DE4344826C2 - Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor - Google Patents
Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-SensorInfo
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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 CoO1-xMgx. 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):
R = P0 1/n (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 messen.
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 Jahren 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.
(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 Einrichtung
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.
Aus der DE 33 05 706 A1, von der in den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprü
che ausgegangen wird, ist ein mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor be
kannt, bei dem auf einem porösen Substrat, beispielsweise AlO2, ein Elektrodenpaar angeord
net ist, das von einem ersten Feststoffelektrolyt aus einem Übergangsmetalloxid, beispiels
weise TiO2, überdeckt ist. Der Feststoffelektrolyt ist von einer gasdurchlässigen Isolier
schicht, beispielsweise Al2O3, vollständig überdeckt, die wiederum von einer inneren Elek
trode teilweise überdeckt wird. Die innere Elektrode und der von ihr nicht überdeckte Teil der
gasförmigen Isolierschicht wird von einem zweiten Feststoffelektrolyt, beispielsweise aus
ZrO2, überdeckt, der wiederum teilweise von einer äußeren Elektrode überdeckt wird. Die
äußere Elektrode und der von ihr nicht überdeckte Teil des zweiten Feststoffelektrolyten wer
den von einer porösen Schutzschicht überdeckt. Bei dieser Anordnung kommt Abgas mit dem
Übergangsmetalloxid des ersten Feststoffelektrolyten nur durch Diffusion durch den zweiten
Feststoffelektrolyten hindurch in Berührung, wobei die innere Elektrode und die äußere Elek
trode so angeordnet sind, daß sie durch den zweiten Feststoffelektrolyten einen Gleichstrom
zwingen, der die Wanderung der Sauerstoffionen durch den zweiten Feststoffelektrolyten
steuert und somit die Sauerstoffzufuhr zu dem ersten Feststoffelektrolyt erhöht oder vermin
dert. Auf diese Weise kann ein Unterschied zwischen dem Sauerstoffpartialdruck an der
Oberfläche des aus einem Übergangsmetalloxid bestehenden ersten Feststoffelektrolyten und
dem äußeren Abgas hergestellt werden. Dadurch weist der Widerstand des ersten Feststoff
elektrolyten, der mittels des von ihm überdeckten Elektrodenpaars gemessen wird, abhängig
von der Flußrichtung des Stroms, eine abrupte Änderung im Ansprechverhalten auf eine Än
derung im Luft/Kraftstoffverhältnis über ein nicht stöchiometrisches Verhältnis hinweg auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten und mit hoher Meßleistung ar
beitenden mehrlagigen Dünnschicht Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor zu schaffen, der die
Vorteile eines herkömmlichen Sensors für das theoretische beziehungsweise stöchiometrische
Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkonzentrationszellentyp und/oder die Vorteile eines
herkömmlichen Mehrbereichs Luft/Kraftstoffverhältnissensors vom Begrenzungsstromtyp
aufweist, wie beispielsweise eine geringe Temperaturabhängigkeit des Meßsignals, ohne ei
nen zusätzlichen Weg zum Einleiten von Luft zu benötigen.
Der Anspruch 1 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau einer ersten Ausführungsform ei
nes erfindungsgemäßen Sensors.
Der Sensor gemäß dem Anspruch 1 wird mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 5 in
vorteilhafter Weise weitergebildet.
Der Anspruch 6 kennzeichnet eine weitere Ausführungsform eines mehrlagigen Dünnschicht-
Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors zur Lösung der Erfindungsaufgabe.
Der Anspruch 7 kennzeichnet eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mehrla
gigen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors. Der Sensor gemäß dem Anspruch 7
wird mit den Merkmalen der Ansprüche 8 und 9 in vorteilhafterweise weitergebildet.
Der Anspruch 10 kennzeichnet eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors.
Die erfindungsgemäßen Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren haben folgende Ei
genschaften:
- 1. Der erfindungsgemäße Sensor versorgt das Sensorelement mittels einer Sauerstoffpump funktion mit Sauerstoff. Dadurch ist es nicht notwendig, zwischen dem Sensorelement und dem Äußeren des Gehäuses einen Lufteinleitbereich vorzusehen, weil das Sensorelement kei nen Sauerstoffeinlaßbereich benötigt. Dies ermöglicht einen kompakten Sensor.
- 2. Der erfindungsgemäße Sensor kann in eine planare Struktur eingebaut werden. Ein Sauer stoffeinlaßbereich kann vom Sensorelement eliminiert werden, wodurch das Sensorelement nicht in eine dreidimensionale Struktur, wie einen Zylinder bei dem herkömmlichen Typ, ein gebaut 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 Sauer stoffkonzentrationszellentyp und/oder einen Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert.
- 5. In dem Sensorbereich für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis vom Sauerstoffkon zentrationszellentyp des erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäße Sensor mittels Dünnschichtablagerungstechnologie 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 überschüssige
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 Verbingung 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 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-Sensor
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 Gesichtspunkt
der Erfindung kann mit zusätzlichen, an sich bekannten Einrichtungen ausgerü
stet 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 entsprechend
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 Begrenzungsstromtyp 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 Diffuision 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.
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.
Desweiteren 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/Kraftstoffverhältnisatmos
phäre nicht genügend Sauerstoff verbleibt, erleiden innerhalb der vierten Elektrode 6
Wasserdampf und Kohlendioxid, die von der Atmosphäre durch Gasdiffuision 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 vorm 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.
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.
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.
Bezugnehmend auf Fig. 7 wird im folgenden ein Sensor entsprechend Beispiel 4 der Er
findung beschrieben. Dieser Sensor hat im wesentlichen den gleichen Aufhau 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.
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 Eirnichtung 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/Kraftstoffverhälntis-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 Zelle,
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.
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.
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.
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 diese 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 (10)
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) 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,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Feststoffelektrolyt (3) einschließlich seiner Umrandung von der dritten Elektrode (4) vollständig bedeckt ist und die dritte Elektrode (4) direkt auf dem ersten Feststoffelektrolyt (3) ausgebildet ist.
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) 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,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Feststoffelektrolyt (3) einschließlich seiner Umrandung von der dritten Elektrode (4) vollständig bedeckt ist und die dritte Elektrode (4) direkt auf dem ersten Feststoffelektrolyt (3) ausgebildet ist.
2. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl feiner Rillen (11), die miteinander in Verbindung stehen, in dichter
Anordnung an dem Bereich der ersten Elektrode (2) vorgesehen ist, der in Berührung mit
dem porösen Substrat (1) ist.
3. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1
oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl miteinander in Verbindung stehender feiner Pfade (12) dichter Anordnung an
der dritten Elektrode (4) ausgebildet ist und ein den äußeren Umfangsbereich des
Netzwerkes der Pfade (12) über die äußere Umfangsendfläche der dritten Elektrode (4) mit
der Außenseite verbindender Pfad zusätzlich an der dritten Elektrode (4) ausgebildet ist.
4. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorelement das poröse Substrat (1) und die folgenden darauf integriert ausgebildeten 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.
das Sensorelement das poröse Substrat (1) und die folgenden darauf integriert ausgebildeten 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.
5. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf dem porösen Substrat (1) zusätzlich zu der ersten Elektrode (2) eine zweite Elektrode (14) ausgebildet ist und dass das Sensorelement das poröse Substrat (I) und die folgenden darauf integriert ausgebildeten Bereiche enthält:
einen Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert, enthaltend die zweite Elektrode (14), den ersten Fest stoffelektrolyt (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).
auf dem porösen Substrat (1) zusätzlich zu der ersten Elektrode (2) eine zweite Elektrode (14) ausgebildet ist und dass das Sensorelement das poröse Substrat (I) und die folgenden darauf integriert ausgebildeten Bereiche enthält:
einen Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert, enthaltend die zweite Elektrode (14), den ersten Fest stoffelektrolyt (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).
6. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einem Sensor
element, das ein poröses Substrat (I) und die folgenden darauf integriert ausgebildeten Be
reiche enthält:
eine auf einem porösen Substrat (I) 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 vollständig bedeckt ist, und dass der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) 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 Feststoffelektrolyt (3) und der zweite Feststoffelektrolyt (5) aus einem gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Feststoffelektrolyt (3) einschließlich seiner Umrandung vollständig von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist und die dritte Elektrode (4) direkt auf dem ersten Feststoffelektrolyt (3) ausgebildet ist,
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 Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (6) enthält.
eine auf einem porösen Substrat (I) 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 vollständig bedeckt ist, und dass der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) 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 Feststoffelektrolyt (3) und der zweite Feststoffelektrolyt (5) aus einem gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Feststoffelektrolyt (3) einschließlich seiner Umrandung vollständig von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist und die dritte Elektrode (4) direkt auf dem ersten Feststoffelektrolyt (3) ausgebildet ist,
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 Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (6) enthält.
7. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einem Sensor
element, enthaltend:
eine auf einem porösen Substrat (I) 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 bedeckt ist und der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist;
einen zweiten Feststoffelektrolyt (5), der über der dritten Elektrode (4) angeordnet ist; und
eine weitere Elektrode über dem zweiten Feststoffelektrolyt (5), wobei die erste Elektrode (2), die dritte Elektrode (4), eine vierte Elektrode (21) und eine fünfte Elektrode (22) aus einem gasdurchlässigen porösen Platin hergestellt sind, und der erste Feststoffelektrolyt (3) und der zweite Feststoffelektrolyt (5) aus einem gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Feststoffelektrolyt (3) einschließlich seiner Umrandung vollständig von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist,
die dritte Elektrode (4) direkt auf dem ersten Feststoffelektrolyt (3) ausgebildet ist,
der zweite Feststoffelektrolyt (5) eine Öffnung (19) aufweist und auf der dritten Elektrode (4) derart ausgebildet ist, dass zwischen dem ersten Feststoffelektrolyt (3) und dem zweiten Feststoffelektrolyt (5) ein Zwischenraum (20) gebildet ist; und
die vierte Elektrode (21) auf der der dritten Elektrode (4) zugewandten Seite des zweiten Feststoffelektrolyten (5) ausgebildet ist; und
die fünfte Elektrode (22) auf der Seite des zweiten Feststoffelektrolyten (5), die der zu der dritten Elektrode (4) zeigenden entgegengesetzt ist, ausgebildet ist, wobei der zweite Elektrolyt (5) und die fünfte Elektrode (22) derart ausgebildet sind, dass der Umfangsbereich der dritten Elektrode (4) von ihnen nicht bedeckt und dadurch freiliegend ist.
eine auf einem porösen Substrat (I) 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 bedeckt ist und der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist;
einen zweiten Feststoffelektrolyt (5), der über der dritten Elektrode (4) angeordnet ist; und
eine weitere Elektrode über dem zweiten Feststoffelektrolyt (5), wobei die erste Elektrode (2), die dritte Elektrode (4), eine vierte Elektrode (21) und eine fünfte Elektrode (22) aus einem gasdurchlässigen porösen Platin hergestellt sind, und der erste Feststoffelektrolyt (3) und der zweite Feststoffelektrolyt (5) aus einem gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Feststoffelektrolyt (3) einschließlich seiner Umrandung vollständig von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist,
die dritte Elektrode (4) direkt auf dem ersten Feststoffelektrolyt (3) ausgebildet ist,
der zweite Feststoffelektrolyt (5) eine Öffnung (19) aufweist und auf der dritten Elektrode (4) derart ausgebildet ist, dass zwischen dem ersten Feststoffelektrolyt (3) und dem zweiten Feststoffelektrolyt (5) ein Zwischenraum (20) gebildet ist; und
die vierte Elektrode (21) auf der der dritten Elektrode (4) zugewandten Seite des zweiten Feststoffelektrolyten (5) ausgebildet ist; und
die fünfte Elektrode (22) auf der Seite des zweiten Feststoffelektrolyten (5), die der zu der dritten Elektrode (4) zeigenden entgegengesetzt ist, ausgebildet ist, wobei der zweite Elektrolyt (5) und die fünfte Elektrode (22) derart ausgebildet sind, dass der Umfangsbereich der dritten Elektrode (4) von ihnen nicht bedeckt und dadurch freiliegend ist.
8. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorelement das poröse Substrat (1) und die folgenden, darauf integriert ausgebildeten Bereiche enthält:
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 eine Sauerstoffpumpzelle funktioniert, enthaltend die dritte Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (21).
das Sensorelement das poröse Substrat (1) und die folgenden, darauf integriert ausgebildeten Bereiche enthält:
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 eine Sauerstoffpumpzelle funktioniert, enthaltend die dritte Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (21).
9. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf dem porösen Substrat (1) zusätzlich zu der ersten Elektrode (2) eine zweite Elektrode (14) ausgebildet ist und dass das Sensorelement das poröse Substrat (I) und die folgenden darauf integriert ausgebildeten Bereiche umfaßt:
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); und
einen Bereich, der als eine Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, enthaltend die dritte Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (6).
auf dem porösen Substrat (1) zusätzlich zu der ersten Elektrode (2) eine zweite Elektrode (14) ausgebildet ist und dass das Sensorelement das poröse Substrat (I) und die folgenden darauf integriert ausgebildeten Bereiche umfaßt:
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); und
einen Bereich, der als eine Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, enthaltend die dritte Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (6).
10. Mehrlagiger Dünnschicht-Luft/Krafststoffverhältnis-Sensor mit einem Sen
sorelement, enthaltend:
eine auf einem porösen Substrat (I) 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 Elektrode (14) einschließlich ihrer Umrandung vollständig von dem ersten Feststoffelektrolyt (3) bedeckt ist und dass der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist; und
einen zweiten Feststoffelektrolyt (5), der über der dritten Elektrode (4) angeordnet ist und eine weitere Elektrode über dem zweiten Elektrolyt (5),
wobei die zweite Elektrode (14), 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 gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Feststoffelektrolyt (3) einschließlich seiner Umrandung vollständig von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist,
die dritte Elektrode (4) direkt auf dem ersten Festelektrolyt (3) ausgebildet ist,
der zweite Feststoffelektrolyt (5) eine Öffnung (19) aufweist und auf der dritten Elektrode (4) derart ausgebildet ist, dass zwischen dem ersten Feststoffelektrolyt (3) und dem zweiten Feststoffelektrolyt (5) ein Zwischenraum (20) gebildet ist; und
auf der der dritten Elektrode (4) zugewandten Seite des zweiten Feststoffelek trolyten (5) eine vierte Elektrode (21) ausgebildet ist und eine auf der Seite des zweiten Feststoffelektrolyten (5) die der zur dritten Elektrode (4) zeigenden entgegengesetzt ist, eine fünfte Elektrode (22) ausgebildet ist, 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 ein Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert, die zweite Elektrode (14), den ersten Feststoffelektrolyt (3) und die dritte Elektrode (4) enthält; und
ein Bereich, der als eine Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, die dritte Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (21) enthält.
eine auf einem porösen Substrat (I) 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 Elektrode (14) einschließlich ihrer Umrandung vollständig von dem ersten Feststoffelektrolyt (3) bedeckt ist und dass der erste Feststoffelektrolyt (3) von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist; und
einen zweiten Feststoffelektrolyt (5), der über der dritten Elektrode (4) angeordnet ist und eine weitere Elektrode über dem zweiten Elektrolyt (5),
wobei die zweite Elektrode (14), 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 gasundurchlässigen, dichten Feststoffelektrolyt mit Leitfähigkeit für Sauerstoffionen hergestellt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Feststoffelektrolyt (3) einschließlich seiner Umrandung vollständig von der dritten Elektrode (4) bedeckt ist,
die dritte Elektrode (4) direkt auf dem ersten Festelektrolyt (3) ausgebildet ist,
der zweite Feststoffelektrolyt (5) eine Öffnung (19) aufweist und auf der dritten Elektrode (4) derart ausgebildet ist, dass zwischen dem ersten Feststoffelektrolyt (3) und dem zweiten Feststoffelektrolyt (5) ein Zwischenraum (20) gebildet ist; und
auf der der dritten Elektrode (4) zugewandten Seite des zweiten Feststoffelek trolyten (5) eine vierte Elektrode (21) ausgebildet ist und eine auf der Seite des zweiten Feststoffelektrolyten (5) die der zur dritten Elektrode (4) zeigenden entgegengesetzt ist, eine fünfte Elektrode (22) ausgebildet ist, 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 ein Bereich, der als ein Mehrbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Begrenzungsstromtyp funktioniert, die zweite Elektrode (14), den ersten Feststoffelektrolyt (3) und die dritte Elektrode (4) enthält; und
ein Bereich, der als eine Sauerstoffpumpenzelle funktioniert, die dritte Elektrode (4), den zweiten Feststoffelektrolyt (5) und die vierte Elektrode (21) enthält.
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