DE3823065C2 - Sauerstoffsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor mit einem Festelektrolyt und einer Schutzkappe zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas von Innenverbrennungs-Kraftmaschinen und verschiedenen anderen Typen von Verbrennungsanlagen.

In Hinblick auf die Verbesserung von Kraftstoffersparnis und die Reduzierung von Abgasen wird in modernen Ver­ brennungsmaschinen eine Rückführungssteuerung vorgenommen, um das Luft/Kraftstoffverhältnis der Maschine auf der Basis des gemessenen Wertes des Sauerstoffpartialdruckes im Abgas zu steuern. Herkömmlicherweise wird der Sauer­ stoffpartialdruck des Abgases mit einem Sauerstoffsensor bestimmt, welcher ein Detektorelement aufweist, das aus einer Schicht eines sauerstoffionenleitenden Feststoffelektroly­ ten, wie einer Feststofflösung aus Zirkonium-Yttrium, besteht. In der JP-OS 36949/1985 ist ein Sauerstoffsensor beschrieben, welcher den Sauerstoff­ partialdruck mit Meßelektroden bestimmt, welche auf der Oberfläche eines Detektorelementes mit der Form einer flachen Platte ausgebildet sind.

Herkömmliche Sauerstoffsensoren mit Meßelektroden, welche auf den Oberflächen eines Detektorelementes in der Form einer flachen Platte ausgebildet sind, besitzen eine innewohnende Richtwirkung bezüglich der Flußrichtung des zu analysierenden Gases, und deshalb ändern sich die Aus­ gangswerte in Abhängigkeit von der Flußrichtung des interessierenden Gases oder von der Position, in welcher der Sensor angebracht wird, womit es schwierig wird, eine richtige Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und anderer Parameter auf der Basis des Sensorausgangswertes zu erhalten. Um die Lösung dieses Problems zu erleichtern, wurde in der DE 30 30 078 C2 ein Sauerstoffsensor mit einem Festelektrolyt und einer Schutzkappe vorgeschlagen, welcher ein rohrförmiges Detektorelement verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen rohrförmigen Sauerstoffsensor dahingehend zu verbessern, daß er einfach herzustellen ist und eine geringe Wärmekapazität aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Sauerstoffsensor mit einem Festelektrolyt und einer Schutzkappe gelöst, bei dem der Festelektrolyt als Schicht auf einem rohrförmigen Element ausgebildet ist, wobei das rohrförmige Element an einem Ende offen ist und an dem anderen Ende eine Abschlußwand besitzt, wobei das rohrförmige Element weiterhin eine Mehrzahl von Durchgangsöffnung besitzt, welche eine Verbindung zwischen der Innenfläche und der Außenfläche des rohrförmigen Elementes herstellen, wobei die Schicht des sauerstoffionenleitenden Fest­ elektrolyten das rohrförmige Element umgibt und mindestens zwei Paare von Elektroden, jeweils ein Paar an ihrer Innenfläche und ein weiteres an ihrer Außen­ fläche, besitzt, wobei die Elektroden an der Innen­ fläche der Schicht des Feststoffelektrolyten an Positionen in Ausrichtung zu den Durchgangsöffnungen in dem rohrförmigen Element angeordnet sind. Ein kennzeich­ nendes Merkmal dieses Sensors ist darin zu sehen, daß die Elektrodenpaare auf dem Umfang der Feststoffelektrolytschicht verteilt sind.

Wenn die Anzahl der Elektrodenpaare gleich N ist, genügt es für die Zwecke der Erfindung, daß die Elektrodenpaare auf dem Umfang der Festelektrolytschicht jeweils um einen Winkel von 360°/N ± 30° versetzt sind, wobei 360°/N der Mittenwinkel ist, der durch zwei sich zur je­ weiligen Mitte von benachbarten Elektroden erstreckende Radien gebildet wird. In anderen Worten, wenn die Ab­ weichung im Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren im Bereich von 30° vom Mittenwinkel liegt, können genaue Sauerstoffpartialdruckmessungen unabhängig von der Fluß­ richtung des zu analysierenden Gases gewonnen werden. Um beispielsweise die Richtungsabhängigkeit eines Sauerstoff­ sensors zu reduzieren, ist es wünschenswert, zwei Elek­ trodenpaare um einen Winkel von 180° versetzt bzw. drei Elektrodenpaare um einen Winkel von 120° versetzt anzu­ ordnen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Wärmeer­ zeugungselement in der Nähe der Elektroden auf der inneren oder auf der äußeren Oberfläche der Festelektrolyt­ schicht vorgesehen werden. Das ist zu dem Zweck erwünscht, die Wirksamkeit der Aufheizung durch das Wärmeerzeugungs­ element zu verbessern, indem dieses es in einfacher Weise möglich macht, die Fläche in der Nähe der Elektroden auf eine Temperatur aufzuheizen, welche für Sauerstoffpartial­ druckmessungen geeignet ist.

Das rohrförmige Element in dem erfindungsgemäßen Sensor bildet einen Bezugsgas-Einführungskanal, welcher an dem offenen Ende des rohrförmigen Elementes beginnt und durch dessen Innenraum verläuft, um atmosphärische Luft als Bezugsgasquelle durch die Durchbrüche einzuführen. Dieses hohle rohrförmige Element kann beispielsweise durch Formpressen oder durch Spritzgießen hergestellt werden. Um einen Bruch aufgrund einer Unverträglichkeit in der thermischen Ausdehnung zu vermeiden, kann das hohle Ele­ mentaus einem Material, wie Keramik oder Metall, herge­ stellt werden, welches einen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten besitzt, der demjenigen der Festelek­ trolytschicht nahekommt. Wenn das zu analysierende Gas das Abgas von einer Innenverbrennungsmaschine ist, werden hohe Temperaturen von mindestens 500°C vorausgesetzt, und in diesem Fall werden Keramikstoffe in vorteilhafter Weise als Material für das rohrförmige Element verwendet. Wenn ein Metall, wie eine Edelstahllegierung, verwendet werden soll, sollte die Innenfläche der Fest­ elektrolytschicht von den Elektroden isoliert werden.

Die Festelektrolytschicht wird aus einem sauerstoff­ ionenleitendem Festelektrolyten, wie ZrO₂-Y₂O₃ oder ZrO₂-CaO hergestellt.

Die Elektroden werden aus einem gasdurchlässigen Material hergestellt, welches aus Edelmetallen, wie Platin, oder Mischungen solcher Edelmetalle mit Keramikpulver gewonnen werden kann.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor wird im wesent­ lichen dadurch hergestellt, daß um das hohle rohrförmige Element eine frisch hergestellte Schicht eines Fest­ elektrolyten gewickelt wird, auf welchem dann Elektroden durch ein Dickfilm-Druckverfahren gebildet werden. Beim Wickeln der frischen Elektrolytschicht sollte darauf geachtet werden, daß die Elektroden auf der Innen­ fläche der frischen Elektrolytschicht mit den Durchbrüchen bzw. Durchgangsöffnung in dem rohrförmigen Element fluchten. Nach dem Wickeln um das rohrförmige Element wird die frische Elek­ trolytschicht in Rohrform mit Hilfe einer Spannvorrichtung befestigt, und die zwei Elemente werden zu einer einheit­ lichen Anordnung gebrannt.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor besitzt einen in seinem Innenraum ausgebildeten Bezugsgas-Einführungskanal, welcher am offenen Ende des rohrförmigen Elementes beginnt und durch eine Vielzahl von Durchbrüchen hindurch­ geht, um mindestens zwei Elektroden an der Innenfläche der Festelektrolytschicht zu erreichen. Entsprechend dieser Konstruktion ist die Innenfläche der Fest­ elektrolytschicht in Kontakt mit einem Bezugsgas, während die Außenfläche der Festelektrolytschicht dem zu analysierenden Gas ausgesetzt wird, und der Sauerstoffpartialdruck in dem zu analysierenden Gas kann durch Messen des zwischen den auf der Innenfläche und der Außenfläche der Festelektrolytschicht flie­ ßenden elektrischen Stromes bestimmt werden. Zusätzlich sind die Elektrodenpaare im wesentlichen in gleichen Ab­ ständen auf dem Umfang der Festelektrolytschicht ver­ teilt, was eine genaue Feststellung von Sauerstoffkon­ zentrationen unabhängig von der Flußrichtung des zu ana­ lysierenden Gases oder von der Position, in welcher der Sensor angebracht wird, ermöglicht.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise abge­ brochen, eines Sauerstoffsensors nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt des Sauerstoffsensors nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II,

Fig. 3 eine Teilansicht des hohlen rohrförmigen Ele­ mentes, wie es in dem Sensor gemäß Fig. 1 ver­ wendet wird,

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung des in Fig. 1 ge­ zeigten Sauerstoffsensors,

Fig. 5 eine Teilansicht einer Sauerstoffprüfsonde, welche den Sensor nach Fig. 1 enthält,

Fig. 6 eine Darstellung verschiedener Befestigungs­ richtungen von Elektroden in Sauerstoffsen­ soren bezüglich der Gasflußrichtung,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Wirksamkeit des Sauerstoffsensors nach dem ersten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 8 eine Explosionsdarstellung eines Sauerstoff­ sensors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 9 eine Explosionsdarstellung eines Sauerstoffsensors nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nunmehr anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben werden. Es sei bemerkt, daß um der Klarheit Willen die Einzelteile des Sauerstoff­ sensors in diesen Figuren nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht der Sauerstoffsensor nach der ersten Ausführungsform der Erfindung grundsätzlich aus einem hohlen rohrförmigen Element 2 mit einem Überzug einer Festelektrolytschicht 3 auf seiner Oberfläche. Eine erste Bezugselektrode 4 und eine zweite Bezugselektrode 5 sind auf der Innenoberfläche bzw. Innenfläche der Festelektrolytschicht 3 angeordnet, und eine erste Meßelektrode 6, eine Meßelektrode 7 sowie ein Wärmeerzeugungselement 8 sind auf der Außenoberfläche bzw. Außenfläche der Festelektrolytschicht 3 angeordnet. Das hohle rohrförmige Element ist mit einer ersten bis einer vierten Durchgangsöffnung 9 bis 12 versehen, welche in zwei Paaren angeordnet sind und eine Verbindung mit der Innenfläche bzw. der Außenfläche des rohrförmigen Elementes herstellen.

Die erste bis vierte Durchgangsöffnung 9 bis 12 sind derart angeordnet, daß die erste und die zweite Öffnung 9 und 10, welche ein Paar bilden, der dritten und der vierten Öffnung 11 und 12, welche das andere Paar bilden, gegenüberstehen. Wie in Fig. 2 gezeigt, welche einen Querschnitt durch die Fig. 1 entlang der Linie II-II dar­ stellt, ist die erste Bezugselektrode 4 auf der Innen­ fläche der Festelektrolytschicht 3 angeordnet, welche mit dem rohrförmigen Element 2 in Kontakt steht, und die erste Meßelektrode 6 ist auf der Außenfläche der Festelektrolytschicht angeordnet, wobei beide Elek­ troden mit der Öffnung 9 fluchten. In gleicher Weise sind die zweite Bezugselektrode 5 und die zweite Meßelek­ trode 7 fluchtend mit der dritten Öffnung 11 angeordnet. Ein Wärmeerzeugungselement 8 ist auf der Außenfläche der Festelektrolytschicht 3 angeordnet.

Die erste und die zweite Bezugselektrode 4 bzw. 5 sind mit einem Bezugselektrodenanschluß 14 (siehe Fig. 1) über Durchbrüche in der Festelektrolytschicht 3 verbunden. Die erste und die zweite Meßelektrode 6 bzw. 7 sind mit einem Meßelektrodenanschluß 15 verbunden, und das Wärmeerzeu­ gungselement 8 ist mit zugehörigen Anschlüssen 16 und 17 verbunden. Die Bestandteile des Sauerstoffsensors 1 und die Verfahren zu ihrer Herrichtung werden nachfolgend be­ schrieben. Zunächst befindet sich gemäß Fig. 3 das rohförmige Element 2 in der Form eines Hohlzylinders mit einem Außendurchmesser von 3,2 mm und einem Innendurch­ messer von 1,5 mm, wobei ein Ende 18 offen ist und das andere Ende 19 mit einer Wand verschlossen ist. In der Seitenwand 2a in der Nähe der Abschlußwand 19 sind in zwei Reihen angeordnete Durchbrüche bzw. Durchgangsöffnungen 9 bis 12 und mit jeweils einem Durchmesser von 1 mm derart angeordnet, daß das erste Paar, welches durch die erste und die zweite Öffnung 9 bzw. 10 gebildet ist, dem zweiten Paar, welches durch die dritte und die vierte Öffnung 11 und 12 gebildet wird, gegenübersteht. Auf diese Weise wird ein Bezugsgas-Einführungskanal gebildet, welcher an dem offenen Ende 18 beginnt und sich zu den ersten bis vierten Öffnungen 9 bis 12 durch den hohlen Abschnitt 20 er­ streckt. Das rohrförmige Element 2 mit dieser Kon­ struktion kann leicht entweder durch Verwendung von Preß­ formen oder durch Spritzgießen hergestellt werden.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird die Festelektrolytschicht 3 aus einem frisch gewonnenen Blatt 3a zugerichtet, welches aus einem Grundpulver einer ZrO₂-Y₂O₃-Mischkristall, dessen Partikel in einem allgemein verwendeten Bindemittel verteilt sind, hergestellt ist. Ein Durchbruch 21 zur Schaffung einer Verbindung zwischen jeweils der ersten und der zweiten Bezugselektrode 4 bzw. 5 und dem Bezugs­ elektrodenanschluß 14 ist an einer Ecke des frischen Blattes 3a vorgesehen. Die erste und die zweite Bezugs­ elektrode 4 bzw. 5, welche eine Dicke von 10 µm besitzen und aus zirkoniumhaltigen Platin bestehen, werden mittels eines Dickfilm-Prozesses auf der Rückseite des frischen Blattes 3a gebildet, welche als Innenfläche der Fest­ elektrolytschicht 3 dienen soll.

Der Bezugselektrodenan­ schluß 14, die Meßelektroden 6 und 7 mit dem zugehörigen Anschluß 15, welche jeweils eine Dicke von 10 µm besitzen und welche aus zirkoniumhaltigen Platin bestehen, werden über einen Dickfilm-Prozeß auf der anderen Seite des frischen Blattes 3a gebildet, welche als Außenfläche der Festelektrolytschicht 3 dienen soll.

In dem nächsten Schritt werden Schutzschichten 22 und 23 mit einer Dicke von 20 µm, welche aus platinhaltigem Aluminiumoxid bestehen, auf den Oberflächen der Meßelek­ troden 6 bzw. 7 durch einen Dickfilm-Prozeß ausgebildet. Die erste, aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 30 µm bestehende Isolierschicht 24, welche Fenster 26 und 27 für die Meßelektroden 6 bzw. 7 aufweist, wird durch einen Dickfilm-Prozeß auf der Oberfläche des frischen Blattes 3a ausgebildet, mit Ausnahme der Fläche 25, wo die Elektroden­ anschlüsse 14 und 15 liegen. Entsprechend werden ein ge­ nerell U-förmiges Wärmeerzeugungselement 8 und zugehörige Elektroden 16 und 17, jeweils 10 µm dick und aus Aluminium­ oxid-haltigem Platin bestehend, mit einem Dickfilm- Prozeß auf der Oberfläche der ersten Isolierschicht 24 in der Weise ausgebildet, daß sie die erste und die zweite Meßelektrode 6 bzw. 7 umgeben. In dem abschließenden Schritt wird die zweite, aus siliziumhaltigem Aluminiumoxid bestehende Isolierschicht 28, welche 20 µm dick ist und Fenster 30 und 31 für die Meßelektroden 6 bzw. 7 aufweist, mit einem Dickfilm-Prozeß auf der Oberfläche der ersten Isolierschicht 24 ausgebildet, mit Ausnahme der Fläche 29, wo die Elektrodenanschlüsse 16 und 17 liegen.

Nach Ausbildung der verschiedenen Bestandteile auf dem frischen Blatt 3a über einen Dickfilm-Druckprozeß wird Zirkoniumpaste auf die Rückseite des Blattes aufgebracht, welches dann um das rohrförmige Element 2 in der Weise gewickelt wird, daß die erste Bezugselektrode 4 mit den zwei Öffnungen 9 und 10 in dem rohrförmigen Element 2 fluchtet und daß die zweite Bezugselektrode 5 mit den beiden anderen Öffnungen 11 und 12 zur Aus­ richtung gelangt. Das frische Blatt 3a wird auf dem rohrförmigen Element 2 durch Gummianpressen unter Vakuum befestigt, und die Anordnung wird in atmospherischer Luft gebrannt, um einen Sauerstoffsensor der in Fig. 1 gezeigten Art zu erhalten.

Der auf diese Weise hergestellte Sauerstoffsensor 1 wird gemäß Darstellung in Fig. 5 in einem Halter 32 befestigt, und zwar mit Hilfe eines Füllpulvers, wie Kohlengraphit oder Talk als Packmaterial 34 und mit einem verstimmten Ring 35. Eine Druckanschlußbefestigung 36 wird auf jeden der Anschlüsse in dem Sensor gelötet, und außerdem wird an der Befestigung 36 eine Leitung 37 angebracht. Danach werden eine Hülse 38, eine Schutzhülse 39, ein Puffer 40 sowie eine Schutzkappe 41 angebracht, um auf diese Weise eine Sauerstoffprüfsonde 42 zu schaffen.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor 1 bietet die folgen­ den Vorteile. Da das aus der ersten Bezugselektrode 4 und der ersten Meßelektrode 6 gebildete Elektrodenpaar so angeordnet ist, daß er dem zweiten, durch die zweite Bezugselektrode 5 und die zweite Meßelektrode 7 gebildeten Elektrodenpaar gegenübersteht, ist der Ausgangswert des Sensors 1 weniger empfindlich gegenüber der Flußrichtung des zu analysierenden Gases. Das gewährleistet eine hohe Meßgenauigkeit unabhängig von der Stellung, in welcher der Sensor angebracht wird.

Bei dem ersten, oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei Elektrodenpaare voneinander um einen Winkel von 180° beabstandet, so daß sie einander diametral gegenüberstehen. Nach dieser Anordnung kann der Sauerstoff­ partialdruck in dem zu analysierenden Gas genau gemessen werden, selbst wenn die Flußrichtung dieses Gases nicht senkrecht zu den Elektrodenoberflächen steht. Die Rich­ tungsabhängigkeit des Sauerstoffsensors kann auch noch reduziert werden, indem drei Elektrodenpaare in Abständen von 120° oder vier Elektrodenpaare mit Abständen von 90° angeordnet werden.

In manchen Fällen können Elektrodenpaare nicht gleichförmig gemäß obiger Beschreibung beabstandet werden, doch selbst in einem solchen Fall kann die Richtungsabhängigkeit des Sensors in zufriedenstellender Weise reduziert werden, wenn die Abweichung nicht mehr als etwa 30° beträgt.

In anderen Worten, ein Sauerstoffsensor mit verringerter Richtungsabhängigkeit kann gewonnen werden, indem paarweise vorgesehene Elektroden auf dem Umfang der Festelektrolyt­ schicht um Winkel von 360°/N ± 30° beabstandet werden, wobei N die Anzahl der Elektrodenpaare und 360°/N der Mittenwinkel ist, welcher durch zwei von den Mitten jeweils benachbarter individueller Elektroden ausgehende Radien gebildet wird.

Im Vergleich zu einem herkömmlichen Sauerstoffsensor in Plattenform besitzt der erfindungsgemäße Sensor, welcher ein dünnwandiges hohles rohrförmiges Element 2 benutzt, den Vorteil einer genügend verringerten Wärmekapazität, um eine signifikante Verbesserung in der Wärmewirksamkeit des Wärmeerzeugungselementes 8 zu erreichen und damit zu einem verringerten Energieverbrauch zu führen. Zusätzlich kann der erfindungsgemäße Sensor sehr leicht hergestellt werden, da das Wärmeerzeugungselement 8 auf der Oberfläche eines frischen Blattes 3a durch einen Dickfilm-Druckprozeß gebildet werden kann.

Das folgende Experiment wurde durchgeführt, um diese Vor­ teile des Sauerstoffsensors nach dem ersten Ausführungs­ beispiel der Erfindung nachzuweisen.

Experiment

Ein Versuchsgerät mit einem Kraftfahrzeugmotor mit einem Hubraum von 2 l wurde in Betrieb genommen, und eine Rück­ kopplungssteuerung für das Luft/Kraftstoffverhältnis wurde auf der Basis des Ausgangswertes eines Sauerstoffsensors in der Weise durchgeführt, daß Benzin und Luft im stöchiometrischen Verhältnis (λ = 1) gemischt und ver­ brannt wurden. Bei diesem Experiment wurden drei Sauer­ stoffsensoren A, B und C geprüft. Der Sensor A wurde entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gebaut, welches gemäß Fig. 6 zwei diametral gegenüber­ liegende Elektroden A2 auf der Oberfläche eines Zylinders A1 aufwies. Der Sensor B hatte eine Elektrode B2 auf der Oberfläche eines herkömmlichen rohrförmigen Substrates B1 (Vergleichsbeispiel 1). Der Sensor C hatte eine einzelne Elektrode C2 auf einer Seite eines Zylinders C1. Das Experiment wurde ausgeführt, indem die Luft/Kraftstoff- Verhältniskennwerte des Motors ermittelt wurden, wobei die Elektrodenposition eines jeden Sensors um einen Betrag von 30° bezüglich der Flußrichtung des zu analysierenden Gases verändert wurde. Die Ergebnisse des Experiments sind in dem Schaubild von Fig. 7 gezeigt, woraus man er­ sehen kann, daß das Vergleichsbeispiel 2 in Plattenform eine ausgeprägte Veränderung in dem Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis des Abgases erzeugte, wenn die Elektrodenposition relativ zur Flußrichtung verändert wurde, während der Sensor A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wenig empfindlich auf die Gasflußrichtung reagierte. Das Vergleichsbeispiel 2 in Zylinderform war besser als das Vergleichsbeispiel 1, jedoch nicht so gut wie der Sensor A, welcher weniger empfindlich hinsichtlich der Gasflußrich­ tung war.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Fig. 8 beschrieben. Dieses zweite Beispiel unterscheidet sich von dem ersten Beispiel darin, daß ein Wärmeerzeugungselement auf der Innenfläche statt auf der Außenfläche der Festelektrolytschicht ausgebildet ist.

Wie in Fig. 8 gezeigt, werden zwei Bezugselektroden 102 und 103, eine erste Isolierschicht 104, ein wärmeerzeugen­ des Element 106 und eine zweite Isolierschicht 107 in der genannten Reihenfolge durch einen Dickfilm-Prozeß auf der Rückseite eines frischen Blattes 101a ausgebildet, welche als Innenoberfläche der Festelektrolytschicht die­ nen soll. Zwei Meßelektroden 108 und 109, zwei Schutz­ schichten 110 und 111, eine dritte Isolierschicht 112, ein Bezugselektrodenanschluß 113, ein Meßelektrodenan­ schluß 114 sowie Wärmeerzeugungselement-Anschlüsse 115 und 116 werden in der genannten Reihenfolge mittels eines Dickfilm-Prozesses auf der anderen Seite des frischen Blattes 101a ausgebildet, welche als Außenfläche der Festelektrolytschicht dienen soll. Das frische Blatt 101a wird dann um ein hohles rohrförmiges Element 117 in der Weise gewickelt, daß die Bezugselektrode 102 mit den zwei Durchbrüchen bzw. Durchgangsöffnungen 118 und 119 in dem hohlen rohrförmigen Element 117 fluchtet und die zweite Bezugselektrode 103 mit den anderen beiden Öffnungen 120 und 121 fluchtet. Die Anordnung wird wie in dem ersten Beispiel gebrannt, um auf diese Weise einen Sauerstoffsensor zu erzeugen. Die Einzelteile des Sensors werden aus denselben Materialien hergestellt, die auch bei dem Sensor des ersten Beispiels verwendet wurden.

Bei dem Sauerstoffsensor nach dem zweiten Ausführungs­ beispiel wird das Wärmeerzeugungselement 106 durch einen Dickfilm-Prozeß auf der gleichen Seite des frischen Blattes 103a ausgebildet, auf welcher die Elektroden 102 und 103 vorgesehen sind. Auf diese Weise können diese Elektroden sehr wirksam auf eine Temperatur beheizt werden, welche für Meßzwecke geeignet ist. Das bietet einen be­ sonderen Vorteil für den Fall, daß der Sauerstoffpartial­ druck in einem kalten Gas gemessen werden soll, weil der Meßabschnitt nicht zu kalt ist, um die gewünschte Messung richtig durchführen zu können. Wenn deshalb dieses Sauer­ stoffsensor bei der Bestimmung des Sauerstoffpartial­ druckes in dem Abgas eines Kraftfahrzeugs verwendet wird, kann die Messung unmittelbar nach dem Start der Maschine begonnen werden.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Fig. 9 beschrieben. Das dritte Ausführungs­ beispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß das hohle rohr­ förmige Element 2, welches in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, auf einen Luft/ Kraftstoff-Verhältnisfühler angewendet wird, welcher mit einem Sauerstoffpumpelement versehen ist.

Wie in Fig. 9 gezeigt, werden zweite Pumpelektroden 202 und 203, eine Diffusionsbegrenzungsschicht 204, Meßelek­ troden 205 und 206, Festelektrolytschichten 207 und 208 sowie Bezugselektroden 209 und 210 in der genannten Reihen­ folge mittels eines Dickfilm-Prozesses auf der Rückseite eines frischen Blattes 201a ausgebildet, welche als Innenfläche der Festelektrolytschicht dienen soll. Erste Pumpelektroden 211 und 212, eine erste Isolier­ schicht 213, ein Wärmeerzeugungselement 214 und eine zwei­ te Isolierschicht 215 werden in der genannten Reihenfolge mit einem Dickfilmprozeß auf der anderen Seite des frischen Blattes 201a ausgebildet, welche als Außenoberfläche der Festelektrolytschicht dienen soll. Das frische Blatt 201a wird dann um ein hohles rohrförmiges Element 220 in der Weise gewickelt, daß wie in dem ersten Beispiel eine Aus­ richtung bezüglich der Durchbrüche bzw. Durchgangsöffnungen 216 bis 219 erzielt wird. Die Anordnung wird danach in atmosphärischer Luft gebrannt, um einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor zu erzeugen.

Im Vergleich mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor, welcher Einzelelemente und andere Bestandteile in Platten­ form aufeinandergeschichtet aufweist, ist der mit einem Sauerstoffpumpelement entsprechend dem dritten Ausführungs­ beispiel der Erfindung versehene Sensor sehr leicht her­ zustellen, und er erfordert lediglich eine einfache Kom­ bination des Sauerstoffpumpenelementes mit einer elektro­ chemischen Sauerstoffkonzentrationszelle zum Zweck der Erzeugung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals auf der Basis des gemessenen Pumpenstroms. Da der Sensor aus dem hohlen rohrförmigen Element 220 und der einzelnen Schicht des Zwischenblattes 201a zusammengesetzt ist, besitzt er zusätzlich eine geringere Wärmekapazität. Daher ist nicht nur der Energieverbrauch des Wärmeer­ zeugungselementes 214 verringert, sondern es ist auch seine Lebensdauer verbessert.

Claims (11)

1. Sauerstoffsensor mit einem Festelektrolyt und einer Schutzkappe (41), dadurch gekennzeichnet,
daß der Festelektrolyt als Schicht (3, 3a; 101a; 201a) auf einem rohrförmigen Element (2; 117; 220) ausgebildet ist,
daß das rohrformige Element (2; 117; 220) an einem Ende offen ist und eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (9-12; 118-121; 216-219) aufweist, die eine Verbindung zwischen der Innen- und Außenflächen des rohrförmigen Elements (2; 117; 220) herstellen,
daß die sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht (3, 3a; 101a; 201a) das rohrförmige Element (2; 117; 220) umgibt und mindestens zwei Paare von Elektroden (4-7; 102, 103, 108, 109; 202, 203, 205, 206, 209-212), jeweils ein Paar an der Innenfläche und ein Paar an der Außenfläche, besitzt,
daß die Elektroden auf der Innenfläche der Festelektrolytschicht an Positionen in Ausrichtung zu den Durchgangsöffnungen (9-12; 118-121; 216-219) in dem rohrförmigen Element (2, 117, 220) angeordnet sind und daß die Elektrodenpaare auf dem Umfang der Festelektrolytschicht (3, 3a, 101a, 201a) verteilt sind.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare (4-7; 102, 103, 108, 109; 202, 203, 205, 206, 209-212) auf dem Umfang der Festelektrolytschicht (3, 3a; 101a; 201a) jeweils um einen Winkel von 360°/N ± 30° versetzt sind, wobei N die Anzahl der Elektrodenpaare und 360°/N der Mittenwinkel ist, der durch zwei sich zur jeweiligen Mitte an benachbarten Elektroden erstreckende Radien gebildet wird.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytschicht (101a) ein Wärmeerzeugungselement (106) auf ihrer Innenfläche besitzt.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytschicht (3, 3a; 201a) ein Wärmeerzeugungselement (8; 214) auf ihrer Außenfläche besitzt.

5. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf der Innenfläche des leitenden Festelektrolyten miteinander verbundene Bezugselektroden aufweisen.

6. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf der Außenfläche des leitenden Festelektrolyten miteinander verbundene Meßelektroden aufweisen.

7. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element (2; 117; 220) aus einem Keramikmaterial besteht.

8. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytschicht (3, 3a; 101a; 201a) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe von ZrO₂-Y₂O₃ und ZrO₂-CaO ausgewählt ist.

9. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus einem gasdurchlässigen Material bestehen, welches aus einer Mischung von mindestens einem Edelmetall und einem Keramikpulver zubereitet ist.

10. Sauerstoffsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Edelmetall Platin enthalten ist.

11. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytschicht (3, 3a; 101a; 201a) durch Aufwickeln eines frischen Blattes von Festelektrolytmaterial, auf welchem die Elektroden vorher ausgebildet wurden, um das rohrförmige Element (2, 117, 220) und durch Brennen des Blattelements zusammen mit dem rohrförmigen Element gebildet ist.