DE10310953A1

DE10310953A1 - Unbeheiztes, planares Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch

Info

Publication number: DE10310953A1
Application number: DE10310953A
Authority: DE
Inventors: Jens Schneider; Detlef Heimann; Thomas Wahl; Hans-Joerg Renz; Norman Hahn; James Waldrop; Damien Barnes; Mike Mccormick; John Day
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: CN100465636C; US20050093551A1; DE10310953B4; US6940287B2; CN1530647A

Abstract

Ein unbeheiztes, planares Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Verbrennungsmotors, weist eine Sensorfolie (12) aus einem Festelektrolyten mit einer dem Messgas ausgesetzten Außenelektrode (15) und einer einem Referenzgas ausgesetzten Innenelektrode (16) sowie einen einseitig von der Sensorfolie (12) abgedeckten, die Innenelektrode (16) aufnehmenden Referenzgaskanal (14) auf. Zur Herstellung eines kleinvolumigen, kostengünstigen unbeheizten Sensorelements für den Einsatz in kleinen Verbrennungsmotoren mit geringer Leistung bei ausreichend guter Messgenauigkeit ist der Referenzgaskanal (14) unterseitig von einer weiteren Sensorfolie (13) aus einem Festelektrolyten abgedeckt und mit einer im Referenzgaskanal (14) einliegenden Innenelektrode (16) und einer dem Messgas ausgesetzten Außenelektrode (17) belegt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem unbeheizten, planaren Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Verbrennungsmotors, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Planare Sensorelemente, wie sie z.B. zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren bei sog. Lambda-Sonden eingesetzt werden, zeichnen sich dadurch aus, dass – anders als bei sog. Fingersonden – alle Funktionsschichten, wie Nernstzelle, Referenzgaskanal, als ebene, aufeinanderliegende Flächen ausgeführt sind. Ein für eine Breitband-Lambdasonde konzipiertes, planares Sensorelement ist in der DE 199 41 051 A1 beschrieben. Ein für eine Sprung- oder Lambda=1-Sonde verwendetes planares Sensorelement findet sich in "Wiedenmann, Hötzel, Neumann, Riegel, Weyl ZrO₂-Lambda-Sonden für die Gemischregelung im Kraftfahrzeug, B.G. Teubner Stuttgart, 1995, Seite 383 und 384".

Um die steigenden Genauigkeitsanforderungen an die Sonden infolge strenger Abgasnormen für Kraftfahrzeuge zu erfüllen, werden überwiegend die Sensorelemente mit einem integrierten Heizer ausgeführt, während die unbeheizten Sensorelemente im Kraftfahrzeugsektor an Bedeutung verloren haben.

Das erfindungsgemäße unbeheizte, planare Sensorelement hat den Vorteil, dass durch Wegfall des integrierten Heizers das Sensorelement kleinvolumig ist und keinen nennenswerten Energieverbrauch hat und somit sehr gut für den Einsatz bei Kleinmotoren geringer Leistung, wie in Kleinmotorrädern, Rasenmähern, Notstromaggregaten und Motorkettensägen, die heute allesamt ohne Abgasregelung angeboten werden, geeignet ist. Damit kann auch bei diesen Geräten die Abgaszusammensetzung im Sinne eines verträglichen Umweltschutzes wesentlich verbessert werden.

Die mit dem Wegfall des Heizers bei herkömmlich aufgebauten, planaren Sensorelementen einhergehende Abnahme der Messgenauigkeit wird durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau des Sensorelements weitgehend kompensiert, da durch den zum Referenzgaskanal spiegelsymmetrischen Aufbau des Sensorelements einerseits die Innenelektroden durch eine wesentlich geringere Schichtdicke vom Abgas getrennt sind und dadurch sehr viel schneller mit nur geringer Verzögerung gegenüber den Außenelektroden vom Abgas erwärmt werden und andererseits die Elektrodenflächen ohne Vergrößerung des für den Einbau in ein Gehäuse wesentlichen Längenmasses des Sensorelements verdoppelt wird. Insgesamt lassen sich dadurch kürzere Schaltzeiten bei der Lambda=1-Regelung und eine ausreichend genaue Regelungsgenauigkeit erreichen. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass die beiden Innenelektroden einerseits und die beiden Außenelektroden andererseits zeitgleich auf dem gleichen Temperaturniveau liegen, so dass eine ausreichend genaue Messgenauigkeit gewährleistet ist.

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

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung ein unbeheiztes, planares Sensorelement für eine Lambda=1-Sonde in Explosionsdarstellung.

Das in der Zeichnung dargestellte, unbeheizte, planare Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Verbrennungsmotors, als Ausführungsbeispiel für ein Sensorelement zur allgemeinen Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, weist insgesamt drei Folien aus einem Festelektrolyten, vorzugsweise aus einem Zirkoniumoxid-Substrat (ZrO₂-Substrat) auf, die aufeinandergelegt und zusammenlaminiert sind. Im folgenden wird die mittlere Folie als Kanalfolie 11 und die obere und untere Folie werden als Sensorfolie 12 und 13 bezeichnet. In der Kanalfolie 11 ist ein langgestreckter Referenzgaskanal 14 ausgestanzt, der mit einem Referenzgas, im allgemeinen Luft, in Verbindung steht. Auf der von der Kanalfolie 11 abgekehrten Außenseite der oberen Sensorfolie 12 ist eine Außenelektrode 15 und hierzu gegenüberliegend auf der Kanalfolie 11 zugekehrten Innenseite der Sensorfolie 12 eine Innenelektrode 16 aufgetragen. In gleicher Weise ist die untere Sensorfolie 13 mit einer Außenelektrode 17 und einer Innenelektrode 18 belegt. Die Elektroden 15 bis 18 werden als dünne Platinschichten oder als Platin-Cermetschichten im Siebdruckverfahren auf die Sensorfolien 12, 13 aufgedruckt. Die Innenelektroden 16, 18 sind so bemessen, dass sie bei aufeinanderliegenden Folien 11, 12 und 13 innerhalb des aus der Kanalfolie 11 ausgestanzten Referenzgaskanals 14, der oben und unten von den beiden Sensorfolien 12, 13 gasdicht abgedeckt wird, liegen. Die Elektroden 15, 16 sind über ebenfalls auf die Sensorfolien 12, 13 aufgedruckte Leiterbahnen 19, 20 mit Kontaktflächen 21, 22 verbunden. Bei jeder Sensorfolie 12 bzw. 13 sind die beiden Kontaktflächen 21, 22 auf die Außenseite der Sensorfolie 12 bzw. 13 aufgetragen, während die Leiterbahn 19 auf die Außenseite und die Leiterbahn 20 auf die Innenseite der Sensorfolie 12 bzw. 13 aufgebracht ist. Die Kontaktfläche 21 schließt sich übergangslos an die Leiterbahn 19 an, die Kontaktfläche 22 ist durch die Sensorfolie 12 bzw. 13 hindurch auf die Leiterbahn 20 zur Innenelektrode 17 bzw. 18 kontaktiert. Über die Kontaktflächen 21, 22 wird das in einem Gehäuse aufgenommene Sensorelement mittels in das Gehäuse eingeführter Anschlusskabel mit einem Steuergerät verbunden. Die Außenelektroden 15 und 17 sind jeweils mit einer porösen, festhaftenden Schutzschicht 23 bzw. 24 überzogen, die ebenfalls im Siebdruckverfahren aufgedruckt wird. Die Schutzschichten bestehen beispielsweise aus einem Magnesium-Spinell oder aus Y₂O₃-, MgO- oder CaO-stabilisierendem ZrO₂. Zur Einstellung einer definierten Porosität werden Porenbildner, die während des Sinterns ausbrennen, oder Al₂O₃ beigemischt.
In einer Abwandlung des beschriebenen Sensorelements wird auf die Kanalfolie 11 mit ausgestanztem Referenzgaskanal 14 verzichtet und zur Ausbildung des Referenzgaskanals 14 auf die Innenseiten der Sensorfolie 12 oder der Sensorfolie 13 der Referenzgaskanal mit gleichem Layout wie der gestanzte Kanal als poröse Schicht aufgetragen. Zusätzlich wird eine U-förmige, gasdichte ZrO₂-Schicht aufgedruckt, die den Referenzgaskanal nach außen abdichtet und über einen Ausschnitt zur Anbindung an das Referenzgas verfügt. Die Auftragung erfolgt im Siebdruckverfahren in Dickschicht- oder Dünnschichttechnik. Nach Auflegen der Sensorfolien 12, 13 aufeinander und Zusammenlaminieren der Sensorfolie ist der Referenzgaskanal 14 wieder oben und unten von den beiden Sensorfolien 12, 13 abgedeckt und die an der Unterseite der Sensorfolien 12, 13 aufgedrucken Innenelektroden 16, 18 liegen innerhalb des Referenzgaskanals 14. Bei dieser Modifizierung des Sensorelements entfällt eine Folie, die durch eine recht dünne Druckschicht ersetzt wird. Dadurch kann die Höhe oder Dicke des Sensorelements verringert werden.
Die Erfindung ist nicht auf ein Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas beschränkt. So können alle Sensorelemente, die zur Bestimmung der Konzentration einer beliebigen Gaskomponente in einem Gasgemisch, z.B. zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas, verwendet werden sollen, in der beschriebenen Weise aufgebaut werden.

Claims

Unbeheiztes, planares Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Verbrennungsmotors, mit einer Sensorfolie (12) aus einem Festelektrolyten, auf deren Außenseite eine dem Gasgemisch ausgesetzte Außenelektrode (15) und auf deren Innenseite eine einem Referenzgas ausgesetzte Innenelektrode (16) aufgetragen ist, die in einem oberseitig von der Sensorfolie (12) abgedeckten Referenzgaskanal (14) einliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzgaskanal (14) unterseitig von einer weiteren Sensorfolie (13) aus einem Festelektrolyten abgedeckt ist, auf deren Innenseite eine im Referenzgaskanal (14) einliegende zweite Innenelektrode (18) und auf deren Außenseite eine dem Gasgemisch ausgesetzte zweite Außenelektrode (17) aufgetragen ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzgaskanal (14) aus einer Folie (11) ausgestanzt ist und die Folie (11) zwischen den beiden Sensorfolien (12, 13) eingebettet ist.
Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (11) mit ausgestanztem Referenzgaskanal (14) aus einem Festelektrolyten besteht.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine der Sensorfolien (12, 13) der Referenzgaskanal (14) als poröse Schicht und eine den Referenzgaskanal (14) nach außen abdichtende U-förmige Schicht aus einem Festelektrolyten, vorzugsweise ZrO₂, aufgetragen ist.
Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragung von Referenzgaskanal (14) und U-förmiger Festelektrolytschicht im Siebdruckverfahren vorgenommen ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf die von der Sensorfolie (12) abgekehrte Oberfläche einer jeden Außenelektrode (15, 17) eine gasdurchlässige, poröse Schutzschicht (23, 24) aufgetragen ist.