-
Die Erfindung betrifft einen Messfühler aus einem
keramischen Schichtsystem zur Bestimmung einer Konzentration von
Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit den im Oberbegriff des Anspruchs
1 genannten Merkmalen.
-
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. Derartige Messfühler bestehen aus einer Anzahl
einzelner übereinander
angeordneter Schichten, die beispielsweise durch Foliengießen, Stanzen,
Siebdrucken, Laminieren, Schneiden, Sintern oder dergleichen strukturiert
werden können.
In wenigstens einer dem Gasgemisch aussetzbaren Schicht ist eine
Arbeitselektrode integriert, während
eine Referenzelektrode einem Referenzgas ausgesetzt wird. Zwischen
den Elektroden erstreckt sich ein Sauerstoffionen leitender 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 beispielsweise
eine Einstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches der Verbrennungskraftmaschine
regeln.
-
Weiterhin ist bekannt, eine Widerstandsbahn zum
Beheizen 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 Widerstandsbahn
eines Heizers. Nachteilig hierbei ist, dass ein solcher Heizer eine
relativ hohe Heizleistung aufweisen 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 Referenzgases 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 Referenzgaselektrode
und dem Heizer eine sogenannte Potentialausgleichsschicht einzubringen.
Eine solche Potentialausgleichsschicht besteht aus metallischen
Ausgleichselementen mit einem bevorzugt sich über eine gesamte Fläche einer Schicht
erstreckenden Layout. Aufgrund ihres metallischen Charakters besitzen
die Ausgleichselemente eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit.
Einerseits wird dadurch ein schnelleres Aufheizen ermöglicht und
andererseits ist damit auch eine zur Erreichung einer gegebenen
Temperatur niedrigere Heizleistung notwendig. Weiterhin eignen sich
solche Ausgleichselemente dazu, Temperaturgradienten (insbesondere
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 Festelektrolyten vermieden werden. Nachteilig an einer Verwendung solcher
zusätzlicher
Potentialausgleichsschichten ist, dass zum einen die Herstellung
des Messfühlers
aufgrund zusätzlicher
Arbeitsschritte aufwendiger , ist und dass zum anderen ein erhöhter Materialaufwand für die Realisierung
solcher Ausgleichselemente besteht. Da diese Ausgleichselemente
bevorzugt aus Platin, Palladium oder anderen Edelmetallen geformt sind,
steigen somit die Materialkosten erheblich.
-
Aus der
EP 0 238 278 A1 ist ein
planares elektrochemisches Sensorelement bekannt, das eine elektrochemische
Zelle mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einem zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode angeordneten Festelektrolyten
umfasst. Die erste Elektrode ist einem Messgas ausgesetzt, dessen
Sauerstoffkonzentration zu bestimmen ist. Die zweite Elektrode steht
in direktem Kontakt mit einer porösen Schicht, deren Poren mit einem
Referenzgas gefüllt
sind.
-
Aus der
EP 0 766 085 A2 ist weiterhin
ein elektrochemisches Sensorelement bekannt, das eine elektrochemische
Zelle mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einem Festelektrolyten
umfasst. Eine der Elektroden weist zwei metallische Schichten mit
unterschiedlicher Zusammensetzung auf, um einen geringen Übergangswiderstand
zwischen Elektrode und Festelektrolyt zu erreichen.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Durch den erfindungsgemäßen Messfühler mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 kann die Herstellung des Messfühlers wesentlich
kostengünstiger erfolgen.
-
Dadurch, dass eine Schicht des keramischen
Schichtsystems, in die die Referenzelektrode integriert ist, wenigstens
ein metallisches Ausgleichselement umfasst, können sowohl die Referenzelektrode
als auch das Ausgleichselement innerhalb eines Arbeitsschrittes
während
der Herstellung des keramischen Schichtsystems eingebracht werden.
Somit ergibt sich insgesamt ein weniger zeitaufwendigeres und damit
kostengünstigeres
Herstellungsverfahren. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Referenzelektrode
selbst zu einem insgesamt sich über
die gesamte Fläche
der Schicht erstreckenden Layout beiträgt, so dass sich infolgedessen
Materialeinsparungen für
die Ausgleichselemente ergeben.
-
Vorteilhaft ist ferner, dass das
Aufheizen des Messfühlers
aufgrund einer geringen Bauhöhe schneller
erfolgen kann.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung können
die Ausgleichselemente bereichsweise oder auch vollständig mit
der Referenzelektrode leitend verbunden 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 ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten
Merkmalen.
-
Zeichnungen Die Erfindung wird nachfolgend
in Ausführungsbeispielen
anhand der zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Schnittansicht durch einen Messfühler;
-
2 eine
schematische Schnittansicht durch einen alternativen Messfühler;
-
3 eine
Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel
für eine
Schicht eines keramischen Schichtsystems, in der eine Referenzelektrode
und ein Ausgleichselement integriert sind;
-
4 eine
Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer solchen Schicht
und
-
5 eine
Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführungsform einer solchen Schicht.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
Die 1 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht einen Messfühler 10 zur
Bestimmung einer Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch.
-
Der Messfühler 10 ist als ein
keramisches Schichtsystem ausgeführt,
wobei in einzelne Schichten jeweils eine Funktionalität des Messfühlers 10 gewährende Bauelemente
integriert sind. So ist unterhalb einer porösen Schutzschicht 12 eine
Arbeitselektrode 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 Referenzelektrode 18 in
einer porösen
keramischen Schicht 24 angeordnet, die als ein Speicher 26 für ein Referenzgas
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 angeordneten
Schichten kann beispielsweise durch Foliengießen, 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 Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration
in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden.
Dabei stellt sich infolge der Sauerstoffkonzentration des Abgases
ein bestimmtes Potential an der Arbeitselektrode 14 ein,
während
sich die Potentialein stellung an der Referenzelektrode 18 gemäß einer
Konzentration des Sauerstoffs in dem Referenzgas vollzieht. 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 Betriebstemperatur 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 Widerstandsbahn 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, sondern
sie bieten auch einen Angriffspunkt für korrosive Prozesse wie beispielsweise
eine Rissbildung. In letzterem Fall kann dies zu einer permanenten
Fehlfunktion oder gar zu einem Totalausfall des Messfühlers 10 führen. Weiterhin
kann es bei zu hohen Temperaturen zur Koagulation des Platin kommen,
was ebenfalls zu einer irreversiblen Schädigung des Heizers führt.
-
Die 2 zeigt
eine weitere Ausführungsform
des Messfühlers 10.
Gleiche Teile haben die gleichen Bezugszeichen, wie sie bereits
bei der Beschreibung der 1 verwendet
wurden. Anstelle eines Gasspeichers 26 ist hier ein Referenzkanal 27 vorgesehen,
der gegenüber
der Schicht 24 durch eine Keramikfolie 29, beispielsweise
aus Zirkoniumdioxid, abgedichtet wird. Anstelle der Keramikfolie 29 kann
auch eine Druckschicht verwendet werden, die einen gasdichten Abschluß des Referenzkanals 27 gewährleistet.
-
Bisherige Lösungsansätze dieses Problems sahen eine
zusätzliche
Schicht vor, die ein metallisches Ausgleichselement 32 beinhaltete.
Diese wurde zwischen dem Heizer 20 und der Referenzelektrode 18 innerhalb
der Schicht 24 angeordnet. Dabei wurde im Wesentlichen
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 Temperaturgradienten kommt. Die erfindungsgemäßen metallischen
Ausgleichselemente 32 sind hier in eine Schicht integriert,
in der ebenfalls die Referenzelektrode 18 eingebracht wird.
-
Ausführungsbeispiele für eine solche
Schicht 34 zeigen die 3, 4 und 5. In der 3 erstreckt sich
das Ausgleichselement 32 gitterartig über fast die gesamte Fläche der
Schicht 34. Ausgespart bleibt lediglich ein Bereich 36,
der sich zwischen der Referenzelektrode 18 und den Ausgleichselementen 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 gegebenenfalls
bestehender Temperaturgradient ausgeglichen werden. Selbstverständlich ist
das Layout des Ausgleichselements 32 nicht nur auf diese
gitterförmige
Ausführungsform
beschränkt,
sondern kann beispielsweise, wie in 4 dargestellt,
zumindest bereichsweise die gesamte Fläche der Schicht 34 bedecken
(Vollfläche).
Eine Auswahl eines Layouts des Ausgleichselementes 32 kann
unter Berücksichtigung
von Applikationsanforderungen erfolgen und ist in einem hohen Maße variabel.
-
In der 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer solchen Schicht 34 dargestellt, in der das Ausgleichselement 32 mit
der Referenzelektrode 18 leitend verbunden ist. Die dargestellten
drei Ausführungsbeispiele
stellen lediglich eine kleine Auswahl möglicher Ausführungsformen
dar. So ist es ebenso 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.