DE3729164C2 - Meßfühler zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Gasen, gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Ein solcher Meßfühler ist aus dem Patent DE 29 38 179 offen­ bart. Dieser Meßfühler hat ein Halterohr, dessen dem Meßgas zu­ gewandtes Ende einen Boden mit einer Aussparung zur Aufnahme eines Fühlerbauteils aufweist. Das aus einem beidseitig mit je­ weils einer Elektrode versehene Plättchen aus Festelektrolytma­ terial bestehende Fühlerbauteil ist in die Aussparung einge­ setzt und von einem Druckkontakt gegen den Boden des Halterohrs gespannt, wobei der Druckkontakt eine elektrische Verbindung mit einer Elektrode schafft. Die in dem Boden des Halterohrs vorgesehene Aufnahme ist an ihrem Umfang mit einer elektrischen Kontaktfläche versehen, an der das Fühlerbauteil anliegt und so die elektrische Verbindung zur Elektrode schafft. Die dem Meß­ gas zugewandte Elektrode ist mit einer Diffusionshemmungs­ schicht versehen, die den Zustrom von Meßgas an die Elektrode auf ein definiertes Maß beschränkt. Die der Elektrode abge­ wandte Seite des Bodens des Halterohrs ist mit einer Wärmespei­ cherplatte mit einer elektrischen Heizeinrichtung versehen, wo­ bei die Wärmespeicherplatte Gasdurchlaßöffnungen zur Fluidver­ bindung zwischen der Diffusionsschicht bzw. der Elektrode und dem Meßgasraum aufweist. Die Wärmespeicherplatte ist am Boden des Halterohrs festgeklebt, wobei elektrische Kontaktflächen der Heizeinrichtung mit am Boden vorgesehenen Kontaktflächen in Anlage gebracht werden, um den elektrischen Anschluß der Heiz­ einrichtung herzustellen. Die zuvor erwähnten, am Halterohr vorgesehenen Kontaktflächen sind über Leiterbahnen mit einer Meßeinrichtung verbindbar, wobei die Leiterbahnen auf der Außenseite und der Innenseite des Halterohrs aufgebracht sind.

Dieser bekannte Meßfühler hat jedoch einen komplexen Aufbau, der eine Vielzahl von einzelnen aufwendigen Bauteilen erfor­ dert, die in einem umständlichen und kostenträchtigen Montage­ vorgang zusammenzubauen sind. Ferner ist der Meßfühler durch die Halterung des Fühlerbauteils mittels einer Federvorspannung vibrationsempfindlich, denn die Federkraft kann nur so hoch ge­ wählt werden, wie dies die bruchempfindliche Festelektrolytke­ ramik des Fühlerbauteils zuläßt. Bei einer zu hohen Federspan­ nung kommt es zum Bruch des Festelektrolyten, bei geringer Fe­ derspannung kann sich das Fühlerbauteil relativ zum Halterohr bewegen und entsprechende Verschleißschäden an den Kontakten, den Elektroden etc. verursachen.

Es sind verschiedene weitere Sonden bekannt. So zeigt z. B. die DE-OS-22 18 227 eine Sonde mit einem am Stirnende eines Sonden­ rohrs angeschweißten Festelektrolyten, wobei der Festelektrolyt in Form eines Stopfens durch einen besonderen Schweißvorgang am Rohrende befestigt wird. Die Elektrode an der dem Rohrinneren zugewandten Seite des Festelektrolytstopfens ist ein analog zum Patent DE 29 38 179 A1 mittels einer Feder in Richtung auf den Stopfen vorgespannter, in einem Keramikrohr geführter Platin­ draht.

Aus der DE 29 41 056 A1 ist ein Meßfühler bekannt, dessen Festelektrolyt eine Becherform hat, wobei der Boden des Bechers zwischen einem mit Durchlässen versehenen Stirnende eines Hal­ terohrs und einer federnd gegen die Innenseite des Bodens vor­ gespannten Elektrode gehalten ist. Die Elektrode hat Längsboh­ rungen durch die Leitungen für die Elektrode geführt sind und die gleichzeitig zur Zuführung eines Referenzgases zum Festelektrolyten dienen. Zwischen dem Festelektrolyten und dem Stirnende des Halterohrs ist eine weitere Elektrode angeordnet, deren Leitung zur elektrischen Verbindung lose im Halterohr ge­ führt ist. Die Befestigung des Festelektrolyten mittels Feder­ kraft sowie die Leitungsführung entspricht im wesentlichen dem Beispiel gemäß DE 29 38 179 A1.

In der DE-OS-26 57 541 beschriebene Meßfühler verwendet ein Meßprinzip, mit dem eine Änderung der Sauerstoffkonzentration erfaßt werden kann. Im wesentlichen hat dieser Meßfühler eine Festelektrolytplatte, deren beide Elektroden dem Meßgas ausge­ setzt und mit jeweils einer diffusionshemmenden Schicht unter­ schiedlicher Dicke abgedeckt sind, um aus dem zeitverzögerten -Ansprechen auf eine Änderung der Sauerstoffkonzentration schließen zu können. Hier ergibt sich allerdings aus dem Fehlen des Referenzgas-Erfordernisses ein grundsätzlich anderer Aufbau des Meßfühlers.

Schließlich ist in der DE 29 46 775 A1 eine externe Meßvorrich­ tung offenbart, die zwei Meßzellen mit einem Festelektrolyten hat, wobei die beschriebene externe Meßvorrichtung auf eine ge­ naue Messung des Sauerstoffgehalts abgestimmt ist und sich da­ her die für einen Meßfühler typischen technischen Erfordernisse hinsichtlich eines Einbaus nicht stellen.

Folglich ist die Aufgabe der Erfindung, einen einfach aufgebau­ ten, stabilen und zuverlässig arbeitenden Meßfühler zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Gasen zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Die Erfindung hat eine dickere Folie, nachfolgend als Folie be­ zeichnet, die durch einfache Fertigungstechnik mit verschiede­ nen Funktionselementen versehen werden kann, da sie im wesentlichen eine ebene Fläche hat. Weiterhin wird eine we­ sentliche Verbesserung der Beständigkeit hinsichtlich Vibratio­ nen des Sensors erzielt, da die Folie um einen soliden Kern ge­ hüllt wird und nach einem nachfolgenden Verfahrensschritt einstückig mit dem Kern verbindbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Meßfühlers mit einem Kern und einer darum gewickelten Folie, auf die wichtige Funk­ tionselemente mit herkömmlichen Verfahren einstückig aufge­ bracht sind, ist die Herstellung gegenüber einem bekannten Meß­ fühler signifikant vereinfacht. Bei der Herstellung der Folie kann auf einer ebenen Fläche gearbeitet werden, wodurch das Aufbringen der genannten Funktionselemente beispielsweise mit­ tels eines einfachen Siebdruckverfahrens erfolgen kann. Gegen­ über dem herkömmlichen Meßfühler, bei dem z. B. eine Leiterbahn auf der Innenseite eines Rohres mit kleinem Durchmesser aufge­ bracht werden muß, ist dies eine deutliche Vereinfachung der Herstellung.

Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Meßfühler der Festelektro­ lyt einfach in die Querbohrung eingelegt und wird dort von der Folie gehalten, wodurch die aus dem Stand der Technik bekannte Befestigung mittels eines durch eine Feder vorgespannten Druck­ kontakts eingespart wurde.

Die auf der Folie vorgesehenen Leiterbahnen berühren im gewickelten Zustand der Folie entsprechende Kontaktabschnitte der Elektroden des Festelektrolyten, so daß im gebrannten Zu­ stand ein sicherer und dauerhafter elektrischer Anschluß der Elektroden und damit ein zuverlässiger Betrieb des Meßfühlers gewährleistet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen definiert.

So kann bei einem derartigen Meßfühler die Festkörper- Elektrolytschicht unter Verwendung des Kerns als Basiselement gebildet werden. Die Bezugsatmosphäre kann im hohlen Teil des Kerns vorgesehen werden. Die Menge an einzuführendem Bezugsgas kann in geeigneter Weise zugeführt werden, und eine Messung mit hoher Genauigkeit ist ohne Schwierigkeiten zu erreichen. 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 Festigkeit ausgebildet werden. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung hat die Lage des Kerns mit Bezug zur Gasströmungsrichtung keinerlei Einfluß auf die Genauigkeit in der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1A einen Axialschnitt eines Meßfühlerteils zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration in einer ersten Aus­ führungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 1B eine Schnittansicht nach der Linie b-b in der Fig. IA;

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

Fig. 2B eine Schnittansicht nach der Linie b-b in der Fig. 2A;

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

Fig. 3C eine Schnittansicht 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-Elektrolytschicht;

Fig. 6B eine Schrägansicht einer Isolierfolie;

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

Fig. 7B eine Schnittansicht nach der Linie b-b in der Fig. 7A;

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

Fig. 8B eine Schnittansicht 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 gemäß der Erfindung;

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

Fig. 12 eine Außenansicht eines an einem Kern angebrachten Fühlelements;

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

Fig. 13B eine Schnittansicht nach der Linie b-b in der Fig. 13A;

Fig. 13C eine Schnittansicht 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 eine Schnittansicht nach der Linie b-b in der Fig. 14A;

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

Die Fig. 1A und 1B zeigen den Aufbau eines Meßfühlerteils zur Menge der Sauerstoffkonzentration in Gasen. Das Meßfühlerteil weist einen zylindrischen Kern 11 aus einem elektrisch isolie­ renden Material, wie Al₂O₃ oder Si₃N₄, auf. Wie die Fig. 2 zeigt, ist das äußere oder ferne Endstück 111 geschlossen, wäh­ rend am inneren oder nahen Endstück 112 eine Öffnung ausgebil­ det ist, welche mit der Außenluft in Verbindung steht. Im Hohl­ teil 12 des Kerns 11 wird eine Außenluftatmosphäre als Bezug gebildet. Vier parallel zur Achse des Kerns 11 verlaufende Keh­ len 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 vorhan­ den, 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 Sauerstoffkon­ zentration-Fühlelement 15 eingesetzt und mittels der abgestuften Senke 141 in seiner Lage gehalten wird.

Das in Fig. 3 in größerem Maßstab dargestellte Sauerstoffkon­ zentration-Fühlelement 15 ist eine tafelförmige Festkörper- Elektrolytschicht 151, die aus einem Sauerstoffionenleiter aus ZrO₂ (Zirkonoxid), dotiert mit Y₂O₃, Yb₂O₃ od. dgl., besteht und längs der bogenförmigen Fläche des Durchlasses 14 eingesetzt ist.

An den Hauptflächen der Festkörper-Elektrolytschicht 151 sind durch Abscheidung oder Drucken erste und zweite Elektroden­ schichten 152 bzw. 153 ausgebildet, von denen sich jeweils- Lei­ terelektroden 154 und 155 zu zugeordneten Kanten erstrecken. Die Elektrodenschichten 152 und 153 sind aus Platin oder dgl. gefertigten porösen 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, erstrec­ ken 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 jeweils parallel zu den Leiterlagen 164 sowie 165 und sind in die Kehle 133 sowie 134 des Kerns 11 geführt.

Das Meßfühlerteil wird in der folgenden Weise hergestellt. Der Kern 11 wird durch einen Formvorgang eines vorbestimmten Mate­ rials hergestellt. Das vorbereitete Sauerstoffkonzentration- Fühlelement 15, das die Festkörper-Elektrolytschicht 151 mit den Elektrodenschichten usw. aufweist, die durch einen Sieb­ druckvorgang darauf ausgebildet sind, 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 daraus 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 wer­ den. 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 beschriebe­ nen Aufbau verwendet. Das Meßfühlerteil, das den Kern 11 als Hauptteil aufweist, wird in einen im mittigen Teil eines Gehäu­ ses 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.

Der Meßfühler zur Messung der Sauerstoffkonzentration 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 Festkörperelektrolytschicht 151 ist hierbei mit der Bezugsgasatmosphäre im Hohlteil 12 des Kerns 11 durch die zweite Elektrodenschicht 153 in Berührung.

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 Sauerstoffkontration-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 gewic­ kelt.

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 Isolierlagen 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 offen. Die Öffnung steht mit der Außenluft in Verbindung, 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 Isolierlagen 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 be­ stehen aus demselben Material, nämlich ZrO₂-Y₂O₃. Jedoch kann das Material aus ZrO₂-Yb₂O₃, ZrO₂-CaO, ZrO₂-MgO u. dgl. ausgewählt werden. Der Kern und die Festkörper-Elektrolyt­ schicht können aus ZrO₂-Y₂O_3,und die Füllschichten aus ZrO₂-Yb₂O₃ gefertigt werden. In diesem Fall tritt eine Dif­ fusion von Y₂O₃ sowie Yb₂O₃ auf, und die resultierenden Ma­ terialien 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 Sauerstoffkonzentrations- 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 (6)

1. Meßfühler zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Gasen mit einem beidseitig mit jeweils einer gasdurchlässigen Elektrode (152, 153; 652, 653; 752, 753) versehenen Festelektrolyten (151; 41; 651; 751), dessen jeweilige Seite mit einem Meßgas und einem Referenzgas beaufschlagbar ist, wobei der Festelektrolyt (151; 41; 651; 751) an einem in einen Meßgasraum ragenden Kern (11; 61; 71) mit einer Längsbohrung (12; 62; 72) zum Führen eines Referenzgases befestigt ist, der eine von dem Festelektrolyten (151; 41; 651; 751) verschlossene Verbindungsbohrung (14; 64; 74, 741) zum Meßgasraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbohrung (14; 64; 74, 741) seitlich am und im wesentlichen quer zur Längsachse des Kerns (11; 61; 71) in diesen eingebracht ist und der Kern (11; 61; 71) mit einer Folie (16; 41, 51; 65; 75) umwickelt ist, die mindestens ein Heizelement (163; 52; 659; 761) zum Beheizen des Festelektrolyten (151; 41; 651; 751) und Leiterbahnen (164, 165, 166, 167; 44, 45, 53, 54; 654, 655, 660, 661; 754, 755, 762, 763) zum elektrischen Anschluß des Heizelements (163; 52; 659; 761) und/oder der Elektroden (152, 153; 652, 653; 752, 753) trägt, wobei die Folie (16; 41, 51; 65; 75) in einem Brennvorgang mit dem Kern einstückig (11; 61; 71) verbindbar ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (152, 153; 652, 653; 752, 753) porös sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt (41; 651; 751) in Form einer Folie ausgebildet ist.

4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11; 61; 71) und der Festelektrolyt (151; 41; 651; 751) ein Sauerstoffionenleitermaterial auf einer Zirkonoxid-Basis aufweisen.

5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11; 61; 71) an seiner Außenseite mit sich in Längsrichtung des Kerns erstreckenden Nuten zur Aufnahme der Leiterbahnen (164, 165, 166, 167; 44, 45, 53, 54; 654, 655, 660, 661; 754, 755, 762, 763) versehen ist.

6. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Festelektrolyten versehener Bereich des Kerns (11; 61; 71) von einer gasdurchlässigen Schutzschicht (17; 67; 77) aus einem porösen Isoliermaterial bedeckt ist.