DE3917710A1

DE3917710A1 - Sauerstoffsensor mit eingebautem heizelement

Info

Publication number: DE3917710A1
Application number: DE3917710A
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Kato; Yasuhiko Hamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1990-01-04
Also published as: JPH021539A; JPH0786498B2; DE3917710C2; US4909922A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen mit einem eingebautem Heizelement versehenen Sauerstoffsensor und insbesondere auf einen Sauerstoffsensor mit verbesserter Betriebszuverlässigkeit, der eine elektrische Heizvorrich tung zur Erzeugung von Wärme für das Einhalten einer er wünschten Betriebstemperatur einer elektrochemischen Zelle enthält, die entsprechend einer Sauerstoffkonzentrationsdif ferenz zwischen einem Meßgas und einem Bezugsgas eine elek tromotorische Kraft bzw. EMK erzeugt.

Auf dem Gebiet der Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnis ses eines einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zuzuführenden Luft/Brennstoff-Gemisches ist es beispiels weise bekannt, einen Sauerstoffsensor einzusetzen, in wel chem nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle ein für Sauerstoffionen leitendes Trockenelektrolytmaterial wie Zirkondioxidkeramik zum Messen der Sauerstoffkonzentra tion der von der Maschine abgegebenen Abgase benutzt wird.

Ein solcher Sauerstoffsensor für das Bestimmen der Sauer stoffkonzentration hat ein Sensorelement, das einen flachen, einen säulenförmigen, einen rohrförmigen oder einen ander weitig geformten Trockenelektrolytkörper sowie an der inne ren und der äußeren Fläche des Trockenelektrolytkörpers ausgebildete Elektroden hat. Im einzelnen ist der Außenluft die Elektrode an der Innenfläche des Trockenelektrolytkör pers ausgesetzt, so daß diese als Bezugselektrode dient, während die Elektrode an der Außenfläche des Trockenelektro lytkörpers dem zu messenden Abgas bzw. Meßgas ausgesetzt ist. Infolge einer Differenz zwischen der Außenluft und dem Abgas hinsichtlich der Sauerstoffkonzentration wird zwischen der Bezugselektrode und der Meßelektrode eine elektromotori sche Kraft bzw. EMK induziert. Die induzierte EMK wird einer geeigneten Meßvorrichtung zugeführt, um die Sauerstoffkon zentration des Abgases zu bestimmen.

Um eine genaue und zuverlässige Funktion des Sauerstoffsen sors selbst bei verhältnismäßig niedriger Temperatur der Abgase zu erreichen, ist im allgemeinen ein geeignetes Heiz element bzw. eine Heizvorrichtung vorgesehen, die zumindest den Sauerstoffmeßbereich des Sensorelements erwärmt, an dem die Elektroden angeordnet sind, und zwar derart, daß der Sauerstoffmeßbereich auf einer erwünschten erhöhten Be triebstemperatur gehalten wird. Beispielsweise wird gemäß der Beschreibung in der ungeprüften JP-OS 57-1 42 555 in einer in einem rohrförmigen Sensorelement ausgebildeten Bohrung ein stabförmiges elektrisches Widerstandsheizelement ange ordnet. Alternativ wird gemäß der JP-OS 54-1 40 145 in einer Schichtenstruktur eines ebenen Sensorelements ein elektri sches Heizwiderstandselement eingebettet.

Bei dem vorstehend beschriebenen Sauerstoffsensor ist die an der Außenfläche des körperfernen Sauerstoffmeßbereichs des Sensorelements ausgebildete Meßelektrode dem Meßgas in dem Außenraum eingesetzt, während die an der Innenfläche des Sauerstoffmeßbereichs ausgebildete Bezugselektrode mit einem geeigneten Bezugsgasdurchlaß in Verbindung steht, der durch das Sensorelement hindurch derart ausgebildet ist, daß er sich von dem körpernahen Endbereich bis zu dem körperfernen Sauerstoffmeßbereich erstreckt. Dieser Bezugsgasdurchlaß ist an dem körpernahen Ende des Sensorelements offen, so daß die Umgebungsluft in den Durchlaß als Bezugsgas eintritt, dem die Bezugselektrode ausgesetzt ist. Üblicherweise ist das Sensorelement mit einer geeigneten metallischen Abdeckung versehen, die einen Lufteinlaß hat, über den die Umgebungs luft in den Bezugsgasdurchlaß strömt.

Wenn der Sauerstoffensor der vorstehend beschriebenen Art Wasser oder Feuchtigkeit ausgesetzt ist, kann das Sensorele ment durch Wasser oder Feuchtigkeit beeinträchtigt werden, das bzw. die über den Lufteinlaß in die Abdeckung gelangt. Beispielsweise kann die elektrische Isolierung des Sensor elements verschlechtert werden, was ungenaue Ausgangssignale des Sensors hervorruft, oder es kann infolge der Verdampfung des eingedrungenen Wassers bzw. der Feuchtigkeit der Sauer stoffpartialdruck des Bezugsgases in dem Bezugsgasdurchlaß verringert sein, wodurch die Ausgangssignale nicht auf ge naue Weise die Sauerstoffkonzentration des Meßgases wieder spiegeln. Ferner können die keramischen Materialien des Sensorelements durch das Wasser bzw. die Feuchtigkeit physi kalisch beschädigt werden.

Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme wird in der JP-OS 62-2 14 347 ein Sauerstoffsensorelement mit einer gesonderten Sauerstoffpumpvorrichtung vorgeschlagen, die einen Sauerstoffpumpvorgang ausführt, um innerhalb eines in dem Sensorelement gebildeten eingeschlossenen Raums eine Bezugsatmosphäre mit der vorbestimmten bzw. Bezugs-Sauer stoffkonzentration zu erzeugen. Durch eine solche Sauer stoffpumpvorrichtung werden zwangsläufig die Anzahl der Herstellungsschritte und die Kompliziertheit des Aufbaus des Sensors erhöht, was eine erhöhte Ausschußrate bei der Her stellung zur Folge haben könnte. Als Alternativlösung zu dem vorstehend beschriebenen Problem wurde eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, deren Meßelektrode und Bezugselektrode zugleich auch als Sauerstoffpumpvorrichtung benutzt werden. Das heißt, über einen Widerstand wird der Meßelektrode und der Bezugselektrode ein Pumpstrom zugeführt. Durch das Anbringen des Widerstands wird jedoch auch die Anzahl der Herstel lungsschritte für das Sensorelement erhöht. Wenn der Wider stand in das Sensorelement eingebaut wird, hat der Wider stand nachteiligerweise eine verhältnismäßig geringe Wärme beständigkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen mit einer eingebauten elektrischen Heizvorrichtung versehenen Sauerstoffsensor zu schaffen, der im Betrieb zuverlässig ist, in einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Herstel lungsschritten leicht herzustellen ist und einfach aufgebaut sowie außerordentlich wasserbeständig ist, ohne daß eine Verbindung mit der Umgebungsatmosphäre aus Bezugsgas erfor derlich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Sauerstoffsensor in einer ersten Ausführungsform mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Mitteln gelöst.

Ferner wird die Aufgabe auch mit einem Sauerstoffsensor in einer zweiten Ausführungsform mit den in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 6 aufgeführten Mitteln gelöst.

Weiterhin wird die Aufgabe auch mit einem erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor in einer dritten Ausführungsform gelöst, die sich von der zweiten Ausführungsform der Erfindung hin sichtlich des Zusammenhangs zwischen der Bezugselektrode, dem elektrisch isolierenden Teil und dem Speicher unter scheidet. Das heißt, das elektrisch isolierende Teil hat eine poröse Struktur, die mit der von der Meßelektrode abgewand ten einen Hauptfläche der Bezugselektrode in Verbindung gehalten wird, und der Speicher für das Speichern des Be zugsgases ist derart geformt und angeordnet, daß er im wesentlichen in Verbindung mit dem elektrisch isolierenden Teil gehalten ist.

Ferner wird die Aufgabe der Erfindung auch mit einem Sauer stoffsensor in einer vierten Ausführungsform gelöst, die sich von der vorstehend beschriebenen zweiten und dritten Ausführungsform des Sauerstoffsensors hinsichtlich des Zu sammenhangs zwischen der Bezugselektrode, dem elektrisch isolierenden Teil und dem Speicher unterscheidet. Das heißt, das elektrisch isolierende Teil wird in Verbindung mit der von der Meßelektrode abgewandten Hauptfläche der einander gegen überliegenden Hauptflächen der Bezugselektrode angeordnet, während der Speicher für das Speichern des Bezugsgases der art geformt und angeordnet wird, daß er in Verbindung mit der anderen der einander gegenüberliegenden Flächen der Bezugselektrode gehalten wird.

In dem auf die vorstehend beschriebene Weise gestalteten erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor wird ein Teil des dem Heizelement zugeführten elektrischen Stroms von dem Ab schnitt höheren Potentials des Heizelements zu der Meßelek trode hin abgeleitet, wodurch von der Meßelektrode der Sauerstoff in dem Meßgas eingefangen, zu dem Abschnitt hohen Potentials des Heizelements hin übertragen und in der porö sen Struktur des elektrisch isolierenden Teils des Sauer stoffsensors in der genannten ersten Ausführungsform oder in dem Speicher gemäß dem Sauerstoffsensor in der zweiten, dritten oder vierten Ausführungsform gespeichert wird. Da die Bezugselektrode im wesentlichen mit der porösen Struktur des isolierenden Teils bzw. der Isolierschicht oder mit dem Speicher in Verbindung steht, ist die Bezugselektrode mit dem als Bezugsgas in der porösen Struktur des isolierenden Teils oder in dem Speicher gespeicherten Sauerstoff in Be rührung. Infolgedessen wird zwischen der Meßelektrode und der Bezugselektrode eine EMK induziert, die einer Sauer stoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem externen Meßgas und dem Bezugsgas entspricht. Auf diese Weise kann die Sauerstoffkonzentration des Meßgases gemessen oder bestimmt werden.

Es ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäß gestaltete Sauerstoffsensor keinen Bezugsluftdurchlaß für die Verbin dung der Bezugselektrode mit der Umgebungsluft hat, die als Bezugsgas benutzt wird. Infolgedessen kann der Sensor sehr flüssigkeitsdicht gestaltet werden. Ferner kann in diesem Sensor der Sauerstoff aus dem externen Meßgas in das Sensor element dadurch gepumpt werden, daß auf einfache Weise der Abschnitt niedrigen Potentials des Heizelements mit der Meßelektrode verbunden wird. Das heißt, für den Sensor ist keine gesondert ausgelegte Sauerstoffpumpvorrichtung erforderlich, so daß der Sensor hinsichtlich des Aufbaus vereinfacht und in einer verhältnismäßig verringerten Anzahl von Herstel lungsschritten gefertigt werden kann, während eine genaue und zuverlässige Messung oder Bestimmung der Sauerstoffkon zentration des Meßgases gewährleistet ist.

Vorzugsweise werden der Abschnitt niedrigen Potentials des Heizelements und die Meßelektrode elektrisch an einer Stelle innerhalb des Sensorelements oder an einer Oberfläche des Sensorelements miteinander verbunden.

In dem erfindungsgemäßen Sensor in jeder der vorstehend genannten vier Ausführungsformen kann das elektrich isolie rende Teil aus einer mit der Bezugselektrode in Berührung stehenden ersten Isolierschicht und einer zweiten Isolier schicht bestehen, die mit der ersten Isolierschicht zusammen eine elektrisch isolierende Masse bildet, in die das Heiz element eingebettet ist.

Das Heizelement kann aus einem wärmeerzeugenden Element bzw. einem Heizabschnitt und einem Paar elektrischer Zuleitungs abschnitte bestehen, die jeweils mit dem negativen bzw. positiven Anschluß der Gleichstromquelle verbunden sind und die den Abschnitt niedrigen Potentials bzw. höheren Poten tials bilden.

In dem erfindungsgemäßen Sensor ist das elektrisch isolie rende Teil vorzugsweise porös, so daß der eingepumpte Sauer stoff leicht in den Speicher strömen kann.

Wenn der Speicher gemäß der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors ausgebildet ist, kann der Sensor eine zwischen den Trockenelektrolytkörper der elektrochemischen Zelle und dem elektrisch isolierenden Teil eingefügte Trockenelektrolyt-Abstandsschicht enthalten, so daß der Speicher durch eine Öffnung oder Lücke begrenzt ist, die durch die Abstandsschicht hindurch derart ausgebildet ist, daß die einander gegenüberliegenden offenen Enden der Öffnung oder Lücke durch die Bezugselektrode und das isolie rende Teil geschlossen sind. In diesem Fall kann die Bezugs elektrode einen Flächeninhalt haben, der größer als der Querschnittsflächeninhalt des Speichers in einer zur Ebene der Bezugselektrode parallelen Ebene ist. Dabei ist es vor teilhaft, die dem Speicher zugewandte Fläche der Bezugselek trode mit einer porösen Keramikschicht abzudecken.

Alternativ kann der Speicher die Form einer Anordnung von Durchgangsöffnungen haben, die durch die Abstandsschicht hindurch in Verbindung mit der Bezugselektrode ausgebildet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des mit einem eingebauten Heizelements versehenen Sauerstoffsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel und zeigt von einem Sauerstoff- Meßelement desselben einen körperfernen Sauerstoff-Meßab schnitt im Querschnitt.

Fig. 2 ist eine schematische, auseinandergezogen dargestellte perspektivische Ansicht des Sauerstoff-Sensor elements des Sensors nach Fig. 1.

Fig. 3 ist eine der Fig. 1 entsprechende schemati sche Ansicht des Sauerstoffsensors gemäß einem anderen Aus führungsbeispiel.

Fig. 4 ist eine der Fig. 2 entsprechende schemati sche, auseinandergezogen dargestellte perspektivische An sicht des Sensorelements des Sensors nach Fig. 3.

Fig. 5 ist eine schematische, auseinandergezogen dargestellte perspektivische Ansicht des Sauerstoffsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 und 7 sind der Fig. 1 entsprechende Ansich ten des Sauerstoffsensors gemäß nächsten Ausführungsbeispie len.

In den schematischen Ansichten in Fig. 1 und 2 ist mit 10 ein Sauerstoff-Sensorelement bezeichnet, das einen zu einer Einheit gebrannten, allgemein langgestreckten flachen Schichtenaufbau hat. Das Sensorelement 10 hat einen körper fernen bzw. ausragenden Sauerstoff-Meßabschnitt 12 für das Messen der Konzentration von Sauerstoff in einem zu messen den gasförmigen Fluid nach dem Prinzip einer Sauerstoffkon zentrationszelle. Der Meßabschnitt 12 ist nach Fig. 2 der linke Endabschnitt des Sensorelements 10. Dieser Meßab schnitt 12 bildet zusammen mit einem in Fig. 2 rechts darge stellten körpernahen bzw. fußpunktnahen Abschnitt das Sen sorelement 10. Der körpernahe Abschnitt hat elektrische Leitungen für das Ableiten elektrischer Signale aus nachfol gend beschriebenen Elektroden 22 und 24 des Meßabschnitts 12 sowie elektrische Zuleitungsabschnitte 38 a und 38 b eines nachfolgend beschriebenen Heizelements 30. Der Schichtenauf bau des Sensorelements 10 besteht aus einer elektrochemi schen Zelle 14 (mit den Elektroden 22 und 24), einer Heiz schicht 16 (mit dem Heizelement 30) und einem Substrat 18, auf das die elektrochemische Zelle 14 und die Heizschicht 16 aufgelagert sind. Das Substrat 18 besteht aus einem Trocken elektrolytmaterial, das das gleiche wie dasjenige eines Trockenelektrolytkörpers 20 der elektrochemischen Zelle 14 ist.

Der Trockenelektrolytkörper 20 der elektrochemischen Zelle 14 des Sensorelements 10 ist ein flacher Körper aus einem geeigneten Trockenelektrolytmaterial wie stabilisiertem Zir kondioxid, das bei einer erhöhten Temperatur Leitfähigkeit bzw. Durchlässigkeit für Sauerstoffionen zeigt. Auf der äußeren Hauptfläche des Trockenelektrolytkörpers 20 ist die Meßelektrode 22 ausgebildet, die dem externen Meßfluid bzw. Meßgas ausgesetzt wird. Diese Elektrode 22 besteht aus einem bekannten elektrisch leitendem Material wie Platin. An einem der Meßelektrode 22 gegenüberliegenden Teilbereich der inne ren Hauptfläche des Trockenelektrolytkörpers 20 ist ähnlich wie die Meßelektrode 22 die Bezugselektrode 24 aus einem elektrisch leitendem Material ausgebildet. Die Bezugselek trode 24 hat eine elektrische Zuleitung, die sich durch eine in dem Trockenelektrolytkörper 20 ausgebildete Durchgangs öffnung 26 hindurch zur Außenfläche desselben erstreckt. Ferner verlaufen die elektrische Zuleitung der Bezugselek trode 24 von der Durchgangsöffnung 26 weg und der elektri schen Zuleitung der Meßelektrode 22 in der gleichen Ebene auf der Außenfläche des Trockenelektrolytkörpers 20 zur elektrischen Verbindung mit einer geeigneten externen Meß vorrichtung 28 wie einem Computer, so daß die zwischen den beiden Elektroden 22 und 24 der Zelle 14 induzierte EMK gemessen wird, um daraus die Sauerstoffkonzentration zu bestimmen.

Das Heizelement 30 der auf die elektrochemischen Zelle 14 aufgelegten Heizschicht 16 ist zwischen ein Paar elektri scher Isolierschichten 32 und 34 eingefügt, die jeweils poröse Struktur aus einem geeigneten elektrischen Isolierma terial wie Aluminiumoxid haben. Das heißt, die innere und die äußere Isolierschicht 32 bzw. 34 sind einander derart über lagert, daß sie eine einstückige keramische Isolierschicht bilden, in die das Heizelement 30 eingebettet ist. Das Heizelement 30 hat einen mit dem vorstehenden Sauerstoff- Meßabschnitt 12 des Sensorelements 10 ausgefluchteten Heiz abschnitt 36 und die beiden elektrischen Zuleitungsabschnit te 38 a und 38 b für den Anschluß des Heizabschnitts 36 an eine externe Gleichstromquelle 40, die den Heizabschnitt 36 derart speist, daß dieser Wärme für das Aufheizen des Meßab schnitts 12 erzeugt. Im einzelnen ist der Zuleitungsab schnitt 38 a mit dem positiven Anschluß der Gleichstromquelle 40 verbunden, während der Zuleitungsabschnitt 38 b mit dem negativen Anschluß der Gleichstromquelle 40 verbunden ist. Wenn aus der Gleichstromquelle 40 dem Heizabschnitt 36 Heiz strom zugeführt wird, hat der Zuleitungsabschnitt 38 a ver hältnismäßig hohes Potential, während der Zuleitungsab schnitt 38 b verhältnismäßig niedriges Potential hat. In diesem Sinne werden die Zuleitungsabschnitte 38 a und 38 b als Abschnitt höheren Potentials bzw. Abschnitt niedrigen Poten tials oder Hochpotentialabschnitt bzw. Niedrigpotentialab schnitt bezeichnet.

Der mit der Gleichstromquelle 40 verbundene Niedrigpoten tialabschnitt 38 b des Heizelements 30 ist elektrisch mit der Meßelektrode 22, nämlich genauer mit der elektrischen Zulei tung zur Meßelektrode 22 über eine Leiterbahn 46 verbunden, die durch Durchgangsöffnungen 42 und 44 begrenzt ist, die durch den Trockenelektrolytkörper 20 und die Isolierschicht 32 hindurch ausgebildet sind.

Das gemäß der vorstehenden Beschreibung gestaltete Sensor element 10 kann in verschiedenerlei bekannten Prozessen wie durch Drucken hergestellt werden. Beispielsweise werden die ungebrannten Elektroden 22 und 24 auf die betreffenden, einander gegenüberliegenden Hauptflächen des ungebrannten Trockenelektrolytkörpers aufgedruckt. Danach werden die ungebrannte innere Isolierschicht 32, das ungebrannte Heiz element 30 und die ungebrannte äußere Isolierschicht 34 in dieser Aufeinanderfolge durch Drucken auf die innere Haupt fläche des ungebrannten Trockenelektrolytkörpers 20 aufgela gert. Der auf diese Weise angefertigte ungebrannte Schich tenkörper 20, 22, 24, 32, 30 und 34 wird auf das ungebrannte Substrat 18 aufgesetzt, wonach der dadurch erhaltene unge brannte Schichtenaufbau zu dem fertigen Sensorelement 10 gebrannt wird.

In dem beschriebenen Sensorelement 10, in dem der Niedrigpo tentialabschnitt 38 b des Heizelements 30 elektrisch mit der Meßelektrode 22 verbunden ist, wird infolge der Verringerung des elektrischen Widerstands der Isolierschichten 32 und 34 bei einer höheren Temperatur derselben ein Teil des dem Heizelement 30 aus der externen Gleichstromquelle 40 zuge führten Heizstroms aus dem Hochpotentialabschnitt 38 a über die Isolierschichten 32 und 34 geleitet. Infolgedessen fließt ein Leckstrom über den Trockenelektrolytkörper 20 zur Meßelektrode 22 und von dieser über die Leiterbahn 46 zu dem Niedrigpotentialabschnitt 38 b des Heizelements 30.

Durch das Fließen des Leckstroms von dem Hochpotentialab schnitt 38 a des Heizelements 30 zu der Meßelektrode 22 wird der Sauerstoff in dem gasförmigen Meßfluid bzw. in dem Meßgas im Außenraum von der Meßelektrode 22 eingefangen und in Form von Sauerstoffionen zu dem Hochpotentialabschnitt 38 a des Heizelements 30 hin befördert. Die zu dem Hochpoten tialabschnitt 38 a hin beförderten Sauerstoffionen werden als Sauerstoff den mit der Bezugselektrode 24 in Berührung ste henden porösen Isolierschichten 32 und 34 zugeführt. Der Sauerstoff wird in der porösen Struktur der Isolierschichten 32 und 34 als Bezugsgas mit einer Bezugssauerstoffkonzentra tion gespeichert, mit dem die Bezugselektrode 24 in Verbin dung steht und in Berührung ist.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung ergibt der Leckstrom aus dem Heizelement 30 das Einleiten von Sauerstoff aus dem externen Meßgas in das Sensorelement 10 als Bezugsgas, das an der Bezugselektrode 24 anliegt bzw. diese umgibt. Infol gedessen ist es nicht erforderlich, das Sensorelement 10 mit einem Durchlaß für das Einleiten der Umgebungsatmosphäre zu versehen oder eine gesonderte Sauerstoffpumpzelle für das Erzeugen von Bezugsgas in dem Sensorelement vorzusehen. Das beschriebene Sensorelement 10 kann eine EMK infolge einer Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen dem externen Meßgas und dem Bezugsgas an der Bezugselektrode 24 ohne einen solchen Bezugsgasdurchlaß oder eine solche Sauerstoff pumpzelle erzeugen. Das heißt, die Meßelektrode 22 der elektro chemischen Zelle 14 wird mit dem externen Meßgas in Verbin dung oder Berührung gehalten, während die Bezugselektrode 24 mit dem Bezugsgas mit der Bezugs-Sauerstoffkonzentration in Verbindung gehalten wird, welches durch den Leckstrom aus dem Heizelement 30 erzeugt wird. Infolgedessen wird als eine zwischen den beiden Elektroden 22 und 24 induzierte EMK die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem externen Meß gas und dem internen Bezugsgas erfaßt. Das die EMK anzeigen de Signal wird der Meßvorrichtung 28 zugeführt und verarbei tet, um die Sauerstoffkonzentration des Meßgases zu bestim men.

Während des Betriebs des vorstehend beschriebenen Sauer stoffsensors fließt von dem positiven Anschluß der Zelle 14, nämlich von der Bezugselektrode 24 über die Meßvorrichtung 28 zu der Meßelektrode 22 elektrischer Nutzstrom. Da dieser Strom in der zur Richtung des Leckstroms aus dem Heizelement 30 (dem Hochpotentialabschnitt 38 a) entgegengesetzten Rich tung fließt, wird der als Bezugsgas in der porösen Struktur der Isolierschichten 32 und 34 gespeicherte Sauerstoff ver braucht. Im Hinblick hierauf werden die Dicke, der Flächen inhalt, die Reinheit, das Material und andere Faktoren der Isolierschicht 32 oder der Isolierschichten 32 und 34 auf geeignete Weise derart eingestellt oder festgelegt, daß der Leckstrom aus dem Heizelement 30 auf 0,1 mA oder höher gehalten wird. Üblicherweise beträgt der Eingangswiderstand der Meßvorrichtung 28 wie derjenige eines Computers 10 MOhm, während die in der elektrochemischen Zelle 14 induzierte maximale EMK 1 V beträgt. Dies bedeutet, daß der maximale Nutzstrom 0,1 mA beträgt, so daß daher das an der Bezugs elektrode 24 anliegende Bezugsgas nicht vollständig ver braucht wird, wenn der Leckstrom auf mindestens 0,1 mA gehalten wird. Selbst wenn die Leckstromstärke übermäßig groß ist, wird der Sauerstoffdruck in der porösen Struktur der Isolierschichten 32 und 34 nicht übermäßig hoch, da die Isolierschichten 32 und 34 an ihren Enden an den entspre chenden freiliegenden Stirnflächen des Sensorelements 10 freiliegen, nämlich mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen. Daher wird das Sensorelement 10 nicht durch einen übermäßig hohen Druck des Bezugsgases in den Isolierschich ten 32 und 24 beschädigt.

Während bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Iso lierschichten 32 und 34 aus Aluminiumoxid gebildet sind, können diese Schichten auch aus anderen elektrisch isolie renden Materialien wie Steatit, Mullit oder anderen kerami schen Isoliermaterialien sowie Halbleiteroxiden oder für Sauerstoffionen leitfähigen bzw. durchlässigen Materialien mit hohem elektrischen Widerstand geformt werden. Allgemein sinkt die elektrische Widerstandsfähigkeit dieser elektrisch isolierenden Materialien bei einer erhöhten Temperatur, bei welcher eine elektrochemische Zelle zum Messen der Sauer stoffkonzentration betrieben wird.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist sowohl die innere Isolierschicht 32 als auch die äußere Isolierschicht 34 porös. Es ist jedoch erforderlich, daß zumindest die innere Isolierschicht 32 poröse Struktur hat, um nutzvoll als ein Speicher für die Aufnahme des Sauerstoffs zu wirken, der durch den Leckstrom aus dem Heizelement 30 als Bezugsgas eingepumpt wird. Die poröse Struktur der inneren Isolier schicht 32 ist auch für das Befördern des eingepumpten Bezugsgases zu der Bezugselektrode 24 hin anszustreben.

Wenn wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die äußere Isolierschicht 34 ebenso wie die innere Isolier schicht 32 porös ist, ist das Volumen des Speichers für das Bezugsgas dementsprechend vergrößert. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Dicke der inneren Isolierschicht 32 derart festzulegen, daß die optimale Leckstromstärke erreicht wird, während die Dicke der äußeren Isolierschicht 34 derart fest gelegt wird, daß das erwünschte Speichervolumen erreicht wird.

In den Fig. 3 und 4 ist ein abgewandeltes Ausführungsbei spiel für den Sauerstoffsensor gezeigt, bei welchem zwischen die elektrochemische Zelle 14 und die Heizschicht 16 eine Abstandsschicht 50 aus einem Material eingefügt ist, das demjenigen des Trockenelektrolytkörpers 20 gleichartig ist. Die Abstandsschicht 50 hat eine Öffnung, die als einge schlossene Innenkammer 52 umschlossen ist, zu der hin der entsprechende Bereich der inneren Isolierschicht 32 der Heizschicht 16 freiliegt. Ferner liegt die Bezugselektrode 24 der elektrochemischen Zelle 14 durch eine poröse Keramik schicht 54 aus Aluminiumoxid hindurch zu der Innenkammer 52 hin frei. Bei dieser Gestaltung steht die Bezugselektrode 24 durch die poröse Aluminiumoxid- bzw. Keramikschicht 54 hin durch mit der Atmosphäre in der Innenkammer 52 in Verbin dung.

Da die Innenkammer 52 mit der porösen Isolierschicht 32 in Verbindung steht, wirkt die Innenkammer 52 bzw. der Raum 52 gleichfalls als Speicher für die Aufnahme des Bezugsgases, das durch den Leckstrom des Heizelements eingepumpt wird. Der Sauerstoff in der Innenkammer 52 kann als Bezugssauer stoff für die Bezugselektrode 24 auch vor dem ausreichenden Absinken des elektrischen Widerstands der Isolierschicht 32 (der Isolierschichten 32 und 34) bzw. bis zum ausreichenden Absinken infolge des Anstiegs der Betriebstemperatur des Sensorelements 10 nach dem Anlassen einer kalten Maschine benutzt werden, die mittels des Sauerstoffsensors zu messen de kalte Abgase erzeugt.

Bei diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel ist die ganze Fläche der Bezugselektrode 24 mit der darauf ausgebildeten porösen Aluminiumoxid- bzw. Keramikschicht 54 bedeckt. Daher können die Umfangsbereiche der Bezugselektrode 24, die auf die Ebene der Bezugselektrode 24 gesehen außerhalb der In nenkammer 52 liegen, durch die poröse Struktur der Keramik schicht 54 hindurch mit dem Bezugsgas in der Innenkammer 52 in Verbindung kommen. Das heißt, das Bezugsgas strömt durch die poröse Keramikschicht 54 hindurch zu denjenigen Bereichen der Bezugselektrode 24, die in der Zeichnungsebene von Fig. 3 gesehen zwischen dem Trockenelektrolytkörper 20 und der Abstandsschicht 50 liegen. Falls jedoch die Bezugselektrode 24 selbst ausreichend porös ist, um das Bezugsgas leicht in ihre Umfangsbereiche strömen zu lassen, kann die poröse Aluminiumoxid- bzw. Keramikschicht 54 weggelassen werden.

Die Größe bzw. das Volumen der Innenkammer 52 als Speicher für die Aufnahme des Bezugssauerstoffs ist durch das Ausmaß des Bezugsgasverbrauchs der elektrochemischen Zelle 14 wäh rend einer Betriebszeit des Sensorelements 10 bei niedriger Temperatur, nämlich unmittelbar nach dem Anlassen der Ma schine bestimmt, deren Abgase gemessen werden. Im einzelnen wird bei niedriger Temperatur der Isolierschichten 32 und 34 durch den Leckstrom aus dem Heizelement 30 nicht ausreichend Sauerstoff in die Innenkammer 52 gepumpt, da der elektrische Widerstand der Isolierschichten 32 und 34 hoch ist. Infolge dessen wird der schon in der Innenkammer 52 gespeicherte Sauerstoff vermindert oder verbraucht, bis die Betriebstem peratur des Sensorelements 10 ausreichend hoch ist, durch den Leckstrom über die Isolierschichten 32 und 34 eine genügende Menge an externem Sauerstoff in die Innenkammer 52 zu pumpen.

Bei diesem abgewandeltem Ausführungsbeispiel sind die glei chen Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel zur Bezeichnung der einander funktionell entsprechenden Komponenten verwendet, deren Beschreibung nicht wiederholt wird. Die elektrischen Zuleitungsabschnitte 38 a und 38 b (als Abschnitt höheren Potentials bzw. niedrigen Potentials) des Heizelements 30 sind jedoch mit einer (in Fig. 3 und 4 nicht gezeigten) externen Gleichstromquelle gemäß der Darstellung durch 40 in Fig. 1 über Durchgangsöffnungen 58 und 60 ver bunden, die durch die äußere Isolierschicht 34, das Substrat 18 und eine Isolierschicht 56 hindurch ausgebildet sind, welche aus Aluminiumoxid oder einem anderen Isoliermaterial besteht und auf der Außenfläche des Substrats 18 gebildet ist. Der Niedrigpotentialabschnitt 38 b des Heizelements 30 ist mit der Meßelektrode 22 über die Leiterbahn 46 verbun den, die durch die vorangehend genannten Durchgangsöffnungen 42 und 44 sowie eine Durchgangsöffnung 62 gebildet ist, welche durch die Abstandsschicht 50 hindurch ausgebildet ist.

Die Fig. 5 zeigt ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbei spiel für den Sauerstoffsensor, bei dem die Abstandsschicht 50 eine Anordnung von Löchern bzw. Öffnungen 64 hat, die durch die Abstandsschicht hindurch ausgebildet sind und die einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser haben. Diese Lö cher 64 sind anstelle der Innenkammer 52 als Speicher für den Bezugssauerstoff vorgesehen.

Bei diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel ist die elek trische Verbindung zwischen dem Niedrigpotentialabschnitt 38 b des Heizelements 30 und der Meßelektrode 22 durch die Leiterbahn 46 gebildet, die aus einem elektrisch leitendem Material besteht, das gemäß der Darstellung durch die Strichlierung in Fig. 5 auf einen Teilbereich einer der einander gegenüberliegenden Längsseitenflächen des Sensor elements 10 aufgedruckt ist.

Anhand der Fig. 6 und 7 werden weitere abgewandelte Ausfüh rungsbeispiele des Sauerstoffsensors beschrieben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind die elektrisch isolierenden Schichten 32 und 34 derart ausgebildet und angeordnet, daß sie mit der Bezugselektrode 24, nämlich genauer mit derjenigen der einander gegenüberliegenden Ober flächen der Bezugselektrode 24 in Berührung und Verbindung stehen, die von der Meßelektrode 22 abgewandt ist. Ferner ist in Verbindung mit der porösen Struktur der elektrisch isolierenden Schichten 32 und 34 eine Speicherkammer bzw. ein Speicher 70 gebildet und angeordnet. Bei dieser Gestal tung wird gleichfalls der durch den Leckstrom des Heizele ments in das Sensorelement 10 gepumpte Bezugssauerstoff in dem Speicher 70 aufgenommen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind die elektrisch isolierenden Schichten 32 und 34 gleichfalls in Berührung und Verbindung mit der von der Meßelektrode 22 abgewandten Fläche der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Be zugselektrode 24 ausgebildet und angeordnet. Die Bezugselek trode 24 ist jedoch in direkter Verbindung mit einem Spei cher 72 gehalten, der zwischen der Meßelektrode 22 und der Bezugselektrode 24 gebildet ist. Zum Hindurchlassen des eingepumpten Bezugssauerstoffs in den Speicher 72 hat die Bezugselektrode 24 poröse Struktur.

Es ist ersichtlich, daß die elektrische Verbindung zwischen dem Niedrigpotentialabschnitt 38 b und der Meßelektrode 22 mittels irgendeiner anderen geeigneten Vorrichtung als über die Durchgangsöffnungen oder das aufgedruckte leitende Mate rial hergestellt werden kann, die bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen benutzt wurden. Diese elektrische Verbindung wird zwar vorzugsweise innerhalb des Sensorele ments 10 oder an einer der Außenfläche des Sensorelements 10 hergestellt, kann jedoch auch an einer Stelle außerhalb des Sensorelements 10 hergestellt werden.

Der Sauerstoffsensor wurde zwar anhand der vorzugsweise gewählten Ausführungsbeispiele beschrieben, jedoch besteht keine Einschränkung hierauf; vielmehr können verschiedener lei Änderungen, Abwandlungen und Verbesserungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann der Trockenelektrolytkörper 20 der elektrochemischen Zelle 14, dessen Hauptkomponente vor zugsweise stabilisiertes Zirkondioxid (ZrO₂) ist, aus einem anderen für Sauerstoffionen leitfähigen bzw. durchlässigen Trockenelektrolytmaterial wie SrCeO₃ oder einer festen Lö sung von Bi₂O₃ und Seltenerdenoxiden gebildet werden.

Es ist anzustreben, das Heizelement 30 aus einem Material herzustellen, das bei erhöhten Temperaturen gegen Oxidation widerstandsfähig ist, wie beispielsweise aus elektrisch leitenden Metallen der Platingruppe, zu denen Platin, Palla dium, Rhodium, Iridium, Ruthenium und Osmium zählen. Zum Verbessern des Haftens des Heizelements 30 an den Isolier schichten 32 und 34 ist es vorteilhaft, mit einem pulverför migen elektrisch leitendem Material für das Heizelement 30 ein fein verteiltes Keramikpulver zu mischen.

Während das Sensorelement 10 bei den dargestellten Ausfüh rungsbeispielen flach bzw. plattenförmig gestaltet ist, kann das Sensorelement des mit dem eingebauten Heizelement verse henen Sauerstoffsensors auch andersartig geformt sein. Bei spielsweise kann das Sensorelement gemäß der Beschreibung in der JP-OS 61-2 72 649 der nicht geprüften japanischen Patent anmeldung die Form einer Säule oder eines Zylinders haben, die bzw. der nach einem Dickfilm-Formungsverfahren herge stellt ist.

Ein mit einem eingebauten Heizelement versehener Sauerstoff sensor hat eine elektrochemische Zelle einen im wesentli chen in Verbindung mit einer Bezugselektrode der Zelle ge bildeten Speicher, ein mit dem Speicher in Verbindung gehal tenes elektrisch isolierendes Teil, ein in Berührung mit dem isolierenden Teil angeordnetes Heizelement, das zusammen mit der Zelle und dem isolierenden Teil einen Hauptteil eines Sauerstoffsensorelements bildet, und eine außerhalb des Sensorelements angeordnete Gleichstromquelle, an die das Heizelement elektrisch angeschlossen ist. Der mit dem nega tiven Anschluß der Gleichstromquelle verbundene Abschnitt niedrigen Potentials des Heizelements ist elektrisch derart mit einer Meßelektrode der Zelle verbunden, daß von dem mit dem positiven Anschluß der Stromquelle verbundenen Abschnitt höheren Potentials des Heizelements bei einer erhöhten Be triebstemperatur des Sensorelements durch das isolierende Teil ein Leckstrom von mindestens 0,1 mA fließt, durch den aus dem externen Meßgas, dem die Meßelektrode ausgesetzt ist, in den Speicher Sauerstoff als Bezugsgas gepumpt wird, dem die Bezugselektrode ausgesetzt ist. Der Speicher kann durch eine poröse Struktur des isolierenden Teils gebildet sein.

Claims

1. Sauerstoffsensor mit eingebautem Heizelement, gekenn zeichnet durch
eine elektrochemische Zelle (14) mit einem für Sauer stoffionen leitfähigen Trockenelektrolytkörper (20) und mit einer Meßelektrode (22) sowie einer Bezugselektrode (24), die an dem Trockenelektrolytkörper gebildet und jeweils einem Meßgas bzw. einem Bezugsgas ausgesetzt sind, wobei die Zelle derart betrieben wird, daß zwischen der Meßelektrode und der Bezugselektrode eine elektromotorische Kraft indu ziert wird, die einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Meßgas und dem Bezugsgas entspricht,
ein elektrisch isolierendes Teil (32, 34) mit einer porösen Struktur, die mit der Bezugselektrode in Berührung gehalten ist,
ein mit dem isolierenden Teil in Berührung angeordnetes Heizelement (30), das mit der Zelle und dem isolierenden Teil den Hauptteil eines Sensorelements (10) bildet, und
eine außerhalb des Sensorelements angeordnete Gleich stromquelle (40), an die das Heizelement elektrisch ange schlossen ist,
wobei das Heizelement einen Abschnitt (38 b) niedrigen Potentials und einen Abschnitt (38 a) höheren Potentials hat, die jeweils mit dem negativen bzw. positiven Anschluß der Gleichstromquelle verbunden sind, und
der Abschnitt niedrigen Potentials des Heizelements elektrisch derart mit der Meßelektrode verbunden ist, daß bei einer erhöhten Betriebstemperatur des Sensorelements von dem Abschnitt höheren Potentials über das isolierende Teil zur Meßelektrode ein Leckstrom von mindestens 0,1 mA fließt, durch den als Bezugsgas Sauerstoff aus dem Meßgas in die poröse Struktur des isolierenden Teils gepumpt wird.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (38 b) niedrigen Potentials des Heizele ments (30) und die Meßelektrode (22) elektrisch innerhalb des Sensorelements (10) oder an dessen Oberfläche verbunden sind.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das isolierende Teil eine mit der Bezugselek trode (24) in Berührung stehende erste Isolierschicht (32) und eine zweite Isolierschicht (34) aufweist, die zusammen mit der ersten Isolierschicht eine elektrisch isolierende Masse bildet, in die das Heizelement (30) eingebettet ist.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolierschicht (32) aus einer porösen Struktur besteht.

5. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Heizelement (30) aus einem Heizabschnitt (36) und einem Paar elektrischer Zuleitungsab schnitte (38 b, 38 a) besteht, die jeweils mit dem negativen bzw. positiven Anschluß der Gleichstromquelle (40) verbunden sind und den Abschnitt niedrigen Potentials bzw. höheren Potentials bilden.

6. Sauerstoffsensor mit eingebautem Heizelement, gekenn zeichnet durch
eine elektrochemische Zelle (14) mit einem für Sauer stoffionen leitfähigen Trockenelektrolytkörper (20) und mit einer Meßelektrode (22) sowie einer Bezugselektrode (24), die an dem Trockenelektrolytkörper gebildet und jeweils einem Meßgas bzw. einem Bezugsgas ausgesetzt sind, wobei die Zelle derart betrieben wird, daß zwischen der Meßelektrode und der Bezugselektrode eine elektromotorische Kraft indu ziert wird, die einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Meßgas und dem Bezugsgas entspricht,
einen im wesentlichen in Verbindung mit der Bezugselek trode gebildeten Speicher (52; 64) zum Speichern des Bezugs gases,
ein mit dem Speicher in Verbindung gehaltenes elektrisch isolierendes Teil (32, 34),
ein mit dem isolierenden Teil in Berührung angeordnetes Heizelement (30), das mit der Zelle und dem isolierenden Teil den Hauptteil eines Sensorelements (10) bildet, und
eine außerhalb des Sensorelements angeordnete Gleich stromquelle (40), an die das Heizelement elektrisch ange schlossen ist,
wobei das Heizelement einen Abschnitt (38 b) niedrigen Potentials und einen Abschnitt (38 a) höheren Potentials hat, die jeweils mit dem negativen bzw. positiven Anschluß der Gleichstromquelle verbunden sind, und
der Abschnitt niedrigen Potentials des Heizelements elektrisch derart mit der Meßelektrode verbunden ist, daß bei einer erhöhten Betriebstemperatur des Sensorelements von dem Abschnitt höheren Potentials über das isolierende Teil zur Meßelektrode ein Leckstrom von mindestens 0,1 mA fließt, durch den als Bezugsgas Sauerstoff aus dem Meßgas in den Speicher gepumpt wird.

7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (38 b) niedrigen Potentials des Heizele ments (30) und die Meßelektrode (22) elektrisch innerhalb des Sensorelements (10) oder an dessen Oberfläche verbunden sind.

8. Sauerstoffsensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das elektrisch isolierende Teil (32, 34) po röse Struktur hat.

9. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß das isolierende Teil eine mit dem Speicher (52; 64) in Verbindung gehaltene erste Isolier schicht (32) und eine zweite Isolierschicht (34) aufweist, die zusammen mit der ersten Isolierschicht eine elektrisch isolierende Masse bildet, in die das Heizelement (30) einge bettet ist.

10. Sauerstoffsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die erste Isolierschicht (32) aus einer porösen Struktur besteht.

11. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (30) aus einem Heizabschnitt (36) und einem Paar elektrischer Zuleitungsab schnitte (38 b, 38 a) besteht, die jeweils mit dem negativen bzw. positiven Anschluß der Gleichstromquelle (40) verbunden sind und den Abschnitt niedrigen Potentials bzw. höheren Potentials bilden.

12. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch eine Trockenelektrolyt-Abstandsschicht (50), die zwischen den Trockenelektrolytkörper (20) der elektrochemischen Zelle (14) und das elektrisch isolierende Teil (32, 34) eingefügt ist, wobei der Speicher (52) durch die Bezugselektrode (24), die Abstandsschicht und das iso lierende Teil begrenzt ist.

13. Sauerstoffsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß die Bezugselektrode (24) einen Flächeninhalt hat, der größer als der Querschnittsflächeninhalt des Speichers (52) in einer zur Ebene der Bezugselektrode parallelen Ebene ist.

14. Sauerstoffsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß die dem Speicher (52) zugewandte Fläche der Bezugs elektrode (24) durch eine poröse Keramikschicht (54) abge deckt ist.

15. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch eine Trockenelektrolyt-Abstandsschicht (50), die zwischen den Trockenelektrolytkörper (20) der elektrochemischen Zelle (14) und das elektrisch isolierende Teil (32, 34) eingefügt ist, wobei der Speicher (64) aus einer Anordnung von in Verbindung mit der Bezugselektrode (24) durch die Abstandsschicht hindurch ausgebildeten Lö chern besteht.

16. Sauerstoffsensor mit eingebautem Heizelement, gekenn zeichnet durch
eine elektrochemische Zelle (14) mit einem für Sauer stoffionen leitfähigen Trockenelektrolytkörper (20) und mit einer Meßelektrode (22) sowie einer Bezugselektrode (24), die an dem Trockenelektrolytkörper gebildet und jeweils einem Meßgas bzw. einem Bezugsgas ausgesetzt sind, wobei die Zelle derart betrieben wird, daß zwischen der Meßelektrode und der Bezugselektrode eine elektromotorische Kraft indu ziert wird, die einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Meßgas und dem Bezugsgas entspricht,
ein elektrisch isolierendes Teil (32, 34) mit einer porösen Struktur, die mit derjenigen der einander gegenüber liegenden Hauptflächen der Bezugselektrode in Verbindung gehalten ist, die von der Meßelektrode abliegt,
einen im wesentlichen in Verbindung mit dem isolierenden Teil gebildeten Speicher (70) zum Speichern des Bezugsgases,
ein mit dem isolierenden Teil in Berührung angeordnetes Heizelement (30), das mit der Zelle und dem isolierenden Teil den Hauptteil eines Sensorelements (10) bildet, und
eine außerhalb des Sensorelements angeordnete Gleich stromquelle (40), an die das Heizelement elektrisch ange schlossen ist,
wobei das Heizelement einen Abschnitt (38 b) niedrigen Potentials und einen Abschnitt (38 a) höheren Potentials hat, die jeweils mit dem negativen bzw. positiven Anschluß der Gleichstromquelle verbunden sind, und
der Abschnitt niedrigen Potentials des Heizelements elektrisch derart mit der Meßelektrode verbunden ist, daß bei einer erhöhten Betriebstemperatur des Sensorelements von dem Abschnitt höheren Potentials über das isolierende Teil zur Meßelektrode ein Leckstrom von mindestens 0,1 mA fließt, durch den als Bezugsgas Sauerstoff aus dem Meßgas in den Speicher gepumpt wird.

17. Sauerstoffsensor mit eingebautem Heizelement, gekenn zeichnet durch
eine elektrochemische Zelle (14) mit einem für Sauer stoffionen leitfähigen Trockenelektrolytkörper (20) und mit einer Meßelektrode (22) sowie einer Bezugselektrode (24), die an dem Trockenelektrolytkörper gebildet und jeweils einem Meßgas bzw. einem Bezugsgas ausgesetzt sind, wobei die Zelle derart betrieben wird, daß zwischen der Meßelektrode und der Bezugselektrode eine elektromotorische Kraft indu ziert wird, die einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Meßgas und dem Bezugsgas entspricht,
ein elektrisch isolierendes Teil (32, 34), das mit der von der Meßelektrode abliegenden Hauptfläche der einander gegenüberliegenden Hauptflächen der Bezugselektrode in Ver bindung gehalten ist,
einen in Verbindung mit der anderen der einander gegen überliegenden Hauptflächen der Bezugselektrode gebildeten Speicher (72) zum Speichern des Bezugsgases,
ein mit dem isolierenden Teil in Berührung angeordnetes Heizelement (30), das mit der Zelle und dem isolierenden Teil den Hauptteil eines Sensorelements (10) bildet, und
eine außerhalb des Sensorelements angeordnete Gleich stromquelle (40), an die das Heizelement elektrisch ange schlossen ist,
wobei das Heizelement einen Abschnitt (38 b) niedrigen Potentials und einen Abschnitt (38 a) höheren Potentials hat, die jeweils mit dem negativen bzw. positiven Anschluß der Gleichstromquelle verbunden sind, und
der Abschnitt niedrigen Potentials des Heizelements elektrisch derart mit der Meßelektrode verbunden ist, daß bei einer erhöhten Betriebstemperatur des Sensorelements von dem Abschnitt höheren Potentials über das isolierende Teil zur Meßelektrode ein Leckstrom von mindestens 0,1 mA fließt, durch den als Bezugsgas Sauerstoff aus dem Meßgas in den Speicher gepumpt wird.