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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Messfühler zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei einem bekannten Messfühler dieser Art (
DE 195 32 090 A1 ) weist die Dichtung drei axial aneinandergesetzte Dichtungsscheiben auf, von denen die beiden äußeren Dichtungsscheiben aus Steatit und die zwischen den beiden äußeren Dichtungsscheiben liegende mittlere Dichtungsscheibe aus Bornitrid bestehen. Die durchgehend zwischen dem Sensorelement und dem Metallgehäuse abdichtende Dichtung macht den Messfühler gegen das Eindringen von Gas, insbesondere von Abgasbestandteilen, z. B. Benzindämpfen, resistent. Die Dichtung weist einen hohen Isolationswiderstand auf, der größer als 1 MΩ ist und bei trockener Dichtung ca. 30 MΩ beträgt.
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Bei Feuchtlagerung des Messfühlers nimmt die Dichtungsscheibe aus Bornitrid Wasser auf. Die sich bildende Borsäure führt bei hohen Gehäusetemperaturen zeitweise zur Abnahme des Isolationswiderstand der Dichtung unter 1 MΩ. Dadurch fließt zusätzlicher Leckstrom von den auf höherem Potential liegenden Elektroden durch den Festelektrolyten zu dem auf Masse liegenden Gehäuse ab. Da bei heißem Metallgehäuse auch der aus Zirkoniumoxid bestehende Festelektrolyt im Bereich der Dichtung elektrisch leitend wird, entsteht ein Leckstrom über die Dichtung durch den Festelektrolytkörper zu den Elektroden hin, was zu einem Offset im Pumpstrom und damit zu einer Verfälschung des Ausgangssignals des Messfühlers führt. Besonders gravierend ist diese Messungenauigkeit bei sehr kleinen Ausgangsströmen, wie sie bei einer Sauerstoffkonzentration im Abgas in der Nähe von λ = 1 auftreten.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Messfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass aufgrund des gleichen Potentials an der inneren Pump- und Nernstzelle einerseits und an der Dichtung andererseits auch nach Feuchtlagerung des Messfühlers kein zusätzlicher Leckstrom über die äußere Pumpelektrode fließen kann. Vielmehr fließt der Leckstrom über die zu dem elektrischen Potential der innerer Pump- und Nernstelektrode führende Verbindungsleitung zur Masse ab. Damit beeinflusst der sich durch Feuchtlagerung reduzierende Isolationswert der Dichtung nicht das Ausgangssignal des Sensorelements.
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Die Potentialverbindung zwischen der Dichtung und dem Potential der inneren Pumpelektrode und Nernstelektrode lässt sich leicht in das Sensorelement integrieren, ohne dass eine konstruktive Änderung der Dichtung oder eine Designänderung des Messfühlers erforderlich ist.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Messfühlers möglich.
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Erfindungsgemäß ist die Potentialverbindung zwischen der Dichtung und der Pump- und Nernstelektrode durch eine auf der Oberfläche des Sensorelements verlaufende Leiterbahn hergestellt, die einerseits die Dichtung und andererseits eine auf der Oberfläche des Sensorelements ausgebildete, gemeinsame Anschluss-Kontaktfläche für die innere Pump- und Nernstelektrode kontaktiert.
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Vorzugsweise ist dabei die Leiterbahn von der Anschluss-Kontaktfläche für die innere Pump- und Nernstelektrode, die auf einem anschlussseitigen Endabschnitt des Sensorelements angeordnet ist, bis zu einem von der Dichtung umschlossenen mittleren Abschnitt des Sensorelements geführt und auf eine auf der Oberfläche des Festelektrolytkörpers aufgebauten Isolierbahn aufgebracht.
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Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung:
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1 einen Längsschnitt eines Messfühlers zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente im einem Gasgemisch,
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2 eine Draufsicht des Sensorelements in Richtung Pfeil II in 1,
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3 eine vergrößerte Darstellung des Schnitts III-III in 2,
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4 ausschnittweise einen Längsschnitt des Sensorelements gemäß Schnittlinie IV-IV in 2,
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5 eine gleiche Darstellung wie in 2 eines modifizierten Sensorelements,
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6 eine vergrößerte Darstellung des Schnitts längs der Linie VI-VI in 5.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Der in 1 im Längsschnitt dargestellte, elektrochemische Messfühler zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch ist im Ausführungsbeispiel als Breitband-Lambdasonde konzipiert, die zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen dient. Der Messfühler weist ein metallisches Gehäuse 10 auf, das ein Gewinde 11 als Befestigungsmittel und einen Sechskant 12 als Montagemittel zum Einbau des Messfühlers in ein hier nicht dargestelltes Abgasrohr einer Brennkraftmaschine besitzt. In dem Gehäuse 10 ist ein stabförmiges Sensorelement 13 mit rechteckigem Querschnitt aufgenommen, das mit einem gasseitigen Endabschnitt 131 und einem anschlussseitigen Endabschnitt 132 aus dem Gehäuse 10 herausragt und in einem mittleren Abschnitt 133 mittels einer Dichtung 14 gegenüber dem Gehäuse 10 gasdicht abgedichtet ist. Die Dichtung 14 besteht im Ausführungsbeispiel aus drei axial aneinanderliegenden Dichtungselementen, durch die der mittlere Abschnitt 133 des Sensorelements 13 dicht hindurchgeführt ist. Die beiden äußeren Dichtungselemente 15, 16 bestehen aus Steatit, und das mittlere Dichtungselement 17 besteht aus Bornitrid. Die Dichtung 14 ist zwischen einem oberen und unteren Keramikteil 18, 19 eingeschlossen, wobei das untere Keramikteil 19 sich an einer im Gehäuse 10 ausgebildeten Schulter abstützt und das obere Keramikteil mittels einer Metallhülse 20, die durch Rundumverstemmung auf dem Gehäuse 10 festgelegt ist, an die Dichtung 14 angepresst ist. Die Metallhülse 20 und der anschlussseitige Endabschnitt 132 sind üblicherweise noch von einer Schutzhülse umgeben, die auf dem Gehäuse 10 aufgeschweißt ist. Auf die Darstellung dieser Schutzhülse ist hier verzichtet. Die Schutzhülse ist mit einer hier ebenfalls nicht dargestellten Kabeldurchführung abgeschlossen, durch die hindurch zu einem Steuergerät führende Anschlusskabel des Sensorelements 13 hindurchgeführt sind. Die ebenfalls hier nicht dargestellten Anschlusskabel sind auf Anschluss-Kontaktflächen 21 kontaktiert, die auf voneinander abgekehrten Großflächen des Sensorelements 13 isoliert aufgebracht sind. Der gasseitige Endabschnitt 131 des Sensorelements 13, der nach dem Einbau des Messfühlers in das Abgasrohr einer Brennkraftmaschine in den Abgasstrom hineinragt, ist von einem Doppelschutzrohr 22 abgedeckt, das Gasdurchtrittslöcher 23 aufweist.
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In der Darstellung des Sensorelements 13 gemäß 2 ist eine der beiden Großflächen des Sensorelements 13 zu sehen. 4 zeigt einen Längsschnitt des gasseitigen Endabschnitts 131 des Sensorelements 13 und 3 einen Querschnitt des mittleren Abschnitts 133 des Sensorelements 13. Wie bekannt und lediglich der Vollständigkeit halber in 4 dargestellt ist, weist das Sensorelement 13 eine äußere Pumpelektrode 24 und eine innere Pumpelektrode 25, die zusammen eine sog. Pumpzelle bilden, und eine Mess- oder Nernstelektrode 26 und eine Referenzelektrode 27 auf, die zusammen eine Konzentrations- oder Nernstzelle bilden. Alle Elektroden 24–27 bestehen aus Platin oder einem Platincermet und sind auf oder in einem Festelektrolytkörper 28 angeordnet, der in Schichtaufbau aus einer Mehrzahl von Festelektrolytschichten oder -folien hergestellt ist. Als Festelektrolyt wird beispielsweise Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid (ZrO2) verwendet. Die äußere Pumpelektrode 24 ist auf der einen Großfläche des Sensorelements 13 unmittelbar auf dem Festelektrolytkörper 28 angeordnet und von einer gasdurchlässigen Schutzschicht 29 abgedeckt. Die innere Pumpelektrode 25 und die Nernstelektrode 26, die auf gleichem Potential liegen, sind in einem im Festelektrolytkörper 28 ausgebildeten Messraum 30 angeordnet. Der Messraum 30 ist durch eine poröse Diffusionsbarriere 31 gegenüber einem in den Festelektrolytkörper 28 eingebrachten Abgas-Zutrittsloch 32 abgeschirmt. Die Referenzelektrode 27 ist in einem in dem Festelektrolytkörper 28 ausgebildeten Referenzgaskanal 33 auf den Festelektrolyten aufgedruckt und einem Referenzgas, z. B. Luft, ausgesetzt. Unterhalb von Messraum 30 und Referenzgaskanal 33 ist noch eine Heizeinrichtung 24 in dem Festelektrolytkörper 28 eingelagert, die mittels eines in einer elektrischen Isolierung 35 eingebetteten Heizleiters 36 realisiert ist. Alle Elektroden 26–28 sind über Zuleitungsbahnen mit einer der auf der Großfläche des Sensorelements 13 im anschlussseitigen Endabschnitt 132 angeordneten Anschluss-Kontaktflächen 21 verbunden, so die äußere Pumpelektrode 24 über eine Zuleitungsbahn 37 mit der Kontaktfläche 211, die innere Pumpelektrode 25 und die Nernstelektrode 26, die auf gleichem Potential liegen, über eine Zuleitungsbahn 38 (3) und eine hier nicht zu sehende Durchkontaktierung durch den Festelektrolytkörper 28 mit der Kontaktfläche 212 und die Referenzelektrode 27 über eine Zuleitungsbahn 39 und eine hier nicht zu sehende Durchkontaktierung durch den Festelektrolytkörper 28 mit der Kontaktfläche 213. Alle Zuleitungsbahnen 37, 38, 39 sind in Isolierbahnen 40 eingebettet, die die Zuleitungsbahnen 37, 38 und 39 gegenüber dem Festelektrolyten und die Zuleitungsbahn 37 zur äußeren Pumpelektrode 24 zusätzlich gegenüber der Dichtung 14 isolieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Isolierbahn 40, auf die die Zuleitungsbahn 37 aufgedruckt ist, über die gesamte Breite der Großfläche des Festelektrolytkörpers 28. Sie kann aber auch schmaler ausgeführt werden, wobei sie mittig unter der Zuleitungsbahn 37 verläuft. In jedem Fall ist diese Isolierbahn 40 breiter als die Zuleitungsbahn 37. Der Heizleiter 36 ist über zwei in der Isolierung 35 verlaufende Zuleitungsbahnen 41, 42 (3) auf hier nicht zu sehende Anschluss-Kontaktflächen kontaktiert, die auf der anderen Großfläche des Sensorelements 13 isoliert aufgebracht sind, die von der die Kontaktflächen 211–213 tragenden Großfläche des Sensorelements 13 abgekehrt ist.
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Um dem eingangs geschilderten Problem der Messverfälschung des Sensorelements 13 nach vorausgegangener Feuchtlagerung zu begegnen und um zu vermeiden, dass infolge der Abnahme des Isolationswiderstands der Dichtung 14 und des leitend werdens des Festelektrolyten bei heißem Gehäuse 10 Leckströme über die äußere Pumpelektrode 24 fließen, ist die Dichtung 14, und zwar insbesondere das mittlere Dichtungselement 17 aus Bornitrid, auf das gemeinsame Potential von innerer Pumpelektrode 25 und Nernstelektrode 26 gelegt. Hierzu ist auf der die Kontaktflächen 211–213 tragende Großfläche des Sensorelements 13 eine Leiterbahn 43 so angeordnet, dass sie parallel zu der zu der äußeren Pumpelektrode 24 führenden, mittig angeordneten Zuleitungsbahn 37 verläuft und – ausgehend von der Kontaktfläche 212 für die innere Pumpelektrode 25 und die Nernstelektrode 26 – sich bis über den von der Dichtung 14 umschlossenen, mittleren Abschnitt 133 des Sensorelements 13 erstreckt. Die Leiterbahn 43 ist im Ausführungsbeispiel auf die Isolierbahn 40 aufgedruckt, auf der auch die Zuleitungsbahn 37 zu der äußeren Pumpelektrode 24 auf den Festelektrolytkörper 28 aufgebaut ist. Ist diese Isolierbahn – wie vorstehend ausgeführt – nur etwas breiter als die Leiterbahn 37 gemacht, so wird die Leiterbahn 43 unmittelbar auf dem Festelektrolytkörper 28 aufgedruckt. Beim Einbau des Sensorelements 13 in das Gehäuse 10 wird dann die vorzugsweise einstückig mit der Kontaktfläche 212 verbundene Leiterbahn 43 mit Einpressen der Dichtung 14 in das Gehäuse 10 durch das mittlere Dichtungselement 17 aus Bornitrid kontaktiert (3). Die bei feuchtebedingt reduziertem Isolierwiderstand der Dichtung 14 und bei elektrisch leitendem Festelektrolyten infolge hoher Gehäusetemperatur auftretenden Leckströme fließen nunmehr nicht mehr über die äußere Pumpelektrode 24, sondern über die Leiterbahn 43 nach Masse ab. Das Ausgangssignal des Sensorelements 13, das durch den Stromfluss über die von äußerer Pumpelektrode 24 und innerer Pumpelektrode 25 gebildete Pumpzelle bestimmt ist, ist damit unverfälscht.
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In 5 und 6 ist ein modifiziertes Ausführungsbeispiel des Sensorelements 13 in Draufsicht und Querschnitt dargestellt. Bei diesem Sensorelement 13 ist die Referenzelektrode 27 gegen die äußere Pumpelektrode 24 abgeschirmt, so dass sowohl eine ohmsche als auch eine kapazitive Kopplung zwischen der äußeren Pumpelektrode 24 und der Referenzelektrode 27, die ebenfalls zu einer Verfälschung des Ausgangssignals des Sensorelements 13 führen, wirksam unterdrückt wird.
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Hierzu ist auf der Oberfläche des Festelektrolytkörper 28, auf der die Zuleitungsbahn 37 zur äußeren Pumpelektrode 24 angeordnet wird, zunächst im Bereich des Layouts der Zuleitungsbahn 37 zur äußeren Pumpelektrode 24 eine Elektrode 45 (6) aufgebaut, die an die Kontaktfläche 212 für die innere Pumpelektrode 25 und Nernstelektrode 26 angeschlossen wird (5). Diese Elektrode 45 erstreckt sich über die gesamte Länge der Zuleitungsbahn 37 zur äußeren Pumpelektrode 24 und kann breiter als diese Zuleitungsbahn 37 bemessen werden. Auch ist es möglich, die Elektrode 45 in Gitterstruktur auszuführen. Auf die Elektrode 45 ist dann die Isolierbahn 40 aufgedruckt und auf dieser die Zuleitungsbahn 37 angeordnet, die endseitig mit der äußeren Pumpelektrode 24 und deren Kontaktfläche 211 verbunden ist. Auf die Zuleitungsbahn 37 wird dann die weitere Isolationsbahn 40 und vorzugsweise eine Abdeckschicht aus ZrO2 (nicht dargestellt) aufgebracht (6). In 5 ist die obere Isolationsbahn 40 aus Gründen der Sichtbarkeit der Elektrode 45 nur teilweise dargestellt. Wird die gemeinsame Zuleitungsbahn 38 zur unteren Pumpelektrode 25 und Nernstelektrode 26 entsprechend breit ausgeführt, so kann sie als Abschirmung der Referenzelektrode 27 gegenüber der inneren Pumpelektrode 25 und Nernstelektrode 26 herangezogen werden.
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Für eine weitere Abschirmung der Referenzelektrode 27, und zwar gegenüber der elektrischen Heizeinrichtung 34, ist die gemeinsame Zuleitungsbahn 38 zur inneren Pumpelektrode 25 und Nernstelektrode 26 unmittelbar unter die Zuleitungsbahn 39 zur Referenzelektrode 27 verlegt und von dieser durch eine Isolierbahn 40 getrennt. Die Breite der Zuleitungsbahn 38 ist nennenswert größer gemacht als die der Zuleitungsbahn 39. Im übrigen entspricht der Aufbau des Sensorelements 13 dem zu 2–4 beschriebenen Aufbau des Sensorelements 13, so dass gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Das Sensorelement 13 gemäß 5 und 6 kann ebenso wie das Sensorelement in 2–4 mit der dort beschriebenen Leiterbahn 43 versehen sein, um durch Leckströme über die äußere Pumpelektrode 24 hervorgerufene Messverfälschungen zu verhindern. Eine solche Leiterbahn 43 ist in 5 strichliniert angeordnet. Selbstverständlich ist es möglich, auch das Sensorelement gemäß 2–4 mit einer Elektrode 45 zur Abschirmung der äußeren Pumpelektrode 24 zur Referenzelektrode 27 zu versehen. Auch kann die Anordnung der Zuleitungsbahn 38 zur inneren Pumpelektrode 25 und Nernstelektrode 26 wie in 6 dargestellt vorgenommen sein.
