DE19963566A1 - Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde - Google Patents

Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde

Info

Publication number
DE19963566A1
DE19963566A1 DE1999163566 DE19963566A DE19963566A1 DE 19963566 A1 DE19963566 A1 DE 19963566A1 DE 1999163566 DE1999163566 DE 1999163566 DE 19963566 A DE19963566 A DE 19963566A DE 19963566 A1 DE19963566 A1 DE 19963566A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
reference air
air duct
gas sensor
sensor according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE1999163566
Other languages
English (en)
Inventor
Heiner Scheer
Hans-Martin Wiedenmann
Josef Hickl
Thomas Wahl
Gerhard Schneider
Hans-Joerg Renz
Harald Neumann
Lothar Diehl
Juergen Karle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE1999163566 priority Critical patent/DE19963566A1/de
Priority to EP00993740A priority patent/EP1247090B1/de
Priority to JP2001550017A priority patent/JP4813729B2/ja
Priority to PCT/DE2000/004472 priority patent/WO2001050118A1/de
Priority to US10/169,235 priority patent/US7083710B2/en
Publication of DE19963566A1 publication Critical patent/DE19963566A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

Der Referenzluftkanal eines Gassensors bzw. einer Lambda-Sonde mit als Laminat ausgebildetem Körper wird drucktechnisch hergestellt, indem eine entsprechend strukturierte Schicht auf eine Nachbarschicht aufgedruckt wird, z. B. durch Siebdruck.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf Gassensoren, insbesondere Lambda-Sonden, mit als gesintertes Keramiklaminat ausgebildetem Körper und darin innerhalb einer Schicht des Laminates angeordnetem Referenzluftkanal, auf dessen einer Seite eine im Laminat angeordnete bzw. eingebettete elektrische Widerstandsheizung und auf dessen anderer Seite eine Elektrodenanordnung vorgesehen ist, welche zumindest eine innenseitig einer Begrenzungswand des Referenzluftkanales angeordnete, zumindest bereichsweise für Gase permeable Referenzelektrode und eine vom zu sensierenden Gas beaufschlagte Nernst-Elektrode aufweist, die ebenfalls zumindest bereichsweise für Gase permeabel ausgebildet und von der Referenzelektrode durch eine für Ionen, insbesondere Sauerstoff-Ionen, leitfähige und permeable Festelektrolytschicht getrennt ist.
Abgassysteme moderner Verbrennungsmotoren sind insbesondere bei Kraftfahrzeugen heute regelmäßig mit Katalysatoren zur katalytischen Zerlegung schädlicher Abgase versehen. Für eine gute Funktion der Katalysatoren ist es notwendig, daß dem Motor Luft und Kraftstoff in einem vorgegebenen Verhältnis zugeführt wird. Die dafür vorgesehenen Motorsteuerungen sind auf ihrer Eingangsseite mit einer sogenannten Lambda-Sonde verbunden, deren Signale die Zusammensetzung der Abgase wiedergeben und damit der Motorsteuerung ermöglichen, das Verhältnis von Kraftstoff und Verbrennungsluft in einer für den Katalysator optimalen Weise einzuregeln.
In diesen Zusammenhang sind zwei Konzepte bekannt.
Bei dem einen Konzept wird eine stöchiometrische Verbrennung angestrebt, d. h. die Sauerstoffmenge in der Verbrennungsluft entspricht genau dem Sauerstoffbedarf für eine vollständige Verbrennung des zugeführten Kraftstoffes. Der Betrieb des Motors erfolgt also weder mit Sauerstoffüberschuß (λ < 1) noch mit Sauerstoffunterschuß (λ < 1)vor. Diese Betriebsweise kann dementsprechend durch λ = 1 charakterisiert werden.
Für diese stöchiometrische Verbrennung genügen bei der Abgassensierung schmalbandig arbeitende Lambda-Sonden, bei denen die Nernst-Elektrode weitestgehend unmittelbar vom Abgas beaufschlagt wird.
Hier wird von der Motorsteuerung der Effekt ausgenutzt, daß eine zwischen der Referenzelektrode und der Nernst-Elektrode abgreifbare, durch Diffusion von Sauerstoff-Ionen erzeugte elektrische Spannung ihren Wert in der Umgebung von λ = 1 sehr stark ändert und dementsprechend ein Signal zur Verfügung steht, welches eine Abweichung von der gewünschten Betriebsweise mit stöchiometrischer Verbrennung sowohl in Richtung einer Betriebsweise mit Sauerstoffunterschuß als auch in Richtung einer Betriebsweise mit Sauerstoffüberschuß deutlich anzeigt.
Derartige Sensoren werden beispielsweise in der DE 44 01 749 A1 dargestellt.
Bei dem anderen Konzept wird ein überwiegender Betrieb des Verbrennungsmotor mit Sauerstoffüberschuß bei der Verbrennung angestrebt, weil dadurch der Kraftstoffverbrauch deutlich gesenkt werden kann. Bei einer Verbrennung mit Sauerstoffüberschuß entstehen jedoch schädliche Stickstoffoxide, die nur für eine begrenzte Zeitspanne von sog. Speicherkatalysatoren im Abgasstrang des Fahrzeugmotors aufgenommen werden können. Jeweils vor Erschöpfung der Aufnahmefähigkeit der Speicherkatalysatoren muß dann der Betrieb des Motors kurzfristig auf eine Verbrennung mit Sauerstoffunterschuß umgesteuert werden, um die zuvor im Katalysator gespeicherten Stickstoffoxide durch die nunmehr in den Abgasstrang gelangenden unvollständig verbrannten Kraftstoffbestandteile zu Stickstoff reduzieren zu können. Hier muß die Motorsteuerung also den Verbrennungsmotor ständig zwischen einer zeitlich überwiegenden Betriebsweise, bei der die Werte von λ oberhalb von 1 liegen, und einer relativ kurzzeitigen Betriebsweise, bei der die Werte von λ unterhalb von 1 liegen, intermittierend umgesteuert werden.
Für eine derartige intermittierende Betriebsweise mit stark wechselnden Werten von λ sind breitbandig arbeitende Lambda- Sonden notwendig.
Bei derartigen Lambda-Sonden ist die Nernst-Elektrode in einer gesonderten Kammer angeordnet, welche mit dem Abgasstrom über eine im Körper der Sonde angeordnete Diffusionsstrecke kommuniziert. Innerhalb dieser Kammer ist desweiteren eine innere Pumpelektrode angeordnet, die mit der Nernst-Elektrode elektrisch verbunden sein kann und im übrigen durch eine Festelektrolytschicht hindurch mit einer äußeren Pumpelektrode zusammenwirkt, die dem Abgasstrom weitestgehend unmittelbar ausgesetzt ist. Wird zwischen die beiden Pumpelektroden, die beide zumindest bereichsweise für Gase permeabel ausgebildet sind, eine externe elektrische Spannung angelegt, so wird zwischen den Pumpelektroden ein Sauerstoff-Ionenstrom in einer von der Polarität der angelegten Spannung abhängigen Richtung und von der elektrischen Spannungsdifferenz abhängigen Stärke erzeugt, mit der Folge, daß der Diffusionsstrom der Abgase in die Diffusionskammer entsprechend gesteuert wird. Die externe elektrische Spannung zwischen den Pumpelektroden bzw. der zwischen den Pumpelektroden aufgrund des Sauerstoff- Ionenstromes auftretende elektrische Strom werden nun mittels eines Reglers so eingestellt, daß zwischen der Referenzelektrode und der Nernst-Elektrode immer eine elektrische Spannung mit vorgegebenem Sollwert aufrecht erhalten bleibt. Damit sind Polarität und Stärke des zwischen den Pumpelektroden auftretenden elektrischen Stromes ein Signal, welches mit der Zusammensetzung der Abgase und damit mit den λ-Werten korreliert ist.
Derartige Sonden werden beispielsweise in der DE 37 44 206 A1 dargestellt.
Alle vorangehend beschriebenen Sonden müssen während des Betriebes beheizt werden, um auswertbare Signale erzeugen zu können. Deshalb besitzen die Lambda-Sonden und sonstige Gassensoren regelmäßig eine elektrische Widerstandsheizung, welche im Falle eines durch ein Laminat gebildeten Sondenkörpers auf einer Schicht oder zwischen Schichten des Laminates angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Referenzluftkanal in einer drucktechnisch strukturierten Schicht bzw. Schichtanordnung auszubilden.
Dies bietet den Vorteil, daß für den Referenzluftkanal gegenüber der bisher üblichen Herstellung durch Ausstanzungen in einer grünen Keramikfolie praktisch beliebige und auch kleinteilige Formen möglich werden.
Beispielsweise können die Konturen des Referenzluftkanales an die in der Regel mäanderförmigen Konturen der elektrischen Widerstandsheizung angepaßt werden oder in Draufsicht auf die Schichtebenen von einem den Sondenkörper senkrecht zu den Schichtebenen durchsetzenden Eintrittsloch für die Abgase entfernt sein.
Darüber hinaus ist es auch möglich, die für den Zutritt der Referenzluft vorgesehene Mündung des Referenzluftkanales fächerartig aufzuteilen und/oder an die Längsränder der den Referenzluftkanal bildenden Schicht bzw. Schichtanordnung zu verlegen, wobei die Schicht bzw. die Schichten der Schichtanordnung in miteinander nicht zusammenhängende Teile zergliedert werden können, ohne daß dadurch der Fertigungsaufwand erhöht wird.
Durch die mit der drucktechnischen Herstellung möglichen geringeren Querschnitte des Referenzluftkanales sowie durch dessen vergleichsweise geringe Höhe senkrecht zu den Schichtebenen wird eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen den Teilen des Sondenkörpers beidseitig der den Referenzluftkanal aufnehmenden Schicht bzw. Schichtanordnung geschaffen, so daß die beim Start der Heizung auftretenden Wärmespannungen innerhalb des Sondenkörpers gering bleiben bzw. eine besonders schnelle Aufheizung des Sondenkörpers möglich wird.
Im übrigen kann vorgesehen sein, den Referenzluftkanal mit einer porösen Masse zu füllen, so daß ein noch besserer Wärmeübergang zwischen den Laminatteilen beidseitig des Referenzluftkanales ermöglicht wird.
Die drucktechnische Herstellung des Referenzluftkanales erfolgt zweckmäßigerweise derart, daß auf der dem Referenzluftkanal zugewandten Seite einer die Heizung tragenden bzw. umhüllenden Schicht und/oder auf der die Referenzelektrode tragenden Seite der zwischen Referenz- und Nernst-Elektrode angeordneten Festelektrolytschicht ein Negativmuster des Referenzluftkanales mit unter Hitze aushärtenden pastösem Material, insbesondere Zirkonoxidpaste, aufgedruckt wird.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, die Positivform des Referenzluftkanales mit einem unter Hitze abbrennenden oder unter Bildung einer porösen Struktur ausbrennenden pastösen Materials aufzudrucken. Auf diese Weise wird besonders sicher gewährleistet, daß der Referenzluftkanal senkrecht zu den Schichtebenen des Laminates eine reproduzierbare Höhe hat.
Zusammenfassend ist also festzustellen, daß die Erfindung den allgemeinen Gedanken verwirklicht, den Referenzluftkanal mit drucktechnischen Mitteln zu erzeugen, um praktisch beliebig filigrane Strukturen mit geringem Herstellungsaufwand gut reproduzierbar erzeugen zu können.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Lambda-Sonden sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen der Schnittlinie I-I in Fig. 2 entsprechenden Querschnitt einer breitbandig arbeitenden Lambda- Sonde im Bereich des in den Abgasstrom hineinragenden Endes des Sondenkörpers,
Fig. 2 eine Draufsicht entsprechend dem Pfeil II in Fig. 1 auf die Festelektrolytschicht zwischen Referenzelektrode und Nernst-Elektrode, wobei auch die Konturen der drucktechnisch auf die vorgenannte Schicht aufgetragenen Schicht für den Referenzluftkanal dargestellt sind und
Fig. 3 einen zur Schnittebene der Fig. 1 parallelen Querschnitt des referenzluftseitigen Endes des Sondenkörpers.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gemäß den Fig. 1 und 3 besitzt die dargestellte Lambda-Sonde einen Körper 1, welcher als keramisches Laminat ausgebildet ist. Die Schichten des Laminates werden im grünen Zustand aufeinander aufgelegt bzw. aufgetragen. Durch nachfolgende Sinterung, die nach oder unter gleichzeitiger Pressung des Laminates erfolgen kann, wird dann ein keramisch harter Körper 1 erzeugt.
Im Beispiel der Fig. 1 und 3 ist eine untere Schicht 2 in Form einer dickeren Folie aus Zirkonoxid vorgesehen. Über dieser liegt eine elektrisch isolierende Doppelschicht 3, in der eine elektrische Widerstandsheizung 4 sowie zugehörige Leiterbahnen zur elektrischen Stromzuführung eingebettet sind. Darüber liegt eine durch Siebdruck erzeugte und strukturierte Schicht 5 aus z. B. Zirkonoxidpaste. Innerhalb dieser Schicht ist ein Referenzluftkanal 6 ausgespart, dessen Grundriss in Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist und weiter unten noch näher erläutert wird. Dieser Referenzluftkanal 6 besitzt im Bereich der Schnittebene der Fig. 1 zwei miteinander kommunizierende Endbereiche 6'.
Über der Schicht 5 liegt eine Festelektrolyt-Schicht 7 beispielsweise in Form einer Folie aus Zirkonoxid, dem Yttriumoxid beigefügt ist. Zumindest im Bereich der Endbereiche 6' des Referenzluftkanales 6 ist auf der dem Referenzluftkanal 6 zugewandten Seite der Schicht 7 bzw. zwischen den Schichten 5 und 7 eine für Gase permeable, schichtförmige Referenzelektrode 8 aus porösem Platinmaterial angeordnet, die über eine daran anschließende schichtförmige Leiterbahn 8' (vgl. Fig. 2) mit einem weiter unten erläuterten Anschlußkontakt am Körper 1 verbunden ist.
Oberhalb der Festelektrolyt-Schicht 8 liegt eine dünner drucktechnisch strukturierte Schicht 9, welche beispielsweise wiederum aus Zirkonoxidpaste hergestellt ist. Diese Schicht 9 besitzt eine große Aussparung, welche zentrisch zu einem, den Körper 1 senkrecht zu dessen Schichten durchsetzenden Abgas-Zutrittsloch 10 angeordnet ist. Innerhalb der genannten Aussparung ist unter Freilassung eines Ringraumes 11 poröses Material 12 abgeschieden.
Im Bereich des Ringraumes 11 trägt die Festelektrolytschicht 7 eine für Gase permeable, schichtförmige Nernstelektrode 13 aus porösem Platinmaterial.
Über der Schicht 9 bzw. dem porösen Material 12 liegt eine weitere Festelektrolyt-Schicht 14, z. B. in Form einer Folie aus Zirkonoxid, dem Ytriumoxid beigemengt ist. Diese Schicht 14 trägt auf ihrer dem Ringraum 11 zugewandten Seite sowie auf ihrer vom Ringraum 11 abgewandten Seite für Gase permeable innere und äußere Pumpelektroden 15 und 16 aus zumindest bereichsweise porösem Platinmaterial, wobei diese Elektroden 15 und 16 so geformt sind, daß sie in Draufsicht auf die Schichten des Körpers 1 den Ringraum 11 zumindest im wesentlichen überdecken. Über der Schicht 14 liegt noch eine gasdurchlässige Schutzschicht 17.
Damit die Widerstandsheizung 4 sowie die verschiedenen Elektroden 8, 13, 15 und 16 elektrisch von außen zugänglich sind, sind am referenzluftseitigen Ende des Körpers 1 Kontaktfahnen (nicht dargestellt) angeordnet, die über eine oder mehrere Schichten durchsetzende Durchkontaktierungen und daran anschließende, zwischen benachbarten Schichten verlaufende, in der Regel drucktechnisch hergestellte Leiterbahnen mit der Widerstandsheizung 4 bzw. den Elektroden 8, 13, 15 und 16 verbunden sind.
Gemäß Fig. 3 sind zwei die untere Schicht 2 durchsetzende Durchkontaktierungen 18 zum Anschluß der elektrischen Widerstandsheizung 4 vorgesehen. Im dargestellten Beispiel besitzen diese Durchkontaktierungen 18 eine ringartige oder zylindrische Form.
Des weiteren ist für die Referenzelektrode 8 eine die Schichten oberhalb der Schicht 5 durchsetzende Durchkontaktierung 19 vorgesehen, die ebenfalls ringartig bzw. zylindrisch ausgebildet ist. Dabei können die Kontaktierungen 18 und 19 gleichachsig zueinander angeordnet sein.
Um trotz der geringen Schichtdicke der Schicht 5 und des dementsprechend geringen Abstandes zwischen den einander zugewandten Enden der Kontaktierung 19 und der dazu gleichachsigen Kontaktierung 18 eine sichere elektrische Isolation zu gewährleisten, wird das elektrisch isolierende Material der Schicht 5 in die Durchkontaktierung 19 hineingesogen, so daß das in Fig. 3 untere Ende der Durchkontaktierung 19 vollständig von elektrisch isolierendem Material überdeckt wird.
Eine die Schichten 9, 14 und 17 durchsetzende Durchkontaktierung 20 ist mit der Nernst-Elektrode 13 sowie der inneren Pumpelektrode 15 elektrisch verbunden. Die äußere Pumpelektrode 16 ist über eine (nicht dargestellte) Leiterbahn, welche die Schutzschicht 17 durchsetzt, mit einem Kontakt 21 verbunden.
Anhand der Fig. 2 wird nachfolgend die drucktechnische Erzeugung und Strukturierung der Schicht 5 auf der Schicht 7 erläutert.
Zunächst wird auf der folienförmigen Schicht 7 die Referenzelektrode 8 sowie die zugehörige Leiterbahn 8' aufgedruckt, typischerweise durch Siebdruck. Nachfolgend wird dann mit dem Material der Schicht 5 ein Negativbild des Referenzluftkanales 6 sowie seiner Endstücke 6' und gegebenenfalls vorhandener fächerartiger Mündungen 6" aufgetragen. Dies erfolgt ebenfalls durch Siebdruck unter Verwendung entsprechender Masken, wobei zu bemerken ist, daß damit außerordentlich filigrane und gegebenenfalls nicht zusammenhängende Strukturen erzeugt werden können.
Wenn die Beschichtung der Festelektrolyt-Schicht 7 mit dem Material der Schicht 5 vorgenommen wird, ist die Schicht 7 bereits mit den in den Fig. 1 und 3 oberhalb der Schicht 7 liegenden Schichten zusammengestapelt. Darüberhinaus ist auch bereits die Durchkontaktierung 19 angeordnet. Dementsprechend kann das Material der Schicht 5 an der Durchkontaktierung 19 in deren Innenraum eingesaugt werden, so daß dieser Innenraum zumindest im in Fig. 3 unteren Bereich von Material 5' überdeckt und damit später gegenüber der zur Durchkontaktierung 19 gleichachsigen Durchkontaktierung 18 elektrisch sicher isoliert wird. Insbesondere ist dadurch gewährleistet, daß durch Verschmutzungen keine leitende Verbindung zwischen den zueinander gleichachsigen Durchkontaktierungen 18 und 19 geschaffen werden kann.
Gegebenenfalls kann auf die Schicht 7 zusätzlich ein Positivbild des Referenzluftkanales 6 sowie seiner Endstücke 6' und Mündungen 6" mit einem Material aufgedruckt werden, welches bei der Sinterung des Körpers 1 aufgelöst wird bzw. wegbrennt oder eine poröse, gut gasdurchlässige Struktur bildet.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Schicht 3 spiegelbildlich zur Schicht 7 mit dem Material der Schicht 5 und gegebenenfalls auch mit dem für das Positivbild des Referenzluftkanales 6 sowie seiner Teile 6' und 6" vorgesehenen Material zu bedrucken. Auf diese Weise kann die Schicht 5 mit erhöhter Dicke hergestellt werden.
Die vorangehend beschriebene Lambda-Sonde funktioniert wie folgt:
Das das Abgas-Zutrittsloch 10 aufweisende Ende des Körpers 1 ist im Abgasstrom bzw. in einem mit dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors kommunizierenden Bereich angeordnet, während das andere Ende des Körpers 1 von Referenzluft, in der Regel von der Atmosphäre, beaufschlagt wird.
Über den Referenzluftkanal 6 bzw. seine Mündungen 6" gelangt Referenzluft bis in die Endstücke 6' des Referenzluftkanales. Über das Abgas-Zutrittsloch 10 gelangt Abgas zum porösen Material 12, durch das das Abgas in den Ringraum 11 diffundiert.
Wenn der Körper 1 mittels der elektrischen Widerstandsheizung 4 hinreichend beheizt wird, kann zwischen der Referenzelektrode 8 und der Nernst-Elektrode 13 und damit zwischen den Durchkontaktierungen 19 und 20 eine elektrische Spannung abgegriffen werden, deren Maß von den Sauerstoff-Partialdrücken innerhalb der Endstücke 6' des Referenzluftkanales sowie innerhalb des Ringraumes 11 abhängt. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, daß das Platinmaterial der vorgenannten Elektroden 8 und 13 die Bildung von Sauerstoff-Ionen fördert bzw. ermöglicht, mit der Folge, daß in der Festelektrolyt-Schicht 7 eine von der Konzentration der Sauerstoff-Ionen an den Elektroden 8 und 13 abhängige Ionen-Diffusion auftritt, die zu einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 8 und 13 führt.
Der Sauerstoff-Partialdruck im Ringraum 11 kann dadurch gesteuert werden, daß zwischen die Pumpelektroden 15 und 16 eine externe elektrische Spannung mit steuerbarer Polarität angelegt wird. Die entsprechende Spannungsquelle wird an die Durchkontaktierung 20 bzw. den Kontakt 21 angeschlossen. Hier wird wiederum der Effekt ausgenutzt, daß das Platinmaterial der Elektroden 15 und 16 zur Bildung von Sauerstoff-Ionen führt und dann durch die externe elektrische Spannung zwischen den Elektroden 15 und 16 ein durch die Festelektrolyt-Schicht 14 diffundierender Sauerstoff-Ionenstrom mit von der elektrischen Spannung und deren Polarität abhängiger Stärke und Richtung erzeugt wird. Dabei wird zwischen den Pumpelektroden 15 und 16 ein elektrischer Strom abgreifbar.
Nunmehr werden die elektrische Spannung und damit auch der elektrische Strom zwischen den Pumpelektroden 15 und 16 mittels eines Reglers so gesteuert, daß die zwischen der Referenzelektrode 8 und der Nernstelektrode 13 abgreifbare elektrische Spannung immer einem festgelegten Sollwert entspricht. Damit ist der zwischen den Pumpelektroden 15 und 16 abgreifbare elektrische Strom ein Maß für den Sauerstoffgehalt der Abgase relativ zur Referenzluft.
Wenn die äußere Pumpelektrode 16 gegenüber der inneren Pumpelektrode 15 auf elektrisch positivem Potential liegt, liegen Betriebsverhältnisse mit λ < 1 vor. Bei umgekehrter Polarität liegen Betriebsverhältnisse mit λ < 1 vor, wobei das Maß des zwischen den Elektroden 15 und 16 abgreifbaren elektrischen Stromes mit dem Maß von λ korreliert ist.
Die Werte von λ können in einem großen Wertebereich erfaßt werden.
Bei den eingangs erwähnten schmalbandig arbeitenden Lambda- Sonden liegt die äußere Schutzschicht 17 oberhalb der Nernst-Elektrode 13, das heißt die Schichten 9 und 14 sowie die Pumpelektroden 15 und 16 entfallen gegenüber den Darstellungen in den Fig. 1 und 3. Die zwischen den Elektroden 8 und 13 abgreifbare elektrische Spannung ist dann ein Maß für den Sauerstoff-Partialdruck der Abgase.
Unabhängig von der Bauart der Lambda-Sonden, für schmalbandige oder breitbandige Messung, kann der Referenzluftkanal 6 mit seinen Teilen 6' und 6" in der oben dargestellten Weise durch drucktechnische Abscheidung der strukturierten Schicht 5 erzeugt werden.

Claims (12)

1. Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde, mit als gesintertes Keramik-Laminat ausgebildetem Körper (1) und darin innerhalb einer Schicht (5) des Laminates angeordnetem Referenzluftkanal (6) auf dessen einer Seite eine im Laminat elektrisch isoliert eingebettete elektrische Widerstandsheizung (4) und auf dessen anderer Seite eine Elektrodenanordnung (8, 13; 15, 16) vorgesehen ist, welche zumindest eine innenseitig einer Begrenzungswand des Referenzluftkanals angeordnete, zumindest bereichsweise für Gase permeable Referenzelektrode (8) und eine vom zu sensierenden Gas beaufschlagbare Nernst-Elektrode (13) aufweist, die ebenfalls zumindest bereichsweise für Gase permeabel ausgebildet und von der Referenzelektrode (8) durch eine für Ionen, insbesondere Sauerstoffionen, leitfähige und permeable Festelektrolytschicht (7) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzluftkanal (6) in einer drucktechnisch, insbesondere durch Siebdruck, strukturiert hergestellten Schicht bzw. Schichtanordnung (5) ausgebildet ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß an der elektrischen Widerstandsheizung (4) in der Umgebung des Referenzluftkanales (6) bzw. seiner Teile (6') im Vergleich zum Referenzluftkanal großflächige Bereiche der drucktechnisch strukturierten Schicht (5) zur wärmeleitenden Kopplung der Widerstandsheizung mit der Elektrolytschicht (7) zwischen Referenz- und Nernst-Elektrode (8, 13) vorgesehen sind.
3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzluftkanal (6) mit porösem, gut gasdurchlässigem Material gefüllt ist.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzluftkanal (6) in Draufsicht auf die Schichtebenen des Laminates außerhalb einer im Körper (1) angeordneten, zu den Schichtebenen senkrechten Zutrittsöffnung (10) für das zu sensierende Gas angeordnet ist.
5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzluftkanal (6) in Draufsicht auf die Schichtebenen des Laminates außerhalb von Durchkontaktierungen (18 bis 20) angeordnet ist, welche Elektroden (8, 13, 15, 16) bzw. damit elektrisch verbundene Leiterbahnen mit außenseitig am Körper (1) angeordneten Kontakten verbinden bzw. als solche ausgebildet sind.
6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzluftkanal (6) an zumindest einer Längsseite der den Kanal aufweisenden Schicht (5) nach außen mündet (Mündungen 6").
7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzluftkanal (6) fächerartig angeordnete Mündungen (6") zum Eintritt der Referenzluft aufweist.
8. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Schichten durchsetzende Durchkontaktierungen (19) mit, in Draufsicht auf die Schichtebenen, ringförmigen Querschnitten innenseitig mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung (5') versehen sind.
9. Gassensor nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die den Referenzluftkanal aufweisende Schicht (5) aus gleichem Material wie die Beschichtung (5') der Durchkontaktierung (19) besteht.
10. Verfahren zur Herstellung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Referenzkanal (6) zugewandten Seite einer die Widerstandsheizung (4) tragenden bzw. umhüllenden Schicht (3) und/oder auf der die Referenzelektrode (8) tragenden Seite der zwischen Referenz- und Nernst-Elektrode (8, 13) angeordneten Festelektrolyt-Schicht (7) ein Negativmuster des Referenzluftkanales (6) mit unter Hitze aushärtendem Material, z. B. Zirkonoxidpaste, aufgedruckt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Positivmuster des Referenzluftkanales (6) mit unter Hitze ausbrennendem oder in eine poröse, gut gasdurchlässige Struktur übergehendem Material aufgedruckt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialauftrag durch Siebdruck erfolgt.
DE1999163566 1999-12-29 1999-12-29 Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde Ceased DE19963566A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1999163566 DE19963566A1 (de) 1999-12-29 1999-12-29 Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde
EP00993740A EP1247090B1 (de) 1999-12-29 2000-12-14 Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde
JP2001550017A JP4813729B2 (ja) 1999-12-29 2000-12-14 ガスセンサー、殊にラムダゾンデ
PCT/DE2000/004472 WO2001050118A1 (de) 1999-12-29 2000-12-14 Gassensor, insbesondere lambda-sonde
US10/169,235 US7083710B2 (en) 1999-12-29 2000-12-14 Gas sensor, in particular a lambda sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1999163566 DE19963566A1 (de) 1999-12-29 1999-12-29 Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE19963566A1 true DE19963566A1 (de) 2001-07-05

Family

ID=7934863

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE1999163566 Ceased DE19963566A1 (de) 1999-12-29 1999-12-29 Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP1247090B1 (de)
JP (1) JP4813729B2 (de)
DE (1) DE19963566A1 (de)
WO (1) WO2001050118A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1506391B1 (de) * 2002-05-14 2009-09-30 Robert Bosch Gmbh Sensor für einen elektrochemischen messfühler
DE102011084653A1 (de) 2011-10-17 2013-04-18 Robert Bosch Gmbh Sprungsonde für den gepumpten und ungepumten Betrieb
CN103091381B (zh) * 2011-10-17 2016-11-30 罗伯特·博世有限公司 用于抽吸运行和非抽吸运行的跳变探测器

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6514899B2 (ja) * 2014-03-26 2019-05-15 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサ及びガス検出素子
JP6814086B2 (ja) * 2016-04-27 2021-01-13 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサ素子およびガスセンサ
JP6718332B2 (ja) * 2016-08-03 2020-07-08 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサ素子およびガスセンサ素子の製造方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6036948A (ja) * 1983-08-09 1985-02-26 Ngk Insulators Ltd 電気化学的装置
JPS61134655A (ja) * 1984-12-06 1986-06-21 Ngk Insulators Ltd 酸素センサ素子
JPH07119739B2 (ja) * 1986-12-27 1995-12-20 日本碍子株式会社 空燃比測定装置における出力補正方法
JPH01167656U (de) * 1988-05-18 1989-11-24
DE4032436A1 (de) * 1990-10-12 1992-04-16 Bosch Gmbh Robert Sensorelement fuer grenzstromsensoren zur bestimmung des (gamma)-wertes von gasgemischen
JP3467814B2 (ja) * 1993-01-22 2003-11-17 株式会社デンソー 酸素濃度検出装置
DE4304966A1 (de) * 1993-02-18 1994-08-25 Bosch Gmbh Robert Lambdawert-Ermittlungsvorrichtung
JP3054994B2 (ja) * 1993-12-13 2000-06-19 松下電器産業株式会社 限界電流式酸素センサとその製造方法
JP3683348B2 (ja) * 1996-06-25 2005-08-17 日本特殊陶業株式会社 セラミック構造体の製造方法
DE19803532A1 (de) * 1998-01-30 1999-08-05 Bosch Gmbh Robert Elektrochemischer Meßfühler

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1506391B1 (de) * 2002-05-14 2009-09-30 Robert Bosch Gmbh Sensor für einen elektrochemischen messfühler
DE102011084653A1 (de) 2011-10-17 2013-04-18 Robert Bosch Gmbh Sprungsonde für den gepumpten und ungepumten Betrieb
CN103091381A (zh) * 2011-10-17 2013-05-08 罗伯特·博世有限公司 用于抽吸运行和非抽吸运行的跳变探测器
US9255904B2 (en) 2011-10-17 2016-02-09 Robert Bosch Gmbh Step-change sensor for pumped and unpumped operation
CN103091381B (zh) * 2011-10-17 2016-11-30 罗伯特·博世有限公司 用于抽吸运行和非抽吸运行的跳变探测器

Also Published As

Publication number Publication date
EP1247090A1 (de) 2002-10-09
JP2003519382A (ja) 2003-06-17
WO2001050118A1 (de) 2001-07-12
JP4813729B2 (ja) 2011-11-09
EP1247090B1 (de) 2011-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3048439C2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Festelektrolyt-Sauerstoff-Meßelements mit Schichtstruktur
DE3917710C2 (de)
DE19938416A1 (de) Mehrlagiges Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Fühlerelement
EP2108119B1 (de) Gassensor mit innen liegender pumpzelle
WO2001016588A1 (de) Sensorelement zur bestimmung der sauerstoffkonzentration in gasgemischen und verfahren zur herstellung desselben
DE2917160A1 (de) Verfahren zum feststellen eines luft-brennstoff-verhaeltnisses in verbrennungseinrichtungen durch messung des sauerstoffgehalts im abgas
EP0801740B1 (de) Elektrochemischer messfühler und verfahren zur herstellung eines elektrochemischen messfühlers
WO1989009933A1 (fr) SONDE POLAROGRAPHIQUE PLANE POUR LA DETERMINATION DE LA VALEUR lambda D&#39;UN MELANGE DE GAZ
DE102019008512A1 (de) Gassensor
DE4020385C2 (de) Wärmetönungssensor
DE3816460A1 (de) Einrichtung zum erfassen eines treibstoff-luft-mischungsverhaeltnisses
EP1247090B1 (de) Gassensor, insbesondere Lambda-Sonde
WO2008080730A1 (de) Sensorelement mit zusätzlicher diagnosefunktion
DE102021001431A1 (de) Sensorelement und Gassensor
DE3019902A1 (de) Verfahren zur herstellung eines sauerstoffsensorelements mit gesinterter festelektrolytschicht
EP1309852B1 (de) Gassensor, insbesondere lambda-sonde
DE4424539C2 (de) Element zur Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
DE10122271A1 (de) Sensorelemente
DE19837515B4 (de) Elektrochemischer Meßfühler
DE19751128A1 (de) Sensorelement und Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements
DE19937016A1 (de) Sensorelement und Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen
DE3833541C1 (de)
DE102008001997A1 (de) Lambda-Sprungsonde mit alternierender Referenz
WO2008080734A1 (de) Sensorelement mit messgasrückführung
DE10200052A1 (de) Sensorelement

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final

Effective date: 20130302