DE3917710C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Sauerstoffsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der DE 30 19 824 C2 ist ein Sauerstoffsensor dieser Art beschrieben, der zum Messen der Sauerstoffkonzentration in dem Meßgas mittels einer Sauerstoffkonzentrationszelle benutzt wird, die aus dem Trockenelektrolytkörper und den beiden Elektroden besteht, zwischen denen eine der Sauerstoffgehaltsdifferenz entsprechende EMK hervorgerufen wird, welche mittels einer Potentialmeßvorrichtung gemessen wird. In diesem Sauerstoffsensor wird die Bezugselektrode und damit auch der Trockenelektrolytkörper mittels des anliegenden Heizelements auf eine Betriebstemperatur erwärmt, bei der der Durchlaß von Sauerstoffionen durch den Trockenelektrolytenkörper und damit die Entstehung der zur Sauerstoffkonzentrationsdifferenz proportionalen EMK besser ist als bei niedrigeren Temperaturen. In diesem bekannten Sauerstoffsensor wird mit dem Meßstrom der Sauerstoff durch den Trockenelektrolytkörper hindurch jeweils zu der Elektrode mit der geringeren Sauerstoffkonzentration hin befördert.

Dadurch wird die Konzentrationsdifferenz verringert, so daß ein echter Meßwert für diese Differenz nur zu Beginn einer Differenzänderung erfaßbar ist. Damit eine Differenzänderung über einen längeren Zeitraum erfaßbar ist, ist für diesen bekannten Sauerstoffsensor vorgeschlagen, zwischen die Elekroden eine Pumpstromquelle zu schalten, die einen derartigen Pumpstrom hervorruft, das aus dem Gas an der Meßelektrode Sauerstoff in die Grenzschicht zwischen den Trockenelektrolytkörper und der Bezugselektrode gepumpt wird.

Zu diesem Zweck muß zwischen die Elektroden ein externe Pumpstromquelle geschaltet werden, die jeweils an den einzelnen Sauerstoffsensor angepaßt sein muß und deren Ausgangsstrom außerdem bei der Messung der EMK berücksichtigt oder unterdrückt werden muß. Weiterhin wird durch den Pumpstrom der Sauerstoff nur zu der zwischen der Bezugselektrode und dem Trockenelektrolytkörper liegenden Grenzschicht befördert, deren Aufnahmevermögen zwangsläufig gering ist, so daß deren Sauerstoffgehalt durch den Meßstrom relativ schnell abgebaut wird. Dadurch ergeben sich im Ablauf der Zeit Änderungen der zu erfassenden Konzentrationsdifferenz, so daß an den Elektroden nicht mehr eine EMK erfaßbar ist, die genau der Sauerstoffkonzentration im Meßgas entspricht.

In der DE 36 32 456 A1 ist ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Sensor beschrieben der zwei jeweils aus einem Trockenelektro­ lyt zwischen Elektroden bestehende Zellen aufweist, von denen eine zwischen einer Sauerstoffquelle und einem mit der Sauer­ stoffquelle über eine Drossel verbundenen Gasraum angeordnet ist, während die andere zwischen dem Gasraum und einem Meßgas angeordnet ist, welches mit dem Gasraum über eine Drossel in Verbindung steht. Beide Zellen sind an eine aufwendige Regel­ schaltung angeschlossen, die die beiden Zellen unter gegenseitiger Steuerung zum Umpumpen von Sauerstoff derart steuert, daß sich in dem Gasraum die stöchiometrische Lamda­ zahl "1" einstellt, wobei eine Steuergröße der Regelschaltung als Ausgangssignal zur Angabe der Sauerstoffkonzentration im Meßgas dient. Eine Heizvorrichtung für das Einstellen optimaler Bedingungen an dem Trockenelektrolyt ist nicht vor­ gesehen. Auf ähnliche Weise wird in einer aus der DE 36 27 227 A1 bekannten Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnung mittels zweier Sauerstoffpumpeinheiten in einer Gasaufnahme­ kammer mittels einer Regelschaltung eine Lamdazahl "1" eingeregelt, wobei eine Steuergröße der Regelschaltung als Sauerstoffkonzentration-Ausgangssignal dient und wobei ein weiterer Elektrolyt die Gasaufnahmekammer begrenzt und mittels eines Heizelements gewärmt wird. Ferner ist in der DE 36 26 162 A1 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ermittlungssystem für Motorabgase beschrieben, die eine Zelle mit einem Trockenelektrolyt zwischen zwei Elektroden aufweist, von denen eine mit dem Abgas über eine Drosselöffnung in Verbindung steht und die andere der Außenluft ausgesetzt ist. Die beiden Elektroden sind an eine Regelschaltung angeschlossen, mit der periodisch die zwischen den Elektroden hervorgerufene EMK ge­ messen und dann an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, die der Abweichung der EMK von einem Bezugswert für die Lamdazahl "1" entspricht. Dabei wird der für das Einstellen der Lamdazahl "1" aufzubringende Strom gemessen. Der Trocken­ elektrolyt wird mittels eines Heizelements erwärmt. Dieses System macht gleichfalls eine aufwendige Regelschaltung erforderlich. Ferner besteht durch das Zuführen der Außenluft die Gefahr, daß durch eindringende Feuchtigkeit der Trocken­ elekrolyt verschlechtert oder zerstört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß die Sauerstoffkonzentration im Meßgas auf genaue und zuverlässige Weise ohne andere Schaltungskomponenten als die Meßvorrichtung an den Elektroden und die Gleichstromquelle an dem Heizelement gemessen werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Demnach wird in dem erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor an der Bezugselektrode ein Speicher für das Bezugsgas ausgebildet, welches den von dem Meßgas her eingepumpten Sauerstoff enthält. Dieser Sauerstoff wird mittels eines Leckstroms eingepumpt, der von dem Heizelement über das isolierende Teil und den Trockenelektrolyt zur Meßelektrode fließt. Hierzu ist das Heizelement an dessen negativem Anschluß mit der Meßelektrode verbunden, so daß es an dem anderen Anschluß positive Vorspannung gegen die Meßelektrode hat. Ferner steht der Trockenelektrolyt in elektrischem Kontakt zum dem. isolierendem Teil, welches für den Durchlaß des Sauerstoffs zumindest teilweise porös ist. Durch die Beschaffenheit und die Abmessungen des isolierenden Teils wird der Leckstrom derart bemessen, daß bei erhöhter Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors der Leckstrom zumindest gleich dem Meßstrom ist, der von der Bezugselektrode über eine Meßvorrichtung zu der Meßelektrode fließt. Dadurch ist sicher­ gestellt, daß durch den Leckstrom in den Speicher zumindest gleichviel Sauerstoff befördert wird wie durch den Meßstrom aus dem Speicher abgezogen wird. Auf diese Weise kann die Sauerstoffkonzentration des Meßgases in Bezug auf das Bezugsgas immer genau und zuverlässig erfaßt werden. Ferner ist der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor ohne weiteres gegen einen weiteren für den gleichen Meßstrom ausgelegten Sensor auszutauschen, da keinerlei Justiermaßnahmen an der Meßvorrichtung vorzunehmen sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß wegen des im Betrieb ständigen Füllens des Speichers mit dem Sauerstoff aus dem Meßgas der Sensor nach einer Betriebsunterbrechung sofort wieder voll einsatzbereit ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

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 ersten Ausführungsbeispiel und zeigt von einem Sensorelement desselben eine Meßabschnitt im Querschnitt.

Fig. 2 ist eine schematische, auseinandergezogen dargestellte perspektivische Ansicht des Sensorelements des Sensors nach Fig. 1.

Fig. 3 ist eine der Fig. 1 entsprechende schematische Ansicht des Sauerstoffsensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 4 ist eine der Fig. 2 entsprechende schematische, auseinandergezogen dargestellte perspektivische Ansicht des Sensorelements des Sensors nach Fig. 3.

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

Fig. 6 und 7 sind der Fig. 1 entsprechende Ansichten des Sauerstoffsensors gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.

In den schematischen Ansichten in Fig. 1 und 2 ist mit 10 ein Sensorelement bezeichnet, das einen zu einer Einheit gebrannten, allgemein langgestreckten flachen Schichtenaufbau hat. Das Sensorelement 10 hat einen ausragenden Meßabschnitt 12 für das Messen der Konzentration von Sauerstoff in einem Meßgas nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle. Der Meßabschnitt 12 ist nach Fig. 2 der linke Endabschnitt des Sensorelements 10 und bildet zusammen mit einem in Fig. 2 rechts dar­ gestellten Abschnitt das Sensorelement 10. Dieser Abschnitt enthält elektrische Leitungen für das Ableiten elektrischer Signale aus Elektroden 22 und 24 des Meßabschnitts 12 sowie elektrische Zuleitungen 38a und 38b eines Heizelements 30. Der Schichtenaufbau 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 Meßgas ausgesetzt wird. Die Meßelektrode 22 besteht aus einem 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 Leitung, die sich durch eine in dem Trockenelektrolytkörper 20 ausgebildete Durchgangs­ öffnung 26 hindurch zur Außenfläche desselben erstreckt. Ferner verlaufen die elektrische Leitung der Bezugselek­ trode 24 von der Durchgangsöffnung 26 weg und der elektri­ schen Leitung 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, mit der 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 an die elektrochemischen Zelle 14 angelegten Heizschicht 16 ist zwischen ein Paar elektri­ scher Isolierschichten 32 und 34 eingefügt, die jeweils poröse Struktur aus einem geeigneten elektrischen Isolier­ material 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 Meßabschnitt 12 des Sensorelements 10 ausgefluchteten Heiz­ abschnitt 36 und die beiden elektrischen Zuleitungen 38a und 38b für den Anschluß des Heizabschnitts 36 an eine externe Gleichstromquelle 40, die den Heizabschnitt 36 derart speist, daß dieser Wärme für das Aufheizen des Meß­ abschnitts 12 erzeugt. Im einzelnen ist die Zuleitung 38a mit dem positiven Anschluß der Gleichstromquelle 40 verbunden, während die Zuleitung 38b mit dem negativen Anschluß der Gleichstromquelle 40 verbunden ist. Wenn aus der Gleichstromquelle 40 dem Heizabschnitt 36 Heiz­ strom zugeführt wird, hat die Zuleitung 38a ver­ hältnismäßig hohes Potential, während die Zuleitung 38b verhältnismäßig niedriges Potential hat. In diesem Sinne werden die Zuleitungen 38a und 38b als Abschnitt höheren Potentials bzw. Abschnitt niedrigen Poten­ tials oder Hochpotentialabschnitt bzw. Niedrigpotential­ abschnitt bezeichnet.

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

Das gemäß der vorstehenden Beschreibung gestaltete Sensor­ element 10 kann in veschiedenerlei bekannten Prozessen, wie z. B. durch Drucken, hergestellt werden. Beispielsweise werden die ungebrannten Elektroden 22 und 24 auf die einander gegenüberliegenden Hauptflächen des ungebrannten Trockenelektrolytkörpers 20 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 aufgebracht. Der auf diese Weise angefertigte ungebrannte Schichtenkörper 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 Sensorelement 10, in dem der Niedrig­ potentialabschnitt 38b 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 38a 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 38b des Heizelements 30.

Durch das Fließen des Leckstroms von dem Hochpotentialab­ schnitt 38a des Heizelements 30 zu der Meßelektrode 22 wird der Sauerstoff in dem Meßgas im Außenraum von der Meßelektrode 22 eingefangen und in Form von Sauerstoffionen zu dem Hochpotentialabschnitt 38a des Heizelements 30 hin befördert. Die zu dem Hochpoten­ tialabschnitt 38a 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 Bezugssauerstoffkonzentration gespeichert, mit dem die Bezugselektrode 24 in Verbindung steht.

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. Infolge­ dessen 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 erzeugt 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. Das heißt, die Meßelektrode 22 der elektro­ chemischen Zelle 14 wird mit dem externen Meßgas in Verbin­ dung 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 Meßgas und dem internen Bezugsgas erfaßt. Das die EMK anzeigende Signal wird der Meßvorrichtung 28 zugeführt und verarbeitet, um die Sauerstoffkonzentration des Meßgases zu bestimmen.

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 Meßstrom. Da dieser Strom in der zur Richtung des Leckstroms aus dem Heizelement 30 entgegengesetzten Richtung 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 festgelegt, daß der Leckstrom aus dem Heizelement 30 auf 0,1 µA 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 Meßstrom 0,1 µA beträgt, so daß daher das an der Bezugs­ elektrode 24 anliegende Bezugsgas nicht vollständig ver­ braucht wird, wenn der Leckstrom auf mindestens 0,1 µA 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 Isolierschichten 32 und 34 beschädigt.

Während bei dem beschriebenen ersten 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 erforderlich.

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 zweites 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 Keramikschicht 54 hindurch mit dem Gas in der Innenkammer 52 in Verbindung.

Da die Innenkammer 52 mit der porösen Isolierschicht 32 in Verbindung steht, wirkt die Innenkammer 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 bzw. der Isolierschichten 32 und 34 bis zum ausreichenden Anstieg der Betriebstemperatur des Sensorelements 10 nach dem Anlassen einer kalten Maschine benutzt werden, die mittels des Sauerstoffsensors zu messende kalte Abgase erzeugt.

Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die ganze Fläche der Bezugselektrode 24 mit der darauf ausgebildeten porösen Keramikschicht 54 bedeckt. Daher kommen 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. 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 Keramikschicht 54 weggelassen werden.

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 zweiten 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 Zuleitungen 38a und 38b 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 38b des Heizelements 30 ist mit der Meßelektrode 22 über die Leiterbahn 46 verbun­ den, die durch die Durchgangsöffnungen 42 und 44 sowie eine Durchgangsöffnung 62 geführt ist, welche durch die Abstandsschicht 50 hindurch ausgebildet ist.

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

Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel ist die elek­ trische Verbindung zwischen dem Niedrigpotentialabschnitt 38b 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 Längsseitenflächen des Sensorelements 10 aufgedruckt ist.

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

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind die Isoliersschichten 32 und 34 derart angeordnet, daß sie mit der Bezugselektrode 24 an derjenigen der Oberflächen der Bezugselektrode 24 in Verbindung stehen, die von der Meßelektrode 22 abgewandt ist. Ferner ist in Verbindung mit der porösen Struktur der elektrischen Isolierschichten 32 und 34 eine Kammer als ein Speicher 70 gebildet. Bei dieser Gestalltung wird gleichfalls der durch den Leckstrom des Heizelements in das Sensorelement 10 gepumpte Bezugssauerstoff in dem Speicher 70 aufgenommen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind die Isolierschichten 32 und 34 gleichfalls in Verbindung mit der von der Meßelektrode 22 abgewandten Fläche der Bezugselektrode 24 angeordnet. Die Bezugselektrode 24 ist jedoch in direkter Verbindung mit einem Speicher 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 38b und der Meßelektrode 22 mittels irgendeiner anderen geeigneten Vorrichtung als über die Durchgangsöffnungen oder das aufgedruckte leitende Material hergestellt werden kann, die bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen benutzt wurden. Diese elektrische Verbindung wird zwar vorzugsweise innerhalb des Sensorelements 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 Metall 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 die Form einer Säule oder eines Zylinders haben, die bzw. der nach einem Dickfilm-Formungsverfahren hergestellt ist.

Claims (10)

1. Elektrochemischer Sauerstoffsensor mit einem für Sauerstoff­ ionen leitfähigen Trockenelektrolytkörper, der eine einem Meßgas ausgesetzte Meßelektrode und eine einem Bezugsgas aus­ gesetzte Bezugselektrode trägt, und mit einem an der von der Meßelektrode abgewandten Seite der Bezugselektrode angebrachten elektrisch isolierenden Teil, das ein an eine Gleichstromquelle angeschlossenes Heizelement trägt, dadurch gekennzeichnet,
daß an der Bezugselektrode (24) ein Speicher (32, 34; 52; 64; 70; 72) für das Bezugsgas ausgebildet ist,
daß der Trockenelektrolyt (18, 20; 18, 50) mit dem isolierenden Teil (32, 34) in elektrischem Kontakt ist,
daß der an den negativen Anschluß der Gleichstromquelle (40) angeschlossene Abschnitt niedrigen Potentials des Heizelements (30) elektrisch mit der Meßelektode (22) verbunden ist, und
daß das isolierende Teil zumindest teilweise porös und hinsichtlich seiner Beschaffenheit und seiner Abmessungen derart ausgelegt ist, daß bei einer erhöhten Betriebstemperatur des Sauerstoffsensors von dem Abschnitt höheren Potentials des Heizelements über das isolierende Teil und den Trockenelektrolyt zur Meßelektrode ein Leckstrom fließt, der mindestens gleich dem von der Bezugselektrode (24) über eine Meßvorrichtung (28) zur Meßelektrode fließenden maximalen Meßstrom ist und durch den als Bezugsgas Sauerstoff aus dem Meßgas in den Speicher gepumpt wird.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher durch die Poren in dem elektrisch isolieren­ den Teil (32, 34) gebildet ist, das auf die Fläche der Be­ zugselektrode (24) aufgebracht ist.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Trockenelektrolytkörper (20) und dem isolier­ renden Teil (32, 34) eine Trockenelektrolyt-Abstandsschicht (50) angeordnet ist, in der als Speicher zwischen der Bezugselektrode (24) und dem isolierenden Teil eine Öffnung (52) ausgebildet ist oder Öffnungen (64) ausgebildet sind.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Öffnung (52) oder der Öffnungen (64) der Trockenelektrolyt-Abstandsschicht (50) in einer zu der der Bezugselektrode (24) parallelen Ebene kleiner als die Fläche der Bezugselektrode ist und daß die Bezugselektrode porös ist oder an der der Abstandsschicht zugewandten Fläche durch eine poröse Keramikschicht (54) abgedeckt ist.

5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Trockenelektrolytkörper (20) eine in der Richtung zu der Bezugselektrode (24) hin offene Kammer (70; 72) als Speicher ausgebildet ist.

6. Sauerstoffsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, das isolierende Teil (32, 34) an der von der Meßelektrode (22) abgewandten Fläche der Bezugselektrode (24) angebracht ist und die Kammer (70) in dem Trockenelektrolytkörper (20) an der von der Bezugselektrode abgewandten Fläche des isolieren­ den Teils ausgebildet ist, wobei der Speicher durch die Kammer (70) und durch die Poren des isolierenden Teils gebildet ist.

7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (72) in dem Trockenelektrolytkörper (20) an der der Meßelektrode (22) zugewandten Fläche der Bezugselektrode (24) augebildet ist und die Bezugselektrode porös ist.

8. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Teil (32, 34) aus zwei Isolierschichten besteht, zwischen die das Heizele­ ment (30) eingebettet ist und von denen zumindest die der Be­ zugselektrode (24) oder dem Speicher (52; 64) zugewandte Iso­ lierschicht porös ist.

9. Sauerstoffsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Isolierschichten (32, 34) porös sind und daß die der Bezugselektrode (24) zugewandte Isolierschicht (32) zur Bestim­ mung des Leckstroms dimensioniert ist, während die von der Bezugselektrode abgewandte Isolierschicht (34) zur Bestimmung eines Speichervolumens dimensioniert ist.

10. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt niedrigen Potentials des Heizelements (30) mit der Meßelektrode (22) elektrisch in­ nerhalb des Sensors (10) oder an dessen Außenfläche verbunden ist.