DE19960329A1 - Elektrochemischer Meßfühler - Google Patents
Elektrochemischer MeßfühlerInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Meßfühler zum Bestimmen einer Gaskonzentration eines Meßgases mit einem Sensorelement, das mindestens eine auf einem ionenleitenden Festelektrolytkörper angeordnete Elektrode (50), zu der eine Elektrodenzuleitung (51) geführt ist, aufweist. Die Elektrodenzuleitung (51) besteht aus einem Material, das im Vergleich zum Material der Elektrode (50) eine wesentlich geringere oder keine Ionenleitfähigkeit besitzt und/oder niederohmig ist.
Description
Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler
nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Die Meßfühler der gattungsgemäßen Art müssen im aktiven
Bereich auf Temperaturen über zirka 350°C erwärmt werden,
um die notwendige Ionenleitfähigkeit des
Festelektrolytkörpers zu erreichen. Um die Meßgenauigkeit
des Meßfühlers zu erhöhen, ist bekannt, die
Betriebstemperatur der Meßzelle, also des
Festelektrolytkörpers im Meßbereich, zu kontrollieren und
erforderlichenfalls einzuregeln. Hierzu ist bekannt, dem
Meßfühler eine Heizeinrichtung zuzuordnen, die abhängig von
einer an der Meßzelle gemessenen Betriebstemperatur zu-
beziehungsweise abschaltbar ist.
Um die Betriebstemperatur der Meßzelle zu ermitteln, ist
bekannt, den Meßfühler mit einer Wechselspannung zu
beaufschlagen und mit einer Meßeinrichtung einen
Gesamtwechselstromwiderstand zu ermitteln, der sich aus den
Wechselstromwiderständen des Festelektrolytkörpers sowie der
entsprechenden Elektroden und Elektrodenzuleitungen
zusammensetzt. Aus dem Gesamtwiderstand kann auf den
temperaturabhängigen Innenwiderstand des
Festelektrolytkörpers im Meßbereich und damit auf seine
Temperatur im Meßbereich geschlossen werden.
Bei dem bekannten Verfahren ist nachteilig, daß die
Meßeinrichtung, die den temperaturabhängigen Widerstand des
Festelektrolytkörpers ermittelt, von einem konstanten
Widerstand der Elektroden und der Elektrodenzuleitungen
ausgeht. Der Widerstand der Elektrodenzuleitungen und der
Elektroden unterliegt aber einer relativ starken
fertigungsbedingten Streuung. Die Meßeinrichtung schlägt
diesen nicht vernachlässigbaren Streuungsfehler einer
temperaturbedingten Änderung des Widerstandes des
Festelektrolytkörpers im Meßbereich zu und stellt ein
entsprechendes fehlerbehaftetes Regelsignal für die
Heizeinrichtung des Meßfühlers zur Verfügung. Hierdurch wird
der Meßfühler auf eine falsche Betriebstemperatur geregelt.
Nachteilig ist weiterhin, daß der Festelektrolytkörper im
Zuleitungsbereich einen weiteren Innenwiderstand bildet, der
zum Innenwiderstand des Festelektrolytkörpers im Bereich der
Elektroden (Meßbereich) parallel geschaltet ist und
ebenfalls einen nicht vernachlässigbaren Beitrag zum
Gesamtwiderstand liefert. Wenn zudem die Temperatur im
Zuleitungsbereich höher ist als im Meßbereich, vermindert
sich der Innenwiderstand des Festelektrolytkörpers im
Zuleitungsbereich und liefert einen Beitrag zum
Gesamtwiderstand, der von der Temperatur des
Festelektrolytkörpers im Zuleitungsbereich abhängt.
Hierdurch wird der Meßfühler ebenfalls auf eine falsche
Betriebstemperatur geregelt.
Zur Vermeidung des Einflusses des Innenwiderstandes im
Zuleitungsbereich ist aus der DE 198 37 607 A1 bekannt, die
Zuleitung einer Elektrode gegenüber dem Zuleitungsbereich
des Festelektrolytkörpers mit einer elektrisch isolierenden
Schicht zu versehen. Diese Ausführung hat den Nachteil, daß
die Verwendung mindestens einer isolierenden Schicht
zusätzlich mindestens einen Druckschritt erfordert und daher
fertigungstechnisch aufwendig ist.
Der erfindungsgemäße elektrochemische Meßfühler mit den
kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat
gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil einer verbesserten
Regelung der Betriebstemperatur, wodurch eine präzisere und
gleichmäßigere Funktion des Meßfühlers ermöglicht wird.
Mit der durch die kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1
beschriebenen Erfindung wird erreicht, daß der Innenwiderstand
zwischen den auf einem Festelektrolytkörper angeordneten
Elektrodenzuleitungen deutlich höher ist als der Innenwiderstand
zwischen den jeweiligen Elektroden. Somit wird der Beitrag, den
der Innenwiderstand im Zuleitungsbereich des
Festelektrolytkörpers, der zum Innenwiderstand im Meßbereich des
Festelektrolytkörpers parallel geschaltet ist, zum
Gesamtwiderstand leistet, deutlich vermindert. Damit ist der
Einfluß des Innenwiderstandes im Zuleitungsbereich auf die
Temperaturregelung vernachlässigbar. Ein weiterer,
fertigungstechnischer Vorteil besteht darin, daß durch die
Einsparung einer elektrisch isolierende Schicht ein Druckschritt
entfällt.
Gemäß der durch die kennzeichnenden Merkmale des
unabhängigen Anspruchs 11 beschriebenen Erfindung wird
erreicht, daß der Widerstand mindestens einer
Elektrodenzuleitung einen geringeren Beitrag zum
Gesamtwiderstand leistet. Weiterhin wird die
Elektrodenzuleitung aus einem Material gefertigt, das
bezüglich seines Widerstandes eine geringere
Fertigungsstreuung aufweist. Somit ist der Einfluß des
Widerstandes der Elektrodenzuleitung zum Gesamtwiderstand
geringer.
Mit der Erfindung des unabhängigen Anspruchs 21, der eine
Kombination der kennzeichnenden Merkmale des ersten und des
zweiten unabhängigen Anspruchs darstellt, wird eine weitere
Verbesserung der Regelung der Betriebstemperatur des
Meßfühlers erreicht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen des in den unabhängigen
Ansprüchen angegebenen Meßfühlers möglich.
Die Ausbildung der Innenpumpelektrodenzuleitung und/oder der
Referenzelektrodenzuleitung mit einem Material, das gegenüber
der jeweiligen Elektrode eine geringere oder gar keine
Ionenleitfähigkeit aufweist, hat den zusätzlichen Vorteil, daß
die resistive Kopplung der jeweiligen Elektrodenzuleitungen, die
zu einer Rückwirkung der Pumpspannung auf die Meßspannung der
Sensorzelle führen kann, verhindert wird. Dadurch wird die
Lambda = 1 - Welligkeit verringert oder sogar verhindert und damit
die Regeldynamik des Meßfühlers weiter verbessert.
Ein weiterer zusätzlicher Vorteil ergibt sich aus der
Ausbildung der Außenpumpelektrodenzuleitung und/oder
Innenpumpelektrodenzuleitung mit einem Material, das
gegenüber dem Material der jeweiligen Elektrode niederohmig
ist. Hierdurch wird erreicht, daß sich der Abfall der
Pumpspannung in der Außenpumpelektrodenzuleitung und/oder
Innenpumpelektrode verringert und somit die Pumpfunktion
verbessert ist.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß
die Referenzelektrodenzuleitung in der Schichtebene des
Heizers angeordnet wird, wodurch mindestens ein Druckschritt
eingespart werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung wird Heizer und Referenzelektrodenzuleitung aus
demselben Material gefertigt, wodurch sich ein weiterer
fertigungstechnischer Vorteil ergibt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der
nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Meßfühlers
in einer Explosionsdarstellung,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Meßfühlers in einer Explosionsdarstellung,
Fig. 3 eine Elektrode mit Elektrodenzuleitung eines
Meßfühlers in Draufsicht und
Fig. 4 eine Elektrode mit Elektrodenzuleitung sowie
ein Heizer in Draufsicht
Die Fig. 1 zeigt einen elektrochemischen Meßfühler zur
Analyse von Gasen in Form eines planaren Sensorelements 10.
Das Sensorelement 10 mit einem Meßbereich 61 und einem
Zuleitungsbereich 62 weist elektrische Anschlußkontakte 60,
eine als Heizerfolie bezeichnete erste Festelektrolytfolie
11, eine Isolationsschicht 12, einen Heizer 13, eine weitere
Isolationsschicht 14, eine als Referenzgaskanalfolie
bezeichnete zweite Festelektrolytfolie 20 sowie eine
Referenzelektrode 21 mit Referenzelektrodenzuleitung 22 auf.
In der Referenzgaskanalfolie 20 ist ein Referenzgaskanal 29
ausgebildet, der im Zuleitungsbereich über eine Öffnung mit
der Luft als Referenzgasatmosphäre in Verbindung steht. Das
Sensorelement weist ferner über der Referenzelektrode 21 und
der Referenzelektrodenzuleitung 22 eine als Meßfolie
bezeichnete dritte Festelektrolytfolie 23, eine Meßelektrode
26 mit Meßelektrodenzuleitung 27 sowie eine poröse
Schutzschicht 28 auf.
Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
elektrochemischen Meßfühlers zur Analyse von Gasen. Dieser
Meßfühler ist eine sogenannte Breitbandsonde mit zwei Zellen
37, 38. Die erste Zelle 37 ist eine Konzentrationszelle, die
nach dem Nernst-Prinzip arbeitet. Die Wirkungsweise der
ersten Zelle 37 entspricht dem in Fig. 1 beschriebenen
Meßfühler. Für die gleichen Elemente werden daher in Fig. 2
die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die zweite Zelle 38
ist eine elektrochemische Pumpzelle, die mit der ersten
Zelle 37 zusammenlaminiert ist und die in an sich bekannter
Weise nach dem Funktionsprinzip der Breitbandsonde mit der
Konzentrationszelle zusammenwirkt. Im Übergangsbereich
zwischen erster Zelle 37 und zweiter Zelle 38 ist eine
Zwischenschicht 35 und eine Füllschicht 34 zur Ausbildung
eines nicht näher dargestellten Zwischenraumes zur Aufnahme
der Diffusionsbarriere 30 angeordnet. Die zweite Zelle 38
weist eine Innenpumpelektrode 31 mit
Innenpumpelektrodenzuleitung 32, eine als Pumpfolie
bezeichnete vierte Festelektrolytfolie 33, eine
Außenpumpelektrode 40 mit Außenpumpelektrodenzuleitung 41
sowie eine poröse Schutzschicht 42 auf. Die
Meßelektrodenzuleitung 27 und die
Innenpumpelektrodenzuleitung 32 laufen im Zuleitungsbereich
62 des Sensorelements 10 zusammen.
Die Fig. 3 zeigt eine Großfläche einer Festelektrolytfolie 49
mit einer Elektrode 50 und einer Elektrodenzuleitung 51, die
beispielsweise die Meßelektrode 26 mit Meßelektrodenzuleitung 27
oder die Referenzelektrode 21 mit Referenzelektrodenzuleitung 22
des in Fig. 1 gezeigten Meßfühlers ausbilden können. Die in
Fig. 3 gezeigte Elektrode 50 mit Elektrodenzuleitung 51 kann
beispielsweise auch die Außenpumpelektrode 40 mit
Außenpumpelektrodenzuleitung 41, die Innenpumpelektrode 31 mit
Innenpumpelektrodenzuleitung 32, die Meßelektrode 26 mit
Meßelektrodenzuleitung 27 oder die Referenzelektrode 21 mit
Referenzelektrodenzuleitung 22 des in Fig. 2 dargestellten
Meßfühlers darstellen.
Die Elektrodenzuleitung 51 besteht aus einem elektrisch
leitenden Material, vorzugsweise aus Platin, und weist zur
mechanischen Stabilisierung einen keramischen Anteil,
beispielsweise 7 Vol.-% Al2O3 auf. Die Elektrode 50 besteht aus
einem katalytischen Material, vorzugsweise Platin, und einem
keramischen Material, vorzugsweise aus 20 Vol.-% mit Y2O3
stabilisiertem ZrO2. In einer weiteren Ausführung weist die
Elektrode 50 weiterhin eine durch einen Porenbildner erzeugte
Porosität auf. Der Übergang zwischen Elektrode 50 und
Elektrodenzuleitung 51 ist mit einem keilförmigen
Übergangsbereich 52 mit einer Überlappzone ausgeführt. Die
Herstellung von Elektrode 50 und Elektrodenzuleitung 51 erfolgt
nach einem an sich bekannten Verfahren, zum Beispiel durch
Siebdruck.
Die beschriebene Ausführung kann für jede der in Fig. 1 und 2
gezeigten Elektroden und jeweiligen Elektrodenzuleitungen in
beliebiger Kombination angewendet werden. Es ist durchaus
denkbar, die beschriebene Ausführung der Elektrode 50 mit
Elektrodenzuleitung 51 auch für andere elektrochemische
Meßfühler der gattungsgemäßen Art anzuwenden.
Bei dem Ausführungsbeispiel zur Breitbandsonde (Fig. 2) sind
zur Verminderung der Lambda = 1 - Welligkeit die
Innenpumpelektrodenzuleitung 32 und/oder die
Referenzelektrodenzuleitung 22 mit Al2O3 als keramische
Komponente ausgeführt. Das Al2O3 besitzt im Vergleich zu dem mit
Y2O3 stabilisiertem ZrO2, das als keramisches Material für die
Elektrode 21, 31 zweckmäßig ist, keine Ionenleitfähigkeit.
Dadurch kommt es zwischen den Elektrodenzuleitungen 22, 32 zu
keiner Ionenleitung, wodurch in diesem Bereich der
Innenwiderstand erhöht wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Breitbandsonde (Fig.
2) besteht darin, daß die Außenpumpelektrodenzuleitung 41 zur
Verminderung des Abfalls der Pumpspannung im Zuleitungsbereich
ein im Vergleich zum Material der Außenpumpelektrode 40
niederohmiges Material aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß
der Anteil des elektrisch leitenden Materials, zum Beispiel des
Platins, im Cermet-Material der Außenpumpelektrodenzuleitung 41
höher ist als in der Außenpumpelektrode 40.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in der
die Elektrode 50 und Elektrodenzuleitung 51 mit einem
Übergangsbereich 52 in einer Schichtebene angeordnet sind, in
der sich ein in den Festelektrolytkörper eingebetteter Heizer 55
befindet. Beispielsweise werden dazu der Heizer 55, die
Elektrode 50 und die Elektrodenzuleitung 55 auf die erste
Isolationsschicht 12 gedrückt. In bevorzugter Ausführung ist der
Heizer 55 aus demselben Material wie die Elektrodenzuleitung 51
gefertigt.
Claims (21)
1. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung von Gaskomponenten
und/oder Gaskonzentrationen in Gasgemischen mit mindestens einer
auf einem ionenleitenden Festelektrolytkörper angeordneten
Elektrode, zu der eine Elektrodenzuleitung geführt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrodenzuleitung (51) ein Material
aufweist, das im Vergleich zum Material der Elektrode (50) eine
wesentlich geringere oder keine Ionenleitfähigkeit besitzt.
2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrode (50) und die
Elektrodenzuleitung (51) jeweils aus einem Cermet-Material
gebildet sind und daß die wesentlichen keramischen Komponenten
von Elektrode (50) und Elektrodenzuleitung (51) unterschiedlich
sind.
3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die keramische Komponente der
Elektrodenzuleitung (51) 5-10 Vol.-% Al2O3 aufweist.
4. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die keramische Komponente der Elektrode (50)
10-60 Vol.-%, vorzugsweise 20 Vol.-% mit Y2O3 stabilisiertes
ZrO2 aufweist.
5. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest die Elektrode (50) durch Zugabe
eines Porenbildners eine erhöhte Porosität aufweist.
6. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die metallische Komponente der Elektrode
(50) und/oder der Elektrodenzuleitung (51) Pt aufweist.
7. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen Elektrodenzuleitung (51) und
Elektrode (50) ein keilförmiger Übergangsbereich (52) mit einer
Überlappzone ausgebildet ist.
8. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß Elektrodenzuleitung (51) und/oder Elektrode
(50) in einer Schichtebene angeordnet sind/ist, in der sich ein
in den Festelektrolytkörper eingebetteter Heizer (55) befindet.
9. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Heizer (55) aus demselben Material wie
die Elektrodenzuleitung (51) gefertigt ist.
10. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrode (50) eine Innenpumpelektrode
(31) und/oder eine Referenzelektrode (21) mit den entsprechenden
Elektrodenzuleitungen (32, 22) einer Meßzelle sind/ist.
11. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung von
Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen in Gasgemischen mit
mindestens einer auf einem ionenleitenden Festelektrolytkörper
angeordneten Elektrode, zu der eine Elektrodenzuleitung geführt
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenzuleitung (51)
ein im Vergleich zum Material der Elektrode (50) niederohmiges
Material aufweist.
12. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrode (50) und die
Elektrodenzuleitung (51) jeweils aus einem Cermet-Material
gebildet sind und daß die wesentlichen keramischen Komponenten
von Elektrode (50) und Elektrodenzuleitung (51) unterschiedlich
sind.
13. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die keramische Komponente der
Elektrodenzuleitung (51) 5-10 Vol.-% Al2O3 aufweist.
14. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die keramische Komponente der Elektrode (50)
10-60 Vol.-%, vorzugsweise 20 Vol.-% mit Y2O3 stabilisiertes
ZrO2 aufweist.
15. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest die Elektrode (50) durch Zugabe
eines Porenbildners eine erhöhte Porosität aufweist.
16. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die metallische Komponente der Elektrode
(50) und/oder der Elektrodenzuleitung (51) Pt aufweist.
17. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen Elektrodenzuleitung (51) und
Elektrode (50) ein keilförmiger Übergangsbereich (52) mit einer
Überlappzone ausgebildet ist.
18. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß Elektrodenzuleitung (51) und/oder Elektrode
(50) in einer Schichtebene angeordnet sind/ist, in der sich ein
in den Festelektrolytkörper eingebetteter Heizer (55) befindet.
19. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Heizer (55) aus demselben Material wie
die Elektrodenzuleitung (51) gefertigt ist.
20. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrode (50) mit Elektrodenzuleitung
(51) eine Außenpumpelektrode (40) und/oder eine
Innenpumpelektrode (31) mit entsprechender Elektrodenzuleitung
(41, 32) ist.
21. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung von
Gaskomponenten und/oder Gaskonzentrationen in Gasgemischen mit
mindestens einer auf einem ionenleitenden Festelektrolytkörper
angeordneten Elektrode, zu der eine Elektrodenzuleitung geführt
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenzuleitung (51)
ein im Vergleich zum Material der Elektrode (50) niederohmiges
Material aufweist, das zudem im Vergleich zum Material der
Elektrode (50) eine wesentlich geringere oder keine
Ionenleitfähigkeit besitzt.
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