DE10352062A1

DE10352062A1 - Gassensorelement mit gewährleisteter Messgenauigkeit und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10352062A1
Application number: DE10352062A
Authority: DE
Inventors: Keigo Nishio Mizutani; Daisuke Nishio Makino; Toru Kariya Katafuchi
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2023-11-08
Also published as: JP4304963B2; DE10352062B4; JP2004157063A; US20040111868A1

Abstract

Ein Gassensorelement wird von einem Laminat bzw. einer Schichtanordnung aus einer Sauerstoff-Pumpzelle, einer Sensorzelle, einer Sauerstoff-Überwachungszelle und einem Heizelement gebildet. An dem Laminat sind Anschlüsse zur Herstellung der Signalübertragung zwischen den Schichten bzw. Zellen und einem externen Gerät angebracht und außerdem Leiterbahnen an Bereichen der Außenseite des Laminats ausgebildet, die die Verbindung zwischen den jeweiligen Zellen und den Anschlüssen herstellen. Durch diesen Aufbau ist der erforderliche Isolationswiderstand zwischen dem Heizelement und den Zellen gewährleistet, wobei außerdem die in dem Auftreten von Unterbrechungen der elektrischen Verbindungen zwischen den Anschlüssen und den Zellen oder dem Auftreten von Rissen im Laminat bestehenden Nachteile einer üblichen Anordnung vermieden werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gassensorelement, das zur Messung der Konzentration eines gegebenen Gasbestandteils wie der in den Abgasen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen enthaltenen Stickoxide (NOx) eingesetzt wird, sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Die durch Abgase von Kraftfahrzeugen hervorgerufene Luftverschmutzung hat in jüngerer Zeit schwerwiegende Probleme aufgeworfen, was zur Folge hat, dass die Emissionsauflagen Jahr um Jahr immer mehr verschärft werden. Zur Verringerung der in den Abgasemissionen enthaltenen Schadstoffe sind z.B. bereits Verbrennungsregelsysteme, die den Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine zur Verhinderung der Erzeugung von Schadstoffen regeln, oder Emissionsregelsysteme vorgeschlagen worden, die zur Reinigung der Abgasemissionen unter Verwendung eines Abgaskatalysators dienen. Ferner sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur Messung der Konzentration von Stickoxiden (NOx), die typische Schadstoffe in den Abgasen von Kraftfahrzeugen darstellen, und Rückkopplung der erhaltenen Messwerte zu solchen Systemen zur Steigerung des Wirkungsgrades der Abgasreinigung bekannt. Hierbei ist die Verwendung von Gassensorelementen erforderlich, mit deren Hilfe eine genaue Messung der Konzentration von NOx in den Abgasen von Kraftfahrzeugen durchführbar ist. Aus der japanischen Patentschrift Nr. 2885336 (die der US-Patentschrift Nr. 5 866 799 entspricht) ist z.B. ein solches Gassensorelement bekannt.

In den 8 und 9 ist ein Beispiel für ein bekanntes laminiertes Gassensorelement veranschaulicht, bei dem ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytmaterial Verwendung findet.

Das Gassensorelement 1 besteht im wesentlichen aus Festelektrolytschichten 51 und 52, Distanzstücken 61, 62, 63 und 64 sowie einem Heizelement 9. Die Festelektrolytschichten 51 und 52 bilden einen inneren Hohlraum 7, in den die Abgase der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs über eine poröse Schutzschicht 12 und ein Nadelloch 11 eintreten. Der innere Hohlraum 7 besteht aus einer ersten Messgaskammer 7a und einer zweiten Messgaskammer 7b. Außerhalb der Festelektrolytschichten 51 und 52 sind Referenzgaskammern 81 und 82 ausgebildet, die in die Atmosphäre bzw. Umgebungsluft führen. Eine von der Festelektrolytschicht 51 und zwei Elektroden 2a und 2b gebildete Sauerstoff-Pumpzelle 2 ist gegenüber der ersten Messgaskammer 7a angeordnet. Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 pumpt in Abhängigkeit von einer an sie angelegten Spannung Sauerstoffmoleküle in die erste Messgaskammer 7a hinein oder aus der ersten Messgaskammer 7a heraus.

Eine von der Festelektrolytschicht 52 und zwei Elektroden 3a und 3b gebildete Überwachungszelle 3 ist gegenüber der zweiten Messgaskammer 7b angeordnet. Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 wird durch Rückkopplung derart geregelt, dass die von der Überwachungszelle 3 gemessene Konzentration von Sauerstoff in der zweiten Messgaskammer 7b konstant gehalten werden kann, und dient dazu, die Sauerstoffkonzentration in dem inneren Hohlraum 7 auf einem gegebenen niedrigen Wert zu halten. Eine von der Festelektrolytschicht 52 und zwei, an den Oberflächen der Festelektrolytschicht 52 angebrachten Elektroden 4a und 4b gebildete Sensorzelle ist gegenüber der zweiten Messgaskammer 7b angeordnet und dient zur Aufspaltung von NOx-Molekülen und Messung der Konzentration des durch die Aufspaltung von NOx erzeugten Sauerstoffs.

Wie vorstehend beschrieben, wird die Konzentration von Sauerstoff in der zweiten Messgaskammer 7b dahingehend geregelt, dass sie konstant bleibt. Die Menge der sich durch die Sensorzelle 4 hindurch bewegenden Sauerstoffionen, d.h., der Betrag des durch die Sensorzelle 4 fließenden Sauerstoffionenstroms, ist daher eine Funktion der Konzentration von NOx in der zweiten Messgaskammer 7b. Durch Messung des über die Sensorzelle 4 fließenden Stroms ist somit eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration von NOx in den Abgasen unabhängig von einer Änderung der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen gewährleistet.

Der über die Sensorzelle 4 als Funktion der Konzentration von NOx fließende Strom besitzt üblicherweise einen winzigen Betrag in der Größenordnung von μA. Wenn daher der Isolationswiderstand zwischen dem Heizelement 9 und den Zellen 2, 3 und 4 einen unerwünscht niedrigen Wert aufweist, kann dies zu einem Fehler bei der Konzentrationsmessung von NOx führen. Das vorstehend beschriebene Gassensorelement ist jedoch in der in 9 veranschaulichten Weise mit Durchgangslöchern SH zur elektrischen Verbindung der jeweiligen Zellen 2, 3 und 4 mit Anschlüssen P für die Zuführung oder Aufnahme von Signalen zu oder von einem externen Gerät versehen. Eine solche Struktur kann sich in Bezug auf die Isolation zwischen dem Heizelement 9 und den jeweiligen Zellen 2, 3 und 4 als unzureichend erweisen, was dann nachteiligerweise dazu führt, dass Leckströme des in dem Heizelement 9 fließenden Stroms in die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sensorzelle 4 und die Überwachungszelle 3 fließen, was wiederum eine Verringerung der Messgenauigkeit bei diesen Zellen zur Folge hat. Die vorstehend beschriebene Struktur besitzt außerdem den Nachteil, dass der erforderliche Einbrennvorgang (Ofentrocknung) bei der Herstellung des Gassensorelements 1 zu einer Unterbrechung der elektrischen Verbindungen der Anschlüsse P zu den Zellen 2, 3 und 4 oder zum Entstehen von von den Durchgangslöchern SH ausgehenden Strukturrissen führen kann, was dann zu einer Verringerung der Gutausbeute bei der Herstellung und damit zu höheren Herstellungskosten führt.

Angesichts der vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gassensorelement anzugeben, das zur Erzielung des erforderlichen Isolationswiderstands zwischen einem Heizelement und einer Sauerstoff-Pumpzelle, einer Sensorzelle und/oder einer Überwachungszelle ausgestaltet ist, sodass die Messgenauigkeit bei der Konzentrationsmessung eines Gases unabhängig von Leckströmen des Heizelements gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gassensorelement angegeben, das in einem Gassensor für Kraftfahrzeuge angeordnet sein kann. Dieses Gassensorelement umfasst: (a) einen Laminatkörper mit einer darin ausgebildeten inneren Kammer, in die Messgase unter Verwendung eines gegebenen Diffusionswiderstands eingeführt werden, (b) eine in dem Laminatkörper ausgebildete Sauerstoff-Pumpzelle, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode, von denen die erste Pumpzellenelektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration in der inneren Kammer auf einen gewünschten Wert in Abhängigkeit von einer an die erste und die zweite Pumpzellenelektrode angelegten Spannung selektiv Sauerstoffmoleküle in die innere Kammer hineinpumpt und aus der inneren Kammer herauspumpt, (c) eine in dem Laminatkörper ausgebildete Sensorzelle, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite Sensorzellenelektrode, von denen die erste Sensorzellenelektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils der Messgase dient, (d) ein in dem Laminatkörper angeordnetes Heizelement, das zur Erwärmung der Sauerstoff-Pumpzelle und der Sensorzelle auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur dient, (e) Anschlüsse, die an einer Oberfläche des Laminatkörpers zur Herstellung der elektrischen Signalübertragung zwischen dem Gassensorelement und einem externen Gerät angeordnet sind, und (f) ein an einer Außenseite des Laminatkörpers ausgebildetes leitendes Element, durch das eine elektrische Verbindung zwischen einem der Anschlüsse und einer Zuleitung der Sauerstoff-Pumpzelle und/oder der Sensorzelle hergestellt wird.

Hierdurch ist dieser eine Anschluss mit der Zuleitung über die Außenseite des laminierten Körpers ohne Verwendung von Durchgangslöchern elektrisch verbunden, wie sie bei der bekannten Struktur gemäß 9 Verwendung finden. Dieser Aufbau gewährleistet den erforderlichen Betrag an Isolationswiderstand zwischen dem Heizelement und der Sauerstoff-Pumpzelle und/oder der Sensorzelle und gewährleistet damit die erforderliche Genauigkeit bei der Konzentrationsmessung des vorgegebenen Bestandteils der Messgase unabhängig von Leckströmen des Heizelements, wobei gleichzeitig die in dem Auftreten von Unterbrechungen der elektrischen Verbindungen zwischen den Anschlüssen P1 und P2 und den jeweiligen Zellen 2, 3 und 4 sowie dem Auftreten von Strukturrissen in den Durchgangslöchern SH bestehenden Nachteile der bekannten Struktur gemäß 9 vermieden werden. Auf diese Weise lässt sich eine höhere Gutausbeute bei der Herstellung erzielen, wodurch sich die Herstellungskosten des Gassensorelements verringern.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist bei dem Gassensorelement außerdem eine Überwachungszelle und ein zweites leitendes Element vorgesehen, wobei die Überwachungszelle in dem Laminatkörper ausgebildet ist, einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite Überwachungszellenelektrode, von denen die erste Überwachungszellenelektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Erzeugung eines die Sauerstoffkonzentration in der inneren Kammer angebenden Signals dient, und das zweite leitende Element eine elektrische Verbindung zwischen einer Zuleitung der Überwachungszelle und einem an der Oberfläche des Laminatkörpers ausgebildeten Anschluss für die Übertragung eines Signals zwischen der Zuleitung der Überwachungszelle und dem externen Gerät herstellt.

Die an die Sauerstoff-Pumpzelle angelegte Spannung kann als Funktion des von der Überwachungszelle erzeugten Signals gesteuert werden.

Das von der Sensorzelle erzeugte und die Konzentration des vorgegebenen Bestandteils der Messgase angebende Signal wird von einem über die Sensorzelle fließenden Strom gebildet.

Das von der Überwachungszelle erzeugte und die Konzentration von Sauerstoff in der inneren Kammer angebende Signal wird von einem über die Überwachungszelle fließenden Strom gebildet.

Das von der Überwachungszelle erzeugte und die Konzentration von Sauerstoff in der inneren Kammer angebende Signal kann alternativ von einer in der Überwachungszelle erzeugten Quellenspannung (EMK) gebildet werden.

Die Konzentration des vorgegebenen Bestandteils der Messgase kann als Funktion der Differenz zwischen den Werten der über die Sensorzelle und über die Überwachungszelle fließenden Ströme bestimmt werden.

Das Gassensorelement kann ferner eine Isolierschicht zwischen dem leitenden Element und der Oberfläche des Laminatkörpers aufweisen.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements angegeben, mit den Schritten (a) Herstellung eines eine Sauerstoff-Pumpzelle, eine Sensorzelle, eine Überwachungszelle und ein Heizelement umfassenden Laminatkörpers mit einer darin ausgebildeten inneren Kammer, in die Messgase unter Verwendung eines gegebenen Diffusionswiderstands eingeführt werden, wobei die Sauerstoff-Pumpzelle einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode, von denen eine Elektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration in der inneren Kammer auf einen gewünschten Wert in Abhängigkeit von einer an die erste und die zweite Pumpzellenelektrode angelegten Spannung selektiv Sauerstoffmoleküle in die innere Kammer hineinpumpt und aus der inneren Kammer herauspumpt, die Sensorzelle einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite Sensorzellenelektrode, von denen eine Elektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils der Messgase dient, die Überwachungszelle einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite Überwachungszellenelektrode, von denen eine Elektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Erzeugung eines die Sauerstoffkonzentration in der inneren Kammer angebenden Signals dient, und das Heizelement zur Erwärmung der Sauerstoff-Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur dient, (b) Anbringung von Anschlüssen an eine Oberfläche des Laminatkörpers zur Herstellung einer elektrischen Signalübertragung zwischen dem Gassensorelement und einem externen Gerät, und (c) Ausbildung eines leitenden Elements an einer Oberfläche des Laminatkörpers, das eine elektrische Verbindung zwischen einem der Anschlüsse und einer Zuleitung der Sauerstoff-Pumpzelle und/oder der Sensorzelle herstellt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Verfahren außerdem die weiteren Schritte des Einbrennens des Laminatkörpers und der sodann erfolgenden Ausbildung einer Isolierschicht zwischen einem Oberflächenteil des Laminatkörpers, woraufhin das leitende Element auf der Isolierschicht ausgebildet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine auseinander gezogene perspektivische Darstellung eines Gassensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2(a) eine Längsschnittansicht des Gassensorelements gemäß 1,
2(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß 2(a),
3(a) eine Längsschnittansicht eines Gassensorelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß 3(a),
4(a) eine perspektivische Ansicht des Gassensorelements gemäß 1,
4(b) eine perspektivische Ansicht eines modifizierten Ausführungsbeispiels des Gassensorelements gemäß 1,
5 eine Längsschnittansicht eines Gassensorelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 eine auseinander gezogene perspektivische Darstellung des Gassensorelements gemäß 5,
7(a) eine perspektivische Ansicht des Gassensorelements gemäß 5,
7(b) eine perspektivische Ansicht eines modifizierten Ausführungsbeispiels des Gassensorelements gemäß 7(a) ,
8(a) eine Längsschnittansicht eines bekannten Gassensorelements,
8(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß 8(a), und
9 eine auseinander gezogene perspektivische Darstellung des Gassensorelements gemäß den 8(a) und 8(b).
In den Figuren, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauelemente bezeichnen, ist insbesondere in den 1, 2(a) und 2(b) ein Gassensorelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, das zur Messung der Konzentration eines vorgewählten Bestandteils von Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wie der Konzentration von Stickoxiden (NOx), zu deren Verwendung bei der Regelung von Verbrennungsvorgängen in der Brennkraftmaschine und/oder bei Katalysatorsystemen dienen kann. In der Praxis ist das Gassensorelement 1 in einem hohlen zylindrischen Gehäuse angeordnet, wobei sein Kopfabschnitt mit einer Schutzumhüllung überzogen ist. Das Gassensorelement 1 ist in der Wand eines Abgasrohrs der Brennkraftmaschine derart angeordnet, dass sein Kopfabschnitt den Abgasen der Brennkraftmaschine ausgesetzt ist, während sein Basisabschnitt der Luft ausgesetzt ist, die als Referenzgas Verwendung findet.
Das Gassensorelement 1 besteht im wesentlichen aus Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytschichten 51 und 52, Distanzstücken 61, 62, 63 und 64 sowie einem Heizelement 9. von der Festelektrolytschicht 51 wird eine Sauerstoff-Pumpzelle 2 gebildet, während von der Festelektrolytschicht 52 eine Sauerstoff-Überwachungszelle 3 sowie eine Sensorzelle 4 gebildet werden. Das Distanzstück 61 legt einen inneren Hohlraum 7 fest, während die Distanzstücke 62, 63 und 64 Referenzgaskammern 81 und 82 bilden. Wie 2(a) zu entnehmen ist, sind auf dem Heizelement 9 das Distanzstück 62, die Festelektrolytschicht 51, das Distanzstück 61, die Festelektrolytschicht 52 sowie die Distanzstücke 63 und 64 in Form einer Schichtanordnung in dieser Reihenfolge laminiert.
Der innere Hohlraum 7 dient als Gaskammer, in den zu messende Gase (die nachstehend auch als Messgase bezeichnet sind) aus dem Außenbereich des Gassensorelements 1 geführt werden. Der innere Hohlraum 7 wird in der in 1 veranschaulichten Weise von Ausnehmungen 61a und 61b gebildet, die in dem zwischen den Festelektrolytschichten 51 und 52 angeordneten Distanzstück 61 ausgebildet sind. Diese Ausnehmungen 61a und 61b stehen über eine Öffnung 61c miteinander in Verbindung. Die Öffnung 61c trennt den inneren Hohlraum 7 in eine in der Nähe des Kopfabschnitts des Gassensorelements 1 gelegene erste Messgaskammer 7a und eine in der Nähe des Basisabschnitts des Gassensorelements 1 gelegene zweite Messgaskammer 7b.
Die erste Messgaskammer 7a steht mit einer Messgasatmosphäre (z.B. dem Innenraum des Abgasrohrs der Brennkraftmaschine) über ein durch einen vorderen Abschnitt der Festelektrolytschicht 52 hindurch verlaufendes Nadelloch 11 in Verbindung. Das Nadelloch 11 wirkt als Diffusionswiderstand und besitzt Abmessungen, die zur Erzielung einer gewünschten Diffusionsrate der in die erste Messgaskammer 7a und die zweite Messgaskammer 7b geführten Messgase vorgegeben sind.
Die Festelektrolytschicht 52 ist mit einer porösen Schutzschicht 12 aus porösem Aluminiumoxid versehen, die das Nadelloch 11 bedeckt und der Messgasatmosphäre ausgesetzt ist. Die Schutzschicht 12 dient zur Verhinderung eines Zusetzens bzw. einer Verstopfung des Nadellochs 11 sowie einer Verschmutzung bzw. Vergiftung der dem inneren Hohlraum 7 ausgesetzten Elektroden, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird.
In dem Distanzstück 62 ist in der in 1 veranschaulichten Weise eine Ausnehmung 62a ausgebildet, von der die Referenzgaskammer 81 zwischen den Festelektrolytschichten 51 und 52 gebildet wird. In dem Distanzstück 63 ist eine Ausnehmung 63a ausgebildet, von der die Referenzgaskammer 82 über der Festelektrolytschicht 52 gebildet wird. Die Ausnehmungen 62a und 63a stehen beide über in den Distanzstücken 62 und 63 ausgebildete und in Längsrichtung des Gassensorelements 1 verlaufende Luftkanäle 62b und 63b mit der Atmosphäre bzw. Umgebungsluft in Verbindung. Über die Luftkanäle 62b und 63b wird jeweils Luft in die Referenzgaskammern 81 und 82 geführt.
Die den inneren Hohlraum 7 und die Referenzgaskammern 81 und 82 festlegenden Distanzstücke 61, 62, 63 und 64 bestehen jeweils aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid. Die die Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und die Sensorzelle 4 bildenden Festelektrolytschichten 51 und 52 bestehen dagegen aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten wie Zirkondioxid oder Cerdioxid.
Wie in den 2(a) und 2(b) veranschaulicht ist, besteht die Sauerstoff-Pumpzelle 2 aus der Festelektrolytschicht 51 und Elektroden 2a und 2b, die einander gegenüberliegend an Oberflächen des Festelektrolytschicht 51 angebracht sind. Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 dient zur Dissoziation oder Ionisation von in dem innerhalb der Referenzgaskammer 81 befindlichen Referenzgas (d.h., Luft) enthaltenen Sauerstoffmolekülen (O₂) und Hineinpumpen der Sauerstoffmoleküle in die erste Messgaskammer 7a oder zur Dissoziation oder Ionisation von in der ersten Messgaskammer 7a befindlichen Sauerstoffmolekülen (O₂) und Hineinpumpen der Sauerstoffmoleküle in die Referenzgaskammer 81, wodurch die Konzentration von Sauerstoff in dem inneren Hohlraum 7 auf einen gewünschten Wert eingestellt wird. Hierbei ist die Elektrode 2a an der Oberseite der Festelektrolytschicht 51 angeordnet und der stromauf der zweiten Messgaskammer 7b gelegenen ersten Messgaskammer 7a ausgesetzt, während die Elektrode 2b an der Unterseite der Festelektrolytschicht 51 angeordnet und der Referenzgaskammer 81 ausgesetzt ist.
Die Sensorzelle 4 besteht in der in 2(b) veranschaulichten Weise aus der Festelektrolytschicht 52 und Elektroden 4a und 4b, die einander gegenüberliegend an Oberflächen der Festelektrolytschicht 52 angebracht sind. Die Sensorzelle 4 dient zur Messung der Konzentration eines gewählten Bestandteils der Messgase, d.h., der Konzentration von NOx. Hierbei ist die Elektrode 4a an der Unterseite der Festelektrolytschicht 52 angeordnet und der stromab der ersten Messgaskammer 7a gelegenen zweiten Messgaskammer 7b ausgesetzt, während die Elektrode 4b an der Oberseite der Festelektrolytschicht 52 angeordnet und der Referenzgaskammer 82 ausgesetzt ist.
Die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 besteht aus der Festelektrolytschicht 52 sowie Elektroden 3a und 3b, die einander gegenüberliegend an den Oberflächen der Festelektrolytschicht 52 angebracht sind. Die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 dient zur Messung oder Überwachung der Sauerstoffkonzentration in dem inneren Hohlraum 7 in der gleichen Weise wie die Sauerstoff-Pumpzelle 2. Hierbei ist die Elektrode 3a an der Unterseite der Festelektrolytschicht 52 angeordnet und der zweiten Messgaskammer 7b ausgesetzt, während die Elektrode 3b an der Oberseite der Festelektrolytschicht 52 angeordnet und der Referenzgaskammer 82 ausgesetzt ist. Vorzugsweise sind die Elektroden 3a und 3b der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und die Elektroden 4a und 4b der Sensorzelle 4 in der gleichen Position in der Strömungsrichtung der Messgase angeordnet, da die Sauerstoffkonzentrationen in der Nähe der Elektroden 3a und 4b in der zweite Messgaskammer 7b im wesentlichen auf den gleichen Wert eingestellt werden.
Die Elektroden 2a und 3a der Sauerstoff-Pumpzelle 2 und der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 bestehen vorzugsweise aus einem Material, das keine nennenswerte Fähigkeit zur Aufspaltung des in den Messgasen enthaltenen NOx aufweist, d.h., in Bezug auf NOx nicht reaktionsfähig bzw. inaktiv ist. Die Elektroden bestehen daher z.B. jeweils aus einer porösen Cermet-Elektrode, die als metallische Hauptbestandteile Pt und Au enthält. Vorzugsweise enthält der Metallbestandteil der porösen Cermet-Elektroden 1 bis 10 Gew.-% Au. Die poröse Cermet-Elektrode kann gebildet werden, indem ein Gemisch oder ein Brei, der ein Metalllegierungspulver und ein Keramikmaterial wie Zirkondioxid oder Aluminiumoxid enthält, hergestellt und einem Einbrennvorgang bzw. einer Ofentrocknung unterzogen wird.
Die Elektrode 4a der Sensorzelle 4 besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine höhere Fähigkeit zur Aufspaltung des in den Messgasen enthaltenen NOx aufweist, d.h., in Bezug auf NOx in hohem Maße reaktionsfähig ist. So kann z.B. eine poröse Cermet-Elektrode Verwendung finden, die als Hauptbestandteil Pt und Rh enthält. Vorzugsweise enthält hierbei der Metallbestandteil der Cermet-Elektrode 1 bis 50 Gew.-% Rh. Die Elektroden 2b, 3b und 4b der Sauerstoff-Pumpzelle 2, der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und der Sensorzelle 4 bestehen vorzugsweise aus Pt-Cermet-Elektroden.
Wie in 1 veranschaulicht ist, besitzen die Elektroden 2a und 2b der Sauerstoff-Pumpzelle 2, die Elektroden 3a und 3b der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 sowie die Elektroden 4a und 4b der Sensorzelle 4 Verbindungsleitungen oder Zuleitungen in Form von Leiterbahnen 2c, 2d, 3c, 3d, 4c und 4d zur Aufnahme der abgegebenen elektrischen Signale. Vorzugsweise sind hierbei (nicht dargestellte) Isolierschichten aus z.B. Aluminiumoxid auf anderen Bereichen der gegenüberliegenden Hauptflächen der Festelektrolytschichten 51 und 52 als den Bereichen mit den Elektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a und 4b insbesondere zwischen den Zuleitungen 2c, 2d, 3c, 3d, 4c und 4d und den Oberflächen der Festelektrolytschichten 51 und 52 ausgebildet.
Das Heizelement 9 besteht aus einer laminierten Schichtanordnung eines Heizelementblattes 13 und einer aus Aluminiumoxid bestehenden Isolierschicht 15. Das Heizelementblatt 13 besteht aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid, auf dem eine Heizelektrode 14 in Form eines Elektrodenmusters angeordnet ist, die zur Erwärmung der Zellen 2, 3 und 4 auf eine gegebene Aktivierungstemperatur mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Heizelektrode 14 kann hierbei von einer aus Pt und einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid bestehenden Cermet-Elektrode gebildet werden.
Die Heizelektrode 14 ist über in dem Heizelementblatt 13 ausgebildete Durchgangslöcher SH elektrisch mit Anschlüssen P1 verbunden (die nachstehend auch als Kontaktelektroden bezeichnet sind). Die Anschlüsse P1 sind an der Unterseite des Heizelements 9 angebracht.
Wie in den 1 und 4(a) veranschaulicht ist, sind die Elektroden 2a und 2b der Sauerstoff-Pumpzelle 2 mit den Anschlüssen P1 über die Zuleitungen 2c und 2d sowie über Leiterbahnen L1 verbunden, die an Endflächen der Festelektrolytschicht 51, des Distanzstücks 62, der Aluminiumoxidschicht 15 und des Heizelementblatts 13 ausgebildet sind. Die Elektroden 3a und 3b der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 sind mit zwei von vier Anschlüssen P2 über die Zuleitungen 3c und 3d sowie Leiterbahnen L2 verbunden, die an einer Endfläche der Festelektrolytschicht 52 ausgebildet sind. In ähnlicher Weise sind die Elektroden 4a und 4b der Sensorzelle 4 mit den beiden anderen Anschlüssen P2 über die Zuleitungen 4c und 4d verbunden. Die Anschlüsse P2 sind an der Oberseite der Festelektrolytschicht 52 an der Außenseite des Sensorelements 1 ausgebildet, ohne von den Distanzstücken 63 und 64 verdeckt zu werden.
Die Anschlüsse P1 und P2 sind elektrisch mit einer (nicht dargestellten) externen Steuerschaltung über hartgelötete Verbindungsleitungen oder unter Verwendung von Crimp- oder Quetschverbindungsanschlüssen für die Übertragung von Signalen zwischen der externen Steuerschaltung und den Zellen 2, 3 und 4 sowie dem Heizelement 9 verbunden. Vorzugsweise ist eine Isolierschicht aus Aluminiumoxid zwischen den Anschlüssen P1 und P2 sowie der Oberfläche des Sensorelements 1 ausgebildet.
Das Sensorelement 1 kann unter Verwendung der nachstehend näher beschriebenen Schritte hergestellt werden.
Zunächst werden ungebrannte Zirkondioxidblätter zur Herstellung der Festelektrolytschichten 51 und 52 sowie ungebrannte Aluminiumoxidblätter zur Herstellung der Distanzstücke 61, 62, 63 und 64 des Heizelementblatts 13 und der Aluminiumoxidschicht 15 hergestellt. Diese Blätter können unter Verwendung eines Streichmessers bzw. Rakels oder durch ein Spritz- oder Stranggussverfahren hergestellt werden.
Sodann werden auf gegebenen Bereichen der für die Festelektrolytschichten 51 und 52 und das Heizelementblatt 13 vorgesehenen Blätter die Elektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a und 4b, die Heizelementelektrode 14, die Zuleitungen 2c, 2d, 3c, 3d, 4c und 4d sowie die Anschlüsse P1 und P2 z.B. unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens ausgebildet.
Sodann werden die Blätter in der in 1 veranschaulichten Reihenfolge laminiert und einem Einbrennvorgang (Ofentrocknung) zur Herstellung einer festen Schichtanordnung unterzogen. Sodann wird eine leitende Masse, deren Hauptbestandteil Pt ist, auf eine Endfläche der festen Schichtanordnung zur Bildung der Leiterbahnen L1 und L2 aufgebracht, durch die in der vorstehend beschriebenen Weise die elektrische Verbindung der Elektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a und 4b der Zellen 2, 3 und 4 mit den Anschlüssen P1 und P2 hergestellt wird. Durch diese Anordnung wird die Möglichkeit des Auftretens von Unterbrechungen der elektrischen Verbindungen oder von Strukturrissen minimal gehalten, die gegeben sein kann, wenn die Elektroden 2a bis 4b anstelle der über die Leiterbahnen L1 und L2 erfolgenden Verbindung über Durchgangslöcher mit den Anschlüssen P1 und P2 verbunden sind. Die Leiterbahnen L1 und L2 sind an derjenigen Endfläche ausgebildet, bei der die Temperatur im Sensorelement 1 die niedrigsten Werte annimmt, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass der Isolationswiderstand zwischen den Zellen 2, 3 und 4 vergrößert werden kann. Diese Vergrößerung des Isolationswiderstands kann durch Ausbildung einer Aluminiumoxid-Isolierschicht zwischen den Leiterbahnen L1 und L2 und der Endfläche des Sensorelements 1 erhalten werden.
Die Anordnung der Leiterbahnen L1 und L2 ist jedoch nicht auf die in 4(a) dargestellte Anbringung an der Endfläche des Sensorelements beschränkt, sondern die Leiterbahnen L1 und L2 können auch z.B. in der in 4(b) dargestellten Weise an einer Seitenfläche (der rechten Seitenfläche in der Figur) des Basisabschnitts des Sensorelements 1 nach dem Einbrennen der Schichtanordnung ausgebildet werden.
Im Betrieb werden die Messgase, wie z.B. die O₂, NOx, H₂O usw. enthaltenden Abgase der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, über die poröse Schutzschicht 12 und das Nadelloch 11 in die erste Messgaskammer 7a des inneren Hohlraums 7 geführt. Die Menge der in den inneren Hohlraum 7 je Einheitszeit eintretenden Abgase hängt hierbei von den Diffusionswiderstandswerten der porösen Schutzschicht 12 und des Nadellochs 11 ab. Die Abgase treten sodann durch die Öffnung 16c hindurch und erreichen die zweite Messgaskammer 7b.
Bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden 2a und 2b der Sauerstoff-Pumpzelle 2, durch die an der der Referenzgaskammer 81 ausgesetzten Elektrode 2b ein positives Potential auftreten kann, werden Sauerstoffmoleküle in der ersten Messgaskammer 7a an der Elektrode 2a reduziert oder ionisiert und sodann zu der Elektrode 2b gepumpt bzw. geführt. Bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden 2a und 2b der Sauerstoff-Pumpzelle 2, durch an der der ersten Messgaskammer 7a ausgesetzten Elektrode 2a ein positives Potential auftreten kann, werden innerhalb des Abgasrohrs der Brennkraftmaschine befindliche Sauerstoffmoleküle an der Elektrode 2b reduziert bzw. ionisiert und zu der Elektrode 2a gepumpt bzw. geführt. Durch diesen Sauerstoff-Pumpvorgang wird die Konzentration von Sauerstoffmolekülen innerhalb des inneren Hohlraums 7 durch Änderung des Betrags und der Richtung der an die Elektroden 2a und 2b der Sauerstoff-Pumpzelle 2 angelegten Spannung gesteuert.
Bei Anlegen einer Spannung (von z.B. 0,40 V) an die Elektroden 3a und 3b der Sauerstoff-Überwachungszelle 3, durch die an der der Referenzgaskammer 82 ausgesetzten Elektrode 3b ein positives Potential auftreten kann, werden in der zweiten Messgaskammer 7b befindliche Sauerstoffmoleküle an der Elektrode 3a ionisiert und zu der Elektrode 3b gepumpt bzw. geführt. Wie vorstehend beschrieben, wird die Elektrode 3a von einer Pt-Au-Cermet-Elektrode gebildet, die in Bezug auf das den zu messenden Sollgasbestandteil darstellende NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist, sodass zwischen den Elektroden 3a und 3b unabhängig von der Menge an NOx ein Sauerstoffionenstrom als Funktion der Menge an O₂ fließt, der durch die poröse Schutzschicht 12, das Nadelloch 11 und die erste Messgaskammer 7a hindurchtritt und in die zweite Messgaskammer 7b gelangt. Die Konzentration von Sauerstoffmolekülen innerhalb der zweiten Messgaskammer 7b wird somit konstant gehalten, indem der zwischen den Elektroden 3a und 3b fließende Strom gemessen und die an die Elektroden 2a und 2b der Sauerstoff-Pumpzelle 2 angelegte Spannung dahingehend gesteuert wird, dass der Strom auf einem konstanten Wert (von z.B. 0,2 μA) gehalten wird.
Bei Anlegung einer gegebenen Spannung (von z.B. 0,40 V) an die Elektroden 4a und 4b der Sensorzelle 4, durch die an der der Referenzgaskammer 82 ausgesetzten Elektrode 4b ein positives Potential auftreten kann, werden an der Elektrode 4a in der zweiten Messgaskammer 7b des inneren Hohlraums 7 befindliche Sauerstoffmoleküle und NOx-Moleküle ionisiert, sodass Sauerstoffionen zu der Elektrode 4b gepumpt bzw. geführt werden, da die Elektrode 4a in der vorstehend beschriebenen Weise von einer Pt-Rh-Cermet-Elektrode gebildet wird, die in Bezug auf NOx reaktionsfähig ist. Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 wird hierbei in der vorstehend beschriebenen Weise derart gesteuert, dass der zwischen den Elektroden 3a und 3b der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 fließende Strom auf einem konstanten Wert (von z.B. 0,2 μA) gehalten werden kann, sodass der zwischen den Elektroden 4a und 4b der Sensorzelle 4 fließende Strom bei Nichtvorhandensein von NOx in den Abgasen auf einem konstanten Wert (von z.B. 0,2 μA) gehalten wird. Bei Vorhandensein von NOx in den Abgasen steigt der von der Sensorzelle 4 erzeugte Strom als Funktion der Konzentration des in der zweiten Messgaskammer 7b befindlichem NOx an, d.h., die Konzentration von NOx in den Abgasen wird unter Verwendung des Ausgangssignals der Sensorzelle 4 bestimmt.
In den 3(a) und 3(b) ist ein Gassensorelement 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass eine Spannung, die unter Verwendung eines Klemmenspannungs-Strom-Kennlinienfelds derart bestimmt wird, dass die Sauerstoff-Pumpzelle 2 einen Grenzstrom als Funktion der Konzentration von Sauerstoff in der ersten Messgaskammer 7a erzeugen kann, an die Sauerstoff-Pumpzelle 2 angelegt wird, um die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Messgaskammer 7a auf einem gegebenen niedrigeren Wert zu halten. Da der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels des Gassensorelements 1 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau identisch ist, erübrigt sich eine erneute detaillierte Beschreibung.
Die vorstehend beschriebene Art der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in dem inneren Hohlraum 7 hat jedoch den Nachteil, dass die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgaskammer 7b im Vergleich zu der unter Verwendung des Ausgangssignals der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 erfolgenden Steuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zu Schwankungen neigt. Die Verwendung des zwischen den Elektroden 4a und 4b der Sensorzelle 4 fließenden Stroms in der Form seines Auftretens führt somit zu einer verringerten Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration von NOx. Zur Vermeidung dieses Problems findet eine Stromdifferenz-Messschaltung 106 in der in 3(b) veranschaulichten Weise zur Messung der Differenz des zwischen den Elektroden 3a und 3b der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und des zwischen den Elektroden 4a und 4b der Sensorzelle 4 fließenden Stroms zur Bestimmung der Konzentration von NOx Verwendung, wodurch sich eine von Änderungen der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgaskammer 7b unabhängige und damit höhere NOx-Messgenauigkeit ergibt.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen findet die Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff in der zweiten Messgaskammer 7b unter Verwendung des über die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 fließenden Stroms statt, jedoch kann dies alternativ auch unter Verwendung einer in der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 erzeugten Quellenspannung (EMK) erfolgen. Dies wird nachstehend in Form eines dritten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die 5 und 6 näher beschrieben, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel in Bezug auf die Anordnung der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 und der Sensorzelle 4, die Verwendung einer zusätzlichen Sauerstoff-Pumpzelle 20 und das Fehlen der Referenzgaskammer 82 unterscheidet.
Die Sauerstoff-Pumpzelle 2 besteht aus der Festelektrolytschicht 52 und den an der Oberseite und der Unterseite der Festelektrolytschicht 52 angebrachten Elektroden 2a und 2b. Hierbei ist die Elektrode 2a der ersten Messgaskammer 7a ausgesetzt, während die Elektrode 2b den Abgasen ausgesetzt ist. Die Sauerstoff-Überwachungszelle 3 besteht aus der Festelektrolytschicht 51 und den Elektroden 3a und 3b. Hierbei ist die Elektrode 3a der ersten Messgaskammer 7a ausgesetzt, während die Elektrode 3b der Referenzgaskammer 81 ausgesetzt ist. Die Sensorzelle 4 besteht aus der Festelektrolytschicht 51 und den Elektroden 4a und 4b. Hierbei ist die Elektrode 4a der zweiten Messgaskammer 7b ausgesetzt, während die Elektrode 4b an der Unterseite der Festelektrolytschicht 51 in gemeinsamer Anordnung mit der Elektrode 3b der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 vorgesehen ist.
Die zweite Sauerstoff-Pumpzelle 20 besteht aus einem Teil der Festelektrolytschicht 52, einer Elektrode 20a sowie der Elektrode 2b. Die Elektrode 20a ist an der Unterseite der Festelektrolytschicht 52 angeordnet und der zweiten Messgaskammer 7b ausgesetzt, während die Elektrode 2b in Verbindung mit der Sauerstoff-Pumpzelle 2 gemeinsam verwendet wird. Die zweite Sauerstoff-Pumpzelle 20 dient zum Abpumpen von Sauerstoffmolekülen in den Außenbereich des Gassensorelements 1, die in die zweite Messgaskammer 7b geströmt sind, ohne von der Sauerstoff-Pumpzelle 2 abgepumpt zu werden.
Dieses Ausführungsbeispiel des Sensorelements 1 wird in ähnlicher Weise wie das erste Ausführungsbeispiel hergestellt.
Hierbei werden ungebrannte Blätter zur Herstellung der Zellen 2, 3, 4 und 20, der Distanzstücke 61 und 62, der Aluminiumoxidschicht 15 sowie des Heizelementblatts 13 vorbereitet und in der in 4 veranschaulichten Reihenfolge laminiert. Diese Schichtanordnung wird sodann einem Einbrennvorgang bzw. einer Ofentrocknung unterzogen. Schließlich wird eine leitende Masse auf eine Endfläche oder Seitenfläche des eingebrannten Festlaminats zur Bildung der Leiterbahnen L1 und L2 aufgebracht. Wie den 6 und 7(a) entnehmbar ist, stellen die Leiterbahnen L2 elektrische Verbindungen der Elektrode 2a der Sauerstoff-Pumpzelle 2, der Elektrode 20a der zweiten Sauerstoff-Pumpzelle 20 und der Elektrode 4a der Sensorzelle 4 mit den Anschlüssen P2 her. Die Leiterbahnen L1 stellen elektrische Verbindungen der Elektrode 3a der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 sowie der gemeinsam mit der Elektrode 3b der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 verwendeten Elektrode 4b der Sensorzelle 4 mit den Anschlüssen P1 her. Durch Ausbildung der Leiterbahnen L1 und L2 an den Endflächen und Seitenflächen des Laminats wird die Möglichkeit von Unterbrechungen der elektrischen Verbindungen oder Strukturrissen minimal gehalten, die sich ergeben kann, wenn die Elektroden anstelle der über die Leiterbahnen L1 und L2 erfolgenden Verbindung über Durchgangslöcher mit den Anschlüssen P1 und P2 verbunden sind. Hierbei werden die Leiterbahnen L1 und L2 auf den Oberflächen des Laminats ausgebildet, an denen die Temperatur innerhalb des Sensorelements 1 den niedrigsten Wert aufweist, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass der Isolationswiderstand zwischen den Zellen 2, 3, 4 und 20 vergrößert werden kann. Vorzugsweise wird nach dem Einbrennvorgang bzw. der Ofentrocknung des Laminats zur Vergrößerung des Isolationswiderstands eine Aluminiumoxid-Isolierschicht zwischen den Leiterbahnen L1 und L2 und den Oberflächen des Sensorelements 1 ausgebildet.
Alternativ können die Leiterbahnen L1 und L2 in der in 7(b) veranschaulichten Weise auch nur an rechten Seitenabschnitten (im rechten Bereich der Figur) von Seitenflächen des Sensorelements 1 ausgebildet werden.
Nachstehend wird die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels des Sensorelements 1 unter Bezugnahme auf 5 näher beschrieben.
Die Elektrode 3a der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 ist der ersten Messgaskammer 7a ausgesetzt, während die Elektrode 3b der Sauerstoff-Überwachungszelle 3 der Referenzgaskammer 81 ausgesetzt ist, in die Luft eintreten kann. Zwischen den Elektroden 3a und 3b wird eine Quellenspannung (EMK) auf Grund der zwischen der Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgaskammer 7a und der Referenzgaskammer 81 bestehenden Differenz gemäß der Nernst'schen Gleichung erzeugt. Üblicherweise ist die Konzentration von Sauerstoff in der Referenzgaskammer 81 konstant, sodass die Quellenspannung (EMK) zwischen den Elektroden 3a und 3b als Funktion der Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgaskammer 7a erzeugt wird. Die Konzentration von Sauerstoff in den in die zweite Messgaskammer 7b strömenden Gasen kann daher konstant gehalten werden, indem die an die Elektroden 2a und 2b der Sauerstoff-Pumpzelle 2 angelegte Spannung derart gesteuert wird, dass die zwischen den Elektroden 3a und 3b auftretende Quellenspannung (EMK) auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die zweite Sauerstoff-Pumpzelle 20 dient in der vorstehend beschriebenen Weise zum Abpumpen von Sauerstoffmolekülen in den Außenbereich des Gassensorelements 1, die ohne durch die Sauerstoff-Pumpzelle 2 erfolgte Abführung in die zweite Messgaskammer 7b strömen, wodurch die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messgaskammer 7b im wesentlichen den Wert Null annimmt, sodass eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration von NOx mit Hilfe der Sensorzelle 4 gewährleistet ist.
Wie vorstehend beschrieben, sind bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel jeweils die Zellen 2, 3 und 4 mit den Anschlüssen P1 und P2 elektrisch über die Leiterbahnen L1 und L2 verbunden, die an ausgewählten Bereichen der Außenseite des Sensorelementkörpers ausgebildet sind, ohne dass die Durchgangslöcher SH der bekannten Struktur gemäß 9 Verwendung finden. Durch diese Anordnung wird der erforderliche Isolationswiderstand zwischen dem Heizelement 9 und den jeweiligen Zellen 2, 3 und 4 erhalten und damit die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration von NOx unabhängig von Leckströmen des Heizelements 9 gewährleistet. Durch diese Anordnung werden auch die in dem Auftreten von Unterbrechungen der elektrischen Verbindungen zwischen den Anschlüssen P1 und P2 und den jeweiligen Zellen 2, 3 und 4 oder dem Auftreten von Strukturrissen in den Durchgangslöchern SH bestehenden Nachteile der bekannten Struktur vermieden. Hierdurch lässt sich somit eine höhere Gutausbeute bei der Herstellung und damit eine Verringerung der Herstellungskosten des Gassensorelements 1 erzielen.
Das vorstehend beschriebene Gassensorelement wird somit von einem Laminat bzw. einer Schichtanordnung aus einer Sauerstoff-Pumpzelle, einer Sensorzelle, einer Sauerstoff-Überwachungszelle und einem Heizelement gebildet. An dem Laminat sind Anschlüsse zur Herstellung der Signalübertragung zwischen den Schichten bzw. Zellen und einem externen Gerät angebracht und außerdem Leiterbahnen an Bereichen der Außenseite des Laminats ausgebildet, die die Verbindung zwischen den jeweiligen Zellen und den Anschlüssen herstellen. Durch diesen Aufbau ist der erforderliche Isolationswiderstand zwischen dem Heizelement und den Zellen gewährleistet, wobei außerdem die in dem Auftreten von Unterbrechungen der elektrischen Verbindungen zwischen den Anschlüssen und den Zellen oder dem Auftreten von Rissen im Laminat bestehenden Nachteile einer üblichen Anordnung vermieden werden.

Claims

Gassensorelement, gekennzeichnet durch einen Laminatkörper mit einer darin ausgebildeten inneren Kammer, in die Messgase unter Verwendung eines gegebenen Diffusionswiderstands eingeführt werden, eine in dem Laminatkörper ausgebildete Sauerstoff-Pumpzelle, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode, von denen die erste Pumpzellenelektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration in der inneren Kammer auf einen gewünschten Wert in Abhängigkeit von einer an die erste und die zweite Pumpzellenelektrode angelegten Spannung selektiv Sauerstoffmoleküle in die innere Kammer hineinpumpt und aus der inneren Kammer herauspumpt, eine in dem Laminatkörper ausgebildete Sensorzelle, die einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite Sensorzellenelektrode, von denen die erste Sensorzellenelektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils der Messgase dient, ein in dem Laminatkörper angeordnetes Heizelement, das zur Erwärmung der Sauerstoff-Pumpzelle und der Sensorzelle auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur dient, Anschlüsse, die an einer Oberfläche des Laminatkörpers zur Herstellung der elektrischen Signalübertragung zwischen dem Gassensorelement und einem externen Gerät angeordnet sind, und ein an einer Außenseite des Laminatkörpers ausgebildetes leitendes Element, durch das eine elektrische Verbindung zwischen einem der Anschlüsse und einer Zuleitung der Sauerstoff-Pumpzelle und/oder der Sensorzelle hergestellt wird.
Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem eine Überwachungszelle und ein zweites leitendes Element vorgesehen sind, dass die Überwachungszelle in dem Laminatkörper ausgebildet ist, einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite Überwachungszellenelektrode, von denen die erste Überwachungszellenelektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Erzeugung eines die Sauerstoffkonzentration in der inneren Kammer angebenden Signals dient, und dass das zweite leitende Element eine elektrische Verbindung zwischen einer Zuleitung der Überwachungszelle und einem an der Oberfläche des Laminatkörpers ausgebildeten Anschluss für die Übertragung eines Signals zwischen der Zuleitung der Überwachungszelle und dem externen Gerät herstellt.
Gassensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Sauerstoff-Pumpzelle angelegte Spannung als Funktion des von der Überwachungszelle erzeugten Signals gesteuert wird.
Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Sensorzelle erzeugte und die Konzentration des vorgegebenen Bestandteils der Messgase angebende Signal von einem über die Sensorzelle fließenden Strom gebildet wird.
Gassensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Überwachungszelle erzeugte und die Konzentration von Sauerstoff in der inneren Kammer angebende Signal von einem über die Überwachungszelle fließenden Strom gebildet wird.
Gassensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Überwachungszelle erzeugte und die Konzentration von Sauerstoff in der inneren Kammer angebende Signal von einer in der Überwachungszelle erzeugten Quellenspannung (EMK) gebildet wird.
Gassensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des vorgegebenen Bestandteils der Messgase als Funktion der Differenz zwischen den Werten der über die Sensorzelle und über die Überwachungszelle fließenden Ströme bestimmt wird.
Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolierschicht zwischen dem leitenden Element und der Oberfläche des Laminatkörpers angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gassensorelements, gekennzeichnet durch die Schritte: Herstellung eines eine Sauerstoff-Pumpzelle, eine Sensorzelle, eine Überwachungszelle und ein Heizelement umfassenden Laminatkörpers mit einer darin ausgebildeten inneren Kammer, in die Messgase unter Verwendung eines gegebenen Diffusionswiderstands eingeführt werden, wobei die Sauerstoff-Pumpzelle einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und zweite, an Oberflächen des Festelektrolytkörpers angebrachte Pumpzellenelektrode, von denen eine Elektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration in der inneren Kammer auf einen gewünschten Wert in Abhängigkeit von einer an die erste und die zweite Pumpzellenelektrode angelegten Spannung selektiv Sauerstoffmoleküle in die innere Kammer hineinpumpt und aus der inneren Kammer herauspumpt, die Sensorzelle einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite Sensorzellenelektrode, von denen eine Elektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils der Messgase dient, die Überwachungszelle einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite Überwachungszellenelektrode, von denen eine Elektrode der inneren Kammer ausgesetzt ist, aufweist und zur Erzeugung eines die Sauerstoffkonzentration in der inneren Kammer angebenden Signals dient, und das Heizelement zur Erwärmung der Sauerstoff-Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur dient, Anbringung von Anschlüssen an eine Oberfläche des Laminatkörpers zur Herstellung einer elektrischen Signalübertragung zwischen dem Gassensorelement und einem externen Gerät, und Ausbildung eines leitenden Elements an einer Oberfläche des Laminatkörpers, das eine elektrische Verbindung zwischen einem der Anschlüsse und einer Zuleitung der Sauerstoff-Pumpzelle und/oder der Sensorzelle herstellt.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte des Einbrennens des Laminatkörpers und der sodann erfolgenden Ausbildung einer Isolierschicht zwischen einem Oberflächenteil des Laminatkörpers, woraufhin das leitende Element auf der Isolierschicht ausgebildet wird.