DE19523903A1

DE19523903A1 - Electrochemical sensor measuring oxygen content of I.C. engine exhaust

Info

Publication number: DE19523903A1
Application number: DE1995123903
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dipl Phys Friese; Romuald Dipl Ing Fries; Johann Dipl Ing Wehrmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 1997-01-02

Abstract

The electrochemical sensor comprises a sensor element, sealed into a metallic casing by means of a novel seal arrangement. The seal arrangement (30) includes at least one metal soldered connection (37, 38), with which the sensor element (13) is connected to the metallic casing (11). Pref. an electrical insulator (31) is joined by a solder connection (37) to the sensor element (13). A second soldered connection (38) joins it to the casing (11). A metal shell (32) may be located between insulator (31) and casing (11); the shell is soldered to the insulator.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention is based on an electrochemical sensor according to the genus of the main claim.

Bei elektrochemischen Meßfühlern ist ein aus einer Festelektrolytkeramik bestehendes Sensorelement in einem metallischen Gehäuse gasdicht festgelegt. Das Sensorelement ist entweder ein plättchenförmiger Festelektrolytkörper (Planarsensor) oder ein als geschlossenes Rohr ausgebildeter Festelektrolytkörper (Fingersonde). Besondere Schwierigkeiten bereitet der gasdichte und benzinfeste Einbau des Sensorelements im metallischen Gehäuse.With electrochemical sensors, one is made of one Solid electrolyte ceramic sensor element in one metallic casing set gas-tight. The sensor element is either a platelet-shaped solid electrolyte body (Planar sensor) or one designed as a closed tube Solid electrolyte body (finger probe). Special The gas-tight and petrol-proof version presents difficulties Installation of the sensor element in the metallic housing.

Für planare Sensorelemente ist in der DE-OS 41 26 378 eine Dichtung aus Steatit beschrieben, die sich zwischen zwei im Gehäuse angeordneten keramischen Formteilen befindet, wobei die keramischen Formteile das Sensorelement im Gehäuse festlegen.For planar sensor elements is in DE-OS 41 26 378 Steatite seal described between two in the Housing arranged ceramic molded parts is located, wherein the ceramic molded parts the sensor element in the housing establish.

Bei den Fingersonden unterscheidet man zwischen potentialfreien und potentialgebundenen Meßfühlern. Bei den potentialgebundenen Meßfühlern wird die Leiterbahn der äußeren Elektrode mittels eines elektrisch leitenden Dichtrings mit dem Gehäuse kontaktiert. Bei den potentialfreien Fingersonden wird jeder Elektrodenanschluß direkt einem Steuergerät zugeführt, so daß keine elektrische Kontaktierung mit dem Gehäuse erlaubt ist. Für potentialfreie Fingersonden wurde bereits vorgeschlagen, das Sensorelement mittels einer Glaseinschmelzung mit dem Gehäuse elektrisch isolierend und gasdicht zu verbinden.A distinction is made between finger probes potential-free and potential-bound sensors. Both the conductive path of the outer electrode by means of an electrically conductive Sealing rings contacted with the housing. Both Every electrode connection becomes potential-free finger probes fed directly to a control unit, so that no electrical Contacting the housing is permitted. For Potential-free finger probes have already been proposed Sensor element by means of a glass melting with the To connect the housing in an electrically insulating and gas-tight manner.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Abdichtung beständig gegen Benzin und Benzindämpfe ist. Die Abdichtung garantiert gleichzeitig eine exakte Fixierung und elektrische Isolierung gegenüber dem metallischen Gehäuse. Die Isolationswirkung der die äußere Leiterbahn bei potentialfreien Fingersonden abdeckenden Isolationsschicht wird durch die Dichtanordnung nicht beeinträchtigt.The sensor according to the invention with the characteristic Features of the main claim has the advantage that the Sealing is resistant to petrol and petrol vapors. The Sealing guarantees an exact fixation and electrical insulation from the metallic housing. The insulation effect of the outer trace insulation layer covering potential-free finger probes is not affected by the sealing arrangement.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Meßfühlers möglich. Eine fertigungstechnisch besonders geeignete Ausführung wird durch eine vormontierte Baueinheit erreicht, die aus dem Sensorelement, einem elektrisch isolierenden Körper und einer metallischen Hülse besteht, wobei die metallische Hülse nach der Vormontage der Baueinheit mit dem Gehäuse gasdicht verschweißt wird. Ein besonders geeignetes Metallot, welches sowohl bezüglich Metall als auch bezüglich der Keramik eine gute Verbindung eingeht, ist ein Silber- Lot, insbesondere eine Ag-Cu-In-Ti oder Ag-Ti-Legierung. By the measures listed in the subclaims advantageous further developments and improvements of sensor according to the invention possible. A Manufacturing technology is particularly suitable execution achieved by a pre-assembled unit, which from the Sensor element, an electrically insulating body and consists of a metallic sleeve, the metallic Sleeve after pre-assembly of the unit with the housing is welded gas-tight. A particularly suitable one Metallot, which is related to both metal and the ceramic has a good connection is a silver Solder, in particular an Ag-Cu-In-Ti or Ag-Ti alloy.

drawing

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenTwo embodiments of the invention are in the Drawing shown and in the description below explained in more detail. Show it

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen abgasseitigen Teil eines erfindungsgemäßen Meßfühlers mit einem Sensorelement in Fingerbauform und Fig. 1 shows a cross section through an exhaust-side part of a sensor according to the invention with a sensor element in finger design and

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen abgasseitigen Teil eines erfindungsgemäßen Meßfühlers mit einem Sensorelement in planarer Bauform (Planarsonde). Fig. 2 shows a cross section through an exhaust-side part of a sensor according to the invention with a sensor element in planar design (planar probe).

Embodiments

Ein in einem Ausschnitt dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 gemäß Fig. 1 stellt eine Fingersonde dar und hat ein metallisches Gehäuse 11 mit einem Gewinde 12 als Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Abgasrohr und ein Sensorelement 13. Zwischen Sensorelement 13 und Gehäuse 11 ist eine Dichtanordnung 30 vorgesehen, welche das Sensorelement 13 gasdicht und elektrisch isolierend mit dem Gehäuse 11 verbindet.An electrochemical sensor 10 shown in a section according to FIG. 1 represents a finger probe and has a metallic housing 11 with a thread 12 as a fastening means for the installation in an exhaust pipe, not shown, and a sensor element 13 . Between the sensor element 13 and the housing 11 , a sealing arrangement 30 is provided, which connects the sensor element 13 to the housing 11 in a gas-tight and electrically insulating manner.

Das Gehäuse 11 hat eine Längsbohrung 15, die stufenförmig ausgebildet ist und beispielsweise eine Ringfläche 16 aufweist, auf der das Sensorelement 13 aufsitzt. Das anschlußseitige Ende des Gehäuses 11 ist von einer Umkapselung 17 umgeben, in der nicht dargestellte anschlußseitigen Bauelemente untergebracht sind.The housing 11 has a longitudinal bore 15 which is step-shaped and has, for example, an annular surface 16 on which the sensor element 13 is seated. The connection-side end of the housing 11 is surrounded by an encapsulation 17 in which connection-side components (not shown) are accommodated.

Das Sensorelement 13 ist ein rohrförmiger Festelektrolytkörper 20, dessen meßgasseitiger Endabschnitt verschlossen ist. Am anschlußseitigen Endabschnitt ist am Festelektrolytkörper 20 ein wulstförmiger Kopf 21 mit einer ringförmigen Stirnfläche 22 angeformt. The sensor element 13 is a tubular solid electrolyte body 20 , the end section on the measuring gas side of which is closed. A bulge-shaped head 21 with an annular end face 22 is formed on the solid electrolyte body 20 at the connection-side end section.

Das meßgasseitig aus der Längsbohrung 15 herausragende Sensorelement 13 ist mit Abstand von einem Schutzrohr 40 umgeben, welches für den Ein- beziehungsweise Austritt des Meßgases Öffnungen 41 besitzt. Der Innenraum des Sensorelements 13 ist beispielsweise mit ein stabförmiges Heizelement 45 ausgefüllt.The sensor element 13 protruding from the longitudinal bore 15 on the measuring gas side is surrounded at a distance by a protective tube 40 which has openings 41 for the entry and exit of the measuring gas. The interior of the sensor element 13 is filled, for example, with a rod-shaped heating element 45 .

Auf der dem Meßgas ausgesetzten Außenseite ist am Festelektrolytkörper 20 eine nicht näher dargestellte Meßelektrode und auf der dem Innenraum zugewandten Seite eine dem Referenzgas, zum Beispiel Luft ausgesetzte, ebenfalls nicht näher dargestellte Referenzelektrode angeordnet. Meßelektrode und Referenzelektrode sind jeweils mit ebenfalls nicht näher dargestellten Leiterbahnen zu jeweils auf der Stirnfläche 22 angeordneten Elektrodenkontakten 23 geführt. Auf den Elektrodenkontakten 23 liegen jeweils Kontaktteile 24 auf, die jeweils mit einem Anschlußkabel 25 kontaktiert sind. Die Anschlußkabel 25 werden durch ein nicht dargestelltes Dichtungsteil aus der meßgasfernen Umkapselung 17 herausgeführt und an ein Meß- oder Steuergerät angeschlossen. In der Längsbohrung 15 des Gehäuses 11 ist ferner eine keramische Isolierhülse 27 angeordnet, die auf die Kontaktteile 24 drückt.A measuring electrode (not shown in detail) is arranged on the solid electrolyte body 20 on the outside exposed to the measuring gas and a reference electrode (also not shown in detail) exposed to the reference gas, for example air, is arranged on the side facing the interior. The measuring electrode and reference electrode are each led with conductor tracks, also not shown in more detail, to electrode contacts 23 each arranged on the end face 22 . On the electrode contacts 23 there are contact parts 24 , which are each contacted with a connecting cable 25 . The connecting cables 25 are led out of the encapsulation 17 remote from the measuring gas by a sealing part (not shown) and connected to a measuring or control device. A ceramic insulating sleeve 27 , which presses on the contact parts 24 , is also arranged in the longitudinal bore 15 of the housing 11 .

Die Dichtanordnung 30 umfaßt einen keramischen Isolierring 31 aus einem elektrisch isolierenden Material und eine metallische Hülse 32. Die metallische Hülse 32 ist der Kontur der Längsbohrung 15 weitgehend nachgebildet und weist einen anschlußseitigen Abschnitt 33 und einen meßgasseitigen Abschnitt 34 auf. Am anschlußseitigen Abschnitt 33 ist die Hülse 32 zu einem ringförmigen Kragen 35 umgebördelt, mit dem die Hülse 32 einen am Gehäuse 11 angeformten Rand 18 übergreift. Die innere Mantelfläche des Isolierrings 31 ist mit einer ersten Metallotverbindung 37 beispielsweise mit dem zylindrisch verlaufenden Abschnitt des wulstförmigen Kopfes 21 des Sensorelements 20 verbunden. Der meßgasseitige Abschnitt 34 der Hülse bildet eine innere, zylindrische Mantelfläche, an der der keramische Dichtring 31 mittels einer zweiten Metallotverbindung 38 befestigt ist.The sealing arrangement 30 comprises a ceramic insulating ring 31 made of an electrically insulating material and a metallic sleeve 32 . The metallic sleeve 32 is largely modeled on the contour of the longitudinal bore 15 and has a section 33 on the connection side and a section 34 on the measuring gas side. At the connection-side section 33 , the sleeve 32 is flanged to form an annular collar 35 with which the sleeve 32 engages over an edge 18 formed on the housing 11 . The inner circumferential surface of the insulating ring 31 is connected to a first metallic connection 37, for example to the cylindrical section of the bead-shaped head 21 of the sensor element 20 . The measuring gas-side section 34 of the sleeve forms an inner, cylindrical outer surface to which the ceramic sealing ring 31 is fastened by means of a second metallic connection 38 .

Als Material für den Isolierring 31 eignet sich beispielsweise Al₂O₃ oder Forsterit. Für die Hülse 32 kommen vorzugsweise ferritische oder martensitische Stähle zum Einsatz. Ein geeignetes Lot für die Metallotverbindungen 37, 38 ist ein Silber-Lot, mit beispielsweise der Zusammensetzung 72,5 Gew.-% Ag, 19,5 Gew.-% Cu, 5 Gew.-% In und 3 Gew.-% Ti. Ebenfalls geeignet ist eine Silber-Lot aus 96 Gew.-% Ag und 4 Gew.-% Ti.As a material for the insulating ring 31 is, for example, Al₂O₃ or forsterite. Ferritic or martensitic steels are preferably used for the sleeve 32 . A suitable solder for the metal solder connections 37 , 38 is a silver solder, for example with the composition 72.5% by weight of Ag, 19.5% by weight of Cu, 5% by weight of In and 3% by weight of Ti A silver solder composed of 96% by weight of Ag and 4% by weight of Ti is also suitable.

Vor der Endmontage des Meßfühlers 10 wird zunächst eine vormontierte Baueinheit bestehend aus dem Sensorelement 13 und der Dichtanordnung 30 hergestellt. Nachdem das Sensorelement 13 mit der Dichtanordnung 30 verlötet ist, wird das Sensorelement 13 in das Gehäuse 11 eingesetzt, so daß der Isolierring 31 mit seiner Stirnfläche auf der am Gehäuse 11 ausgebildeten Ringfläche 16 aufsitzt. Dabei übergreift, wie bereits weiter oben beschrieben, der U- förmige Kragen 35 den Rand 18 des Gehäuses 11. Anschließend wird die Umkapselung 17 über den Kragen 35 geschoben, wobei zusätzlich die Isolierhülse 27 auf das Sensorelement 13 drückt. In der beschriebenen Position des Sensorelements 13 wird die Umkapselung 17 und der Kragen 35 der Hülse 32 mit dem Gehäuse 11 mittels einer Schweißnaht 39, beispielsweise durch Laserschweißen gasdicht verschweißt.Before the final assembly of the sensor 10 , a preassembled unit consisting of the sensor element 13 and the sealing arrangement 30 is first manufactured. After the sensor element 13 is soldered to the sealing arrangement 30 , the sensor element 13 is inserted into the housing 11 , so that the end face of the insulating ring 31 rests on the annular surface 16 formed on the housing 11 . As already described above, the U-shaped collar 35 overlaps the edge 18 of the housing 11 . The encapsulation 17 is then pushed over the collar 35 , with the insulating sleeve 27 additionally pressing on the sensor element 13 . In the described position of the sensor element 13 , the encapsulation 17 and the collar 35 of the sleeve 32 are welded gas-tight to the housing 11 by means of a weld 39 , for example by laser welding.

Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Planarsonde geht aus Fig. 2 hervor. Hierbei ist das Sensorelement 13 ein plättchenförmiger Festelektrolytkörper 50 mit einem meßgasseitigen Teil 51 und einem anschlußseitigen Teil 52. Der plättchenförmige Festelektrolytkörper 50 ist aus mehreren Festelektrolytfolien mit entsprechenden Elektroden, Leiterbahnen und Anschlußkontakten zusammenlaminiert und gesintert.A second exemplary embodiment of a planar probe is shown in FIG. 2. Here, the sensor element 13 is a plate-shaped solid electrolyte body 50 with a part 51 on the measuring gas side and a part 52 on the connection side . The platelet-shaped solid electrolyte body 50 is laminated and sintered together from a plurality of solid electrolyte foils with corresponding electrodes, conductor tracks and connection contacts.

Das metallische Gehäuse 11 des Meßfühlers 10 gemäß Fig. 2 besitzt ebenfalls eine Längsbohrung 55, die jedoch gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein etwas anderes inneres Profil aufweist. Die Längsbohrung 55 besitzt eine schulterförmige Auflagefläche 56 für beispielsweise einen metallischen Dichtring 58. In der Längsbohrung 55 ist eine keramische Isolierhülse 60 angeordnet, die eine zentrisch verlaufende durchgehende Öffnung 61 aufweist, in der der plättchenförmige Festelektrolytkörper 50 geführt ist. Zum Arretieren des Festelektrolytkörpers 50 während der Montage ist beispielsweise ein Federelement 63 in eine dazu vorgesehene Aussparung der Isolierhülse 60 eingeführt, welches gegen die Großfläche des Festelektrolytkörpers 50 drückt und diesen damit in der Öffnung 61 fixiert. Am anschlußseitigen Ende weist die Isolierhülse 60 eine in die Stirnfläche eingearbeitete Vertiefung 62 auf.The metallic housing 11 of the sensor 10 according to FIG. 2 also has a longitudinal bore 55 which, however, has a somewhat different inner profile than the embodiment according to FIG. 1. The longitudinal bore 55 has a shoulder-shaped contact surface 56, for example for a metallic sealing ring 58 . A ceramic insulating sleeve 60 is arranged in the longitudinal bore 55 and has a central, continuous opening 61 , in which the platelet-shaped solid electrolyte body 50 is guided. To lock the solid electrolyte body 50 during assembly, for example, a spring element 63 is inserted into a recess in the insulating sleeve 60 provided for this purpose, which presses against the large surface of the solid electrolyte body 50 and thus fixes it in the opening 61 . At the connection-side end, the insulating sleeve 60 has a recess 62 machined into the end face.

Der anschlußseitige Teil 52 des Sensorelements 13 ist von einer Umkapselung 65 umgeben, die den anschlußseitigen Teil 52 vor Umgebungseinflüssen schützt. Die Umkapselung 65 bildet im Inneren einen Referenzgasraum 66 für das Sensorelement 13, der mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Innerhalb der Umkapselung 65 ist über den anschlußseitigen Teil des Gehäuses 11 eine Metallhülse 68 geschoben, die sich anschlußseitig verjüngt und den aus dem Gehäuse 11 herausragenden Abschnitt der Isolierhülse 60 umfaßt.The connection-side part 52 of the sensor element 13 is surrounded by an encapsulation 65 , which protects the connection-side part 52 from environmental influences. The encapsulation 65 forms on the inside a reference gas space 66 for the sensor element 13 , which is connected to the atmosphere. Within the encapsulation 65 , a metal sleeve 68 is slid over the connection-side part of the housing 11 , which tapers on the connection side and encompasses the section of the insulating sleeve 60 protruding from the housing 11 .

Nach dem Einsetzen des Festelektrolytkörpers 50 in die Öffnung 61 wird der Festelektrolytkörper 50 mittels eines in die Vertiefung 62 eingebrachten Metallotes 70 verbunden. Anschließend wird über den anschlußseitigen Abschnitt der Isolierhülse 60 die Metallhülse 68 geschoben und die Anlagefläche der Metallhülse 68 an der Isolierhülse 60 mit einer weiteren Metallotverbindung 71 verlötet. Danach wird die so entstandene Baueinheit bestehend aus Metallhülse 68, Isolierhülse 60 und Sensorelement 13 in die Längsbohrung 55 des Gehäuses 11 eingeführt, und mit einer Anpreßkraft auf den Dichtring 58 aufgesetzt. Über die Metallhülse 68 wird sodann die Umkapselung 65 geschoben. Eine gasdichte Verbindung der Umkapselung 65 und der Metallhülse 68 mit dem Gehäuse 11 erfolgt mit einer Schweißnaht 73, die vorzugsweise durch Laserschweißen vorgenommen wird.After the solid electrolyte body 50 has been inserted into the opening 61 , the solid electrolyte body 50 is connected by means of a metal solder 70 introduced into the recess 62 . Subsequently, the metal sleeve 68 is pushed over the connection-side section of the insulating sleeve 60 and the contact surface of the metal sleeve 68 on the insulating sleeve 60 is soldered to a further Metallot connection 71 . Then the resulting assembly consisting of metal sleeve 68 , insulating sleeve 60 and sensor element 13 is inserted into the longitudinal bore 55 of the housing 11 and placed on the sealing ring 58 with a contact pressure. The encapsulation 65 is then pushed over the metal sleeve 68 . A gas-tight connection of the encapsulation 65 and the metal sleeve 68 to the housing 11 takes place with a weld seam 73 , which is preferably carried out by laser welding.

Als Lote für die Metallotverbindungen 70, 71 kommen die im ersten Ausführungsbeispiel aufgeführten Silber-Lote zur Anwendung.The silver solders listed in the first exemplary embodiment are used as solders for the metallot connections 70 , 71 .

Das dem meßgasseitigen Teil 52 des Festelektrolytkörpers 50 umgebende Schutzrohr 40 ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 als Doppelschutzrohr ausgeführt. Das Doppelschutzrohr soll beispielsweise Kondenswasser vom Sensorelement 13 fernhalten.The protective tube 40 surrounding the measuring gas-side part 52 of the solid electrolyte body 50 is designed as a double protective tube in the exemplary embodiment according to FIG. 2. The double protective tube is intended, for example, to keep condensed water away from the sensor element 13 .

Claims

1. Electrochemical sensor, in particular for determining the oxygen content in exhaust gases from internal combustion engines, with a sensor element which is inserted in a metallic housing by means of a sealing arrangement, characterized in that the sealing arrangement ( 30 ) has at least one Metallot connection ( 37 , 38 , 70 , 71 ) with which the sensor element ( 13 ) is connected to the metallic housing ( 11 ).

2. Sensor according to claim 1, characterized in that an electrically insulating body ( 31 , 60 ) is provided, which by means of a first Metallotverbindung ( 37 , 70 ) with the sensor element ( 13 ) and by means of a second Metallotverbindung ( 38 , 71 ) the housing ( 11 ) is connected.

3. Sensor according to claim 2, characterized in that between the electrically insulating body ( 31 , 60 ) and housing ( 11 ) a metal sleeve ( 32 , 68 ) is arranged, which by means of the second Metallotverbindung ( 38 , 71 ) with the electrically insulating body ( 31 , 60 ) is soldered.

4. Sensor according to claim 3, characterized in that the metal sleeve ( 32 , 68 ) with the housing ( 11 ) is welded gas-tight.

5. Sensor according to claim 3 or 4, characterized in that a connection-side encapsulation ( 17 , 65 ) is placed over the metal sleeve ( 32 , 68 ) and that the encapsulation ( 17 ) and the metal sleeve ( 32 ) with the housing ( 11 ) are welded.

6. Sensor according to claim 1, characterized in that the Metallotverbindung ( 37 , 38 , 70 , 71 ) is a silver solder.

7. Sensor according to claim 6, characterized in that the silver solder contains 70 to 96% by weight of silver.

8. Sensor according to claim 7, characterized in that the silver solder as further components copper, indium or Contains titanium or a mixture of these substances.