DE3709516C2 - Sauerstoffsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor oder -meß­ fühler zum Messen der Sauerstoffkonzentration in z. B. dem Abgas von einer Brennkraftmaschine.

Mit dem Ziel der Verbesserung der Kraftstoffausnutzung und der Verringerung von Emissionen wird derzeit die Regelung des Luft/Kraftstoffgemisches bei Brenn­ kraftmaschinen auf der Grundlage von Messungen des Sauer­ stoffpartialdrucks im Abgas von der Brennkraftmaschine vorgenommen. Der Sauerstoffpartialdruck des Abgases wird mit einem Sauerstoffsensor gemessen, der eine Schicht oder Lage aus einem sauerstoffionenleitenden Elektrolyten, wie einer Festlösungsverbindung aus Zirkonoxid oder Yttrium­ oxid, verwendet. Ein Beispiel für einen solchen Sauer­ stoffsensor ist in der (offengelegten) JP-Gebrauchsmuster­ anmeldung 100658/1985 beschrieben. Der Sensor gemäß dieser Schrift weist eine sauerstoffionenleitende Festelektrolyt­ schicht in einem Spalt oder Zwischenraum zwischen einer inneren und einer äußeren Elektrode auf, die zylinderförmig kon­ zentrisch zueinander angeordnet sind. Dieser Sensor kann als Sauerstoffkonzentrationssensor angesehen werden, der eine Messung an einem zu untersuchenden Gas an der Außen­ fläche der Festelektrolytschicht vornimmt. Dies bedeutet, daß der Sensor ein Meßsystem darstellt, das ohne Einführung einer Bezugsatmosphäre arbeitet.

Um zu gewährleisten, daß die als Bezugssauerstoffquelle benutzte Luft beim obigen Sensor in Berührung mit der Innenfläche der Festelektrolytschicht eingeführt wird, ohne sich mit dem zu untersuchenden Gas zu vermischen, wird eine "grüne" oder ungesinterte Lage (green sheet) verwendet, die einen Schlitz aufweist, der einen Luftein­ führkanal bildet, und die um ein Kernmaterial herumge­ wickelt sein muß, welches in einer Stangen- oder Stabform vorliegen kann und mit der Festelektrolytschicht bedeckt ist. Die Anordnung aus dem Kern und der ungesinterten Lage wird gesintert, wobei ein Erzeugnis mit einem Kanal zum Einführen der Bezugsatmosphäre erhalten wird. Dabei müssen - mit anderen Worten - mindestens zwei Lagen oder Schichten, von denen die eine eine ungesinterte Lage aus der Fest­ elektrolytschicht für die Messung des Sauerstoffpartial­ drucks und die andere eine ungesinterte Lage, die als Ab­ standselement dient und mit dem erwähnten Schlitz versehen ist, darstellt, gesintert werden, nachdem sie konzentrisch zueinander gewickelt worden sind. Die Herstellung einer konzentrischen Anordnung aus mehr als einer ungesinterten Lage unter Vermeidung einer Verformung wirft jedoch er­ hebliche Schwierigkeiten auf. Darüber hinaus bedingt die größere Zahl der erforderlichen Fertigungsschritte eine verminderte Produktionsleistung.

Ein anderes Problem bei der oben beschriebenen Technik besteht darin, daß die Verwendung eines Stabs für das Kern­ material eine erhöhte Wärmekapazität des Sauerstoffsen­ sors bedingt. Um den Sensor auf einer für die vorgesehene Messung geeigneten Temperatur zu halten, muß ein Heiz­ element für die Elektroden eine hohe Wärmeerzeugungs-Nenn­ leistung besitzen; dabei erhöht sich jedoch der Leistungs­ bedarf des Heizelements unter Beeinträchtigung seiner Halt­ barkeit.

Ein weiterer Sauerstoffsensor ist aus der DE 35 09 197 A1 bekannt. Dieser bekannte Sensor besitzt ein längliches plana­ res Sauerstoffühlerelement, das einen quaderförmigen flächi­ gen Festelektrolytkorpus aufweist, auf dem Elektroden mit Anschlußleitungen und Anschlußabschnitten aufgedruckt sind. Der Zugang einer Bezugsatmosphäre zu einer der Elektroden wird durch einen rechteckigen, einseitig offenen Rahmen aus Zirkondioxid gebildet, der auf dem Festelektrolytkorpus auflaminiert ist und von einer ebenfalls flächigen Sauer­ stoffühlerschicht aus Zirkondioxid abgedeckt ist. Durch die Laminierung mehrerer Schichten weist dieser Sensor auch das zuvor beschriebene Problem auf, daß aufgrund der erhöhten Wärmekapazität zur Erwärmung des Sensors Heizelemente einer größeren Heizleistung erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sauerstoff­ sensors, der sich einfach herstellen läßt und eine geringe Wärmekapazität aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Sauer­ stoffsensor, mit einem hohlzylindrischen Element, das am einen axialen Ende offen und am anderen axialen Ende geschlossen ist und in einer Seitenwand mindestens eine durchgehende Öffnung aufweist, und einer sauerstoffionen­ leitenden Festelektrolytschicht, die das hohlzylindrische Element umschließt, wobei an gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht mindestens zwei Elektroden vorgesehen sind, von denen die eine Elektrode im Bereich der durchgehen­ den Öffnung des hohlzylindrischen Elements diesem zugewandt angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor oder -meßfühler läßt sich als hohlzylindrisches Element umreißen, das am einen Ende geschlossen, am anderen Ende aber für den Zulaß eines Bezugsgases offen ist. Im hohlzylindrischen Element ist min­ destens eine durchgehende Radialöffnung vorgesehen. Eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht weist auf ihren gegenüberliegenden Seiten mindestens zwei Elektroden auf. Die Elektrolytschicht ist um das hohlzylindrische Element so her­ umgewickelt, daß die innenseitige Elektrode der durchgehenden Öffnung zugewandt ist.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor bietet verschiedene Vorteile. Zum einen ist er keinen Änderungen aufgrund einer sich ändernden Gasströmung unterworfen. Durch unterschiedli­ che Wärmeausdehnung der verschiedenen Werkstoffe wird nur eine geringe (mechanische) Spannung erzeugt. Der Sensor besitzt einen einfachen Aufbau, so daß er sich kostensparend herstellen läßt. Darüber hinaus ist keine äußere elektrische Stromquelle erforderlich.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Sauer­ stoffsensors gemäß einer Ausführungsform der Er­ findung,

Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Teil- bzw. Schnittansicht des hohlzylindrischen Elements beim Sauerstoff­ sensor gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Darstel­ lung des Sauerstoffsensors nach Fig. 1,

Fig. 5 eine teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung einer Sauerstoffmeßsonde unter Verwendung des Sauerstoffsensors nach Fig. 1,

Fig. 6 eine auseinandergezogene perspektivische Darstel­ lung eines Sauerstoffsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 7 eine auseinandergezogene perspektivische Darstel­ lung eines Sauerstoffsensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Mit dem erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor sollen die oben geschilderten Probleme beim Stand der Technik gelöst wer­ den. Der Sauerstoffsensor umfaßt ein hohlzylindrisches Element, das am einen Ende offen ist, am anderen Ende eine Verschlußwand aufweist und in der Seitenwand mit einer durchgehenden Öffnung versehen ist. Eine sauerstoffionen­ leitende Festelektrolytschicht umschließt das hohlzy­ lindrische Element, wobei die Festelektrolytschicht auf gegenüberliegenden Seiten min­ destens zwei Elektroden aufweist. Eine Elektrode an der Innenfläche der Festelektrolytschicht ist in einem der Öffnung im hohlzylindrischen Element entsprechenden Be­ reich vorgesehen.

Das hohlzylindrische Element beim erfindungsgemäßen Sauer­ stoffsensor bildet einen Bezugsgas-Einführkanal insofern, als die als Bezugssauerstoffquelle dienende atmosphärische Luft in das Element an dessen offenem Ende eintritt und über die durchgehende Öffnung in eine elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle austritt, die aus der Festelektrolytschicht und zwei Elektroden gebildet ist. Das hohlzylindrische Element kann auf passende Weise, z. B. durch Gesenkform­ pressen oder Extrudieren, hergestellt werden; sein Werk­ stoff kann aus Keramikmaterialien, Metallen oder anderen Materialien bestehen, die keinen vom Wärmedehnungskoeffi­ zienten der Festelektrolytschicht wesentlich verschiedenen Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen. Wenn das zu analysierende Gas von einer Brennkraft­ maschine stammt und daher eine Temperatur von bis zu 600°C oder auch mehr besitzen kann, werden vorzugsweise Keramikmaterialien verwendet. Bei Verwendung von Metall muß das hohlzylindrische Element gegenüber der Elektrode an der Innenfläche der Festelektrolytschicht isoliert werden.

Die Festelektrolytschicht kann aus einem beliebigen Ma­ terial geformt werden, das Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt, z. B. Y₂O₃-ZrO₂ oder CaO-ZrO₂.

Die auf gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht vorgesehenen Elektroden können aus einem Edelmetall, wie Platin, oder einem gasdurchlässigen Material in Form eines Gemisches aus einem Edelmetall und einem Keramikpulver geformt sein.

Die oben genannten Bauelemente können auf verschieden­ artige Weise zu einem Sauerstoffsensor zusammengesetzt werden. Gemäß einem entsprechenden Verfahren wird eine ungesinterte Schicht oder Lage (green sheet) aus dem Fest­ elektrolyten, auf deren gegenüberliegende Seiten Elek­ troden nach einem Dickschichtauftragprozeß aufgedruckt sind, derart um das hohlzylindrische Element herumge­ wickelt oder -gelegt, daß sich die Elektrode an der Innen­ fläche der Lage in einem der durchgehenden Öffnung im hohlzylindrischen Element entsprechenden Bereich befindet. Die Anordnung wird dann mittels einer geeigneten Form-Vor­ richtung in einer Rohrform fixiert und zur Bildung eines einheitlichen Systems des Sauerstoffsensors ge­ sintert.

In der Nähe der Elektrode an der Innenfläche der Fest­ elektrolytschicht kann ein Heizelement nach Dickschicht­ auftragtechnik aufgedruckt sein. Wahlweise kann nach derselben Technik ein Heizelement in der Nähe der Elektrode an der Außenfläche der Festelektrolytschicht aufgedruckt sein. Vorteilhaft bei der Anordnung eines Heizelements ist, daß ein Bereich der Festelektrolytschicht in der Nähe oder Nachbarschaft einer der Elektroden auf eine für die vorgesehene Messung geeignete Temperatur erwärmt werden kann.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor weist einen das hohlzylindrische Element durchsetzenden Bezugsgas-Einführ­ kanal zum Aufnehmen oder Einleiten von Atmosphärenluft am offenen Ende und zum Auslassen derselben aus dem Ele­ ment über die durchgehende Öffnung auf, so daß die Luft die Elektrode an der Innenfläche der Festelektrolytschicht kontaktiert. Da das Bezugsgas mit der Innenfläche der Fest­ elektrolytschicht in Berührung gebracht wird, während deren Außenfläche mit dem zu untersuchenden Gas in Berührung steht, kann der Sauerstoffpartialdruck in dem zu unter­ suchenden Gas durch Messung des zwischen den Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytschicht fließen­ den Stroms bestimmt werden. Bei Anwendung dieser Ausge­ staltung kann ein Sauerstoffsensor ohne eine ungesinterte Lage mit einem Schlitz zur Bildung eines Bezugsgas-Ein­ führkanals hergestellt werden. Außerdem begünstigt die Verwendung eines hohlzylindrischen Elements die Herstel­ lung eines Sauerstoffsensors, der einfach aufgebaut ist und eine geringe Wärmekapazität besitzt.

Im folgenden ist eine erste Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben, in denen die einzelnen Bauteile zur besseren Verdeutlichung nicht maßstabsgerecht dargestellt sind.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Sauerstoffsensor 1 gemäß der Er­ findung aus einem hohlzylindrischen Element 4, um das eine Festelektrolytschicht 8 herumgewickelt bzw. herumgelegt ist. Das Element 4 besteht aus ZrO₂ und weist in seiner Außenfläche durchgehende Öffnungen bzw. Bohrungen 2 und 3 auf. Die Festelektrolytschicht 8 ist an ihrer Innen­ seite mit einer Bezugselektrode 5 versehen und weist an ihrer Außenseite eine Meßelektrode 6 sowie zwei Heizele­ mente 7 auf. Die beiden Heizelemente 7 gemäß Fig. 1 sind einmal in dem von der Festelektrolytschicht 8 bedeckten Zustand und zum anderen in einem teilweise freigelegten Schnitt, welcher den gewählten Aufbau des Heizelements 7 erkennen läßt, dargestellt.

Aus der Darstellung von Fig. 2 (Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1) ist ersichtlich, daß die Bezugselektrode 5 in einem gewählten Bereich der Innenfläche der Festelek­ trolytschicht in Berührung oder Kontakt mit dem hohlzy­ lindrischen Element 4 angeordnet ist. Dieser gewählte Be­ reich entspricht den durchgehenden Öffnungen bzw. Boh­ rungen 2 und 3. Die Meßelektrode 6 befindet sich an der Außenfläche der Festelektrolytschicht 8 in einem gewählten oder bestimmten Bereich, welcher der Bezugselektrode 5 gegenüberliegt und mit dieser korrespondiert. Die Heiz­ elemente 7 sind dabei an der Außenfläche der Festelektrolyt­ schicht 8 so angeordnet, daß die Meßelektrode 6 zwischen ihnen liegt.

Die innenseitige Bezugselektrode 5 ist mit einem Anschluß 11 (vgl. Fig. 1) über eine durchgehende Öffnung oder Boh­ rung in der Festelektrolytschicht 8 verbunden. Die Meß­ elektrode 6 ist mit einem Anschluß 12 verbunden, während die Heizelemente 7 an zwei Anschlüsse 13 angeschlossen sind.

Fig. 4 veranschaulicht den Sauerstoffsensor gemäß Fig. 1 in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung, wo­ bei das an der Unterseite von Fig. 4 gezeigte hohlzylindrische Element 4 auch in Fig. 3 im Schnitt längs der Linie B-B dargestellt ist. Hierbei besitzt das hohlzylindrische Element 4 einen Außendurchmesser von 3,2 mm und einen Innendurchmesser von 1,5 mm, wobei es am einen Ende 14 offen und am anderen Ende durch eine Wand 15 verschlossen ist. Die beiden Bohrungen 2 und 3 jeweils eines Durch­ messers von 1 mm sind in einen bestimmten Bereich der Sei­ tenwand in der Nähe der verschließenden Wand 15 ausgebil­ det. Die endseitige Öffnung 14, der Hohlraum 16 und die Bohrungen 2 und 3 des Elements 4 bilden einen Bezugsgas- Einführkanal, in welchem die über die Öffnung 14 ein­ strömende atmosphärische Luft den Hohlraum 16 durchströmt und über die Bohrungen 2 und 3 austritt. Das hohlzylindrische Element 4 der beschriebenen Ausgestaltung läßt sich ohne weiteres durch Gesenkformpressen oder Extrudieren bzw. Strangpressen herstellen.

Gemäß Fig. 4 besteht die Festelektrolytschicht 8 aus einer ungesinterten Lage (green sheet) 8a aus einem Pulver einer Mischkristallzusammensetzung von Y₂O₃ und ZrO₂ im Gemisch mit einem herkömmlichen Bindemittel. In einer Ecke der unge­ sinterten Lage 8a ist eine durchgehende Öffnung bzw. Boh­ rung 21 ausgebildet, über welche die Bezugselektrode 5 mit dem Anschluß 11 verbindbar ist.

Die die Innenfläche der Festelektrolytschicht 8 bildende Rückseite der ungesinterten Lage 8a ist mit der Bezugs­ elektrode 5 versehen, die durch Aufdrucken einer zirkon­ oxidhaltigen Platinschicht mit einer Dicke von 10 µm nach Dickschichtauftragtechnik ausgebildet ist.

Die die Außenfläche der Festelektrolytschicht 8 bildende Vorderseite der ungesinterten Lage 8a ist mit den im fol­ genden angegebenen, nach Dickschichtdrucktechnik ausge­ bildeten Elementen versehen. Hierbei werden zunächst der Bezugselektroden-Anschluß 11, die Meßelektrode 6 und der Meßelektroden-Anschluß 12 aus zirkon­ oxidhaltigem Platin in Form jeweils einer 10 µm dicken Schicht geformt. Sodann wird auf der Oberfläche der Meß­ elektrode 6 eine Schutzschicht 22 aus platinhaltigem Alu­ miniumoxid mit einer Dicke von 20 µm ausgebildet. Als nächstes wird eine Isolierschicht 23 aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 30 µm auf der Gesamtoberfläche der ungesinterten Lage 8a, mit Ausnahme eines von den An­ schlüssen 11 und 12 eingenommenen Bereichs 24 und eines von der Meßelektrode 6 eingenommenen Bereichs 25, erzeugt. Danach werden die beiden Heizelemente 7 und die Heizele­ ment-Anschlüsse 13, die jeweils aus aluminiumoxidhaltigem Platin bestehen und eine Dicke von 10 µm besitzen, auf der Oberfläche der Isolierschicht 23 erzeugt. Schließlich wird eine Isolierschicht 26 aus siliziumoxidhaltigem Alu­ miniumoxid mit einer Dicke von 20 µm auf der Gesamtfläche der Isolierschicht 23 ausgebildet, mit Ausnahme eines durch die Heizelement-Anschlüsse 13 bedeckten Bereichs 27 und eines von der Meßelektrode 6 eingenommenen Bereichs 28.

Nachdem sie mit den erforderlichen Teilen nach Dickschicht­ drucktechnik versehen worden ist, wird die ungesinterte Lage 8a an ihrer Rückseite oder Innenseite mit einer Schicht aus Zirkonoxidpaste bestrichen und um das hohlzylindrische Element 4 so herumgewickelt, daß sich die Bezugselektrode 5 in einem Bereich befindet, der den Bohrungen 2 und 3 im Element 4 entspricht. Die herumgewickelte ungesinterte Lage 8a wird durch Anpressung mit Hilfe eines Gummiele­ ments unter Vakuum fest gegen das hohl­ zylindrische Element 4 gehalten und dann in der Atmosphäre gesintert, wodurch der Sauerstoffsensor 1 gemäß Fig. 1 erhalten wird.

Der auf diese Weise hergestellte Sauerstoffsensor 1 wird gemäß Fig. 5 mit Hilfe eines Füllpulvers 33 aus Ruß, Tal­ kum o. dgl., einer Dichtungspackung 34 und eines Dicht­ rings 35 in einem Halter 32 fixiert. Eine Anschluß-Druck­ metallvorrichtung 36 wird durch Hartlöten mit den einzel­ nen Anschlüssen 11, 12 und 13 verbunden, und eine ge­ trennte Zuleitung 37 wird gegen jede derartige Metall­ fixiervorrichtung unter Druck verspannt. Nach Anbringung eines Metallrahmens (bzw. einer Mutter) 38, eines Schutz­ gehäuses 39, einer Durchführung 40 und einer Schutzkappe 41, die eine Gasströmung zur Meßelektrode 6 zuläßt, ist eine Sauerstoffmeßsonde 42 fertiggestellt.

Beim beschriebenen Sauerstoffsensor 1 tritt Atmosphären­ luft am offenen Ende 14 (von der Oberseite gemäß Fig. 5 her) in das hohlzylindrische Element 4 ein und strömt über die Bohrungen 2 und 3 in Berührung mit der Bezugselektrode 5 aus. Da der erforderliche Bezugsgas-Einführkanal ohne Verwendung einer geschlitzten ungesinterten Lage vorge­ sehen ist, kann der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor mit hoher Produktionsleistung und einer kleineren Zahl von Fertigungsschritten hergestellt werden.

Außerdem begünstigt die Verwendung des hohlzylindrischen Elements 4 die Verringerung der Wärmekapazität (oder des Wärmeinhalts) des Sauerstoffsensors; hierdurch wird ein verbesserter thermischer Wirkungsgrad der Heizelemente 7 und damit ein geringerer Leistungsverbrauch erzielt. Vorteilhaft ist dabei auch, daß die Heizelemente nach Dickschichttechnik auf die Oberfläche der ungesinterten Lage 8a aufgedruckt werden, wodurch die Herstellung des Sauerstoffsensors erheblich vereinfacht wird.

Im folgenden ist anhand von Fig. 6 eine zweite Ausführungs­ form der Erfindung beschrieben, deren wesentliches Merk­ mal darin besteht, daß die Heizelemente an der Innenfläche einer Festelektrolytschicht vorgesehen sind.

Gemäß Fig. 6 wird die die Innenfläche der Festelektrolyt­ schicht bildende Rückseite einer ungesinterten Lage (green sheet) 108a nach Dickschichtdrucktechnik mit einer Be­ zugselektrode 105, einer Isolierschicht 152, Heizele­ menten 107 und einer Isolierschicht 151 in der angegebenen Reihenfolge versehen. Die die Außenfläche der Festelektro­ lytschicht bildende Vorderseite der ungesinterten Lage 108a wird nach derselben Technik mit einer Meßelektrode 106, einer Schutzschicht 122, einer Isolierschicht 153, einem Bezugselektroden-Anschluß 111, einem Meßelektroden- Anschluß 112 sowie Heizelement-Anschlüssen 113 in der an­ gegebenen Reihenfolge versehen. Die auf diese Weise mit den erforderlichen Bauelementen versehene ungesinterte Lage 108a wird um ein hohlzylindrisches Element 104 in der Weise herumgewickelt, daß die Bezugselektrode 105 auf der ungesinterten Lage 108a in einem Bereich zu liegen kommt, der einer durchgehenden Öffnung oder Bohrung 102 in der Seitenwand des hohlzylindrischen Elements 104 ent­ spricht. Anschließend wird die Anordnung, wie bei der zu­ erst beschriebenen Ausführungsform, zur Bildung des fer­ tigen Sauerstoffsensors gesintert. Die Elemente des Sauer­ stoffsensors bestehen dabei aus denselben Werkstoffen wie die entsprechenden Elemente der zuerst beschriebenen Aus­ führungsform.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 sind die Heizelemente 107 an derselben Seite der ungesinterten Lage 108a wie die Bezugselektrode 105 vorgesehen, so daß die Bezugselek­ trode mit hohem Wirkungsgrad auf eine für die vorgesehene Messung geeignete oder zweckmäßige Temperatur erwärmt wer­ den kann. Auch wenn das zu untersuchende Gas niedrige Temperatur besitzt, kann der Sauerstoffpartialdruck in diesem Gas ohne weiteres gemessen werden, weil die Meß­ zone nicht für die vorgesehene Messung zu kalt wird. Ein offensichtlicher Vorteil dieses Merkmals besteht darin, daß dann, wenn der Sauerstoffsensor für die Messung des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas von einer Brennkraftma­ schine benutzt wird, die angestrebte Messung unmittelbar nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine einsetzen kann.

Im folgenden ist anhand von Fig. 7 eine dritte Ausführungs­ form der Erfindung beschrieben, deren Hauptmerkmal darin liegt, daß das hohlzylindrische Element gemäß der ersten Ausführungsform als Bauteil eines Luft/Kraftstoff-Verhält­ nissensors benutzt wird.

Gemäß Fig. 7 wird die die Innenfläche der Festelektrolyt­ schicht bildende Rückseite einer ungesinterten Lage (green sheet) 208a nach Dickschichtdrucktechnik mit einer zweiten Pumpelektrode 262, einer Diffusionsdrosselschicht (diffusion limiting layer) 261, einer Meßelektrode 206, einer anderen Elektrolytschicht 263 und einer Bezugselektrode 205 in der angegebenen Reihenfolge versehen. Die die Außenfläche der Festelektrolytschicht bildende Vorderseite der unge­ sinterten Lage 208a wird nach derselben Technik mit einer ersten Pumpelektrode 264, einer Isolierschicht 226, Heiz­ elementen 207 sowie einer Isolierschicht 229 in der ange­ gebenen Reihenfolge versehen. Die auf diese Weise mit den entsprechenden Bauelementen versehene ungesinterte Lage 208a wird, wie im Fall der zuerst beschriebenen Ausführungs­ form, um ein hohlzylindrisches Element 204 herumgewickelt und anschließend in der Atmosphäre zur Lieferung eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors gesintert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind die Heizelemente 207 auf der Oberfläche einer einzigen Schicht einer unge­ sinterten Lage 208a ausgebildet, wodurch die Herstellung eines Verhältnissensors der genannten Art wesentlich ver­ einfacht wird. Da das hohlzylindrische Element 204 und die einzige Schicht aus der ungesinterten Lage 208a die beiden Hauptbauelemente darstellen, besitzt der Sensor eine verringerte Wärmekapazität; hierdurch wird effektiv der Energieverbrauch der Heizelemente 207 unter Verbesse­ rung ihrer Haltbarkeit bzw. Standzeit verringert.

Ein weiterer Vorteil des Sensors gemäß der dritten Aus­ führungsform besteht darin, daß aufgrund des beschriebenen einfachen Aufbaus ein elektrochemisches Sauerstoffkonzen­ trationszellenelement mit einem Sauerstoffpumpelement so kombiniert werden kann, daß ein Luft/Kraftstoffverhältnis­ signal auf der Grundlage eines gemessenen Pumpstroms abge­ griffen werden kann.

Ersichtlicherweise ist die Erfindung keineswegs auf die vorstehend dargestellten und beschriebenen Ausführungs­ formen beschränkt, sondern verschiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor weist einen einfachen Aufbau auf, weil ein hohlzylindrisches Element, das am einen Ende offen ist und in seiner Seitenwand eine durch­ gehende Öffnung oder Bohrung aufweist, als Bezugsgas-Ein­ führkanal benutzt wird, wobei dieses hohlzylindrische Ele­ ment umfangsmäßig mit einer Festelektrolytschicht belegt ist. Da hierbei nur die Festelektrolytschicht um das hohl­ zylindrische Element herumgewickelt oder herumgelegt zu werden braucht, kann der gewünschte Sauerstoffsensor mit hoher Produktionsleistung und mit einer verringerten Zahl von Fertigungsschritten hergestellt werden. Außerdem wird durch das hohlzylindrische Element effektiv die Wärme­ kapazität des Sauerstoffsensors verringert; infolgedessen wird nicht nur der thermische Wirkungsgrad eines zum Akti­ vieren des Sensors benutzten Heizelements verbessert, son­ dern auch der Energie- oder Strombedarf des Heizelements herabgesetzt.

Claims (8)

1. Sauerstoffsensor, mit
einem hohlzylindrischen Element (4, 104, 204), das am einen axialen Ende (14) offen und am anderen axialen Ende (15) geschlossen ist und in einer Seitenwand mindestens eine durchgehende Öffnung (2, 3, 102, 202, 203) aufweist, und
einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht (8), die das hohlzylindrische Element (4, 104, 204) umschließt, wobei an gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht (8) mindestens zwei Elektroden (5, 6, 105, 106, 205, 206, 262, 264) vorgesehen sind, von denen die eine Elektrode im Bereich der durchgehenden Öffnung (2, 3, 102, 202, 203) des hohlzylindrischen Elements (4, 104, 204) diesem zugewandt angeordnet ist.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, bei dem die Fest­ elektrolytschicht an ihrer dem hohlzylindrischen Element zugewandten Seite ein Heizelement aufweist.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, wobei zwischen dem Heizelement und der Festelektrolytschicht eine Isolierschicht vorgesehen ist.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, bei dem die Fest­ elektrolytschicht an ihrer vom hohlzylindrischen Element abgewandten Seite ein Heizelement aufweist.

5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 4, wobei zwischen dem Heizelement und der Festelektrolytschicht eine Isolierschicht vorgesehen ist.

6. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste axiale Ende des hohlzylindrischen Elements zu einem Bezugsgas hin offen ist und die vom hohlzylindrischen Element abgewandte Elektrode mit einem zu messenden oder zu untersuchenden Gas beaufschlagbar ist.

7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 6, wobei die beiden Elek­ troden jeweils im Bereich der durchgehenden Öffnung ausgebil­ det sind.

8. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Elektroden durch eine(n) auf die Festelektrolyt­ schicht aufgedruckte(n) Dickschicht oder -film gebildet sind.