DE2718907C2

DE2718907C2 - Sensor for determining the oxygen content in exhaust gases

Info

Publication number: DE2718907C2
Application number: DE19772718907
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg Friese
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1977-04-28
Publication date: 1984-04-12
Also published as: JPS6147376B2; JPS53135694A; DE2718907A1

Description

in an sich bekannter Weise mehrere in Reihe geschaltete Meßzellen aufweist, die in Ausgestaltung der Erfindung alternierend aufeinanderfolgende Elektroden- und Festelektrolytbereiche aufweisen und zu einer stabförmigen Meßzellenanqrdnung zusammenge- ϊ faßt sind. Bei dieser Ausgestaltung erreicht der Meßfühler nicht nur sehr schnell seine Arbeitstemperatur, sondern liefert durch die Serienschaltung mehrerer Meßzellen auch eine erhöhte Ausgangsspannung, welche sinfacher auszuv/erten ist als die Ausgangsspan- ι" nung einer einzigen Meßzelle und womit ein Abfall der Ausgangsspannung durch Alterungsprozesse meßtechnisch besser beheiTscht werden kann.has, in a manner known per se, a plurality of measuring cells connected in series, which are in development of the invention have alternating electrode and solid electrolyte areas and to are combined in a rod-shaped measuring cell arrangement. With this configuration, the The sensor not only reaches its working temperature very quickly, but also supplies several through the series connection Measuring cells also have an increased output voltage, which can be evaluated more sincerely than the output voltage. tion of a single measuring cell and thus a drop in the output voltage due to aging processes can be better treated.

Eine besonders gute Stabilität einer solchen stabförmigen Meßzellenanordnung erreicht man ferner in Weiterbildung der Erfindung mit Hilfe eines in axialer Richtung durchgehenden Trägerkörpers, welcher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als Metallstab ausgebildet sein kann, der eine Isolationsschicht trägt, und vorzugsweise gleichzeitig als Zuleitung zu der einen -" äußeren Elektrode der Meßzellenanordnung dienen kann, und zwar vorzugsweise zu derjenigen Elektrode, die am weitesten in den Abgasstrom hineinragt. Ein solcher Trägerkörper in Form eines Metallstabes ist weitgehend unempfindlich gegenüber schnellen Tempe- -25 raturwechseln, wie sie im Abgasstrom von Brennkraftmaschinen nach einem Kaltstart und am Ende einer Fahrt auftreten, und bietet zusätzlich den Vorteil, daß er als guter Wärmeleiter auch einen schnellen Wärmetransport in das Innere der Meßzellenano-dnung «> gewährleistetA particularly good stability of such a rod-shaped measuring cell arrangement is also achieved in Further development of the invention with the aid of a support body which is continuous in the axial direction and which according to FIG a preferred embodiment can be designed as a metal rod that carries an insulation layer, and preferably at the same time serve as a lead to the one - "outer electrode of the measuring cell arrangement can, and preferably to that electrode that protrudes farthest into the exhaust gas flow. A Such a support body in the form of a metal rod is largely insensitive to rapid temperatures rature change, as in the exhaust gas flow of internal combustion engines after a cold start and at the end of a Driving occur, and has the additional advantage that, as a good conductor of heat, it also has rapid heat transport into the interior of the measuring cell extension «> guaranteed

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Schutzansprüchen. In der Zeichnung zeigtFurther details and advantages of the invention are explained below with reference to a drawing explained in more detail and / or are the subject of protection claims. In the drawing shows

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Meßfühlers mit einem Trägerkörper in Form eines Metallstabes und einer einzigen Meßzelle, und zwar im Längsschnitt,F i g. 1 shows a first embodiment of a sensor according to the invention with a support body in FIG Shape of a metal rod and a single measuring cell, namely in longitudinal section,

F i g. 2 eine gegenüber dem Meßfühler gemäß F i g. 1 ^4Ü abgewandelte Ausführungsform mit mehreren in Reihe geschalteten Meßzellen,F i g. 2 a relative to the sensor according to FIG. 1 ^4Ü modified embodiment with several measuring cells connected in series,

Fig.3 einen Teil-Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßfühlers mit einer einzigen Meßzelle und mit einem Trägerkörper aus Keramikmaterial,3 shows a partial longitudinal section through a third embodiment of a sensor according to the invention with a single measuring cell and with a carrier body made of ceramic material,

F i g. 4 eine gegenüber dem Meßfühler gemäß F i g. 3 abgewandelte Ausführungsform mit mehreren in Reihe geschalteten Meßzellen,F i g. 4 a relative to the sensor according to FIG. 3 modified embodiment with several in series switched measuring cells,

Fig.5—9 Teil-Längsschnitte durch gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 abgewandelte Ausführungsformen von Meßfühlern gemäß der Erfindung, mit mehreren in Reihe geschalteten Meßi.ellen und mit einem Trägerkörper aus Keramikmaterial,Fig.5-9 partial longitudinal sections through opposite the Embodiment according to FIG. 4 modified embodiments of sensors according to the invention, with several measuring cells connected in series and with a carrier body made of ceramic material,

Fig. 10 und 11 schematische Teil-Längsschnitte durch zwei weitere abgewandelte Ausführungsformen von Meßfühlern gemäß der Erfindung, mit mehreren in Reihe geschalteten Meßzellen und mit einem Trägerkörper aus einem Festelektrolytmaterial.10 and 11 are schematic partial longitudinal sections through two further modified embodiments of measuring sensors according to the invention, with several measuring cells connected in series and with a carrier body made of a solid electrolyte material.

Ehe nachstehend im einzelnen auf die verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Meßfühlern eingegangen wird, sei vorausgeschickt, daß in sämtlichen Figuren durchgehend das Bezugszeichen 10 den Trägerkörper, das Bezugszeichen 12 die katalytisch aktive Elektrode(n), das Bezugszeichen 14 die katalytisch inaktive Elektrode(n), das Bezugszeichen 16 den Festelektrolyten bzw. die meßtechnisch aktiven Bereiche desselben, das Bezugszeichen 18 Isolationsschichten und das Bezugszeichen 20 Schutzschichten bezeichnet, obwohl die vorstehend einzeln aufgeführten Elemente bei den verschiedenen Ausführungsformen gegebenenfalls aus unterschiedlichen Materialien bestehen und unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können.Before going in detail below to the various preferred embodiments of the invention Measuring sensors is entered, it should be said that in all the figures the reference numerals 10 the carrier body, the reference symbol 12 the catalytically active electrode (s), the reference symbol 14 the catalytically inactive electrode (s), the reference numeral 16 the solid electrolyte or the metrologically active Areas thereof, the reference symbol 18 insulation layers and the reference symbol 20 protective layers referred to, although the elements individually listed above in the various embodiments possibly consist of different materials and have different properties can.

Im einzelnen besteht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 der Trägerkörper 10 aus einem warmfesten, elektronenleitenden Metallstab, beispielsweise aus einem Draht oder Stab aus Chn /m-Nickel-Stahl oder einer Ni-Cr-Legierung. Der Trägerkörper 10 ist von der Isolationsschicht 18 umgeben, die durch eine Glasur, eine Emaiilierung oder eine Engobe gebildet sein kann, die aber auch aus Magnesium-Spinell oder AI2O3 bestehen kann, wobei diese Materialien nach dem Verfahren der Plasma-Spritztechnik auf den Trägerkörper 10 aufgebracht werden können. An seinem freien, in F i g. 1 oberen und im Betrieb am weitesten in den Abgasstrom hineinragenden Ende ist der Trägerkörper 10 leitend mit der katalytisch aktiven Elektrode 12 verbunden, die beispielsweise als poröse Dickschicht aufgesintert wurde, wobei diese Elektrode beispielsweise aus Platin bestehen kann und beim Ausführungsbeispiel einen zum Trägerkörper 10 konzentrischen ringförmigen Bereich aufweist. Die katalytisch inaktive Elektrode 14, welche beispielsweise aus Gold bestehen kann, ist konzentrisch zum Trägerkörper 10 auf die Isolationsschicht 18 aufgebracht und endet in einem ringförmigen Bereich, der dem ringförmigen Bereich der katalytisch aktiven Elektrode 12 in einem gewissen axialen Abstand gegenüberliegt. Der Festelektrolyt 16 umgibt die Isolierschicht 18 zwischen den Elektroden 12 und 14 und wird beim Ausführungsbeispiel von den ringförmigen Bereichen der Elektroden übergriffen. Der Festelektrolyt kann beispielsweise aus einem stabilisierten Zirkonoxyd bestehen, wobei diese Festelektrolytschicht z. B. nach dem Verfahren der Plasma-Spritztechnik aufgetragen werden kann. Die eigentliche Meßzelle mit den Elektroden 12, S4 und dem Festelektrolyten 16 ist von der Schutzschicht 20 umgeben, welche aus einem grob-porösen, isolierenden Material besteht. Auch diese Schutzschicht kann nach dem Verfahren der Plasma-Spritztechnik aufgetragen sein. Ferner ist ein warmfestes Gehäuse 22 aus leitfähigem Material vorgesehen, welches der Befestigung des Meßfühlers, beispielsweise an der Auspuffleitung eines Kraftwagens, dient und mit der katalytisch inaktiven Elektrode 14 leitend, beispielsweise durch Hartlötung, verbunden ist. Die Meßspannung kann zwischen dem Trägerkörper 10 und dem Gehäuse 22 abgegriffen werden, wie dies in der Zeichnung schematisch angedeutet ist. Zum Schütze der Meßzelle und auch der Schutzschicht 20 kann gegebenenfalls zusätzlich noch ein äußeres Schutzrohr 24 vorgesehen sein, welches in F i g. 1 gestrichelt angedeutet und an dem Gehäuse 22 befestigt ist und öffnungen aufweist, durch die die zu untersuchenden Abgase zu der Meßzelle gelangen können.In detail, in the embodiment according to FIG. 1, the carrier body 10 consists of a Heat-resistant, electron-conducting metal rod, for example made from a wire or rod made from Chn / m nickel steel or a Ni-Cr alloy. The carrier body 10 is surrounded by the insulation layer 18, which is by a Glaze, an enamel or an engobe can be formed, but it can also be made from magnesium spinel or AI2O3 can exist, these materials according to the Methods of plasma spray technology can be applied to the carrier body 10. At his free, in F i g. The support body is the upper end that protrudes furthest into the exhaust gas flow during operation 10 conductively connected to the catalytically active electrode 12, for example as a porous thick film was sintered on, this electrode being made of platinum, for example, and in the exemplary embodiment has an annular region which is concentric to the carrier body 10. The catalytically inactive Electrode 14, which can consist of gold, for example, is concentric to the carrier body 10 on the Insulation layer 18 is applied and ends in an annular area, which is the annular area the catalytically active electrode 12 is opposite at a certain axial distance. The solid electrolyte 16 surrounds the insulating layer 18 between the electrodes 12 and 14 and is in the embodiment of the overlapped annular areas of the electrodes. The solid electrolyte can, for example, from a stabilized zirconium oxide, this solid electrolyte layer z. B. by the method of plasma spray technology can be applied. The actual measuring cell with electrodes 12, S4 and the Solid electrolyte 16 is surrounded by the protective layer 20, which consists of a coarse-porous, insulating Material consists. This protective layer can also be applied using the plasma spray technique be. Furthermore, a heat-resistant housing 22 made of conductive material is provided, which the attachment of the sensor, for example on the exhaust pipe of a motor vehicle, is used and with the catalytic inactive electrode 14 is conductively connected, for example by brazing. The measuring voltage can be tapped between the carrier body 10 and the housing 22, as shown in the drawing is indicated schematically. To protect the measuring cell and also the protective layer 20, if necessary an outer protective tube 24 can also be provided, which is shown in FIG. 1 indicated by dashed lines and on the housing 22 is attached and has openings through which the exhaust gases to be examined to the Can reach the measuring cell.

Der Meßfühler gemäß F i g. 2 besitzt im Gegensatz zu dem Meßfühler gemäß Fig. 1, wo nur eine einzige Meßzelle vorgesehen ist, mehrere in Reihe geschaltete Meßzellen zur Erhöhung der Meßausgangsspannung, welche, wie in der Zeichnung angedeutet, wieder zwischen dem Trägerkörper 10 bzw. der äußersten katalytisch aktiven Elektrode 12 und der äußersten katalytisch inaktiven Elektrode 14 gemessen wird. Zwischen diesen beiden Elektroden 12, 14, an denen die Meßspannung abgegriffen wird, befinden sich beimThe sensor according to FIG. 2 has in contrast to the sensor according to FIG. 1, where only a single one Measuring cell is provided, several measuring cells connected in series to increase the measuring output voltage, which, as indicated in the drawing, again between the carrier body 10 or the outermost catalytically active electrode 12 and the outermost catalytically inactive electrode 14 is measured. Between these two electrodes 12, 14, at which the measuring voltage is tapped, are located at

Ausführungsbeispiel zwei weitere Elektrodenpaare aus jeweils einer katalytisch aktiven Elektrode 12 und einer katalytisch inaktiven Elektrode 14, wobei zwischen diesen Elektrodenpaaren sowie zwischen den äußeren Elektroden und den angrenzenden Elektrodenpaaren, *> jeweils ein ringförmiger Bereich des Festelektrolyten 16 vorgesehen ist. Die eigentliche Meßzellenanordnung ist auch bei dem Meßfühler gemäß F i g. 2 wieder von der Schutzschicht 20 umgeben, während das Gehäuse 22 und das Schutzrohr 24 zur Erhöhung der Übersichtlich- ι ο keit weggelassen wurden.Embodiment, two additional pairs of electrodes each consisting of a catalytically active electrode 12 and a catalytically inactive electrode 14 which is between these pairs of electrodes as well as between the outer electrode and the adjacent electrode pairs *> respectively an annular portion of the solid electrolyte provided 16th The actual measuring cell arrangement is also in the measuring sensor according to FIG. 2 again surrounded by the protective layer 20, while the housing 22 and the protective tube 24 have been omitted to increase the clarity.

Der wesentliche Vorteil der Meßfühler gemäß F i g. 1 und 2 besteht darin, daß der Festelektrolyt 16 bzw. die einzelnen Ringe aus dem Festelektrolyten unter der Schutzschicht 20 zumindest in ihrem meßtechnisch i> wirksamen Bereich, d. h. im wesentlichen längs der kürzesten Verbindung zwischen den beiden jeweils angrenzenden Elektroden, von außen direkt erwärmt werden kann und damit sehr schnell die für seine Funktion wesentliche Betriebstemperatur erreicht, die bei Meßfühlern die Abgasüberwachung von Brennkraftmaschinen oberhalb etwa 300⁰C, vorzugsweise bei etwa 600⁰C, liegt. Die schnelle Erwärmung des Festelektrolyten wird dabei bei den beiden betrachteten Ausführungsformen noch dadurch gefördert, daß der Träger- y> körper 10 von seinem äußeren Ende her verhältnismäßig schnell erwärmt wird und damit von innen her zur Aufheizung des Festelektrolyten 16 beiträgt.The main advantage of the sensors according to FIG. 1 and 2 consists in that the solid electrolyte 16 or the individual rings of the solid electrolyte under the protective layer 20 are heated directly from the outside at least in their metrologically effective area, ie essentially along the shortest connection between the two adjacent electrodes and thus can be reached very quickly essential for its function operating temperature sensors in the exhaust gas monitoring of internal combustion engines in excess of about 300 ⁰ C, preferably, is about 600 ⁰ C. The rapid heating of the solid electrolyte is in this case still supported in the two contemplated embodiments in that the carrier y> body 10 is heated from its outer end thereof is relatively rapidly and thus contributes from the inside for heating the solid electrolyte sixteenth

Abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 besteht der Trägerkörper 10 bei den Meßfühlern so gemäß F i g. 3—9 aus einem warmfesten Keramikmaterial, insbesondere aus Al₂C>3-haltiger Keramik, wie z. B. Zündkerzenkeramik, wobei es sich als ein besonderer Vorteil erweist, daß man bezüglich dieses Keramikmaterials hinsichtlich der Mengenfertigung über große *5 Erfahrung verfügt und somit gewährleistet ist, daß die mit einem solchen Trägerkörper ausgestatteten Meßfühler, jedenfalls was den Trägerkörper anbelangt, für einen störungsfreien Dauerbetrieb geeignet sind. Es ist zudem wirtschaftlicher herzustellen. Der Keramikkör- ^n per kann z. B. als plattenförmiges Substrat, als Statroder als hohizyiindrisches Rohr ausgebildet sein.In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 1, the support body 10 consists of the sensors as shown in FIG. 3-9 made of a heat-resistant ceramic material, in particular made of _{ceramic containing Al 2} C> 3, such as e.g. B. spark plug ceramics, whereby it turns out to be a particular advantage that one has a great deal of experience with this ceramic material in terms of volume production and thus it is guaranteed that the sensor equipped with such a carrier body, at least as far as the carrier body is concerned, for a trouble-free Are suitable for continuous operation. It is also more economical to manufacture. The Keramikkör- ^ n per can, for. B. be designed as a plate-shaped substrate, as a stator as a hollow tube.

Im einzelnen besitzt der Meßfühler gemäß Fig.3, von dem nur das am weitesten in den Abgasstrom hineinragende innere Ende gezeigt ist und der nur eine ■»? einzige Maßzelle aufweist, einen Trägerkörper 10 in Form eines Keramikrohres. Der Festelektrolyt 16 ist auf das Ende dieses Rohres aufgebracht und wird dort teilweise von den Elektroden 12 und 14 überdeckt, wobei sich die katalytisch aktive Elektrode 12, die >o vorzugsweise wieder aus Platin oder aus einer PlBtinle^ierun** besieh* auf der Außenseite des Trägerkörpers befindet während sich die katalytisch inaktive Elektrode 14, die beispielsweise aus Gold bestehen kann, ausgehend vom Hohlraum des Trägerkörpers 10 zu dessen freiem Ende erstreckt Außerdem ist die eigentliche Meßzelle wieder von der Schutzschicht 20 umgeben, welche zwar porös ist, so daß die Abgase zu der Meßzelle vordringen können, welche aber andererseits einen zu starken abrasiven und «> korrosiven Verschleiß an den Elektroden 12,14 und am Festelektrolyten 16 durch die mit hoher.Geschwindigkeit vorbeiströmenden Abgase verhindertIn detail, the sensor according to Fig. 3, of which only the inner end protruding furthest into the exhaust gas flow is shown and only one ■ »? Has a single measuring cell, a carrier body 10 in the form of a ceramic tube. The solid electrolyte 16 is on the end of this tube is applied and is partially covered there by the electrodes 12 and 14, wherein the catalytically active electrode 12, the> o preferably again from platinum or from a platinum line ** on the outside of the The carrier body is while the catalytically inactive electrode 14, which is made of gold, for example may exist, starting from the cavity of the support body 10 extends to the free end thereof the actual measuring cell is again surrounded by the protective layer 20, which is porous, so that the Exhaust gases can penetrate to the measuring cell, but which on the other hand have an excessively abrasive and «> Corrosive wear on the electrodes 12, 14 and on the solid electrolyte 16 due to the high speed prevents exhaust gases flowing past

Der Meßfühler gemäß Fig.4 besitzt wieder einen rohrförmigen Trägerkörper 10 aus Keramikmaterial, *>5 umfaßt jedoch andererseits nicht nur eine, sondern mehrere in Reihe geschaltete Meßzellen. Jede dieser Meßzellen besteht aus einer ringförmigen katalytisch aktiven Elektrode 12 und einer ringförmigen katalytisch inaktiven Elektrode 14, sowie aus einem zwischen den beiden Elektroden liegenden ringförmigen Festelektrolyten 16, wobei die genannten ringförmigen Elemente jeweils direkt auf die Außenseite des keramischen Trägerkörpers 10 aufgebracht sind.The probe according to Figure 4 again has a tubular support body 10 made of ceramic material, *> 5, however, includes the other hand, not only one, but a plurality of series-connected measuring cells. Each of these measuring cells consists of an annular catalytically active electrode 12 and an annular catalytically inactive electrode 14, as well as an annular solid electrolyte 16 located between the two electrodes, the said annular elements each being applied directly to the outside of the ceramic support body 10.

Bei den Meßfühlern gemäß F i g. 3 und 4 ist aufgrund des gewählten Aufbaus ebenfalls wieder eine schnelle ' Erwärmung des Festelektrolyten 16 gewährleistet, wobei die gegenüber den Ausführungsformen gemäß F i g. 1 und 2 verringerte Wärmeleitfähigkeit des Trägerkörpers 10 zumindest teilweise dadurch ausgeglichen wird, daß der Trägerkörper als Hohlkörper ausgebildet ist. Andererseits bringt ein keramischer Trägerkörper den Vorteil mit sich, daß auf besondere !solationsschichten verzichtet werden kann.In the case of the sensors according to FIG. 3 and 4 is also fast again due to the structure chosen 'Guaranteed heating of the solid electrolyte 16, which compared to the embodiments according to F i g. 1 and 2, the reduced thermal conductivity of the carrier body 10 is at least partially offset by this is that the carrier body is designed as a hollow body. On the other hand, brings a ceramic Carrier bodies have the advantage that special insulation layers can be dispensed with.

Die in den F i g. 5—9 in Form von Teil-Längsschnitten gezeigten erfindungsgemäßen Meßfühler entsprechen sämtlich weitgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4, weisen jedoch andererseits unterschiedliche Elektrodenformen auf bzw. zusätzliche Merkmale, die sich bei verschiedenen möglichen Herstellungsverfahren vorteilhaft auswirken. Im einzelnen liegen bei dem Meßfühler gemäß Fig.5 auf der Mantelfläche des Trägerkörpers 10 in axialer Richtung hintereinander ein Ring aus Platin oder einem Platinmetall, welcher eine katalytisch aktive Elektrode 12 bildet, ein Ring 16 aus Festelektrolytmaterial, ein Ring 18 aus Isolationsmaterial und dann wieder ein Ring aus Platin als katalytisch aktive Elektrode 12 usw. Bei dieser Ausgestaltung kann der keramische Trägerkörper 10 zusammen mit den auf seiner Außenfläche angebrachten Ringen gemeinsam gesintert werden, woraufhin dann die katalytisch inaktiven Elektroden 14 nachträglich unter Anwendung eines geeigneten bekannten Verfahrens aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, werden können, und zwar derart, daß sie einerseits in Kontakt mit den Platinringen und andererseits, den Ring 18 aus Isolationsmaterial übergreifend, in Kontakt mit dem Festelektrolyten 16 stehen.The in the F i g. 5-9 correspond to sensors according to the invention shown in the form of partial longitudinal sections all largely to the exemplary embodiment according to FIG. 4, but on the other hand have different Electrode shapes or additional features that can be found in various possible manufacturing processes have a beneficial effect. In detail lie in the sensor according to Figure 5 on the outer surface of the Carrier body 10 in the axial direction one behind the other a ring made of platinum or a platinum metal, which a forms catalytically active electrode 12, a ring 16 made of solid electrolyte material, a ring 18 made of insulation material and then again a ring made of platinum as a catalytically active electrode 12, etc. In this embodiment, can the ceramic carrier body 10 together with the rings attached to its outer surface are sintered, whereupon the catalytically inactive electrodes 14 are subsequently applied a suitable known method can be applied, for example by vapor deposition, namely such that on the one hand they are in contact with the platinum rings and on the other hand, the ring 18 from Crossing the insulation material, are in contact with the solid electrolyte 16.

Bei dem Meßfühler gemäß F i g. 6 wird ein elektronenleitendes Oxid oder Mischoxid als Material für die katalytisch inaktive Elektrode 14 verwendet, z. B. Perowskite, und das gesamte Schichtsystem gemeinsam mit dem Trägerkörper gesintert.In the case of the sensor according to FIG. 6 is an electron-conducting oxide or mixed oxide as a material for the catalytically inactive electrode 14 is used, e.g. B. Perovskite, and the entire layer system together sintered with the carrier body.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist der keramische Trägerkörper 10 von alternierend aufeinanderfolgenden Ringen aus dem Festelektrolyt 16 und einem isolierenden Material 18, beispielsweise Al₂O₃ oder Magnesium-Spinell, umgeben, die gemeinsam mit dem Trägerkörper gesintert werden, ehe die Elektroden 12 14 aufgebracht, insbesondere aufgedampft, werden um schließlich eine ähnliche Konfiguration zu erhalten wie gemäß Fig.5, wobei die gesamte Baueinheit abschließend noch mit einer porösen Schutzschicht ummantelt werden kann.In the exemplary embodiment according to FIG. 7, the ceramic carrier body 10 is surrounded by alternately successive rings made of the solid electrolyte 16 and an insulating material 18, for example Al ₂ O ₃ or magnesium spinel, which are sintered together with the carrier body before the electrodes 12 14 are applied, in particular vapor-deposited, in order to finally obtain a configuration similar to that according to FIG.

Der Meßfühler gemäß Fi g. 8 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig.4 dadurch, daß vor dem Aufbringen der ringförmigen Elektroden 12,14 und des Festelektrolyten 16 auf die Außenfläche des keramischen Trägerkörpers 10 noch eine isolierende Zwischenschicht bzw. Isolationsschicht 18 aufgebracht wird, die beispielsweise aus Magnesium-Spinell, CaO/Al₂O3-Keramik oder ähnlichen Keramikmaterialien bestehen kann, welche unerwünschte Reaktionen zwischen dem Festelektrolyt und dem Keramikmaterial des Trägerkörpers 10, insbesondere mit silikatischen Flußmittelzuschlägen in diesem Keramikmaterial, verhindern.The sensor according to Fi g. 8 differs from that according to FIG. 4 in that, before the annular electrodes 12, 14 and the solid electrolyte 16 are applied to the outer surface of the ceramic carrier body 10, an insulating intermediate layer or insulating layer 18 is applied, for example made of magnesium spinel, CaO / Al ₂ O3 ceramic or similar ceramic materials can exist, which prevent undesired reactions between the solid electrolyte and the ceramic material of the carrier body 10, in particular with silicate flux additives in this ceramic material.

27 18^0727 18 ^ 07

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.9 zeigt einen Trägerkörper 10, auf den Schichten für den Festelektrolyten 16 und für die katalytisch aktive Elektrode 12 aufgesintert sind, über die nachträglich überlappend, z. B. in einer Dickschichttechnik, die katalytisch inaktive Elektrode 14, z. B. aus Gold, aufgetragen wird.The embodiment of Figure 9 shows a Carrier body 10, on the layers for the solid electrolyte 16 and for the catalytically active electrode 12 are sintered, over the later overlapping, z. B. in a thick film technology, the catalytically inactive Electrode 14, e.g. B. of gold, is applied.

Anders als die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele besitzen die Meßfühler gemäß Fig. 10 und 11 einen Trägerkörper 10 aus einem Feststdffelektrolyt. Bei beiden Fühlern sind wieder mehrere Meßzellen vorgesehen, um eine erhöhte Ausgangsspannung zu erhalten. Im einzelnen ist bei dem Ausfür rungsbeispiel gemäß F i g. 10 unterhalb jedes Elektrodei ipaares 12,14 zweier benachbarter Meßzellen eine Iso ationsschicht !8 vorgesehen, welche verhindert, daß sich zwischen den in Reihe geschalteten Meßzellen über den Festelektrolyten 16 hinweg ein Kurzschluß ergibt. Bei dem Meßfühler gemäß F i g. 11 ist zwischen dem Trägerkörper 10 und den Elektrodenpaaren 12,14 keine besondere Isolationsschicht 18 vorgesehen. Andererseits ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Außenseite der Elektrodenpaare 12,14 mit einer gasdichten Glasur versehen, wodurch störende Nebeneffekte unterhalb der Elektrodenpaare bzw. an der Grenzschicht zwischen der katalytisch aktiven Elektrode, der katalytisch inaktiven Elektrode und dem Festelektrolyt vermieden werden.In contrast to the exemplary embodiments explained above, the measuring sensors according to FIGS. 10 and 11 have a support body 10 made of a solid electrolyte. Both sensors have several measuring cells again provided in order to obtain an increased output voltage. In detail, in the Ausfür is approximately example according to FIG. 10 below each pair of electrodes 12, 14 two adjacent measuring cells an insulation layer ! 8 provided, which prevents that between the series-connected measuring cells via the Solid electrolyte 16 results in a short circuit. In the case of the sensor according to FIG. 11 is between the Carrier body 10 and the electrode pairs 12, 14 no special insulation layer 18 is provided. on the other hand is in this embodiment, the outside of the electrode pairs 12,14 with a gas-tight glaze provided, causing disruptive side effects below the electrode pairs or at the interface between the catalytically active electrode, the catalytically inactive electrode and the solid electrolyte avoided will.

Das Aufbringen des Elektrodenmaterials auf den Trägerkörper 10 kann beispielsweise durch Bedampfen oder Aufstäuben mit entsprechenden Schablonen oder unter Anwendung von Ätzschritten erfolgen. Das Elektrodenmaterial kann auch in einem der Siebdrucktechnik entsprechenden Verfahren schichtweise aufgetragen werden.The electrode material can be applied to the carrier body 10, for example, by vapor deposition or dusting with appropriate templates or using etching steps. That Electrode material can also be applied in layers using a method corresponding to screen printing technology will.

Bei Trägerkörpern aus einem Festelektrolyt können ferner Nebenschlüsse zu einem in der Innenbohrung des Trägerkörpers angeordneten Anschluß, der beispielsweise als ein gesinterter metallischer Leiterpfad ausgebildet sein kann, oder auch als Beschichtung der gesamten Innenbohrung mit temperaturbeständigem elektronenleitenden Material, dadurch vermieden oder zumindest weitgehend unterdrückt werden, daß man den Trägerkörper ausreichend dickwandig ausbildet. Ferner kann die Innenbohrung mit einer Glasur oder Engobe versehen werden, und es besteht auch die Möglichkeit, die Elektrodenringe auf der Mantelfläche in dem Bereich zu unterbrechen, unter dem auf der Innenseite des Trägerkörpers bzw. in der Innenbohrung desselben der Leiterpfad verläuft.In the case of support bodies made of a solid electrolyte, shunts to one in the inner bore of the can also be used Support body arranged connection, for example as a sintered metallic conductor path can be designed, or as a coating of the entire inner bore with temperature-resistant electron-conducting material, thereby avoided or at least largely suppressed that one the carrier body forms sufficiently thick-walled. Furthermore, the inner bore with a glaze or Engobe are provided, and there is also the possibility of the electrode rings on the outer surface interrupt in the area under which on the inside of the support body or in the inner bore the same the conductor path runs.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Claims: i8 907

1. Sensor for determining the oxygen content in exhaust gases, in particular from internal combustion engines, with at least one measuring cell, one catalytically active and one catalytically inactive Electrode and a solid electrolyte between the two electrodes, characterized in that that both electrodes (12, 14) of the oxygen concentration cell with low Distance from one another on a solid, electrically insulating support body (10) arranged one behind the other are, with a surface area of the solid electrolyte between the electrodes (12, 14) (16) is located

2. Sensor according to claim 1, with several measuring cells connected in series, characterized in that that the alternately successive electrode (12, 14) and solid electrolyte areas (16) are combined to form a rod-shaped measuring cell arrangement.

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that one in the axial direction continuous support body (10) is provided.

4. Sensor according to claim 3, characterized in that the carrier body (10) as a metal rod is formed, which carries an insulation layer (18) (Fig. 1 and 2).

5. Sensor according to claim 3, characterized in that the carrier body (10) consists of a heat-resistant, electrically insulating ceramic material

6. Sensor according to claim 3, characterized in that that the carrier body (10) consists of a solid electrolyte material.

7. Sensor according to claim 4, characterized in that the metal rod as a lead to a first electrode (12) is formed (F i g. 1 and 2).

8. Sensor according to claim 5, characterized in that the lead for the first electrode (12) is designed as a metallic conductor inside the ceramic material.

9. Sensor according to one of claims 2 to 8, characterized in that the between the first electrode (12) and a last electrode (14) lying electrode pairs of one each catalytically active and a catalytically inactive electrode each form a continuous sleeve (Figures 2 and 4).

10. Sensor according to claim 6 or 9, characterized in that the central part of the continuous The sleeve is insulated from the layered electrolyte material by an insulation layer (18) (FIG. 10).

11. Sensor according to one of claims 6,9 or 10, characterized in that the sleeve has a gas-impermeable protective layer on its outside (20) is covered (Fig. 11).

12. Sensor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the measuring cell (s) are covered by a gas-permeable, porous protective layer (20) is (are) surrounded.

13. Sensor according to claim or 6, characterized characterized in that the electrodes (12, 14) and / or the solid electrolyte (16) on the carrier body (10) or are sintered onto an insulating layer (18) surrounding it.

The invention relates to a sensor for determining the oxygen content in exhaust gases, in particular of internal combustion engines, with at least one measuring cell, one catalytically active and one catalytically Inactive electrode and a solid electrolyte between the two electrodes has such Sensors are known for example from DE-OS 23 04 622, where a relatively massive plate made of solid electrolyte material between two plate-shaped electrodes

to is arranged. A similar embodiment of a sensor of the type considered here also shows the DE-OS 25 47 683. Furthermore, sensors for determining the oxygen content are already in the Exhaust gases from internal combustion engines became known,

however, both electrodes are catalytically active in these and as an inner or outer coating of a finger-shaped hollow body made from the solid electrolyte (US Pat. 3,978,006).

A common feature of the previously known, The measuring sensor working as oxygen concentration chains consists in the fact that the solid electrolyte has a relatively large thickness between the electrodes and. also from at least one of the Electrodes completely or at least largely against the exhaust gas flow, their oxygen concentration is to be measured, shielded The considerable material thickness, the low thermal conductivity the "ceramic solid electrolytes as well as the total relatively large heat capacity of such sensors lead to a relatively slow heating of the Solid electrolyte to its working temperature, so that

* For example, after a cold start of a motor vehicle, a considerable time elapses before the sensor is in the Is able to generate a usable measurement output signal, which can then be used, for example, to control the Mixture composition can be used.

Based on this prior art, the invention is based on the object of an improved Specify a sensor in which a rapid heating of the solid electrolyte to its operating temperature is guaranteed.

This object is achieved with a sensor of the type described in that both electrodes of the O 2 concentration cell are arranged one behind the other at a small distance from one another on a solid, electrically insulating support body, with a surface area of the solid electrolyte between the electrodes.
The inventive design of the sensor has the decisive advantage that instead of a relatively massive solid electrolyte body only a relatively small area of the solid electrolyte has to be brought to the operating temperature, this area at least partially a surface, for. B. forms a jacket surface of the sensor and is thus very quickly brought to its operating temperature by the hot exhaust gases flowing around the sensor, even if the sensor is surrounded by an outer gas-permeable protective layer that also closes the metrologically active area of the solid electrolyte can surround its protection against particle bombardment or corrosive precipitation. Such an outer porous protective layer can also be used to limit the amount of gas that penetrates the 3-phase boundary of the O2 measuring cell, so that the catalytic conversion of the exhaust gas at the catalytically active electrode is ensured.

It has proven to be beneficial if the sensor