DE19615866A1 - Elektrochemischer Meßfühler für Pulverdichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Bei potentialfreien Meßfühlern ist das Sensorele­ ment in einem metallischen Gehäuse angeordnet, wo­ bei jeder Elektrodenanschluß direkt einem Steuerge­ rät zugeführt wird, so daß keine elektrische Kon­ taktierung mit dem Gehäuse erlaubt ist. Das Sensor­ element muß somit im Gehäuse elektrisch isoliert und gasdicht eingesetzt sein. Die DE 44 00 370 be­ schreibt einen derartig ausgeführten elektrochemi­ schen Meßfühler mit einem in einem Gehäuse potenti­ alfrei angeordneten Sensorelement, wobei die Meß­ elektrode und der zur Meßelektrode führende An­ schluß mit zumindest einer isolierenden Schicht isoliert sind und wobei der Grenzbereich der beiden isolierenden Schichten so ausgebildet ist, daß der Anschluß beziehungsweise die Meßelektrode sowie der Festelektrolytkörper gegenüber im Meßgas mitgeführ­ ten, elektrisch leitenden Stoffen elektrisch iso­ liert ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß bei gerin­ gen Spaltmaßen ein Kurzschluß der Außenelektrode zum Gehäuse vermieden wird. Der erfindungsgemäße Meßfühler weist zudem den Vorteil auf, daß Neben­ schlüsse von Außenelektrode zu Gehäuse, die durch Rußablagerungen oder auch andere elektrisch lei­ tende Ablagerungen aus dem Abgas entstehen können, vermieden werden. Die Erfindung sieht nämlich vor, die die Leiterbahn abdeckende, isolierende Schicht in zwei voneinander durch einen Dichtbereich ge­ trennten Bereichen auszuführen. Der Dichtbereich selbst ist demgemäß nicht isoliert, so daß in be­ sonders vorteilhafter Weise die Gefahr von Rissen in der isolierenden Schicht bei mechanischer Bean­ spruchung des Dichtbereichs entfällt, die insbeson­ dere bei der Montage des Sensorelementes auftritt. Demgemäß entfallen auch material- oder fertigungs­ technische, häufig nur unter beträchtlichem Aufwand zu erfüllende Anforderungen im Hinblick auf die Po­ rösität und Rundheit im Auftrag der isolierenden Schicht, da die Funktionen Abdichtung und Isolie­ rung des Sensorelementes getrennt voneinander ver­ wirklicht sind. Die Abdichtung des Meßfühlers gegen Abgas erfolgt also nicht durch eine elektrisch iso­ lierende Schicht, sondern in vorteilhafter Weise durch eine elektrisch isolierende Pulverdichtung, die vorzugsweise aus Talkum, Talkum enthaltenden Stoffen, Bornitrid oder ähnlichem besteht oder diese enthält.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgen­ den Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Meßfühler in freigelegter Drauf­ sicht und

Fig. 2 eine detailliertere freigelegte Drauf­ sicht auf ein Sensorelement eines Meßfüh­ lers nach Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Der in Fig. 1 dargestellte Meßfühler 1 weist ein Sensorelement 2 mit einem rohrförmigen Festelektro­ lytkörper 3 auf, dessen meßgasseitiger Endabschnitt verschlossen ist. Der Festelektrolytkörper 3 ist am meßgasfernen Ende in Form eines Kopfes 4 ausge­ führt, der über eine Schulter 5 in den Schaft 6 des Elektrolytkörpers übergeht. Das Sensorelement 2 ist mittels einer an der Schulter 5 angeordneten Dich­ tung 7 in ein Gehäuse 8 festgelegt. Das Sensorele­ ment 2 ist abgasseitig von einem Schutzrohr 9 umge­ ben, welches Öffnungen 10 zum Ein- beziehungsweise Austritt des Meßgases aufweist. Auf der dem Meßgas ausgesetzten Außenseite ist auf dem Festelektrolyt­ körper 3 eine gasdurchlässige, schichtförmige Meß­ elektrode 11 und auf der dem Innenraum zugewandten Seite eine einem Referenzgas, zum Beispiel Luft, ausgesetzte gasdurchlässige und schichtförmige, hier nicht dargestellte, Referenzelektrode angeord­ net. Die Meßelektrode 11 wird mit einer Leiterbahn 12 zu einem hier nicht dargestellten Elektrodenkon­ takt geführt. Die Meßelektrode 11 und die Leiter­ bahn 12 sind in besonders bevorzugter Weise als Cermet-Schichten ausgeführt und mit dem Festelek­ trolytkörper 3 ko-gesintert. Das meßgasseitige Ende des Festelektrolytkörpers 3 ist mit einer elek­ trisch isolierenden, porösen Schutzschicht 13 ver­ sehen, die beispielsweise zweilagig aus einer ko­ gesinterten Engobe-Schutzschicht 14 und einer diese überdeckenden Spinell-Schicht 15 aufgebaut sein kann. Die Schutzschicht 13 überdeckt die Meßelek­ trode 11. Die Leiterbahn 12 ist in ihrem meßgasfer­ nen Bereich mit zwei Bereichen 16 und 17 einer iso­ lierenden Schicht bedeckt. Die isolierenden Schichtbereiche 16 und 17 sind im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel um den gesamten Umfang des Fest­ elektrolytkörpers 3 gezogen, können aber auch nur auf die Abdeckung der Leiterbahn 12 beschränkt sein. Zwischen dem am Kopf 4 und dem am Schaft 6 angeordneten isolierenden Schichtbereichen 16 und 17 befindet sich der Dichtbereich 18, der selbst nicht elektrisch isoliert ist. Im Umfang um den Dichtbereich 18 des Festelektrolytkörpers 3 gele­ gen, befindet sich zur Abdichtung gegen das Abgas eine elektrisch isolierende Pulverdichtung 7, die vorzugsweise aus Talkum, Talkum enthaltenden Stof­ fen, Bornitrid oder ähnlichem besteht oder diese enthält. Die Leiterbahn 12 wird in ihrem abgasfer­ nen Bereich durch eine Zwischenschicht 19 abge­ deckt, die unterhalb der isolierenden Schichtberei­ che 16 und 17 angeordnet ist. Die Zwischenschicht verhindert, daß das glasbildende Material der iso­ lierenden Schichtbereiche 16 und 17 in das Material der Leiterbahn 12 eindiffundiert und so die Leitfä­ higkeit dieser beeinflußt. Die Zwischenschicht 19 kann demgemäß auf die Bereiche der Leiterbahn be­ schränkt werden, über denen sich die isolierenden Schichtbereiche 16 und 17 befinden, sie kann die Leiterbahn 12 jedoch auch ganz bedecken.

Das in Fig. 2 dargestellte Sensorelement 2 ent­ spricht dem der Fig. 1, ist jedoch detaillierter abgebildet.

Der Fig. 2 kann entnommen werden, daß der Fest­ elektrolytkörper 3 in seinem abgasseitigen Bereich eine Meßelektrode 11 aufweist, an die eine Leiter­ bahn 12 angeschlossen ist. Der Festelektrolytkörper 3 ist in seinem abgasseitigen Bereich durch eine Schutzschicht 13 in seinem gesamten Umfang abge­ deckt, die aus einer auf den Festelektrolytkörper 3 aufgelagerten Engobe-Schicht 14 und einer diese überdeckenden Spinell-Schicht 15 aufgebaut ist. Die Spinell-Schicht 15 überdeckt die Engobe-Schicht 14 vollständig und überdeckt auch abgasferne Bereiche des Festelektrolytkörpers 3, die nicht von der En­ gobe-Schicht 14 umhüllt sind. Die Engobe-Schicht 14 kann beispielsweise aus einer Mischung von Al₂O₃ mit nicht-stabilisierten ZrO₂ bestehen, welche als Engobe aufgebracht wird und mit dem Festelektrolyt­ körper 3 ko-gesintert wird. Die Schicht 15 kann aus Al₂O₃ oder Magnesium-Spinell bestehen oder dieses enthalten, wobei diese Schicht zweckmäßigerweise mittels Plasmaspritzen auf den gesinterten Fest­ elektrolytkörper 3 aufgebracht wird. Der abgasferne Bereich der Schutzschicht, insbesondere beispiels­ weise die Spinell-Schicht 15 überlappt in besonders bevorzugter Weise mit dem isolierenden Schichtbe­ reich 17. Durch die Überlappung wird gewährleistet, daß der Grenzbereich von isolierendem Schichtbe­ reich 17 und Schutzschicht 13 gegen Ablagerungen von im Abgas mitgeführten, elektrisch leitenden Partikeln geschützt ist. Die Schutzschicht 13 kann dabei über das elektrodenseitige Ende des isolie­ renden Schichtbereichs 17 gelegt sein. Die Erfin­ dung sieht jedoch auch vor, daß das elektrodensei­ tige Ende des isolierenden Schichtbereichs 17 über die Schutzschicht 13 gelegt ist. Erfindungsgemäß kann auch auf eine Überlappung verzichtet werden, sofern die beiden Endbereiche der Schutzschicht 13 und des isolierenden Schichtbereichs 17 möglichst lückenlos aufeinander treffen. Die Erfindung sieht auch vor, daß der isolierende Schichtbereich 17 die Leiterbahn 12 bis zur Meßelektrode 11 bedecken kann. Die isolierenden Schichtbereiche 16 und 17 sind vorzugsweise aus einem Gemisch eines kristal­ linen, nicht-metallischen und eines glasbildenden Materials aufgebaut, wobei sich bei Erhitzung eine mit dem kristallinen, nicht-metallischen Material gefüllte Glasur ausbildet. Da das kristalline, nicht-metallische Material in homogener Verteilung ein tragendes Stützgerüst in der Glasur bildet und die Transformationstemperatur der Glasphase ober­ halb der Anwendungstemperatur von beispielsweise 700°C liegt, können die isolierenden Schichtberei­ che 16 und 17 hohen Anwendungstemperaturen stand­ halten. Als kristallines, nicht-metallisches Mate­ rial können beispielsweise Al₂O₃, Mg-Spinell, Forsterit, MgO-stabilisiertes ZrO₂, CaO- und/oder Y₂O₃-stabilisiertes ZrO₂ mit geringen Stabilisator­ gehalten, vorteilhaft mit maximal 2/3 des Stabili­ satoroxids der Vollstabilisierung, nicht-stabili­ siertes ZrO₂ oder HfO₂ oder ein Gemisch dieser Stoffe verwendet werden. Als glasbildendes Material kann ein Erdalkalisilikat, beispielsweise Ba-Al-Si­ likat eingesetzt werden, wobei das Barium bis zu 30 Atomprozent durch Strontium ersetzt werden kann. Die beiden isolierenden Schichtbereiche 16 und 17 schließen den an der Schulter 5 gelegenen Dichtbe­ reich 18 des Festelektrolytkörpers 3 ein. Der Dichtbereich 18 ist demgemäß nicht isoliert. Das Material für die isolierenden Schichtbereiche 16 und 17 braucht daher in vorteilhafter Weise den Druckkräften nicht standzuhalten, die beim Einfügen des Sensorelementes 2 in das Gehäuse 8 auftreten. Dadurch wird vermieden, daß Risse in der isolieren­ den Schicht zu Kurzschlüssen führen.

Zwischen den isolierenden Schichtbereichen 16 und 17 und der Anschlußleiterbahn 12 befindet sich die Zwischenschicht 19 zum Schutz der Leiterbahn 12 vor aus den Schichtbereichen 16 und 17 eindiffundieren­ den Materialien. Selbstverständlich kann diese Zwi­ schenschicht auch entfallen.

Claims (13)

1. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasen, insbesondere von Ab­ gasen von Verbrennungsmotoren, mit einem in einem Gehäuse potentialfrei angeordneten Sensorelement, welches einen sauerstoffionenleitenden Festelektro­ lytkörper, vorzugsweise in Form eines einseitig ge­ schlossenen Rohres und mit elektrisch leitendenden Anschlüssen versehene Elektroden aufweist, von denen zumindest eine Elektrode als Meßelektrode dem zu messenden Gas ausgesetzt und mit einer elek­ trisch isolierenden, porösen Schutzschicht abge­ deckt ist und der zur Meßelektrode führende An­ schluß mit zumindest einer isolierenden Schicht elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht aus zwei voneinander durch den Dichtbereich (18) getrennten Bereichen (16, 17) besteht.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Festelektrolytkörper (3) einen wulst­ förmigen Kopf (4) und einen rohrförmigen Schaft (6) mit einer zwischen Kopf (4) und Schaft (6) verlau­ fenden Schulter (5) aufweist und daß der eine Be­ reich (16) am Kopf (4) und der andere Bereich (17) am Schaft (6) des Festelektrolytkörpers (3) ange­ ordnet ist.

3. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Dichtbereich (18) im Bereich der Schulter (5) des Festelektrolytkörpers (3) angeordnet ist.

4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Be­ reiche (16, 17) um den gesamten Umfang des Festelek­ trolytkörpers (3) gezogen ist.

5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Be­ reiche (16, 17) nur auf die Abdeckung der Leiterbahn (12) beschränkt ist.

6. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Dichtbereich (18) selbst nicht elektrisch isoliert ist.

7. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (1) zur Ab­ dichtung gegen Gas eine elektrisch isolierende Pul­ verdichtung (7) im Dichtbereich (18) aufweist.

8. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pulverdichtung (7) aus Talkum, Talkum enthaltenden Stoffen, Bornitrid oder ähnlichem besteht oder dieses enthält.

9. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (13) aus Aluminiumoxid, Magnesium-Spinell, nicht-stabi­ lisiertem Zirkoniumdioxid, Zirkonsilikat, Mullit, Magnesiumoxid, Titandioxid oder einem Gemisch die­ ser Stoffe besteht.

10. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die isolierenden Schicht­ bereiche (16, 17) aus einem Gemisch eines kristalli­ nen, nicht-metallischen Materials und eines glas­ bildenden Materials gebildet sind, wobei sich bei Erhitzung eine mit dem kristallinen nicht-metalli­ schen Material gefüllte Glasur ausbildet.

11. Meßfühler nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eines der beiden Materialien jeweils mindestens 10 Vol% des Gemisches ausmacht.

12. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline nicht- metallische Material aus Al₂O₃, Mg-Spinell, Forste­ rit, MgO-stabilisiertem ZrO₂, CaO- und/oder Y₂O₃- stabilisiertem ZrO₂, nicht-stabilisiertem ZrO₂ oder HfO₂ oder einem Gemisch dieser Stoffe besteht.

13. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das glasbildende Mate­ rial ein Erdalkalisilikatglas ist.