DE3729164A1

DE3729164A1 - Vorrichtung zur bestimmung einer sauerstoffkonzentration

Info

Publication number: DE3729164A1
Application number: DE19873729164
Authority: DE
Inventors: Toshitaka Saito; Hiromi Sano; Soji Ota; Syohei Udo
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1986-09-01
Filing date: 1987-09-01
Publication date: 1988-04-14
Anticipated expiration: 2007-09-02
Also published as: DE3729164C2; US4908119A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestim mung einer Sauerstoffkonzentration, die die in einem Abgas, z.B. einer Brennkraftmaschine, enthaltene Sauerstoffmenge mißt, um die der Maschine einzuspritzende Kraftstoffmenge zu regeln.

Wenn beispielsweise die optimale, einer Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmt werden soll, so wird eine Luft-Kraftstoff-Verhältnisregelung durchgeführt, um die im Abgas enthaltene Sauerstoffmenge zu messen, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Brennraum auf einen optimalen Wert eingestellt werden kann.

Um eine Luft-Kraftstoff-Verhältnisregelung durchzuführen, wird in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine ein Sauer stoffkonzentrationsfühler angeordnet, der die im die Abgas leitung durchströmenden Abgas enthaltene Sauerstoffmenge mißt, worauf die Kraftstoffeinspritzmenge dann auf der Grundlage eines vom Sauerstoffkonzentrationsfühler abgege benen Signals korrigiert und erneut berechnet wird. Die der Maschine einzuspritzende Kraftstoffmenge wird auf der Grundlage der Motordrehzahl, der Ansaugluftmenge u. dgl. berechnet.

Eine herkömmliche Vorrichtung zur Ermittlung einer Sauer stoffkonzentration umfaßt ein Fühlelement, das aus einem Festkörper-Elektrolytmaterial eines Sauerstoffionenleiters auf einer ZrO₂-Basis, dotiert mit Y₂O₃, Yb₂O₃ od. dgl., besteht. Beispielsweise wird ein becherförmiges Fühlele ment mit einem geschlossenen, zylindrischen Bodenteil aus einem Festkörper-Elektrolytmaterial hergestellt, wobei an dessen Innen- und Außenflächen Elektrodenschichten ausge bildet werden. Das Elektrolytmaterial wird einer Atmosphä re eines der Messung unterliegenden Gases ausgesetzt, wäh rend gleichzeitig Außenluft als ein Bezugsgas dem Inneren des Fühlelements zugeführt wird. Durch eine Heizeinrichtung wird das Elektrolytmaterial dann aufgeheizt, so daß die Sauerstoffkonzentration exakt gemessen werden kann.

Da bei einer herkömmlichen Vorrichtung zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration das becherförmige Fühlelement aus einem Festkörper-Elektrolytmaterial gefertigt werden muß, ist der Herstellungsvorgang kompliziert. Weil das Fühlele ment eine Becherform hat, ist es darüber hinaus schwierig, die mechanische Festigkeit des Fühlteils zu erhöhen. Des halb müssen, wenn das becherförmige Fühlelement an einem Vibrationen ausgesetzten Teil einer Brennkraftmaschine an gebracht wird, zahlreiche Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Darüber hinaus ist auch der Aufbau der Heizeinrichtung kom pliziert.

Mit dem Ziel, die oben genannten Probleme zu lösen, wurde ein Fühlelement vorgeschlagen, das in der US-PS 42 82 080 offenbart ist. Das in dieser Schrift beschriebene Sauer stoffkonzentration-Fühlelement hat einen aus einer Heiz- und einer Elektrodenschicht gebildeten zweilagigen Aufbau an jeder Hauptfläche einer Festkörper-Elektrolytplatte, so daß eine einstückige Konstruktion gebildet wird. In einem einer der Hauptflächen des Fühlelements der Festkörper- Elektrolytplatte, an der die Heizeinrichtung und die Elek trode einstückig ausgestaltet sind, entsprechenden Teil ist eine Einlaßöffnung für Außenluft vorhanden.

Das geschichtete Fühlelement, das die Außenluft-Einlaßöff nung umgibt, ist in der Hauptsache platten- oder tafelför mig ausgestaltet. Deshalb beeinflußt die Lage des Elements mit Bezug zur Gasströmungsrichtung unvermeidbar die Genau igkeit in der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration nach teilig.

Da das Element plattenförmig gestaltet ist, ist es schwie rig, eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit zu erlan gen. Weil die Elektrodenschichten an beiden Flächen der Festkörper-Elektrolytplatte und die Heizeinrichtungen an diesen Schichten ausgebildet sind, ist eine Vielzahl von Isolierlagen erforderlich, um die Elektrodenschichten ge genüber den Heizeinrichtungen zu isolieren. Das hat einen komplizierten Aufbau des Fühlelements zum Ergebnis.

Die JP-Patent-OS Nr. 61 - 2 72 649 offenbart einen weiteren herkömmlichen Sauerstoffkonzentrationsfühler. Bei diesem Fühler sind an der Außenfläche eines stabförmigen, aus ei nem elektrisch isolierenden Material, wie Al₂O₃, gefertig ten Kerns Kehlen in einer Vielzahl ausgebildet, die als Ka näle dienen, um Außenluft als ein Bezugsgas zu führen. An jeder Hauptfläche einer Festkörper-Elektrolytfolie oder -lage sind eine innere Elektrode, eine äußere Elektrode und ein Heizelement ausgebildet. Diese Festkörper-Elektrolytla ge wird dann um die Außenoberfläche des Kerns gewickelt.

Bei dem Sauerstoffühler mit dem oben beschriebenen Aufbau dienen die Kehlen dazu, Außenluft als ein Bezugsgas zu lei ten. Wenn der Fühler so konstruiert wird, daß das Kernvolu men abnimmt, um beispielsweise die Wärmeleistung herabzu sezten, dann kann die Kehle nicht so breit oder tief sein, wie es gewünscht ist. Da die Breite und/oder Tiefe der Keh le begrenzt ist, ist es schwierig, die Außenluft gleich förmig und stetig einem Teil der Festkörper-Elektrolyt schicht zuzuführen und die Sauerstoffkonzentration in bei spielsweise dem Abgas einer Brennkraftmaschine genau zu be stimmen.

Im Hinblick auf den Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration zu schaffen, die eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit aufweist, so daß, wenn die im von einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgas enthaltene Sauerstoffmenge gemessen werden soll, die Vorrichtung den von der Maschine hervorgerufenen mechanischen Schwingungen von großer Stärke standhalten kann.

Ein Ziel der Erfindung ist darin zu sehen, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration zur Verfügung zu stellen, die einen einfachen mechanischen Aufbau, keine Richtungscharakteristik mit Bezug auf den zu messenden Gas strom und einen weiten Kanal zur Führung von Außenluft als ein Bezugsgas aufweist sowie eine einfache, schwierigkeits freie Messung der Sauerstoffkonzentration mit hoher Genauig keit ermöglicht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vor richtung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration zu schaffen, die wirksam bei einem Aufheizen und Ausdehnen ei nes Festkörper-Elektrolytmaterials, das ein Fühlelement bildet, auftretende Spannungen absorbiert, so daß eine Be schädigung der Vorrichtung verhindert wird, und die lei stungsfähig als Sauerstoffkonzentrationsfühler für bei spielsweise von einer Brennkraftmaschine abgegebenes Ab gas verwendet werden kann.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung ei ner Sauerstoffkonzentration wird ein Isolator zur Bildung eines zylindrischen Kerns, dessen äußeres, fernes End stück geschlossen ist, verwendet. Nahe dem äußeren Endstück des Kerns ist in einer Seitenwand eine Öffnung (oder ein Durchlaß) ausgebildet, die mit einem Hohlteil des Kerns in Verbindung steht. Eine Festkörper-Elektrolytschicht, die an ihren beiden Flächen Elektrodenschichten trägt, wird so an geordnet, daß sie die Öffnung verschließt. Die an einer Hauptfläche der Festkörper-Elektrolytschicht ausgebildete Elektrodenschicht liegt dem Hohlteil des Kerns, dem ein Be zugsgas zugeführt wird, über die Öffnung gegenüber.

Bei der Vorrichtung zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentra tion mit dem obigen Aufbau steht das Hohlteil, das inner halb des Kerns ausgebildet ist, mit der Außenluft in Verbin dung und eine Hauptfläche der Elektrolytschicht wird der Bezugs-Außenluftatmosphäre ausgesetzt, während die andere Hauptfläche der Atmosphäre des zu messenden Gases ausge setzt wird. Insofern kann ein der in dem zu messenden Gas enthaltenen Sauerstoffmenge proportionales elektrisches Si gnal erhalten werden. In diesem Fall können die jeweils an den beiden Flächen der Festkörper-Elektrolytschicht ausge bildeten Elektroden mit dem Äußeren durch Anschlußdrähte auf einfache Weise verbunden werden, wenn die Leiterausbil dung an einer geeigneten Isolierlage oder rund um die Ober fläche des Kerns ausgebildet wird, um die Festkörper-Elek trolytschicht zu bilden. Ferner können in diesem Fall Lei terschichten, Heizelemente u. dgl. gleichzeitig und auf leichte Weise gefertigt werden.

Bei einer derartigen Vorrichtung zur Bestimmung einer Sauer stoffkonzentration kann die Festkörper-Elektrolytschicht unter Verwendung des Kerns als Basiselement gebildet wer den. Die Bezugsgasatmosphäre kann im hohlen Teil des Kerns vorgesehen werden. Die Menge an einzuführendem Bezugsgas kann in geeigneter Weise zugeführt werden, und eine Mes sung mit hoher Genauigkeit ist ohne Schwierigkeiten zu er reichen. Mit dem Kern als Basiselement kann der gesamte Aufbau einfach gemacht werden. Die Halterungskonstruktion für beispielsweise in einer Abgasleitung kann ohne weiteres vereinfacht und mit ausreichend hoher mechanischer Festig keit ausgebildet werden. Bei der Vorrichtung gemäß der Er findung hat die Lage des Kerns mit Bezug zur Gasströmungs richtung keinerlei Einfluß auf die Genauigkeit in der Be stimmung der Sauerstoffkonzentration.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an hand bevorzugter Ausführungsformen des Erfindungsgegenstan des erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A einen Axialschnitt eines Meßfühlerteils zur Be stimmung einer Sauerstoffkonzentration in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 1B die Ansicht nach der Linie b-b in der Fig. 1A;

Fig. 2A eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Kerns des Meßfühlerteils;

Fig. 2B den Schnitt nach der Linie b-b in der Fig. 2A;

Fig. 3A und 3B Draufsichten auf die beiden Hauptflächen ei nes Fühlelements;

Fig. 3C den Schnitt nach der Linie c-c in der Fig. 3A;

Fig. 4 eine Schrägansicht einer isolierenden Lage des Fühlelements;

Fig. 5 einen Axialschnitt der Vorrichtung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration in einem Abgas;

Fig. 6A eine Schrägansicht einer Festkörper-Elektrolyt schicht;

Fig. 6B eine Schrägansicht einer Isolierfolie;

Fig. 7A einen Axialschnitt eines Meßfühlerteils in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 7B die Ansicht nach der Linie b-b in der Fig. 7A;

Fig. 8A einen Axialschnitt eines Meßfühlerteils in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 8B die Ansicht nach der Linie b-b in der Fig. 8A;

Fig. 9A und 9B eine Schrägansicht bzw. eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Kerns;

Fig. 10 eine Übersichtsdarstellung eines Fühlelements ge mäß der Erfindung;

Fig. 11A bis 11D Schnittdarstellungen zur Erläuterung der Herstellungsschritte des Fühlelements;

Fig. 12 eine Außenansicht eines an einem Kern angebrach ten Fühlelements;

Fig. 13A einen Axialschnitt eines Meßfühlerteils in einer vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 13B die Ansicht nach der Linie b-b in der Fig. 13A;

Fig. 13C den Schnitt nach der Linie c-c in der Fig. 13A;

Fig. 14A eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht des bei der Ausführungsform von Fig. 13A verwendeten Kerns;

Fig. 14B den Schnitt nach der Linie b-b in der Fig. 14A;

Fig. 15 eine Übersichtsdarstellung eines Fühlelements, das bei der Ausführungsform nach den Fig. 13A bis 14B zur Anwendung kommt.

Die Fig. 1A und 1B zeigen den Aufbau eines Meßfühlerteils einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentra tion. Das Meßfühlerteil weist einen zylindrischen Kern 11 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Al₂O₃ oder Si₃N₄, auf. Wie die Fig. 2 zeigt, ist das äußere oder ferne Endstück 111 geschlossen, während am inneren oder nahen End stück 112 eine Öffnung ausgebildet ist, welche mit der Aus senluft in Verbindung steht. Im Hohlteil 12 des Kerns 11 wird eine Außenluftatmosphäre als Bezug gebildet. Vier pa rallel zur Achse des Kerns 11 verlaufende Kehlen 131-134 sind an der Außenfläche des inneren Endstücks 112 des Kerns ausgebildet, so daß Anschlüsse hergestellt werden können.

In der Außenfläche des Kerns 11 ist eine Öffnung oder ein Durchlaß 14 an einer dem fernen Endstück nahen Stelle vor handen, die (der) mit dem Hohlteil 12 in Verbindung steht. Durch eine Abstufung an einem den Durchlaß 14 umgebenden Teil ist eine Halterungssenke 141 gefertigt, in die ein Sauerstoffkonzentration-Fühlelement 15 eingesetzt und mittels der abgestuften Senke 141 in seiner Lage gehalten wird.

Das in Fig. 3 in größerem Maßstab dargestellte Sauerstoff konzentration-Fühlelement 15 ist eine tafelförmige Fest körper-Elektrolytschicht 151, die aus einem Sauerstoffionen leiter aus ZrO₂ (Zirkonoxid), dotiert mit Y₂O₃, Yb₂O₃ od. dgl., besteht und längs der bogenförmigen Fläche des Durch lasses 14 eingesetzt ist.

An den Hauptflächen der Festkörper-Elektrolytschicht 151 sind durch Abscheidung oder Drucken erste und zweite Elek trodenschichten 152 bzw. 153 ausgebildet, von denen sich jeweils Leiterelektroden 154 und 155 zu zugeordneten Kan ten erstrecken. Die Elektrodenschichten 152 und 153 sind aus Platin od. dgl. gefertigte poröse Elektroden. In an den Elektrodenflächen vorhandenen Gasen enthaltener Sauer stoff wird der Festkörper-Elektrolytschicht 151 zugeleitet. Das bedeutet, daß das Sauerstoffkonzentration-Fühlelement 15 als eine elektrochemische Zelle dient, deren Stromstärke durch die Sauerstoffkonzentration bestimmt wird.

Um den Kern 11 wird, wenn das Fühlelement 15 in den Durch laß 14 eingesetzt ist, ein Hüllteil 16, das in Fig. 4 ge zeigt ist, gewickelt. Das Hüllteil 16 wird so gebildet, daß eine Folie 161 aus dem gleichen Material wie dasjenige des Kerns 11 als Hauptteil verwendet wird.

An einer dem Durchlaß 14 entsprechenden Stelle des Kerns 11 ist ein Fenster 162 von gleicher Größe wie der Durchlaß 14 ausgebildet, das von einem Heizelement 163 aus einer Pt- oder W-Dünnschicht umgeben ist. Leiterlagen 164 und 165 aus Pt oder W, die als erste und zweite Leiter dienen, erstrecken sich vom Fenster 162 zum inneren Endstück 112 des Kerns 11. Diese Leiterlagen 164, 165 werden in die Kehlen 131 und 132 im Kern 11 eingeführt, wenn das Hüllteil 16 um den Kern 11 gewickelt wird. Die Leiterlagen 164, 165 liegen in den Kehlen 131 bzw. 132 jeweils frei.

Das Fühlelement 15 wird in den Durchlaß 14 des Kerns 11 ein gesetzt, worauf das Hüllteil 16 um den Kern 11 so gewickelt wird, daß die das Heizelement 163 usw. aufweisende Fläche nach innen gerichtet ist. Das Fühlelement 15 wird in diesem Zustand an der den Durchlaß 14 umgebenden Halterungssenke 141 durch das Hüllteil 16 festgehalten. Die Leiterlagen 164 und 165 werden hierbei mit den Leiterelektroden 154 und 155 des Fühlelements 15 in Kontakt gebracht.

Die erste Elektrodenschicht 152 des Fühlelements 15 liegt dem Fenster 162 des Hüllteils 16 gegenüber, wobei sie nach außen freiliegt.

Leiterlagen 166 und 167, die als Leiter für das Heizelement 163 dienen, sind an der Folie 161 ausgebildet, verlaufen je weils parallel zu den Leiterlagen 164 sowie 165 und sind in die Kehle 133 sowie 134 des Kerns 14 geführt.

Das Meßfühlerteil wird in der folgenden Weise hergestellt. Der Kern 11 wird durch einen Formvorgang eines vorbestimm ten Materials hergestellt. Das vorbereitete Sauerstoffkon zentration-Fühlelement 15, das die Festkörper-Elektrolyt schicht 151 mit den Elektrodenschichten usw., die durch einen Siebdruckvorgang darauf ausgebildet sind, aufweist, wird in den Durchlaß 14 eingesetzt. Das Hüllteil 16 mit dem Heizelement 163 sowie den Leiterlagen 164-167, die jeweils durch Siebdruck od. dgl. hergestellt sind, wird um die Außenfläche des Kerns 11 gewickelt, so daß das Fenster 162 mit dem Ort des Durchlasses 14 übereinstimmt. Die dar aus entstandene Konstruktion wird gebrannt. Anschließend wird eine keramische Deckschicht aus Al₂O₃ oder MgO Al₂O₃- Spinell als poröse Schutzschicht 17, die die Elektroden usw. schützt, mit Hilfe eines Plasmaspritzschweißverfahrens od. dgl. ausgebildet.

Die Porosität der Schutzschicht 17 kann frei festgesetzt werden. Durch entsprechende Einstellung der Porosität kann der Fühler in ausgewählter Weise als ein potentiometrischer oder polarographischer Fühler verwendet werden.

Die Fig. 5 zeigt die Konstruktion eines Sauerstoffkonzen trationsfühlers, der das Meßfühlerteil mit dem oben be schriebenen Aufbau verwendet. Das Meßfühlerteil, das den Kern 11 als Hauptteil aufweist, wird in einen im mittigen Teil eines Gehäuses 20 ausgebildeten Hohlraum eingesetzt und in diesem durch Ringe 21 und 22, Talkum 23 und eine Zwischenlage (Packung) 24 gehalten. Das äußere und innere Endstück des Meßfühlerteils können voneinander durch die Zwischenlage 24 im Gehäuse 20 getrennt sein.

Das äußere Endstück des Meßfühlerteils mit dem Sauerstoff konzentration-Fühlelement 15 ragt vom Gehäuse 20 vor, wo bei dieses vorragende Fühlelement durch eine Kappe 25, die am Gehäuse 20 befestigt ist, abgedeckt ist. Durchbrechungen sind in großer Zahl in der Kappe 25 ausgebildet. Ein dem Meßvorgang unterworfenes Gas tritt in das äußere Endstück des Fühlelements 15 des Meßfühlerteils durch diese Durch brechungen ein und wird durch die Schutzschicht 17 hin durch mit dem Fühlelement 15 in Berührung gebracht.

An der der Kappe 25 entgegengesetzten Seite des Gehäuses 20 ist eine zylindrische Schutzhülse 26 hart angelötet, deren Achse mit dem Kern 11 des Meßfühlerteils ausgerichtet ist. Zwischen den Kern 11 und die Schutzhülse 26 ist ein Halte glied 27 eingefügt, um den Kern 11 festzulegen.

In einem zum Halteglied 27 koaxialen, in der Schutzhülse 26 aufgenommenen Isolator 29 ist ein Leiteranschluß 28 ausge bildet. Die Lage des Isolators 29 wird durch eine Gummimuf fe 30 festgelegt, wobei der Isolator 29 und die Gummimuffe 30 in diesem Fall luftdurchlässig ausgestaltet sind. Durch die Gummimuffe 30 und den Isolator 29 hindurch wird Außen luft zur Öffnung des inneren Endstücks des Kerns 11 geführt, so daß unter Verwendung der Außenluft im Hohlteil 12 des Kerns 11 eine Bezugsgasatmosphäre hergestellt wird.

Mit dem Leiteranschluß 28 sind Drahtleiter 32 verbunden, die auch mit den Leiterlagen 164 sowie 165 vom Fühlelement 15 und mit den Leiterlagen 166 sowie 167 vom Heizelement 163, die in den Kehlen 131-134 im inneren Endstück des Kerns 11 liegen, verbunden sind. Durch Anschlußdrähte 33, die sich durch die Gummimuffe 30 erstrecken, besteht von den Leiteranschlüssen 28 eine leitende Verbindung nach außen.

Die Vorrichtung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentra tion wird durch eine Stütze 34 in der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine so eingebaut, daß sie diese Leitung durchsetzt, wobei das das Fühlelement enthaltende Teil im Abgas angeordnet wird. Die Außenfläche der Festkörper-Elek trolytschicht 151 wird mit einem dem Meßvorgang unterlie genden Gas, z.B. Abgas, durch die erste Elektrodenschicht 152 und durch die Schutzschicht 17 hindurch in Berührung gebracht. Die Innenfläche der Festkörperlelektrolytschicht ist hierbei mit der Bezugsgasatmosphäre im Hohlteil des Kerns 11 durch die zweite Elektrodenschicht 153 in Berüh rung.

Ein einer Sauerstoffmenge im Abgas entsprechender Strom fließt zwischen der ersten sowie zweiten Elektrodenschicht 152 und 153, die an den beiden Flächen der Festkörper-Elek trolytschicht 151 ausgebildet sind, wobei diese Schicht durch das Heizelement 163 beheizt wird, so daß eine Sauer stoffkonzentrationsbestimmung mit hoher Genauigkeit ausge führt werden kann.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei das Sauerstoffkonzentration-Fühlele ment 15 von einer Festkörperelektrolytschicht 41 gebildet wird, die so ausgestaltet ist, daß sie den Kern 11 auf der Hälfte seines Umfangs umschließt. An den beiden Flächen der Elektrolytschicht 41 sind an einer dem Durchlaß 14 des Kerns 11 entsprechenden Stelle eine erste und zweite Elek trodenschicht 42 bzw. 43 ausgebildet. Gedruckte Leiterlagen 44 und 45 erstrecken sich von den Elektrodenschichten 42 und 43 zum inneren Endstück des Kerns 11. In diesem Fall wird die Leiterlage 44 zur Innenfläche der Festkörper-Elektrolyt schicht 41 hin durch ein Durchgangsloch 441 geführt.

Eine in Fig. 6B gezeigte Folie 51 ist auf der anderen Hälfte des Umfangs des Kerns 11 um diesen gewickelt und besteht aus dem gleichen Isoliermaterial wie der Kern 11. An einer Flä che der Folie 51 sind ein Heizelement 52 und Leiterlagen 53 sowie 54 gefertigt.

Die in Fig. 6A gezeigte Festkörper-Elektrolytschicht 41 und die Folie 51 werden jeweils um den halben Umfang des Kerns 11 gewickelt, wie die Fig. 7 zeigt, worauf die sich ergeben de Konstruktion gebrannt wird.

Bei der in Fig. 8 gezeigten dritten Ausführungsform besteht der ein geschlossenes, äußeres und fernes Endstück aufwei sende Kern 61 aus einem Sauerstoffionenleitermaterial, das durch einen Festkörper-Lösungsvorgang von 95 Mol.-% von ZrO₂ und 5 Mol.-% von Y₂O₃ gefertigt ist. Der Kern 61 hat ein Hohlteil 62 mit einem offenen, inneren Endstück 612, wie die Fig. 9B zeigt. Vier Kehlen 631-634 sind an der Außenfläche am inneren Endstück 612 ausgebildet. In das Hohlteil 62 führt ein in der Außenfläche des Kerns 61 an einer nahe dem äußeren Endstück 611 gelegenen Stelle aus gebildeter Durchlaß 64. Das Sauerstoffkonzentration-Fühl element 65 ist um die Außenfläche des Kerns 61 herum gewickelt.

Die Fig. 10 zeigt in einer Übersichtsdarstellung das Sauer stoffkonzentration-Fühlelement 65, das eine Festkörper-Elek trolytschicht 651 umfaßt. Diese Elektrolytschicht 651 ist plattenförmig aus demselben Sauerstoffionenleitermaterial wie dasjenige des Kerns 11 ausgestaltet und hat eine aus reichend bemessene Größe, um die gesamte Umfangsfläche des Kerns 61 abzudecken.

An den beiden Flächen der plattenförmigen Festkörper-Elek trolytschicht 651 sind an dem Durchlaß 64 des Kerns 61 ent sprechenden Stellen eine erste und eine zweite Elektroden schicht 652 bzw. 653 durch Abscheidung oder Drucken ausge bildet, die mit Leiterlagen 654 bzw. 655 versehen sind, wel che sich zum inneren Endstück des Kerns 61 erstrecken. Die äußeren Endabschnitte der Leiterlagen 654 und 655 werden an den Stellen der Kehlen 632 und 633 angeordnet, wenn das Fühlelement 65 um den Kern 61 gewickelt wird. Der äußere Endabschnitt der Leiterlage 655, die der zweiten Elektrode 653 zugeordnet ist, liegt der Kehle 633 gegenüber. Eine Lei terlage 656 ist an einer der Kehle 632 entsprechenden Stel le an der Festkörper-Elektrolytschicht 651 ausgebildet und mit der Leiterlage 654 über ein Durchgangsloch 657 in der Elektrolytschicht 651 elektrisch verbunden.

Die erste und zweite Elektrodenschicht 652 und 653 sind als poröse Elektroden aus Platin mit einem geringen Anteil aus einem Sauerstoffionenleitermaterial von ZrO₂, das die Fest körper-Elektrolytschicht 651 bildet, gefertigt. In an den Flächen der Elektrodenschichten 652 und 653 vorhandenen Ga sen enthaltener Sauerstoff wird zur Oberfläche der Festkör perelektrolytschicht 651 geführt.

Eine Isolierlage 658 aus einer Al₂O₃-Folie, die den der zweiten Elektrodenschicht 653 entsprechenden Bereich umgibt, ist an der Oberfläche der Festkörper-Elektrolytschicht 651, in der die zweite Elektrodenschicht 652 ausgestaltet ist, so ausgebildet, daß sie zwei Schenkel aufweist, die sich je weils zu den Kehlen 631 und 634 erstrecken. An der Isolier lage 658 ist ein Heizelement 659 aus einer Pt- oder W-Dünn schicht, in die Al₂O₃ gemischt ist, angebracht. Die Leiter lagen 660 und 661 erstrecken sich längs der beiden Schenkel von den beiden Enden des Heizelements 659 aus und liegen je weils den Kehlen 631 und 634 gegenüber.

An der Isolierlage 658, an der das Heizelement 659 usw. aus gebildet sind, befindet sich eine Isolierlage 662 aus einer Al₂O₃-Dünnschicht. In diesem Fall ist die Isolierlage 662 so ausgebildet, daß die äußeren Endabschnitte der Leiterlagen 660 und 661, die in den Kehlen 631 bzw. 634 jeweils frei liegen, nicht abgedeckt sind. Ein dem Heizelement 659 zuge ordnetes Teil ist gegenüber der Festkörper-Elektrolytschicht 651 durch die Isolierlagen 658 und 662 elektrisch isoliert.

Wenn die Elektroden und das Heizelement in der oben be schriebenen Weise gebildet werden, so werden in einem Be reich an der Festkörper-Elektrolytschicht 651, der schraf fiert dargestellt ist, mit Ausnahme des Bereichs, in dem die Isolierlage 658 zur Halterung der zweiten Elektrodenschicht 653 und des Heizelements 659 vorhanden ist, Füllschichten 663 und 664 ausgebildet. Die Dicke dieser Füllschichten ist gleich der Summe des Heizelements 659 und einer der Isolier lagen 658 sowie 662, und die Füllschichten 663, 664 beste hen aus dem gleichen Sauerstoffionenleitermaterial wie das jenige der Festkörper-Elektrolytschicht 651 und des Kerns 61. In der Füllschicht 664 ist an einer dem Durchlaß 64 des Kerns 61 und der Elektrodenschicht 653 entsprechenden Stel le ein Fenster 665 gefertigt. Die zweite Elektrodenschicht 653 liegt dem Hohlteil 62 des Kerns 61 durch das Fenster 665 gegenüber und wird mit der Bezugsgasatmosphäre im Hohlteil 62 in Berührung gebracht.

Die Fig. 11A-11D zeigen Schritte zur Herstellung des Sauerstoffkonzentration-Fühlelements 65. Gemäß Fig. 11A wird an der Festkörper-Elektrolytschicht 651, die in einer vorbestimmten Gestalt ausgeformt wird, eine Isolierlage 658 ausgebildet. Wie die Fig. 11B zeigt, werden die zweite Elek trodenschicht 653 und die Leiterlagen 655 sowie 656 zwischen den beiden Schenkeln der Isolierlage 658 in einem Abscheide- oder Druckvorgang gefertigt. In gleichartiger Weise werden das Heizelement 659 und die Leiterlagen 660 sowie 661 an der Isolierlage 658 ausgebildet. Eine Isolierlage 662 wird an der Isolierlage 658, an der das Heizelement 659 ausgebil det ist, ausgestaltet, wie die Fig. 11C zeigt. Gemäß Fig. 11D werden an der Isolierlage 662 die Füllschichten 663 und 664 gefertigt, womit das Sauerstoffkonzentration-Fühlelement 65 praktisch fertig ist. Obwohl das in Fig. 11D nicht ge zeigt ist, wird die erste Elektrodenschicht 652 zusammen mit der Leiterlage 654 an der unteren Fläche der Festkörper- Elektrolytschicht 651 mittels Abscheidung oder eines Druck vorgangs ausgestaltet.

Die Fig. 12 zeigt einen Zustand, wobei das in der vorstehend beschriebenen Weise gefertigte Fühlelement 65 um den Kern 61 gewickelt ist. Die erste Elektrodenschicht 652 und die da mit verbundene Leiterlage 654 befinden sich an der Außen oberfläche des Kerns 61. Diese Struktur wird, wenn das das Festkörper-Elektrolytmaterial enthaltende Sauerstoffkonzen tration-Fühlelement 65 um den Kern 61 herum gewickelt ist, gebrannt, wodurch das Fühlelement 65 mit der Festkörper- Elektrolytschicht 651 über die Füllschichten 663 und 664 ein stückig mit dem Kern 61 verbunden wird.

Der Kern 61, die Festkörper-Elektrolytschicht 651 und die Füllschichten 663 sowie 664 bestehen in diesem Fall aus dem gleichen Material und haben einen identischen Ausdehnungs koeffizienten. Selbst wenn eine große Wärmemenge auf diese Elemente einwirkt, so treten keine Brüche auf, so daß eine hermetische, einstückige Konstruktion gewährleistet werden kann.

Nach dem Brennen wird eine poröse Schutzschicht aus einer keramischen Auflage durch ein Plasmaspritzschweißverfahren an der Außenoberfläche des äußeren Endstücks des Kerns 61 gefertigt, so daß die erste Elektrodenschicht 652 des Fühl elements 65 abgedeckt wird.

Die Fig. 13A-13C zeigen eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung. Der Kern 71 besteht hierbei aus dem gleichen Sauerstoffionenleitermaterial wie der Kern 61 bei der drit ten Ausführungsform. Das äußere Endstück 711 des Kerns 71 ist geschlossen, das innere Endstück 712 des Kerns 71 ist so daß im Hohlteil 72 eine Bezugsgasatmosphäre vorhanden ist. An der Außenfläche des inneren Endstücks 712 des Kerns 71 sind vier Kehlen 731-734 ausgestaltet. Ein mit dem Hohlteil 72 in Verbindung stehender Durchlaß 74 ist in der Außenfläche nahe dem äußeren Endstück 711 des Kerns 71 ge fertigt.

Wie die Fig. 14A und 14B zeigen, geht der Durchlaß 74 im Kern 71 zum Hohlteil 72 mittels eines Durchbruchs 741, der auf wenigstens drei Vierteln der Umfangsabmessung des Kerns 71 ausgestaltet ist, über. Um die Außenoberfläche des Kerns 71 ist das Sauerstoffkonzentration-Fühlelement 75 gewickelt und an dieser Fläche befestigt.

Die Fig. 15 zeigt in einer Übersichtsdarstellung das Sauer stoffkonzentration-Fühlelement 75. Eine plattenförmige Fest körper-Elektrolytschicht 751 umgibt die Außenfläche des Ele ments 75. An den beiden Flächen der Elektrolytschicht 751 sind in dem Bereich, in dem der Durchbruch 741 an der Stel le des Durchlasses 74 vorhanden ist, eine erste und eine zweite Elektrodenschicht 752 und 753 jeweils ausgebildet, mit denen Leiterlagen 754 bzw. 755 verbunden sind. Die En den der Leiterlagen 754 und 755 stimmen jeweils mit den Or ten der Kehlen 731 und 732 überein, wenn die Elektrolyt schicht um das Element 75 gewickelt ist. Die Leiterlage 755 liegt in der Kehle 732. Die Leiterlage 754 ist mit einer Leiterlage 757 über ein Durchgangsloch 756 verbunden, wobei die Leiterlage 757 in der Kehle 731 liegt.

An der Festkörper-Elektrolytschicht 751 ist eine Isolier lage 758 ausgebildet, die ein durch Stege 759 und 760 unter brochenes Fenster, das mit der zweiten Elektrodenschicht 753 übereinstimmt, aufweist. An der Isolierlage 758 ist längs der Stege 759 und 760 ein Heizelement 761 ausgebildet, mit dem Leiterlagen 762 und 763 verbunden sind. Eine Iso lierlage 764 mit dem gleichen Fenster wie die Isolierlage 758 deckt das Heizelement 761 und die Leiterlagen 762 so wie 763 ab. Das Heizelement 761 ist gegenüber der Elektro lytschicht 751 durch die lsolierlagen 758 und 764 isoliert. Füllschichten 765 und 766 aus dem gleichen Material wie die Festkörper-Elektrolytschicht 751 sind um die laminierten Isolierlagen 758, 764 herum ausgestaltet. Die auf diese Wei se erhaltene Struktur wird gebrannt, um einen einteiligen Körper zu erlangen.

Bei der dritten und vierten Ausführungsform sind die Füll schichten 663, 664 bzw. 765, 766 von den Kernen 61 und 71 jeweils getrennte Teile. Jedoch erfüllen diese Füllschich ten die Funktion, die Festkörper-Elektrolytschichten haftend mit den Kernen zu verbinden. Deshalb können, wenn die Fest körper-Elektrolytschicht geformt wird, die den Füllschichten entsprechenden Teile gleichzeitig geformt werden. Die Kerne, die Festkörper-Elektrolytschichten und die Füllschichten bestehen aus demselben Material, nämlich Zr₀₂-Y₂O₃. Jedoch kann das Material aus ZrO₂-Yb₂O₃, ZrO₂-CaO, ZrO₂-MgO u. dgl. ausgewählt werden. Der Kern und die Festkörper-Elektrolytschicht können aus ZrO₂-Y₂O₃ und die Füllschichten aus ZrO₂-Yb₂O₃ gefertigt werden. In diesem Fall tritt eine Diffusion von Y₂O₃ sowie Yb₂O₃ auf, und die resultierenden Materialien der entsprechenden Komponenten sind während des Brennens im wesentlichen identische Zusammensetzungen. Die Festkörperlöslichkeitskonzentration von Y₂O₃ und Yb₂O₃ mit Bezug zu ZrO₂ kann willkürlich geändert werden.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration geschaffen, bei der als ein Bezugsgas zur Konzentrationsbestimmung Außenluft in ein Hohlteil eines Kerns geführt wird. Der Kern ist als ein iso lierender Zylinder ausgebildet, dessen äußeres Ende ge schlossen und dessen inneres Ende zur Aufnahme des Bezugsga ses offen ist. In der Außenfläche des Kerns ist ein mit dem Hohlteil verbundener Durchlaß ausgebildet. Ein als Festkör per-Elektrolytschicht gefertigtes Sauerstoffkonzentration- Fühlelement mit einer ersten sowie zweiten Elektroden schicht an jeweils einer seiner Flächen ist so gehalten, daß es den Durchlaß verschließt. Ein Hüllteil aus einer isolierenden Folie ist um das Fühlelement gewickelt und dar an befestigt. In der Folie ist ein die Oberfläche des Fühl elements freilegendes Fenster ausgebildet, das von einem Heizelement umschlossen ist. Mit beiden Enden des Heizele ments verbundene Leiterlagen sind an der Folie ausgestal tet, an der auch Leiterlagen ausgebildet sind, die mit der ersten und zweiten Elektrodenschicht Kontakt haben. Die vier Leiterlagen werden jeweils in Kehlen in der Außenflä che des inneren Endstücks des Kerns geführt. An der Außen fläche des Hüllteils ist eine Schutzschicht als poröse Isolierschicht ausgebildet.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration mit einer Festkörper-Elektrolytschicht (15, 41, 651, 751), die an ihren beiden Flächen eine erste und zweite Elektrodenschicht (152, 42, 652, 752; 153, 43, 653, 753) aufweist, wobei die eine dieser Flächen einer Bezugsgas atmosphäre und die andere dieser Flächen einer Atmosphä re eines einem Meßvorgang unterworfenen Gases ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Seitenwand ei nes aus einem Isoliermaterial gefertigten, ein Hohlteil (12, 62, 72), dessen äußeres, fernes Endstück geschlos sen ist, aufweisenden Kerns (11, 61, 71) ein Durchlaß (14, 64, 74) ausgebildet ist, daß das Hohlteil mit der Bezugsgasatmosphäre in Verbindung steht, daß die Fest körper-Elektrolytschicht (15, 41, 651, 751) am Kern be festigt ist sowie den Durchlaß verschließt und daß die erste Elektrodenschicht (152, 42, 652, 752) der Atmosphä re des dem Meßvorgang unterliegenden Gases an einer Aus senfläche des Kerns und die zweite Elektrodenschicht (153, 43, 653, 753) der im Hohlteil des Kerns befindli chen Bezugsgasatmosphäre durch den Durchlaß hindurch aus gesetzt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Elektrodenschicht (152, 42, 652, 752; 153, 43, 653, 753) porös ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Festkörper-Elektrolytschicht (15) in einer dem Durchlaß (14) im Kern (11) entsprechenden Gestalt ausgebildet und in den Durchlaß eingesetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hüllteil (16), das aus einem Isoliermaterial be steht, rund um die Außenfläche des Kerns (11) nach dem Einsetzen der Festkörper-Elektrolytschicht (15) in den Durchlaß (14) gewickelt ist, daß in dem Hüllteil ein die erste Elektrodenschicht (152) freilegendes Fenster sowie ein der Festkörper-Elektrolytschicht (15) nahe gelegenes Heizelement (163) ausgebildet sind, daß mit dem Heizelement (163) ein Paar von Leiterlagen (166, 167) verbunden ist und daß mit der ersten sowie zweiten Elektrodenschicht (152, 153) der Festkörper-Elektrolyt schicht Leiterlagen (164, 165), die zu dem inneren End stück des Kerns (11) zugeordneten Endabschnitten geführt sind, verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vier Kehlen (131-134) an der Außenfläche eines inneren Endstücks (112) des Kerns (11), auf den das Hüllteil (16) gewickelt ist, ausgebildet sind, die sich parallel zur Längsachse des Kerns erstrecken, und daß das Paar von mit dem Heizelement (163) verbundenen Leiterlagen (166, 167) sowie die jeweils mit der ersten und zwei ten Elektrodenschicht (152, 153) verbundenen Leiterla gen (164, 165) jeweils in Übereinstimmung mit den Keh len, die Anschlüsse bilden, geführt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) und das Hüllteil (16), die aus einem Isoliermaterial gefertigt sind, zur Ausbildung eines einstückigen Körpers gebrannt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Elektrolytschicht (41, 651, 751) als eine an der Außenoberfläche des Kerns (11, 61, 71) angebrachte und den Durchlaß (14, 64, 74) verschließen de Folie ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Elektrolytschicht (41) in einem den Durchlaß (14) aufweisenden Bereich rund um den Kern (11) derart gewickelt ist, daß sie auf einer zur Achse des Kerns parallelen Linie getrennt ist, daß um den restlichen Teil des Kerns eine Folie (51) aus einem Isoliermaterial gewickelt ist, daß Leiterlagen (44, 45) jeweils mit der ersten sowie zweiten, an der Festkör per-Elektrolytschicht ausgebildeten Elektrodenschicht (42, 43) verbunden sind und daß ein Heizelement (52) so wie mit diesem verbundene Leiterlagen (53, 54) an der Folie (51) ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die blattförmige Festkörper-Elektrolytschicht (651) rund um die Außenfläche des Kerns (61) gewickelt ist, daß an jeder Fläche der blattförmigen Festkörper-Elek trolytschicht an dem Durchlaß (64) entsprechenden Stel len eine erste und zweite Elektrodenschicht (652, 653) ausgebildet sind, daß ein Heizelement (659) den Durch laß umschließt und daß mit der ersten sowie zweiten Elektrodenschicht jeweils verbundene Leiterlagen (654, 655) sowie mit dem Heizelement verbundene Leiterlagen (660, 661) zu Endabschnitten, die einem inneren End stück (612) des Kerns zugeordnet sind, geführt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (61, 71) und die Festkörper-Elektrolyt schicht (65, 75) aus einem Sauerstoffionenleitermaterial auf einer Zirkonoxid-Basis gefertigt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper-Elektrolytschicht (65, 75) eine blattförmige Gestalt aufweist und rund um die Außen fläche des Kerns (61, 71) gewickelt ist, wobei sie einen im Kern ausgebildeten Durchlaß (64, 74) abdeckt, daß die erste und zweite Elektrodenschicht (652, 653, 752, 753) an jeweils einer Fläche der blattförmigen Festkörper- Elektrolytschicht an dem Durchlaß entsprechenden Stellen ausgebildet sind, daß eine ein Heizelement (659, 761) enthaltende Isolierfolie in einem eine Elektrodenschicht umgebenden Bereich an einer der Außenfläche des Kerns entgegengesetzten Fläche ausgebildet ist und daß aus einem Sauerstoffionenleitermaterial auf Zirkonoxid-Basis gefertigte Füllschichten (663, 664, 765, 766) in einem von der Isolierfolie freien Bereich ausgebildet sind, die die Festkörper-Elektrolytschicht einstückig mit der Außenfläche des Kerns haftend verbinden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (74) auf wenigstens zwei Dritteln der gesamten Umfangsabmessung des Kerns (71) ausgebildet ist und daß die Isolierlage (758, 764) den Durchgang kreuzende, zur Achse des Kerns parallel verlaufende Stege (759, 760) umfaßt, die mit dem Heizelement (761) versehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (61, 71) mit vier parallelen Kehlen (631- 634, 731-734), die an einer Außenfläche eines innen liegenden Endstücks (612, 712) des Kerns ausgebildet sind und sich parallel zu dessen Achse erstrecken, ver sehen ist, daß die blattförmige Festkörper-Elektrolyt schicht (65, 75) ein Paar von Leiterlagen (654, 655, 754, 755) umfaßt, die mit der ersten und zweiten, an den beiden Flächen der blattförmigen Elektrolytschicht ausgebildeten Elektrodenschicht (652, 653, 752, 753) verbunden sind und zum inneren Endstück des Kerns hin verlaufen, und daß die lsolierlage ein Paar von Leiter lagen (660, 661, 762, 763) umfaßt, die jeweils mit den beiden Anschlüssen des Heizelements (659, 761) verbunden sind, sich zum inneren Endstück des Kerns erstrecken und jeweils in den Kehlen geführt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schutzschicht (17, 67, 77), die ein äußeres Endstück des Kerns (11, 61, 71), welches die Festkörper-Elektrolyt schicht (15, 41, 651, 751) einschließt, abdeckt und aus einem porösen Isoliermaterial gebildet ist, so daß das einem Meßvorgang unterliegende Gas an die Elektroden schichten auf den Flächen der Festkörper-Elektrolyt schicht gelangt.