DE3833541C1

DE3833541C1 -

Info

Publication number: DE3833541C1
Application number: DE3833541A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg De Friese; Werner Dipl.-Phys. Dr. 7016 Gerlingen De Gruenwald; Claudio De La Prieta; Hans-Martin Dipl.-Phys. Dr. 7000 Stuttgart De Wiedenmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-10-01
Filing date: 1988-10-01
Publication date: 1990-03-22
Anticipated expiration: 2008-10-02
Also published as: WO1990003570A1; KR900702363A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Magerastsonde für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen, insbesondere den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen, Meßfühler oder sog. λ-Sonden mit mindestens einer Meßzelle mit einer dem Abgas ausgesetzten Elektrode und einer normalerweise der Luft ausgesetzten Elektrode, der sog. Referenzelektrode, sowie einem Festelektrolyten zwischen den beiden Elektroden einzusetzen.

Bekannte, derartige Meßfühler beruhen auf dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten. Sie bestehen z. B. aus einem einseitig geschlossenem Rohr aus stabilisiertem Zirkondioxid, auf dessen äußerer, dem Abgas zugewandter Oberfläche sich eine poröse Platinschicht befindet, welche die Elektrode bildet und gleichzeitig eine möglichst weitgehende Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes katalysiert. Die dem Vergleichsgas ausgesetzte Elektrode befindet sich im Innern des Rohres. Derartige Meßfühler oder λ-Sonden der sog. Fingerversion sind z. B. aus der DE-PS 28 52 647 und 29 13 633 sowie der DE-OS 27 11 880 bekannt.

Bei den sog. einzelligen, d. h. eine Nernstzelle aufweisenden λ-Sonden des beschriebenen Typs liegt das maximale Ausgangssignal bei λ = 1,02 bei ca. 60 mV, wie sich beispielsweise aus der Literaturstelle SAE Technical Paper Series 840141, Sonderdruck aus der Zeitschrift "Sensors and Actuators" SP 567, Fig. 11 ergibt.

Bei dem aus der DE-PS 27 18 907 bekannten Meßfühler sind beide Elektroden der Sauerstoffkonzentrationszelle mit geringem Abstand zueinander auf einem massiven, elektrisch isolierenden Trägerkörper hintereinander angeordnet, wobei sich zwischen den Elektroden ein Oberflächenbereich des Festelektrolyten befindet. Aus der DE-PS 27 18 907 ist es auch bereits bekannt, Meßfühler mit mehreren in Reihe geschalteten Meßzellen herzustellen, wobei die einzelnen Meßzellen alternierend aufeinanderfolgende Elektroden- und Festelektrolytbereiche aufweisen und zu einer stabförmigen Meßzellenanordnung zusammengefaßt sind. Bei dieser Ausgestaltung erreicht der Meßfühler nicht nur sehr schnell seine Arbeitstemperatur, sondern liefert durch die Serienschaltung mehrerer Meßzellen auch eine erhöhte Ausgangsspannung, welche einfacher auszuwerten ist als die Ausgangsspannung einer einzigen Meßzelle und womit ein Abfall der Ausgangsspannung durch Alterungsprozesse meßtechnisch besser beherrscht werden kann.

Es ist ferner bekannt, zur Bestimmung des λ-Wertes von Gasgemischen planare Abgassonden zu verwenden, die sich in besonders kostengünstiger Weise in Keramikfolien- und Siebdrucktechnik herstellen lassen. Verwiesen wird diesbezüglich beispielsweise auf die EP-A 01 88 900 und 01 42 993 sowie die DE-OS 30 17 947 und 35 43 759. Zweckmäßig verwendet man dabei Keramikfolien auf Basis von ZrO₂, CeO₂, HfO₂ und ThO₂. Der Grund, weshalb ZrO₂-, CeO₂-, HfO₂- und ThO₂-Formkörper als Festelektrolyte verwendbar sind, beruht auf dem Vorhandensein von Sauerstoffionenleerstellen als Folge des Zusatzes von Stabilisatoren, wie z. B. Ca²⁺ und Y³⁺. Ein gewisses Problem bei der Herstellung elektrochemischer Meßfühler und Sonden für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in den Abgasen von Brennkraftmaschinen besteht darin, daß die Festelektrolytsubstrate vor einer elektrolytischen Zersetzung infolge einer zu hohen Strombelastung oder vor Kurzschlüssen bzw. vor einer Kopplung verschiedener galvanischer Kreise durch Anordnung von isolierenden Zwischenschichten geschützt werden müssen. So ist es z. B. bekannt, als isolierende Zwischenschichten keramische Aluminiumoxidschichten zu verwenden. Aus der GB-PS 10 48 069 und der EP-A 01 15 148 ist es ferner bekannt, den elektrischen Widerstand keramischer Materialien auf Basis von stabilisiertem ZrO₂, HfO₂, CeO₂ bzw. ThO₂ durch zusätzlichen Einbau von fünfwertigen Metallionen, wie z. B. Nb⁵⁺- und Ta⁵⁺-Ionen in das Wirtsgitter zu erhöhen, da sich mit ihnen die O^2--Leerstellen- Konzentration reduzieren läßt.

Aus der DE-OS 37 26 479 ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung von elektrisch-isolierenden Bereichen oder Schichten in oder auf O^2--Ionen leitenden, mit 3- oder niedrigerwertigen Kationen dotierten Festelektrolyten bekannt, bei dem man auf die elektrisch zu isolierenden Bereiche des Festelektrolyten eine Suspension oder Paste mit einer Verbindung mit einem oder mehreren 5- oder höherwertigen Kationen aufträgt und die 5- oder höherwertigen Kationen durch Erhitzen in den Festelektrolyten eindiffundieren läßt. Das Verfahren kann vorteilhaft angewendet werden, wenn solche Verbindungen mit 5- oder höherwertigen Kationen Suspensionen oder Pasten für z. B. Leiterbahnen oder Durchkontaktierungen zugesetzt werden, um die sich herum beim Sinterprozeß eine Isolationsschicht bilden soll.

Nachteilig an den bekannten Magerast- oder λ-Sonden des Standes der Technik ist, daß das Ausgangssignal vergleichsweise gering ist. Nachteilig an den bekannten Magerastsonden der Fingerversion ist ferner, daß die Heizleistung relativ groß ist.

Vorteile der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Magerastsonde mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber einer Einfach-Magerastsonde wesentliche Vorteile. So weist sie zunächst gegenüber einer Einfach-Magerastsonde ein vielfach höheres Ausgangssignal auf. Es wurde gefunden, daß, werden erfindungsgemäß mehrere λ-Sonden hintereinander geschaltet, sich die Ausgangssignale der einzelnen Sonden addieren. So erzielt man beispielsweise mit sechs in Serie geschalteten einzelnen Sonden praktisch die 6fache Ausgangsspannung einer einfachen Nernstzelle. Da jede λ-Sonde mit enger Toleranz ein definiertes Ausgangssignal liefert, wird die Reproduzierbarkeit des Ausgangssignals deutlich besser als die von bisher bekannten Grenzstromsonden. Die Auswertung des Signals kann dabei in üblicher und bekannter Weise erfolgen. Da die Sonde ein Spannungssignal liefert, ist eine direkte Auswertung mit Mikroprozessoren möglich. Die Ansprechzeit entspricht der bekannter λ-Sonden und ist damit deutlich schneller als die von bisher bekannten Grenzstromsonden, bei denen Diffusionsprozesse geschwindigkeitsbestimmend sind. Gegenüber einer Magerastsonde in Fingerversion ist die Heizleistung durch den direkten Kontakt der Heizschicht mit der Keramik erheblich verringert. Schließlich ist bei einer erfindungsgemäßen Magerastsonde eine genaue Temperaturregelung über einen Heizwiderstand oder über den Innenwiderstand der Nernstzellen möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Magerastsonde aus mindestens zwei, vorzugsweise vier und insbesondere vier bis sechs in Reihe geschalteten Nernstzellen oder Einzelsonden, die mittels gasdichter Kontaktierungen hintereinander geschaltet sind. Die Gasdichtheit wird dabei dadurch erreicht, daß die Durchkontaktierungslöcher in bekannter Laminiertechnik durch einen Foliendichtrahmen von oben her abgedeckt werden. Um Meßsignalverfälschungen durch Leckströme gering zu halten, werden die einzelnen Nernstzellen ausreichend weit voneinander angeordnet (Abstand z. B. < 5 × Festelektrolytdicke) und/oder es werden elektrisch isolierende Bereiche zwischen den Nernstzellen durch Aufbringen von elektrisch isolierenden Schichten, z. B. Al₂O₃-Schichten, oder durch Eindiffundieren von z. B. Nb⁵⁺ oder Ta⁵⁺ in den Festelektrolyten geschaffen, um eine O^2--Ionenleitung zu unterdrücken, wie es beispielsweise aus der DE-OS 37 26 479 bekannt ist.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Anordnung der einzelnen Nernstzellen in sog. "Janus-Form". Magerastsonden, in denen die einzelnen Nernstzellen "janusartig" angeordnet sind, sind solche, die nach beiden Seiten ein gleiches oder praktisch gleiches Aussehen zeigen und z. B. in den Fig. 4-6 beispielsweise dargestellt sind. Besondere Vorteile der Janus-Anordnung der Nernstzellen ergeben sich aus der doppelten Elektrodenfläche bei gleichem Abstand der Nernstzellen. Einander gegenüberliegende Nernstzellen können dabei durch ein Isolationsschichtensystem des Heizers oder durch ein entsprechendes Schichtsystem bei Ausführung ohne Heizer weitgehend galvanisch entkoppelt werden. Die Position der Sonde im Abgasstrom ist dabei von geringem Einfluß. Die Heizleistung läßt sich leicht auf den Elektrodenbereich konzentrieren. In vorteilhafter Weise ist bei einer Janus-Anordnung der Nernstzellen auch eine Zweifach-Luftreferenz- Anordnung möglich. In diesem Falle kann auf Durchkontaktierungen im Bereich der Sensorzellen verzichtet werden.

Zur Herstellung erfindungsgemäßer Magerastsonden eignen sich vergleichsweise dünne Keramikfolien auf Basis von Oxiden vierwertiger Metalle, wie insbesondere ZrO₂, CeO₂, HfO₂ und ThO₂, mit einem bestimmten Gehalt an zweiwertigen Erdalkalioxiden und/oder vorzugsweise dreiwertigen Oxiden der seltenen Erden bzw. an Yttriumoxid mit einer Stärke von vorzugsweise 0,1 bis 0,6 mm, insbesondere 0,25 bis 0,3 mm, die nach bekannten Dickschichttechniken mit den Elektroden, dazugehörigen Leiterbahnen usw. bedruckt, Stanzoperationen unterworfen, zusammenlaminiert und gesintert werden können.

Der Referenzkanal z. B. kann in bekannter Weise durch Ausstanzen oder durch Aufdrucken einer beim Sinterprozeß abdampfbaren oder ausbrennbaren Schicht erzeugt werden. Zur Erzeugung derartiger Schichten lassen sich übliche bekannte Hohlraumbildner verwenden, z. B. organische Verbindungen, beispielsweise auf Polyurethanbasis, oder Theobromin, Salze, wie z. B. Ammoniumcarbonat oder Thermalrußpulver.

Durchkontaktierungslöcher können durch einfaches Ausstanzen erzeugt werden. Die Isolierung der Durchkontaktierungslöcher kann z. B. mittels einer isolierenden Al₂O₃-Schicht oder mittels einer Suspension oder Paste erfolgen, wie man sie zur Ausbildung der Leiterbahnen verwendet, der jedoch ein oder mehrere Verbindungen mit einem 5- oder höherwertigen Kation zugesetzt wird, das man beim sich an den Laminierprozeß anschließenden Sinterprozeß bei Temperaturen bis zu 1600° C, vorzugsweise 1350 bis 1500° C in das Festelektrolytsubstrat eindiffundieren läßt.

Zur Erzeugung der Elektroden der einzelnen Nernstzellen sowie der dazugehörigen Leiterbahnen werden vorzugsweise in Dickschichttechnik verarbeitbare Pasten auf Edelmetallbasis, insbesondere Platinbasis oder Edelmetall-Cermetbasis, insbesondere Platin-Cermetbasis verwendet. Derartige Pasten können in bekannter Weise unter Verwendung von organischen Bindemitteln und/oder Haftverbesserern, Weichmachern und organischen Lösungsmitteln hergestellt werden.

Beispielsweise können die Elektroden und dazugehörigen Leiterbahnen aus einem Gemisch aus 60 Vol.-% Pt und 40 Vol.-% von mit 4 Mol-% stabilisiertem YSZ bestehen. Den zur Ausbildung der Leiterbahnen verwendeten Pasten können wiederum Verbindungen mit einer 5- oder höherwertigen Kation zugesetzt werden, um isolierende Bereiche zu schaffen.

Die Isolierung der Leiterbahnen oder Elektrodenzuführungen, der elektrischen Verbindung zwischen den einzelnen Elektroden einschließlich der Durchkontaktierungen sowie falls vorhanden der Heizschicht, erfolgt in zweckmäßiger Weise mit einer Pt-Nb₂O₅-Mischung, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 37 26 479 bekannt ist.

Die zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Magerastsonde benötigten Folien lassen sich in vorteilhafter Weise mit interlaminaren Bindern, z. B. auf YSZ-Basis zusammenlaminieren.

Der Laminatverband wird anschließend gesintert, z. B. durch 1- bis 10stündiges Erhitzen auf Temperaturen von 1350 bis 1500° C. Nach, gegebenenfalls jedoch auch bereits vor Durchführung des Sinterprozesses können im Bereich der Durchkontaktierungslöcher elektrische Kontaktflächen aufgedruckt werden.

Zeichnung

Die Figuren dienen der näheren Erläuterung der Erfindung. Im einzelnen sind schematisch dargestellt in:

Fig. 1 eine Magerastsonde nach der Erfindung mit einfacher Reihenschaltung der Nernstzellen im Schnitt;

Fig. 2 die Magerastsonde gemäß Fig. 1 in Draufsicht;

Fig. 3 das Layout einer Magerastsonde nach der Erfindung des in Fig. 1 und 2 dargestellten Typs;

Fig. 4 eine Magerastsonde nach der Erfindung mit "Janus- Anordnung" der Nernstzellen im Schnitt;

Fig. 5 das Layout einer Magerastsonde nach der Erfindung des in Fig. 4 dargestellten Typs;

Fig. 6 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Magerastsonde nach der Erfindung mit einer "Janus-Anordnung" der Nernstzellen ohne Durchkontaktierungen im Schnitt;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Teiles einer Magerastsonde nach der Erfindung gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Magerastsonde nach der Erfindung ohne Durchkontaktierungen mit seitlichen Kanälen zur Versorgung eines Teiles der Elektroden mit Luft und Abgas.

Bei der in den Fig. 1 und 2 beispielsweise dargestellten Magerastsonde nach der Erfindung handelt es sich um eine aus Folien 1, 2, 3 und 4 hergestellte Sonde mit sechs in Reihe geschalteten Nernstzellen mit den dem Abgas ausgesetzten Außenelektroden E₁-E₆ sowie den im Referenzkanal 5 angeordneten Referenzelektroden E₇-E₁₂.

Die einzelnen Elektroden sind auf die Festelektrolytfolie 2 aufgedruckt und gegenüber dieser durch zunächst aufgebrachte Isolierschichten, z. B. auf Al₂O₃-Basis, elektrisch isoliert. Die Folie 2 weist Durchkontaktierungen 6 mit elektrischen Isolierungen auf, die eine galvanische Verbindung der Elektroden E₁-E₈, E₂-E₉, E₃-E₁₀, E₄-E₁₁ und E₅-E₁₂ schaffen.

Die Außenelektrode E₆ ist an die Leiterbahn 7 und die Referenzelektrode E₇ ist an die Leiterbahn 8 angeschlossen. Auf die Folie 4 ist der Heizer 9 mit dem Heizeranschluß 10 aufgedruckt. Die Außenelektroden E₁-E₆ sind mit einer porösen Abdeckung 11, z. B. auf Al₂O₃- oder Mg-Spinellbasis, versehen. Die Leiterbahnen 7 und 8 sind von isolierenden Bereichen umgeben, wie in Fig. 2 durch die gestrichelt gezeichneten Linien angedeutet wird.

Der Luftreferenzkanal 5 kann eine poröse Füllung aufweisen. Derartige poröse Füllungen, z. B. auf Al₂O₃- oder ZrO₂-Basis sind bekannt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten, der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sehr ähnlichen Ausführungsform ist in der Folie 1 für die Erzeugung der Abdeckung 11 eine Öffnung 12 vorgesehen. Die Abdeckung ist so beschaffen, daß sie die Elektroden E₁₃-E₁₈ schützt, jedoch den Zutritt des Abgases zu den Elektroden ermöglicht. In vorteilhafter Weise weist die Folie 1 bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ferner eine Öffnung 13 zum Referenzkanal 5 auf, um den Diffusionswiderstand zu verringern. Eine entsprechende Öffnung 13′ befindet sich auch in der Folie 2, aus der ferner ein Durchkontaktierungsloch 14 für die elektrische Verbindung der Leiterbahn 15 mit dem Anschluß 16 ausgestanzt ist. Die Elektrode E₁₃ ist über die Leiterbahn 17 an den Anschluß 16′ angeschlossen und die Elektrode E₂₄ an die Leiterbahn 15. Im Falle der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform weist die Folie 3 einen ausgestanzten Referenzkanal 5 auf. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Kanal jedoch auch durch Aufdrucken eines Hohlraumbildners des bereits erwähnten Typs und Zersetzen oder Verbrennen desselben während des später durchzuführenden Sinterprozesses erzeugt werden. Die Sonde weist ferner ein Heizerelement bestehend aus der Folie 4 mit aufgedrucktem Heizer 9, Durchkontaktierungslöchern 19 und Anschlüssen 20 und 20′ auf. Die Verbindung der einzelnen Folien miteinander erfolgt durch Laminierung mittels Schichten 21, 21′ und 21″ aus interlaminarem Binder, wie er üblicherweise zur Herstellung planarer Sonden auf Festelektrolytbasis verwendet wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verwendet man zur Herstellung einer Magerastsonde des in Fig. 3 dargestellten Typs Folien auf Basis von mit Y₂O₃ stabilisiertem Zirkondioxid, sog. YSZ-Folien mit z. B. 4 Mol-% Y₂O₃.

Die Abdeckung der Außenelektroden kann z. B. durch Einlegen einer porös sinternden ZrO₂-Folie oder durch Eindrucken einer Al₂O₃- haltigen porösen Engobeschicht in die vorgesehene Öffnung 12 oder mittels einer plasmagespritzten Mg-Spinellschicht erfolgen. Außenelektroden und Referenzelektroden können die für bekannte planare Sonden übliche Zusammensetzung haben und somit beispielsweise aus Edelmetall-Cermet-Elektroden bestehen, z. B. Platin- Cermet-Elektroden, beispielsweise mit 60 Vol.-% Pt und 40 Vol.-% YSZ (mit 4 Mol-% Y₂O₃).

Die Isolierung der Elektroden gegenüber den Foliensubstraten und die Schaffung isolierender Bereiche zwischen den einzelnen Nernstzellen kann in vorteilhafter Weise nach dem aus der DE-OS 37 26 479 bekannten Verfahren erfolgen, wonach auf die elektrisch zu isolierenden Bereiche des Festelektrolytsubstrates eine Suspension oder Paste mit mindestens einer Verbindung mit einem oder verschiedenen 5- oder höherwertigen Kationen aufgetragen und die 5- oder höherwertigen Kationen durch Erhitzen in das Festelektrolytsubstrat eindiffundieren gelassen wird.

Beispielsweise lassen sich zur Ausbildung der Isolierungen 22, 22′ und 22″ Nb₂O₅-Suspensionen mit 5 Mol-% ZrO₂ verwenden.

Die elektrische Isolierung der Leiterbahnen gegenüber den Festelektrolytfolien kann ebenfalls nach dem aus der DE-OS 37 26 479 bekannten Verfahren erfolgen, indem man den zum Druck der Leiterbahnen oder Anschlüsse verwendeten Massen oder den Durchkontaktierungsmassen eine oder mehrere Verbindungen mit einem oder verschiedenen 5- oder höherwertigen Kationen des erwähnten Typs zusetzt.

Die Schichten aus interlaminarem Binder, die zum Zusammenlaminieren der einzelnen Folien verwendet werden, haben die übliche bekannte Zusammensetzung, d. h. sie können beispielsweise aus einer YSZ-Masse mit 4 Mol-% Y₂O₃ bestehen.

Das Zusammenlaminieren und Sintern der zusammengefügten Folien erfolgt ebenfalls in für die Herstellung planarer Sonden bekannter Weise, z. B. durch 0,5- bis 3stündiges Erhitzen auf eine Temperatur von 1200 bis 1400° C.

Die in Fig. 4 im Schnitt dargestellte Magerastsonde nach der Erfindung in Janusform weist vier Nernstzellen auf. Erfindungsgemäße Magerastsonden in "Janusform" können jedoch auch aus eben so viel einzelnen Nernstzellen aufgebaut sein, wie die in den Fig. 1-3 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magerastsonde mit einfacher Reihenschaltung der Nernstzellen. Dies bedeutet, daß eine erfindungsgemäße Magerastsonde in Janusform beispielsweise auch aus sechs oder acht oder noch mehr einzelnen Nernstzellen aufgebaut sein kann.

Die in Fig. 4 beispielsweise dargestellte Ausführungsform besteht aus den Festelektrolytfolien 1′, 2′, 3′ und 4′ mit den aus den Elektroden E₂₅-E₂₆; E₂₇-E₂₈; E₂₉-E₃₀ und E₃₁-E₃₂ gebildeten Nernstzellen. Zwischen den Nernstzellen E₂₅-E₂₆ und E₂₇-E₂₈ einerseits und den Nernstzellen E₂₉-E₃₀ und E₃₁-E₃₂ andererseits befindet sich der Luftreferenzkanal 5, über den die Referenzelektroden mit Luft versorgt werden und der über den Dichterahmen 40 abgedichtet ist. Im Luftreferenzkanal 5 befindet sich der in ein porös isolierendes Material, z. B. poröses Al₂O₃ eingebettete Heizer 9. Die Elektrode E₂₅ ist mit der Elektrode E₂₈ über die Durchkontaktierung 24 und die Elektrode E₂₉ mit der Elektrode E₃₂ über die Durchkontaktierung 25 galvanisch verbunden. Ferner ist die Elektrode E₂₆ über die Durchkontaktierung 26 mit der Elektrode E₃₀ galvanisch verbunden. Die gegenüber den Festelektrolytfolien elektrisch isolierten Leiterbahnen 27 und 28 verbinden die Elektroden E₂₇ bzw. E₃₁ mit nicht dargestellten Anschlüssen, wobei die Leiterbahn 28 durch das Durchkontaktierungsloch 29 geführt wird. Die dem Abgas ausgesetzten Außenelektroden E₂₅ und E₂₇ sowie E₃₀ und E₃₂ weisen wie die Außenelektroden der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform poröse Abdeckungen 11 auf.

Wie schematisch in Fig. 5 dargestellt, weisen die Festelektrolytfolien 1′ und 4′ Öffnungen 12 für Abdeckungen 11, wie im Falle der in den Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsform auf, die die Außenelektroden E₂₅ und E₂₇ bzw. E₃₀ und E₃₂ abdecken, jedoch den Zutritt des Abgases zu den Elektroden ermöglichen.

Die Folie 2′ weist Durchkontaktierungslöcher 6 auf und ist auf einer Seite mit den Elektroden E₂₅ und E₂₇, der Leiterbahn 27 und den Anschlüssen 16 und 16′ sowie auf der anderen Seite mit den Elektroden E₂₆ und E₂₈ sowie dem Anschluß 16″ bedruckt. Die Isolierung der Elektroden gegenüber dem Foliensubstrat erfolgt wie im Falle der in den Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsform durch nach dem Siebdruckverfahren erzeugte Isolierungen 22 und 22′. Im Falle der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform wird auf die den Elektroden E₂₆ und E₂₈ zugewandte Seite der Festelektrolytfolie 2′ eine Schicht 30 aus einem interlaminaren Binder mit Aussparungen 31 und 32 aufgedruckt. Diese Schicht kann jedoch gegebenenfalls auch entfallen. Die Folie 3′ ist in entsprechender Weise wie die Folie 1′ auf einer Seite mit den Elektroden E₂₉ und E₃₁ sowie der Leiterbahn 28 und auf der anderen Seite mit den Elektroden E₃₀ und E₃₂ und den Anschlüssen 34 und 35 bedruckt.

Die Durchkontaktierungslöcher 6 und 6′ dienen der Erzeugung von Durchkontaktierungen 25 bzw. 26. Die mit Hilfe der Durchkontaktierungslöcher 6″ und 6‴ bewirkten Durchkontaktierungen stellen den elektrischen Kontakt zu den Anschlüssen 34 und 35 her. Zwischen die Folie 3′ und die Folie 4′ wird eine Schicht 36 aus interlaminarem Binder eingeführt. Zur Herstellung des Heizers und des Luftreferenzkanals dienen zwei porös sinternde Al₂O₃-Isolationsschichten 38 und 39 mit aufgedruckten, hermetisch abdichtenden Rahmen 40 und 41 auf Basis von mit Y₂O₃ stabilisiertem ZrO₂. Der Heizer 9 kann dabei in Dickschichttechnik auf die Isolationsschicht 39 aufgedruckt werden. Zum Aufdruck geeignete Pasten sind z. B. Pasten auf Basis von Pt/Al₂O₃; Pt/Nb₂O₅ oder Pt/Al₂O₃/Nb₂O₅-Cermet. Der Luftreferenzkanal 5 kann aus der Schicht 39 herausgestanzt sein oder mittels eines Hohlraumbildners des bereits erwähnten Typs durch Aufdrucken einer entsprechenden Paste und Zersetzung oder Verbrennung des Hohlraumbildners während des Sinterprozesses erzeugt werden. Das Zusammenlaminieren und Sintern erfolgt wiederum in der für die Herstellung von planaren Sonden üblichen und bekannten Weise.

Für die in Fig. 6 schematisch dargestellte Ausführungsform mit einer "Janus"-Anordnung der Nernstzellen ist charakteristisch, daß sie keine Durchkontaktierungen aufweist. Sie besteht im wesentlichen aus den vier Festelektrolytfolien 1, 2, 3 und 4, den die Nernstzelle oder λ-Sonde 1 bildenden Elektroden E₃₃ und E₃₆, den die Nernstzelle oder λ-Sonde 2 bildenden Elektroden E₃₄ und E₃₅ sowie den die Nernstzelle oder λ-Sonde 3 bildenden Elektroden E₃₅ und E₃₈ sowie dem Heizer 23, der gegenüber den Festelektrolytfolien 2 und 3, wie durch 43 angedeutet ist, elektrisch isoliert ist. Die Elektroden E₃₃ und E₃₅ sind an einen oberen und die Elektrode E₃₇ ist an einen unteren Luftreferenzkanal angeschlossen und mit einer gasdichten Abdeckung 51 abgedeckt. Die Elektroden E₃₄, E₃₆ und E₃₈ liegen am Abgas. Letztere weisen vorzugsweise eine poröse Abdeckung 11 auf. Die Elektroden E₃₃ und E₃₈ sind an die Leiterbahnen 44 bzw. 45 angeschlossen. Die Elektroden E₃₄ und E₃₅ sowie die Elektroden E₃₆ und E₃₇ sind galvanisch verbunden. Fig. 7 veranschaulicht den Verlauf der Luftreferenzkanäle, über die die Referenzelektroden E₃₃, E₃₅ und E₃₇ mit Luft versorgt werden. In Fig. 7 wurde der Heizer der besseren Übersicht halber weggelassen.

Im Falle der in Fig. 8 schematisch dargestellten Ausführungsform mit Janus-Anordnung der Nernstzellen ist der isolierte Heizer im Gegensatz zu der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsform nicht mittig zwischen den Elektroden, sondern unterhalb der Elektroden angeordnet. Bei dieser Heizeranordnung ist es erforderlich, einen Teil der Elektroden über seitliche Kanäle zu versorgen. Die Magerastsonde besteht im wesentlichen aus den Festelektrolytfolien 1, 2 und 3 sowie den die Heizereinheit bildenden Folien 4 und 4′, den die erste Nernstzelle oder λ-Sonde bildenden Elektroden E₃₉ und E₄₂, den die zweite Nernstzelle oder λ-Sonde bildenden Elektroden E₄₀ und E₄₃ sowie den die dritte Nernstzelle oder λ-Sonde bildenden Elektroden E₄₁ und E₄₄. Die Elektroden E₄₀ und E₄₁ einerseits und E₄₂ und E₄₃ andererseits sind galvanisch miteinander verbunden. Die Elektroden E₃₉ und E₄₄ weisen elektrische Anschlüsse 49 bzw. 50 auf.

Die Versorgung der Elektroden E₄₂ und E₄₄ mit Abgas erfolgt über die seitlichen, eine poröse Füllung aufweisenden Kanäle 46 bzw. 47, und die Versorgung der Referenzelektrode E₄₃ mit Luft erfolgt über den seitlichen Kanal 48. Diese seitlichen Kanäle können beispielsweise analog dem Referenzkanal 5 der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform hergestellt werden.

Die erfindungsgemäßen Magerastsonden können beispielsweise in Gehäuse des aus den DE-OS 32 06 903 und 35 37 051 bekannten Typs eingesetzt und zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration der Abgase von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Claims

1. Magerastsonde für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen mit im Abstand voneinander auf sauerstoffionenleitendem Festelektrolyten angeordneten, mindestens zwei in Reihe geschaltete Nernstzellen bildenden Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Folientechnik aufgebaut ist.

2. Magerastsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der einzelnen Nernstzellen zueinander mindestens dem 3fachen der Festelektrolytdicke entspricht und/oder daß zwischen den einzelnen Nernstzellen elektrisch isolierende Bereiche vorliegen.

3. Magerastsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zum Aufbau der Sonde verwendeten Festelektrolytfolien bei 0,1 bis 0,6 mm liegt.

4. Magerastsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Nernstzellen mittels gasdichter Durchkontaktierungen in Reihe geschaltet sind.

5. Magerastsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierungslöcher durch eine gasdichte Keramikschicht abgedeckt sind.

6. Magerastsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus vier bis sechs in Reihe geschalteten Nernstzellen aufgebaut ist.

7. Magerastsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens vier zusammenlaminierten Festelektrolytfolien mit integriertem Heizer aufgebaut ist, wobei die Nernstzellen von einer der vier Festelektrolytfolien gebildet werden.

8. Magerastsonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine 2fache Luftreferenzanordnung ohne Durchkontaktierungen im Bereich der Sensorzellen.