DE19960954A1

DE19960954A1 - Messfühler aus einem keramischen Schichtsystem

Info

Publication number: DE19960954A1
Application number: DE1999160954
Authority: DE
Inventors: Olaf Jach; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: DE19960954B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Messfühler aus einem keramischen Schichtsystem zur Bestimmung einer Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit wenigstens einer dem Gasgemisch aussetzbaren Arbeitselektrode und einer einem Referenzgas aussetzbaren Referenzelektrode und einer Widerstandsbahn zum Beheizen des keramischen Schichtsystems sowie einem zwischen den Elektroden liegenden Festelektrolyten, wobei zwischen der Widerstandsbahn und der Referenzelektrode zumindest eine poröse keramische Schicht angeordnet ist, die als ein Speicher für das Referenzgas dient. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass eine Schicht (34) des Messfühlers (10), in die die Referenzelektrode (18) integriert ist, wenigstens ein metallisches Ausgleichselement (32) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messfühler aus einem keramischen Schichtsystem zur Bestimmung einer Kon zentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkma len.

Stand der Technik

Messfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt und dienen insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff und/oder reduzierender Gaskomponenten in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine. Der artige Messfühler bestehen aus einer Anzahl einzelner übereinander angeordneter Schichten, die beispiels weise durch Foliengießen, Stanzen, Siebdrucken, Lami nieren, Schneiden, Sintern oder dergleichen struk turiert werden können. In wenigstens einer dem Gas gemisch aussetzbaren Schicht ist eine Arbeits elektrode integriert, während eine Referenzelektrode einem Referenzgas ausgesetzt wird. Zwischen den Elektroden erstreckt sich ein Sauerstoffionen leiten der Festelektrolyt. Entsprechend einer Konzentration der Gaskomponenten stellt sich an den Elektroden ein Potential ein. Über eine geeignete Messeinrichtung wird eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden als eine Detektionsspannung U abgegriffen und nachfolgend ausgewertet. Die Detektionsspannung U ist ein direktes Maß für die Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch. Über eine Erfassung der Konzentration von Gaskomponenten lässt sich bei spielsweise eine Einstellung eines Kraftstoff-Luft- Gemisches der Verbrennungskraftmaschine regeln.

Weiterhin ist bekannt, eine Widerstandsbahn zum Be heizen des Messfühlers in weiteren Schichten des keramischen Schichtsystems zu integrieren. Mittels der Widerstandsbahn wird zum einen der Messfühler auf eine für einen Betrieb notwendige Betriebstemperatur gebracht und zum anderen dient die Widerstandsbahn zur Regulierung einer Temperatur des Referenzgases. Aufgrund einer starken Temperaturabhängigkeit des Potentials der Referenzelektrode ist es notwendig, die Temperatur möglichst konstant zu halten und/oder deren Höhe zu bestimmen.

Es ist bekannt, das Referenzgas entweder in einem Referenzkanal oder in einer porösen keramischen Schicht (gepumpter Speicher) zu speichern. Bei der ersteren Methode befindet sich der Referenzkanal zwischen der Referenzelektrode und der Widerstands bahn eines Heizers. Nachteilig hierbei ist, dass ein solcher Heizer eine relativ hohe Heizleistung auf weisen muss, um den Messfühler insgesamt auf die notwendige Betriebstemperatur zu heizen. Dies liegt insbesondere an der schlechten Wärmeleitfähigkeit des im Referenzgaskanal befindlichen Referenzgases. Des weiteren ist nachteilig, dass das Aufheizen des Refe renzgases mit einer Zeitverzögerung erfolgt, da sich dieses zunächst nur in den direkt an den Heizer grenzenden Bereichen des Referenzkanals erhitzt und ein Temperaturausgleich erst durch nachfolgende Diffusions- und Konvektionsprozesse, die wesentlich langsamer sind, erfolgt. Dabei kann es auch sehr schnell zu einer Überregelung, das heißt zu einem Überhitzen des Referenzgases, kommen.

Einige der geschilderten Nachteile lassen sich durch Verwendung einer porösen keramischen Schicht als Speicher für das Referenzgas vermeiden. Ein solcher Speicher ist zwischen der Referenzelektrode und dem Heizer angeordnet und besteht üblicherweise aus einem nichtleitenden Material, wie beispielsweise einem Metalloxid. Durch eine solche Anordnung können der Messfühler und das Referenzgas wesentlich schneller aufgeheizt werden. Weiterhin kann auf diese Weise die Herstellung des Messfühlers vereinfacht werden, da es prinzipiell relativ aufwendig ist, größere Hohlräume, wie sie ein Referenzgaskanal darstellt, in ein solches keramisches Schichtsystem einzubringen.

Unabhängig davon, welche der beiden Methoden zur Speicherung des Referenzgases verwendet wurden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zwischen der Refe renzgaselektrode und dem Heizer eine sogenannte Po tentialausgleichsschicht einzubringen. Eine solche Potentialausgleichsschicht besteht aus metallischen Ausgleichselementen mit einem bevorzugt sich über eine gesamte Fläche einer Schicht erstreckenden Layout. Aufgrund ihres metallischen Charakters be sitzen die Ausgleichselemente eine sehr hohe Wärme leitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Einer seits wird dadurch ein schnelleres Aufheizen er möglicht und andererseits ist damit auch eine zur Er reichung einer gegebenen Temperatur niedrigere Heiz leistung notwendig. Weiterhin eignen sich solche Ausgleichselemente dazu, Temperaturgradienten (insbe sondere hot spots) sehr schnell abzugleichen, so dass störende Prozesse, wie eine Dedradation des Heizers durch Pt-Koagulation vermieden werden kann. Zudem können mit Hilfe solcher Ausgleichselemente störende Redox-Prozesse sowie Leckströme innerhalb des Fest elektrolyten vermieden werden. Nachteilig an einer Verwendung solcher zusätzlicher Potentialausgleichs schichten ist, dass zum einen die Herstellung des Messfühlers aufgrund zusätzlicher Arbeitsschritte aufwendiger ist und dass zum anderen ein erhöhter Materialaufwand für die Realisierung solcher Aus gleichselemente besteht. Da diese Ausgleichselemente bevorzugt aus Platin, Palladium oder anderen Edel metallen geformt sind, steigen somit die Material kosten erheblich.

Vorteile der Erfindung

Durch den erfindungsgemäßen Messfühler mit den Merk malen des Anspruchs 1 kann die Herstellung des Mess fühlers wesentlich kostengünstiger erfolgen.

Dadurch, dass eine Schicht des keramischen Schicht systems, in die die Referenzelektrode integriert ist, wenigstens ein metallisches Ausgleichselement um fasst, können sowohl die Referenzelektrode als auch das Ausgleichselement innerhalb eines Arbeits schrittes während der Herstellung des keramischen Schichtsystems eingebracht werden. Somit ergibt sich insgesamt ein weniger zeitaufwendigeres und damit ko stengünstigeres Herstellungsverfahren. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Referenzelektrode selbst zu ei nem insgesamt sich über die gesamte Fläche der Schicht erstreckenden Layout beiträgt, so dass sich infolgedessen Materialeinsparungen für die Aus gleichselemente ergeben.

Vorteilhaft ist ferner, dass das Aufheizen des Mess fühlers aufgrund einer geringen Bauhöhe schneller erfolgen kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kön nen die Ausgleichselemente bereichsweise oder auch vollständig mit der Referenzelektrode leitend ver bunden sein. Auf diese Weise kann sehr individuell auf gegebene Applikationsanforderungen eingegangen werden. Selbstverständlich können Referenzelektrode und Ausgleichselemente auch mit unterschiedlich großem Abstand zueinander angeordnet sein. Ein Layout der Ausgleichselemente kann vorzugsweise gitterförmig oder als Vollfläche erfolgen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch ei nen Messfühler;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch ei nen alternativen Messfühler;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für eine Schicht eines keramischen Schicht systems, in der eine Referenzelektrode und ein Ausgleichselement integriert sind;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine alternative Aus führungsform einer solchen Schicht und

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine weitere alterna tive Ausführungsform einer solchen Schicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnitt ansicht einen Messfühler 10 zur Bestimmung einer Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch.

Der Messfühler 10 ist als ein keramisches Schicht system ausgeführt, wobei in einzelne Schichten jeweils eine Funktionalität des Messfühlers 10 ge währende Bauelemente integriert sind. So ist unter halb einer porösen Schutzschicht 12 eine Arbeits elektrode 14 angeordnet. Der Arbeitselektrode 14 schließt sich ein Festelektrolyt 16 an, dem wiederum eine Referenzelektrode 18 folgt. Weiterhin weist ein solcher Messfühler 10 einen Heizer 20 auf, dessen Widerstandsbahnen 22 hier mäanderförmig ausgebildet sind. Der Heizer 20 ist unterhalb der Referenz elektrode 18 in einer porösen keramischen Schicht 24 angeordnet, die als ein Speicher 26 für ein Referenz gas dient. Ferner wird durch einen Dichtrahmen 28 der Speicher 26 zur Umgebung hin abgedichtet.

Eine Herstellung eines solchen Messfühlers 10 und damit ein Aufbau der einzelnen übereinander angeord neten Schichten kann beispielsweise durch Folien gießen, Stanzen, Siebdrucken, Laminieren, Schneiden, Sintern oder dergleichen erfolgen. Auf die Erzielung des Schichtaufbaus soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden, da diese bekannt ist.

Ebenso soll eine Funktionsweise des Messfühlers 10 nur beispielhaft und vereinfacht anhand einer Be stimmung einer Sauerstoffkonzentration in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden. Dabei stellt sich infolge der Sauerstoffkonzentration des Abgases ein bestimmtes Potential an der Arbeits elektrode 14 ein, während sich die Potentialein stellung an der Referenzelektrode 18 gemäß einer Kon zentration des Sauerstoffs in dem Referenzgas voll zieht. Mit Hilfe einer geeigneten Messeinrichtung 30 wird eine Detektionsspannung U, die sich aus einer Potentialdifferenz der Potentiale an der Arbeits- und Referenzelektrode 14, 18 ergibt, abgegriffen.

Üblicherweise kann eine Messwerterfassung durch einen solchen Messfühler 10 erst ab einer bestimmten Be triebstemperatur stattfinden, da erst dann eine genügend hohe Leitfähigkeit des Festelektrolyten 16 gewährt werden kann. Ferner muss eine Temperatur des Referenzgases bekannt und steuerbar sein, denn die Potentialeinstellung an der Referenzelektrode 18 ist temperaturabhängig. Beiden Forderungen soll durch die Integration des Heizers 20 in dem Messfühler 10 Genüge getan werden. Bei einem Aufheizvorgang können dabei aufgrund lokaler Inhomogenitäten in der Wider standsbahn 22 oder in der Schicht 24 Bereiche mit einer unterschiedlich hohen Temperatur entstehen (hot spots). Solche Temperaturgradienten können nicht nur zu einer ungenaueren Messwerterfassung führen, son dern sie bieten auch einen Angriffspunkt für kor rosive Prozesse wie beispielsweise eine Rissbildung. In letzterem Fall kann dies zu einer permanenten Fehlfunktion oder gar zu einem Totalausfall des Mess fühlers 10 führen. Weiterhin kann es bei zu hohen Temperaturen zur Koagulation des Platin kommen, was ebenfalls zu einer irreversiblen Schädigung des Heizers führt.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Messfühlers 10. Gleiche Teile haben die gleichen Bezugszeichen, wie sie bereits bei der Beschreibung der Fig. 1 verwendet wurden. Anstelle eines Gas speichers 26 ist hier ein Referenzkanal 27 vorgese hen, der gegenüber der Schicht 24 durch eine Keramik folie 29, beispielsweise aus Zirkoniumdioxid, abge dichtet wird. Anstelle der Keramikfolie 29 kann auch eine Druckschicht verwendet werden, die einen gas dichten Abschluß des Referenzkanals 27 gewährleistet.

Bisherige Lösungsansätze dieses Problems sahen eine zusätzliche Schicht vor, die ein metallisches Aus gleichselement 32 beinhaltete. Diese wurde zwischen dem Heizer 20 und der Referenzelektrode 18 innerhalb der Schicht 24 angeordnet. Dabei wurde im Wesent lichen die sehr große Wärmeleitfähigkeit des Metalls ausgenutzt, so dass es innerhalb der Schicht, die das metallische Ausgleichselement. 32 trägt, sehr schnell zu einem Abgleich der vorhandenen Temperaturgradien ten kommt. Die erfindungsgemäßen metallischen Aus gleichselemente 32 sind hier in eine Schicht inte griert, in der ebenfalls die Referenzelektrode 18 eingebracht wird.

Ausführungsbeispiele für eine solche Schicht 34 zeigen die Fig. 3, 4 und 5. In der Fig. 3 er streckt sich das Ausgleichselement 32 gitterartig über fast die gesamte Fläche der Schicht 34. Aus gespart bleibt lediglich ein Bereich 36, der sich zwischen der Referenzelektrode 18 und den Aus gleichselementen 32 erstreckt. Ein Abstand zwischen dem Ausgleichselement 32 und der Referenzelektrode 18 ist selbstverständlich variabel gestaltbar. Durch das gezeigte Layout des Ausgleichselementes 32 kann innerhalb der Schicht 34 sehr schnell ein gegebenen falls bestehender Temperaturgradient ausgeglichen werden. Selbstverständlich ist das Layout des Aus gleichselements 32 nicht nur auf diese gitterförmige Ausführungsform beschränkt, sondern kann beispiels weise, wie in Fig. 4 dargestellt, zumindest be reichsweise die gesamte Fläche der Schicht 34 be decken (Vollfläche). Eine Auswahl eines Layouts des Ausgleichselementes 32 kann unter Berücksichtigung von Applikationsanforderungen erfolgen und ist in ei nem hohen Maße variabel.

In der Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer solchen Schicht 34 dargestellt, in der das Aus gleichselement 32 mit der Referenzelektrode 18 lei tend verbunden ist. Die dargestellten drei Aus führungsbeispiele stellen lediglich eine kleine Aus wahl möglicher Ausführungsformen dar. So ist es eben so denkbar, das Ausgleichselement 32 nicht einteilig, sondern mehrteilig auszuführen, wobei auch einzelne Teile mit der Referenzelektrode 18 leitend verbunden werden können. Auf diese Weise kann eine sehr feine Abstimmung auf eine gegebene Applikationsanforderung erfolgen.

Claims

1. Messfühler aus einem keramischen Schichtsystem zur Bestimmung einer Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit wenigstens einer dem Gasgemisch aussetzbaren Arbeitselektrode und einer einem Refe renzgas aussetzbaren Referenzelektrode und einer Wi derstandsbahn zum Beheizen des keramischen Schicht systems sowie einem zwischen den Elektroden liegenden Festelektrolyten, wobei zwischen der Widerstandsbahn und der Referenzelektrode zumindest eine poröse kera mische Schicht angeordnet ist, die als ein Speicher für das Referenzgas dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (34) des Messfühlers (10), in die die Referenzelektrode (18) integriert ist, wenigstens ein metallisches Ausgleichselement (32) umfasst.

2. Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass das metallische Ausgleichselement (32) zumindest bereichsweise oder vollständig eine Fläche der Schicht (34) bedeckt.

3. Messfühler nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (18) und das metallische Ausgleichselement (32) zumindest be reichsweise miteinander leitend verbunden sind.

4. Messfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Ausgleichselement (32) ein zumindest bereichsweises gitterförmiges Layout besitzt.

5. Messfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Ausgleichselement (32) und die Referenzelektrode (18) zumindest bereichsweise an einen Referenzkanal (27) grenzen, der gegenüber der Schicht (24) durch eine Keramikfolie (29) oder eine Druckschicht abgedichtet wird.