DE4312506A1

DE4312506A1 - Elektrochemischer Sauerstoff-Meßfühler

Info

Publication number: DE4312506A1
Application number: DE19934312506
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Weyl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1994-10-20
Also published as: JPH06308077A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Sauerstoff-Meß fühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei den sogenannten potentialfreien elektrochemischen Meßfühlern wird jeder Elektroden anschluß direkt dem Steuergerät zugeführt, so daß keine elektrische Kontaktierung mit dem Gehäuse des Meßfühlers erlaubt ist. Potential freie Meßfühler werden insbesondere dann eingesetzt, wenn mehrere Meßfühler vorgesehen sind. Bei einem gemeinsamen Potential wurden sich die Meßfühler gegenseitig beeinflussen.

Es ist bereits ein potentialfreier Meßfühler vorgeschlagen worden bei dem, wie bei allen Festelektrolytsonden in der sogenannten Fingerbauform, die innere und die äußere Elektrode mittels jeweils einer Leiterbahn zur Stirnfläche am offenen Ende des Keramikkörpers geführt ist. Bei den potentialgebundenen Meßfühlern wird die Leiter bahn der äußeren Elektrode mittels eines elektrisch leitenden Dicht ringes mit dem Gehäuse des Meßfühlers kontaktiert. Bei potential freien Meßfühlern hingegen ist diese Kontaktierung unerwünscht. Deshalb wird die Leiterbahn der äußeren Elektrode im Bereich des Dichtzone mittels einer Isolationsschicht elektrisch isoliert. Das Problem hierbei ist jedoch, daß die Isolationsschicht dem Druck des metallischen Dichtringes nicht ausreichend standhält, so daß es trotzdem zu einer Kontaktierung mit dem Gehäuse des Meßfühlers kommen kann, wodurch der Meßfühler funktionsunfähig wird. Es wurde bereits versucht dadurch Abhilfe zu schaffen, einen elektrisch isolierenden keramischen Dichtring zu verwenden. Der keramische Dichtring muß jedoch deformierbar sein. Diese Eigenschaft ist nur zu erreichen, wenn der Dichtring bei niedrigen Sintertemperaturen porös gesintert wird. Ein poröser Dichtring hingegen hat den Nachteil, daß Abgas und Kondensat durch ihn hindurchdiffundieren und in das Innere des Festelektrolytkörpers gelangen kann und somit die Referenzgas- Zusammensetzung verfälscht.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine elektrisch isolierende und gasdichte Anordnung des Festelektrolytkörpers im Gehäuse des Meßfühlers möglich ist. Es wird vermieden, daß sowohl Abgas als auch Feuchtigkeit durch Diffusion in das Innere des Fest elektrolytkörpers gelangen kann. Die Handhabung eines metallischen Dichtrings ist kostengünstiger als die Verwendung eines keramischen Dichtringes, welcher zusätzlich nicht frei von sogenannten Hoch spannungsfehlern ist. Schließlich vereinfacht sich die Drucktechnik der Leiterbahn, weil die sonst recht schwierig zu überdruckende Schulter des Festelektrolytsensors nicht bedruckt werden muß.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die Leiterbahn zur Kontaktstelle hin zusätzlich abzudichten. Dies wird bei der einen Ausführungsform dadurch erreicht, daß zumindest die Stelle, an der die Leiterbahn die äußere Oberfläche des Fest elektrolytkörpers verläßt mit einer gasdichten Abdeckung versehen ist, oder bei der zweiten Ausführungsform dadurch, daß die Ab dichtung vermittels eines auf die Stirnfläche des Festelektrolyt körpers aufgesetzten Kontaktteils erfolgt.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den abgasseitigen Teil eines Meßfühlers in vergrößerter Darstellung, Fig. 2 eine Schnittdar stellung eines Festelektrolytkörpers gemäß einem ersten Ausführungs beispiel und Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Festelektrolyt körpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 hat ein metallisches Gehäuse 11, das an seiner Außenseite ein Schlüssel sechskant 12 und ein Gewinde 13 als Befestigungsmittel für den Ein bau in ein nicht dargestelltes Meßgasrohr aufweist. Für den ab dichtenden Einbau des Gehäuses 11 im Meßgasrohr dient ein ring förmiges Dichtelement 14, welches in einer zwischen Schlüssel sechskant 12 und Gewinde 13 angeordneten Ringnut 15 unverlierbar festgelegt ist. Auf dem meßgasfernen Endabschnitt des Gehäuses 11 ist eine weitere Ringnut 16 eingearbeitet, die zur Arretierung einer das Gehäuse 11 verlängernden Verschlußhülse 17 dient. Die Verschluß hülse 17 wird mit mehreren Einprägungen 50 in die Ringnut 16 fest eingerastet.

Das Gehäuse 11 hat eine Längsbohrung 18 mit einem schulterförmigen Dichtsitz 19, welcher der Meßgasseite des Meßfühlers 10 abgewandt ist und einen Dichtring 20 trägt. Auf diesem mit dem Dichtring 20 versehenen Dichtsitz 19 liegt ein Sensorelement 21 mit einer an einem wulstförmigen Kopf 22 als eine Dichtzone ausgebildeten Schulter 32 auf.

Das Sensorelement 21 ist im vorliegenden Beispiel eine an sich bekannte Sauerstoffsonde, die bevorzugterweise für das Messen des Sauerstoffpartialdrucks in Abgasen Verwendung findet. Das Sensor element 21 hat einen rohrförmigen Festelektrolytkörper 23, dessen meßgasseitiger Endabschnitt mittels eines Bodens 24 verschlossen ist. Auf der dem Meßgas ausgesetzten Außenseite ist gemäß Fig. 2 und 3 auf dem Festelektrolytkörper 23 eine schichtförmige, gasdurch lässige Meßelektrode 25 und auf der dem Innenraum zugewandten Seite eine einem Referenzgas, zum Beispiel Luft, ausgesetzte, gasdurch lässige und schichtförmige Referenzelektrode 26 angeordnet. Die Meßelektrode 25 wird mit einer Meßelektrodenleiterbahn 27 zu einem Meßelektrodenkontakt 33 und die Referenzelektrode 26 mit einer Referenzelektrodenleiterbahn 28 zu einem Referenzelektrodenkontakt 34 geführt. Der Meßelektrodenkontakt 33 und der Referenzelektroden kontakt 34 befindet sich jeweils auf einer vom offenen Ende des Festelektrolytkörpers 23 gebildeten Stirnfläche 36. über die Meß elektrode 25 und teilweise über die Meßelektrodenleiterbahn 27 ist eine poröse Schutzschicht 35 gelegt.

Das meßgasseitig aus der Längsbohrung 18 des Gehäuses 11 heraus ragende Sensorelement 21 ist mit Abstand von einem Schutzrohr 44 umgeben, welches für den Ein- bzw. Austritt des Meßgases Öffnungen 45 besitzt und am meßgasseitigen Ende des Gehäuses 11 durch eine Bördelung 46 gehalten ist. Das Schutzrohr 44 dient dazu, daß im Meßgas auftretende hohe Temperaturwechsel und im Meßgas enthaltene Partikel nicht direkt auf das Sensorelement 21 einwirken können.

Der Innenraum des Sensorelements 21 ist im wesentlichen durch ein stabförmiges Heizelement 43 ausgefüllt, welches nicht dargestellt meßgasfern arretiert und mit Leitungsanschlüssen versehen ist.

Auf dem Meßelektrodenkontakt 33 liegt ein Meßelektrodenkontaktteil 38 und auf dem Referenzelektrodenkontakt 34 ein Referenzelektroden kontaktteil 39. Die Kontaktteile 38, 39 sind so geformt, daß sie jeweils mit einem Schaftteil 38′ bzw. 39′ am rohformigen Heizelement 43 anliegen und mit einem Meßelektrodenanschluß 41 und einem Bezugs elektrodenanschluß 42 kontaktiert sind (Fig. 1).

In der Längsbohrung 18 des Gehauses 11 ist ferner eine Isolierhülse 40 eingebracht, welche bevorzugt aus einem keramischen Material, beispielsweise Steatit besteht. Mit Hilfe eines nicht dargestellten mechanischen Mittels wird die Isolierhülse 40 auf die Kontaktteile 38 und 39 gedrückt, wodurch die elektrische Verbindung zu den Elektrodenkontakten 33 und 34 erzeugt wird.

Ein erstes Ausführungsbeispiel geht aus Fig. 1 und 2 hervor, bei dem die Meßelektrodenleiterbahn 27 bis kurz vor die Schulter 32 geführt ist. Die Schulter 32 bildet, wie bereits erwähnt, zusammen mit dem Dichtsitz 19 und dem Dichtring 20 die Dichtzone. Am abgas fernen Ende der Meßelektrodenleiterbahn 27 ist in den Festelektro lytkörper 23 eine radiale Bohrung 30 eingebracht, welche sich beim Druckvorgang mit Leiterbahnpaste bzw. durch separates Eintropfen von Leiterbahnpaste füllt, wobei durch anschließendes dichtes Sintern ein Via 47 erzeugt wird. Auf das Via 47 ist an der Austrittsstelle im Inneren des Festelektrolytkörpers 23 eine Kontaktleiterbahn 29 aufgebracht, welche bis zur Stirnfläche 36 verläuft und dort den Meßelektrodenkontakt 33 bildet. Die Meßelektrodenleiterbahn 27 ist zumindest im Bereich der radialen Bohrung 30 ferner mit einer gasdichten Isolationsschicht 31 abgedeckt. Die gasdichte Isolations schicht 31 kann dabei sowohl bis unter die Schutzschicht 35 reichen als auch über das abgasferne Ende der Meßelektrodenleiterbahn 27 hinaus bis in die Schulter 32 hinein reichen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3, bei dem in den wulst förmigen Kopf 22 des Festelektrolytkörpers 23 eine axiale Bohrung 31 eingebracht ist, welche eine Verbindung zwischen der Stirnfläche 36 und der vor der Schulter 32 endenden Meßelektrodenleiterbahn 27 her stellt. Die axiale Bohrung 31 wird mit einer elektrisch leitenden Elektrodenpaste verfüllt, wodurch nach dem Sintern eine elektrische Durchkontaktierung 48 zwischen dem abgasfernen Ende der Meßelektro denleiterbahn 27 und dem Meßelektrodenkontakt 33 gebildet wird. Die an der Stirnfläche 36 endende Durchkontaktierung 48 durch die axiale Bohrung 31 hat ferner den Vorteil, daß beim Aufsetzen des metalli schen Meßelektrodenkontaktteils 38 gleichzeitig die Durchkon taktierung 48 abgedichtet wird, wodurch die noch in Fig. 3 ein gezeichnete gasdichte Isolationsschicht 37 entfallen konnte. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die beim ersten Ausführungsbeispiel in das Innere des Festelektrolytkörpers 23 eingebrachte zusätzliche Kontaktbahn 29 entfallen kann. Damit das Meßelektrodenkontaktteil 38 seine Dichtfunktion erfüllen kann, ist es zweckmäßig, das Meßelektrodenkontaktteil 38 weich zu glühen und/oder mit einer weichen Nickel-Folie zu unterlegen.

Das Einbringen der radialen Bohrung 30 und/oder der axialen Bohrung 31 in den Festelektrolytkörper 23 erfolgt zweckmäßigerweise mittels Laserbohren. Die Meßelektrode 25, die Referenzelektrode 26 und die Elektrodenleiterbahnen 27 und 28 sowie die Durchkontaktierungen 47, 48 und die Elektrodenkontakte 33 und 34 sind zweckmäßigerweise aus einem Platin-Cermet-Material hergestellt. Der Festelektrolytkörper 23 besteht aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid.

Claims

1. Elektrochemischer Sauerstoff-Meßfühler, insbesondere zur Be stimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper in Form eines einseitig geschlossenen Rohres, welcher eine Innenelektrode und eine auf der äußeren Oberfläche angeordnete Außenelektrode mit einer ebenfalls an der äußeren Oberfläche verlaufenden anschluß seitigen Leiterbahn aufweist, sowie mit einem Gehäuse, in welches der Festelektrolytkörper mit einer Dichtzone fest und abdichtend eingesetzt ist, wobei die Leiterbahn der Außenelektrode kontaktfrei in bezug auf das Gehäuse geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (27) der Außenelektrode (25) zumindest im Bereich der Dichtzone (32) von der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers (23) zurückgesetzt ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (27) bis annähernd an die Dichtzone (32) entlang der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers (23) geführt ist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle, an der die Leiterbahn (27) die äußere Oberfläche des Festelektrolytkörpers (23) verläßt, eine zumindest annähernd radiale Bohrung (30) im Festelektrolytkörper (23) vorgesehen ist, in die eine Kontaktierung (47) der Leiterbahn (27) mit einer an der inneren Oberfläche des Festelektrolytkörpers (23) geführten Kontaktbahn (29) eingebracht ist, wobei die Kontaktbahn (29) bis zu einem Meßelektro denkontakt (33) weitergeführt ist.

4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Stelle, an der die Leiterbahn (27) die äußere Oberfläche des Festelektrolytkörpers (23) verläßt, mit einer gasdichten Isolation (37) abgedeckt ist.

5. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Stelle aus, an der die Leiterbahn (27) die äußere Oberfläche des Festelektrolytkörpers (23) verläßt, eine zumindest annähernd axial verlaufende Bohrung (31) in den Festelektrolytkörper (23) einge bracht ist, in der eine Kontaktierung (48) der Leiterbahn (27) zu einem Meßelektrodenkontakt (33) geführt ist.

6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ab dichtung der Durchkontaktierung (48) der axialen Bohrung (31) ver mittels eines auf die Stirnfläche (36) des Festelektrolytkörpers (23) aufgesetzten Kontaktteils (38) erfolgt.

7. Meßfühler nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßelektrodenkontakt (33) an der meßgasfernen Stirnfläche des Fest elektrolytkörpers (23) angeordnet ist.

8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kontaktteil (38) vorgesehen ist, welches gegen den Meßelektro denkontakt (33) gehalten und mit einem Leitungsanschluß (41) ver sehen ist.

9. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die radiale Bohrung (30) und/oder die axiale Bohrung (31) mit beim Druckvorgang verwendbarer Leiterbahnpaste gefüllt ist.