DE4344826A1

DE4344826A1 - Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor

Info

Publication number: DE4344826A1
Application number: DE4344826A
Authority: DE
Inventors: Haruyoshi Kondo; Hideaki Takahashi; Keiichi Saji; Masaharu Takeuchi; Kozo Satta
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2013-12-29
Also published as: US5480535A; DE4344826C2

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor. Ge nauer betrifft die Erfindung einen kompakten mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffver hältnis-Sensor mit hoher Leistung.

Bisher wurden verschiedene Bauarten bzw. Typen von Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren verwendet. Sauerstoffsensoren gehören zu einem Typ solcher Sensoren. Dieser Sensortyp wird verbreitet verwendet, beispielsweise als ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor zur Steu erung von Automobilmotoren. Die Sauerstoffsensoren, die zur Kategorie der Luft/Kraft stoffverhältnis-Sensoren gehören, können weiter im wesentlichen in drei Typen unterteilt werden; nämlich einen Sauerstoffsensor vom Widerstandstyp, der eine Veränderung des Widerstandes eines Oxid-Halbleiters benutzt; einen Sauerstoffsensor vom Sauerstoffkon zentrationszellentyp, der einen Feststoffelektrolyten verwendet, und einen Sauerstoffsensor vom Sauerstoffpumpentyp. Die zu den letzten drei Typen gehörenden Sensoren umfassen nicht nur diejenigen, die bereits in der Praxis eingeführt sind, sondern auch solche, die sich noch im Forschungs- bzw. Entwicklungsstadium befinden. Die charakteristischen Ei genschaften dieser drei Sensortypen werden im folgenden jeweils genauer beschrieben.

Die Sauerstoffsensoren vom Widerstandstyp, die auf der Widerstandsänderung eines Oxid- Halbleiters beruhen, können weiter in diejenigen unterteilt werden, die mit Halbleitern vom n-Typ arbeiten, wie TiO₂, Nb₂O₅ und SnO₂, und diejenigen, die mit Halbleitern vom p-Typ arbeiten, wie CoO und CoO_1-xMg_x. Der Sauerstoffsensor vom Widerstandstyp stellt den Widerstand eines Oxid-Halbleiters fest, der sich als eine Funktion des Sauerstoffpar tialdruckes entsprechend der folgenden Gleichung ändert (I):

wobei R der Widerstand des Oxid-Halbleiters ist; Po der Sauerstoffpartialdruck ist und n ein Wert von +4 bis +6 für einen Halbleiter vom p-Typ und von -4 bis -6 für einen Halb leiter vom n-Typ ist.

Wenn ein Kraftfahrzeug bei einem Luftverhältnis λ=1 sich in Bewegung befindet, ändert sich der Sauerstoffpartialdruck drastisch innerhalb eines Bereiches von 10^-0,2 bis 10^-30 atm (10^+4,8 bis 10^-25 Pa). Entsprechend ändert sich der Widerstand eines Oxid-Halbleiters eben falls rasch um 3 bis 4 Ziffern bzw. Stellen entsprechend der Änderung des Sauerstoffpar tialdruckes bei einem Luftverhältnis λ = 1. Basierend auf dieser raschen Änderung seiner Charakteristik wird der Sauerstoffsensor vom Widerstandstyp als ein Sensor zum Feststel len des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses verwendet.

Ein Sauerstoffsensor vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp zieht Nutzen aus einem Fest stoffelektrolyt (solid electrolyte). Dieser Sensortyp ist mit einem Sensorelement ausgerü stet, beispielsweise einem Zylinder, der ein abgedichtetes Ende aufweist und aus einem Feststoffelektrolyten in Form von Zirkonoxid (Zirkonia) besteht. Dabei wird der Unter schied zwischen dem Sauerstoffpartialdruck auf der Abgasseite und auf der der Atmosphä re ausgesetzten Seite als eine elektromotorische Kraft entsprechend der folgenden Glei chung (II) festgestellt:

wobei R die Gaskonstante ist, T die absolute Temperatur bedeutet, F die Faraday-Konstan te ist, P₀′ den Sauerstoffpartialdruck auf der Kathodenseite darstellt und P₀ den Sauerstoff partialdruck auf der Anodenseite darstellt.

Aus der Gleichung ist ersichtlich, daß bei Betrieb eines Automobils bei einem Luftverhält nis λ von 1 in einem Sauerstoffsensor vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp eine elektro motorische Kraft in der Größenordnung von 0 bis 1 Volt erzeugt wird, entsprechend der raschen Änderung des Sauerstoffpartialdrucks. Entsprechend wird eine Stelle, an der eine elektromotorische Kraft von 0,5 Volt erhalten wird, als das theoretische Luft/Kraftstoff verhältnis (bei einem Luftverhältnis λ = 1) festgestellt.

Ein Sauerstoffsensor vom Sauerstoffpumpentyp nutzt eine elektrochemische Pumpe, um die Leitfähigkeit von Sauerstoffionen innerhalb eines Elektrolyten zu messen. Sensoren dieses Typs können weiter in die folgenden drei Typen klassifiziert werden, abhängig vom Un terschied im grundsätzlichen Aufbau.

(A) ein Typ, der eine Sauerstoffpumpenzelle zum Überwachen bzw. Anzeigen von O₂ verwendet;
(B) ein Typ, der eine Sauerstoffpumpenzelle zusammen mit einem Leckloch ver wendet; und
(C) ein Typ, der eine Sauerstoffpumpenzelle zum Anzeigen bzw. Überwachen von O₂ verwendet, die in Kombination mit einem Leckloch verwendet wird.

Zusätzlich gibt es drei Arten bekannter Verfahren zum Feststellen der Sauerstoffkonzen tration in einem Sauerstoffsensor vom Sauerstoffpumpentyp. Bei dem ersten Verfahren wird die zum Pumpen von Sauerstoff notwendige Zeit gemessen, um die Sauerstoffkonzen tration zu kennen; bei dem zweiten Verfahren wird der Begrenzungsstrom gemessen, um die Sauerstoffkonzentration festzustellen; und bei dem dritten Verfahren wird die Spannung beim Anlegen eines konstanten Stroms festgestellt, um die Sauerstoffkonzentration zu mes sen. Es ist ersichtlich, daß ein Sauerstoffsensor vom Sauerstoffpumpentyp die Feststellung einer Sauerstoffkonzentration über einen weiten Bereich ermöglicht. Entsprechend wird dieser Typ Sauerstoffsensor insbesondere als ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor ver wendet, der über eine große Bandbreite anwendbar ist.

Mit Zirkonoxid arbeitende Sensoren vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp und mit Titan oxid arbeitende Sauerstoffsensoren vom Widerstandstyp wurden bisher in großem Umfang als Sensoren für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis verwendet. Beide Sensortypen antworten mit einem Ausgangssignal (elektromotorische Kraft oder Widerstand) das sich bei einer Änderung im Gleichgewichts-Sauerstoffpartialdruck bei dem theoretischen Luft- Kraftstoffverhältnis plötzlich ändert; d. h., sie zeigen die sogenannte Z-Charakteristik. Ent sprechend ermöglicht die Verwendung solcher Sensoren eine einfache Beurteilung, ob das interessierende Luft/Kraftstoffverhältnis in einen mageren Bereich (im folgenden einfach als "Magerbereich" bezeichnet) oder in einen fetten Bereich fällt, indem das erhaltene Aus gangssignal mit einem geeigneten Bezugswert (entweder eine Spannung oder ein Wider stand) verglichen wird, der für jeden der Sensoren für das theoretische Luft-Kraftstoff verhältnis ausgewählt ist.

In einem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp mit Zir konoxid ist der Unterschied hinsichtlich der elektromotorischen Kraft zwischen Sensoren gering und die elektromotorische Kraft hat eine geringe Temperaturabhängigkeit. Ent sprechend können die sensierenden Bereiche (Abfühlbereiche) einfach durch einen anderen sensierenden Bereich des gleichen Typs ausgewechselt werden. Wenn der Sensor am Ab gassystem eines Automobils angebracht ist, kann desweiteren das theoretische Luft/Kraft stoffverhältnis mit hoher Genauigkeit festgestellt werden, selbst wenn ein Bezugspotential konstant eingestellt ist und das Abgassystem einer Temperaturänderung unterworfen ist. Dies sind vorteilhafte Merkmale des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors vom Sauerstoffkon zentrationszellentyp mit Zirkonoxid. Die Sensoren dieses Typs sind entsprechend sehr gut für die Steuerung bzw. Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses eines Kraftfahrzeugmo tors geeignet, der mit einem ternären Katalysator ausgerüstet ist, und werden daher am häufigsten für den vorstehenden Zweck verwendet.

Bei einem Sauerstoffsensor vom Widerstandstyp mit Titandioxid (TiO₂) ändert sich der Wi derstand des gesamten TiO₂-Widerstandes entsprechend dem Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre. Entsprechend muß kein Bezugssauerstoffpartialdruck beim Messen der Sauer stoffkonzentration eingestellt werden. Da eine Bezugselektrode und ein Gaseinlaß für die Bezugselektrode unnötig sind, kann dieser Typ von Sauerstoffsensor in eine kompakte und einfache Struktur eingebaut werden. Entsprechend nimmt die Zahl von Sensoren dieses Typs bei der Anwendung für die Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses von Automobi len allmählich zu.

Bezüglich der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren, die für einen weiten Bereich des Luft/- Kraftstoffverhältnisses geeignet sind, sind Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren vom Begrenzungsstromtyp unter Verwendung von Zirkonoxid vorherrschend. Vorteilhaft ist, daß die Temperaturabhängigkeit sowohl der elektromotorischen Kraft des Sensors als auch des Ausgangsstroms von Sensoren dieses Typs sehr gering ist. Entsprechend sind die se Sensoren sehr gut geeignet und werden deshalb unter den Mehrbereichs-Luft/Kraftstoff verhältnis-Sensoren am meisten verwendet.

Die herkömmlichen Sensoren, beispielsweise ein Sensor für das theoretische Luft-Kraft stoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp mit Verwendung von Zirkonoxid und ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp mit Verwen dung von Zirkonoxid, haben, wie oben erläutert, ausgezeichnete Eigenschaften; sie sind jedoch mit den folgenden Problemen behaftet, die noch nicht gelöst sind.

(1) Durchführung der Messung eines theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses mit einer Genauigkeit von etwa ±0,1% unter Verwendung eines einzigen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors;
(2) Durchführung der Messung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses mit einer Ge nauigkeit von etwa ±1% über den gesamten Bereich, der sowohl den mageren Bereich als auch den fetten Bereich abdeckt, unter Verwendung eines einzigen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors;
(3) Feststellen des Luft/Kraftstoffverhältnisses mit hoher Genauigkeit unmittelbar nach dem Anlassen des Motors;
(4) Vermindern des Energieverbrauches des Sensors so weit wie möglich, um den Kraftstoffverbrauch des Automobils herabzusetzen; und
(5) Schaffung eines Sensors mit einem einfacheren Aufbau, um die Produktions kosten zu vermindern.

Im Laufe der letzten Jahre werden jedes Jahr in den Vereinigten Staaten ebenso wie in Europa und Japan schärfere Bestimmungen bezüglich der Abgase von Motorfahrzeugen ge fordert. Entsprechend sind nicht nur Verbesserungen bezüglich der Motoreigenschaften in Kraftfahrzeugen und hinsichtlich der Reinigungseigenschaften des Katalysators erforder lich, sondern es sind auch hohe Anforderungen betreffend Luft/Kraftstoffverhältnis-Senso ren gestellt. Diese Anforderungen können nicht durch eine einfache Abänderung der her kömmlichen Technologie erfüllt werden.

Genauer können die derzeitigen Erfordernisse folgendermaßen beschrieben werden:

(A) Unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung einer globalen Umweltzerstörung ist ein Kraftfahrzeugmotor erforderlich, der weniger Kraftstoff verbraucht und weniger schädli ches Abgas abgibt. Gleichzeitig muß der Motor, wenn notwendig, eine hohe Ausgangslei stung zur Verfügung stellen. Dies erfordert, daß das Luft/Kraftstoffverhältnis des Motors genau auf das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis hin gesteuert wird. Noch besser wird das Luft-Kraftstoffverhältnis des Motors entsprechend dem Fahrzustand von einem mage ren Bereich bis zu einem fetten Bereich auf das optimale Luft/Kraftstoffverhältnis einge stellt. Um das Luft/Kraftstoffverhältnis in einer dem optimalen Luft-Kraftstoffverhältnis genau folgenden Weise zu steuern bzw. zu regeln, ist es notwendig, unter Verwendung ei nes Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors das Luft/Kraftstoffverhältnis genau festzustellen bzw. zu messen und eine Rückkopplungssteuerung (Regelung) des Luft/ Kraftstoffverhältnisses durchzuführen, die auf dem festgestellten Wert basiert. Entsprechend ist es notwendig, das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis und/oder das Luft/Kraftstoffverhältnis über den gesamten Bereich, der den mageren und den fetten Bereich abdeckt, genau festzustellen.

(B) Bei einem herkömmlichen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor macht die Menge an Koh lenwasserstoffen (HC), die unmittelbar nach Zündung des Motors aber bevor der Sensor angeschaltet bzw. in Betrieb ist, einen Großteil der Kohlenwasserstoffe aus, die beim Anlassen bzw. Warmlaufen eines Motors aus einem kalten Zustand heraus abgegeben wird. Die Menge an abgegebenen Kohlenwasserstoffen steht in engem Bezug dazu, ob die Kraftstoffzufuhr beim Anlaufen des Motors in geeigneter Weise vermehrt wird oder nicht. Die Kraftstoffzufuhrmenge beim Anlaufen des Motors muß optimiert werden, um die Men ge an abgegebenen Kohlenwasserstoffen zu vermindern. Dies kann nur erreicht werden, indem der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor bei dem Zünden des Motors rasch in Betrieb kommt. Zusätzlich wird das Abgas mit einem Abgasreinigungskatalysator behandelt, um giftige Bestandteile daraus zu entfernen. Das Reinigungsvermögen des Katalysators kann durch genaues Feststellen des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses erheblich verbes sert werden. Dies erfordert einen hochgenauen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor, der das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis und/oder das Luft/Kraftstoffverhältnis über einen weiten Bereich genau feststellt.

Der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor, genauer der sensierende Bereich zum Feststellen des Luft/Kraftstoffverhältnisses, muß auf eine für den Betrieb geeignete Temperatur gebracht werden, weil der sensierende Bereich des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors nur bei einer begrenzten Temperatur von etwa 700°C funktioniert. Dies erfordert zwingend, daß der Sensor rasch auf die erwünschte Temperatur aufgeheizt wird. Im allgemeinen jedoch be wirkt die rasche Temperaturerhöhung, daß die sensierenden Bereiche brechen oder sich in ihren Eigenschaften aufgrund von thermischen Spannungen verschlechtern. Es ist daher notwendig, den Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor kompakt auszubilden, um thermische Spannungen zu unterdrücken und dadurch solche nachteiligen Wirkungen zu vermindern.

Bei einem mit Zirkonoxid arbeitenden Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungs stromtyp ist es erforderlich, daß das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis mit hoher Ge nauigkeit festgestellt wird, und daß der gesamte Bereich, der den mageren Bereich und den fetten Bereich abdeckt, mit demselben, einzigen Sensor gemessen wird. Diese Anforde rungen können erfüllt werden, indem sowohl die Anode als auch die Kathode luftdicht und von einander getrennt gehalten werden. Die Elektrode auf der nicht dem Abgas ausgesetz ten Seite muß mit Sauerstoff (Luft) hoher Konzentration versorgt werden. Deshalb muß ein Weg bzw. eine Bahn zum Einführen von Luft (Atmosphäre) von der Außenseite des Sen sors zu dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektorbereich geschaffen werden. Entsprechend wird im allgemeinen ein zylindrisches Sensorelement mit einem abgedichteten Ende, d. h. ein wie ein Trinkglas geformtes Sensorelement verwendet. Das Element dieses Typs ist je doch bezüglich der Verminderung seiner Abmessungen begrenzt.

(C) Wenn zum Aufheizen des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors mehr elektrische Energie benötigt werden würde, erfordert dies zwingend eine Vergrößerung der entsprechenden Ausrüstung, wie Generatoren und Batterien, um die Erfordernisse der Energieversorgung zu erfüllen. Dies wiederum führt zu einer Vergrößerung des gesamten Energieverbrauches. Um den gesamten Energieverbrauch zu vermindern, ist es notwendig, den Energiever brauch des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors zu vermindern; zusätzlich aber ist es erforder lich und wirksam, den Sensor funktionaler zu gestalten.

Wie im Vorstehenden beschrieben, erfordert ein herkömmlicher Sensor zum Feststellen des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp mit Ver wendung von Zirkonoxid eine Standardelektrode, um das theoretische Luft/Kraftstoffver hältnis festzustellen. Dies bedeutet unvermeidlich den zusätzlichen Einbau einer Ein richtung zum Einleiten von Luft in den Sensor und einer Einrichtung zum Erzeugen von Sauerstoff. Ein Sensor zum Feststellen des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses dieses Typs, der die externe Einleitung von Luft in den Sensor erfordert, sollte mit einem voluminösen Luftweg mit einer komplizierten Struktur ausgerüstet sein. Es ist außeror dentlich schwierig, einen solchen voluminösen und komplizierten Sensor zu produzieren. Zusätzlich nimmt der Wärmestrahlungsverlust ebenfalls mit zunehmenden Abmessungen des Sensors zu, was den Energieverbrauch zusätzlich vergrößert. Desweiteren leidet der Sensor, je größer er ist, mehr unter thermischen Verformungen und Spannungen. Entspre chend ist ein großer Sensor für ein rasches Aufheizen nicht geeignet. Dies bedeutet, daß eine längere Anlaufphase in Kauf genommen werden muß, wenn ein großer Sensor zum Feststellen des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses verwendet wird. Es ist ersichtlich, daß der vorgenannte Sensor zum Feststellen des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses bei einem Kraftfahrzeug nicht nur zusätzliche elektrische Energie verbraucht, wodurch der gesamte Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs ungünstig beeinflußt wird, sondern auch nicht zur Verminderung der Abgabe von Kohlenwasserstoffen beim Kaltstart des Kraftfahr zeugs beiträgt, weil der Sensor selbst eine längere Anlaufzeit benötigt.

Ein herkömmlicher Sensor zum Feststellen des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses vom mit Zirkonoxid arbeitenden Sauerstoffkonzentrationszellentyp mit einer internen Ein richtung zum Erzeugen von Sauerstoff erfordert aufgrund der eingebauten Sauerstoffer zeugungseinrichtung auch eine voluminöse und komplizierte Struktur. Es ist ersichtlich, daß das gleiche Problem, das für den obigen mit einer Einrichtung zum Einleiten von Luft ausgerüsteten Sensor zum Feststellen des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses disku tiert wurde, auch für den Sensor des hier genannten Typs gilt.

Ein herkömmlicher mit Zirkonoxid arbeitender Sauerstoffsensor vom Begrenzungsstromtyp erfordert desweiteren den Einbau einer Bezugselektrode mit einer Einrichtung zum Einlei ten von Luft oder zum Erzeugen von Sauerstoff, um das Luft/Kraftstoffverhältnis über den gesamten Bereich festzustellen. Ein Sensor ohne eine solche Einrichtung ist nur für den mageren Bereich geeignet. Beim Messen des Stroms für einen fetten Bereich kann mit dem gemessenen Wert alleine nicht entschieden werden, ob er zu einem mageren Bereich oder einem fetten Bereich gehört, weil der Strom in dem fetten Bereich das Verhalten einer zweiwertigen Funktion hat. Dies ist der Grund, warum in dem fetten Bereich ein wirksa mes Luft/Kraftstoffverhältnis nicht gemessen werden kann.

Es ist ersichtlich, daß, um die beschriebene Schwierigkeit zu beheben, eine zusätzliche Einrichtung zum Beurteilen, ob der Meßwert in einen mageren oder einen fetten Bereich fällt, eine weitere Einrichtung zum Feststellen des Luft/Kraftstoffverhältnisses in dem fet ten Bereich und eine zusätzliche Einrichtung einer Sauerstoffpumpe, die aus einer elektro chemischen Zelle zum Bereitstellen von Sauerstoffgas zusammengesetzt ist, getrennt von dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor für den mageren Bereich eingebaut werden sollten.

Ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor einer Bauart, die eine Einrichtung zum externen Einleiten von Luft in den Sensor umfaßt, ist grundsätzlich durch seine Fähigkeit gekennzeichnet, das Luft-Kraftstoffverhältnis über den gesamten Bereich mit hoher Genauigkeit festzustellen. Der Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor dieses Typs bedingt jedoch einen großen Weg mit einer komplizierten Struktur zum Einleiten von Luft, so daß die gleichen Probleme gelöst werden müssen, die oben im Falle des mit Zirkonoxid arbeitenden Sensors für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzen trationszellentyp diskutiert wurden.

Die vorliegende Erfindung wurde mit der Zielsetzung gemacht, die obigen Probleme der herkömmlichen Sensoren für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis zu lösen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen kompakten und mit hoher Meßleistung arbeitenden Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauer stoffkonzentrationszellentyp zu schaffen, mit einer mehrlagigen Dünnschichtstruktur (z. B. einen mit Zirkonoxid arbeitenden Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp), der die Vorteile eines herkömmlichen Sensors für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp (beispielsweise einen mit Zirkonoxid arbeitenden Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp) aufweist, wie die Fähigkeit, selbst unter Temperatur wechsel eine fast konstante elektromotorische Kraft abzugeben, der aber von einem zusätzlichen Weg zum Einleiten von Luft befreit ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen kompakten und mit hoher Meßleistung arbeitenden Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begren zungsstromtyp zu schaffen, der eine mehrlagige Dünnschichtstruktur (z. B. ein mit Zirkon oxidarbeitender Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp) aufweist und die Feststellung eines Luft-Kraftstoffverhältnisses über den gesamten Bereich, der von einem mageren bis zu einem fetten Bereich reicht, ermöglicht, welcher die Vorteile eines herkömmlichen Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors vom Begren zungsstromtyp (z. B. ein mit Zirkonoxid arbeitender Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhält nis-Sensor vom Strombegrenzungstyp) aufweist, wie die Fähigkeit, selbst bei einer Tempe raturänderung einen geringen Begrenzungsstrom aufrecht zu erhalten, und der dennoch kei nen zusätzlichen Weg zum Einleiten von Luft aufweist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einer mehrlagigen Dünnschichtstruktur zu schaffen, der in der Lage ist, ein Luft/Kraft stoffverhältnis über den gesamten Bereich von einem mageren bis zu einem fetten Bereich festzustellen, der eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und Stabilität aufweist und dennoch in der Lage ist, ein weniger von einer Temperaturänderung abhängiges Ausgangs signal abzugeben, und der grundsätzlich in seinen Abmessungen merklich verkleinert ist, welcher Sensor enthält:
eine Kombination des Sensors für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp mit dem Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis- Sensor vom Begrenzungsstromtyp;
einen integrierten Sensierbereich zum Feststellen des theoretischen Luft/Kraft stoffverhältnisses; und
keinen Weg zum Einleiten von Luft.

Ein mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einem Sensorelement enthält entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung:
eine auf einem porösen Substrat ausgebildete erste Elektrode;
einen ersten Feststoffelektrolyt und eine dritte Elektrode, die auf der ersten Elektrode in dieser Reihenfolge derart ausgebildet sind, daß die erste Elektrode von dem ersten Feststoffelektrolyt einschließlich ihrer Umrandung vollständig bedeckt ist, und daß der erste Feststoffelektrolyt von der dritten Elektrode einschließlich seiner Umrandung vollständig bedeckt ist; und
einen zweiten Feststoffelektrolyt und eine vierte Elektrode, die auf der dritten Elektrode in dieser Reihenfolge derart ausgebildet sind, daß der Umfangsbereich der drit ten Elektrode von dem zweiten Feststoffelektrolyt und der vierten Elektrode unbedeckt und dadurch freiliegend ist;
wobei die erste Elektrode, die dritte Elektrode und die vierte Elektrode aus ei nem gasdurchlässigen, porösen Platin hergestellt sind und der erste Feststoffelektrolyt und der zweite Feststoffelektrolyt aus einem gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind.

Entsprechend dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung enthält ein mehrlagiger Dünn schicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einem Sensorelement:
eine auf einem porösen Substrat ausgebildete erste Elektrode;
einen ersten Feststoffelektrolyt und eine dritte Elektrode, die auf der ersten Elektrode in dieser Reihenfolge derart ausgebildet sind, daß die erste Elektrode vollständig von dem ersten Feststoffelektrolyt einschließlich ihrer Umrandung bedeckt ist und daß der erste Feststoffelektrolyt von der dritten Elektrode einschließlich seiner Umrandung voll ständig bedeckt ist;
einen mit einer Öffnung versehenen zweiten Feststoffelektrolyt auf der dritten Elektrode, der derart ausgebildet ist, daß zwischen dem ersten Feststoffelektrolyt und dem zweiten Feststoffelektrolyt ein Zwischenraum gebildet ist; und
eine auf der der dritten Elektrode zugewandten Seite des zweiten Feststoffelek trolyten ausgebildete vierte Elektrode und eine auf der Seite des zweiten Feststoffelektro lyten, wie der zu der dritten Elektrode zeigenden entgegengesetzt ist, ausgebildete fünfte Elektrode, wobei der zweite Elektrolyt und die fünfte Elektrode derart ausgebildet sind, daß der Umfangsbereich der dritten Elektrode von ihnen nicht bedeckt und dadurch freiliegend ist;
wobei die erste Elektrode, die dritte Elektrode, die vierte Elektrode und die fünfte Elektrode aus einem gasdurchlässigen, porösen Platin hergestellt sind und der erste Feststoffelektrolyt und der zweite Feststoffelektrolyt aus einem gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind.

Bei dem ersten und zweiten mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor kann die zweite Elektrode zusätzlich zu der ersten Elektrode oder anstelle der ersten Elektrode vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäßen mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren haben den beschriebenen Aufbau und dadurch folgende Eigenschaften:

(1) Der erfindungsgemäße Sensor versorgt das Sensorelement mittels einer Sauerstoff pumpfunktion mit Sauerstoff. Dadurch ist es nicht notwendig, zwischen dem Sensorele ment und dem Äußeren des Gehäuses einen Lufteinleitbereich vorzusehen, weil das Sensorelement keinen Sauerstoffeinlaßbereich benötigt. Dies ermöglicht einen kompakten Sensor.
(2) Der erfindungsgemäße Sensor kann in eine planare Struktur eingebaut werden. Ein Sauerstoffeinlaßbereich kann vom Sensorelement eliminiert werden, wodurch das Sensor element nicht in eine dreidimensionale Struktur, wie einen Zylinder bei dem herkömmli chen Typ, eingebaut werden muß. Der erfindungsgemäße Sensor kann in vorteilhafter Weise mittels Film bzw. Dünnschichtablagerungstechnologie hergestellt werden.
(3) Bei dem erfindungsgemäßen Sensor kann in einfacher Weise ein luftdichter Aufbau er reicht werden, weil der Sauerstoffeinlaßbereich weggelassen werden kann.
(4) Der erfindungsgemäße Sensor ist für die praktische Messung gut geeignet, da er eine ge ringe Temperaturabhängigkeit aufweist. Dies wird durch Integration eines Bereiches zum Dissoziieren von Sauerstoff erreicht, eines Bereiches, der als eine Sauerstoffpumpe wirkt, und eines Bereiches, der als ein Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentationszellentyp und/oder einen Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis- Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert.
(5) In dem Sensorbereich für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkon zentrationszellentyp des erfindungsgemaßen Sensors kann das theoretische Luft/Kraftstoff verhältnis genau gemessen werden, ohne daß irgendeine komplizierte Tätigkeit notwendig ist, wie das Einstellen der Bezugsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur.
(6) In dem Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensorbereich vom Begrenzungsstrom typ entsprechend der Erfindung kann ein Luft/Kraftstoffverhältnis über den gesamten, von einem mageren bis zu einem fetten Bereich reichenden Bereich festgestellt werden, ohne daß die angelegte Spannung umgeschaltet werden muß.
(7) Die Erfindung schafft einen kompakten Sensor, der wenig Energie verbraucht.
(8) Da der erfindungsgemäßen Sensor mittels Dünnschichtablagerungstechnologie herge stellt wird, erleidet er selbst bei raschem Aufheizen nur eine sehr geringe thermische Ver zerrung. Entsprechend ist ein Sensor mit hoher Stabilität geschaffen.
(9) Da der erfindungsgemaße Sensor mittels Dünnfilmschichtablagerungstechnologie herge stellt wird, ist er für eine Massenproduktion geeignet und kann dadurch mit verminderten Kosten hergestellt werden.
(10) Der erfindungsgemäße Sensor kann in einfacher Weise ge- bzw. verformt werden und dadurch in unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden.

In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 1 der Erfindung;

Fig. 2 eine Kurve, die die elektromotorische Kraftkennlinie eines Luft/Kraftstoff verhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 1 der Erfindung zeigt;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 2 der Erfindung;

Fig. 4 ein Aufsicht auf eine erste Elektrode des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 3 der Erfindung;

Fig. 6 eine Aufsicht auf eine dritte Elektrode des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors längs Linie A/A in Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 4 der Erfindung;

Fig. 8 eine Aufsicht einer ersten Elektrode des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors gemäß Fig. 7;

Fig. 9 eine Aufsicht auf eine dritte Elektrode des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors längs Linie A/A in Fig. 7;

Fig. 10 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 5 der Erfindung;

Fig. 11 einen Graph zur Darstellung einer Stromspannungs(IV)-Charakteristik für einen Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensorbereich vom Begrenzungsstrom typ eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 5 der Erfindung;

Fig. 12 eine Kurve zur Darstellung des beobachtenden Stroms bei Anlegen der in dem Graphen von Fig. 11 gestrichelt dargestellten angelegten Spannung für einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor entsprechend dem Beispiel 5 der Erfindung;

Fig. 13 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 6 der Erfindung;

Fig. 14 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 7 der Erfindung;

Fig. 15 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 8 der Erfindung;

Fig. 16 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 9 der Erfindung;

Fig. 17 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 10 der Erfindung;

Fig. 18 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 11 der Erfindung;

Fig. 19 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem Beispiel 12 der Erfindung;

Fig. 20 eine schematische Ansicht eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend Beispiel 13 der Erfindung;

Fig. 21 eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Luft/Kraftstoffverhältnis- Sensors entsprechend Beispiel 14 der Erfindung;

Fig. 22 einen Graph zur Darstellung einer Stromspannungs(IV)-Charakteristik für einen Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensorbereich vom Begrenzungsstrom typ eines herkömmlichen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors und

Fig. 23 einen Graph, der den beobachteten Strom bei Anlegen einer vorbestimmten Spannung bei einem herkömmlichen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor zeigt.

Bezugnehmend auf einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor entsprechend dem ersten Aspekt der Erfindung, ist vorzugsweise ein Mehrzahl feiner Rillen bzw. Nuten, die miteinander in Verbindung stehen, in dichter Anordnung an dem Bereich der ersten Elektrode vorgese hen, der in Berührung mit dem porösen Substrat ist. Auf diese Weise kann Sauerstoffgas gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der ersten Elektrode verbreitet werden. Die Grö ße, Form, Anzahl usw. der Rillen kann je nach den Bedingungen in geeigneter Weise ge wählt werden.

Ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfin dung enthält vorzugsweise eine dritte Elektrode, die an sich eine Mehrzahl miteinander in Verbindung stehender, feiner Pfade bzw. Bahnen in dichter Anordnung aufweist, und noch bevorzugter enthält die dritte Elektrode eine den äußeren Umfang des Netzwerkes der mit einander in Verbindung stehenden Pfade über die Endfläche der dritten Elektrode mit dem Äußeren verbindet. Auf diese Weise kann das innerhalb der dritten Elektrode überschüssi ge Sauerstoffgas nach außen abgegeben werden. Die Größe, Form, Anzahl usw. der Pfade kann je nach Bedingungen geeignet gewählt werden.

Desweiteren umfaßt ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor entsprechend dem ersten Gesichts punkt der Erfindung am bevorzugtesten sowohl eine erste Elektrode, auf der in dichter An ordnung eine Vielzahl feiner Rillen, die miteinander in Verbindung stehen, ausgebildet ist, und eine dritte Elektrode, die an sich eine Vielzahl feiner, miteinander in Verbindung ste hender Pfade aufweist, mit einem zusätzlichen Pfad, der den äußeren Umfang des Netz werks der miteinander in Verbindung stehenden Pfade mit dem Äußeren über die Endflä che der dritten Elektrode verbindet, weil beide Vorteile in einem einzigen Sensor voll zur Geltung kommen.

Ein bevorzugter mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor umfaßt entspre chend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ein Sensorelement mit den folgenden inte grierten Bereichen:
ein Bereich, der als ein Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp funktioniert, der ein poröses Substrat aufweist, auf dem eine erste Elektrode, ein erster Feststoffelektrolyt und eine dritte Elektrode vorgese hen sind; und
ein Bereich, der als Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, der eine dritte Elek trode, einen zweiten Feststoffelektrolyt und eine vierte Elektrode enthält.

Ein entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ausgebildeter Sensor kann ge trennt von der ersten Elektrode eine zusätzliche zweite Elektrode an dem porösen Substrat aufweisen. Der Sensor dieses Typs umfaßt einen Bereich, der als Sensor für das theoreti sche Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp funktioniert (zu sammengesetzt aus einer dritten Elektrode, einem zweiten Feststoffelektrolyt und einer vierten Elektrode) und einen Bereich, der als Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sen sor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert (zusammengesetzt aus einer zweiten Elektrode, einem ersten Feststoffelektrolyt und einer dritten Elektrode), wobei die Bereiche zusätzlich zu dem Bereich, der als Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, auf einem einzigen porösen Substrat sind.

Das poröse Substrat zur Verwendung in dem entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ausgebildeten mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor kann aus einem in der einschlägigen Technik an sich gut bekannten Material bestehen, beispiels weise Aluminiumoxid (Alumina). Die Größe und Form des porösen Substrates können ebenso wie die Art der Poren und die Porosität je nach den Erfordernissen und Bedingun gen geeignet gewählt werden. Erforderlichenfalls kann das Sensorelement mit einer Heizeinrichtung versehen sein, beispielsweise einem Heizelement das an einer geeigneten Stelle des porösen Substrats angebracht ist.

Der Feststoffelektrolyt zur Verwendung in dem mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoff verhältnis-Sensor entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung kann aus einem an sich bekannten Material bestehen, beispielsweise Zirkonoxid oder Yttriumoxid (Yttria) oder einer Kombination davon. Es kann ein Feststoffelektrolyt mit einer gewünschten Form und Größe geformt werden.

Die Elektrode zur Verwendung in dem mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis- Sensor entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann geformt werden, indem eine geeignete Paste bzw. Masse von Edelmetall, beispielsweise eine Platinpaste, verwen det wird, wobei ein bekanntes Verfahren, wie ein Druckverfahren und Dampfabscheidung angewendet wird. Die Größe, Form und Dicke der Elektrode kann geeignet gewählt wer den.

Der mehrlagige Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor entsprechend dem ersten Ge sichtspunkt der Erfindung kann mit zusätzlichen, an sich bekannten Einrichtungen ausgerüstet sein, beispielsweise einer Einrichtung zum Anlegen einer Spannung, einer Einrichtung zum Messen einer Spannung oder eines Stroms und einer Heizeinrichtung, beispielsweise einem Heizelement.

Vorzugsweise ist die äußere Oberfläche des Sensorelements des mehrlagigen Dünnschicht- Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung vollständig mit einer Überzugsschicht bedeckt, die eine vorbestimmte Menge eines kataly tischen Materials trägt, beispielsweise einen Edelmetallkatalysator (Oxidationskatalysator) mit Platin, Rhodium und Palladium. Auf diese Weise kann die Sensorcharakteristik verbessert werden, indem in dem Abgas verbliebenes unverbranntes Gas vollständig ver brannt wird, um von ihm verursachte nachteilige Einflüsse auszuschalten. Die Art des Ka talysators, sein Gehalt in der Überzugsschicht, die Dicke der Überzugsschicht und das Überzugsmaterial sind in geeigneter Weise ausgewählt, wobei diese Parameter entweder alleine verwendet werden können oder in Kombination von zweien oder mehreren daraus ausgewählten.

In dem bevorzugten mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor entspre chend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung enthält der Oberflächenbereich des porösen Substrates, der in Berührung mit der ersten Elektrode ist (und auch der Bereich, der bei Vorhandensein einer zweiten Elektrode in Berührung mit der zweiten Elektrode ist), vor zugsweise Unregelmäßigkeiten mit Spitzen mit einem Abstand von 1 µm oder mehr zwi schen benachbarten Spitzen. Auf diese Weise können ein Sensor für das theoretische Luft- Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp und/oder ein Mehrbereichs- Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp mit weiter verbesserten Eigen schaften verwirklicht werden.

Bezugnehmend auf einen mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor ent sprechend einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein zweiter Feststoffelektrolyt mit einer Öffnung auf der dritten Elektrode vorgesehen, der einen Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Feststoffelektrolyten enthält. Dies ist das Merkmal, das sich von dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Er findung unterscheidet. Die Größe (Volumen) und Form des Zwischenraumes zwischen dem ersten und dem zweiten Feststoffelektrolyten sind geeignet gewählt. Der Zwischenraum kann mit einem geeigneten porösen Material, beispielsweise einem Keramikschaum, gefüllt sein. Wenn von der Sauerstoffpumpenzelle, die durch die vierte Elektrode, den zweiten Feststoffelektrolyten und die fünfte Elektrode gebildet ist, eine überschüssige Menge von Sauerstoff bereitgestellt wird, wird das überschüssige Sauerstoffgas nach außen von der an dem zweiten Feststoffelektrolyt gebildeten Öffnung abgegeben. Auf diese Weise kann der Sauerstoffgaspartialdruck ständig auf einem optimalen Wert gehalten werden.

Die Größe, Form und die Anzahl der Öffnung bzw. Öffnungen an dem zweiten Feststoff elektrolyt kann in geeigneter Weise gewählt werden, um ein Sensorelement mit der gewünschten Eigenschaft zu haben. Beispielsweise kann als die Öffnung ein feines Loch (pinhole) vorgesehen sein.

In dem Sensor entsprechend dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung kann wiederum un abhängig von der ersten Elektrode eine zweite Elektrode zusätzlich auf dem porösen Sub strat vorgesehen sein. In diesem Fall umfaßt der Sensor einen Bereich, der als ein Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp funktioniert, und einen Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzeungsstromtyp funktioniert, wobei beide zusätzlich zu dem Bereich, der als ei ne Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, auf einem einzigen porösen Substrat sind.

Andere wesentliche Elemente und zusätzliche Einrichtungen, die an dem mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor entsprechend dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung vorgesehen sein können, sind die gleichen wie oben für den Fall eines mehrla gigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend dem ersten Gesichts punkt der Erfindung beschrieben.

In dem erfindungsgemäßen mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor wer den Sauerstoffionen dem Sensorelement zwangsweise zugeführt, wobei eine Sauerstoffpum penfunktion verwendet wird, und indem Sauerstoff aus Wasserdampf und Kohlendioxid dissoziiert wird, welche in dem Abgas vorhanden sind, das bei Verbrennung von Kraftstoff in einem Kraftfahrzeugmotor abgegeben wird. Dies ist der wichtige Punkt, der unter schiedlich zu dem herkömmlichen mit Zirkonoxid arbeitenden Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis und einem mit Zirkonoxid arbeitenden Mehrbereichs-Luft/Kraft stoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp ist, welcher einen mit der einen der Elek troden verbundenen Pfad aufweist, um Sauerstoff mit hoher Konzentration in Abhängigkeit von der natürlichen Diffusion von Luft zur Verfügung zu stellen. Der erfindungsgemäße Sensor enthält eine Sauerstoffpumpenzelle, eine Sauerstoffkonzentrationszelle und/oder eine Begrenzungsstromzelle, die auf einem porösen Substrat unter Einsatz einer Dünn schichtablagerungstechnologie ausgebildet sind. Auf diese Weise kann ein wenig Energie verbrauchender und rasch ansprechender Sensor implementiert werden, der einem raschen Aufheizen und einer schnellen Temperaturerhöhung unterworfen werden kann. Der Sensor ermöglicht dadurch eine sehr genaue Messung des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis ses und eines Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnisses. Die Erfindung wird anhand nicht einschränkender Beispiele im folgenden genauer erläutert. Es sei jedoch daraufhingewie sen, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.

Beispiel 1 (Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellen typ entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird ein Sensor entsprechend dem Beispiel 1 der Erfindung im folgenden beschrieben. Der Sensor umfaßt ein poröses Substrat 1, das beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht, eine erste Elektrode 2, einen ersten Feststoffelektrolyt 3 und eine dritte Elektrode 4, die darauf in dieser Reihenfolge ausgebildet sind. Der erste Feststoff elektrolyt 3 bedeckt die Oberfläche der ersten Elektrode 2 einschließlich deren Umrandung vollständig. Die dritte Elektrode 4 bedeckt desweiteren die Oberfläche des ersten Feststoff elektrolyten 3 einschließlich dessen Umrandung vollständig. Ein zweiter Feststoffelektrolyt 5 und eine vierte Elektrode 6 sind in dieser Reihenfolge zusätzlich auf der dritten Elektro de 4 ausgebildet, wobei der zweite Feststoffelektrolyt 5 und die vierte Elektrode 6 derart angeordnet sind, daß der Umfangsbereich der dritten Elektrode 4 frei liegt. Die erste Elek trode 2, die dritte Elektrode 4 und die vierte Elektrode 6 bestehen jede aus einem gas durchlässigen, porösen Platin. Diese Elektroden können durch Aufbringen einer Platinpaste unter Verwendung eines Druckverfahrens ausgebildet werden. Der erste Feststoffelektrolyt 3 und der zweite Feststoffelektrolyt 5 werden unter Verwendung eines gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyten mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen ausgebildet (in diesem Fall wird Zirkonoxid verwendet).

An der Rückseite des porösen Substrates ist ein Heizelement 7 vorgesehen. Das Heizele ment 7 ist an eine Heizeinrichtung 8 angeschlossen. Geeignete Materialien für das Heizele ment 7 schließen Edelmetalle, wie Platin, Rhodium, Palladium, usw., Legierungen davon, und hitzebeständige, elektrisch leitende Materialien, wie SiC, W, Re, Mo, usw. ein. In diesem Beispiel wird Platin verwendet.

Des weiteren ist eine Einrichtung 9 zum Anlegen einer Spannung vorgesehen, um an die dritte Elektrode 4 relativ zur vierten Elektrode 6 eine positive Spannung anzulegen. Der Aufbau ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Einrichtung 10 zum Messen der Spannung (Potential differenz) der dritten Elektrode 4 relativ zur ersten Elektrode 2 ist ebenfalls vorgesehen.

Beim Anlegen einer positiven Spannung an die dritte Elektrode 4 relativ zur vierten Elek trode 6 funktioniert in diesem Bereich einschließlich des zweiten Feststoffelektrolyten 5 ei ne Sauerstoffpumpe, um die Sauerstoffionen von der Seite der vierten Elektrode 6 zur Sei te der dritten Elektrode 4 zu transportieren. Unter einer Atmosphäre mageren Luft/Kraft stoffverhältnisses wird der in der Atmosphäre verbleibende Sauerstoff mittels Gasdiffusion der vierten Elektrode 6 zugeführt. Da dort in einer fetten Luft/Kraftstoffverhältnisatmosphäre nicht genügend Sauerstoff verbleibt, erleiden innerhalb der vierten Elektrode 6 Wasserdampf und Kohlendioxid, die von der Atmosphäre durch Gasdiffusion zur vierten Elektrode 6 gelangen, eine Dissoziation und bilden Sauerstoffionen. Die entstehenden Sau erstoffionen werden somit in gleicher Weise wie in dem vorhergehenden Vorgang trans portiert. Die auf diese Weise transportierte Sauerstoffionen werden an der Grenze zwi schen dem zweiten Feststoffelektrolyten 5 und der dritten Elektrode 4 in Sauerstoffgas um gewandelt. Innerhalb der porösen dritten Elektrode 4 wird somit ein sauerstoffreicher Zu stand aufrechterhalten und zwar unabhängig von der atmosphärischen Bedingung, d. h. un abhängig davon, ob sich die Atmosphäre in einem mageren oder fetten Luft/Kraftstoffver hältnis befindet.

Der die erste Elektrode 2, den ersten Feststoffelektrolyt 3 und die dritte Elektrode 4 ent haltende Bereich funktioniert als ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensorbereich vom Sauer stoffkonzentrationszellentyp, um das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis aus der elektro motorischen Kraft zu messen. Dann wurde die elektromotorische Kraft des Luft/Kraft stoffverhältnis-Sensorbereiches vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp gemessen, wobei das Luftverhältnis in dem Abgas in Umgebung des Sensors als ein Parameter genommen wur de, um eine Kennlinie gemäß Fig. 2 zu erhalten. Da der äußere Umfang der porösen drit ten Elektrode 4 mit der Außenseite des Sensors in Verbindung steht, kann überschüssiger Sauerstoff von dem Außenumfang zur Außenseite abgegeben werden. Die Messung kann somit ohne jedwelches Hindernis durchgeführt werden. Das Sauerstoffgas innerhalb der ersten Elektrode 2 wird in das poröse Substrat 1 abgegeben.

Beispiel 2 (Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellen typ entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 3 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 2 der Er findung beschrieben. Dieser Sensor hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der im Beispiel 1 beschriebene Sensor, mit der Ausnahme, daß feine Rillen 11 bzw. Nuten, die miteinander in Verbindung stehen, in dichter Anordnung auf dem Bereich der ersten Elek trode 2 vorgesehen sind, der in Berührung mit einem porösen Substrat 1 ist. Im allgemei nen ist ein Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis mit einer Platinelektrode ausgerüstet. Platin jedoch zeigt eine unzureichende Dauerhaltbarkeit, wenn es wiederholter Oxidation und Reduktion ausgesetzt wird. Durch Abdecken der Oberfläche der Platinelek trode mit einer porösen Schicht, um die Menge von diffundierendem Gas zu steuern, das die Oberfläche der Elektrode aus der Atmosphäre erreicht, kann die Verschlechterung der Elektrode vermieden werden und der Elektrode kann eine lange Dauerhaltbarkeit verliehen werden. Es ist daher ersichtlich, daß die Gasdiffusionsmenge wirksam vermindert werden kann, indem ein poröses Substrat 1 mit einem hohen Diffusionswiderstand verwendet wird. Die Verwendung eines solchen Substrates erzeugt jedoch umgekehrt einen Bereich in der Oberfläche der ersten Elektrode 2, der unzureichend mit Sauerstoff versorgt wird (unwirk samer Bereich). Mit anderen Worten, auf der ersten Elektrode 2 wird ein Bereich mit ei nem langen bzw. trägen Ansprechen auf Schwankungen erzeugt. Die elektromotorische Kraft des normalen Bereiches mit einem kurzen Ansprechen auf Schwankungen und die des unnormalen Bereiches mit einem langen Ansprechen auf Schwankungen beeinflussen sich gegenseitig und ergeben insgesamt ein langsames Ansprechen. Eine solche unklare Charakteristik ist ungeeignet für einen Sensor zur Steuerung bzw. Regelung des Luft/- Kraftstoffverhältnisses. Die Erfindung schafft eine Lösung eines solchen Problems.

Die Rillen 11 erleichtern die Sauerstoffgasdiffusion innerhalb der Oberfläche der ersten Elektrode 2, um dadurch die in der Ebene vorhandene Sauerstoffkonzentrationsverteilung auf einem niedrigen Wert bzw. gleichmäßig zu steuern. Auf diese Weise kann das Entste hen des unzureichend mit Sauerstoff versorgten, in der Ebene liegenden Bereiches der Oberfläche der ersten Elektrode 2 (unwirksamer Bereich), d. h. der Bereich mit einem lan gen Ansprechen auf Schwankungen unterdrückt werden. Das in der Ebene vorhandene An sprechen auf Schwankungen der Elektrode kann somit einheitlich gemacht werden. Folglich kann ein Sensor mit guter Haltbarkeit und verbesserter Langzeithaltbarkeit geschaffen werden, bei dem ein langsames Ansprechverhalten vermieden wird, das für ei nen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor ungeeignet ist.

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf die erste Elektrode 2 der Fig. 3. Bei diesem Beispiel sind die Rillen 8 in Form eines Gitters mit einem vorbestimmten Abstand eingeschnitten.

Beispiel 3 (Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellen typ entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 5 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 3 der vor liegenden Erfindung beschrieben. Dieser Sensor hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der im Beispiel 1 beschriebenen Sensor mit der Ausnahme, daß feine Pfade 12, die miteinander in Verbindung stehen, in dichter Anordnung an einer dritten Elektrode 4 vor gesehen sind, und daß zusätzliche Pfade 13 zum Verbinden des Umfangsbereiches des Pfadnetzwerks mit der Außenseite an der dritten Elektrode 4 derart vorgesehen sind, daß sie über das äußere Umfangsende der dritten Elektrode 4 anschließbar sind.

Wenn der Druck innerhalb der dritten Elektrode 4 durch die Funktion der Sauerstoffpumpe zunimmt, wird das überschüssige Sauerstoffgas nach außen durch die feinen Pfade 12 und einen Pfad 13 abgegeben. Auf diese Weise kann die Erhöhung des Drucks innerhalb der zweiten Elektrode 4 vermieden werden.

Fig. 6 ist eine Aufsicht auf die dritte Elektrode 4, gesehen längs einer Linie A/A in Fig. 5. In diesem Beispiel sind die Pfade 12 in ein Gitter mit einem vorbestimmten Abstand ge schnitten. Die Pfade 13 sind längs der senkrechten und Querrichtungen an dem äußeren Umfang der Pfade 12 vorgesehen, um den äußeren Umfang der Pfade 12 mit der Außen seite zu verbinden.

Beispiel 4 (Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellen typ entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 7 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 4 der Er findung beschrieben. Dieser Sensor hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der im Beispiel 1 beschriebenen Sensor mit der Ausnahme, daß feine Rillen 11, die miteinander in Verbindung stehen, in dichter Anordnung auf dem in Berührung mit einem porösen Sub strat 1 stehenden Bereich einer ersten Elektrode 2, in ähnlicher Weise wie in Beispiel 2, vorgesehen sind, und daß miteinander in Verbindung stehende feine Pfade 12 in dichter Anordnung an einer dritten Elektrode 4 vorgesehen sind, wobei zusätzliche Pfade 13 zum Verbinden des äußeren Umfangs des Pfadnetzwerks mit der Außenseite an der dritten Elektrode 4 derart vorgesehen sind, daß sie über das äußere Umfangsende der dritten Elek trode 4 anschließbar sind.

Der Sensor diese Ausführungsbeispiels verfügt somit über beide Vorteile der im Beispiel 2 und Beispiel 3 beschriebenen Sensoren.

Fig. 8 ist eine Aufsicht der ersten Elektrode 2 gemäß Fig. 7. In diesem Beispiel sind die Rillen 11 in ein Gitter mit einem vorbestimmten Abstand eingeschnitten. Fig. 9 ist eine Aufsicht der dritten Elektrode 4, gesehen längs Linie A/A in Fig. 7. In diesem Beispiel sind die Pfade 12 in ein Gitter mit einem vorbestimmten Abstand eingeschnitten. Die Pfade 13 sind längs der Senkrechten und Querrichtung am Außenumfang der Pfade 12 vorgese hen, um den äußeren Umfang der Pfade 12 mit der Außenseite zu verbinden.

Beispiel 5 (Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellen typ und Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp entspre chend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 10 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 5 der Er findung beschrieben. Dieser Sensor umfaßt ein poröses Substrat 1, das beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht. Das poröse Substrat umfaßt Oberflächenungleichmäßigkeiten mit Spitzen, die derart verteilt sind, daß die Entfernung zwischen benachbarten Spitzen 1 µm oder mehr beträgt. Das poröse Substrat 1 enthält, auf ihm in dieser Reihenfolge ausgebil det, eine erste Elektrode 2, eine parallel zu der ersten Elektrode angeordnete zweite Elektrode 14, einen ersten Feststoffelektrolyten 3 und eine dritte Elektrode 4. Der erste Feststoffelektrolyt 3 bedeckt die Oberfläche der ersten Elektrode 2 und der zweiten Oberfläche 14 einschließlich deren Umrandungen vollständig. Die dritte Elektrode 4 deckt desweiteren die Oberfläche des Feststoffelektrolyten 3 einschließlich dessen Umrandung vollständig ab. Ein zweiter Feststoffelektrolyt 5 und eine vierte Elektrode 6 sind in dieser Reihenfolge auf der dritten Elektrode 4 ausgebildet, wobei der zweite Feststoffelektrolyt 5 und die vierte Elektrode 6 derart angeordnet sind, daß der Umfangsbereich der dritten Elektrode 4 frei bleibt. Die erste Elektrode 2, die zweite Elektrode 14, die dritte Elektrode 4 und die vierte Elektrode 6 bestehen jeweils aus einem gasdurchlässigen, porösen Platin.

Diese Elektroden können beispielsweise ausgebildet werden, indem eine Platinpaste unter Verwendung eines Druckverfahrens aufgebracht wird. Der erste Feststoffelektrolyt 3 und der zweite Feststoffelektrolyt 5 sind unter Verwendung eines gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyten mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen gebildet (in diesem Beispiel wird Zirkonoxid benutzt).

An der Rückseite des porösen Substrats 1 ist ein Heizelement 7 vorgesehen. Das Heizele ment 7 ist an eine Heizeinrichtung 4 angeschlossen. Geeignete Materialien für das Heizele ment schließen Edelmetalle, wie Platin, Rhodium, Palladium usw., Legierungen davon und hitzebeständige, elektrisch leitende Materialien ein, zu denen SiC, W, Re, Mo, usw. ge hören. In diesem Beispiel wird Platin verwendet.

Weiter ist eine Einrichtung 15 zum Anlegen einer Spannung vorgesehen, um an die dritte Elektrode 4 relativ zur vierten Elektrode 6 eine positive Spannung anzulegen. Der Aufbau ist in Fig. 10 dargestellt. Eine Einrichtung 16 zum Anlegen einer positiven Spannung an die dritte Elektrode 4 relativ zur zweiten Elektrode 14 ist ebenfalls vorgesehen. Weiter ist eine Einrichtung 17 zum Messen des Stroms vorhanden. Desweiteren ist eine Einrichtung 10 zum Messen der elektromotorischen Kraft zwischen der dritten Elektrode 4 und der er sten Elektrode 2 installiert.

Beim Anlegen einer positiven Spannung relativ zur vierten Elektrode 6 an die dritte Elek trode 4 funktioniert in diesem Bereich einschließlich des zweiten Feststoffelektrolyten 5 eine Sauerstoffpumpe, um Sauerstoffionen von der Seite der vierten Elektrode 6 zur Seite der dritten Elektrode 4 zu übertragen. Bei einer Atmosphäre mit magerem Luft/Kraftstoff verhältnis wird der in dem Abgas verbleibende Sauerstoff in der vierten Elektrode 6 ionisiert, um Sauerstoffionen zu bilden. Da in einer Atmosphäre mit fettem Luft/Kraftstoff verhältnis nicht genügend Sauerstoff verbleibt, erfolgt an Wasserdampf und Kohlendioxid, die der vierten Elektrode 6 von der Atmosphäre aus durch Gasdiffusion zugeführt werden, innerhalb der vierten Elektrode 6 eine Dissoziation, wodurch Sauerstoffionen gebildet werden. Die entstehenden Sauerstoffionen werden durch ionische Leitfähigkeit durch den zweiten Feststoffelektrolyten 5 hindurch zur dritten Elektrode 4 transportiert, und an der Grenze zwischen dem zweiten Feststoffelektrolyten 5 und der dritten Elektrode 4 in Sauerstoffgas umgewandelt. Auf diese Weise wird innerhalb der porösen dritten Elektrode 4 ein sauerstoffreicher Zustand aufrechterhalten, unabhängig von der atmosphärischen Bedingung, d. h. unabhängig davon, ob die Atmosphäre unter einem mageren oder fetten Luft/Kraftstoffverhältnis steht.

Der die zweite Elektrode 14, den ersten Feststoffelektrolyt 3 und die dritte Elektrode 4 enthaltende Bereich funktioniert als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp, um das Luft/Kraftstoffverhältnis aus dem Begrenzungsstrom herzuleiten. Die Strom-Spannungs(IV)-Charakteristik des Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffver hältnis-Sensors vom Begrenzungsstromtyp wurde gemessen, wobei das Luftüberschußver hältnis als ein Parameter zum Erhalten einer charakteristischen Kurve gemäß Fig. 11 ge nommen wurde. Zusätzlich wurde eine Spannung, wie sie in Fig. 11 mit der gestrichelten Linie angegeben ist, an den Sensor gelegt, um den in Fig. 12 aufgetragenen, gemessenen Strom zu erhalten.

Der die erste Elektrode 2, den ersten Feststoffelektrolyt 3 und die dritte Elektrode 4 ent haltende Bereich funktioniert andererseits als ein Sensor für das theoretische Luft/Kraft stoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp, um das theoretische Luft/Kraftstoff verhältnis aus der plötzlichen Änderung der elektromotorischen Kraft zu messen. Die elek tromotorische Kraft des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors vom Sauerstoffkonzentrationszel lentyp wurde dann gemessen, wobei das Luftüberschußverhältnis als ein Parameter genutzt wurde, um eine Kennlinie ähnlich der in Fig. 2 gezeigten zu erhalten.

Die Kennlinien eines herkömmlichen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors sind in Fig. 22 und 23 gezeigt, um sie mit dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensorteil des Sensors gemäß Beispiel 5 vergleichen zu können. Fig. 22 entspricht Fig. 11, Fig 23 entspricht Fig. 12. Durch ei nen Vergleich der Fig. 22 und 23 mit den Fig. 11 und 12 ist ersichtlich, daß im Gegensatz zu dem herkömmlichen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor, der in dem dritten Quadraten un ter kraftstoffreicher Atmosphäre (das ist eine Atmosphäre mit einem Luftverhältnis kleiner 1) eine Begrenzungsstromcharakteristik zeigt, der erfindungsgemäße Sensor die Begren zungsstromcharakteristik im vierten Quadranten zeigt.

Dieses Ergebnis bedeutet, daß bei einem herkömmlichen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor′ die Polarität in Abhängigkeit von dem Luftverhältnis der Atmosphäre umgeschaltet werden muß. Genauer sollte an dem herkömmlichen Sensor unter einer Atmosphäre mit einem Luftüberschußverhältnis größer als 1 (d. h. unter einer kraftstoffmageren Atmosphäre) eine positive Spannung angelegt werden, wohingegen unter einer Atmosphäre mit einem Luftüberschußverhältnis kleiner als 1 (d. h. unter einer kraftstoffreichen Atmosphäre) eine negative Spannung erforderlich ist. Der erfindungsgemäße Sensor kann betrieben werden, während eine positive angelegte Spannung ohne Polaritätsumschaltung aufrecht erhalten wird.

Entsprechend besteht keine Notwendigkeit, eine eigene Feststelleinrichtung vorzusehen, um zu sehen, ob die Atmosphäre in einem kraftstoffarmen oder kraftstoffreichem Zustand ist.

Da die Polarität der angelegten Spannung nicht umgeschaltet werden muß, wird das mit dem Umschalten der Polarität verbundene Rauschen des Ausgangssignals ebenfalls ver mieden.

Der Sauerstoffeinlaß, der bei einem herkömmlichen Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhält nis-Sensor notwendig ist, kann bei dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensorbereich des Sensors gemäß dem vorliegenden Beispiel fehlen. Durch Hinzufügen einer elektrochemischen Zel le, die als eine Sauerstoffpumpe an der dritten Elektrode 4 funktioniert, kann genügend Sauerstoff zugeführt werden, damit der Sensor als ein Äquivalent zu einem herkömmlichen Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor funktionieren kann.

Beispiel 6 (Sensor für das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellen typ und Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp entspre chend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 13 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 6 der Er findung beschrieben. Dieser Sensor hat im wesentlichen die gleiche Struktur wie die der im Beispiel 5 beschriebene Sensor, mit der Ausnahme, daß miteinander in Verbindung ste hende, feine Rillen 11 in dichter Anordnung auf dem Bereich einer ersten Elektrode 2 und einer zweiten Elektrode 14 ausgebildet sind, der jeweils in Berührung mit einem porösen Substrat 1 ist. Wenn in einem Sauerstoffsensor der Strom je Einheitsfläche der Elektrode (d. h. die Stromdichte) vergrößert wird, so bewirkt dies im allgemeinen, daß der Wider stand der Elektrode die anfängliche Charakteristik bzw. Kennlinie des Sensors stark beein flußt und dadurch beeinträchtigt. Ein solcher Einfluß beeinflußt zusätzlich die Langzeit stabilität des Sensors negativ. Die Verwendung eines porösen Substrates 1 mit einem hohen Diffusionswiderstand ist daher wirksam, um die Gasdiffusionsmenge zu vermindern. Der Einsatz eines solchen Substrates jedoch erzeugt in umgekehrter Richtung einen Bereich in der Oberfläche der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 14, der jeweils unzureichend mit Sauerstoff versorgt wird (unwirksamer Bereich). Die Erfindung schafft eine Lösung für dieses Problem.

Die Rillen 11 erleichtern eine Sauerstoffgasdiffusion innerhalb der Oberfläche der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 14, wodurch die Sauerstoffkonzentrationsverteilung in der Ebene zu einem niedrigen bzw. gleichmäßigen Wert gesteuert wird. Auf diese Wei se kann das Entstehen eines unzureichend mit Sauerstoff versorgten, in der Ebene liegen den Bereiches in der Oberfläche der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 14 aus geschaltet werden. Eine solche Maßnahme verhindert somit, daß sich der Widerstand in nerhalb der Elektroden erhöht. Folglich wird ein Sensor mit einer günstigen Anfangscha rakteristik bei der Verminderung der Stromdichte und mit merklich verbesserter Langzeit haltbarkeit geschaffen.

Die Aufsicht auf die an der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 14 vorgesehenen Rillen des Sensors gemäß Beispiel 6 ist die gleiche wie die in Fig. 4 gezeigte. In diesem Beispiel sind die Rillen 11 in ein Gitter mit einem vorbestimmten Abstand eingeschnitten.

Beispiel 7 (Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellen typ und Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp entspre chend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 14 wird im folgenden ein Sensor entsprechend einem Beispiel 7 der Erfindung beschrieben. Dieser Sensor hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der im Beispiel 5 beschriebene Sensor, mit der Ausnahme, daß miteinander in Verbindung stehende feine Pfade 12 in dichter Anordnung an dem Bereich einer dritten Elektrode 4 wie bei dem Sensor des Beispiels 3 ausgebildet sind, und daß zusätzliche Pfade 13 zum Verbinden des Umfangsbereiches des Pfadnetzwerks mit der Außenseite an der dritten Elektrode 4 derart ausgebildet sind, daß sie durch die äußeren Umfangsenden der dritten Elektrode 4 hindurch anschließbar sind.

Da die dritte Elektrode 4 porös ist und ihr äußerer Umfangsbereich mit der Außenseite des Sensors in Verbindung steht, wird überschüssiges Sauerstoffgas durch die feinen Pfade 12 und Pfade 13 nach außen abgegeben, wenn das überschüssige Sauerstoffgas der dritten Elektrode 4 zugeführt wird und der in ihr herrschende Druck durch Funktion der Sauer stoffpumpe ansteigt. Auf diese Weise kann das Ansteigen des Druckes innerhalb der zwei ten Elektrode 4 unterdrückt werden und die Messung kann ohne jedwelche Störung durchgeführt werden. Das Sauerstoffgas innerhalb der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 14 wird in das poröse Substrat 1 abgegeben.

Die Aufsicht der dritten Elektrode 4, gesehen längs Linie A/A des im Beispiel 7 beschrie benen Sensors, ist die gleiche, wie die in Fig. 6 dargestellte. In diesem Beispiel sind die Pfade 12 in ein Gitter mit einem vorbestimmten Abstand eingeschnitten. Die Pfade 13 sind längs der Senkrechten und Querrichtung an dem äußeren Umfang der Pfade 12 vorgese hen, um den äußeren Umfang der Pfade 12 mit der Außenseite zu verbinden.

Beispiel 8 (Sensor für das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellen typ und Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp entspre chend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 15 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 8 der Er findung beschrieben. Dieser Sensor hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der im Beispiel 5 beschriebene Sensor mit der Ausnahme, daß miteinander in Verbindung stehen de feine Rillen 11 in dichter Anordnung auf dem in Berührung mit einem porösen Substrat 1 befindlichen Bereich einer ersten Elektrode 2 und einer zweiten Elektrode 14 in ähnli cher Weise wie beim Beispiel 6 vorgesehen sind und daß an einer dritten Elektrode 4 mit einander in Verbindung stehende feine Pfade 12 in dichter Anordnung vorgesehen sind, wobei an der dritten Elektrode 4 zusätzliche Pfade 13 zum Verbinden des Umfangsbereichs des Pfadnetzwerks mit der Außenseite derart vorgesehen sind, daß sie durch die äußeren Umfangsenden der dritten Elektrode 4 anschließbar sind, ähnlich wie bei dem im Beispiel 7 beschriebenen Sensor.

Der Sensor dieses Ausführungsbeispiels besitzt somit beide Vorteile der Sensoren, die im Beispiel 6 und Beispiel 7 beschrieben sind.

Die Aufsicht der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 14 des Sensors gemäß Bei spiel 8 ist die gleiche wie die in Fig. 4 dargestellte. In diesem Beispiel sind die Rillen 11 in ein Gitter mit einem vorbestimmten Abstand geschnitten. Die Aufsicht der dritten Elek trode 4 des Sensors gemäß Beispiel 8, gesehen längs Linie A/A ist die gleiche wie die in Fig. 6 dargestellte. In diesem Beispiel sind die Pfade 12 in ein Gitter mit vorbestimmten Abstand geschnitten. Die Pfade 13 sind längs der Senkrechten und Querrichtungen an dem äußeren Umfang der Pfade 12 vorgesehen, um den äußeren Umfang der Pfade 12 mit der Außenseite zu verbinden.

Beispiel 9 (Sensor für das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellen typ und Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp entspre chend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 16 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 9 der Er findung beschrieben.

Dieser Sensor hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der Sensor gemäß Beispiel 5, mit der Ausnahme, daß die gesamte Oberfläche des Sensorelementes mit einer Überzugs schicht 18 bedeckt ist, welche einen Metallkatalysator trägt. Der in diesem Beispiel verwendete Metallkatalysator ist beispielsweise Platin und die Überzugsschicht kann bei spielsweise aus Aluminiumoxid bestehen. Der Grund für die Überzugsschicht 18, die einen Metallkatalysator trägt, wird im folgenden erläutert.

Die Ausgangsstromcharakteristik eines Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors vom Begrenzungsstromtyp und die elektromotorische Charakteristik eines Sensors für das theo retische Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp werden von un verbrannten Gasbestandteilen stark beeinflußt, die in dem Abgas des Automobils, d. h. dem zu prüfenden Objekt, enthalten sind.

Im Motor eines Automobils wird Benzin mit Luft vermischt und dann in den Zylindern des Motors verbrannt. Die unverbrannten Gasbestandteile in jedem, von den Zylindern erzeugten Gas unterscheiden sich in ihrer Konzentration. Genauer sei ein Fall betrachtet, bei dem das vom ersten Zylinder nach der Verbrennung abgegebenes Gas reich an H₂ ist, wohingegen die von den anderen Zylindern abgegebenen Gase reich an Kohlenwasserstoff bestandteilen sind. Wenn der Sensor an einer Stelle eingebaut ist, die von dem vom ersten Zylinder abgegebenen Gas, d. h. einem an unverbranntem H₂ reichen Gas, stark beeinflußt ist, würde der Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Strombegrenzungstyp ei nen hohen Ausgangsstrom liefern und der Sensor für das theoretische Luft-Kraftstoffver hältnis vom Sauerstoffkonzentrationszelltyp würde eine elektromotorische Kraft-Kurve auf weisen, deren plötzlicher Biegungspunkt zur mageren Seite verschoben ist. Wenn der Sen sor an einer Stelle eingebaut wäre, die stärker von dem von den anderen Zylindern abgegebenen Gas beeinflußt ist, würde, wie leicht verständlich ist, der Mehrbereichs- Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Strombegrenzungstyp einen niedrigen Ausgangsstrom liefern und der Sensor für das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzen trationszellentyp würde eine elektromotorische Kraft-Kurve mit zur fetten Seite verschobe nem Biegungspunkt haben.

Wie im vorstehenden beschrieben, wird die Sensorcharakteristik von dem unverbrannten Gasbestandteil beeinflußt, der in Berührung mit dem Sensor gelangt. Entsprechend muß der Einfluß der unverbrannten Gasbestandteile minimiert werden. Ein wirksames Mittel, um den Einfluß der unverbrannten Gaskomponenten zu minimieren, besteht darin, das ge samte Sensorelement mit einer Überzugsschicht zu versehen, die einen Metallkatalysator, wie Platin, Rodium und Palladium trägt. Der unverbrannte Gasbestandteil wird in der Überzugsschicht vollständig verbrannt, weil der in die Überzugsschicht eingebaute Kataly sator auf den in Berührung mit der Überzugsschicht gebrachten, unverbrannten Bestandteil wirkt. Auf diese Weise kann als von dem Sensor zu prüfendes Objektgas ein Gas bereitge stellt werden, das frei von solchen unverbrannten Bestandteilen ist. Somit liegt in dieser Maßnahme ein wirksames Mittel, um ein stabiles Sensorausgangssignal zu erhalten.

Die Überzugsschicht 18 mit dem Metallkatalysator kann durch geeignete Auswahl des Ma terials, der Porosität und Dicke des Überzugs sowie des einzubauenden Katalysatortyps, der Menge des Katalysatormaterials und ähnlicher Parameter aufgebracht werden, um die erwünschte Eigenschaft zu erhalten.

Beispiel 10 Sensor für das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp entsprechend dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung

Bezugnehmend auf Fig. 17 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 10 der Er findung beschrieben. Dieser Sensor entsprechend dem zweiten Gesichtspunkt der Erfin dung unterscheidet sich von dem mehrlagigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor des ersten Gesichtspunktes darin, daß innerhalb des Sensorelementes ein Zwischenraum gebildet ist. Genauer umfaßt der Sensor dieses Ausführungsbeispiels eine dritte Elektrode 4, auf der ein zweiter Feststoffelektrolyt 5 mit einer Öffnung 19 (Pinhole) ausgebildet ist, wobei der zweite Feststoffelektrolyt 5 derart ausgebildet ist, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrolyt 3 und 5 ein Zwischenraum 20 vorgesehen ist, eine vierte Elektrode 21, die auf der Seite des zweiten Feststoffelektrolyten 5 ausgebildet ist, auf der die dritte Elektrode 4 vorgesehen ist, und eine fünfte Elektrode 22, die auf dem zweiten Feststoff elektrolyten 4 auf der Seite ausgebildet ist, die derjenigen entgegengesetzt ist, an der die dritte Elektrode 4 ausgebildet ist. Der restliche Aufbau ist im wesentlichen der gleiche wie der des Sensors im Beispiel 9. Im folgenden wird die Funktion des Zwischenraums 20 beschrieben.

In einem Sensor entsprechend diesem Ausführungsbeispiel wird der überschüssige Sauer stoff von dem Sensorelement nach außen durch die Öffnung 19 hindurch abgegeben, wenn der Druck innerhalb des Zwischenraums 20 bei Funktionieren der Sauerstoffpumpenzelle ansteigt. Auf diese Weise wird der Sauerstoffgasdruck innerhalb des Zwischenraums 20 bzw. Hohlraums vermindert, um in der Nachbarschaft der dritten Elektrode 4 eine kon stante Sauerstoffatmosphäre aufrecht zu erhalten. Dies bedeutet, daß die dritte Elektrode 4 als eine Bezugssauerstoffelektrode funktioniert.

Beispiel 11 (Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 18 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 11 be schrieben. Der Sensor dieses Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen der gleiche wie der im Beispiel 1 beschriebene mit der Ausnahme, daß auf einem porösen Substrat 1 anstelle der ersten Elektrode 2 eine zweite Elektrode 14 vorgesehen ist und anstelle des Sensors für das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp geschaffen ist.

Beispiel 12 (Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Strombegrenzungstyp entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 19 wird im folgenden ein Sensor gemäß Beispiel 12 beschrieben. Der Sensor dieses Beispiels ist im wesentlichen der gleiche wie der im Beispiel 2 be schriebene, mit der Ausnahme, daß auf einem porösen Substrat 1 anstelle des Sensors für das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp vorgesehen ist.

Beispiel 13 (Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 20 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 13 be schrieben. Der Sensor dieses Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen der gleiche wie der in Beispiel 3 beschriebene, mit der Ausnahme, daß anstelle des Sensors für das theoreti sche Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp auf einem porösen Substrat ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp vor gesehen ist.

Beispiel 14 (Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp entsprechend dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung)

Bezugnehmend auf Fig. 21 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 14 be schrieben. Der Sensor dieses Beispiels ist im wesentlichen der gleiche wie der im Beispiel 4 beschriebene mit der Ausnahme, daß anstelle des Sensors für das theoretische Luft-Kraft stoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp auf einem porösen Substrat ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp vorgesehen ist.

Wie im vorstehenden beschrieben, umfaßt der erfindungsgemäße Sensor eine Sauerstoff pumpenzelle, die als eine Bezugselektrode entsprechend einer herkömmlichen atmosphäri schen Bezugselektrode funktioniert, und einen Sensor für das theoretische Luftkraftstoff verhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp und/oder einen Mehrbereichs-Luft/Kraft stoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp, welche in einen einzigen Sensor inte griert sind. Entsprechend kann das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis mit hoher Genau igkeit aus der sich plötzlich ändernden Charakteristik der elektromotorischen Kraft festge stellt werden, die bei einem Sensor für das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis vom Sau erstoffkonzentrationszellentyp gemessen wird. Desweiteren kann ein Luft-Kraftstoffverhält nis, das über einen weiten Bereich von einem fetten Bereich bis zu einem mageren Bereich reicht, anhand des Ausgangsstroms festgestellt werden, der bei einem Mehrbereichs- Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp erhalten wird.

Die Erfindung wurde anhand spezieller Ausführungsbeispiele genauer beschrieben. Für den Fachmann liegt auf der Hand, daß ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen, verschie dene Abänderungen und Modifizierungen durchgeführt werden können.

Claims

1. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einem Sensor element, enthaltend:
eine, auf einem porösen Substrat (1) ausgebildete erste Elektrode (2);
einen ersten Feststoffelektrolyt (3) und eine dritte Elektrode (4), die auf der er sten Elektrode (2) in dieser Reihenfolge derart ausgebildet sind, daß die erste Elektrode (2) von dem ersten Feststoffelektrolyt (3) einschließlich ihrer Umrandung vollständig bedeckt ist und daß der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) einschließlich seiner Umrandung vollständig bedeckt ist; und
einen zweiten Feststoffelektrolyt (5) und eine vierte Elektrode (6), die auf der dritten Elektrode (4) in dieser Reihenfolge derart ausgebildet sind, daß der Umfangsbereich der dritten Elektrode (4) von dem zweiten Feststoffelektrolyt (5) und der vierten Elektrode (6) unbedeckt und dadurch freiliegend ist;
wobei die erste Elektrode (2), die dritte Elektrode (4) und die vierte Elektrode (6) aus einem gasdurchlässigen, porösen Platin hergestellt sind und der erste Feststoffelek trolyt (3) und der zweite Feststoffelektrolyt (5) aus einem gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind.

2. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1, bei welchem eine Mehrzahl feiner Rillen (11), die miteinander in Verbindung stehen, in dichter Anordnung an dem Bereich der ersten Elektrode (2) vorgesehen sind, der in Berüh rung mit dem porösen Substrat (1) ist.

3. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1, bei welchem eine Mehrzahl miteinander in Verbindung stehender feiner Pfade (12) dichter Anordnung an der dritten Elektrode (4) ausgebildet ist und ein den äußeren Umfangsbe reich des Netzwerkes der Pfade (12) über die äußere Umfangsendfläche der dritten Elektrode (4) mit der Außenseite verbindender Pfade zusätzlich an der dritten Elektrode (4) ausgebildet ist.

4. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl feiner, miteinander in Verbindung stehender Rillen (11) dichter An ordnung an dem Bereich der ersten Elektrode (2) vorgesehen sind, der in Berührung mit dem porösen Substrat (1) ist; eine Mehrzahl miteinander in Verbindung stehender feiner Pfade (12) in dichter Anordnung an der dritten Elektrode (4) vorgesehen sind; und ein den äußeren Umfangsbereich des Netzwerkes der Pfade (12) über die äußere Umfangsendfläche der dritten Elektrode (4) mit der Außenseite verbindender Pfad (13) zusätzlich an der drit ten Elektrode (4) vorgesehen ist.

5. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1, mit dem Sensorelement, das das poröse Substrat (1) und die folgenden darauf integriert ausgebildete Bereiche enthält:
einen Bereich, der als ein Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp funktioniert, welcher die erste Elektrode (2), den ersten Feststoffelektrolyt (3) und die dritte Elektrode (4) enthält; und
einen Bereich, der als eine Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, der die dritte Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (6) enthält.

6. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1, zusätzlich enthaltend eine auf dem porösen Substrat (1) zusätzlich zu der ersten Elektrode (2) ausgebildete zweite Elektrode (14) und mit dem Sensorelement, das das poröse Substrat (1) und die folgenden, darauf integriert ausgebildeten Bereiche enthält:
einen Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert, enthaltend die erste Elektrode (2), den ersten Feststoff elektrolyt (3) und die dritte Elektrode (4); einen Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/- Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert, enthaltend die zweite Elektrode (14), den ersten Feststoffelektrolyt (3) und die dritte Elektrode (4); und
einen Bereich, der als eine Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, enthaltend die dritte Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (6).

7. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einem Sensor element, das ein poröses Substrat (1) und die folgenden darauf integriert ausgebildeten Be reiche enthält:
eine auf einem porösen Substrat (1) ausgebildete zweite Elektrode (14);
einen ersten Feststoffelektrolyt (3) und eine dritte Elektrode (4), die auf der zweiten Elektrode (14) in dieser Reihenfolge derart ausgebildet sind, daß die zweite Elek trode (14) von dem ersten Feststoffelektrolyt (3) einschließlich ihrer Umrandung voll ständig bedeckt ist, und daß der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) einschließlich seiner Umrandung vollständig bedeckt ist; und
einen zweiten Feststoffelektrolyt (5) und eine vierte Elektrode (6), die auf der dritten Elektrode (4) in dieser Reihenfolge derart ausgebildet sind, daß der Umfangsbereich der dritten Elektrode (4) von dem zweiten Feststoffelektrolyt (5) und der vierten Elektrode (6) unbedeckt und dadurch freiliegend ist;
wobei die zweite Elektrode (14), die dritte Elektrode (4) und die vierte Elek trode (6) aus einem gasdurchlässigen porösen Platin hergestellt sind und der erste Fest stoffelektrolyt (3) und der zweite Feststoffelektrolyt (5) aus einem gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind,
wobei ein Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert, die zweite Elektrode (14), den ersten Feststoffelek trolyt (3) und die dritte Elektrode (4) enthält und
ein Bereich, der als eine Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, die dritte Elektro de (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (6) enthält.

8. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einem Sensor element, enthaltend:
eine auf einem porösen Substrat (1) ausgebildete erste Elektrode (2),
einen ersten Feststoffelektrolyt (3) und eine dritte Elektrode (4), die auf der er sten Elektrode (2) in dieser Reihenfolge derart ausgebildet sind, daß die erste Elektrode (2) vollständig von dem ersten Feststoffelektrolyt (3) einschließlich ihrer Umrandung be deckt ist und daß der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) einschließ lich seiner Umrandung vollständig bedeckt ist;
einen mit einer Öffnung (19) versehenen zweiten Feststoffelektrolyt (5) auf der dritten Elektrode (4), der derart ausgebildet ist, daß zwischen dem ersten Feststoffelektro lyt (3) und dem zweiten Feststoffelektrolyt (5) ein Zwischenraum (20) gebildet ist; und
eine auf der der dritten Elektrode (4) zugewandten Seite des zweiten Feststoff elektrolyten (5) ausgebildete vierte Elektrode (21) und eine auf der Seite des zweiten Fest stoffelektrolyten (5), die der zu der dritten Elektrode (4) zeigenden entgegengesetzt ist, ausgebildete fünfte Elektrode (22), wobei der zweite Elektrolyt (5) und die fünfte Elektro de (22) derart ausgebildet sind, daß der Umfangsbereich der dritten Elektrode (4) von ihnen nicht bedeckt und dadurch freiliegend ist;
wobei die erste Elektrode (2), die dritte Elektrode (4), die vierte Elektrode (21) und die fünfte Elektrode (22) aus einem gasdurchlässigen porösen Platin hergestellt sind, und der erste Feststoffelektrolyt (3) und der zweite Feststoffelektrolyt (5) aus einem gas undurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind.

9. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1, zusätzlich enthaltend eine auf dem porösen Substrat (1) zusätzlich zu der ersten Elektrode (2) ausgebildete zweite Elektrode (14) und mit dem Sensorelement, das das poröse Substrat (1) und die folgenden darauf integriert ausgebildeten Bereiche umfaßt:
einen Bereich, der als ein Sensor für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp funktioniert, umfassend die erste Elektrode (2), den ersten Feststoffelektrolyt (3) und die dritte Elektrode (4); und
einen Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert, enthaltend die die zweite Elektrode (14), den ersten Feststoffelektrolyt (3) und die dritte Elektrode (4); einen Bereich, der als eine Sauerstoff pumpenzelle funktioniert, enthaltend die dritte Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektro lyt (5) und die vierte Elektrode (6).

10. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einem Sen sorelement, enthaltend:
eine auf einem porösen Substrat (1) ausgebildete zweite Elektrode;
einen ersten Feststoffelektrolyt (3) und eine dritte Elektrode (4), die auf der zweiten Elektrode in dieser Reihenfolge derart ausgebildet sind, daß die erste Elektrode vollständig von dem ersten Feststoffelektrolyt (3) einschließlich ihrer Umrandung bedeckt ist und daß der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) einschließlich sei ner Umrandung vollständig bedeckt ist;
einen mit einer Öffnung (19) versehenen zweiten Feststoffelektrolyt (5) auf der dritten Elektrode (4), der derart ausgebildet ist, daß zwischen dem ersten Feststoffelektro lyt (3) und dem zweiten Feststoffelektrolyt (5) ein Zwischenraum (20) gebildet ist; und
eine auf der der dritten Elektrode (4) zugewandten Seite des zweiten Feststoff elektrolyten (5) ausgebildete vierte Elektrode (21) und eine auf der Seite des zweiten Fest stoffelektrolyten (5) die der zur dritten Elektrode (4) zeigenden entgegengesetzt ist, ausgebildete fünfte Elektrode (22), wobei der zweite Feststoffelektrolyt (5) und die fünfte Elektrode (22) derart ausgebildet sind, daß der Umfangsbereich der dritten Elektrode (4) von ihnen nicht bedeckt und dadurch freiliegend ist;
wobei die zweite Elektrode, die dritte Elektrode (4), die vierte Elektrode (21) und die fünfte Elektrode (22) aus einem gasdurchlässigen porösen Platin hergestellt sind, und der erste Feststoffelektrolyt (3) und der zweite Feststoffelektrolyt (5) aus einem gas undurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind;
ein Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Be grenzungsstromtyp funktioniert, die zweite Elektrode, den ersten Feststoffelektrolyt (3) und die dritte Elektrode (4) enthält; und
ein Bereich, der als eine Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, die dritte Elektro de (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (21) enthält.