminiumoxid kann die mittlere Korngröße von Zirkoniumoxid auf 2,5 µm oder weniger (vorzugsweise auf 0,1 bis 2,3 µm, bevorzugter auf 0,3 bis 2,0 µm) verringert werden. Ferner kann die maximale Korngröße von Zirkoniumoxid auf 5 µm oder weniger (vorzugsweise 4,2 µm oder weniger, bevorzugter 3,5 µm oder weniger, im Allgemeinen mindestens 0,5 µm) reduziert werden. Die Verwendung von YSZ ermöglicht ein höchst effektives Unterdrücken des durch Temperaturänderungen während eines Brennvorgangs oder eines Heiz-Kühl-Zyklus erzeugten Phasenübergangs in einem Umfeld, in dem der Gassensor verwendet wird. Selbst wenn in einem Teil des YSZ ein Phasenübergang eintritt, wird die Spannung problemlos verteilt, wodurch Rissbildung verhindert wird.
In der Festelektrolytschicht enthaltene Zirkoniumoxidkörner können Partikel der Tetragonalphase (nachstehend "T-Phase" genannt), der monoklinischen Phase (nachstehend "M-Phase" genannt) und der kubischen Phase (nachstehend "C-Phase genannt) umfassen. Insbesondere kann die mittlere Korngröße von u. a. T-Phasenkörnern auf 2,5 µm oder weniger (vorzugsweise 0,1 bis 2,3 µm, bevorzugter 0,3 bis 2,0 µm) verringert werden. Die T-Phase neigt dazu, einen Phasenübergang zur M-Phase zu verursachen, insbesondere bei etwa 200°C. Dieser Phasenübergang wird bekanntermaßen durch Feuchtigkeit beschleunigt und bringt eine Volumenänderung mit sich. Somit kann durch Drücken der mittleren Korngröße der T-Phasenkörner auf 2,5 µm oder weniger der durch Temperaturänderungen während eines Brennprozesses und eines Kühl-Heiz-Zyklus verursachte Phasenübergang von Zirkoniumoxid erheblich unterdrückt werden.
Der Aluminiumoxidgehalt und der Zirkoniumoxidgehalt können durch eine allgemein verwendete chemische Analyse oder durch Bildanalyse von Elektronenmikroskopfotografien erhalten werden. Im Einzelnen wird ein Rückstreu- Elektronenbild (nachstehend einfach als "BEI" bezeichnet) unter einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von x5.000 fotografiert und das Foto wird mittels zum Beispiel eines Scanners in die entsprechende elektronische Information umgewandelt. Die so erhaltene elektronische Information wird mittels eines Bildanalysators (z. B. Luzex FS, Erzeugnis der Nireko Corporation) analysiert, um so die prozentuale Fläche von Körnern einer bestimmten Zusammensetzung zu berechnen. Das aus der prozentualen Fläche abgeleitete entsprechende ungefähre theoretische prozentuale Volumen kann als Aluminiumoxidgehalt oder Zirkoniumoxidgehalt dienen.
Die mittlere Korngröße von Aluminiumoxid wird mit Hilfe eines Fotos einer Fläche einer Festelektrolytschicht, das unter einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von x5.000 erhalten wird (nachstehend als SEM-Foto bezeichnet) ermittelt. In dem SEM-Foto wird die maximale Korngröße von Aluminiumoxidkörnern als Aluminiumoxidkorngröße betrachtet, und die aus allen in einem Einheitsquadrat (5 cm × 5 cm) enthaltenen Aluminiumoxidkörnern berechnete mittlere Korngröße dient als primäre mittlere Korngröße. In ähnlicher Weise werden primäre mittlere Korngrößen aus fünf bei unterschiedlichen Beobachtungsflächen (Oberfläche) an der gleichen Festelektrolytschicht erhaltenen SEM-Fotos ermittelt und die so erhaltenen primären mittleren Korngrößen werden gemittelt, um so eine sekundäre mittlere Korngröße zu erhalten, welche als in der vorliegenden Erfindung zu verwendende mittlere Korngröße dient. Die mittlere Korngröße von Zirkoniumoxid kann in gleicher Weise ermittelt werden. Die mittlere Korngröße von T-Phasenkörnern kann jedoch mit Hilfe von BEI erhalten werden, und die Körner lassen sich von Körnern anderer Phasen unterscheiden.
Die oben erwähnten "Elektroden" sind an den Festelektrolytschichten der Ip- und Vs- Zellen vorgesehene Leiter. Die Elektroden sind so vorgesehen, dass jede der Zellen mindestens ein Paar Elektroden verwenden kann. Daher können zwei Elektroden für jede der Zellen vorgesehen werden, um so jeder Zelle die Verwendung eines Paars Elektroden zu ermöglichen. Alternativ wird eine Elektrode für jede der Zellen vorgesehen und eine gemeinsame Elektrode wird für die Zellen vorgesehen, um jeder Zelle die Verwendung eines Paars Elektroden zu ermöglichen. Beispiele für den Fall, da eine solche gemeinsame Elektrode vorgesehen ist, schließen den IFall eines Zweizellenelements ein, bei dem die negative Elektrode der Ip-Zelle und die negative Elektrode der Vs-Zelle zu einer einzigen gemeinsamen negativen Elektrode zusammengelegt sind, sowie den Fall eines Mehrzellenelements mit drei oder mehr Zellen, bei dem die negative Elektrode der ersten Ip-Zelle und die negative Elektrode der Vs-Elektrode zu einer einzigen gemeinsamen negativen Elektrode zusammengelegt sind.
Die Elektroden sind an den Festelektrolytschichten ausgebildet. Eine Elektrode mindestens einer Ip-Zelle und eine Elektrode mindestens einer Vs-Zelle sind an einer gemeinsamen Wandfläche der Diffusionskammer angeordnet. Im Einzelnen sind in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel eine negative Elektrode (1321) für eine Ip-Zelle und eine negative Elektrode (1421) für eine Vs-Zelle an einer gemeinsamen Wandfläche der Diffusionskammer (16) angeordnet. In dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel sind eine negative Elektrode (1321-1) für eine Ip-Zelle und eine negative Elektrode (1421) für eine Vs-Zelle an einer gemeinsamen Wandfläche der Diffusionskammer (16) angeordnet.
Mit Ausnahme des Obigen unterliegt das Positionsverhältnis der Elektroden zueinander keiner Einschränkung. Daher können die verbleibenden Elektroden frei angeordnet werden. In dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist eine positive Elektrode (1422) für die Vs-Zelle zwischen der Diffusionskammer (16) und einer Festelektrolytschicht (141) für die Vs-Zelle ausgebildet. In dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel ist eine positive Elektrode (1322-2) für eine zweite Ip-Zelle zwischen einem isolierenden Unterteil (11) und einer Festelektrolytschicht (131-2) für die zweite Ip-Zelle angeordnet. Im Allgemeinen sind die Elektroden jedoch aus einem porösen Material gebildet, welches verglichen mit einem dichten Material zu einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit neigt. Daher sind die Elektroden im Hinblick auf eine schnelle Wärmeübertragung von dem Heizwiderstand zu den Festelektrolytschichten vorzugsweise nicht zwischen dem isolierenden Unterteil und den Festelektrolytschichten angeordnet.
"Angeordnet an einer gemeinsamen Innenwandfläche", wie oben beschrieben, umfasst nicht nur den Fall, in dem die jeweiligen Elektroden an einer gemeinsamen Innenwandfläche bestehend aus einer einzigen flachen Oberfläche ausgebildet sind, sondern auch den Fall, in dem die gemeinsame Innenwandfläche erhobene und vertiefte Teile aufweist, d. h. aus mehreren flachen Flächen besteht und die Elektroden an den mehreren Flächen ausgebildet sind.
Im Allgemeinen muss mindestens eine der Elektroden der Vs-Zelle als Bezugselektrode fungieren, die als Bezugswert für die Sauerstoffkonzentration dient. Wenn zwei oder mehr Ip-Zellen vorgesehen sind, muss in manchen Fällen weiterhin eine Elektrode als ähnliche Bezugselektrode fungieren. Es können zwei Wege, d. h. ein Selbstbezugswerterzeugungsweg und ein Bezugsgaseinleitweg, beschritten werden, um eine solche Elektrode zu einer Bezugselektrode zu machen. Bei dem Selbstbezugswerterzeugungsweg wird eine Elektrode mittels eines dichten Keramikbauteils luftdicht gehalten und es wird durch Ausnützen einer Sauerstoffpumpwirkung einer Zelle eine Sauerstoffatmosphäre konstanten Drucks in dem Raum zwischen der Elektrode und dem dichten Keramikmaterial bzw. in den Poren eines porösen Materials der Elektrode erzeugt (z. B. eine Elektrode 1422 in Fig. 1). Bei dem Bezugsgaseinleitweg wird ein Kanal (z. B. ein Kanal 17 in Fig. 4 und ein Kanal 17 in Fig. 10) in dem Element ausgebildet, um ein als Bezugswert der Sauerstoffkonzentration dienendes Bezugsgas (z. B. atmosphärisches Luft oder Edelgas) zu einer jeweiligen Elektrode einzuleiten, so dass die Elektrode dem Bezugsgas ausgesetzt wird. Das erfindungsgemäße Element kann jeden der oben beschriebenen Wege einsetzen. Der Selbstbezugswerterzeugungsweg wird jedoch bevorzugt bei einem kleinen Element oder wenn die Wärme von dem Hitzewiderstand gleichmäßig übertragen werden muss oder wenn die mechanische Festigkeit des gesamten Elements erhöht werden muss, eingesetzt.
Jede der Ip- und Vs-Zellen kann eine oder mehrere zusätzliche Elektroden neben dem Paar Elektroden aufweisen. Beispiele für eine solche zusätzliche Elektrode umfassen eine Hilfselektrode für das Erhöhen der elektrischen Leitung zwischen den Elektroden (z. B. eine Hilfselektrode 151 in Fig. 5, 8, etc.) und eine für die Messung des Widerstands einer Festelektrolytschicht verwendete Widerstandsbezugswertelektrode. Wenn die Hilfselektrode für die Ip-Zelle vorgesehen wird, die wünschenswerterweise einen niedrigen Widerstand aufweist, kann der Widerstand der Ip-Zelle effizient verringert werden. Wenn die Widerstandsbezugselektrode für eine Festelektrolytschicht vorgesehen wird, können Daten bezüglich des Widerstands der Festelektrolytschicht als Feedbacksignal an einen Regler eingegeben werden, welcher die dem Heizwiderstand anhand der Daten zugeführte Strommenge regelt, um so die Temperatur der Festelektrolytschicht ständig zu steuern. Daher kann die Leitfähigkeit der Festelektrolytschicht jederzeit bei einem Zielwert gehalten werden.
Die Größe der Elektroden jeder Zelle unterliegt keiner bestimmten Einschränkung. Jede der Elektroden der Ip-Zelle (bei einem mehrzelligen Element eine an der stromaufwärtigsten Position in der Diffusionskammer angeordnete erste Ip-Zelle) weist vorzugsweise eine Fläche von 1 bis 20 mm² (bevorzugter 6 bis 10 m², nach bevorzugter 7 bis 9 mm²) auf. Wenn die Fläche weniger als 1 mm² ausmacht, kann die Ip-Zelle Schwierigkeiten bei dem Erbringen einer ausreichenden Pumpleistung haben. Zwar ist dagegen eine Fläche von über 20 mm² bezüglich der Pumpwirkung vorteilhaft, doch ist eine solche Fläche in Hinblick auf eine zu starke Zunahme der Größe des Elements nicht bevorzugt. Jede der Elektroden der Vs-Zelle weist vorzugsweise eine Fläche von 1 bis 15 mm² auf. Liegt die Fläche bei unter 1 mm², kann die Vs-Zelle eventuell die Sauerstoffkonzentration nicht präzis messen. Zwar ist dagegen eine Fläche von über 15 mm² im Hinblick auf die effiziente Messung der Sauerstoffkonzentration vorteilhaft, doch ist eine solche Fläche im Hinblick auf eine zu starke Zunahme der Größe des Elements nicht bevorzugt.
Zwar hat jede der Elektroden vorzugsweise die oben beschriebene Fläche, doch liegt deren Länge entlang der Breitenrichtung des Elements gemessen vorzugsweise bei 1 bis 5 mm (bevorzugter bei 2 bis 4 mm, noch bevorzugter bei 2,5 bis 3,5 mm), um die Betriebsleistung jeder Elektrode zu verbessern und die Größe des Elements zu verringern. Wenn die Länge unter 1 mm fällt, neigt die Betriebsleistung jeder Elektrode zur Verschlechterung. Wenn dagegen die Länge 5 mm übersteigt, wird das Element groß, was nicht bevorzugt ist.
In vielen Fällen fließt durch die Ip-Zelle ein größerer Strom als durch die Vs-Zelle. Daher sind die Elektroden der Ip-Zelle vorzugsweise zuverlässiger von einander isoliert. Demgemäß liegt der Abstand zwischen den Elektroden der Ip-Zelle bevorzugt bei 0,01 bis 3 mm (bevorzugter bei 0,05 bis 2 mm, noch bevorzugter bei 0,07 bis 1,5 mm). Sinkt der Abstand unter 0,01 mm, kann die Isolierung zwischen den Elektroden der Ip-Zelle unzureichend werden. Wenn dagegen der Abstand 3 mm übersteigt, wird das Element zu groß, was nicht bevorzugt ist.
Das Material der Elektroden unterliegt keiner bestimmten Einschränkung und es können verschiedene Arten leitender Materialien verwendet werden. Ein ausgewähltes leitendes Material weist vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 10^-2Ω.cm auf (Ω.cm ist eine für das Wiedergeben eines Widerstands einer Probe pro 1 × 1 × 1 cm³ verwendete Einheit). Beispiele für ein solches leitendes Material umfassen Edelmetallsorten, Übergangsmetallsorten und Legierungen, die jeweils zwei oder mehr Sorten gewählt aus diesen Metallsorten enthalten. Hiervon ist ein leitendes Material, das ein Metall der Platingruppe als Hauptbestandteil enthält, bevorzugt. Elektroden, die ein Metall der Platingruppe als Hauptbestandteil enthalten, sind im Hinblick auf Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit ausgezeichnet und können einen engen Kontakt zur entsprechenden Festelektrolytschicht herstellen. Jede der Elektroden kann einen der Hauptbestandteile einer Festelektrolytschicht, an welcher die Elektrode angebracht ist, in einer Menge von 20 Masseprozent oder weniger enthalten (die Gesamtheit einer Elektrode wird dabei als 100 Masseprozent eingestuft). Dies verbessert weiter das Maß der Kontaktnähe zur entsprechenden Festelektrolytschicht.
Die oben beschriebene "Diffusionskammer" ist ein Teil, in den ein zu messendes Gas über einen geschwindigkeitsregelnden Einleitteil mit geregelter Strömgeschwindigkeit eingeleitet wird und in dem das eingeleitete Gas diffundiert wird. Die Diffusionskammer wird durch ein diffusionskammerbildendes Bauteil ausgebildet. Die Diffusionskammer ist mit anderen Worten ein so unterteilter Raum, dass der Raum (d. h. das Innere der Diffusionskammer) von der Atmosphäre außerhalb des Elements mit Ausnahme einer Position eines später beschriebenen geschwindigkeitsregelnden Einleitteils isoliert ist.
Die Diffusionskammer kann durch eine einzelne Kammer, zwei oder mehr Kammern, die miteinander in Verbindung stehen, oder nur durch einen Verbindungskanal gebildet werden. Zu den Beispielen für die durch eine einzige Kammer gebildete Diffusionskammer gehören eine Diffusionskammer, die durch eine rechteckige parallelepipede oder kubische Kammer (z. B. die Kammer 16 in Fig. 1) gebildet wird, sowie eine Diffusionskammer, die durch eine Kammer mit einem volumenmäßig verringerten Abschnitt gebildet wird. Beispiele für die durch zwei oder mehr Kammern gebildete Diffusionskammer umfassen eine Diffusionskammer mit zwei Kammern (z. B. Kammern 16-1 und 16-2 in Fig. 6 und Kammern 16-1 und 16-2 in Fig. 11), die über einen Kanal mit einem kleineren Querschnitt als der der Kammern in Verbindung stehen (z. B. ein Kanal 164 in Fig. 7 und ein Kanal 164 in Fig. 11), sowie eine Diffusionskammer mit zwei Kammern (z. B. Kammern 16-1 und 16-2 in Fig. 13), die über einen geschwindigkeitsregelnden Abschnitt, der die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases regeln kann, miteinander in Verbindung stehen (z. B. ein Kanal 164 in Fig. 13). Beispiele der durch nur einen Verbindungskanal ausgebildeten Diffusionskammer umfassen eine Diffusionskammer, die durch einen gewundenen Kanal mit einem im Wesentlichen konstanten Querschnitt gebildet wird. Wenn die Diffusionskammer nur durch einen Verbindungskanal gebildet wird und die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases in der Diffusionskammer geändert werden muss, kann jedoch die Diffusionsgeschwindigkeit durch Anpassen der Länge des Kanals geändert werden. Insbesondere ist der in der Diffusionskammer vorgesehene oben beschriebene geschwindigkeitsregelnde Teil der gleiche wie der später beschriebene geschwindigkeitsregelnde Teil, wobei lediglich ein Gas, dessen Diffusionsgeschwindigkeit geregelt wird, ein Gas in der Diffusionskammer ist, das sich von einem zu messenden Gas, das außerhalb des Elements vorliegt, unterscheiden kann. Daher kann die Konfiguration des geschwindigkeitsregelnden Einleitteils ohne Abwandlung auf den geschwindigkeitsregelnden Teil angewandt werden.
Wenn ein Element mit zwei Ip-Zellen und einer einzigen Vs-Zelle als Stickstoffoxidsensorelement fungieren soll, arbeitet das Element vorzugsweise so, dass der in einem zu messenden Gas, das in die Diffusionskammer eingeleitet wurde (einschließlich des von einem Teil der Stickstoffoxide aufgespaltenen Sauerstoffs), enthaltene Sauerstoff mittels der ersten Ip-Zelle herausgepumpt wird, um die Sauerstoffkonzentration in der Diffusionskammer zu senken; gleichzeitig oder anschließend wird die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases mit einem verringerten Sauerstoffgehalt mittels der Vs-Zelle gemessen; nach Messung der Sauerstoffkonzentration wird die Konzentration der Stickstoffoxide in dem zu messenden Gas mittels der zweiten Ip-Zelle gemessen. Daher nimmt die Diffusionskammer vorzugsweise eine Form an, welche es dem zu messenden Gas erlaubt, zur ersten Ip-Zelle, der Vs-Zelle und der zweiten Ip-Zelle in dieser Reihenfolge zu diffundieren. Die Diffusionskammer kann zum Beispiel in einen ersten Diffusionskammerabschnitt, in welchem Pumpen durch die erste Ip-Zelle erfolgt, einen zweiten Diffusionskammerabschnitt, in welchem die Messung durch die Vs-Zelle erfolgt, und einen dritten Diffusionskammerabschnitt, in welchem die Konzentration der Stickstoffoxide durch die zweite Ip-Zelle gemessen wird, unterteil sein, wobei diese Abschnitte mittels Kanäle miteinander verbunden sind. Alternativ kann die Diffusionskammer durch einen einzigen gewundenen Kanal ausgebildet sein, weicher die aufeinanderfolgende Ausführung der oben beschriebenen Vorgänge erlaubt.
Die Diffusionskammer kann so konfiguriert sein, dass ihr Inneres völlig hohl oder völlig ausgefüllt ist, oder dass ein Teil des Inneren hohl und der verbleibende Teil nicht hohl ist. Eine beispielhafte Diffusionskammer, die nicht hohl ist, aber eine Diffusion des zu messenden Gases ermöglicht, ist eine Diffusionskammer, die durch ein poröses Material mit kontinuierlichen Poren gebildet wird. Wenn die Diffusionskammer durch ein poröses Material mit kontinuierlichen Poren ausgebildet ist und die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases in der Diffusionskammer geändert werden muss, kann die Diffusionsgeschwindigkeit durch Anpassen der Porosität geändert werden. Wenn ein ausgewählter Teil der Diffusionskammer zum Beispiel durch Verwenden eines porösen Materials mit kontinuierlichen Poren mit geringerer Porosität gebildet wird, während der verbleibende Teil durch Verwendung eines porösen Materials mit kontinuierlichen Poren mit höherer Porosität gebildet wird, kann der ausgewählte Teil die Diffusionsgeschwindigkeit eines Gases stärker verringern.
Der oben beschriebene "geschwindigkeitsregelnde Einleitteil" ist ein Teil, durch den ein zu messendes Gas in die Diffusionskammer eingeleitet wird. Dieser geschwindigkeitsregelnder Einleitteil ist in einem später beschriebenen diffusionskammerbildenden Bauteil vorgesehen. Die Konfiguration des geschwindigkeitsregelnden Einleitteils unterliegt keiner Einschränkung. Der geschwindigkeitsregelnde Einleitteil kann zum Beispiel eine Konfiguration annehmen, bei welcher ein poröses Material mit kontinuierlichen Poren zwischen der Diffusionskammer und der Atmosphäre angeordnet ist, aus welcher ein zu messendes Gas eingeleitet wird, und das poröse Material hat eine Porosität, die die Strömgeschwindigkeit des Gases regeln kann, bzw. eine Konfiguration, bei welcher ein Schlitz oder eine kleine Öffnung zwischen der Diffusionskammer und einer Atmosphäre vorgesehen wird, aus welcher ein zu messendes Gas eingeleitet wird. Der Begriff "geschwindigkeitsregelnd" bedeutet ein Anpassen der Strömgeschwindigkeit eines zu messendes Gases in solcher Weise, dass das Gas bei einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit unabhängig von der Strömgeschwindigkeit des Gases außerhalb des Gassensorelements in die Diffusionskammer eingeleitet wird.
Das oben beschriebene "diffusionskammerbildende Bauteil" bezeichnet ein Bauteil, welches die Diffusionskammer ausbildet. Dieses diffusionskammerbildende Bauteil kann ausgenommen am geschwindigkeitsregelnden Einleitteil die Atmosphäre in der Diffusionskammer von der Außenatmosphäre physikalisch isolieren. Im Allgemeinen wird das diffusionskammerbildende Bauteil aus einem dichten Keramikmaterial gebildet. Das Keramikmaterial, das das diffusionskammerbildende Bauteil bildet, unterliegt mit Ausnahme des geschwindigkeitsregelnden Einleitteils keiner Beschränkung, und das Keramikmaterial kann ein aluminiumoxidhaltiges Material oder ein zirkoniumoxidhaltiges Material sein. Ein aluminiumoxidhaltiges Material, d. h. ein Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltendes Keramikmaterial, ist jedoch bevorzugt, da, wenn das Keramikmaterial Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält, das Keramikmaterial eine hinreichend hohe Wärmebeständigkeit und mechanische Festigkeit aufweist und eine recht hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Ein Gas muss bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur zwischen einem Punkt, an dem das Gas mit der Ip-Zellenelektrode in Berührung kommt, und einem Punkt, an dem das Gas mit der in der Diffusionskammer angeordneten Vs-Zellenelektrode in Berührung kommt, gehalten werden. Wenn die Konzentration des in den Abgasen eines Kraftfahrzeugs enthaltenen Sauerstoffs gemessen wird, werden im Allgemeinen mindestens Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Sauerstoff und Wasserdampf in die Diffusionskammer eingeleitet. Diese Gase befinden sich in einem wechselseitigen Gleichgewichtszustand, welcher durch Temperatur stark beeinflusst wird. Zum Beispiel verschiebt sich der Gleichgewichtszustand in Reaktion auf einen Temperaturanstieg hin in eine Richtung, wo der Sauerstoffgehalt verringert wird. Wenn die Temperatur daher nicht in der ganzen Diffusionskammer konstant gehalten werden kann, ändert sich die Konzentration des Sauerstoffs, welcher eventuell einer Messung unterzogen wird oder ein Bezugswert für eine Messung sein kann, während sich das Gas von der Ip-Zelle zur Vs-Zelle bewegt, was den Messvorgang möglicherweise instabil macht.
Das erfindungsgemäße Element nimmt einen Aufbau an, bei welchem mindestens eine Ip-Zelle und mindestens eine Vs-Zelle Seite an Seite in der gleichen Kammer angeordnet sind bzw. vielmehr mindestens eine der Elektroden der Ip-Zelle und der Vs-Zelle Seite an Seite in der Atmosphäre der gemeinsamen Kammer ausgesetzt sind. Das Beibehalten der gleichen Temperatur zwischen den Zellen mit Hilfe einer Temperaturregelung des Heizwiderstands wird jedoch schwierig, da die Kammer länglich schmal ausgeführt werden muss (da die Pumpkapazität der Ip-Zelle beschränkt ist) und da die Position der Ip-Zelle sich von der der Vs-Zelle unterscheidet. In diesem Fall kann durch Verwendung eines aus Aluminiumoxid hergestellten diffusionskammerbildenden Bauteils ein Zustand, bei dem eine Temperaturabweichung zwischen den Ip- und Vs-Zellen in der Diffusionskammer am kleinsten sein soll, schnell hergestellt werden. Denn das Aluminiumoxid hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als andere chemisch stabile Isolatoren und kann daher durch Übertragen thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen eine schnelle Unterdrückung der Temperaturabweichung zwischen den Zellen bieten. Das Element wird mit anderen Worten gleichförmig erwärmt und hält in der ganzen Diffusionskammer eine konstante Temperatur aufrecht.
Um ein weiter verbessertes gleichmäßiges Erwärmen zu erzielen, weist die Innenwandfläche der durch das diffusionskammerbildende Bauteil gebildeten Diffusionskammer vorzugsweise eine größtmögliche Fläche auf. In einer bevorzugten Ausführung des Elements ist mindestens eine Innenwandfläche der Diffusionskammer gegenüber der gemeinsamen Innenwandfläche, an der zwei vorbestimmte Elektroden angeordnet sind, durch das aus Aluminiumoxid bestehende diffusionskammerbildende Bauteil ausgebildet (siehe Fig. 1, Fig. 4 bis 6 und Fig. 8 bis 11). Die Diffusionskammer ist mit anderen Worten mit dem diffusionskammerbildenden Bauteil bedeckt. Die Innenwandfläche weist die größte Fläche der Innenwandflächen auf, die die Diffusionskammer bilden. Daher kann eine besonders gute gleichmäßige Wärmewirkung erzielt werden. Bei den in Fig. 12 und 13 gezeigten Elementen ist, da die zweite I-Zelle an einem der z weiten Ip-Zelle entsprechenden Teil über der Vs-Zelle angeordnet ist, die Innenwandfläche der Diffusionskammer gegenüber der gemeinsamen Innenwandfläche nicht durch das diffusionskammerbildende Bauteil gebildet. Da das diffusionskammerbildende Bauteil aber vorgesehen ist, um auch die zweite Ip-Zelle abzudecken, kann in ähnlicher Weise eine ausgezeichnete gleichmäßige Wärmewirkung erzielt werden.
Das diffusionskammerbildende Bauteil enthält vorzugsweise Aluminiumoxid in eäner Menge von 70 Masseprozent oder mehr (bevorzugter 95 bis 100 Masseprozent, noch bevorzugter 99 bis 100 Masseprozent), wobei die Menge des gesamten diffusionskammerbildenden Bauteils als 100 Masseprozent definiert ist. Wenn Aluminiumoxid in einer Menge von 70 Masseprozent oder mehr enthalten ist, kann das diffusionskammerbildende Bauteil eine hinreichend hohe mechanische Festigkeit und eine ausgezeichnete gleichmäßige Wärmewirkung aufweisen.
Die oben beschriebene "Trennwand" wird verwendet, wenn negative und positive Elektroden der Ip-Zelle an einer gemeinsamen Fläche einer Festelektrolytschicht ausgebildet sind, so dass eine der Elektroden in der Diffusionskammer angeordnet ist. Die Trennwand ist ein Bauteil, welches Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält, zwischen den Elektroden angeordnet ist und in Kontakt mit der Oberfläche der Festelektrolytschicht der Ip-Zelle ausgebildet ist. Die Trennwand kann einen Leckstrom zwischen den negativen und positiven Elektroden der Ip-Zelle verhindern.
Da durch die Ip-Zelle ein größerer Strom als durch die Vs-Zelle fließt, ist es wichtig zu berücksichtigen, dass ein hinreichend hohes Maß an Isolierung zwischen den Elektroden der Ip-Zelle in dem Element vorgesehen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Element sind insbesondere die Elektroden der Ip-Zelle schwierig anzuordnen, so dass eine Elektrode, die der Atmosphäre außerhalb des Elements ausgesetzt ist, an einer Oberfläche einer Festelektrolytschicht ausgebildet ist, und die andere in der Diffusionskammer angeordnete Elektrode an einer anderen Oberfläche der Festelektrolytschicht ausgebildet ist; daher sind die Elektroden der Ip-Zelle typischerweise an einer gemeinsamen Oberfläche der Festelektrolytschicht angeordnet. Demgemäß muss ein hinreichend hohes Maß an Isolierung zwischen den Elektroden vorgesehen werden. Zwar kann durch Vorsehen eines hinreichend großen Abstands zwischen den Elektroden Isolierung gewährleistet werden, doch in diesem Fall wird das Element länger und größer. Durch Vorsehen der Trennwand kann dagegen ein hinreichend hohes Maß an Isolierung vorgesehen werden, während eine kleine Größe des Elements gewahrt wird.
Das klein bemessene Element hat insbesondere eine Länge von nicht mehr als 60 mm (vorzugsweise nicht mehr als 55 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 50 mm, aber im Allgemeinen nicht weniger als 30 mm), eine Breite von nicht mehr als 6 mm (vorzugsweise nicht mehr als 5 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 4,5 mm, doch im Allgemeinen nicht weniger als 3 mm) und eine Dicke von nicht mehr als 3 mm (vorzugsweise nicht mehr als 2,5 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 2 mm, aber im Allgemeinen nicht weniger als 1 mm).
Zwar kann die Trennwand ein von dem diffusionskammerbildenden Bauteil separates Teil sein, doch ist die Trennwand vorzugsweise ein Teil des diffusionskammerbildenden Bauteils. Die Konfiguration der Trennwand unterliegt keiner bestimmten Einschränkung, solange die Trennwand ausreichend Isolierung zwischen den vorbestimmten Elektroden bieten kann. Daher kann der aus einem porösen Material mit kontinuierlichen Poren gebildete oben beschriebene geschwindigkeitsregelnde Einleitteil als Trennwand verwendet werden. Zudem unterliegt das Material der Trennwand keiner bestimmten Einschränkung, solange das Material der Trennwand Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält. Die Trennwand enthält vorzugsweise Aluminiumoxid in einer Menge von 70 Masseprozent oder mehr (bevorzugter 95 bis 100 Masseprozent, noch bevorzugter 99 bis 100 Masseprozent). Somit kann die Trennwand eine hinreichend hohe Isolierwirkung und mechanische Festigkeit in ausgewogener Weise aufweisen. Wenn die Trennwand ein Teil des diffusionskammerbildenden Bauteils ist, kann das diffusionskammerbildende Bauteil eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Analog enthalten das isolierende Keramikbauteil, das isolierende Unterteil und das diffusionskammerbildende Bauteil, die Aluminiumoxide als Hauptbestandteil enthalten, vorzugsweise Aluminiumoxid in einer Menge von 70 Masseprozent oder mehr (bevorzugter 95 bis 100 Masseprozent, noch bevorzugter 99 bis 100 Masseprozent).
Ferner ist in der Nähe der Übergangsebene zwischen der Trennwand und der Festelektrolytschicht die in der Trennwand enthaltene Menge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium vorzugsweise auf den kleinstmöglichen Wert reduziert. In dem Fall, da die Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltende Trennwand und eine Zirkoniumoxid oder dergleichen als Hauptbestandteil enthaltende Festelektrolytschicht durch gleichzeitiges Brennen von Materialien der Trennwand und der Festelektrolytschicht gebildet werden, fällt aufgrund eutektischer Kristallisation schnell ein Glasbestandteil an der Grenze zwischen der Trennwand und der Festelektrolytschicht aus, wenn ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall oder Silizium vorliegen. Da der ausgefällte Glasbestandteil bei hoher Temperatur einen Leckstrom verursacht, wird bevorzugt ein Zustand hergestellt, bei dem ein Ausfällen eines Glasbestandteils in der Trennwand in der Nähe der Übergangsebene kaum zu beobachten ist.
Ein solcher Zustand, in dem ein Ausfällen eines Glasbestandteils kaum zu beobachten ist, wird wie folgt definiert. Wenn ein Teil der Trennwand innerhalb von 20 µm einer Übergangsebene zwischen der Trennwand und der Festelektrolytschicht der Ip-Zelle als Trennwandübergangsteil (1621 in Fig. 3) definiert ist, beträgt die in dem Trennwandübergangsteil enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium, reduziert auf ihre jeweiligen Oxide, bezüglich des gesamten Trennwandübergangsteils 2 Masseprozent oder weniger (bevorzugter 0 bis 1,5 Masseprozent, noch bevorzugter 0 bis 1,0 Masseprozent).
Um die in dem Trennwandübergangsteil enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium möglichst klein zu halten, wird weiterhin vorzugsweise die folgende Bedingung erfüllt. Wenn ein Teil der Trennwand ausschließlich des Trennwandübergangsteils als verbleibender Teil der Trennwand definiert wird, liegt die in dem verbleibenden Teil der Trennwand enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium, reduziert auf ihre Oxide, bezüglich des gesamten verbleibenden Teils der Trennwand bei 1 Masseprozent oder weniger (bevorzugter bei 0 bis 0,7 Masseprozent, noch bevorzugter bei 0 bis 0,5 Masseprozent).
Zwar kann der Einfluss der Isolierung der Elektroden kleiner als der durch die vorbestimmten Bestandteile sein, die in dem Trennwandübergangsteil enthalten sind, doch können einige in der Festelektrolytschicht enthaltene Bestandteile die Isolierung der Elektroden beeinflussen, wenn die Festelektrolytschicht als Hauptbestandteil völlig oder teils durch Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid enthält. Daher wird in der Nähe der Übergangsebene zwischen der Trennwand und der Festelektrolytschicht die in der Festelektrolytschicht enthaltene Menge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium vorzugsweise auf einen möglichst niedrigen Wert reduziert. Wenn im Einzelnen ein Teil der Festelektrolytschicht innerhalb von 20 µm der Übergangsebene zwischen der Trennwand und der Festelektrolytschicht der Ip-Zelle als Festelektrolytschicht-Übergangsteil definiert wird, beträgt die in dem Festelektrolytschicht-Übergangsteil enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium, reduziert auf ihre jeweiligen Oxide, bezüglich des Festelektrolytschicht-Übergangsteils 2 Masseprozent oder weniger (bevorzugter 0 bis 1,0 Masseprozent, noch bevorzugter 0 bis 0,5 Masseprozent). Somit kann der Leckstrom zwischen den Elektroden der Ip-Zelle zuverlässiger verhindert und die Ionenleitfähigkeit der Festelektrolytschicht verbessert werden.
Um weiterhin die in dem Festelektrolytschicht-Übergangsteil der Festelektrolytschicht, welche als Hauptbestandteil völlig oder teilweise durch Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid enthält, enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium bestmöglich zu reduzieren, wird folgende Bedingung erfüllt. Wenn ein Teil der Festelektrolytschicht ausschließlich des Festelektrolytschicht-Übergangsteils als verbleibender Teil der Festelektrolytschicht definiert ist, beträgt die in dem verbleibenden Teil der Festelektrolytschicht enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium, reduziert auf ihre jeweiligen Oxide 1 Masseprozent oder weniger (bevorzugter 0 bis 0,5 Masseprozent, noch bevorzugter 0 bis 0,2 Masseprozent) bezüglich des gesamten verbleibenden Teils der Festelektrolytschicht.
Die in jedem, dem Trennwandübergangsteil und dem Festelektrolytschicht- Übergangsteil, enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium wird wie folgt erhalten. Das Element wird in Harz eingebettet, welches dann entlang einer Ebene senkrecht zur Übergangsebene so geschnitten wird, dass die Trennwand, die Festelektrolytschicht und die Übergangsebene alle frei liegen. Dann werden nach dem Polieren der geschnittenen Fläche drei unterschiedliche Bereiche jedes des Trennwandübergangsteils und des Festelektrolytschicht-Übergangsteils, die an der polierten Fläche erscheinen, definiert. In jedem dieser Bereiche werden mit Hilfe eines Röntgenproben-Mikroanalysators (nachstehend als "EPMA" bezeichnet) die Massenkonzentrationen von 13 Elementen einschließlich 6 Alkalimetallen, 6 Erdalkalimetallen und Silizium gemessen. Anschließend werden die Massenkonzentrationen der für die drei Bereiche gemessenen einzelnen Elemente gemittelt, um die mittleren Massenkonzentrationen der einzelnen Elemente zu erhalten. Anschließend werden die mittleren Massenkonzentrationen der einzelnen Elemente in auf die jeweiligen Oxide reduzierte Werte umgewandelt und die Gesamtsumme der umgewandelten mittleren Massenkonzentrationen wird als Gesamtmenge der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und des Silizium berechnet. Im Einzelnen wird die oben beschriebene Messung unter Vakuum mit Hilfe eines Wellenlängendispersionsröntgenspektrometers (WDS) durchgeführt, wobei der Strahlungsstrom auf 0,25 nA gesetzt und die Beschleunigungsspannung auf 20 kV gesetzt wird. Ein Beispiel eines EPMA ist ein "JXA-8800M" Modell, erhältlich von JEOL DATUM LTD.
Die in sowohl dem verbleibenden Teil der Trennwand (soll heißen ohne Übergangsteil der Trennwand) als auch dem verbleibenden Teil der Festelektrolytschicht (soll heißen ohne Übergangsteil der Festelektrolytschicht) enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium wird wie folgt erhalten. Beim verbleibenden Teil der Trennwand wird in gleicher Weise wie beim Messen des Übergangsteils eine Messung an drei unterschiedlichen Punkten in einem Bereich durchgeführt, der sich bis zu 100 µm von der Grenze zwischen dem Trennwandübergangsteil und dem verbleibenden Teil der Trennwand hin zur Innenseite der Trennwand erstreckt.
Das erfindungsgemäße Element kann einen einstückigen Aufbau annehmen, bei dem alle Teile durch Brennen (soll heißen gleichzeitiges Brennen oder gemeinsames Brennen) zusammengefasst werden, bzw. einen Aufbau, bei dem mehrere Teile nach dem Brennen durch Verwendung eines hitzebeständigen Zements oder hitzebeständigen Glases miteinander verbunden sind. Ein Beispiel für den Aufbau, bei dem mehrere Teile miteinander verbunden werden, ist ein Aufbau, bei dem ein isolierendes Unterteil, dessen Bestandteile durch Brennen mit einander verbunden wurden, und andere Teile, die durch Brennen verbunden wurden, miteinander verbunden sind. Bei dem Aufbau, bei dem mehrere Teile miteinander verbunden sind, müssen jedoch im Allgemeinen die einzelnen Teile eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, bevor sie miteinander verbunden werden, und müssen eine hinreichende Dicke aufweisen, um ihr Eigengewicht zu tragen. Daher nehmen in vielen Fällen die Gesamtgröße und die Dicke des Elements zu. Wenn das Element klein ausgeführt sein muss, nimmt das Element daher vorzugsweise einen einstückigen Aufbau an, bei dem alle Teile durch Brennen verbunden sind. Dies ermöglicht es den einzelnen Teilen, eine verringerte Dicke und Größe aufzuweisen, und da weiterhin hitzebeständiger Zement, etc., der andernfalls für das Verbinden erforderlich wäre, unnötig ist und die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird, so dass eine für das Aktivieren der einzelnen Zellen zum Starten der Gasmessung durch das Sensorelement erforderliche Zeitspanne weiter verringert werden kann. Demgemäß kann die Verwendung des einstückigen Elements sofort nach Anlassen des Verbrennungsmotors gestartet werden und somit kann das Abgasreinigungsmaß verbessert werden. Insbesondere Kraftfahrzeugabgase, etc., die in letzten Jahren problematisch waren, können stark gereinigt werden, wenn die Verbrennungseffizienz sofort nach dem Anlassen optimiert wird. Daher ist eine Verkürzung der Aufwärmzeit für die Reinigung von Abgasen sehr wichtig.

[2] Zweizellen-Sensorelement

Ein erfindungsgemäßes Element, welches eine Ip-Zelle und eine Vs-Zelle umfasst, wird unter Bezug auf Fig. 1, 2, 4 und 5 eingehend beschrieben. Zwar weisen ein Element (1a) von Fig. 1, ein Element (1b) von Fig. 4 und ein Element (1c) von Fig. 5 einen unterschiedlichen Aufbau auf, doch werden die jeweiligen Teile, die diese Elemente bilden, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Das in Fig. 1 gezeigte Element (1a) umfasst ein aus einem isolierenden Keramikbauteil gebildetes isolierendes Unterteil (11), das darin einen Hitzewiderstand (12) enthält, sowie direkt mit dem isolierenden Unterteil (11) verbundene Ip- und Vs-Zellen. Die Ip-Zelle besitzt eine Festelektrolytschicht (131) sowie ein Paar Elektroden (1322 und 1321), die auf einer gemeinsamen Oberfläche der Festelektrolytschicht (131) ausgebildet sind. Die Vs-Zelle weist eine Festelektrolytschicht (141) und ein Paar Elektroden (1422 und 1421) auf, die auf einer gemeinsamen Oberfläche der Festelektrolytschicht (141) ausgebildet sind. Das Element (1a) umfasst weiterhin ein diffusionskammerbildendes Bauteil (161), wovon ein Abschnitt durch einen aus einem porösen Material mit kontinuierlichen Poren gefertigten geschwindigkeitsregelnden Einleitteil (163) gebildet ist und wovon ein anderer Teil als Trennwand (162) dient. Das diffusionskammerbildende Bauteil definiert und bildet eine Diffusionskammer (16).
Die negative Elektrode (1321) der Ip-Zelle und die negative Elektrode (1421) der Vs-Zelle sind auf einer gemeinsamen Wandfläche der Diffusionskammer ausgebildet. Ein Ende der Trennwand (162) ist mit der Festelektrolytschicht (131) der Ip-Zelle verbunden und ist zwischen den negativen und positiven Elektroden (1321 und 1322) der Ip-Zelle angeordnet. Die positive Elektrode (1322) der Ip-Zelle ist einer Atmosphäre bei Messung direkt oder indirekt ausgesetzt (z. B. wenn eine Schutzschicht zur Verhinderung einer Vergiftung vorgesehen ist).
Das diffusionskammerbildende Bauteil (161) bedeckt die positive Elektrode (1422) der Vs-Zelle. Bei diesem Aufbau kann die positive Elektrode (1422) selbst Sauerstoff eines vorbestimmten Drucks in die Poren der positiven Elektrode (1422) durch Anlegen eines niedrigen konstanten Stroms über die Elektroden (1421/1422) der Vs-Zelle einbringen. Der eingebrachte Sauerstoff dient als Bezugswert für die Sauerstoffkonzentration. Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht des Elements (1a) entlang der Linie A-A' in Fig. 1. Der in Fig. 1 durch Strichlinien angedeutete geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) ist in einer Seitenwand des Elements (1a) angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt.
Der Aufbau des Elements (1a) kann wie folgt abgewandelt werden. Die Positionen der negativen und positiven Elektroden (1321) und (1322) der Ip-Zelle können umgekehrt werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann ein Bezugsgaseinleitkanal (17) für die positive Elektrode (1422) der Vs-Zelle vorgesehen werden, so dass ein Bezugsgas als Bezugswert für die Sauerstoffkonzentration verwendet werden kann. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann eine Hilfselektrode (151) für die Festelektrolytschicht (131) der Ip-Zelle und für die Festelektrolytschicht (141) der Vs-Zelle vorgesehen werden.
Wie in Fig. 4 gezeigt, kann der geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) in der Trennwand (162) vorgesehen werden. Alternativ kann, wie in Fig. 5 gezeigt, der geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) in einem Abschnitt des diffusionskammerbildenden Bauteils (161) vorgesehen werden, wobei der Abschnitt der Ip-Zelle und der Vs-Zelle zugewandt ist. Der geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) kann eine kleine Durchgangsbohrung sein. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann ein Wanderungsverhinderungsleiter (152) an einer Fläche des isolierenden Unterteils (11) vorgesehen werden. Der Wanderungsverhinderungsleiter (152) kann eine gerade Form annehmen, wie in Fig. 4 gezeigt, oder eine gewundene Form, wie in Fig. 5 gezeigt. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann der Wanderungsverhinderungsleiter (152) innerhalb des isolierenden Unterteils (11) vorgesehen werden.
Das in Fig. 4 gezeigte Element (1b) weist mit Ausnahme folgender Punkte die gleiche Konfiguration wie das in Fig. 1 und 2 gezeigte Element (1a) auf. Der geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) ist in der Trennwand (162) ausgebildet. Ein Bezugsgas (z. B. Atmosphärenluft), das von dem Bezugsgaseinleitkanal (17) zu der positiven Elektrode (1422) der Vs-Zelle eingeleitet wird, dient als Bezugswert für die Sauerstoffkonzentration. Weiterhin ist ein Wanderungsverhinderungsleiter (152) an einer Fläche des isolierenden Unterteils (11) ausgebildet.
Das in Fig. 5 gezeigte Element (1c) weist mit Ausnahme folgender Punkte die gleiche Konfiguration wie das in Fig. 1 und 2 gezeigte Element (1a) auf. Der geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) ist in einem Abschnitt des diffusionskammerbildenden Bauteils (161) vorgesehen, wobei der Abschnitt der Ip-Zelle und der Vs-Zelle zugewandt ist. Eine Hilfselektrode (151) ist für die Festelektrolytschicht (131) der Ip-Zelle und für die Festelektrolytschicht (141) der Vs-Zelle vorgesehen. Ferner ist ein Wanderungsverhinderungsleiter (152) von gewundener Form innerhalb des isolierenden Unterteils (11) vorgesehen.

[3] Dreizellen-Sensorelement

Ein erfindungsgemäßes Element, welches zwei Ip-Zellen und eine Vs-Zelle umfasst, wird unter Bezug auf Fig. 2 und 6 bis 13 eingehend beschrieben. Zwar weisen die in Fig. 6 sowie 7 bis 13 gezeigten Elemente (1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i und 1j) jeweils einen unterschiedlichen Aufbau auf, doch werden die jeweiligen Teile, die diese Elemente bilden, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Das in Fig. 6 gezeigte Element (1d) umfasst ein aus einem isolierenden Keramikbauteil gebildetes isolierendes Unterteil (11), das darin einen Hitzewiderstand (12) enthält, sowie eine erste Ip-Zelle, eine Vs-Zelle und eine zweite Ip-Zelle, die direkt mit dem isolierenden Unterteil (11) verbunden sind. Die erste Ip-Zelle besitzt eine Festelektrolytschicht (131)-1 sowie ein Paar Elektroden (1322-1 und 1321-1), die auf einer gemeinsamen Oberfläche der Festelektrolytschicht (131-1) ausgebildet sind. Die Vs-Zelle weist eine Festelektrolytschicht (141) und ein Paar Elektroden (1422 und 1421) auf, die auf einer gemeinsamen Oberfläche der Festelektrolytschicht (141) ausgebildet sind. Die zweite Ip-Zelle weist eine Festelektrolytschicht (131-2) sowie ein Paar Elektroden (1322-2 und 1321-2) auf, die auf einer gemeinsamen Oberfläche der Festelektrolytschicht (131-2) ausgebildet sind.
Das in Fig. 6 gezeigte Element (1d) umfasst weiterhin ein diffusionskammerbildendes Bauteil (161), wovon ein Abschnitt durch einen aus einem porösen Material mit kontinuierlichen Poren gefertigten geschwindigkeitsregelnden Einleitteil (163) gebildet ist und wovon ein anderer Teil als Trennwand (162) dient. Das diffusionskammerbildende Bauteil definiert und bildet eine Diffusionskammer (bestehend aus den Kammerabschnitten 16-1 und 16-2). Die negative Elektrode (1321-1) der ersten Ip-Zelle, die negative Elektrode (1421) der Vs-Zelle und die negative Elektrode (1321-2) der zweiten Ip-Zelle sind auf einer gemeinsamen Wandfläche der Diffusionskammer ausgebildet. Zwar ist die positive Elektrode (1422) der Vs-Zelle ebenfalls an der gemeinsamen Wandfläche der Diffusionskammer ausgebildet, doch ist die Elektrode (1422) mittels eines Elektrodenabdichtabschnitts (153) so luftdicht abgedichtet, dass die Elektrode (1422) nicht der Atmosphäre in der Diffusionskammer (bestehend aus den Kammerabschnitten 16-1 und 16-2) ausgesetzt ist. Weiterhin ist die Trennwand (162) mit der Festelektrolytschicht (131-1) der ersten Ip-Zelle verbunden und ist zwischen den negativen und positiven Elektroden (1321-1 und 1322-1) der ersten Ip-Zelle angeordnet.
Die positive Elektrode (1322-1) der ersten Ip-Zelle ist einer Atmosphäre bei Messung direkt oder indirekt ausgesetzt (z. B. wenn eine Schutzschicht zur Verhinderung einer Vergiftung vorgesehen ist). Die positive Elektrode (1422) selbst füllt Sauerstoff eines vorbestimmten Drucks in die Grenze zwischen dem Festelektrolyt (141) und der positiven Elektrode (1422), so dass der eingebrachte Sauerstoff als Bezugswert für die Sauerstoffkonzentration dient. Der Elektrodenabdichtteil (153), welcher die positive Elektrode (1422) der Vs-Zelle abdichtet, ragt in die Diffusionskammer (bestehend aus den Kammerabschnitten 16-1 und 16-2) hinein, um so einen verengten Abschnitt zu bilden, welcher als stickstoffoxidgeschwindigkeitsregelnder Teil (164) dient. Ein Abschnitt der Diffusionskammer, der sich bezüglich des stickstoffoxidgeschwindigkeitsregelnden Teils (164) an der Seite der ersten Ip-Zelle befindet, dient als erster Diffusionskammerabschnitt (16-1) und ein Abschnitt der Diffusionskammer, der sich bezüglich des stickstoffoxidgeschwindigkeitsregelnden Teils (164) an der Seite der zweiten Ip-Zelle befindet, dient als zweiter Diffusionskammerabschnitt (16-2).
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht des Elements (1d) entlang der Linie A-A' in Fig. 6. Der in Fig. 6 durch Strichlinien angedeutete geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) ist in einer Seitenwand des Elements (1d) angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt. Fig. 7 ist eine schematische Schnittansicht des Elements (1d) entlang der Linie B-B' in Fig. 6.
Der Aufbau des Elements (1d) kann wie folgt abgewandelt werden. Die Positionen der negativen und positiven Elektroden (1321-1) und (1322-1) der ersten Ip-Zelle können umgekehrt werden und die Positionen der negativen und positiven Elektroden (1321-2) und (1322-2) der zweiten Ip-Zelle können umgekehrt werden. Es kann ein Bezugsgaseinleitkanal für die positive Elektrode (1422) der Vs-Zelle vorgesehen werden, so dass ein Bezugsgas als Bezugswert für die Sauerstoffkonzentration verwendet werden kann. Wie in Fig. 10 gezeigt, kann weiterhin ein Bezugsgaseinleitkanal für eine der Elektroden (1321-2 bzw. 1322-2) der zweiten Ip-Zelle vorgesehen werden, so dass ein Bezugsgas als Bezugswert für die Sauerstoffkonzentration verwendet werden kann.
Wie in Fig. 8 gezeigt, kann eine Hilfselektrode (151) für die Festelektrolytschicht (131-1) der ersten Ip-Zelle, für die Festelektrolytschicht (141) der Vs-Zelle und für die Festelektrolytschicht (131-2) der zweiten Ip-Zelle vorgesehen werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann der geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) in der Trennwand (162) vorgesehen werden. Alternativ kann, wie in Fig. 5 gezeigt, der geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) in einem Abschnitt des diffusionskammerbildenden Bauteils (161) vorgesehen werden, wobei der Abschnitt der Ip-Zelle und der Vs-Zelle zugewandt ist. Der geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) kann eine kleine Durchgangsbohrung sein. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann ein Wanderungsverhinderungsleiter (152) an einer Fläche des isolierenden Unterteils (11) vorgesehen werden.
Der Wanderungsverhinderungsleiter (152) kann eine gerade Form annehmen, wie in Fig. 4 gezeigt, oder eine gewundene Form, wie in Fig. 5 gezeigt. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann der Wanderungsverhinderungsleiter (152) innerhalb des isolierenden Unterteils (11) vorgesehen werden. Anstelle der Verwendung des Elektrodenabdichtteils (153) kann der stickstoffgeschwindigkeitsregelnde Teil (164) durch Verschmälern eines Abschnitts der Diffusionskammer durch Einsatz eines anderen Bauteils, wie in Fig. 11 gezeigt, gebildet werden. Alternativ kann der stickstoffoxidregelnde Teil (164), wie in Fig. 13 gezeigt, durch Einsatz eines porösen Materials mit kontinuierlichen Poren gebildet werden. Weiterhin wird, wie in Fig. 12 gezeigt, nur der aus einem porösen Material mit kontinuierlichen Poren gebildete stickstoffgeschwindigkeitsregelnde Teil (164) vorgesehen, ohne Vorsehen des zweiten Diffusionskammerabschnitts. Wie in Fig. 12 und 1 gezeigt, kann die zweite Ip-Zelle an einer anderen Innenwandfläche der Diffusionskammer als an der, an der die erste Ip-Zelle und die Vs-Zelle vorgesehen sind, vorgesehen werden.
Das in Fig. 8 gezeigte Element (1e) weist mit Ausnahme folgender Punkte die gleiche Konfiguration wie das in Fig. 6 und 7 gezeigte Element (1d) auf. Eine Hilfselektrode (151) ist für die Festelektrolytschicht (131-1) der ersten Ip-Zelle, für die Festelektrolytschicht (141) der Vs-Zelle und für die Festelektrolytschicht (131-2) der zweiten Ip-Zelle vorgesehen.
Das in Fig. 9 gezeigte Element (1f) weist mit Ausnahme folgender Punkte die gleiche Konfiguration wie das in Fig. 6 und 7 gezeigte Element (1d) auf. Die positive Elektrode (1322-2) der zweiten Ip-Zelle ist zwischen dem isolierenden Unterteil (11) und der Festelektrolytschicht (131-2) der zweiten Ip-Zelle ausgebildet.
Das in Fig. 10 gezeigte Element (1g) weist mit Ausnahme folgender Punkte die gleiche Konfiguration wie das in Fig. 6 und 7 gezeigte Element (1d) auf. Ein Bezugsgaseinleitkanal (17) ist für die positive Elektrode der zweiten Ip-Zelle vorgesehen, so dass ein Bezugsgas als Bezugswert für die Sauerstoffkonzentration verwendet werden kann.
Das in Fig. 11 gezeigte Element (1h) weist mit Ausnahme folgender Punkte die gleiche Konfiguration wie das in Fig. 6 und 7 gezeigte Element (1d) auf. Die positive Elektrode (1422) der Vs-Zelle ist zwischen dem isolierenden Unterteil (11) und der Festelektrolytschicht (141) der Vs-Zelle ausgebildet. Analog ist die positive Elektrode der zweiten Ip-Zelle zwischen dem isolierenden Unterteil (11) und der Festelektrolytschicht (131-2) der zweiten Ip-Zelle ausgebildet. Weiterhin wird anstelle der Verwendung des Elektrodenabdichtteils (153) der stickstoffoxidgeschwindigkeitsregelnde Teil (164) durch Verwendung eines anderen Bauteils ausgebildet.
Das in Fig. 12 gezeigte Element (1 i) weist mit Ausnahme folgender Punkte die gleiche Konfiguration wie das in Fig. 6 und 7 gezeigte Element (1d) auf. Die zweite Ip-Zelle ist an einer anderen Innenwandfläche der Diffusionskammer als der, an der die erste Ip-Zelle und die Vs-Zelle vorgesehen sind, vorgesehen, sodass die zweite Ip-Zelle über der Vs-Zelle angeordnet ist. Das Element (1i) besitzt nicht den zweiten Diffusionskammerabschnitt und weist nur einen stickstoffoxidgeschwindigkeitsregelnden Teil (164) auf, der aus einem porösen Material mit kontinuierlichen Poren gebildet ist. Selbst wenn nur der stickstoffoxidgeschwindigkeitsregelnde Teil (164) vorgesehen ist, ist die Messung an der zweiten Ip-Zelle möglich.
Das in Fig. 13 gezeigte Element (1j) weist mit Ausnahme folgender Punkte die gleiche Konfiguration wie das in Fig. 6 und 7 gezeigte Element (1d) auf. Die zweite Ip-Zelle ist an einer anderen Innenwandfläche der Diffusionskammer als der, an der die erste Ip-Zelle und die Vs-Zelle vorgesehen sind, vorgesehen, so dass die zweite Ip-Zelle über der Vs-Zelle angeordnet ist. Der zweite Diffusionskammerabschnitt (16-2) ist mittels eines stickstoffoxidgeschwindigkeitsregelnden Teils (164), der aus einem porösen Material mit kontinuierlichen Poren gebildet ist, unterteilt. Die positive Elektrode (1422) der Vs-Zelle ist zwischen dem isolierenden Unterteil (11) und der Festelektrolytschicht (141) der Vs-Zelle ausgebildet.
Wie vorstehend beschrieben kann ein Dreizellenelement eine erste Ip-Zelle und eine zweite Ip-Zelle umfassen. Von diesen Zellen pumpt die erste Ip-Zelle den in einem zu messenden Gas, das in die Diffusionskammer eingeleitet wurde (einschließlich den von einem Teil der Stickstoffoxide dissoziierten Sauerstoff), enthaltenen Sauerstoff aus der Diffusionskammer heraus, um so die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases, das in die Diffusionskammer eingeleitet wurde, zu verringern. Die zweite Ip-Zelle legt an das zu messende Gas, das in die Diffusionskammer mit einer reduzierten Sauerstoffkonzentration eingeleitet wurde, eine Spannung mit einem Wert an, welcher nur Stickstoffoxide abbaut. Dadurch wird nur durch Abbau von Stickstoffoxiden erzeugter Sauerstoff über die Festelektrolytschicht der zweiten Ip-Zelle aus der Diffusionskammer herausgepumpt, um einen Strom abzugeben, der zu diesem Zeitpunkt fließt.
Die ersten und zweiten Ip-Zellen können innerhalb des Elements eine derartige Positionsbeziehung aufweisen, dass die erste Ip-Zelle bezüglich der Strömrichtung des zu messenden Gases, das in die Diffusionskammer eingeleitet wurde, stromaufwärts der zweiten Ip-Zelle angeordnet ist.
Bei dem Dreizellenelement wird die Sauerstoffkonzentration in der Diffusionskammer, die mittels der ersten Ip-Zelle reduziert wurde, mit Hilfe der Vs-Zelle gemessen; eine Sauerstoffmenge, die die erste Ip-Zelle nicht beseitigen konnte, wird von einer Sauerstoffmenge, die mittels der zweiten Ip-Zelle herausgepumpt wurde, für Korrekturzwecke abgezogen, wodurch eine präzise Konzentration der Stickstoffoxide gemessen wird. Die Vs-Zelle des Dreizellenelements trägt zu diesem Korrekturvorgang bei. Zudem wird die in der Nähe der zweiten Ip-Zelle diffundierte Sauerstoffkonzentration mit Hilfe der Vs-Zelle zum Zweck der Regelung zum Wahren einer konstanten Konzentration des in dem zu messenden Gas enthaltenen Sauerstoffs, dessen Sauerstoffkonzentration mittels der ersten Ip-Zelle reduziert wurde, überwacht. Die Vs-Zelle des Dreizellenelements trägt ebenfalls zu diesem Regelvorgang bei.
Daher wird die Vs-Zelle zwischen den ersten und zweiten Ip-Zellen angeordnet, welche so angeordnet sind, dass sich die erste Ip-Zelle bezüglich der Richtung der Diffusion des zu messenden Gases stromaufwärts der zweiten Ip-Zelle befindet. Jedes der anderen Gassensorelemente nach einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst den oben beschriebenen isolierenden Unterteil (11), den Heizwiderstand (12), die Sauerstoffpumpzelle (13), die Sauerstofffeststellzelle (14), den geschwindigkeitsregelnden Einleitteil (163), die Diffusionskammer (16), das diffusionskammerbildende Bauteil (161) und die Trennwand (162) und erfüllt die folgenden Bedingungen (a), (b), (c) und (d):

a) sowohl das isolierende Unterteil (11) als auch das diffusionskammerbildende Bauteil (161) enthalten Aluminiumoxid als Hauptbestandteil;
b) eine Trennwand (162), welche sich von dem diffusionskammerbildenden Bauteil (161) erstreckt, ist mit einer Oberfläche eines Festelektrolyts (131) zwischen einem Paar Elektroden (1321/1322) der Sauerstofffeststellzelle verbunden, und
c) ein Grenzteil innerhalb von 20 µm von einer Übergangsebene zwischen der Festelektrolytschicht (131) und der Trennwand (162) enthält keinen Abschnitt, in welchem die Menge anderer Substanzen als Aluminiumoxid die Menge anderer Substanzen als Aluminiumoxid des diffusionskammerbildenden Bauteils (161) um 2 Masseprozent oder mehr übersteigt, und
d) der isolierende Unterteil (11), der Heizwiderstand (12), die Festelektrolytschichten (131, 132), die Elektroden (1321, 1322, 1421, 1422) und das diffusionskammerbildende Bauteil (161) sind durch gleichzeitiges Brennen einstückig ausgeführt.

Bezüglich Bedingung (b) kann im Einzelnen die Trennwand (162), welche sich von dem diffusionskammerbildenden Bauteil (161) erstreckt, Teil einer Abdeckung sein, die die Diffusionskammer bedeckt. Bedingung (c) bedeutet, dass die Menge der letzteren vorbestimmten Bestandteile nicht 2 Masseprozent der Menge der ersteren vorbestimmten Bestandteile übersteigt. Die Menge anderer Bestandteile als Aluminiumoxid kann mit Hilfe von zum Beispiel EPMA gemessen werden, wie oben beschrieben. Bedingung (c) ist wichtig, da bei diesem Sensoraufbau eine große Menge Sauerstoffione unter einer hohen Spannung, die über den Elektroden der Pumpzelle (Ip-Zelle) zwangsweise angelegt wird, in einer ebenen Richtung durch das ebene Elektrolyt strömen muss.
Jede der Festelektrolytschichten (131 und 132) kann Zirkoniumoxidkeramik in einer Menge von 20 bis 90 Masseprozent und Aluminiumoxid in einer Menge von 10 bis 80 Masseprozent enthalten. Die hier erwähnte Zirkoniumoxidkeramik ist identisch zu dem in der oben beschriebenen Festelektrolytschicht enthaltenen Zirkoniumoxid. Der Wanderungsverhinderungsleiter (152) entspricht dem oben beschriebenen.

Gassensor

Ein erfindungsgemäßer Gassensor umfasst ein erfindungsgemäßes Gassensorelement. Der verbleibende Teil des Gassensors unterliegt keiner bestimmten Beschränkung. Der Gassensor kann zum Beispiel eine Armierung (z. B. einen Schutz, eine Außenhülse und eine Tülle) zum Schutz des Gassensorelements vor Wasser, Erschütterung, etc., die von außen einwirken, umfassen. Weiterhin kann der Gassensor eine Metallummantelung mit einem Gewindeteil für das Anbringen des Gassensors zum Beispiel an einem Auspuff umfassen. Weiterhin können eine Halterung für das feste Anbringen des Gassensorelements und ein Puffermaterial (für das Puffern von Hitze und Erschütterung) in der Metallummantelung vorgesehen werden. Ferner kann der Gassensor Leitungselemente (z. B. Trägerstreifen und Anschlussdrähte) für das Extrahieren eines elektrischen Signals von dem Gassensorelement und für das Anlegen einer Spannung an dem Heizwiderstand enthalten.

BEISPIELE

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf Fig. 14 bis 30 eingehender beschrieben.
Hinzuweisen ist, dass für ein besseres Verständnis in der folgenden Beschreibung einige Teile vor und nach dem Brennen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Zwar ist ein Herstellvorgang so beschrieben, als ob ein einziges Element erzeugt wird, doch werden im tatsächlichen Prozess ungesinterte Platten, welche zehn ungesinterte Elemente mit jeweils einer Länge von 60 mm und einer Breite von 5 mm (nach dem Brennen mit einer Länge von etwa 47 mm und einer Breite von etwa 3,9 mm) ergeben, durch Zuschneiden erzeugt, wird ein Leiterbild für 10 Elemente auf jede der ungesinterten Platten gedruckt und werden die ungesinterten Platten so geschichtet, dass sie ein Laminat bilden, aus welchem ungesinterte Sensorelemente ausgeschnitten werden. Weiterhin werden Positionierlöcher in jeder ungesinterten Platte entlang deren Umfangskante ausgebildet und Befestigungsstifte werden durch diese Löcher geführt, um so jede ungesinterte Platte zu positionieren.
In Fig. 17 bis 30 wird die in Fig. 6 gezeigte Umfangskante einer ungesinterten unteren Schicht (111) eines isolierenden Unterteils durch eine Strichlinie dargestellt, um die geschichtete Position jedes ungesinterten Körpers von oben gesehen zu veranschaulichen. Weiterhin werden in Fig. 31 die Positionen der Elektrodenflächen (die Teile ausschließlich der Leitungsteile) der einzelnen Elektroden durch Strichlinien dargestellt, um die Positionen der Elektrodenflächen von einer Seite des ungesinterten Sensorelements aus gesehen zu zeigen.

[1] Herstellung eines Vollbereichs-Luft-/Kraftstoffverhältnissensorelements

〈1〉 Erzeugung von fünf Arten von ungesinterten Keramikplatten

(1) Erzeugung eines ungesinterten diffusionskammerbildenden Bauteils (161)

Aluminiumoxidpulver (Reinheit: nicht unter 99, 99%), wobei Butyralharz als Bindemittel diente, Dibutylphthalat als Plastifizierungsmittel diente und Toluen und Methylethylketon als Lösungsmittel dienten, wurden so gemischt, dass sich ein Schlicker ergab. Anschließend wurde eine Platte mit einer Dicke von 0,2 mm mit Hilfe eines Schabklingenverfahrens aus dem Schlicker gebildet. Anschließend wurden an vorbestimmten Stellen an einem Endbereich der Platte drei Durchgangslöcher (1611) gebildet. Somit wurde ein in Fig. 14 gezeigtes ungesintertes diffusionskammerbildendes Bauteil (161) ebener Form gebildet.

(2) Erzeugung einer ungesinterten oberen Schicht (112) des isolierenden Unterteils

In gleicher Weise wie vorstehend unter (1) beschrieben wurde ein Schlicker zubereitet und eine Platte mit einer Dicke von 0,4 mm durch ein Schabklingenverfahren aus dem Schlicker gebildet. Somit wurde wie in Fig. 15 gezeigt eine ungesinterte obere Schicht (112) eines isolierenden Unterteils mit ebener Form erhalten.

(3) Erzeugung einer ungesinterten unteren Schicht (111) des isolierenden Unterteils

In gleicher Weise wie vorstehend unter (1) beschrieben wurde ein Schlicker zubereitet und eine Platte mit einer Dicke von 0,8 mm durch ein Schabklingenverfahren aus dem Schlicker gebildet. Dann wurden in der Platte zwei Durchgangslöcher (1111) gebildet. Somit wurde wie in Fig. 16 gezeigt eine ungesinterte untere Schicht (111) eines isolierenden Unterteils mit ebener Form erhalten.

(4) Erzeugung einer ungesinterten Trennwand (162)

In gleicher Weise wie vorstehend unter (1) beschrieben wurde ein Schlicker zubereitet und eine Platte mit einer Dicke von 150 µm durch ein Schabklingenverfahren aus dem Schlicker gebildet. Somit wurde wie in Fig. 29 gezeigt eine ungesinterte Trennschicht (162) mit ebener Form erhalten. Diese ungesinterte Trennwand (162) wurde mit dem ungesinterten diffusionskammerbildenden Bauteil (161) im Verlauf des Brennens zusammengefasst, so dass sie nach dem Brennen ein Teil des diffusionskammerbildenden Bauteils (161) wurde.

(5) Erzeugung einer ungesinterten vierten Isolierschicht (166)

In gleicher Weise wie vorstehend unter (1) beschrieben wurde ein Schlicker zubereitet und eine Platte mit einer Dicke von 150 µm durch ein Schabklingenverfahren aus dem Schlicker gebildet. Dann wurden in der Platte zwei Durchgangslöcher (1661) gebildet. Somit wurde wie in Fig. 30 gezeigt eine ungesinterte vierte Isolierschicht (166) ebener Form erhalten. Diese ungesinterte vierte Isolierschicht (166) wurde mit dem ungesinterten diffusionskammerbildenden Bauteil (161) im Verlauf des Brennens zusammengefasst, so dass sie nach dem Brennen ein Teil des diffusionskammerbildenden Bauteils (161) wurde.

〈2〉 Prozess zur Ausbildung eines ungesinterten Laminats

(1) Bildung einer ungesinterten unteren Ip-Zellen-Festelektrolytschicht (1311) und einer ungesinterten unteren Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1411)

Es wurden ein Gemisch aus 70 Masseprozent Zirkoniumoxidpulver (Reinheit: nicht unter 99, 99%) und 30 Masseprozent Aluminiumoxidpulver (Reinheit: nicht unter 99, 99%, durchschnittliche Partikelgröße: 0,6 µm) und ein Dispergiermittel in Aceton zusammengemischt, so dass sich ein Schlicker ergab. Separat wurden Butyralharz (Bindemittel), Butylcarbitol, Dibutylphthalat (Plastifizierungsmittel) und Aceton gemischt, so dass eine Bindemittellösung erhalten wurde. Diese Bindemittellösung wurde dem Schlicker zugegeben, welcher geknetet wurde, damit das Aceton verdampfen konnte, um so eine Festelektrolytschicht-Paste zu erzeugen.
Die so erzeugte Festelektrolytschicht-Paste wurde durch Siebdrucken auf eine Oberfläche der ungesinterten oberen Schicht (112) des isolierenden Unterteils, die vorstehend unter 〈1〉 (2) erhalten wurde, so aufgebracht, dass Schichten der Paste (Dicke von 40 µm) mit ebenen Formen, wie in Fig. 20 gezeigt, an der Oberfläche ausgebildet wurden. Anschließend wurden die Schichten getrocknet, so dass sich eine ungesinterte untere Ip-Zellen-Festelektrolytschicht (1311) und eine ungesinterte untere Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1411) ergab.

(2) Bildung einer ungesinterten ersten Isolierschicht (181)

Aluminiumoxidpulver (Reinheit: nicht unter 99, 99%), wobei Butyralharz als Bindemittel diente, Dibutylphthalat als Plastifizierungsmittel diente und Toluen und Methylethylketon als Lösungsmittel dienten, wurden so gemischt, dass sich eine Paste ergab. Weiterhin wurden vorbestimmte Mengen von Butylcarbitol und Aceton der Paste zugegeben, welche dann vier Stunden lang gemischt wurde, um das Aceton zu verdampfen, um so eine Isolierschichtpaste zu erzeugen.
Die so erzeugte Isolierschichtpaste wurde durch Siebdrucken so auf die ungesinterte oberen Schicht (112) des isolierenden Unterteils aufgebracht, dass eine Schicht der Paste (Dicke von 40 µm) mit ebener Form, wie in Fig. 21 gezeigt, über der gesamten Oberfläche mit Ausnahme der vorstehend unter (1) ausgebildeten ungesinterten unteren Ip-Zellen-Festelektrolytschicht (1311) und der ungesinterten unteren Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1411) gebildet wurde. Somit wurde die ungesinterte erste Isolierschicht (181) gebildet.

(3) Bildung einer ungesinterten oberen Ip-Zellen-Festelektrolytschicht (1312) und einer ungesinterten oberen Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1412)

Die vorstehend in (1) verwendete Festelektrolytschicht-Paste wurde durch Siebdrucken auf die ungesinterte untere Schicht (1311) des Ip-Zellen-Festelektrolyts und die ungesinterte untere Schicht (1411) des Vs-Zellen-Festelektrolyts so aufgebracht, dass die Schichten der Paste (Dicke von 30 µm) mit ebenen Formen, wie in Fig. 22 gezeigt, darauf ausgebildet wurden. Anschließend wurden die Schichten getrocknet, so dass sich die ungesinterte obere Ip-Zellen- Festelektrolytschicht (1312) und die ungesinterte obere Vs-Zellen- Festelektrolytschicht (1412) ergab.

(4) Bildung einer ungesinterten zweiten Isolierschicht (182)

Die vorstehend in (2) verwendete Isolierschicht-Paste wurde durch Siebdrucken auf die ungesinterte erste Isolierschicht (181) so aufgebracht, dass eine Schicht der Paste (Dicke von 30 µm) mit ebener Form, wie in Fig. 23 gezeigt, über der gesamten Oberfläche mit Ausnahme der ungesinterten oberen Ip-Zellen-Festelektrolytschicht (1312) und der ungesinterten oberen Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1412) ausgebildet wurde. Anschließend wurde die Schicht getrocknet, um so die ungesinterte zweite Isolierschicht (182) zu bilden.

(5) Bildung einer ungesinterten gemeinsamen negativen Elektrode (134) für die Ip- und Vs-Zellen und einer ungesinterten positiven Elektrode (1422) für die Vs-Zelle

15 Masseteile Zirkoniumoxidpulver, die durch Mitfällung erhalten wurden (mit einem Anteil von 5,4 Molprozent Y2O3, das als Stabilisierungsmittel diente, und einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,3 bis 0,4 µm), sowie 100 Masseteile Platinpulver wurden gemischt, um so die Paste für eine leitende Schicht zu erzeugen.
Die so erzeugte Paste für eine leitende Schicht wurde durch Siebdrucken auf die ungesinterte obere Ip-Zellen-Festelektrolytschicht (1312), die ungesinterte obere Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1412) und die ungesinterte zweite Isolierschicht (182) so aufgebracht, dass die in Fig. 19 gezeigten Schichten der Paste (Dicke von 20 µm) mit ebenen Formen darauf ausgebildet wurden. Anschließend wurden die Schichten getrocknet, um so die ungesinterte gemeinsame negative Elektrode (134) für die Ip- und Vs-Zellen sowie die ungesinterte positive Elektrode (1422) für die Vs-Zelle zu bilden. Die ungesinterte gemeinsame negative Elektrode (134) besitzt verzweigte Endteile (Elektrodenteile), wovon sich einer in Kontakt mit der ungesinterten oberen Ip-Zellen-Festelektrolytschicht (1312) und der andere mit der ungesinterten oberen Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1412) in Kontakt befindet. Weiterhin befindet sich die ungesinterte positive Elektrode (1422) für die Vs-Zelle in Kontakt mit der ungesinterten oberen Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1412).

(6) Bildung einer ungesinterten dritten Isolierschicht (183)

Die vorstehend in (2) verwendete Isolierschicht-Paste wurde durch Siebdrucken so aufgebracht, dass eine Schicht der Paste (Dicke von 30 µm) mit ebener Form, wobei ein Durchgangsloch (1831) vorgesehen ist, wie in Fig. 28 gezeigt, gebildet wurde, um zu verhindern, dass die ungesinterte gemeinsame negative Elektrode (134) für die Ip- und Vs-Zellen sowie die ungesinterte positive Elektrode (1422) für die Vs-Zelle, die vorstehend in (5) gebildet wurde, in direkten Kontakt mit einer später zu bildenden ungesinterten positiven Elektrode (1322) für die Ip-Zelle in Kontakt kommt. Die Pastenschicht wurde getrocknet, um die ungesinterte dritte Isolierschicht (183) zu bilden.

(7) Bildung einer ungesinterten positiven Elektrode (1322) für die Ip-Zelle

Die vorstehend in (5) verwendete Paste für eine leitende Schicht wurde durch Siebdrucken so aufgebracht, dass eine Schicht der Paste (Dicke von 20 µm) mit ebener Form, wie in Fig. 24 gezeigt, in Kontakt mit der ungesinterten oberen Ip-Zellen-Festelektrolytschicht (1312) gebildet wurde, ohne in Kontakt mit der ungesinterten oberen Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1412) zu kommen. Die Schicht wurde anschließend getrocknet, um die ungesinterte positive Elektrode (1322) für die Ip-Zelle zu bilden.

(8) Bildung eines zu brennenden Bauteils (165) für die Diffusionskammer

Kohlenstoffpulver, als Bindemittel dienendes Butyralharz, als Plastifizierungsmittel dienendes Dibutylphthalat und als Lösungsmittel dienendes Toluen und Methylethylketon wurden gemischt, um die Paste eines zu brennenden Bauteils zu erzeugen. Diese Paste des zu brennenden Bauteils wurde durch Siebdrucken auf einen Elektrodenteil, d. h. einen anderen Teil als einen vorderen Teil der ungesinterten gemeinsamen negativen Elektrode (134) für die Ip-, Vs-Zellen und einen Elektrodenteil der ungesinterten positiven Elektrode (1422) für die Vs-Zelle, die ungesinterte obere Ip-Zellen-Festelektrolytschicht (1312) und die ungesinterte obere Vs-Zellen-Festelektrolytschicht (1412) so aufgebracht, dass eine Schicht der Paste (Dicke von 150 jim) mit einer ebenen Form, wie in Fig. 18 gezeigt, darauf gebildet wurde. Die Pastenschicht wurde getrocknet, um ein zu brennendes Bauteil (165) für die Diffusionskammer zu bilden.

(9) Bildung eines ungesinterten geschwindigkeitsregelnden Einleitteils (163)

Aluminiumoxidpulver (Reinheit: nicht unter 99,99%), wobei Butyralharz als Bindemittel diente, Dibutylphthalat als Plastifizierungsmittel diente und Toluen und Methylethylketon als Lösungsmittel dienten, wurden so gemischt, dass sich eine Paste ergab. Weiterhin wurden vorbestimmte Mengen von Butylcarbitol und Aceton der Paste zugegeben, welche dann vier Stunden lang gemischt wurde, um das Aceton zu verdampfen, um so eine Paste zu erzeugen, welcher Kohlenstoffpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 5 µm in einer Menge von 45 Volumenprozent bezüglich des Volumens des Aluminiumoxids beigemischt wurde. Dadurch wurde eine poröse Teilpaste erzeugt. Diese poröse Teilpaste wurde durch Siebdrucken auf die gleiche Stelle wie das zu brennende Bauteil (165) entlang der Längsrichtung des Elements, aber auf eine Stelle, die das zu brennende Bauteil (165) entlang der Breitenrichtung des Elements nicht überlappte, aufgebracht, so dass Schichten der porösen Teilpaste (Dicke von 100 µm) mit einer ebenen Form, wie in Fig. 17 gezeigt, gebildet wurden. Die Pastenschicht wurde getrocknet, um den ungesinterten geschwindigkeitsregelnden Einleitteil (163) zu bilden. Zwar unterscheidet sich der ungesinterte geschwindigkeitsregelnde Einleitteil (163) in der Dicke von dem zu brennenden Bauteil (165), doch nehmen sie im Verlauf des Schichtens und Zusammendrückens des ungesinterten diffusionskammerbildenden Bauteils (161) die gleiche Dicke an.

(10) Aufschichten der ungesinterten Trennwand (162)

Durch Verwendung einer Gemischlösung aus sekundärem Butanol und Butylcarbitol wurde die vorstehend in 〈1〉 (4) erzeugte ungesinterte Trennwand (162) auf das durch die Prozesse bis zu dem oben beschriebenen Schritt (9) erhaltene Laminat auf der Seite, an welcher die ungesinterte positive Elektrode (1322) für die Ip-Zelle gebildet wurde, aufgeschichtet und hiermit verpresst, so dass die ungesinterte Trennwand (162) nach dem Brennen zwischen der positiven Elektrode (1322) der Ip-Zelle und der negativen Elektrode der Ip-Zelle (siehe Fig. 31) angeordnet war.

(11) Aufschichten der ungesinterten vierten Isolierschicht (166)

Durch Verwendung einer Gemischlösung aus sekundärem Butanol und Butylcarbitol wurde die vorstehend in <1>(5) erzeugte ungesinterte vierte Isolierschicht (166) auf das durch die Prozesse bis zu dem oben beschriebenen Schritt (10) erhaltene Laminat auf der Seite, an welcher die ungesinterte positive Elektrode (1322) für die Ip-Zelle gebildet wurde, aufgeschichtet und hiermit verpresst, so dass die ungesinterte vierte Isolierschicht (166) einen Endseitenteil des Elements bezüglich des zu brennenden Bauteils (165) für die Diffusionskammer (siehe Fig. 31) bedeckt.

(12) Aufschichten des ungesinterten diffusionskammerbildenden Bauteils (161)

Durch Verwendung einer Gemischlösung aus sekundärem Butanol und Butylcarbitol wurde das vorstehend in <1>(1) erzeugte ungesinterte diffusionskammerbildende Bauteil (161) auf das durch die Prozesse bis zu dem oben beschriebenen Schritt (11) erhaltene Laminat auf der Seite, an welcher die ungesinterte positive Elektrode (1322) für die Ip-Zelle gebildet wurde, aufgeschichtet und hiermit verpresst, so dass die ungesinterte positive Elektrode (1322) für die Ip-Zelle freigelegt war.

(13) Bildung eines ungesinterten Heizwiderstands (12)

Ein Pulvergemisch aus 94 Masseteilen Platinpulver und 6 Masseteilen Aluminiumoxidpulver, wobei Butyralharz als Bindemittel und Butylcarbitol als Lösungsmittel diente, wurde gemischt, um eine ungesinterte Heizwiderstandpaste in Form eines Schlickers zu erzeugen.
Die so erzeugte ungesinterte Heizwiderstandpaste wurde durch Siebdrucken auf die ungesinterte obere Schicht (112) des isolierenden Unterteils des Laminats, welche durch die bis zu dem oben beschriebenen Schritt (12) erhaltenen Prozesse erhalten wurde, aufgebracht, so dass eine Schicht der Paste (Dicke von 25 µm) mit einer ebenen Form, wie in Fig. 25 gezeigt, darauf ausgebildet wurde. Anschließend wurde die Pastenschicht getrocknet, um den ungesinterten Heizwiderstand (12) auszubilden. Nach dem Brennen wird dieser ungesinterte Heizwiderstand (12) der Heizteil (121) und der vordere Teil (121) wird breiter als der Heizteil.

(14) Aufschichten der ungesinterten unteren Schicht (111) des isolierenden Unterteils

Durch Verwendung einer Gemischlösung aus sekundärem Butanol und Butylcarbitol wurde die ungesinterte untere Schicht (111) des isolierenden Unterteils auf das durch die Prozesse bis zu dem oben beschriebenen Schritt (13) erhaltene Laminat an der Seite, an welcher der ungesinterte Heizwiderstand (12) ausgebildet wurde, aufgeschichtet und damit verpresst.
Dadurch wurde ein ungesintertes Laminat erhalten, dessen Schichten in der in Fig. 31 gezeigten Reihenfolge geschichtet waren.

á3〉 Entbindern und Brennen

Das durch die Prozesse bis zu dem oben beschriebenen Schritt 〈2〉 (14) erhaltene ungesinterte Laminat wurde von Raumtemperatur auf 420°C bei einer Geschwindigkeit von 10°C/Stunde in der Atmosphäre erhitzt und wurde zum Entbindern 2 Stunden lang bei 420°C gehalten. Anschließend wurde das ungesinterte Laminat in der Atmosphäre auf 1.100°C bei einer Geschwindigkeit von 100°C/Stunde erhitzt und dann auf 1.520°C bei einer Geschwindigkeit von 60°C/Stunde und wurde eine Stunde lang bei 1.520°C für das Brennen gehalten. Dadurch wurde ein Vollbereichs-Luft-/Kraftstoffverhältnis-Sensorelement (1) erhalten.

[2] Herstellung des Vollbereichs-Luft-/Kraftstoffverhältnis-Sensors

Ein in Fig. 32 gezeigter Vollbereichs-Luft-/Kraftstoffverhältnis-Sensor (2) wurde mittels des durch die Prozesse bis zu dem oben beschriebenen Schritt [1] 〈3〉 erhaltenen Vollbereichs-Luft-/Kraftstoffverhältnis-Sensorselements (1) hergestellt. Die obere Seite der Platte von Fig. 32 entspricht der oberen Seite des Elements und die untere Seite der Platte von Fig. 32 entspricht der unteren Seite des Elements.
Bei dem Vollbereichs-Luft-/Kraftstoffverhältnis-Sensor (2) ist das Element (1) durch eine aus Aluminiumoxidkeramik, einem Puffermaterial (25) aus zum Beispiel Talkumpulver und einer aus Keramik gebildeten Hülse (26), welche in einer Metallummantelung (21) mit einem Gewindeteil (211) für das Anbringen des Gassensors zum Beispiel an einem Auspuff aufgenommen sind, gebildeten Elementhalterung (24) fest gelagert. Trägerstreifen (27) sind zwischen dem Sensorelement (1) und der Hülse (26) dazwischengesetzt und ein oberer Endteil des Sensorelements (1) ist in der Hülse (26) angeordnet. Ferner ist ein metallischer Doppelschutz (22), welcher einen unteren Teil des Sensorelements (1) bedeckt und mehrere Löcher aufweist, an dem unteren Teil der Metallummantelung (21) angebracht. Ferner ist eine Außenhülse (23) an einem oberen Teil der Metallummantelung (21) angebracht. Eine aus Keramik gebildete Vielfachdichtung (29) und eine aus wärmebeständigen Gummi gebildete Gummidichtung (30) sind in einen oberen Teil der Außenhülse (23) eingesetzt. Die Vielfachdichtung (29) und die Gummidichtung (30) weisen Durchgangslöcher auf, durch welche Anschlussdrähte (28) eingeführt sind, um das Sensorelement (1) mit einer Außenschaltung zu verbinden.
Einem Fachmann sollte ferner nahe liegen, dass verschiedene Änderungen der Form und Einzelheiten der vorstehend gezeigten und beschriebenen Erfindung vorgenommen werden können. Diese Änderungen sollen in das Wesen und den Schutzumfang der hier beigefügten Schutzansprüche fallen.
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-102383, die am 30. März 2001 eingereicht wurde, sowie auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-97563, die am 29. März 2002 eingereicht wurde, deren Offenbarungen durch Erwähnung in ihrer Gesamtheit Bestandteil dieser Erfindung.

Claims

1. Gassensorelement, welches ein isolierendes Unterteil mit einem isolierenden Keramikbauteil und einem an oder in dem isolierenden Keramikbauteil ausgebildeten Heizwiderstand sowie eine Sauerstoffpumpzelle und eine Sauerstofffeststellzelle umfasst, wobei die Zellen mit dem isolierenden Unterteil verbunden sind und jeweils eine Festelektrolytschicht sowie ein auf einer gemeinsamen Oberfläche der Festelektrolytschicht ausgebildetes Paar Elektroden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält und ein diffusionskammerbildendes Bauteil mit einem geschwindigkeitsregelnden Einleitteil für das Einleiten eines zu messenden Gases bildet und dass eine Diffusionskammer durch eine des Paars Elektroden der Sauerstoffpumpzelle, durch eine des Paars Elektroden der Sauerstofffeststellzelle und durch das Aluminiumoxid enthaltende diffusionskammerbildende Bauteil gebildet wird.

2. Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffpumpzelle so konfiguriert ist, dass beide Elektroden der Sauerstoffpumpzelle an der gleichen Oberfläche der Festelektrolytschicht der Sauerstoffpumpzelle angeordnet sind und eine Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthaltende Trennwand zwischen den Elektroden vorgesehen ist, so dass ein Ende der Trennwand mit der Oberfläche der Festelektrolytschicht verbunden ist.

3. Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das diffusionskammerbildende Bauteil Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält:

4. Gassensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand einen Teil des diffusionskammerbildenden Bauteils bildet.

5. Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorelement durch gleichzeitiges Brennen seiner Bestandteile hergestellt wird.

6. Gassensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn ein Teil der Trennwand innerhalb von 20 µm einer Übergangsebene zwischen der Trennwand und der Festelektrolytschicht der Sauerstoffpumpzelle als Trennwand-Übergangsteil definiert ist, die in dem gesamten Trennwand- Übergangsteil enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium reduziert auf ihre jeweiligen Oxide 2 Masseprozent oder weniger beträgt.

7. Gassensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn ein Teil der Trennwand ausschließlich des Trennwand-Übergangsteils als verbleibender Teil der Trennwand definiert ist, die in dem gesamten verbleibenden Teil der Trennwand enthaltene Gesamtmenge an Alkalimetallen, Erdalkalimetallen und Silizium reduziert auf ihre jeweiligen Oxide 1 Masseprozent oder weniger beträgt.

8. Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytschicht Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid enthält und, wenn die Gesamtmenge des Zirkoniumoxids und des Aluminiumoxids als 100 Masseprozent definiert ist, der Aluminiumoxidgehalt 10 bis 80 Masseprozent beträgt und das Aluminiumoxid eine mittlere Korngröße von nicht mehr als 1,0 µm aufweist.

9. Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid in einer Menge von 70 Masseprozent oder mehr enthält.

10. Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid in einer Menge von 99 Masseprozent oder mehr enthält.

11. Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Keramikbauteil Aluminiumoxid in einer Menge von nicht unter 70 Masseprozent, aber weniger als 99 Masseprozent enthält, dass der Heizwiderstand einen Wärmeerzeugungsteil, welcher bei Anlegen einer Spannung daran Wärme erzeugt, sowie einen vorderen Teil, der mit dem Wärmeerzeugungsteil verbunden ist und eine größere Breite als der Wärmeerzeugungsteil aufweist, umfasst, und dass ein Wanderungsverhinderungsleiter an der Oberfläche des bzw. in dem isolierenden Unterteil vorgesehen ist, wobei ein am Wanderungsverhinderungsleiter gehaltenes elektrisches Potenzial gleich oder niedriger als das an einer Grenzposition zwischen dem Wärmeerzeugungsteil und dem vorderen Teil ist.

12. Gassensorelement, welches Folgendes umfasst: ein isolierendes Unterteil (11); einen in dem isolierenden Unterteil (11) ausgebildeten Heizwiderstand (12); mehrere an einer Fläche des isolierenden Unterteils (11) angeordnete Festelektrolytschichten (131, 141); eine Sauerstoffpumpzelle (13) mit einem an einer gemeinsamen Fläche einer Festelektrolytschicht (131) angeordneten Paar Elektroden (1321/1322); eine Sauerstofffeststellzelle (14) mit einem an einer gemeinsamen Fläche der von der Festelektrolytschicht (131) getrennten anderen Festelektrolytschicht (141) angeordneten Paar Elektroden (1421/1422) sowie ein diffusionskammerbildendes Bauteil (161), das einen geschwindigkeitsregelnden Einleitteil (163), durch welchen ein zu messendes Gas strömt, aufweist und eine Diffusionskammer (16) zusammenwirkend mit einer Elektrode (1321) der Sauerstoffpumpzelle und einer Elektrode (1421) der Sauerstofffeststellzelle ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass

- sowohl das isolierende Unterteil (11) als auch das diffusionskammerbildende Bauteil (161) Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthalten;

- eine Trennwand (162), welche sich von dem diffusionskammerbildenden Bauteil (161) erstreckt, mit einer Fläche eines Festelektrolyts (131) zwischen einem Paar Elektroden (132111322) der Sauerstoffpumpzelle (13) verbunden ist; und

- ein Grenzteil innerhalb von 20 µm von einer Übergangsebene zwischen der Festelektrolytschicht (131) und der Trennwand (162) keinen Teil enthält, in welchem die Menge der anderen Substanzen als Aluminiumoxid die Menge der anderen Substanzen als Aluminiumoxid des diffusionskammerbildenden Bauteils (161) um 2 Masseprozent oder mehr übersteigt.

- das isolierende Unterteil (11), der Heizwiderstand (12), die Festelektrolytschichten (131, 141), die Elektroden (1321, 1322, 1421, 1422) und das diffusionskammerbildende Bauteil (161) durch gleichzeitiges Brennen einstückig ausgeführt sind.

13. Gassensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolyte (131, 141) Zirkoniumoxidkeramik in einer Menge von 20 bis 90 Masseprozent und Aluminiumoxid in einer Menge von 10 bis 80 Masseprozent enthalten.

14. Gassensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Unterteil (11) Aluminiumoxid in einer Menge von nicht unter 70 Masseprozent, aber weniger als 99 Masseprozent enthält, dass der Heizwiderstand (12) einen Wärmeerzeugungsteil (121), welcher bei Anlegen einer Spannung daran Wärme erzeugt, sowie einen vorderen Teil (122), der mit dem Wärmeerzeugungsteil verbunden ist und eine größere Breite als der Wärmeerzeugungsteil aufweist, umfasst, und dass ein Wanderungsverhinderungsleiter (152) an der Oberfläche des isolierender Unterteils (11) oder in dem isolierenden Unterteil (11) vorgesehen ist, so dass ein elektrisches Potenzial an dem Wanderungsverhinderungsleiter gleich oder niedriger als das an einer Grenzposition zwischen dem Wärmeerzeugungsteil und dem vorderen Teil ist.

15. Gassensor, welcher das Gassensorelement nach Anspruch 1 umfasst.

16. Gassensor, welcher das Gassensorelement nach Anspruch 12 umfasst.