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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gassensorelement, das bei der Verbrennungsregelung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendbar ist.
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Bekanntermaßen kann ein Gassensor mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet werden. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des den Verbrennungsräumen zugeführten Gasgemisches wird hierbei auf der Basis der Sauerstoffkonzentration im Abgas erfasst oder berechnet. Die Verbrennungsregelung der Brennkraftmaschine erfolgt sodann auf der Basis des auf diese Weise ermittelten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
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Bei Verwendung eines Dreifach-Katalysators zur Reinigung der von der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs abgegebenen Abgase ist es von wesentlicher Bedeutung, dass zur Gewährleistung einer wirksamen Abgasreinigung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des den Verbrennungsräumen der Brennkraftmaschine zugeführten Gasgemisches genau auf einem spezifischen oder optimalen Wert gehalten wird.
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Die Verwendung eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements zur genauen Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ermöglicht hierbei die Realisierung einer sehr genauen Verbrennungsregelung, sodass sich ein höherer Wirkungsgrad der Abgasreinigung bei Verwendung eines Dreifach-Katalysators erzielen lässt. Dies stellt das Arbeitsprinzip eines üblichen Abgas-Regelsystems dar.
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Aus der
japanischen Patent-Offenlegungsschrift 2000-275 215 , der
japanischen Patent-Offenlegungsschrift 2000-65 782 und der
japanischen Patentschrift 2748809 sind ubliche Gassensorelemente bekannt.
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In jüngster Zeit ist eine Steigerung des Wirkungsgrades der Abgasreinigung in dringendem Maße erforderlich. Das bei einem solchen Abgas-Regelsystem verwendete Luft-Kraftstoffverhaltnis-Sensorelement muss daher eine ausgezeichnete Messgenauigkeit aufweisen. Die genaue Erfassung des kurzzeitig veranderlichen Zustandes des Abgases ist daher zur Realisierung einer zuverlassigen Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhaltnisses und damit zur Verbesserung oder Steigerung des Wirkungsgrades der Abgasreinigung von wesentlicher Bedeutung. Bei einem Luft-Kraftstoffverhaltnis-Sensor ist somit zwangslaufig die Verwendung eines Sensorelementes mit einer sehr prazisen Messleistung erforderlich. Die Verwendung eines solchen Prazisions-Sensorelements stellt somit die entscheidende Grundlage fur ein Abgas-Regelsystem mit gesteigertem Leistungsvermogen dar.
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Außer einem solchen Luft-Kraftstoffverhaltnis-Sensorelement umfassen die bei dieser Art von Abgas-Regelsystemen verwendeten Gassensorelemente z. B. ein Sensorelement, das in der Lage ist, die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu erfassen, sowie ein Sensorelement anderer Art, das in der Lage ist, direkt die Konzentration der im Abgas enthaltenen Stickoxide NOx (die allgemein bekannte Luftverschmutzungsstoffe darstellen) zu erfassen. Fur diese verschiedenen Arten von Gassensorelementen gelten gleichermaßen die vorstehend beschriebenen strengen Anforderungen.
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Druckschrift
DE 3606044 C2 offenbart einen Luft/Kraftstoff-Verhaltnissensor zur Messung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses.
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Druckschrift
US 4,859,307 offenbart einen Gassensor zum Messen eines Gases in einem äußeren Raum.
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Druckschrift
EP 1 167 957 A2 offenbart einen NO
x Sensor zum akkuraten Erfassen der totalen Konzentration von Stickstoffoxiden in einem Gas.
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Angesichts der vorstehend beschriebenen Probleme des Standes der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gassensorelement anzugeben, das eine ausgezeichnete Messgenauigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gassensorelement nach Anspruch 1. Weitere Details sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Das Gassensorelement umfasst die der Kammer ausgesetzte objektgasseitige Messelektrode. Der Gaseinlasskanal bildet eine Diffusionsstrecke, die die Kammer mit der äußeren Umgebung des Gassensorelements verbindet. Das zweite Gassensorelement umfasst außerdem die Diffusionswiderstandsschicht, die den Außenöffnungsbereich des Einlasskanals bedeckt. Hierbei ist die Beziehung S/Ld ≤ 1,5 gegeben, wobei S den Querschnittsbereich eines sich in die Kammer öffnenden Innenöffnungsendes des Gaseinlasskanals, L die Umfangslänge des Innenöffnungsendes des Gaseinlasskanals und d die Dicke der Kammer in der Nähe des Innenöffnungsendes des Gaseinlasskanals bezeichnen.
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Das Gassensorelement misst die Konzentration des über den Gaseinlasskanal über die Kammer gelangenden und zu messenden Objektgases. Ein Gassensorelement misst die Konzentration des über die Diffusionswiderstandsschicht und den Gaseinlasskanal in die Kammer gelangenden und zu messenden Objektgases.
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Das Ausgangssignal eines solchen Gassensorelements hangt von den außeren Umgebungsbedingungen sowie der in dem Sensor vorhandenen Gasdiffusions-Widerstandsstruktur ab. Durch Erfullung der Bedingung S/Ld ≤ 1,5 wird der Einfluss des Innenoffnungsendes des sich in die Kammer offnenden Gaseinlasskanals auf die Bestimmung der Diffusionsrate des zu messenden Objektgases unterdruckt.
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Demzufolge kann das Gassensorelement ein Sensor-Ausgangssignal abgeben, das die außeren Umgebungsbedingungen wiedergibt.
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Bei dem Aufbau des erfindungsgemaßen Gassensorelements kann die Lange des Gaseinlasskanals von seinem Außenoffnungsbereich zum Innenoffnungsende auf einfache Weise eingestellt werden, indem z. B. die Oberflache eines Platten- oder Scheibenelements in dem der Gaseinlasskanal ausgebildet ist, nach erfolgter Herstellung des Gassensorelements entsprechend abgetragen wird. Alternativ kann bei dem zweiten Gassensorelement die Lange des Gaseinlasskanals reduziert werden, indem die Oberfläche der Diffusionswiderstandsschicht abgetragen wird. Durch die Erfullung der vorstehend genannten Beziehung S/Ld ≤ 1,5 ist somit gewährleistet, dass ein Gassensorelement erhalten wird, dessen Ausgangssignal nach erfolgter Herstellung des Gassensorelements auf einfache Weise zu justieren ist, wobei diese Einstellung des Ausgangssignals mit hoher Genauigkeit vorgenommen werden kann.
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Im allgemeinen ubt die Menge des in die Kammer gelangenden, zu messenden Objektgases, d. h., die Stromungsgeschwindigkeit des zu messenden Objektgases einen großen Einfluss auf das Sensor-Ausgangssignal aus. Bei dem Gassensorelement kann jedoch die Einstellung des Sensor-Ausgangssignals auf einfache Weise nach der Herstellung des Sensorelements erfolgen. Bei dem erfindungsgemaßen Gassensorelement lassen sich somit auf einfache Weise die herstellungsbedingten Streuungen des Sensor-Ausgangssignals durch die vorstehend beschriebene Justierung bzw. Einstellung des Sensor-Ausgangssignals unterdrucken und gleichzeitig eine hohe Messgenauigkeit gewahrleisten.
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Nachstehend wird die Beziehung zwischen S, L und d bei dem Gassensorelement naher beschrieben.
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Der Gaseinlasskanal offnet sich in die Kammer. Es sei nun angenommen, dass der Querschnittsbereich des Innenoffnungsendes des Gaseinlasskanals durch S, die Umfangslange des Innenoffnungsendes des Gaseinlasskanals durch L und die Dicke der Kammer in der Nahe des Innenoffnungsendes des Gaseinlasskanals im Mittel durch d gegeben sind.
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Im allgemeinen ist eine genaue Einstellung oder Uberwachung des Durchmessers des Gaseinlasskanals eines solchen Gassensorelements mit Schwierigkeiten verbunden, da bei dem Herstellungsvorgang des Gassensorelements eine bestimmte Anzahl von keramischen Blättern oder Blattchen schichtweise angeordnet und sodann gesintert werden.
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Wahrend des Herstellungsvorgangs des Gassensorelements wird der Gaseinlasskanal als Nadelloch in einem Keramik-Grunblatt ausgebildet, bevor dieses Grunblatt gesintert wird. Das Keramik-Grunblatt schrumpft jedoch bei der spateren Sinterung, sodass sich die Abmessungen des Nadellochs durch den Sintervorgang in unerwunschter Weise verandern.
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Der Herstellungsvorgang umfasst außerdem die Laminierung und Haftverbindung eines weiteren Grunblattes mit dem Keramik-Grünblatt, in dem der Gaseinlasskanal ausgebildet ist, sodass eine Feineinstellung bei der Ausbildung des Durchmessers des Gaseinlasskanals mit Schwierigkeiten verbunden ist.
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Der Grenzstromwert eines solchen Gassensorelements hangt von der Dicke d der Kammer ab. Die Dicke der Kammer hat jedoch die Tendenz, sich während des Herstellungsvorgangs des Gassensorelements zu verandern. Im allgemeinen stellt die Kammer ein Fenster dar, das in einem Keramik-Grünblatt ausgebildet ist. Dieses Grunblatt schrumpft bei der Sinterung. Außerdem wird dieses Grunblatt laminiert und geht mit einem anderen Grunblatt eine Haftverbindung ein, sodass eine Feineinstellung bei der Ausbildung der Dicke der Kammer mit Schwierigkeiten verbunden ist.
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Wenn das Verhaltnis S/Ld großer als 1,5 ist, besteht die Moglichkeit, dass die Diffusionsrate im wesentlichen von dem Innenoffnungsende des Gaseinlasskanals an der Grenze zwischen dem Gaseinlasskanal und der Kammer bestimmt wird, was die Durchfuhrung der vorstehend beschriebenen Einstellung des Sensor-Ausgangssignals erschwert.
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Falls das Sensorelement eine Vielzahl von Gaseinlasskanälen aufweist, ist die Bedingung des Verhaltnisses S/Ld fur jeden einzelnen Gaseinlasskanal vorgegeben.
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Bei dem vorstehend beschriebenen, erfindungsgemaßen Gassensorelement wird die Diffusionsstrecke des in die Kammer geführten, zu messenden Objektgases im wesentlichen von einer einzigen Strecke gebildet. Bei dem Gassensorelement wird die Diffusionsstrecke des zu messenden Objektgases lediglich von dem Einlasskanal gebildet, wahrend bei einem Gassensorelement mit Diffusionswiderstandsschicht die Diffusionsstrecke des zu messenden Objektgases von dem Einlasskanal und der Diffusionswiderstandsschicht gebildet wird. In einer Einschwing- bzw. Ubergangsphase tritt dann keine Uberlagerung von Sensorsignalen auf, sodass eine hohe Messgenauigkeit des Gassensorelements gewahrleistet ist.
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Ferner sind bei dem vorstehend beschriebenen, erfindungsgemaßen Gassensorelement sowohl die objektseitige Messelektrode als auch die Referenzelektrode auf den Oberflachen eines Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytsubstrats angeordnet. Diese Elektroden und das Festelektrolytsubstrat bilden gemeinsam eine elektrochemische Zelle. Die Konzentration eines in dem zu messenden Objektgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils wird auf der Basis eines durch die elektrochemische Zelle fließenden Sauerstoffionenstroms gemessen.
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Da die vorstehend beschriebene Kammer des Gassensorelements ein in dem Gassensorelement ausgebildeter Innenraum ist, fließt das zu messende Objektgas bei dem Gassensorelement uber den Gaseinlasskanal und bei einem Gassensorelement mit Diffusionswiderstandsschicht uber den Gaseinlasskanal und die Diffusionswiderstandsschicht in diese Kammer. Der Einlasskanal (und die Diffusionswiderstandsschicht) bestimmt im wesentlichen die Diffusionsrate des in die Kammer gelangenden, zu messenden Objektgases. Die elektrochemische Zelle besitzt eine Grenzstromcharakteristik bzw. -kennlinie, die der Konzentration des in dem zu messenden Objektgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils entspricht. Auf diese Weise kann eine Messung der Konzentration dieses spezifischen Gases bzw. Gasbestandteils durchgefuhrt werden.
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Genauer ausgedruckt, kann mit Hilfe des Gassensorelements gemäß der Erfindung die spezifische Gaskonzentration auf der Basis eines Sauerstoffionenstroms gemessen werden, der entsprechend der Gaskonzentrationsdifferenz zwischen dem zu messenden Objektgas und einem Referenzgas fließt.
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Außerdem findet an der objektgasseitigen Messelektrode eine Aufspaltung des spezifischen Gases statt. Die Messung der spezifischen Gaskonzentration kann daher auf der Basis des Sauerstoffionenstroms erfolgen, der durch die bei der Aufspaltung des spezifischen Gases entstehenden Sauerstoffionen hervorgerufen wird.
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Ferner tritt eine die spezifische Gaskonzentration wiedergebende elektrische Potentialdifferenz zwischen der objektgasseitigen Messelektrode und der Referenzelektrode auf. Die Messung der spezifischen Gaskonzentration kann daher auf der Basis der Potentialdifferenz zwischen der objektgasseitigen Messelektrode und der Referenzelektrode erfolgen.
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So ist z. B. das erfindungsgemaße Gassensorelement ein Sauerstoff-Sensorelement, das die Konzentration von Sauerstoff in dem zu messenden Objektgas ermittelt. Außer als Sauerstoff-Sensorelement kann das erste oder das zweite Gassensorelement auch in Form eines Gassensorelements anderer Art Verwendung finden, das in der Lage ist, die Konzentration eines spezifischen Gases, wie NOx, CO und HC zu messen, wobei eine Messung der Konzentration des von diesem spezifischen Gas abgespalteten Sauerstoffs erfolgt und hieraus die Konzentration des spezifischen Gases ermittelt wird.
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Das erfindungsgemaße Gassensorelement kann in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordnet werden, wobei die Sauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine von dem Gassensorelement gemessen wird. Der von dem Gassensorelement erhaltene Messwert dient dann zur Ermittlung oder Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhaltnisses eines den Brennraumen der Brennkraftmaschine zugefuhrten Gasgemisches.
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Der vorstehend beschriebene Gaseinlasskanal des Gassensorelements kann von einem Nadelloch gebildet werden, das durch ein eine Wand der Kammer bildendes Substrat hindurch verlauft.
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Durch die Aufbringung der Diffusionswiderstandsschicht bei dem zweiten erfindungsgemaßen Gassensorelement kann verhindert werden, dass sich das Ausgangssignal des Sensors in Abhangigkeit von der Temperatur des zu messenden Objektgases verandert, sodass ein genaues Sensor-Ausgangssignal erhalten werden kann.
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Nach der Ausbildung der Diffusionswiderstandsschicht kann eine Feinjustierung des Sensor-Ausgangssignals durch Abschleifen oder Trimmen der Diffusionswiderstandsschicht erfolgen, was den Vorteil aufweist, dass das Erfordernis einer zusatzlich vorzusehenden externen Einstellschaltung entfallt.
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Außerdem ist bei dem erfindungsgemaßen Gassensorelement mit Diffusionswiderstandsschicht auf der Außenseite der Diffusionswiderstandsschicht kein zusatzliches Diffusionswiderstandselement vorgesehen. Durch diesen Aufbau wird die Diffusionsstrecke des in die Kammer gefuhrten, zu messenden Objektgases im wesentlichen von einer einzigen Strecke gebildet. Auf diese Weise tritt in einer Einschwing- oder Ubergangsphase keine Uberlagerung von Sensorsignalen auf, sodass eine hohe Messgenauigkeit gewahrleistet ist.
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Da jedoch eine Auffangschicht oder eine andere vergleichbare Schicht nur einen vernachlassigbaren
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Diffusionswiderstand im Vergleich zu der Diffusionswiderstandsschicht aufweist, besteht die Möglichkeit, eine zusätzliche Schicht dieser Art auf der Diffusionswiderstandsschicht vorzusehen.
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Vorzugsweise erfüllen S, L und d die Beziehung 0,25 ≤ S/Ld ≤ 1,25.
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Durch diesen Aufbau lassen sich herstellungsbedingte Streuungen des Sensor-Ausgangssignals unterdrücken, sodass ein Gassensorelement mit einer exzellenten Messgenauigkeit erhalten werden kann.
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Wenn S/Ld kleiner als 0,25 ist, wird der Grenzstrom auf derart geringe Werte verringert, dass eine Ausgangssignalsteuerung nicht mehr durchführbar ist. Wenn dagegen das Verhältnis S/Ld größer als 1,25 ist, besteht die Tendenz, dass die herstellungsbedingten Streuungen des Sensor-Ausgangssignals zu groß werden.
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Vorzugsweise ist zumindest ein weiterer Einlasskanal zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Gaseinlasskanal vorgesehen.
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Die Strecke zum Einleiten des zu messenden Objektgases in die Kammer wird von dem Gaseinlasskanal und im Falle des zweiten Gassensorelements außerdem durch die Diffusionswiderstandsschicht gebildet. Wenn der Bereich des sich zur äußeren Umgebung hin öffnenden Außenöffnungsabschnitts des Gaseinlasskanals konstant ist, hängt der Diffusionswiderstand nicht von der Anzahl der Gaseinlasskanäle ab. Durch eine Vielzahl von Gaseinlasskanälen lässt sich die Wirkung erzielen, dass die Strecke des zu messenden Objektgases unterteilt wird, sodass das zu messende Objektgas schnell in die Kammer gefuhrt werden kann und sich auf diese Weise das Ansprechverhalten des Gassensorelements verbessern lässt.
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Vorzugsweise wird das Gassensorelement außerdem von einem zweizelligen Sensorelement gebildet.
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Der Aufbau des Gassensorelements kann vorzugsweise auch bei dem zweizelligen Gassensorelement zur Unterdruckung der herstellungsbedingten Streuungen des Sensor-Ausgangssignals Verwendung finden.
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Ein zweizelliges Gassensorelement in praxisnaher Ausfuhrung umfasst z. B. Pumpzellenelektroden zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration in der Kammer oder kann z. B. Uberwachungssensorelektroden zur Uberwachung der Sauerstoffkonzentration in der Kammer aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Gassensorelement ist z. B. als zweizelliges Sensorelement ausgestaltet und weist eine Sensorzelle zur Messung der Konzentration eines in dem in der Kammer befindlichen, zu messenden Objektgas enthaltenen spezifischen Gases oder Gasbestandteils sowie eine Sauerstoff-Pumpzelle zur Zufuhrung von Sauerstoff zu der Kammer oder Ableitung von Sauerstoff aus der Kammer auf. Die Sensorzelle umfasst ein Festelektrolytsubstrat, eine auf dem Festelektrolytsubstrat angeordnete objektgasseitige Messelektrode und eine Referenzelektrode, die einer Referenzgaskammer ausgesetzt ist, in die Luft eingefuhrt wird. Hierbei ist die Sensorzelle derart angeordnet, dass sie dem Innenöffnungsende des Gaseinlasskanals gegenuber liegt, bei dem sich der Gaseinlasskanal in die Kammer offnet. Die Pumpzelle umfasst ein Festelektrolytsubstrat und zwei auf dem Festelektrolytsubstrat angeordnete Pumpelektroden, wobei eine der Pumpelektroden derart angeordnet ist, dass sie der Kammer ausgesetzt ist.
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Durch diesen Aufbau kann ein Gassensorelement mit einer Sensorzelle und einer Sauerstoff-Pumpzelle erhalten werden, bei dem die herstellungsbedingten Streuungen des Sensor-Ausgangssignals unterdrückt bzw. verringert sind.
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Außerdem besitzt die bei dieser Anordnung verwendete Sensorzelle die Fähigkeit, das in dem zu messenden Objektgas enthaltene spezifische Gas aufzuspalten und die Konzentration des spezifischen Gases bzw. Gasbestandteils auf der Basis des abgespaltenen Sauerstoffs zu messen. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, eine genaue Ermittlung der Konzentration des spezifischen Gases durch eine Anordnung vorzunehmen, bei der die Messung des spezifischen Gases nur durch die Messung der von diesem spezifischen Gas abgespaltenen Sauerstoffionen erfolgt, während die Sauerstoff-Pumpzelle den Sauerstoff zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration in der Kammer zuführt und ableitet.
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Vorzugsweise weist der Gaseinlasskanal einen Außenöffnungsbereich auf, der sich zur äußeren Umgebung hin öffnet, wobei eine Auffangschicht zum Auffangen von in dem zu messenden Objektgas enthaltenen Schadstoffen vorgesehen ist, die den Außenöffnungsbereich des Gaseinlasskanals bedeckt.
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So ist z. B. eine Auffangschicht zum Auffangen von in dem zu messenden Objektgas enthaltenen Schadstoffen auf einer Außenfläche der Diffusionswiderstandsschicht vorgesehen.
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Durch eine solche Anordnung können Schadstoffe durch die Auffangschicht aufgefangen und die Gaskonzentrationsermittlung während einer langen Zeit stabil und zuverlässig durchgeführt werden.
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Die vorstehend beschriebene Auffangschicht besitzt im Vergleich zu der Diffusionswiderstandsschicht einen sehr geringen Diffusionswiderstand, sodass der Diffusionswiderstand der Auffangschicht bei der Bestimmung der Diffusionsrate des zu messenden Objektgases einen vernachlässigbaren Faktor darstellt.
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Die vorstehend beschriebene Auffangschicht wird z. B. durch gesinterte wärmebeständige Partikel gebildet. In der Praxis zeigt eine Keramikschicht mit Poren, die eine Porosität im Bereich von 50% bis 90% aufweisen, keinen wesentlichen Diffusionswiderstand.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2A eine perspektivische Ansicht, die die Beziehung zwischen einer Kammer und einem Innenöffnungsende eines Gaseinlasskanals veranschaulicht, wobei ein Querschnittsbereich S und eine Umfangslänge L des Innenöffnungsendes des Gaseinlasskanals sowie die Dicke d der Kammer in der Nähe des Innenöffnungsendes des Gaseinlasskanals definiert sind,
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2B eine Draufsicht der Anordnung gemäß 2A,
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3 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen einem Grenzstromwert und dem Verhältnis S/Ld gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem keine Diffusionswiderstandsschicht vorgesehen ist,
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5 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein zweizelliges Gassensorelement darstellt,
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6 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das insgesamt fünf Gaseinlasskanäle aufweist,
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7 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mit einer Auffangschicht versehen ist,
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8 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das als zweizelliges Gassensorelement mit einer Auffangschicht ausgestaltet ist,
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9 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Diffusionswiderstandsschicht und eine Auffangschicht aufweist, die insgesamt fünf Gaseinlasskanäle überdecken, und
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10 eine Querschnittsansicht eines Vergleichsbeispiels für ein Gassensorelement.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Wie in 1 dargestellt ist, umfasst ein Gassensorelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Festelektrolytsubstrat 11, eine auf einer Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 11 angeordnete objektgasseitige Messelektrode 121 und eine auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 11 angeordnete Referenzelektrode 122. Die objektgasseitige Messelektrode 121 ist einer Kammer 140 ausgesetzt. Ein Gaseinlasskanal 150 ist zur Verbindung der Kammer 140 mit der äußeren Umgebung des Gassensorelements 1 vorgesehen. Eine aus einem porösen Bauelement bestehende Diffusionswiderstandsschicht 16 bedeckt den Außenöffnungsabschnitt 151 des Gaseinlasskanals 150 auf der äußeren Umgebungsseite des Gaseinlasskanals 150.
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Die Diffusionswiderstandsschicht 16 ist direkt den äußeren Umgebungsbedingungen ausgesetzt, wobei auf der Außenseite 160 dieser Diffusionswiderstandsschicht 16 kein zusätzliches Diffusionswiderstandselement vorgesehen ist.
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Wie durch die 1, 2A und 2B veranschaulicht ist, bezeichnet das Bezugszeichen ”S” den Querschnittsbereich eines sich in die Kammer 140 öffnenden Innenöffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150, während das Bezugszeichen ”L” die Umfangslänge des Innenöffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150 und das Bezugszeichen ”d” die Dicke der Kammer 140 in der Nähe des Innenöffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150 entlang der Senkrechten zu dem Innenöffnungsende 152 des Gaseinlasskanals 150 bezeichnen.
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Die Dicke ”d” gibt die Höhe eines virtuellen kreisförmigen Zylinders 155 an, der den in die Kammer 140 hineinragenden verlängerten Abschnitt des Gaseinlasskanals 150 darstellt.
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Bei den vorstehend definierten Größen S, L und d ist die Beziehung S/Ld ≤ 1,5 gegeben.
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2A zeigt eine perspektivische Ansicht der Kammer 140 und des Gaseinlasskanals 150, während 2B eine Draufsicht darstellt, die die Positionsbeziehung zwischen der Kammer 140 und dem Innenöffnungsende 152 des Gaseinlasskanals 150 veranschaulicht.
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Das Gassensorelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist in einem Gassensor angeordnet, der in das Abgassystem der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingebaut ist. Dieser Gassensor stellt ein wesentliches Bauteil eines Abgas-Regelsystems dar. Das Gassensorelement 1 misst die Konzentration von im Abgas enthaltenem Sauerstoff zur Ermittlung oder Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des den Verbrennungsräumen der Brennkraftmaschine zugeführten Gasgemisches.
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Wie 1 zu entnehmen ist, umfasst das Gassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Festelektrolytsubstrat 11, das plattenförmig ausgestaltet ist und aus Sauerstoffionen leitendem Zirkondioxid besteht. Die objektgasseitige Messelektrode 121 und die Referenzelektrode 122 sind auf gegenüberliegenden Seiten bzw. Flächen (der Oberseite und der Unterseite in 1) des Festelektrolytsubstrats 11 angeordnet. Das Festelektrolytsubstrat 11, ein Distanzstück 14 und ein Substrat 15 werden in dieser Reihenfolge zur Ausbildung der Kammer 140 laminiert. Die objektgasseitige Messelektrode 121 ist der Kammer 140 ausgesetzt. Ferner werden das Festelektrolytsubstrat 11 und ein Distanzstück 13 zur Ausbildung einer Referenzgaskammer 130 laminiert, der die Referenzelektrode 122 ausgesetzt ist.
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Ein Heizsubstrat 19 wird als nächste Schicht mit dem Distanzstück 13 verbunden, wobei zwischen dem Distanzstück 13 und dem Heizsubstrat 19 ein Heizelement 190 eingebettet ist. Das Heizelement 190 erzeugt Wärme in Abhängigkeit von der Zuführung eines elektrischen Stroms, um die Temperatur des Gassensorelements 1 auf dessen Aktivierungspegel zu erhöhen.
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Der Gaseinlasskanal 150 ist in dem Substrat 15 ausgebildet. Die aus einem porösen keramischen Werkstoff bestehende Diffusionswiderstandsschicht 16 wird in Form eines Laminats auf dieses Substrat 15 aufgebracht. Die Diffusionswiderstandsschicht 16 bedeckt vollständig die Außenseite des Substrats 15 einschließlich des Außenöffnungsabschnitts 151 des Gaseinlasskanals 150 auf der äußeren Umgebungsseite des Gaseinlasskanals 150. die Außenseite 160 der Diffusionswiderstandsschicht 16 ist direkt den äußeren Umgebungsbedingungen ausgesetzt, wobei sich auf der Außenseite 160 kein zusätzliches Bauelement mit einem maßgeblichen Diffusionswiderstand befindet.
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Wenn somit das Abgas, das das zu messende Objektgas darstellt, von der äußeren Umgebung in die Kammer 140 eintritt, wird die Diffusionsrate des Abgases im wesentlichen von der Diffusionswiderstandsschicht 16 und dem Gaseinlasskanal 150 bestimmt. Das Ausgangssignal des Gassensorelements 1 besitzt eine Grenzstromcharakteristik bzw. -kennlinie mit einem flachen bzw. ebenen Bereich in der Spannungs-Strom-Kennlinie, in dem die Stromstärke unabhängig von einem Spannungsanstieg konstant ist. Die Stromstarke in diesem flachen bzw. ebenen Bereich wird im allgemeinen als Grenzstrom bezeichnet.
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Bei dem in den 2A und 2B veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfasst der Querschnittsbereich ”S” des Innenoffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150 einen Bereich von 0,1 mm2. Die Umfangslänge ”L” des Innenöffnungsendes 152 beträgt 1,1 mm. Die Dicke ”d” der Kammer 140 in der Nähe des Innenöffnungsendes 152 beträgt 0,09 mm entlang der Senkrechten zu der Ebene, die das Innenöffnungsende 152 des Gaseinlasskanals 150 umfasst.
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3 zeigt eine grafische Darstellung von Grenzstromwerten, die in Umgebungsatmosphäre bei vielen Proben des Gassensorelments 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gemessen wurden, die sich in Bezug auf den Durchmesser des Gaseinlasskanals voneinander unterschieden, während die Kammerdicke ”d” auf einem konstanten Wert gehalten wurde (d = 0,09 mm).
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Wie dem Kennfeld gemäß 3 zu entnehmen ist, zeigen die herstellungsbedingten Streuungen der Grenzstromwerte eine Tendenz zum Anstieg, wenn S/Ld den Wert 1,5 überschreitet. Die Testdaten gemäß 3 zeigen somit, dass sich keine hohe Messgenauigkeit erzielen lässt, wenn S/Ld den Wert 1,5 überschreitet. Die Diffusionswiderstandsschicht kann zur Einstellung oder Optimierung des Grenzstroms eingeschnitten oder abgetragen werden, wodurch sich die Länge der Diffusionsstrecke des zu messenden Objektgases verringert. Auf diese Weise kann ein Gassensorelement erhalten werden, bei dem sich der Grenzstromwert auf einfache Weise einstellen lässt.
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Obwohl dies der Figur nicht deutlich zu entnehmen ist, besteht weiterhin die Tendenz, dass die Grenzstromwerte sich einem bestimmten Wert nähern, wenn S/Ld unter den Wert 0,25 abfällt. Somit konnte auch bei Veränderung des Durchmessers des Gaseinlasskanals keine wesentliche Änderung des Grenzstromwertes ermittelt werden.
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Nachstehend wird auf Funktion und Wirkungsweise dieses ersten Ausführungsbeispiels des Gassensorelements näher eingegangen.
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Das Gassensorelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst den Gaseinlasskanal 150, der die Kammer 140 und die äußere Umgebung des Sensorelements miteinander verbindet. Die Beziehung S/Ld ≤ 1,5 ist gegeben, wobei S den Querschnittsbereich des sich in die Kammer 140 öffnenden Innenöffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150, L die Umfangslänge des Innenöffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150 und d die Dicke der Kammer 140 in der Nähe des Innenöffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150 bezeichnen.
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Durch die Erfüllung der Beziehung S/Ld ≤ 1,5 wird der Einfluss des sich in die Kammer 140 öffnenden Innenöffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150 auf die Bestimmung der Diffusionsrate des in die Kammer 140 eintretenden, zu messenden Objektgases eliminiert. Demzufolge hängt das Ansprechverhalten des Gassensorelements im wesentlichen von der Lange der Gaseinlassstrecke oder des Gaseinlassweges ab, der von der Außenseite der Diffusionswiderstandsschicht 16 über den äußeren umgebungsseitigen Offnungsabschnitt 151 des Gaseinlasskanals 150 bis zu dessen Innenöffnungsende 152 verläuft.
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Bei diesem Aufbau des Gassensorelements 1 lässt sich die Länge der Gaseinlassstrecke auf relativ einfache Weise einstellen. So ist z. B. die Länge des Gaseinlasskanals 150 einstellbar, indem die Oberfläche eines halbfertigen Blattelements (d. h., des Substrats 15) eingeschnitten oder abgetragen wird, in dem der Gaseinlasskanal 150 ausgebildet ist. Alternativ kann die Länge der Gaseinlassstrecke verringert werden, indem die Oberfläche der Diffusionswiderstandsschicht 16 eingeschnitten oder abgetragen wird.
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Die Erfüllung der vorstehend beschriebenen Bedingung S/Ld ≤ 1,5 ermöglicht somit die Herstellung eines Gassensorelements mit einem ausgezeichneten Ansprechverhalten.
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Außerdem ermöglicht ein Einschneiden oder Abtragen der Diffusionswiderstandsschicht die Verringerung oder Unterdrückung herstellungsbedingter Streuungen im Sensor-Ausgangssignal, sodass ein Gassensorelement erhalten werden kann, das eine ausgezeichnete Messgenauigkeit aufweist.
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Die Diffusionswiderstandsschicht 16 hat die Wirkung, Schwankungen des Sensor-Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Temperatur des zu messenden Objektgases zu verhindern, sodass das Sensor-Ausgangssignal ohne Abweichungen genau gebildet werden kann. Die Diffusionswiderstandsschicht 16 ist direkt den äußeren Umgebungsbedingungen ausgesetzt, da auf der Außenseite 160 der Diffusionswiderstandsschicht 16 kein zusätzliches Diffusionswiderstandselement vorgesehen ist. Die Diffusionsstrecke des in die Kammer 140 gelangenden und zu messenden Objektgases wird daher im wesentlichen von einer einzigen Strecke gebildet, sodass in einem Einschwingzustand bzw. einer Übergangsphase keine Überlagerung von Sensorsignalen auftritt und eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist.
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Zweites Beispiel
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4 zeigt ein Gassensorelement 1a gemäß einem (nicht beanspruchten) zweiten Beispiel, das dadurch gekennzeichnet ist, dass keine Widerstandsschicht vorgesehen ist.
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Das Gassensorelement 1a gemäß dem zweiten Beispiel umfasst das Festelektrolytsubstrat 11, die auf einer Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 11 angeordnete objektgasseitige Messelektrode 121 sowie die auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 11 angeordnete Referenzelektrode 122. Die objektgasseitige Messelektrode 121 ist der Kammer 140 ausgesetzt, die in dem aus dem Festelektrolytsubstrat 11, dem Distanzstück 14 und dem Substrat 15 bestehenden Laminat ausgebildet ist. Der Gaseinlasskanal 150 verläuft durch das Substrat 15 hindurch und verbindet die Kammer 140 mit der äußeren Umgebung des Gassensorelements 1a, sodass die Kammer 140 in direktem Austausch mit der äußeren Umgebung steht. Das zu messende Objektgas tritt über den Gaseinlasskanal 150 von außen in die Kammer 140 ein. Die Diffusionsrate des zu messenden Objektgases wird im wesentlichen von dem Gaseinlasskanal 150 bestimmt. Das Sensor-Ausgangssignal des Gassensorelements 1a zeigt ebenfalls eine Grenzstromcharakteristik bzw. -kennlinie.
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Die Beziehung S/Ld ≤ 1,5 ist auch hier gegeben, wobei S den Querschnittsbereich des sich in die Kammer 140 öffnenden Innenöffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150, L die Umfangslänge des Innenöffnungsendes des Gaseinlasskanals 150 und d die Dicke der Kammer 140 in der Nähe des Innenöffnungsendes 152 des Gaseinlasskanals 150 bezeichnen.
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Der restliche Aufbau des zweiten Beispiels ist im wesentlichen identisch mit demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, sodass das zweite Beispiel im wesentlichen die gleichen Funktionen erfüllt und die gleiche Wirkungsweise aufweist.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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5 zeigt ein Gassensorelement 1b gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem es sich um ein zweizelliges Gassensorelement handelt.
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Das Substrat 15 wird von einem Festelektrolytelement gebildet. Auf den einander gegenüber Liegenden Oberflächen (d. h., der oberen und der unteren Oberfläche) des Substrats 15 sind zwei Elektroden 123 und 124 vorgesehen, die den Gaseinlasskanal 150 umgeben. Die Elektroden 123 und 124 und das Festelektrolytsubstrat 15 bilden gemeinsam eine Pumpzelle, durch die die Sauerstoffkonzentration in der Kammer 140 auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Der restliche Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen identisch mit demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, sodass das dritte Ausführungsbeispiel im wesentlichen die gleichen Funktionen hat und die gleiche Wirkungsweise aufweist.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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6 zeigt ein Gassensorelement 1c gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Vielzahl von Gaseinlasskanälen 150 in dem Substrat 15 ausgebildet ist.
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Im einzelnen sind insgesamt funf Gaseinlasskanale 150, die jeweils durch das Substrat 15 hindurch verlaufen, in der Längsrichtung des Gassensorelements 1c in gegenseitiger Ausrichtung zueinander angeordnet. Auf dem Substrat 15 ist die aus einem porosen Keramikwerkstoff bestehende Diffusionswiderstandsschicht 16 aufgebracht. Die Diffusionswiderstandsschicht 16 bedeckt vollstandig die Außenseite des Substrats 15 einschließlich des Außenoffnungsabschnitts 151 eines jeden Gaseinlasskanals 150 auf der außeren Umgebungsseite der Gaseinlasskanale 150. Die Außenseite bzw. Außenflache der Diffusionswiderstandsschicht 16 ist direkt den außeren Umgebungsbedingungen ausgesetzt.
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Der restliche Aufbau des vierten Ausfuhrungsbeispiels ist im wesentlichen identisch mit demjenigen des ersten Ausfuhrungsbeispiels.
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Die Strecke fur das Eintreten des zu messenden Objektgases in die Kammer 140 wird somit von der Kombination der Gaseinlasskanäle 150 mit der Diffusionswiderstandsschicht 16 gebildet. Wenn der Bereich des sich zur außeren Umgebung offnenden Außenoffnungsabschnitts 151 der jeweiligen Gaseinlasskanale 150 konstant ist, ist der Diffusionswiderstand unabhangig von der Anzahl der Gaseinlasskanale 150 festgelegt. Die Verwendung einer Vielzahl von Gaseinlasskanalen 150 hat die Wirkung, dass die Einlassstrecke des zu messenden Objektgases unterteilt wird und das Objektgas demzufolge schnell in die Kammer 140 gelangen kann. Auf diese Weise wird ein besseres Ansprechverhalten des Gassensorelements 1c erreicht.
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Im ubrigen weist das vierte Ausfuhrungsbeispiel im wesentlichen die gleichen Funktionen und die gleiche Wirkungsweise auf.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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7 zeigt ein Gassensorelement 1d gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dem Gassensorelement 1 gemäß 1 weitgehend entspricht, jedoch durch eine Auffangschicht 17 gekennzeichnet ist, die zusätzlich auf der Außenseite oder Außenfläche 160 der Diffusionswiderstandsschicht 16 vorgesehen ist.
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Hierbei besteht die Auffangschicht 17 aus einem porösen Bauelement aus zahlreichen Keramikpartikeln, deren Eigenschaften thermisch stabil sind. In der Auffangschicht 17 sind diese Keramikpartikel kontinuierlich miteinander verbunden. Als Keramikpartikel für die Auffangschicht 17 können z. B. verschiedene Aluminiumoxid- und Spinell-Elemente Verwendung finden.
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Die Auffangschicht 17 besitzt hierbei eine Porosität von annähernd 15%. Anders ausgedrückt beinhaltet dies, dass der Diffusionswiderstand der Auffangschicht 17 vernachlässigbar ist. Demzufolge umfasst das Gassensorelement 1d gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Diffusionswiderstandsschicht 16, ohne dass auf seiner Außenseite oder Außenfläche 160 ein zusätzliches Diffusionswiderstandselement vorgesehen ist. Die Auffangschicht 17, die keinen maßgeblichen Diffusionswiderstand aufweist, ist auf der Außenseite bzw. Außenfläche 160 der Diffusionswiderstandsschicht 16 angeordnet und fängt im zu messenden Objektgas enthaltene Schadstoffe auf, wodurch eine Verschlechterung der Eigenschaften der Diffusionswiderstandsschicht 16 und der objektgasseitigen Messelektrode 121 verhindert wird.
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Der restliche Aufbau sowie die Funktionen und die Wirkungsweise des fünften Ausfuhrungsbeispiels sind im wesentlichen mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels identisch.
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Sechstes Ausführungsbeispiel
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8 zeigt ein Gassensorelement 1e gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dem Gassensorelement 1b gemäß 5 weitgehend entspricht, jedoch dadurch gekennzeichnet ist, dass zusätzlich die Auffangschicht 17 auf der Außenseite 160 der Diffusionswiderstandsschicht 16 angeordnet ist.
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Das Gassensorelement 1e gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel stellt ein zweizelliges Gassensorelement dar, das eine Sensorzelle zur Messung der Konzentration eines in dem in der Kammer 140 befindlichen und zu messenden Objektgas enthaltenen spezifischen Gases oder Gasbestandteils sowie eine Sauerstoff-Pumpzelle zur Zuführung von Sauerstoff in die Kammer 140 und Ableitung von Sauerstoff aus der Kammer 140 aufweist.
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Die Sensorzelle besteht hierbei aus dem Festelektrolytsubstrat 11, der auf dem Festelektrolytsubstrat 11 angeordneten objektgasseitigen Messelektrode 121 und der Referenzelektrode 122, die der Referenzgaskammer 130 ausgesetzt ist, in die Luft eingeleitet wird. Die Sensorzelle ist in der dem Innenoffnungsende 152 entsprechenden Position angeordnet, bei der der Gaseinlasskanal 150 der Kammer 140 gegenüberliegt.
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Das Substrat 15, in dem der Gaseinlasskanal 150 ausgebildet ist, wird von einem Festelektrolytsubstrat gebildet. Die vorstehend beschriebene Sauerstoff-Pumpzelle besteht aus dem Festelektrolytsubstrat 15 und den auf diesem Substrat 15 angeordneten beiden Pumpelektroden 123 und 124, die den Gaseinlasskanal 150 umgeben. Die Pumpelektrode 124 ist der Kammer 140 ausgesetzt. Die Sauerstoff-Pumpzelle hält die Sauerstoffkonzentration in der Kammer 140 auf einem konstanten Wert.
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Außerdem ist die Diffusionswiderstandsschicht 16 als Laminat auf dem Festelektrolytsubstrat 15 aufgebracht. Die Auffangschicht 17 ist auf der Außenseite 160 der Diffusionswiderstandsschicht 16 angeordnet. Das Gassensorelement 1e gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst somit die Diffusionswiderstandsschicht 16, ohne dass auf deren Außenseite oder Außenfläche 160 ein zusätzliches Diffusionswiderstandselement vorgesehen ist. Auf der Außenseite 160 der Diffusionswiderstandsschicht 16 ist zwar die Auffangschicht 17 vorgesehen, die jedoch keinen wesentlichen Diffusionswiderstand aufweist. Die Auffangschicht 17 fängt die in dem zu messenden Objektgas enthaltenen Schadstoffe auf und verhindert dadurch eine Verschlechterung der Eigenschaften der Diffusionswiderstandsschicht 16 und der objektgasseitigen Messelektrode 121.
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Die restliche Anordnung sowie die Funktionen und die Wirkungsweise des sechsten Ausführungsbeispiels sind im wesentlichen identisch mit denjenigen des ersten, dritten oder vierten Ausführungsbeispiels.
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Siebtes Ausführungsbeispiel
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9 zeigt ein Gassensorelement 1f gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das durch eine Auffangschicht gekennzeichnet ist, die eine Vielzahl von in dem Substrat 15 ausgebildeten Gaseinlasskanälen 150 bedeckt.
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Im einzelnen sind insgesamt fünf Gaseinlasskanäle 150, die sich jeweils durch das Substrat 15 hindurch erstrecken, in der Längsrichtung des Gassensorelements 1f in gegenseitiger Ausrichtung zueinander angeordnet. Die aus einem porösen Keramikwerkstoff bestehende Diffusionswiderstandsschicht 16 ist als Laminat auf dem Substrat 15 aufgebracht. Die Diffusionswiderstandsschicht 16 bedeckt vollständig die Außenseite bzw. Außenfläche des Substrats 15 einschließlich des Außenöffnungsabschnitts 151 eines jeden Gaseinlasskanals 150 auf der äußeren Umgebungsseite der Gaseinlasskanäle 150. Die Auffangschicht 17 ist auf der Außenseite 160 der Diffusionswiderstandsschicht 16 angeordnet.
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Der restliche Aufbau des siebten Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen mit demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels identisch.
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Das Gassensorelement 1f gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst somit die Diffusionswiderstandsschicht 16, ohne dass auf ihrer Außenseite 160 ein zusätzliches Diffusionswiderstandselement vorgesehen ist. Auf der Außenseite 160 der Diffusionswiderstandsschicht 16 ist zwar die Auffangschicht 17 angeordnet, die jedoch keinen wesentlichen Diffusionswiderstand aufweist. Die Auffangschicht 17 fängt die in dem zu messenden Objektgas enthaltenen Schadstoffe auf und verhindert auf diese Weise eine Verschlechterung der Eigenschaften der Diffusionswiderstandsschicht 16 und der objektgasseitigen Messelektrode 121.
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Der restliche Aufbau sowie die Funktionen und die Wirkungsweise des siebten Ausführungsbeispiels sind im wesentlichen identisch mit denjenigen des ersten, vierten oder sechsten Ausführungsbeispiels.
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Vergleichsbeispiel
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10 zeigt als Vergleichsbeispiel ein Gassensorelement
90, das einen ähnlichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel gemäß
1 aufweist, sich jedoch von diesem dahingehend unterscheidet, dass ein zusätzliches Substrat
92 als Laminat auf der Diffusionswiderstandsschicht
16 angeordnet ist, wobei ein Nadelloch
920 durch das Substrat
92 hindurch verläuft (siehe z. B. die
japanische Gebrauchsmuster-Druckschrift Nr. 7-23735 ). Das Nadelloch
920 besitzt einen Diffusionswiderstand, der einen Einfluss auf die Festlegung der Diffusionsrate des in die Kammer
140 eintretenden und zu messenden Objektgases hat.
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Bei diesem als Vergleichsbeispiel herangezogenen Gassensorelement 90 wird somit das zu messende Objektgas sowohl über das Nadelloch 920 als auch von beiden Seitenflächen 169 der Diffusionswiderstandsschicht 16 herangeführt. Dies bedeutet, dass drei verschiedene Gaszutrittswege vorhanden sind. Diese Anordnung ist in Bezug auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung insofern nachteilig als in einem Einschwingzustand oder einer Übergangsphase eine Überlagerung von zumindest zwei Arten von Sensorsignalen auftritt. Die Messgenauigkeit und das Ansprechverhalten des Sensorelements 90 sind daher nicht zufriedenstellend.
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Wie vorstehend beschrieben, ist somit eine objektgasseitige Messelektrode (121) auf einer Oberfläche eines Festelektrolytsubstrats (11) angeordnet, während auf einer anderen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats (11) eine Referenzelektrode (122) angeordnet ist. Die objektgasseitige Messelektrode (121) ist einer Kammer (140) ausgesetzt. Ein Gaseinlasskanal (150) ist derart angeordnet, dass die Kammer (140) mit der äußeren Umgebung des Gassensorelements (1) in Verbindung steht. Hierbei ist eine Beziehung S/Ld ≤ 1,5 gegeben, wobei S den Querschnittsbereich eines sich in die Kammer (140) öffnenden Innenöffnungsendes (152) des Gaseinlasskanals (150), L die Umfangslänge des Innenöffnungsendes (152) und d die Dicke der Kammer (140) in der Nähe des Innenöffnungsendes (152) des Gaseinlasskanals (150) bezeichnen.
